Triển khai cụm chức năng mạng tin cậy tối ưu về tài nguyên trong mạng cloud phân tán

Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2021. ISBN: 978-604-82-5957-0

TRIỂN KHAI CỤM CHỨC NĂNG MẠNG TIN CẬY TỐI ƯU
VỀ TÀI NGUYÊN TRONG MẠNG CLOUD PHÂN TÁN
Đỗ Trường Xuân1, Nguyễn Thị Phương Thảo1, Nguyễn Hằng Phương1
1
Trường Đại học Thủy lợi, email:

1. GIỚI THIỆU CHUNG

Ảo hóa chức năng mạng (network function
virtualization) [1] cho phép triển khai các
chức năng mạng dưới dạng ảo hóa (virtual
network function, VNF) một cách nhanh
chóng và dễ dàng trên những hệ thống máy
chủ đám mây phân tán ở nhiều vị trí địa lý
khác nhau. Trong lĩnh vực viễn thông, các
VNF cần được đảm bảo hoạt động với độ tin
cậy cao nhất. Để đảm bảo độ tin cậy khi vận
hành, ngoài việc nâng cao mức độ tin cậy của
từng thành phần mạng như hệ thống server,
các thiết bị switch, phần mềm VNF, nguồn
điện của hệ thống cloud. Một trong những
cách để đảm bảo độ tin cậy là triển khai VNF
sử dụng các mơ hình cụm chức năng tin cậy
(availability cluster) trên những hệ thống
cloud phân tán. Mơ hình cụm chức năng tin
cậy bao gồm việc triển khai những VNF hoạt
động ở chế độ active và những VNF hoạt
động ở chế độ standby [2]. Những VNF
standby sẽ bảo vệ và hoạt động khi những

chức năng VNF active xảy ra sự cố như mất
điện hay thảm họa ở khu vực triển khai. Việc
cấu hình số lượng những active và standby
trong một cụm VNF tin cậy là do yêu cầu về
mức độ tin cậy (availability level) được quy
định bởi nhà mạng.
Do những cụm VNF tin cậy sẽ có những
yêu cầu về tài ngun băng thơng và tài
ngun tính tốn khác nhau. Việc triển khai
những cụm VNF tin cậy trên những hệ thống
đám mây phân tán cần được thực hiện một
cách tối ưu nhằm đảm bảo tối ưu hóa những
tài nguyên mạng sử dụng bao gồm băng thông
mạng và tài ngun tính tốn đồng thời phải
thỏa mãn u cầu đặt ra về mức độ tin cậy cho

cả cụm VNF khi triển khai trên những hệ
thống đám mây phân tán.

Triển khai

Trung tâm cloud
Hanoi
Trung tâm cloud
Đà Nẵng

Trung tâm cloud
Đà Nẵng

Trung tâm cloud

HCM

Hình 1. Triển khai cụm VNF tin cậy
Trong bài báo, tác giả đề xuất một mơ hình
tối ưu nhằm triển khai những cụm VNF tin
cậy trên những hệ thống đám mây phân tán.
Mơ hình sẽ giúp triển khai những cụm VNF
tin cậy một cách tối ưu nhất về mặt tài
nguyên sử dụng ở đây là tài nguyên băng
thông mạng đồng thời cũng đảm bảo giá trị
mức độ tin cậy của những cụm VNF này luôn
thỏa mãn mức tin cậy chấp nhận được. Để giải
quyết bài toán tối ưu đặt ra, một thuật tốn
heuristic được đề xuất. Bằng mơ phỏng, thuật
tốn đề xuất cho kết quả tối ưu hơn về mặt
băng thông mạng sử dụng đồng thời duy trì
mức độ tin cậy trung bình cho những cụm
chức năng tin cậy này ở mức chấp nhận được.
3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Mỗi cụm VNF sẽ có u cầu về tài ngun
mạng, tài ngun tính tốn, và mức độ
uptime riêng. Chúng ta có hai mơ hình cụm
VNF tin cậy: một active và nhiều standby,
nhiều active và một standby. Giả sử
RCa ,RCs ,RBl là tài nguyên tính tốn được

