[論文レビュー] A Comprehensive Study on Load Balancers for VNF chains Horizontal Scaling

Jiefei Ma, Windhya Rankothge+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 8, 2018

Software-Defined Networks and 5G参考文献 7被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、VNFコードを変更せずに、仮想ネットワーク関数（VNF）チェーンの水平スケーリングを実現する状態保持型で接続を認識するロードバランシングアーキテクチャを提案する。マスターロードバランサとスレーブロードバランサを用い、ハッシュベースのセッションアフィニティにより双方向のフロー整合性を維持し、OpenFlowとVLANタギングを用いたプロトタイプ実装で、スケーリングイベント時のトラフィック再配分が3秒未塔を達成した。

ABSTRACT

We present an architectural design and a reference implementation for horizontal scaling of virtual network function chains. Our solution does not require any changes to network functions and is able to handle stateful network functions for which states may depend on both directions of the traffic. We use connection-aware traffic load balancers based on hashing function to maintain mappings between connections and the dynamically changing network function chains. Our references implementation uses OpenFlow switches to route traffic to the assigned network function instances according to the load balancer decisions. We conducted extensive simulations to test the feasibility of the architecture and evaluate the performance of our implementation.

研究の動機と目的

• 既存のVNFに変更を加えずにVNFチェーンの水平スケーリングを可能にすること。
• セッション状態が両方向のトラフィックに依存する状態保持型ネットワーク関数において、双方向トラフィックアフィニティを維持すること。
• VNFインスタンスの動的スケーリング（追加/削除）を最小限の中断と均等な負荷分散でサポートすること。
• OpenFlowとVLANタギングを用いてパケット識別と転送を実現するスケーラブルで汎用的なアーキテクチャを設計すること。
• Snort や Bro といった実世界のVNFを用いたプロトタイプ実装を通じて、実現可能性とパフォーマンスを実証すること。

提案手法

• 出力トラフィックにはマスターロードバランサ、戻りトラフィックにはスレーブロードバランサを用い、両者とも一貫性のあるハッシュを用いて接続をVNFチェーンにマッピングする。
• データプレーンにおいて、VNFインスタンスの正しい順序を経由するように、パケット識別子としてVLANタグを使用する。
• セッションアフィニティと負荷分散を維持しながら、VNFインスタンスを動的に追加または削除するためのアルゴリズムを導入する。
• ロードバランサのパケットタギング論理に基づいて、OpenFlowスイッチが転送意思決定を行う。
• プロトタイプでは、高スルーレートのパケットキャプチャとタギングにPF_RINGを用い、ロードバランサのスルーレートは約366 Mbpsを達成した。
• ロードバランサをペアで配置し、チェーン内の戦略的ポイントに配置することで、個々のVNFやサブチェーンの選択的スケーリングを可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 VNFコードを変更せずに、VNFチェーンをどのように水平スケーリングできるか？
• RQ2 状態保持型VNFをスケーリングする際、双方向のセッションアフィニティをどのように維持できるか？
• RQ3 VNFインスタンスの追加または削除時に、一貫性があり均等な負荷分散を保証するメカニズムは何か？
• RQ4 動的スケーリング中のトラフィック再配分のパフォーマンスオーバーヘッドと遅延はどの程度か？
• RQ5 標準的なソフトウェア定義ネットワーキング（SDN）コンponentsを用いて、汎用的で侵襲性のないロードバランシングソリューションを実装できるか？

主な発見

• PF_RINGとOpenFlowスイッチを用いたプロトタイプでは、ロードバランサのスルーレートが約366 Mbps、システム全体のスルーレートが465 Mbpsに達した。
• VNFインスタンスの追加または削除時に、トラフィック再配分が3秒未塔で完了し、低遅延スケーリングを実現した。
• VNFインスタンスの動的スケーリング時でさえも、両方向のトラフィックにおいて接続アフィニティを正常に維持できた。
• ロードバランサペアをチェーン内の戦略的ポイントに配置することで、個々のVNFやサブチェーンの選択的スケーリングが可能である。
• VLANタグの使用により、追加のVNFチェーン1つあたり2つのタグで効率的なパケット識別が可能となり、スイッチルールのオーバーヘッドを最小限に抑えた。
• 従来のソリューション（例：OpenNF や E2）とは異なり、VNFコードの変更や複雑な状態移行を回避した。