ĐA DUGNG TRONG NEV
2.2. Phát biểu bài toán
Trong nghiên cứu này, luận án xem xét một hệ thống NFV cung cấp các chức
năng mạng ảo phục vụ các yêu cầu dịch vụ từ người dùng. Yêu cầu dịch vụ trong hệ thống NFV là yêu cầu xử lý một lưu lượng dit liệu tĩnh từ người dùng về một
dịch vụ nào đó có thể gồm một số VNF thực thi các chức năng mạng được cung
cấp rải rác trong mạng, ví dụ như dịch vụ hệ thống bảo vệ mạng gồm các chuỗi
các chức năng tường lửa, quét vi rút, kiểm tra gói tin... Để phục vụ yêu cầu dịch vụ, NFV MANO cần tìm ra giải pháp phan bổ tài nguyên để triển khai một SFC được yêu cầu và định tuyến lưu lượng dit liệu qua SFC. Luận án xem xét một số yếu tố như sự đa dạng về loại yêu cầu dịch vụ và sự đa dạng lưu lượng dữ liệu theo các khoảng thời gian khác nhau nhằm cải thiện hiệu năng của hệ thống NFV dựa trên ứng dụng kỹ thuật định tuyến đa đường ECMP giúp phan
chia đều tổng lưu lượng đi qua một nút cho một số tuyến đường.
Mục tiêu đầu tiên của bài toán là tối đa hóa lưu lượng truy cập được phục
vụ theo yêu cầu người dùng trong hệ thống NFV. Dé dat được điều đó, luận
45
án xem xét sự đa dạng về loại yêu cầu dịch vụ trong bài toán điều khiển lưu lượng và gọi là bài toán Diéu khiển lưu lượng có xem xét sự đa dạng vé
yéu cau dich vu (Traffic Engineering under differentiated Demands - ED). Cụ thể, các yêu cầu dịch vụ được phan thành hai loại. Hệ thống sẽ đáp
ứng đầy đủ yêu cầu về xử lý lưu lượng dit liệu đối với loại yêu cầu dịch vụ thứ nhất và phục vụ tùy theo khả năng của tài nguyên hạ tầng hiện có với các yêu cầu dịch vụ loại thứ hai. Lưu lượng dữ liệu trên mỗi liên kết được điều chỉnh
bằng cách thay đổi hệ thống trọng số liên kết của hạ tầng mạng.
Mục tiêu thứ hai của bài toán là giảm thiểu cước truyền thông để truyền
tải dit liệu trong mạng (gọi là chi phí định tuyến). Trong trường hợp này, luận án xem xét sự đa dạng về lưu lượng dit liệu của các yêu cầu dịch vụ và gọi là
bai toán Điều khiển lưu lượng theo nhiều khoảng thời gian (Traffic
Engineering under multiple time Periods - EP). Cu thé, bài toán điều khiển lưu lượng EP cần tinh đến sự đa dạng của nhu cầu lưu lượng dữ liệu trong
các khoảng thời gian khác nhau.
Cuối cùng là kết hợp nhiều mục tiêu tối ưu hóa trong bài toán điều khiển
lưu lượng khi đó cần xem xét đến cả sự đa dạng về loại yêu cầu dịch vụ cũng
như sự đa dạng theo thời gian lưu lượng dữ liệu và gọi là bài toán Điều khiển lưu lượng theo sự da dạng vé loại yêu cầu dịch vu va nhiễu khoảng
thời gian (Traffic Engineering under differentiated Demands and multiple time Periods - EDP).
Hệ thống NFV được biểu diễn bởi một đồ thị có hướng G = (V, E), trong đó
V là tập các nút mạng và # là tập các liên kết có hướng. Hệ thống cung cấp một
số loại chức năng mạng ảo được triển khai rải rác trong mạng, tập các VNFs được biểu diễn bởi F. 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. Mỗi nỳt ứ cú tài nguyờn nhất định để triển khai cỏc VNFs va chỉ có thể triển khai một số chức năng nhất định. Ký hiệu c„ được sử dung đại diện cho khả năng xử lý (Hz) của nỳt v. Ký hiệu ứ„¿ được sử dung để biểu diễn lượng tài nguyên cần thiết để triển khai chức năng mạng ƒ € Ƒ xử lý
mỗi đơn vị dữ liệu tại nút v. Liên kết e € E là một liên kết từ nút ¡¿ đến nút
46
je. Ký hiệu b. được sử dung để biểu diễn băng thông (bps) của liên kết e. Tiếp theo, tập D được sử dụng để biểu diễn tập các yêu cầu dịch vụ từ người dùng.
Trong đó, mỗi yêu cầu người dùng d € D yêu cầu một lưu lượng dữ liệu hg (bps)
từ nút nguồn sg đến nút đích tg qua một chuỗi các chức năng mạng được biểu
diễn thông qua Fy C Ƒ. Vì các VNF được đặt rải rác trong mạng và mỗi nút
chỉ có thể triển khai một số loại VNF nhất định, tham số k,g; = 1 được sử dung để thể hiện nỳt ứ cú khả năng cung cấp chức năng thứ i trong chuỗi chức năng
mang Fy của yêu cầu dịch vụ d và ngược lại k„„; = 0.
