[論文レビュー] Decentralized Consistent Network Updates in SDN with ez-Segway

Thanh Dang Nguyen, Marco Chiesa+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 6, 2017

Software-Defined Networks and 5G参考文献 22被引用数 3

ひとこと要約

ez-Segway は、制御装置を分散化することで、SDN における一貫性があり高速なネットワーク更新を実現する分散型メカニズムを提案する。フローディビジョンとトラフィックスプリッティングを用い、スイッチが部分的な知識とスイッチ間メッセージングに基づいて自律的にルール更新をスケジューリングすることで、Dionysus などの集中型アプローチと比較して、99パーセンタイルでの更新時間を最大57％短縮する。

ABSTRACT

We present ez-Segway, a decentralized mechanism to consistently and quickly update the network state while preventing forwarding anomalies (loops and black-holes) and avoiding link congestion. In our design, the centralized SDN controller only pre-computes information needed by the switches during the update execution. This information is distributed to the switches, which use partial knowledge and direct message passing to efficiently realize the update. This separation of concerns has the key benefit of improving update performance as the communication and computation bottlenecks at the controller are removed. Our evaluations via network emulations and large-scale simulations demonstrate the efficiency of ez-Segway, which compared to a centralized approach, improves network update times by up to 45% and 57% at the median and the 99th percentile, respectively. A deployment of a system prototype in a real OpenFlow switch and an implementation in P4 demonstrate the feasibility and low overhead of implementing simple network update functionality within switches.

研究の動機と目的

• 集中型SDNコントローラーによるネットワーク更新の調整における性能ボトルネックを解消すること。
• 大規模ネットワーク更新におけるコントローラー由来の遅延とスケーラビリティの問題を排除すること。
• 転送異常（ループ、ブラックホール、混雑）を防ぎつつ、高速で一貫性のある更新を実現すること。
• プログラマブルスイッチに更新協調ロジックを直接実装する可能性を検討すること。
• 分散型スケジューリングにより、メッセージオーバーヘッドを低減し、更新完了時間を改善すること。

提案手法

• コントローラーが事前に依存関係グラフとフローセグメントを計算し、それをスイッチに配布する。
• スイッチが部分的な知識と直接的なメッセージ伝送を用いて、コントローラーの関与なしにルール更新を協調的に実行する。
• フローディビジョンにより、依存関係のないフローセグメントを独立して並列に更新することで、依存関係を低減する。
• トラフィックスプリッティングにより、フロー量を古いパスと新しいパスに分散させ、更新中のリンク混雑を防ぐ。
• 隣接スイッチ間のメッセージ伝送と依存関係に配慮したスケジューリングを用いて、デッドロックのない更新プロトコルを強制する。
• 実際のOpenFlowスイッチおよびP4での実装により、計算オーバーヘッドが低いことが実証された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 コントローラーからスイッチへの協調分散化によって、ネットワーク更新を著しく高速化できるか？
• RQ2 コントローラー主導のスケジューリングと協調に依存せずに、一貫性のある更新を実現できるか？
• RQ3 分散更新中に転送異常（ループ、ブラックホール、混雑）を防ぐためにどのような技術が必要か？
• RQ4 既存のプログラマブルスイッチ（OpenFlow、P4）が、低オーバーヘッドで必要な協調ロジックを実装できる範囲はどの程度か？
• RQ5 更新時間とメッセージオーバーヘッドの観点から、分散型更新協調は集中型アプローチと比べてどの程度優れているか？

主な発見

• ez-Segway は、集中型の Dionysus アプローチと比較して、中央値のネットワーク更新時間を最大45％短縮する。
• 99パーセンタイルでは、更新時間が最大57％短縮され、光速が主な制限要因に近づく。
• コントローラー-スイッチ間の繰り返し通信が排除されたため、メッセージオーバーヘッドが集中型手法と比較して65％削減される。
• 実ハードウェアでも実現可能であり、OpenFlowスイッチにプロトタイプが正常にデプロイされた。
• P4での実装により、計算オーバーヘッドが低いことが確認され、必要なロジックが現代のプログラマブルスイッチに効率的に実装可能であることが証明された。
• フローディビジョンとトラフィックスプリッティングの併用により、デッドロックや混雑が効果的に防止され、並列更新が可能になった。