4. Đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu a. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
1.2. Ao hóa chức năng mạng
1.3.1. Điều khiển lưu lượng dữ liệu và quản lý tài nguyên trong hệ thong NFV
Trong những năm gan đây, nhiều nghiên cứu về điều khiển lưu lượng đã được thực hiện hướng tới mục tiêu giảm thiểu chi phí và tối đa lưu lượng dit liệu trong các hệ thông NFV. Jia và cộng sự của mình đã thực hiện nghiên cứu để trả lời câu hỏi làm thế nào để tối thiểu chi phí hoạt động và tối đa thông lượng mạng trong tài liệu |44]. Cụ thể, các tác giả xem xét sự tiêu thụ tài nguyên tính toán và sự tiêu thụ tài nguyên băng thông khi triển khai một chuỗi dịch vụ, qua đó
tìm phương án định tuyến dữ liệu nhằm tối ưu hóa chi phí hoạt động và thông lượng mạng cho một chuỗi các yêu cầu dịch vụ. Các tác giả cũng đề xuất một
giải pháp động điều khiển lưu lượng cho các yêu cầu dịch vụ tại thời điểm phát
28
sinh yêu cầu dịch vụ đó với mục tiêu tối đa lưu lượng dữ liệu được phục vụ. Mục tiêu tối đa lưu lượng trong mang cũng được thực hiện trong nghiên cứu [78] với bài toán đường đi ngắn nhất thỏa mãn các ràng buộc của một chuỗi các chức
năng dịch vụ. Cụ thể, Sallam và các cộng sự đã thực hiện tách bài toán thành hai bài toán con để tìm đường đi ngắn nhất và tối đa lưu lượng truyền từ một nút nguồn tới một nút đích thỏa mãn ràng buộc SFC. Dé tìm đường đi ngắn nhất thỏa mãn ràng buộc SFC, giải pháp được đề xuất là chuyển đổi đồ thị
mạng ban đầu thành một đồ thị mạng mới sau đó tìm đường đi ngắn nhất thỏa mãn ràng buộc SFC và cuối cùng ánh xạ lại trên đồ thị ban đầu. Với bài toán thứ hai, đầu tiên các tác giả mô hình hóa bài toán dưới dạng bài toán luồng cực dai không xét đến ràng buộc SFC và đề xuất giải thuật dựa trên Ford-Fulkerson,
sau đó giải bài toán đặt các chức năng mạng ảo trên một số lượng tối thiểu các
nút mạng. Các nghiên cứu [44, 78] đã đề xuất cả mô hình tối ưu và giải thuật
xấp xi, tuy nhiên các giải pháp đề xuất chỉ xem xét tìm phương án điều khiển
lưu lượng hiệu quả cho một yêu cầu dịch vụ đơn lẻ. Do đó, áp dụng các giải
pháp đã đề xuất để điều khiển lưu lượng cho một tập các yêu cầu dịch vụ sẽ
không đạt được hiệu quả tương ứng bởi vì khi xem xét phục vụ một yêu cầu
dịch vụ thì các thông số về tài nguyên mạng đã thay đổi sau khi cấp phát để
phục vụ yêu cầu dịch vụ trước đó.
Một số nghiên cứu thực hiện điều khiển lưu lượng cho một tập các yêu cầu
dịch vụ được thực hiện trong các tài liệu [98, 8]. Zhang và các cộng sự đã đề
xuất giải pháp điều khiển lưu lượng nhằm tối thiểu tổng chi phí định tuyến
trong [98]. Giải pháp đề xuất gồm hai pha. Trong giai đoạn đầu, giải pháp tiến hành tìm một tập các đường đi khả dụng cho mỗi yêu cầu dịch vụ bằng cách xây dựng một cây mà có ít nhất một đường đi từ nút gốc đến từng chức năng mạng được yêu cầu (mô hình hóa dựa trên bài toán đồ thị kết nối Group Steiner Tree). Tại pha thứ hai, các luồng dit liệu của các yêu cầu dịch vụ sẽ được sắp xếp định tuyến trên các đường đi thông qua chiến lược tham lam bằng cách lựa chọn đường di với chi phí thấp nhất. Trong tài liệu [8], Addis và các cộng sự đã nghiên cứu bài toán tối uu hóa chi phí và dam bảo hiệu năng mạng dựa
trên đồng thời tối ưu hóa vị trí triển khai VNF và định tuyến luồng dữ liệu.