131

Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2021. ISBN: 978-604-82-5957-0

yêu cầu bởi VNF active a , và standby s , và
tài nguyên băng thông mạng được yêu cầu
bởi đường kết nối l giữa hai VNF active và
standby. NAr ,NSr là số lượng chức năng
active và standby trong một yêu cầu cụm
chức năng r . Tài nguyên được yêu cầu bởi
mơ hình một active và nhiều standby.
RCa  RC

[1]

RCs  RC
RBl  RB

Tài nguyên được yêu cầu bởi mô hình
nhiều active và một standby:
RCa  RC
RCs   RC

[2]

aNAr

RBl  RB
Giả sử An , Ad , A f , ALs là mức độ tin cậy lần

lượt của trung tâm cloud, server, VNF, và
đường kết nối giữa active và standby. Những

giá trị độ tin cậy này có thể thu được nhờ quá
trình log lại thời gian uptime và downtime
của từng thành phần và được tính bằng giá trị
uptime chia cho tổng uptime và downtime.
Uptime là thời gian một thành phần mạng
hoạt động bình thường có thể được đo trong
một năm hoạt động. Mức độ tin cậy của một
cụm VNF tin cậy khi được triển triển khai
trên server và data center được tính tốn dựa
trên các cơng thức tính tốn độ tin cậy trong
tài liệu tham khảo [3] và mơ hình bài toán
của tác giả:
Ar 1 (1 An(
nN

s
 (1 Af AdXna )  (1 Af AdALY
s n )))
aNAr

sNSr

[3]
Trong đó
những biến quyết
định có giá trị nhị phân biểu thị VNF active
a , và standby s có được triển khai ở trên
trung tâm cloud n hay không.
Giả sử rằng hệ thống cloud phân tán bao
N trung tâm cloud ở những vị trí địa lý khác

nhau. E là tập các đường mạng WAN kết nối
các trung tâm dữ liệu. Mỗi trung tâm dữ liệu
có tài ngun tính tốn tối đa là CAn và mỗi
đường mạng có dung lượng băng thơng tối đa
là BWe . Giả sử có một tập các yêu cầu triển
khai các cụm VNF tin cậy là CR . Mỗi yêu
cầu triển khai cum r  CR bao gồm
X na và

Yns là

NAr ,NS r các VNF active và VNF standby.

Bài toán đặt ra làm sao có thể xác định vị trí
triển khai cho tập các yêu cầu này trên hệ
thống trung tâm cloud phân tán ở các vị trí
địa lý khác nhau nhằm đảm bảo mức tin cậy
thỏa mãn yêu cầu về tài nguyên hiện có của
các trung tâm dữ liệu, dung lượng tối đa của
đường truyền, và thỏa mãn yêu cầu về mức
độ tin cậy của từng cụm chức năng này. Các
cơng thức dưới đây được đưa ra dựa theo mơ
hình bài tốn của tác giả.
Mục tiêu là tối ưu hóa băng thơng mạng:
[4]
Min  BCe
eE

Ràng buộc về tài ngun tính tốn, ràng
buộc này đảm bảo tài ngun tính tốn u

cầu bởi các VNF triển khai trên một trung
tâm dữ liệu không vượt quá mức cho phép.
CCn   (  Xna RCa   Yns RCs )  CAn [5]
rCR aNAr

sNSr

Rảng buộc về tài nguyên băng thông, ràng
buộc này đảm bảo băng thông sử dụng để
truyền dữ liệu giữa các VNF không vượt quá
băng thông cho phép.
rCR

BCe 



Z el RBl  BWe

[6]

lVLr

Ràng buộc về độ tin cậy của từng yêu cầu
triển khai cụm chức năng, ràng buộc này đảm
bảo giá trị độ tin cậy của cụm VNF luôn lớn
hơn giá trị cho phép.
[7]
r  CR : Ar  Armin
Ràng buộc về số lượng VNF triển khai

luôn nhỏ hơn số VNF trong từng yêu cầu
triển khai:
r CR,n N :  Xna   Yns  NAr  NSr [8]
aNAr

sNSr

4. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
Để giải quyết bài toán trên, một thuật toán
heuristic đã được đề xuất. Thuật toán
heuristic được tiến hành như sau:
 Đầu tiên sắp xếp các yêu cầu cụm VNF
theo thứ tự giảm dần của số lượng các
VNF trong cụm.
 Sắp sếp các trung tâm cloud theo thứ tự
giảm dần của số lượng kết nối có băng
thơng thỏa mãn u cầu băng thông của
cụm chức năng.

