Scalable cost-efficient placement and chaining of virtual network functions - Luizelli, Marcelo Caggiani (2017)
A Virtualização de Funções de Rede (NFV – Network Function Virtualization) é um novo conceito arquitetural que está remodelando a operação de funções de rede (e.g., firewall, gateways e proxies). O conceito principal de NFV consiste em desacoplar a lógica de funções de rede dos dispositivos de hardware especializados e, desta forma, permite a execução de imagens de software sobre hardware de prateleira (COTS – Commercial Off-The-Shelf). NFV tem o potencial para tornar a operação das funções de rede mais flexíveis e econômicas, primordiais em ambientes onde o número de funções implantadas pode chegar facilmente à ordem de centenas. Apesar da intensa atividade de pesquisa na área, o problema de posicionar e encadear funções de rede virtuais (VNF – Virtual Network Functions) de maneira escalável e com baixo custo ainda apresenta uma série de limitações. Mais especificamente, as estratégias existentes na literatura negligenciam o aspecto de encadeamento de VNFs (i.e., objetivam sobretudo o posicionamento), não escalam para o tamanho das infraestruturas NFV (i.e., milhares de nós com capacidade de computação) e, por último, baseiam a qualidade das soluções obtidas em custos operacionais não representativos. Nesta tese, aborda-se o posicionamento e o encadeamento de funções de rede virtualizadas (VNFPC – Virtual Network Function Placement and Chaining) como um problema de otimização no contexto intra- e inter-datacenter. Primeiro, formaliza-se o problema VNFPC e propõe-se um modelo de Programação Linear Inteira (ILP) para resolvêlo. O objetivo consiste em minimizar a alocação de recursos, ao mesmo tempo que atende aos requisitos e restrições de fluxo de rede. Segundo, aborda-se a escalabilidade do problema VNFPC para resolver grandes instâncias do problema (i.e., milhares de nós NFV). Propõe-se um um algoritmo heurístico baseado em fix-and-optimize que incorpora a meta-heurística Variable Neighborhood Search (VNS) para explorar eficientemente o espaço de solução do problema VNFPC. Terceiro, avalia-se as limitações de desempenho e os custos operacionais de estratégias típicas de aprovisionamento ambientes reais de NFV. Com base nos resultados empíricos coletados, propõe-se um modelo analítico que estima com alta precisão os custos operacionais para requisitos de VNFs arbitrários. Quarto, desenvolve-se um mecanismo para a implantação de encadeamentos de VNFs no contexto intra-datacenter. O algoritmo proposto (OCM – Operational Cost Minimization) baseia-se em uma extensão da redução bem conhecida do problema de emparelhamento ponderado (i.e., weighted perfect matching problem) para o problema de fluxo de custo mínimo (i.e., min-cost flow problem) e considera o desempenho das VNFs (e.g., requisitos de CPU), bem como os custos operacionais estimados. Os resultados alcaçados mostram que o modelo ILP proposto para o problema VNFPC reduz em até 25% nos atrasos fim-a-fim (em comparação com os encadeamentos observados nas infra-estruturas tradicionais) com um excesso de provisionamento de recursos aceitável – limitado a 4%. Além disso, os resultados evidenciam que a heurística proposta (baseada em fix-and-optimize) é capaz de encontrar soluções factíveis de alta qualidade de forma eficiente, mesmo em cenários com milhares de VNFs. Além disso, provê-se um melhor entendimento sobre as métricas de desempenho de rede (e.g., vazão, consumo de CPU e capacidade de processamento de pacotes) para as estratégias típicas de implantação de VNFs adotadas infraestruturas NFV. Por último, o algoritmo proposto no contexto intra-datacenter (i.e. OCM) reduz significativamente os custos operacionais quando comparado aos mecanismos de posicionamento típicos uti