[論文レビュー] Dual-structure Data Center Multicast Using Software Defined Networking

Wenzhi Cui, Chen Qian|arXiv (Cornell University)|Mar 31, 2014

Software-Defined Networks and 5G参考文献 27被引用数 15

ひとこと要約

本稿では、ソフトウェア定義ネットワーキング（SDN）を用いた、スケーラブルなマルチキャストソリューションであるデュアル・ストラクチャーマルチキャスト（DuSM）を提案する。DuSMは、マルチキャストグループを「イーリーフ（高帯域）」（高容量）と「マウス（低容量）」（低容量）に分類し、イーリーフグループには複数の共有ツリーを用いて負荷分散を実現し、マウスグループにはステートフリーのマルチキャスト（例：マルチキャストからユニキャストへの変換）を適用する。この手法により、IPマルチキャストと比較してマルチキャストグループのサポートが300%向上し、リンク間のトラフィック負荷分散も向上する。

ABSTRACT

Data center applications use multicast as an effective method to reduce bandwidth cost. However, traditional multicast protocols designed for IP networks are usually bottlenecked by the limited state capacity on switches. In this paper, we propose a scalable multicast solution on fat tree networks based on the observation that data center multicast traffic has strong heterogeneity. We propose to remove the multicast management logic from switches and use the SDN controller to manage multicast groups. The proposed Dual-structure Multicast (DuSM) determines elephant and mice groups according to their traffic amounts and treats them separately. For each elephant group, the controller installs multicast state to maintain multiple shared trees and the group traffic will be balanced evenly among the trees to avoid congestion. For mice groups, the controller applies state-free mutlicast that trades bandwidth capacity for state capacity, such as multicast-to-unicast translation. Our experiments using real multicast traffic data show that the number of groups DuSM supports can be 300% of that of IP multicast. DuSM also achieves traffic balance among links.

研究の動機と目的

• スイッチのマルチキャストステート容量が限られているため、従来のIPマルチキャストがデータセンターネットワークにおいてスケーラビリティに制限を受ける問題に対処すること。
• データセンターマルチキャストにおけるトラフィックの非均一性（少数のグループが帯域幅を多く消費する）を活用し、グループをエレファンツとマウスに分類すること。
• ステート使用量とリンク間のトラフィックバランス最適化を図る、集中型のSDNベースのマルチキャスト管理システムを設計すること。
• 高容量グループには複数の共有ツリーを、低容量グループにはステートフリー技術を適用することで、ネットワークの混雑を軽減し、帯域幅効率を向上させること。

提案手法

• SDNコントローラーがネットワーク情報を収集し、トラフィック量に基づいてマルチキャストグループをエレファンツとマウスに分類する。
• エレファンツグループに対しては、複数の共有マルチキャストツリー（ステイナー木）をインストールして、トラフィックを均等に分散させ、混雑を防ぐ。
• マウスグループに対しては、マルチキャストからユニキャストへの変換などのステートフリーのマルチキャスト技術を適用し、マルチキャストステートスペースを節約する。
• 集中型コントローラーを用いてスイッチに転送ルールを計算・インストールすることで、動的かつトポロジーアウェアなマルチキャストルーティングを実現する。
• 実際のデータセンターマルチキャストトレースを用いて評価し、ns-2シミュレータを用いて実装とテストを実施する。
• ファットツリー構造の複数の並列パスを活用することで、負荷分散を向上させ、ボトルネックを回避する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高容量と低容量のマルチキャストグループを区別するデュアル・ストラクチャーアプローチが、データセンターネットワークにおけるマルチキャストのスケーラビリティを向上させ得るか？
• RQ2 SDNをどのように活用して、マルチキャストグループ管理を集中化し、スイッチレベルのマルチキャストステート依存を低減できるか？
• RQ3 マウスグループに適用するステートフリーのマルチキャスト技術が、帯域幅効率を低下させることなく、マルチキャストステートスペースをどの程度削減できるか？
• RQ4 複数の共有マルチキャストツリーが、高容量（エレファンツ）グループのトラフィックを効果的に負荷分散し、混雑を防げるか？
• RQ5 従来のIPマルチキャストと比較して、提案手法はマルチキャストグループのサポート数とリンク負荷分散の両面でどの程度優れているか？

主な発見

• DuSMは、分類とステートフリー技術を活用することでマルチキャストステート使用量を削減し、従来のIPマルチキャストと比較して最大300%多くのマルチキャストグループをサポートする。
• エレファンツグループのトラフィックを複数の共有ツリーに分散させることで、ネットワークリンク間のトラフィック負荷分散が向上する。
• マウスグループに対するステートフリーのマルチキャストにより、スイッチ上に必要なマルチキャストステートスペースが顕著に削減され、コンmodityハードウェアでもスケーラビリティが実現可能になる。
• 集中型のSDNコントローラーを用いることで、動的かつトポロジーアウェアなマルチキャストルーティングが可能となり、全体のネットワーク効率が向上する。
• スイッチ更新のためのコントローラーのオーバーヘッドが低減され、大規模展開における潜在的なスケーラビリティボトルネックを緩和する。
• 実際のデータセンタートレースを用いた実験的評価により、DuSMがスケーラビリティと負荷分散の両面で有効であることが確認された。