[論文レビュー] Controlling a Software-Defined Network via Distributed Controllers

Volkan Yazıcı, M. Oğuz Sunay+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 29, 2014

Software-Defined Networks and 5G参考文献 4被引用数 63

ひとこと要約

本論文は、ゼロのネットワーク障害を伴う動的コントローラクラスタリングを可能にする分散OpenFlowコントローラフレームワークを提案する。既存のコントローラ（例：Beacon）と相互運用可能であり、コントローラ発見、負荷分散、フェイルオーバーを管理する協調レイヤーを備え、実験環境での評価で高負荷状態下でも安定した性能を示した。

ABSTRACT

In this paper, we propose a distributed OpenFlow controller and an associated coordination framework that achieves scalability and reliability even under heavy data center loads. The proposed framework, which is designed to work with all existing OpenFlow controllers with minimal or no required changes, provides support for dynamic addition and removal of controllers to the cluster without any interruption to the network operation. We demonstrate performance results of the proposed framework implemented over an experimental testbed that uses controllers running Beacon.

研究の動機と目的

• 大規模データセンターにおけるモノリシックSDNコントローラの限界、特にスケーラビリティと単一障害点の問題を解決すること。
• ネットワーク操作に中断を生じさせることなく、コントローラの動的追加および削除を可能にすること。
• Beaconなどの既存のOpenFlowコントローラと互換性を持つ協調フレームワークを設計し、コード変更を最小限または不要にすること。
• 高負荷のデータセンタートラフィック下でも、分散コントローラ間で高可用性と負荷分散を確保すること。
• 実環境のテストベッド環境におけるフレームワークの性能および信頼性を評価すること。

提案手法

• フレームワークは、コントローラクラスタ全体におけるコントローラ発見、登録、状態同期を管理する協調レイヤーを導入する。
• 一貫性のあるコントローラ状態を維持し、スプリットブレイン状態を防止するために、分散合意プロトコル（例：PaxosやRaftに類似したメカニズム）を用いる。
• ハートビートメカニズムおよびリーダー選挙を介して、コントローラが動的にクラスタに参加または離脱でき、継続的なネットワーク制御を実現する。
• コントローラ間でフローテーブルの更新およびトポロジ情報の同期を通じて、ネットワーク状態のグローバルビューを維持する。
• 軽量APIを介して既存のOpenFlowコントローラ（例：Beacon）と統合し、プラグアンドプレイの展開を可能にする。
• 現在の負荷および距離に基づいて、フローテーブルの更新およびパケットインメッセージを利用可能なコントローラに分散することで、負荷分散を実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高負荷のデータセンタートラフィック下で、効率的なスケーリングを実現できる分散コントローラアーキテクチャはどのように設計できるか？
• RQ2 コントローラの追加または削除時にネットワークに中断を生じさせない、動的コントローラクラスタリングを実現するメカニズムは何か？
• RQ3 SDN環境における複数の分散コントローラ間で、一貫性とフェイルセーフ性をどのように維持できるか？
• RQ4 本フレームワークは、変更なしにBeaconなどの既存のOpenFlowコントローラとどの程度相互運用可能か？
• RQ5 実環境のテストベッド展開において、本フレームワークはどの程度の性能向上および信頼性向上を達成するか？

主な発見

• コントローラの追加または削除時でも、ネットワークに中断を生じさせることなく、動的コントローラクラスタリングを正常にサポートした。
• 効率的な状態同期および合意プロトコルを通じて、コントローラ間で一貫したネットワーク状態を維持した。
• Beaconコントローラを用いたテストベッドでの性能評価では、高負荷状態下でも安定したスループットと低遅延を達成した。
• 協調レイヤーにより、コントローラ間で自動的な負荷分散が実現され、ボトルネックの発生を防いだ。
• コントローラの故障時にもシームレスなフェイルオーバーが実現され、高い可用性を示した。
• Beaconなどの既存コントローラとの相互運用性は、最小限または一切のコード変更で実現され、後方互換性を確保した。