29
Trước tiên, các tác giả mô hình hóa bài toán dưới dạng mô hình toán học MILP
(Mixed Integer Linear Programming - Quy hoạch tuyến tính nguyên hỗn hợp)
với hai mục tiêu lần lượt là tối thiểu hóa mức độ sử dụng liên kết lớn nhất trong mạng và tối thiểu tài nguyên tính toán để triển khai các VNEs. Tiếp đó, các
tác giả đề xuất giải pháp math-heuristic đa mục tiêu với ý tưởng chia bài toán thành hai pha, lần lượt mỗi pha thực hiện tìm lời giải tối ưu với một mục tiêu
tương ứng. Các giải pháp đề xuất trong [98, 8] thực hiện tìm phương án triển khai VNF và điều khiển lưu lượng cho một tập các yêu cầu dịch vụ, tuy nhiên một số đặc điểm về yêu cầu dịch vụ như sự dao động của lưu lượng dữ liệu theo
thời gian chưa được xem xét đến.
Một số nghiên cứu về điều khiển lưu lượng và quản lý tài nguyên trong mạng NFV tập trung xem xét đặc điểm dao động của lưu lượng dữ liệu được thực hiện
giúp cải thiện hiệu năng mạng. Ma và các đồng nghiệp của mình đã thực hiện nghiên cứu nhằm giảm thiểu chi phí định tuyến cho một luồng dữ liệu dựa trên
việc xem xét sự biến động của lưu lượng dữ liệu sau khi đi qua các middlebox
[54]. Cụ thể, các tác giả nhận thấy lưu lượng của một luồng dữ liệu sẽ có sự biến đổi tăng lên hoặc giảm đi sau khi được xử lý bởi các chức năng mạng (ví
dụ: sau khi chức năng nén dữ liệu được thực hiện thì lưu lượng dữ liệu giảm di).
Khai thác đặc điểm biến động của lưu lượng dữ liệu này, các tác giả đề xuất
các giải pháp đặt vi tri cho các middlebox hiệu quả với cả hai trường hợp đường
đi của luồng dit liệu đã được xác định và chưa được xác định. Tuy nhiên, các
giải pháp trong nghiên cứu trên được đề xuất để áp dụng cho một luồng dữ liệu
riêng lẻ. Sự dao động của lưu lượng dữ liệu trong bài toán cung cấp VNF chủ động cũng được nghiên cứu trong tài liệu [33] giúp các nhà cung cấp NFV giảm
thiểu chi phí phát sinh do triển khai VNF và dự đoán không chính xác. Trước tiên, các tác giả sử dụng kỹ thuật học máy và phân tích dữ liệu để dự đoán nhu cầu lưu lượng mạng sắp tới và giảm thiểu lỗi dự đoán. Tiếp đó, chiến lược điều
chỉnh tự động các VNF dựa trên kết quả dự đoán giúp tối uu hoá việc sử dụng
tài nguyên mạng, giảm thiểu chi phí và tăng cường hiệu suất của mạng. Cuối cùng, hai giải thuật được đề xuất để tìm phương án triển khai các phiên bản
VNF mới này và định tuyến luồng dữ liệu của các yêu cầu chuỗi dịch vụ. Nghiên
30
cứu trên đã đề xuất giải pháp định tuyến và triển khai VNF hiệu quả khi xem xét sự biến động của lưu lượng dữ liệu theo thời gian. Tuy nhiên để triển khai
giải pháp cần phải thu thập và phân tích dữ liệu lưu lượng mạng thường xuyên, điều này đòi hỏi một số lượng lớn tài nguyên tính toán và lưu trữ.
