Performance and survivability of service function chains in virtualized environments

Alomari, Zakaria (2022). Performance and survivability of service function chains in virtualized environments. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Network Function Virtualization is an emergent technology enabling the deployment of network services in the form of service function chains in an efficient and flexible manner. A service chain is composed of virtual network function that could implement different functions (e.g., IDS, Firewall or others). Despite their benefits, many challenges are faced in order to provisioning such chains, manage their resources and ensure their service continuity.

In this thesis, we address tow key challenges pertaining to the management of service function chains, namely 1) the synchronization among virtual network functions composing the chain, 2) how to ensure the survivability of such service chains in case failures.

The first challenge addressed by this thesis is how to ensure the synchronization between multiple instances of the same network function with minimal costs and acceptable delay. Specifically, we propose a technique that identifies the optimal communication pattern between the instances in order to minimize the synchronization costs and delay. We also propose a novel network function named Synchronization Function able to carry out data collection and further minimize these costs. We then formulate the problem of finding the optimal communication pattern, the optimal number and placement of synchronization functions as an Integer Linear Program aiming at minimizing the synchronization costs. We also put forward three greedy algorithms to cope with large-scale scenarios of the problem and explore the use of network function migration to further reduce costs. Extensive simulations show that the proposed algorithms efficiently find near-optimal solutions with minimal computation time and provide better results compared to existing solutions.

The second challenge that we have addressed is how to ensure the survivability of service function chains in case of multiple and simultaneous failures. We introduce a survivability management framework to efficiently manage backups for network functions. We mathematically model the problem of service chain survivability as an Integer Linear Program that determines the minimal number of shared backups and their optimal location in the physical infrastructure while ensuring a minimal operational cost. Finally, we propose two greedy algorithms to deal with the problem’s large-scale scenarios and we investigated the use of traffic prediction to further reduce costs. Simulations demonstrate how the proposed algorithms provide near-to-optimal solutions.

Titre traduit

Performance et survivabilité des chaînes de fonctions de service dans les environnements virtualisés

Résumé traduit

Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor La virtualisation des fonctions réseau est une technologie émergente permettant le déploiement de services réseau de manière efficace et flexible sous la forme de chaînes de fonctions de service. Une chaîne de service est composée de fonctions réseau virtuel qui pourraient implémenter différentes fonctions (par exemple, IDS, pare-feu ou autres). Malgré leurs avantages, de nombreux défis sont à relever pour approvisionner ces chaînes, gérer leurs ressources et assurer leur continuité de service.

Dans cette thèse, nous abordons deux défis clés relatifs à la gestion des chaînes de fonctions de service, à savoir, 1) la synchronisation entre les fonctions réseau virtuels composant la chaîne, 2) la survivabilité de ces chaînes de service en cas de défaillance.

Le premier défi abordé dans cette thèse est de savoir comment assurer la synchronisation entre plusieurs instances d’une même fonction réseau avec des coûts minimaux et un délai acceptable. Ainsi, nous proposons une technique qui identifie le modèle de communication optimal entre les instances afin de minimiser les coûts et les délais de synchronisation. Nous proposons également une nouvelle fonction réseau de synchornisation capable d’effectuer la collecte de données et de minimiser davantage ces coûts. Nous formulons le problème de trouver le modèle de communication optimal, le nombre optimal et le placement des fonctions de synchronisation sous forme d’un programme linéaire entier visant à minimiser les coûts de synchronisation. Nous proposons aussi trois algorithmes gloutons pour faire face à des scénarios à grande échelle et nous exploîtons la migration des fonctions réseau pour réduire davantage les coûts. Les simulations montrent que les solutions proposées trouvent des solutions quasi-optimales.

Le deuxième défi que nous avons relevé est de savoir comment assurer la survivabilité des chaînes de fonctions de service en cas de pannes multiples et simultanées. Nous introduisons un cadre de gestion de la capacité de survivabilité pour gérer efficacement les sauvegardes des fonctions réseau. Nous modélisons mathématiquement le problème de survivabilité des chaîne de services sous la forme d’un programme linéaire entier qui détermine le nombre minimal de sauvegardes partagées et leurs emplacements optimaux dans l’infrastructure physique tout en garantissant un coût opérationnel minimal. Enfin, nous proposons deux algorithmes gloutons pour traiter les scénarios à grande échelle du problème et nous étudions l’utilisation de la prévsion du trafic pour réduire davantage les coûts. Les simulations démontrent comment les algorithmes proposés sont capables de fournir des solutions performantes.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 91-100).
Mots-clés libres:	chaîne de fonctions de service, virtualisation des fonctions réseau, synchronisation, migration de VNFs, survivabilité, sauvegarde partagée
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Zhani, Mohamed Faten
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	31 mars 2023 13:23
Dernière modification:	31 mars 2023 13:23
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3212

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