Strategic resource management in FPGA-Equipped NFVIs : joint positioning, partitioning, and dynamic placement

Abstract

Network Function Virtualization (NFV) has evolved towards heterogeneous infrastructures, integrating Field-Programmable Gate Arrays (FPGAs) to address the performance limitations of general-purpose processors. However, the efficient utilization of these devices relies on Dynamic Partial Reconfiguration (DPR), which imposes strict physical constraints that are often overlooked in the existing literature. Traditional monolithic resource models fail to account for the columnar architecture and rectangular partitioning requirements of DPR, leading to the generation of physically unrealizable solutions and significant resource fragmentation. This dissertation addresses this gap by proposing a Partition-Aware VNF (Virtualized Network Function) Placement Methodology that jointly optimizes FPGA Positioning, FPGA Partitioning, and Service Function Chain (SFC) Placement. Through a comprehensive Integer Linear Programming (ILP) framework, validated on both synthetic and real-world network topologies, this work quantifies the “cost of reality” inherent in valid hardware mapping. The results establish a clear hierarchy of strategic decisions, demonstrating that the flexibility to select an appropriate partitioning scheme is statistically more critical to infrastructure efficiency than the physical positioning of the devices. Furthermore, a Dynamic Partitioning Approach (DPA) is introduced, leveraging periodic device reconfiguration to adapt to fluctuating service demands. Experimental analysis reveals that this dynamic strategy achieves, on average, a 15.3% improvement in the total value of allocated services compared to static approaches. To the best of our knowledge, this is the first work to correctly model the rigid constraints of dynamic partial reconfiguration for VNF placement. While the proposed ILP framework is computationally intensive and serves as a formal offline baseline rather than a real-time orchestrator, the results confirm that partition-awareness and dynamic adaptation are fundamental prerequisites for viable FPGA-based orchestration systems.

A Virtualização de Funções de Rede (NFV) evoluiu em direção a infraestruturas heterogêneas, integrando Field-Programmable Gate Arrays (FPGAs) para superar as limitações de desempenho dos processadores de propósito geral. No entanto, a utilização eficiente desses dispositivos depende da Reconfiguração Parcial Dinâmica (DPR), que impõe restrições físicas rigorosas frequentemente negligenciadas na literatura existente. Os modelos tradicionais de recursos monolíticos falham em considerar a arquitetura colunar e os requisitos de particionamento retangular da DPR, levando à geração de soluções fisicamente inviáveis e a uma significativa fragmentação de recursos. Esta dissertação aborda essa lacuna propondo uma Metodologia de Alocação de VNF (Virtualized Network Function) Ciente de Particionamento, que otimiza conjuntamente o Posicionamento de FPGAs, o Particionamento de FPGAs e a Alocação de Cadeias de Funções de Serviço (SFC). Por meio de um framework abrangente de Programação Linear Inteira (ILP), validado em topologias de rede sintéticas e reais, este trabalho quantifica o “custo da realidade” inerente ao mapeamento válido de hardware. Os resultados estabelecem uma hierarquia clara de decisões estratégicas, demonstrando que a flexibilidade para selecionar um esquema de particionamento adequado é estatisticamente mais crítica para a eficiência da infraestrutura do que o posicionamento físico dos dispositivos. Além disso, é introduzida uma Abordagem de Particionamento Dinâmico (DPA), aproveitando a reconfiguração periódica dos dispositivos para se adaptar às demandas flutuantes de serviço. A análise experimental revela que essa estratégia dinâmica alcança, em média, uma melhoria de 15,3% no valor total dos serviços alocados em comparação com abordagens estáticas. Até onde sabemos, este é o primeiro trabalho a modelar corretamente as restrições rígidas da reconfiguração parcial dinâmica na alocação de VNFs. Embora o framework de ILP proposto seja computacionalmente intenso e sirva como uma linha de base teórica e offline em vez de um orquestrador em tempo real, os resultados confirmam que a consciência de particionamento e a adaptação dinâmica são pré-requisitos fundamentais para sistemas de orquestração viáveis baseados em FPGA.