[論文レビュー] Contra: A Programmable System for Performance-aware Routing

Kuo-Feng Hsu, Ryan Beckett+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 3, 2019

Software-Defined Networks and 5G参考文献 32被引用数 32

ひとこと要約

Contraは、ハイレベルのパフォーマンス意識型ルーティングポリシーを各スイッチのP4プログラムにコンパイルするプログラム可能なシステムであり、任意のトポロジー上で分散的でポリシー準拠のルーティングを高速に適応させる。

ABSTRACT

We present Contra, a system for performance-aware routing that can adapt to traffic changes at hardware speeds. While existing work has developed point solutions for performance-aware routing on a fixed topology (e.g., a Fattree) with a fixed routing policy (e.g., use least utilized paths), Contra can be configured to operate seamlessly over any network topology and a wide variety of sophisticated routing policies. Users of Contra write network-wide policies that rank network paths given their current performance. A compiler then analyzes such policies in conjunction with the network topology and decomposes them into switch-local P4 programs, which collectively implement a new, specialized distance-vector protocol. This protocol generates compact probes that traverse the network, gathering path metrics to optimize for the user policy dynamically. Switches respond to changing network conditions at hardware speeds by routing flowlets along the best policy-compliant paths. Our experiments show that Contra scales to large networks, and that in terms of flow completion times, it is competitive with hand-crafted systems that have been customized for specific topologies and policies.

研究の動機と目的

• パフォーマンス意識型ルーティングのための一般的でトポロジー非依存のフレームワークを提供する。
• 中央集権的な制御なしに分散型データ平面ルーティングを可能にする。
• メトリクスの変化に迅速に適応する、ポリシー準拠でループのない安定したルーティングを保証する。
• 高レベルのポリシーをデバイスごとのP4プログラムに翻訳する実用的なコンパイラを提供する。
• 手作りシステムと比較したスケーラビリティと競争力を示す。

提案手法

• 正規表現と動的メトリクスを用いてネットワークパスをランク付けするポリシー言語を導入する。
• ポリシーをアイソトニックなサブポリシーに分解し、積因子グラフで分析して正確性を確保する。
• 特殊化されたポリシー対応距離ベクトルプロトコルを実装するデバイスごとのP4プログラムを合成する。
• ポリシー状態を運ぶ周期的なプローブを使用して経路メトリクスを収集しルーティング意思決定を更新する。
• ループ防止とポリシー準拠を維持するために、ポリシー対応のフローリット切替とタグ付けを採用する。
• 安定なメトリクスと変化するメトリクスの両方を扱うコンパイル技術を提供し、アイソトニシティ分析とプローブ管理を含む。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 統一されたプログラム可能なフレームワークで、任意のネットワークトポロジーに対するパフォーマンス意識型ルーティングをどうサポートするか。
• RQ2 データ平面でポリシー準拠でループのないルーティングを保証するために、ポリシーをどのように表現・適用できるか。
• RQ3 高レベルのポリシーを正しく効率的なP4実装へ翻訳するために、どのようなコンパイラ手法が必要か。
• RQ4 特定のトポロジーとポリシーに対して、手作りシステムと比較してスケーラビリティとフロー完了時間の点でContraはどう性能を発揮するか。
• RQ5 動的メトリクスを扱い、実務上のルーティングの振動やループを回避するために必要な機構は何か。

主な発見

• Contraは大規模ネットワークへスケールでき、特定のトポロジーとポリシーに合わせて手作りシステムに対して競争力のあるフロー完了時間を達成する。
• 本システムは固定トポロジーの仮定ではなく、幅広いポリシーと任意のトポロジーをサポートすることで一般性を示す。
• プローブ、ポリシータグ付け、フローリット切替は、プログラム可能なデータ平面に実装された高速でポリシー準拠の意思決定を可能にする。
• 積因子グラフとポリシーオートマの上に基づくコンパイラは、非アイソトニックなポリシーをアイソトニックなサブポリシーに分解してメトリクスの正しい伝搬を保証する。
• プロトタイプはContraが今日のプログラム可能なデータ平面上で実装可能であり、中央集権的調整なしに分散的で応答性の高いルーティングを提供することを示している。