[論文レビュー] Fast failover of multicast sessions in software-defined networks

Jorik Oostenbrink, Niels L. M. van Adrichem+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 27, 2017

Software-Defined Networks and 5G参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、ソフトウェア定義ネットワーク（SDN）における動的マルチキャストグループ向けに、一般用途の高速フェイルオーバー（FF）アルゴリズムを提案する。この手法により、スイッチに事前にバックアップフロールールをインストールすることで、最大F回のリンク障害に対しても迅速な回復が可能となる。回復時間を0〜8.333 msに短縮し、特にコントローラーとスイッチ間の遅延が高い状況下でも、コントローラーベースの回復手法を著しく上回る性能を発揮するが、スイッチおよびコントローラーのメモリおよび計算負荷が増加するという代償を伴う。

ABSTRACT

With the rapid growth of services that stream to groups of users comes an increased importance of and demand for reliable multicast. In this paper, we turn to software-defined networking and develop a novel general-purpose multi-failure protection algorithm to provide quick failure recovery, via Fast Failover (FF) groups, for dynamic multicast groups. This extends previous research, which either could not realize fast failover, worked only for single link failures, or was only applicable to static multicast groups. However, while FF is know to be fast, it requires pre-installing back-up rules. These additional memory requirements, which in a multicast setting are even more pronounced than for unicast, are often mentioned as a big disadvantage of using FF. We develop an OpenFlow application for resilient multicast, with which we study FF resource usage, in an attempt to better understand the trade-off between recovery time and resource usage. Our tests on a realistic network suggest that using FF groups can reduce the recovery time of the network significantly compared to other methods, especially when the latency between the controller and the switches is relatively large.

研究の動機と目的

• 動的グループ（いつでも参加・退出可能なグループ）におけるSDNのマルチキャスト障害耐性が不十分であるという問題に対処する。
• 従来のユニキャスト中心または静的グループに特化したSDNにおけるマルチキャスト保護手法の限界を克服する。
• 実際のネットワークトポロジーにおける、高速回復とリソースオーバーヘッド（メモリ、計算）のトレードオフを評価する。
• FFベースのマルチキャスト回復が、特にコントローラーとスイッチ間の遅延が高い状況下で、コントローラーベースの回復手法に比べて著しく高速であることを実証する。

提案手法

• スイッチに事前にバックアップパスを計算・インストールすることで、最大F回のリンク障害をサポートする一般用途のマルチキャスト用FFアルゴリズムを設計する。
• OpenFlowベースのコントローラー・アプリケーションにFFアルゴリズムを統合し、動的マルチキャストグループの管理とフェイルオーバールールの強制を実現する。
• バックアップパスの効率とリソース使用量を比較するため、最短パスツリー（SPT）および分離最短ツリー（DST）の2つのツリー構築手法を用いる。
• スイッチのローカルフェイルオーバーを実現するために、事前にバックアップフローエントリおよびグループテーブルをスイッチにインストールする。
• コントローラーとスイッチ間の遅延を変化させた状況下で、GÉANTおよび完全グラフの実際のネットワークトポロジーを用いて性能を測定する。
• OpenFlow 1.3以降のグループテーブルおよびフローエントリを用いて、リンク障害発生時に迅速かつハードウェアレベルでスイッチングを実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高速フェイルオーバー（FF）は、ユニキャストや静的マルチキャストにとどまらず、いつでも参加・退出可能な動的マルチキャストグループにも効果的に拡張可能か？
• RQ2 コントローラーとスイッチ間の往復遅延が変化する状況下で、FFベースのマルチキャスト回復時間は、コントローラーベースの回復手法と比べてどの程度異なるか？
• RQ3 FFをマルチキャストに導入した際のリソースオーバーヘッド（メモリ、計算）はどの程度で、障害数（F）およびネットワークサイズに伴いどのようにスケーリングされるか？
• RQ4 異なるツリー構築アルゴリズム（SPT対DST）は、スイッチに必要なフローエントリ数、グループテーブル数、タグ数にどのように影響を与えるか？
• RQ5 マルチキャストグループ数が増加しても、FFの回復時間は安定的かつ低く保たれるか？コントローラーベース手法とは対照的に。

主な発見

• 高速フェイルオーバー（FF）により、単一および複数リンク障害時において回復時間を0〜8.333 msに短縮し、コントローラーベース手法に比べて著しく高速化された。
• 高速ツリー切り替えとは対照的に、FFの回復時間はマルチキャストグループ数やフローエントリのインストール時間にかかわらず安定的かつ低く保たれた。
• 完全グラフトポロジーでは、計算時間が最大1.774 msに上昇し、特にSPTでは特定のスイッチに集中してフローエントリが集約された。
• グループテーブル使用量はSPT法で最も高く（1つのスイッチにすべてのグループテーブルが集中）、DST法で最も低く（1スイッチあたり最大18個）なった。これはSPT法の負荷分散における非効率性を示している。
• 単一リンク障害時におけるタグ使用量は最小かつ一貫しており（1受信者あたり1タグ）、F=3の場合に顕著に増加したが、完全グラフでは依然として管理可能であった。
• コントローラーとスイッチ間の遅延がない状況では、高速ツリー切り替えでパケットロス0%を達成したが、遅延が存在する場合、3リンク障害時には回復時間が533.333〜550 msに上昇し、コントローラーのボトルネックが顕著に現れた。