[論文レビュー] How Better is Distributed SDN? An Analytical Approach

Ziyao Zhang, Liang Ma+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 12, 2017

Software-Defined Networks and 5G参考文献 16被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、同期レベルとネットワーク構造に基づいて分散SDNネットワークにおける性能向上を定量化する最初の解析的フレームワークを提示する。一般化された重み付きネットワークモデルを用いて、最小、単一、部分的、完全同期の4つの同期シナリオにおける平均経路長（APL）の理論的上限を導出。完全同期ではAPLが最大60％まで低減され、中程度の同期レベルを超えると利得の逓減が顕著になることが示された。

ABSTRACT

Distributed software-defined networks (SDN), consisting of multiple inter-connected network domains, each managed by one SDN controller, is an emerging networking architecture that offers balanced centralized control and distributed operations. Under such networking paradigm, most existing works focus on designing sophisticated controller-synchronization strategies to improve joint controller-decision-making for inter-domain routing. However, there is still a lack of fundamental understanding of how the performance of distributed SDN is related to network attributes, thus impossible to justify the necessity of complicated strategies. In this regard, we analyze and quantify the performance enhancement of distributed SDN architectures, influenced by intra-/inter-domain synchronization levels and network structural properties. Based on a generic weighted network model, we establish analytical methods for performance estimation under four synchronization scenarios with increasing synchronization cost. Moreover, two of these synchronization scenarios correspond to extreme cases, i.e., minimum/maximum synchronization, which are, therefore, capable of bounding the performance of distributed SDN with any given synchronization levels. Our theoretical results reveal how network performance is related to synchronization levels and inter-domain connections, the accuracy of which are confirmed by simulations based on both real and synthetic networks. To the best of our knowledge, this is the first work quantifying the performance of distributed SDN analytically, which provides fundamental guidance for future SDN protocol designs and performance estimation.

研究の動機と目的

• ネットワーク属性が分散SDN性能に与える影響についての根本的理解の欠如に対処すること。
• 相互コントローラー同期レベルとネットワークトポロジーに応じた分散SDNの性能向上を定量化すること。
• さまざまな同期シナリオ下での平均経路長（APL）の理論的上限を確立すること。
• 実際のネットワークと合成ネットワークにおけるシミュレーションを通じて、解析モデルの妥当性を検証すること。
• 同期コストとルーティング効率のトレードオフを明らかにすることで、将来のSDNプロトコル設計を支援すること。

提案手法

• mドメインから成る一般化された重み付きネットワークモデルを提案。各ドメインはnノードを含み、ドメイン間ゲートウェイは重みβをもつランダム接続としてモデル化。
• 最小（MS）、単一（SS）、部分的（PS）、完全（CS）同期の4つの同期レベルにおけるAPLの解析的表現を導出。
• kホップバスネットワークにおけるルート選択肢の推定にβ^(k-1)に基づく簡略化された近似法を用い、PSおよびCSにおけるAPLの効率的計算を可能に。
• ゲートウェイ密度と同期レベルに応じた利用可能なドメイン間経路数の推定に確率的解析を適用。
• 50組のソース-ディスティネーションペアを有する30件の実ネットワークおよび合成ネットワークの実装で、理論的予測の妥当性をシミュレーションにより検証。
• 高β値におけるAPLが定数に収束することを説明するため、補題7を用いる。これは、性能向上の逓減が理論的に予測されることを確認する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 分散SDNにおける平均経路長（APL）は、相互コントローラー同期レベルにどのように依存するか？
• RQ2 最小および最大同期状態における分散SDNの理論的性能上限は何か？
• RQ3 ゲートウェイ数（β）などのネットワーク構造的パラメータは、ルーティング性能にどのように影響するか？
• RQ4 追加の同期は、APL低減においてどの程度の逓減効果を示すか？
• RQ5 理論的モデルは、多様な実ネットワークおよび合成ネットワークトポロジーにおけるAPLを正確に予測できるか？

主な発見

• 完全同期（CS）は、理論的下限として最低のAPLを達成し、最小同期（MS）と比較して最大60％の低減が可能である。
• 単一同期（SS）は、ドメイン内リンク重み情報のみを提供するが、MSと比較してAPLを最大50％まで低減させ、わずかな追加情報でも顕著な利点があることを示している。
• 部分的同期（PS）では、逓減効果が顕著である。τを2から3に増加させてもAPLの向上は最小限にとどまり、特にβが低い場合に顕著な利益対コスト比の低下が見られる。
• βが増加するにつれて、ゲートウェイ密度の上昇に伴い経路選択肢が増加するためAPLは減少するが、高β値に達するとAPLは定数に収束する。これは、補題7が予測する理論的収束と一致する。
• 理論的APL推定値は、すべての同期レベルおよびネットワークタイプにおいて、シミュレーション結果と極めて近接しており、解析モデルの高い精度が裏付けられた。
• 最小同期（MS）でさえ、ネットワークサイズ（20,000ノード）よりも顕著に小さいAPLを維持しており、分散SDNが固有のスケーラビリティ優位性を有していることが示された。