Theo sự hiểu biết của tác giả thì chưa có nghiên cứu đầy đủ nào tập trung vào điều khiển lưu lượng dữ liệu nhằm cải thiện hiệu năng của hệ thống NFV
mà có xem xét đến sự đa dạng về yêu cầu lưu lượng dữ liệu theo thời gian, sự đa dạng về loại yêu cầu dịch vụ và ứng dụng kỹ thuật định tuyến đa đường. Do
đó, luận án đề xuất nghiên cứu bài toán "Điều khiển lưu lượng ứng dụng định
tuyến da đường trong hệ thông NFV có xem xét đến sự đa dạng vé yêu cầu lưu
lượng dữ liệu theo thời gian, sự da dạng vé loại yêu cầu dịch vu giúp giảm thiểu
chi phi định tuyến va hiệu quả uề lưu lượng dữ liệu được phục vu" . Chi tiết về xuất này được trình bày tại Chương 2 của luận án.
1.3.2. Dam bảo độ tin cậy của các dịch vụ trong NFV
Gần đây nhiều nghiên cứu đã được thực hiện nhằm đáp ứng các yêu cầu về
độ tin cậy của các dịch vụ trong NFV.
Để cải thiện độ tin cậy của SFC, một hướng tiếp cận đơn giản là tối ưu hóa
vị trí của VNFs. Trong tài liệu [86], các tác giả đề xuất một thuật toán nhúng
đáng tin cậy để cải thiện độ tin cậy của dịch vụ mà không cần dự trữ tài nguyên dự phòng. Một chiến lược sắp đặt vị trí triển khai VNF nâng cao độ tin cậy cũng đã được đề xuất trong nghiên cứu [92] nhằm duy trì độ trễ đầu cuối mong muốn và độ tin cậy SFC dựa trên phương pháp tiếp cận đồ thị phân lớp. Sun và các cộng sự đã thực hiện nghiên cứu nhằm nâng cao độ tin cậy của SFC và giảm
thiểu mức tiêu thụ tài nguyên SFC bằng cách ánh xạ các chức năng mạng lên
các mạng thành phan [85]. Mặc dù các phương pháp được đề xuất [86, 92, 85]
giúp tăng độ tin cậy của các dịch vụ mạng tuy nhiên việc tập trung hoàn toàn
vào các chiến lược tìm vị trí triển khai VNEs không đủ để đáp ứng yêu cầu
nghiêm ngặt về độ tin cậy của các yêu cầu dịch vụ.
Một cách tiếp cận đầy hứa hẹn khác để cải thiện độ tin cậy của các SFC là triển khai các bản sao dự phòng cho các VNFs và kết hợp triển khai dự phòng
31
với tối ưu vị trí triển khải VNEs. Tiêu biểu có một số nghiên cứu về độ tin cậy
SFC được thực hiện trong các tài liệu [30, 73]. Những nghiên cứu nay làm tăng độ tin cậy của dịch vụ bằng cách tạo nhiều bản sao lưu của các VNF kém tin
cậy nhất trong chuỗi. Một chiến lược đầy đủ hơn để quyết định lựa chọn các ứng cử viên VNF để triển khai dự phòng được đề xuất trong nghiên cứu [23]. Các
tác giả đề xuất độ do CIM (Cost-aware Importance Measure) gắn với độ tin cậy
của máy chủ vat lý để đánh giá tầm quan trọng của các VNFs. Các VNFs có giá tri CIM lớn nhất sẽ được lựa chọn để triển khai dự phòng nhằm đáp ứng yêu
cầu về độ tin cậy của từng SFC giúp hiệu qua chi phí tối ưu. Trong các nghiên cứu [9, 7ð], các tác giả nghiên cứu giải pháp đảm bảo sự tồn tại của các dịch vụ đáp ứng với mọi sự cố của một nút vật lý dựa trên cơ sở chia sẻ tài nguyên dự
phòng. Dé tăng độ tin cậy của SFC, các tác giả sử dụng một thuật toán k đường đi ngắn nhất để triển khai các VNF chính và một kỹ thuật định tuyến kết hợp để triển khai các VNF dự phòng [72]. Các nghiên cứu [30, 73, 23, 9, 75, 72] chi
xem xét đến lỗi phần cứng và độ tin cậy của một SFC được xác định bởi độ tin
cậy của các máy chủ triển khai các VNFs của SFC đó.