132


Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2021. ISBN: 978-604-82-5957-0

 Thực hiện việc triển khai VNF trung tâm
của cụm lên trung tâm cloud có số lượng kết
nối thỏa mãn yêu cầu băng thông nhiều nhất
trong danh sách đã sắp xếp ở trên. Trong mơ
hình cụm một VNF active và nhiều VNF
standby thì VNF active được coi là VNF

trung tâm và các VNF khác là VNF biên.
 Thực hiện thuật tốn tìm đường ngắn nhất
từ VNF trung tâm tới các trung tâm cloud
khác trong đồ hình mạng. Lần lượt chọn
từng trung tâm cloud có đường đi ngắn
nhất tới cloud chứa VNF trung tâm. Kiểm
tra điều kiện tài nguyên băng thơng và tài
ngun tính tốn của từng trung tâm cloud.
Lựa chọn trung tâm cloud nào thỏa mãn
yêu cầu tài nguyên và có mức độ tin cậy
cao nhất để triển khai từng VNF biên.
 Các bước lặp lại cho đến khi tất cả các yêu
cầu cụm VNF được triển khai.
Ta so sánh thuật toán heuristic đề xuất
(proposed heuristic) với các thuật toán tham
lam (greedy) [4] khác hay được sử dụng để
triển khai các VNF như tham lam về tài
nguyên và mức độ tin cậy. Các thuật toán này
sẽ triển khai VNF theo mức độ ưu tiên là
triển khai vào các trung tâm cloud có tài
ngun tính tốn lớn nhất (computing
greedy) hay độ tin cậy cao nhất (availability
greedy). Thông số để đánh giá là băng thông
sử dụng và mức độ tin cậy trung bình. Đồ
hình mạng sử dụng là mạng Internet
backbone USA có giá trị tài ngun tính tốn
và băng thơng như sau: BWe là [3, 10]
(Gbps), CAn là [1000, 5000] đơn vị tham
khảo trong tài liệu [3]. Mức độ tin cậy
An , Ad , A f , ALs trong khoảng [0.9, 0.99],. Giá

trị RC ,RB là 10 đơn vị và 10Mbps. Số lượng
VNF trong một cụm lấy ngẫu nhiên trong
khoảng [2, 5].

Hình 3. Mức độ tin cậy trung bình
theo số lượng cụm yêu cầu
Hình 2 cho thấy giải pháp đề xuất tối ưu
hơn các giải pháp khác về mặt băng thông sử
dụng. Điều này đến từ việc thuật toán đề xuất
sử dụng phương pháp triển khai cụm VNF sao
cho những đường liên kết giữa các VNF trong
một cụm là tối ưu nhất. Hình 3 chỉ ra rằng giải
pháp đề xuất đạt được mức tin cậy cao gần
bằng giải pháp tham lam về mức độ tin cậy
(availability greedy) trong khi duy trì mức độ
sử dụng băng thơng tối ưu. Cịn giải pháp tham
làm về tài ngun tính tốn (computing
greedy) thì có độ tin cậy và băng thông kém
nhất trong số các giải pháp so sánh.
5. KẾT LUẬN

Theo kết quả thu được ta thấy rằng thuật
tốn heuristics đề xuất sẽ có mức sử dụng
băng thông tối ưu hơn so với các thuật giải
tham lam thơng thường và vẫn duy trì độ tin
cậy cao gần bằng khi sử dụng thuật toán tham
lam về độ tin cậy.
6. TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]

ETSI. 2014. Network Function Virtualization.
ETSI GS NFV-SWA 001.
[2] ETSI. 2015. Resilliency Requirement. ETSI
NFV-REL 001.
[3] S. Yang, P. Wieder. 2017. “Reliable virtual
machine placement and routing in clouds”.
IEEE Trans. on Parallel Distributed
System, Vol. 28 (10).
[4] M. Mechtri, C. Ghribi, and D. Zeghlache,
2016. ‘‘VNF placement and chaining in
distributed cloud,’’ in Proc. IEEE 9th Int.
Conf. Cloud Comput., pp. 376–383.

Hình 2. Băng thông sử dụng
theo số lượng cụm yêu cầu
133