[論文レビュー] Energy-aware Traffic Engineering in Hybrid SDN/IP Backbone Networks

Yunkai Wei, Xiaoning Zhang+2 more|arXiv (Cornell University)|May 12, 2016

Software-Defined Networks and 5G参考文献 25被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、ハイブリッドSDN/IPバックボーンネットワークにおけるエネルギー効率の良いトラフィックエンジニアリングのためのヒューリスティックアルゴリズムHEATEを提案する。IPルータのOSPFリンク重みとSDNスイッチのトラフィック分割比を共同で最適化することで、トラフィックをより少ないリンクに集約し、未利用に近いリンクを無効化可能にする。シミュレーション結果から、HEATEは最小限のSDN導入でも、EA-OSPFおよびEA-FAよりもそれぞれ13.2%および21.7%のエネルギー節約効果を達成していることが示された。

ABSTRACT

Software Defined Networking (SDN) can effectively improve the performance of traffic engineering and has promising application foreground in backbone networks. Therefore, new energy saving schemes must take SDN into account, which is extremely important considering the rapidly increasing energy consumption from Telecom and ISP networks. At the same time, the introduction of SDN in a current network must be incremental in most cases, for both technical and economic reasons. During this period, operators have to manage hybrid networks, where SDN and traditional protocols coexist. In this paper, we study the energy efficient traffic engineering problem in hybrid SDN/IP networks. We first formulate the mathematic optimization model considering SDN/IP hybrid routing mode. As the problem is NP-hard, we propose the fast heuristic algorithm named HEATE (Hybrid Energy-Aware Traffic Engineering). In our proposed HEATE algorithm, the IP routers perform the shortest path routing using the distribute OSPF link weight optimization. The SDNs perform the multi-path routing with traffic flow splitting by the global SDN controller. The HEATE algorithm finds the optimal setting of OSPF link weight and splitting ratio of SDNs. Thus traffic flow is aggregated onto partial links and the underutilized links can be turned off to save energy. By computer simulation results, we show that our algorithm has a significant improvement in energy efficiency in hybrid SDN/IP networks.

研究の動機と目的

• 通信事業者およびISPネットワークにおける増加するエネルギー消費を是正するため、ハイブリッドSDN/IPバックボーンネットワーク向けにエネルギー効率の良いトラフィックエンジニアリングを設計すること。
• 共存するSDNと従来のIPルーティングを有するハイブリッドSDN/IPネットワークにおけるネットワークエネルギー消費を最小化する数学的最適化モデルを定式化すること。
• OSPFリンク重みとSDNスイッチのトラフィック分割比を共同で最適化することでエネルギー節約を達成する高速ヒューリスティックアルゴリズムを開発すること。
• 実世界のネットワークトポロジとトラフィックトレースを用いて、提案アルゴリズムの性能を評価すること。

提案手法

• OSPFベースの最短経路ルーティングとSDNによるマルチパスルーティングを両方考慮した、ハイブリッドSDN/IPネットワークにおけるエネルギー消費を最小化する線形計画法モデルを定式化する。
• HEATEを提案する2段階のヒューリスティック：最初に隣接領域探索を用いてOSPFリンク重みを最適化し、次にSDNスイッチでの最適なトラフィック分割比を決定する。
• 集中型SDNコントローラーを用いてトラフィック分割をグローバルに管理し、トラフィックの集約とリンクのシャットダウンを可能にすることでエネルギー節約を実現する。
• リアルタイムのトラフィック変動に基づいてOSPF重みと分割比を動的に適応的に調整するメカニズムを採用する。
• ノードの次数に基づくリンク容量割り当てを統合：POP1〜POP1間リンクでは2.5 Gbps、POP2〜POP2間リンクでは10 Gbpsを設定する。
• 複数のシナリオにわたる現実的なトラフィック需要をシミュレートするため、確率的トラフィック行列生成モデル（式12）を用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 共存するSDNと従来のIPルーティングを有するハイブリッドSDN/IPバックボーンネットワークにおいて、エネルギー効率を最大化する方法は何か？
• RQ2 ネットワークエネルギー消費を最小化するための、OSPFリンク重みとSDNトラフィック分割比の最適な共同設定は何か？
• RQ3 導入されたSDN対応スイッチの数が、ハイブリッドネットワークにおけるエネルギー節約に与える影響は何か？
• RQ4 OSPF重みとトラフィック分割比の共同最適化は、それぞれのパラメータを個別に最適化するのと比べて、どの程度優れているか？

主な発見

• HEATEは、OSPFリンク重みのみを最適化するEA-OSPFアルゴリズムと比較して、平均で13.2%のエネルギー効率の向上を達成した。
• HEATEは、SDNスイッチのトラフィック分割比のみを最適化するEA-FAアルゴリズムと比較して、平均で21.7%のエネルギー効率の向上を達成した。
• 導入されたSDN対応スイッチの数が増加するにつれてエネルギー節約率が急激に上昇し、Geantでは16ノード、Sprintlinkでは21ノードに達した時点でピークに達する。
• ピークを超えると、追加のSDN導入による利益は次第に小さくなり、最小限のSDN統合によっても大部分のエネルギー節約が達成されていることが示された。
• わずか6台のSDN対応スイッチでも、HEATEは顕著なエネルギー節約を達成しており、低コストな導入でも高い効率性を示している。
• OSPF重みとトラフィック分割比の共同最適化により、効果的なトラフィック集約と未利用リンクのシャットダウンが可能となり、エネルギー消費が直接削減された。