Để biểu diễn phương án phân chia lưu lượng các luồng dữ liệu của yêu
cầu dịch vụ đ theo các đường đi khác nhau trong hệ thống luận án sử dụng x= { Gepd [eC Ede D pe Pi} trong đó 2epq là lưu lượng dữ liệu (bps) đi qua liên kết e của đường đi p của yêu cầu dịch vụ d và P, là tập các đường đi khả dụng cho yêu cầu dich vụ d.
Mỗi liên kết e € E được gan một trong số liên kết we, do đó w = {„:e€ E}
là hệ thống trọng số liên kết trong hệ thống NFV. Trọng số của mỗi liên kết là
một số nguyên không âm được sử dụng để đánh giá chất lượng của tuyến đường khi ứng dụng kỹ thuật định tuyến đa đường ECMP để định tuyến cho các yêu
cầu lưu lượng dit liệu. Trong trường hợp này, ECMP sẽ định tuyến dữ liệu đi
qua những tuyến đường có cùng giá trị tổng trọng số của các liên kết trên tuyến
đường đó và là giá trị nhỏ nhất. Vì vậy, hệ thống trọng số liên kết w được sử
dụng để thay đổi lựa chọn tuyến đường truyền tải dữ liệu qua đó điều chỉnh
phương án định tuyến lưu lượng dữ liệu trong mạng.
Để đảm bảo phương án phân chia lưu lượng các luồng dữ liệu cho các yêu
cầu dịch vụ tuân theo kỹ thuật định tuyến đa đường ECMP, một số biến trung gian sau đây được sử dụng trong mô hình. Biến nhị phan Z¿„z = 1 được sử dụng
để biểu diễn liên kết e nằm trên đường đi p của yêu cầu dịch vụ đ và ngược lại
Zepq = 0. Biến trung gian l„„ có giá trị là độ dài nhỏ nhất trong số các đường di
từ nỳt w đến nỳt ứ. Biến nhị phan ue, = 1 được sử dụng để biểu diễn liờn kết e
nằm trên đường đi ngắn nhất từ nút i, đến v; và ngược lại uey = 0. guy là một biến không âm có giá trị là lưu lượng dữ liệu được gán cho các liên kết đi ra khỏi nút và nằm trên đường đi ngắn nhất từ nút u đến nút v.
47
Tong hợp các ký hiệu toán học biểu diễn mô hình hệ thống và các tham số,
biến số của giải pháp tối ưu được tóm tắt trong Bảng 2.2.
Ba bài toán được xem xét trong chương này xuất phát từ Vẫn đề nghiên cứu
1 (Điều khiển lưu lượng ứng dụng định tuyến da đường trong NFV) và lần lượt được phát biểu như sau:
* Hài toán 1.1 (Điều khiển lưu lượng có xem xét sự đa dạng vé
loại yêu cầu dich vu (ED)): Cho hệ thống NFV G = (V,E), tập các
yêu cầu dịch vụ D được chia thành hai loại Dị và D2 trong đó hệ thống sẽ phục vụ day đủ yêu cầu về lưu lượng dif liệu với những yêu cầu thuộc loại Dị, và hệ thống sẽ cung cấp theo hiện trạng đối với những yêu cầu dịch vụ thuộc loại Dạ, tìm giải pháp định tuyến x = {z¿p„:e€ E,d € D,p € Py} và một hệ thống trọng số liên kết w = {we :e € E}, thỏa mãn tất cả các ràng
buộc về tài nguyên trong hệ thống NFV nhằm tối đa tổng lưu lượng được
hệ thống phục vụ.
e Bai toán 1.2 (Điều khiến lưu lượng theo nhiều thời gian (EP)):
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}
và hệ thống trọng số liên kết w = {.:c€ E}, thỏa mãn tất cả các ràng
buộc về tài nguyên trong hệ thống NFV nhằm tối thiểu tổng chi phí định
tuyến.
* 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
hệ thống NFV G = (V,B), tập các yêu cầu dịch vụ D được chia thành hai loại Dị va Dz trong đó hệ thống sẽ phục vu day đủ yêu cầu về lưu lượng dữ liệu với những yêu cầu thuộc loại ?¡ và hệ thống sẽ cung cấp theo hiện trạng đối với những yêu cầu dich vụ thuộc loại D2, tập các đường đi P, tap 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 dit liệu trên các liên kết theo thời gian,
48
Bảng 2.2: Bảng tóm tắt các ký hiệu toán học
Các tham số đầu vào V Tap các nút v trong hệ thống NFV.
Cụ Kha năng xử lý của nút 0, đơn vị Hz.
E Tập các liên kết e trong hệ thống NFV.
be Bang thong cia lién két e € E, don vi bps.
te/Je Điểm đầu/điểm cuối của liên kết e.
F Tập các chức năng mang ảo f được cung cấp trong hệ thống NFV F = {1,2,...,ƒ,...}.
T Tập các khoảng thời gian T = {1,2,...,¢,...}.
=(V,E) | Đồ thị có hướng biểu diễn hệ thống NFV.
