Giải pháp điều khiển lưu lượng và đảm bảo độ tin cậy cho chuỗi chức năng dịch vụ trong mạng ảo hóa chức năng

Bối cảnh nghiên cứu

Nhiều bài toán phát sinh trong quá trình triển khai NFV đã và đang được tập trung nghiên cứu và giải quyết góp phan phát triển NFV như kiến trúc của NFV (37, 39, 65],. Thêm vào đó, rất khó để tìm ra các giải pháp tối ưu, đặc biệt là trong mạng quy mô lớn do đặc điểm NP-khó của việc đặt vị trí.

Đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu a. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

• Ao hóa chức năng mạng

Với cách sắp xếp thứ hai, các chức năng mạng ảo được triển khai trên cùng một nút vật lý như thể hiện trong Hình 1.3(b). Do đó, độ tin cậy của chuỗi dịch vụ. được tính bởi công thức:. Các chức năng mạng ảo cũng có thể được sắp xếp song song với nhau như thể hiện trong Hình 1.4. Vì các chức năng mạng ảo VNE\¡ và VNF)¿ cùng thực hiện một nhiệm vụ như nhau và được đặt trên cùng một thiết bị vật lý như Hình 1.4(a), do vậy chuỗi chức năng dịch vụ sẵn sàng hoạt động khi ít nhất một trong số hai chức năng mạng ảo này hoạt động. Ví dụ, nếu bộ điều khiển SDN có thể được triển khai trên máy ảo và thực thi như một phần của chuỗi dịch vụ thì các ứng dụng quản lý và điều khiển tập trung (ví dụ: cân bằng tải, giám sát và phân tích lưu lượng) được sử dụng trong SDN có thể được triển khai như các VNFs và nhận được các ưu điểm của NFV.

Đặt van đề

Ví dụ như các dịch vụ truyền tải video trên mạng yêu cầu hệ thống mạng phải đảm bảo phục vụ đầy đủ về lưu lượng dữ liệu, nếu hệ thống không đảm bảo phục vụ đầy đủ lưu lượng dữ liệu thì dịch vụ truyền tải video không được thực hiện. Đặc biệt là khi mạng máy tính trải dài qua nhiều múi giờ thì sự đa dạng lưu lượng dữ liệu trong mạng càng rừ nột khi mà vào cựng một thời điểm cú vựng là ban ngày với lưu lượng truyền thông dữ liệu tăng cao trong khi những vùng đang là ban đêm thì lưu lượng dữ liệu lại giảm. Cụ thể, kỹ thuật định tuyến ECMP sẽ phân chia đều tổng lưu lượng đi qua một nút cho một số tuyến đường tốt nhất, là những tuyến đường có cùng giá trị tổng trọng số của các liên kết trên tuyến đường đó.

Với những nghiên cứu liên quan trước đây, luận án thấy rằng chưa có công trình nào giải quyết đầy đủ bài toán tối ưu hóa định tuyến đa đường trong hệ thống NFV có xem xét đến sự đa dạng của khối lượng dit liệu can xử lý và sự đa dạng giữa các loại yêu cầu dịch vụ khác nhau trong khi đây là một trong những yếu tố quan trọng giúp cải thiện hiệu năng của hệ thống NFV.

Phát biểu bài toán

Các nút v € V đại diện cho những thiết bị phần cứng tiêu chuẩn cho phép triển khai các chức năng mạng ảo một cách linh động phục vụ theo yờu cầu người dựng. Cho hệ thống NFV G = (V, E), tập các yêu cầu dịch vụ D, tập các đường đi P, và tập các khoảng thời gian T đại diện sự đa dạng về lưu lượng dữ liệu của các yêu cầu dịch vụ và chi phí truyền tải dữ liệu trên các liên kết theo thời gian, tim một giải pháp định tuyến x = { Lepat :ecE,dc D,pc hạt T}. * Bai toán 1.3 (Điều khiển lưu lượng xem xét đồng thời sự da dang vé loại yêu cau dich vu va nhiều khoảng thời gian (EDP)): Cho.

Dựa trên các đặc trưng của NFV, các ràng buộc về tài nguyên trên các nút va liên kết trong hệ thống NFV, luận án ứng dụng kỹ thuật định tuyến đa đường.

Các mô hình tối ưu

Vì lưu lượng dữ liệu của các yêu cầu dịch vụ thay đổi trong các khoảng thời gian khác nhau theo nhu cầu người sử dụng nên bài toán điều khiển lưu lượng EP xem xét đa dạng về lưu lượng yêu cầu dịch vụ và biểu phí định tuyến trong các khoảng thời gian khác nhau nhằm tối thiểu tong chi phí định tuyến. Điều đó có nghĩa là nếu liên kết e thuộc một trong các đường đi ngắn nhất từ nút ;¿ đến nút v (we, = 1) thì luồng dữ liệu đi qua nút e bằng một giá trị chung g;,, cho tất cả các liên kết đi ra khỏi nút i, và thuộc đường đi ngắn nhất đến nút đích v trong tất cả các. Rang buộc (2.30) được sử dung dam bảo không có định tuyến lưu lượng dữ liệu của yêu cầu dịch vụ d di qua liên kết e (z¿pq;¡ = 0) trong mỗi khoảng thời gian t nếu liên kết e không nằm trên đường đi ngắn nhất tới nút dich tg (bức là Uetz = 0) của yêu cầu dịch vụ d.

