[論文レビュー] A Techno-economic Analysis of Network Migration to Software-Defined Networking

Tamal Das, Marcel Caria+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 1, 2013

Software-Defined Networks and 5G参考文献 12被引用数 12

ひとこと要約

本稿では、大規模なISPネットワークにおけるソフトウェア定義ネットワーキング（SDN）への移行シーケンスを最適化する技術的・経済的フレームワークを提案し、技術的利点とCapEx制約の両方をバランスさせるために貪欲アルゴリズムを用いる。移行シーケンシングが初期ネットワーク性能に顕著な影響を及ぼすことが示され、貪欲法は正確な最適化に比べて計算複雑性を低減しつつ、代替経路の可用性およびキャパシティの節約においてほぼ最適な結果を達成している。

ABSTRACT

As the Software Defined Networking (SDN) paradigm gains momentum, every network operator faces the obvious dilemma: when and how to migrate from existing IP routers to SDN compliant equipments. A single step complete overhaul of a fully functional network is impractical, while at the same time, the immediate benefits of SDN are obvious. A viable solution is thus a gradual migration over time, where questions of which routers should migrate first, and whether the order of migration makes a difference, can be analyzed from techno economic and traffic engineering perspective. In this paper, we address these questions from the techno economic perspective, and establish the importance of migration scheduling. We propose optimization techniques and greedy algorithms to plan an effective migration schedule, based on various techno economic aspects, such as technological gains in combinations with CapEx limitations. We demonstrate the importance of an effective migration sequence through two relevant network management metrics, namely, number of alternative paths availed by a node on migration, and network capacity savings. Our results suggest that the sequence of migration plays a vital role, especially in the early stages of network migration to SDN.

研究の動機と目的

• 大規模なISPネットワークにおいて、現実の経済的・技術的制約のもとで、ルータをSDNに移行する最適な順序を特定する課題に対処すること。
• 移行スケジューリングが代替経路の可用性やネットワークキャパシティの節約といった重要なネットワークパフォーマンス指標に与える影響を評価すること。
• 固定ノード数およびCapEx制約下での両方のシナリオにおいて、最適な移行順序に近い結果を得られる計算的に効率的な貪欲アルゴリズムを設計すること。
• トラフィックエンジニアリングの利点とスケーラビリティの観点から、貪欲法、最適法、ランダムな移行シーケンスの性能を比較すること。

提案手法

• リンクの重み、トラフィックプロファイル、および接続度に比例したノード移行コストを考慮した混合整数線形プログラミング（MILP）モデルを構築し、最適な移行スケジューリングを定式化する。
• 単位CapEx投資あたりの代替経路の可用性およびキャパシティの節約の潜在的増加を最優先としてノードを順序付けする、新規の貪欲アルゴリズムを開発する。
• 小規模なインスタンスに対してGUROBIオプティマイザーを用いて最適解を計算し、貪欲法の性能ベンチマークを提供する。
• 動的なトラフィック増加（各ステップで20%増加）と変動するリンク容量（1–1000 Gbit/s）を想定し、複数のタイムステップにわたるネットワーク動作をシミュレートしてパフォーマンス指標を評価する。
• SNDlibライブラリに収録された実際のネットワークトポロジーを適用し、フランス（25ノード）およびCost266（37ノード）ネットワークを含む。
• 2つの主要な指標を用いて結果を評価する：ノードペア間の代替経路数、および10回のランダムなトラフィックおよび重みの割り当て平均によるネットワークキャパシティの節約。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SDN移行の順序は、部分的に移行されたネットワークにおける代替経路の数にどのように影響するか？
• RQ2 CapEx制約下で、貪欲アルゴリズムがトラフィックエンジニアリングの利点に近づく程度はどの程度か？
• RQ3 CapEx制約は、ネットワークキャパシティの節約という観点から、移行のタイミングと効果性にどのように影響を及ぼすか？
• RQ4 高い接続度を持つノードへの早期投資と、長期的なネットワークパフォーマンスの向上の間には、どのようなトレードオフがあるか？

主な発見

• 貪欲アルゴリズムは、厳密なCapEx制約下にあっても、代替経路の可用性およびネットワークキャパシティの節約の両面で最適解の95％以上の性能を達成している。
• 移行シーケンシングは初期段階で顕著な影響を及ぼし、最適または貪欲な順序ではランダムスケジューリングに比べてはるかに多くの代替経路を可能にしている。
• コスト制約なしの最適または貪欲な移行順序は、高インパクトノードへの早期かつ高い投資が可能であるため、制約ありバージョンを上回る性能を示している。
• 正確な最適化に比べて、貪欲法はシミュレーション実行時間を数桁短縮しており、ネットワークサイズが大きくなるに従いスケーラビリティが向上している。
• ネットワークキャパシティの節約曲線には、特定のタイムステップで400 Gbit/sおよび1 Tbit/sの高容量リンクが初めて使用されたタイミングに一致する急低下が観察され、リソースの効率的利用が示されている。
• フランス（小規模）およびCost266（中規模）ネットワークを含む複数のネットワークトポロジーにおいて一貫した結果が得られており、本研究の堅牢性と一般化可能性が確認されている。