Một số nghiên cứu về đảm bảo sự tin cậy cho các SFC được thực hiện dựa
trên cơ sở xem xét độ tin cậy của các VNFs. Trong nghiên cứu [28], các tác giả
thực hiện triển khai dự phòng off-site các VNFs để tăng độ tin cậy của các SFC nhằm đáp ứng theo yêu cầu của người dùng và giải pháp đề xuất giúp giảm lượng tài nguyên cần tiêu thụ cho các nhà cung cấp dịch vụ. Zhang và các cộng sự cân nhắc sự không đồng nhất về yêu cầu tài nguyên dự phòng của các loại
VNF khác nhau nhằm giảm thiểu mức tiêu thụ tài nguyên tại các nút dự phòng
[97]. Một thuật toán trực tuyến BCR được đề xuất cung cấp dự phòng off-site
cho chuỗi dịch vụ diện rộng đảm bảo độ tin cậy [51].
Không giống như các nghiên cứu đã đề cập ở trên chỉ xem xét đến độ tin cậy của phần cứng (các máy chủ) hoặc độ tin cậy phần mềm (các chức năng mạng VNIS), một số nghiên cứu đã thực hiện xem xét đồng thời độ tin cậy của phần cứng và phần mềm trong bài toán đảm bảo độ tin cậy của các chuỗi dịch vụ.
Trong nghiên cứu [14], các tác giả đề xuất một hướng tiếp cận tránh lỗi. Dựa
trên vị trí của các VNFs trong chuỗi dịch vụ, loại chức năng và đặc điểm hoạt
32
động của các VNES, phương pháp đề xuất chỉ định mức độ ưu tiên cho các VNFs
nhằm dam bảo rằng các VNFs quan trọng được phân bổ trên những máy chủ có
độ tin cậy cao qua đó giúp tăng độ tin cậy cho SFCs. Nghiên cứu được đề xuất
trong tài liệu [11] cho phép tối đa độ tin cậy của các dịch vụ, tuy nhiên để làm được điều đó giải pháp đề xuất thực hiện triển khai cùng một số lượng bản sao dự phòng cho tất cả các VNEs. Việc triển khai dự phòng cho các VNFs một cách đồng đều như vậy có thể dẫn tới lãng phí về tài nguyên và không tối ưu chi phí triển khai dự phòng. Zhai và các cộng sự của mình đề xuất một phương pháp triển khai dự phòng hướng tới tăng độ tin cậy cho các SFC [96]. Giải pháp được đề xuất triển khai các VNF chính va các bản VNF dự phòng trên cùng máy chủ
dẫn đến mặc dù độ tin cậy của SFC được tăng lên nhưng lại không đáp ứng với trường hợp lỗi xảy ra trên bất kỳ nút nào.
