[論文レビュー] Impact of SDN Controllers Deployment on Network Availability

Gianfranco Nencioni, Bjarne E. Helvik+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 16, 2017

Software-Defined Networks and 5G参考文献 6被引用数 11

ひとこと要約

本論文は、ソフトウェア定義ネットワーク（SDN）コントローラーの展開—特にコントローラーの冗長性、ホーム化、配置—が、国家基幹ネットワークにおけるネットワーク可用性に与える影響を評価する。構造的信頼性モデルと動的信頼性モデルを組み合わせた二段階階層的モデリング手法を用い、研究では二重ホーム化と二つのコントローラーを備えた構成が、従来のIPルーティングネットワークと同等の可用性を達成することが判明した。一方、三重または四重ホーム化は可用性の向上に寄与せず、コストが増加する。三つまたは四つのコントローラーは、可用性を著しく向上させるが、高い展開コストを伴う。コントローラーの配置は、可用性に顕著な影響を及ぼさない。

ABSTRACT

Software-defined networking (SDN) promises to improve the programmability and flexibility of networks, but it may bring also new challenges that need to be explored. The purpose of this technical report is to assess how the deployment of the SDN controllers affects the overall availability of SDN. For this, we have varied the number, homing and location of SDN controllers. A two-level modelling approach that is used to evaluate the availability of the studied scenarios. Our results show how network operators can use the approach to find the optimal cost implied by the connectivity of the SDN control platform by keeping high levels of availability.

研究の動機と目的

• SDNコントローラーの展開—数、ホーム化、配置—がエンドツーエンドのネットワーク可用性に与える影響を評価すること。
• 同等のトポロジー下で、従来のIPルーティングネットワークと比較したSDNの可用性を評価すること。
• 高い可用性を維持しつつ、展開オーバーヘッドを最小限に抑えるコスト効率の良い構成を同定すること。
• SDN制御プレーン設計における故障耐性、冗長性、運用コストのトレードオフを評価すること。

提案手法

• 構造的トポロジーと動的故障行動を分離する二段階階層的可用性モデリング手法が用いられる。
• 構造的モデルは、部品の依存関係や故障モードを表現するため、信頼性ブロック図または故障ツリーを用いる。
• 動的モデルは、ネットワーク要素およびコントローラーの故障と回復プロセスを捉えるために、マルコフモデルまたは確率報酬ネットワークを用いる。
• 故障強度は、$\alpha$ 要因（$\alpha_S$、$\alpha_H$、$\alpha_O$、$\alpha_C$）を用いてパrameter化され、ソフトウェア、ハードウェア、運用保守、カバレッジ関連の故障率を表す。
• 本モデルは、ノルウェーの4都市にまたがる10ノードからなる実際の国家基幹ネットワークに適用され、二重ホーム化およびマルチホーム化コントローラーを含む。
• シナリオは、コントローラー数（1〜4）、ホーム化（単一、二重、三重、四重）、配置を変化させ、可用性への影響を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SDNコントローラーの数が、国家基幹ネットワーク全体の可用性に与える影響は何か？
• RQ2 コントローラーのホーム化（単一、二重、三重、四重）が、ネットワーク可用性および展開コストに与える影響は何か？
• RQ3 SDNコントローラーの地理的配置が、大規模基幹ネットワークにおけるネットワーク可用性に影響を及ぼすか？
• RQ4 同等のトポロジーおよび故障モデル下で、SDNの可用性は従来のIPルーティングネットワークと比較してどうなるか？
• RQ5 コントローラーの冗長性、可用性、展開コストの最適なトレードオフは何か？

主な発見

• 単一ホーム化コントローラーは、二重ホーム化構成と比較して、可用性リスクが十倍に増加する。
• 二重ホーム化と二つのコントローラーを備えた構成は、従来のIPネットワークと同等の可用性を達成し、実用的でコスト効率の良い選択肢である。
• 三重または四重ホーム化コントローラーは、二重ホーム化と比較して、可用性の向上に顕著な寄与を示さず、展開コストが著しく増加する。
• 三つまたは四つの二重ホーム化コントローラーは、二つのコントローラーと比較して、可用性を二桁低下させ、従来のIPネットワークと比較しても二桁の改善を達成するが、高いコストを伴う。
• コントローラーの配置は、全体のネットワーク可用性に測定可能な影響を及ぼさないため、コストや遅延最適化の観点から配置を最適化しても信頼性に影響を及ぼさない。
• 本研究は、可用性向上の観点から、コントローラーの冗長性を高めることの方が、1つのコントローラーのホーム化数を増やすことよりも効果的であることを確認した。