NFV服务功能链健壮性研究

Network function virtualization (NFV) realizes various network functions using general-purpose devices such as commercial servers and switches, so as to substitute traditional dedicated devices-based middleboxes. However, such general-purpose servers and network devices suffer from a high failure rate. On the other hand, a set of emerging technologies are developed to construct service function chains (SFCs) for NFV. Such technologies enable flexible and scalable services with little cost, but they also introduce new challenges to the robustness of NFV systems. This project focuses on robustness of NFV, which few existing studies have been considered. First, we study the robustness of SFC routing. We propose to protect SFC routing against failures by fast rerouting with constraints of limited resources. Second, we study the robustness of SFC orchestration. We jointly optimize scalability, resource utilization, and robustness by developing efficient online orchestration algorithms, so as to reduce time and resource cost when reconstructing SFC under failure. Third, we study the robustness of SFC scaling and migration. We focus on intelligent decision-making between SFC scaling and migration, and we propose to protect SFC migration against failures. We plan to develop simulation and prototype systems, and validate the efficacy of proposed schemes by comprehensive simulations and experiments based on real data traces.

网络功能虚拟化（NFV）采用商业服务器、交换机等通用设备实现多种网络功能，以替代原本采用专用设备的中间盒，但通用服务器和网络设备通常有较高的故障率。另一方面，NFV通过一系列新兴技术构建服务功能链（SFC），以较低的开销提供灵活、可扩展的服务，这些新技术也给NFV系统的健壮性带来了新的挑战。已有的NFV相关研究对健壮性的关注较少。本课题针对NFV服务功能链健壮性问题展开研究。(1)研究SFC路由健壮性,利用有限的资源在网络发生故障时对服务功能链的路由提供快速有效的保护。(2)研究SFC编排健壮性，通过高效的在线编排算法对可扩展性、资源利用率、健壮性等多个指标进行联合优化，与SFC路由保护相结合，减小故障时重建SFC的时间和资源开销。(3)研究SFC扩展和迁移健壮性，对扩展和迁移进行智能决策并对SFC迁移进行故障保护。开发模拟系统和原型系统，通过基于真实数据的实验验证所提方案的有效性。

网络功能虚拟化（NFV）采用商业服务器、交换机等通用设备实现多种网络功能，以替代原本采用专用设备的中间盒。近年来NFV技术迅速兴起，越来越多的服务提供商开始提供虚拟网络功能即服务（VNFaaS）以及对服务功能链（SFC）的支持，从而以较低的成本实现灵活可演进的服务能力提供。与此同时，新兴应用的不断涌现对网络可用性和服务质量提出了越来越高的要求，直接关系到服务提供商的经济利益。这一现状对NFV系统的健壮性提出了挑战。本项目从服务功能链的路由、编排、扩展和迁移等方面入手开展研究以提升NFV系统的健壮性，取得了以下主要成果。.（1）在路由健壮性方面，提出了服务功能链快速保护方案UFFR，能对服务功能链中的各类物理节点/链路和虚拟节点/链路提供统一快速的重路由保护；提出了支持多种服务类型的智能在线路由算法DRL-OR，提出了多区域网络中的智能流量工程方案。.（2）在编排健壮性方面，提出了多指标优化的在线编排算法，设计实现了可扩展的异构服务功能链编排部署方案，可在海量异构网络设备共存的网络环境中实现秒级的服务功能链健壮编排。.（3）在扩展和迁移健壮性方面，提出了支持快速扩展的VNF放置算法，能够合理协调虚拟网络功能横向和纵向扩展快速应对网络突发流量；提出了基于流量矩阵聚类的轻量级路径切换方案；分别针对网络安全功能和分布式机器学习训练任务这两类特殊场景，提出了流量和虚拟网络功能协同调度的方法，能显著提升传输效率和系统健壮性。.（4）在原型系统实现和实验验证方面，基于UFFR实现了基于快速重路由的NFV服务功能链保护方案原型系统，进一步实现了可扩展的异构SFC编排部署原型系统SHOD；提出了高速IPv6软件查找算法Neurotrie并以此为基础实现了软件交换机用于支持服务功能链；开展了仿真和真实网络环境下的NFV服务功能链健壮性验证实验。