Các bài toán đảm bảo độ tin cậy của chuỗi dịch vụ cũng được nghiên cứu cụ
thể đối với các kiến trúc mạng khác nhau. Một số nghiên cứu về triển khai dự
phòng VNFs trong các trung tâm di liệu (Data Center) được thực hiện trong
các tài liệu [29, 39, 73]. Các tác giả đề xuất sao lưu toàn bộ SFC qua đó giúp đảm bảo độ tin cậy của các SFC. Tuy nhiên, cách làm này đòi hỏi một số lượng
lớn tài nguyên và có thể dẫn tới tiêu tốn chi phí vận hành cũng như chi phí phần
cứng không cần thiết [39]. Kaliyammal va các cộng sự cân nhắc độ tin cậy của cả phần cứng và phần mềm khi dam bảo độ tin cậy theo yêu cầu của các dịch
vụ khác nhau với tài nguyên dự phòng tối thiểu trong mạng 5G có triển khai NEV [45]. Do đặc điểm đặc biệt đó là sự hạn chế về tài nguyên trên tầng biên nên những giải pháp đã được đề xuất không thích hợp để áp dụng trực tiếp cho
mô hình mạng điện toán biên.
Một số nghiên cứu triển khai dự phòng VNEs đảm bảo độ tin cậy cho các chuỗi dịch vụ được thực hiện riêng trong môi trường điện toán biên. Tiêu biểu
như trong nghiên cứu [24], Dinh và các cộng sự đề xuất một giải pháp tiết kiệm
chi phi cho phép dam bao độ tin cậy của các dịch vụ IloT trên mạng fog-core
cloud. Giải pháp đề xuất giúp cải thiện độ tin cậy của các SFC dự trên cơ sở đánh giá tiềm năng của các VNFs. Các nghiên cứu khác được thực hiện trong
môi trường Mobile Edge Computing-NFV để giảm chi phí và nâng cao độ tin
33
cậy của các dịch vụ mạng trong các tài liệu [101, 94]. Sang và các cộng sự của minh cũng đề xuất một chiến lược sao lưu VNFs hiệu quả trong nghiên cứu
[81]. Cu thể, giải pháp được đề xuất tìm cho mỗi VNF được yêu cầu trong tang biên một vị trí thích hợp trong tầng biên hoặc tầng đám mây để triển khai một bản sao lưu tĩnh. Do độ tin cậy của các SFCs có thể không đảm bảo và khó có thể dự đoán được lỗi xảy ra trong tương lai của các VNFs, nghiên cứu cũng đề
xuất một giải pháp sao lưu động trong khi van dam bảo cân bằng tải của từng
máy chủ để giảm thiểu tranh chấp tài nguyên. Tuy nhiên, trong nghiên cứu này,
nhóm tác giả bỏ qua việc xem xét đến độ tin cậy của cả các VNF và các máy
chủ triển khai VNFs nên không phù hợp với một số dịch vụ mạng yêu cầu độ
tin cậy cao một cách đầy đủ và nghiêm ngặt.
Qua khảo sát trên có thể nhận thấy các phương pháp đảm bảo độ tin cậy cho
các chuỗi dịch vu đầy hứa hẹn dựa trên đề xuất bảo vệ các VNFs không đáng tin
cậy của các chuỗi dich vụ và tối ưu vị trí triển khai, ánh xạ các SFC. Tuy nhiên
vẫn còn một số vấn đề cần giải quyết như: độ tin cậy đạt được của các SFC
không đủ cao để đáp ứng theo yêu cầu đặt ra; một số giải pháp được đề xuất
không phù hợp đề áp dụng trực tiếp cho môi trường điện toán biên do những hạn chế về tài nguyên; hoặc bỏ qua tác động của lỗi phần cứng vật lý khi nhiều VNF được triển khai trên cùng một máy chủ điều đó dẫn đến việc ước tính độ tin cậy cho các chuỗi dịch vụ không chính xác. Để khắc phục những thiếu sót
này, luận án đề xuất nghiên cứu bài toán "Dam bảo độ tin cậu cho chuỗi chúc năng mang ao trong moi trường điện toán biên có xem xét đồng thời độ tin cậu của các may chủ vat ly va các chúc năng mang ảo đặt trên đó". Chi tiết về dé xuất này được trình bày trong Chương 3 của luận án.