Mục tiêu của bài toán là tìm được hệ thống trọng số liên kết tối ưu và giải pháp phân chia lưu lượng đa mục tiêu gồm có: tối đa hóa tỉ lệ yêu cầu dịch vụ được phục vụ trong hệ thống, tối đa hóa tổng lưu lượng dữ liệu mà hệ thống có thể phục vụ đồng thời giảm thiểu chi phí định tuyến.

Giải thuật xấp xỉ

Đây là các tham số chính cần được xem xét để đánh giá hiệu quả của giải pháp điều khiển lưu lượng khi triển khai vào thực tế (chi phí và khả năng phục vụ của hệ thống). Có thể mở rộng xem xét đến các thông số hiệu năng khác, ví dụ: có thể thêm giá trị thu được về độ trễ vào hàm mục tiêu (2.43) với hệ số điều chỉnh phù hợp để xem xét đánh giá.

Xác định phương án phân bổ lưu lượng dữ liệu dựa trên các yêu cầu dịch

• Thực nghiệm đánh giá kết quả

Với mỗi hệ thống trọng số liên kết, giải thuật sẽ xác định phương án phân bổ lưu lượng tương ứng cho các yêu cầu dịch vụ tại các khoảng thời gian dựa trên các yêu cầu dịch vụ, tài nguyên hệ thống sẵn có và kỹ thuật định tuyến ECMP. Việc tăng các tham số nhiệt độ ban dau Qo và số lần lặp L của giải thuật tối ưu hệ thống trọng số liên kết dựa trên giải thuật luyện kim (Thuật toán 2.1) giúp đạt được lời giải tốt hơn tuy nhiên kéo theo thời gian tính toán cũng nhiều hơn. Hệ thống sẽ phục vụ đầy đủ yêu cầu lưu lượng đến từ những yêu cầu dịch vụ thuộc loại một và phục vụ một phần lưu lượng đữ liệu tùy theo tài nguyên mạng sẵn có đối với những yêu cầu dịch vụ thuộc loại thứ hai.

Tương tự như vậy, chi phí định tuyến trong trường hợp None-period cũng là giá trị lớn nhất của chi phí truyền tải mỗi đơn vi dữ liệu trên các liên kết trong các khoảng thời gian khác nhau của trường hợp Multi-period.

Đặt vẫn đề

Độ tin cậy một chuỗi dịch vụ trong các hệ thống triển khai NFV phụ thuộc vào các VNFs và các máy chủ mà các VNFs được triển khai trên đó. VNE có thể cần nhiều bản sao để cải thiện độ tin cậy vì vậy nếu tạo ra các bản dự phòng cho các VNE với một số lượng cỗ định có thể dẫn đến vượt quá dung. Trong trường hợp có triển khai dự phòng thứ nhất như thể hiện trong Hình 3.1(b), các bản dự phòng cho hai VNFs được triển.

Như vi dụ trên đã đưa ra, có thể thấy độ tin cậy của một SFC có thể được cải thiện khi lựa chọn vị trí thích hợp để triển khai VNI và triển khai dự phòng.

Phát biểu bài toán

Trước tiên luận án xem xét bài toán phân bổ vị trí triển khai các chức năng mạng ảo và triển khai dự phòng cho các chức năng mạng ảo. Sau đó, các primary VNFs và full-backup VNFs được tiến hành tối ưu hóa vi trí với mục tiêu giảm chi phí triển khai đồng thời tăng độ tin cậy nhỏ nhất của các chuỗi dịch vụ dưới sự hạn. Goi aw, là lượng tài nguyên tính toán cần thiết (ví dụ khả năng xử lý của CPU (Hz)) để thực hiện chức năng ƒ cho việc xử lý mỗi đơn vị lưu lượng dữ liệu (bps) và œ ($) là chi phí cần thiết để triển khai chức năng mang.

° Hài toán 2.2 (Tối thiểu hóa chi phi triển khai dự phòng VNF đảm bảo độ tin cậu): Cho đồ thị G = (V,E) và giải pháp phân bổ tài nguyên triển khai VNFs và triển khai dự phòng cho các VNFs đó từ tập các yêu cầu dịch vụ D, tìm giải pháp hiệu quả chi phí để triển khai dự phòng.

Tối ưu hóa vị trí triển khai VNFs và triển khai dự phòng

2 (Đảm bảo độ tin cậy cho chuỗi chức năng mạng ảo trong điện toán biên) và. VNFs trong tầng biên nhằm đảm bảo độ tin cậy của các dịch vụ theo yêu cầu trong khi vẫn đảm bảo các ràng buộc về tài nguyên. Để dam bảo rằng mỗi primary VNFs được yêu cầu trong yêu cầu dịch vu dự đều được triển khai một VNFs dự phòng (full-backup) luận ấn sử dụng ràng.

Tổng tài nguyên cần thiết để triển khai tất cả các chức năng mạng ảo tại một.

• Tối thiểu hóa chỉ phí triển khai dự phòng VNFs đảm bảo