Cet Chi phí định tuyến của liên kết e € E trong khoảng thời gian t € T, don vi $.
1uƒ Tài nguyên cần thiết để triển khai chức năng mạng ƒ xử ly mỗi đơn vị dữ liệu tại nút v.
D Tập các yêu cầu dịch vụ trong hệ thống NFV D = {1,2,...,đ,...}. Trong đó d là yêu cầu dich vụ trong hệ thống NFV được được đặc tả bởi bộ thông số (sa, ta, hạ, Fa) hoặc (sa, ta, hat, Fa).
Dị Tập các yêu cầu dịch vụ yêu cầu hệ thống phục vụ đầy đủ lưu lượng.
Do Tập các yêu cầu dịch vụ yêu cầu hệ thống phục vu day đủ hoặc một phần lưu lượng tùy theo
khả năng.
hạ Luu lượng di liệu của yêu cầu dịch vụ d, đơn vi bps.
hat Luu lượng dit liệu của yêu cầu dich vu d € D tại khoảng thời gian t € T, đơn vi bps.
Sa/ta Nút nguồn/nút đích của yêu cầu dịch vu d € D.
Fy Chuỗi các chức năng mang ảo được yêu cầu bởi yêu cầu dịch vụ d.
P Tập các đường đi khả dụng trong hệ thống NFV.
Py Tập các đường đi kha dụng cho yêu cau dich vu d.
kudi Nút v có khả năng cung cấp chức năng mang ảo thứ i trong chuỗi chức năng mang Fy của yêu cầu dịch vụ d nếu kya; = 1, ngược lại kya = 0.
kudit Nút v có khả năng cung cấp chức năng mạng ảo thứ i trong chuỗi chức năng mang Fy của yêu cầu dịch vụ d tại khoảng thời gian £ nếu k„„¿¿ = 1, ngược lại k„z¿; = 0.
My Băng thông lớn nhất trong tất cả các liên kết.
Các biến đầu ra
Ww Hệ thống trọng số các liên kết trong hệ thống NFV w = {w. : e € P}.
x Phương án phân chia lưu lượng dữ liệu x = {tepar 1 e € E,p € P,d € Dit € T}.
Cac bién trung gian
Zepd Biến nhị phân biểu diễn liên kết e nằm trên đường đi p của yêu cầu dịch vu d nếu Zepa = 1,
ngược lại Zepa = 0.
Xepdt Biến nhị phân biểu diễn liên kết e nằm trên đường di p của yêu cầu dich vụ d tại khoảng thời gian £ nếu Zepat = 1, ngược lại Zepar = 0.
Uev Biến nhị phân biểu diễn liên kết e nằm trên đường di ngắn nhất từ nút i, đến nút v nếu ue, = 1,
ngược lại wey = 0.
luv Độ dài ngắn nhất của các đường đi từ nút u đến nút 0.
Juv Lưu lượng dit liệu được gán cho các liên kết di ra khỏi nút u và nằm trên đường đi ngắn nhất
từ nút u đến nút 0.
đườt Lưu lượng dữ liệu được gán cho các liên kết đi ra khỏi nút và nằm trên đường đi ngắn nhất từ nút œ đến nút v tại khoảng thời gian ¢ € 7.
Zet Tổng lưu lượng dữ liệu di qua liên kết e tại khoảng thời gian t € 7, đơn vị bps.
Nat Tổng số yêu cầu dịch vụ được phục vụ tại khoảng thời gian £ € T.
Nụ Tỉ lệ yêu cầu dịch vụ được phục vụ tại khoảng thời gian t € T.
Zi Ti lệ yêu lưu lượng dé liệu được phục vụ bởi hệ thống tại khoảng thời gian ¢ € 7.
Ct Ti lệ chi phí định tuyến tại khoảng thời gian t € T.
N Giá trị nhỏ nhất của tỉ lệ các yêu cầu dịch vụ được phục vụ trong tất cả các khoảng thời gian.
Z Giá trị nhỏ nhất của tỉ lệ lưu lượng giữ liệu được phục vụ trong tất cả các khoảng thời gian.
ơ Giá trị lớn nhất của chi phí định tuyến trong tất cả các khoảng thời gian.
49
tìm một giải pháp định tuyến x = { Lepat :e€ E,de D,pe Py,t T} và hệ thống trọng số liên kết w = {w. : e € E}, thỏa mãn tất cả các ràng buộc về tài nguyên trong hệ thống NFV nhằm đạt được các mục tiêu: (1) tối đa tỉ lệ yêu cầu dịch vụ được chấp nhận phục vu, (2) tối đa tỉ lệ lưu lượng dit
liệu được phục vụ và (3) tối thiểu tổng chi phí định tuyến.
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
ECMP để xác định phương án định tuyến tối ưu x(w) ứng với hệ thống trọng số liên kết w. Phần tiếp theo sẽ biểu diễn cụ thể các ràng buộc và hàm mục
tiêu nhằm đạt được giải pháp tối ưu gồm hệ thống trọng số liên kết tối ưu và phương án phân chia lưu lượng tốt nhất.