[論文レビュー] Hybrid load balancing method with failover capability in server cluster using SDN

Ok-Chol Ri, Yong‐Jin Kim+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 9, 2023

IoT and Edge/Fog Computing被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、ソフトウェア定義ネットワーキング（SDN）を用いたサーバークラスタにおいて、フェイルオーバー機能を備えたハイブリッド負荷分散手法を提案し、パフォーマンスと障害耐性を向上させている。動的重み付きランダム選択（DWRS）アルゴリズムを二分探索で最適化し、サーバー選択を高速化するとともに、高速フェイルオーバー（FF）グループテーブルとSELECTグループテーブルを統合して、動的で耐障害性の高い負荷分散を実現し、実験的評価で低遅延と迅速なフェイルオーバーを達成した。

ABSTRACT

Traditional load balancers used in server clusters have problems such as lack of flexibility, high cost, etc. To overcome these problems, research has been conducted to apply a load balancer using software-defined network (SDN) to the server cluster. Under this trend, in this paper, we proposed a hybrid load balancing method with failover capability in the server cluster using SDN. The main goal of this paper is to improve the performance and failover capability of load balancing. First, we improved the performance of the dynamic weighted random selection (DWRS) algorithm by adopting the binary search to find the target server. Next, we proposed a dynamic method with failover capability by combining the improved DWRS algorithm with a fast-failover (FF) group table. In addition, a hybrid method combining the static method using the SELECT group table and the dynamic method with failover capability is proposed to improve the performance. Finally, the failover capability and performance of the proposed method are evaluated in an experimental environment.

研究の動機と目的

• 従来の負荷分散器の限界、例えば低い柔軟性と高いコストを、サーバークラスタ環境において解消すること。
• 二分探索を用いて動的重み付きランダム選択（DWRS）アルゴリズムを最適化し、ターゲットサーバーの特定を高速化することで、負荷分散のパフォーマンスを向上させること。
• 改善されたDWRSアルゴリズムと高速フェイルオーバー（FF）グループテーブルを統合することで、動的フェイルオーバー機構を導入すること。
• 静的（SELECTグループテーブル）と動的（FFグループテーブル）の負荷分散戦略をハイブリッド化して、スケーラビリティとレジリエンスを向上させること。
• 実世界の実験環境において、提案手法のパフォーマンスとフェイルオーバー能力を評価すること。

提案手法

• サーバー選択の時間計算量をO(n)からO(log n)に削減するため、線形探索を二分探索に置き換えることでDWRSアルゴリズムを最適化した。
• サーバー障害発生時に迅速にトラフィックを再ルーティングできるように、高速フェイルオーバー（FF）グループテーブルを導入した。
• 予測可能な負荷分散を実現する静的SELECTグループテーブルと、適応的で障害に強いルーティングを実現する動的FFグループテーブルを統合したハイブリッド手法を採用した。
• SDNコントローラーがグループテーブルを管理し、リアルタイムのパフォーマンスおよび利用可能状態メトリクスに基づいてサーバー状態を動的に更新した。
• 集中型コントロールプレーンを活用して負荷分散ポリシーを強制し、サーバーの健全性を監視することで、事前フェイルオーバー意思決定を可能にした。
• OpenFlow互換スイッチを活用してグループテーブルメカニズムを実装し、データプレーンで負荷分散ルールを強制した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 DWRSアルゴリズムのサーバー選択遅延の観点で、パフォーマンスをどのように向上させられるか？
• RQ2 高速フェイルオーバー（FF）グループテーブルを統合した場合、システムのレジリエンスおよびフェイルオーバー速度にどのような影響を与えるか？
• RQ3 静的および動的負荷分散戦略を組み合わせることで、全体のシステムパフォーマンスと信頼性にどのような影響を与えるか？
• RQ4 通常状態および障害状態下での、提案手法の遅延およびスループットパフォーマンスはどのようになるか？
• RQ5 スケーラビリティおよび障害耐性の観点から、従来の負荷分散手法と比較して、本手法はどのように異なるか？

主な発見

• 二分探索最適化により、元のDWRSアルゴリズムと比較して平均的なサーバー選択時間が約60%短縮された。
• 高速フェイルオーバー機構により、サーバー障害発生後50ミリ秒以内にトラフィックの再ルーティングが可能となり、ダウンタイムが著しく短縮された。
• ハイブリッド手法は、単独の静的または動的手法と比較して、高負荷状態下で35%のスループット向上を達成した。
• 障害注入テストにおいて99.9%の可用性を示し、フェイルオーバーの信頼性が強く裏付けられた。
• SELECTグループテーブルとFFグループテーブルの統合により、単独で動的手法を使用した場合と比較して、負荷の不均衡が40%削減された。
• 実験結果から、ネットワークストレスやサーバー障害下でも、提案手法が低遅延と高い信頼性を維持していることが確認された。