[論文レビュー] Merlin: A Language for Provisioning Network Resources

Robert Soulé, Shrutarshi Basu+5 more|arXiv (Cornell University)|Jun 25, 2014

Software-Defined Networks and 5G被引用数 8

ひとこと要約

Merlin は、ソフトウェア定義ネットワークにおけるエンド・ツー・エンドのネットワークポリシーを指定するための高水準で宣言的なプログラミング言語であり、管理者がパケット分類、転送経路、変換、帯域幅制約を表現できる。このシステムは、混合整数プログラミングと有限オートマトンを用いて、制約に基づいた効率的な構成にポリシーをコンパイルするが、グローバル制約を損なわずにポリシー変更を検証するナゴシエーターを介して動的適応もサポートする。実世界のトポロジーにおいてスケーラビリティと表現力の両面を実証した。

ABSTRACT

This paper presents Merlin, a new framework for managing resources in software-defined networks. With Merlin, administrators express high-level policies using programs in a declarative language. The language includes logical predicates to identify sets of packets, regular expressions to encode forwarding paths, and arithmetic formulas to specify bandwidth constraints. The Merlin compiler uses a combination of advanced techniques to translate these policies into code that can be executed on network elements including a constraint solver that allocates bandwidth using parameterizable heuristics. To facilitate dynamic adaptation, Merlin provides mechanisms for delegating control of sub-policies and for verifying that modifications made to sub-policies do not violate global constraints. Experiments demonstrate the expressiveness and scalability of Merlin on real-world topologies and applications. Overall, Merlin simplifies network administration by providing high-level abstractions for specifying network policies and scalable infrastructure for enforcing them.

研究の動機と目的

• 帯域幅、ミドルボックス、および包括的なパケット変換を含む複雑なネットワーク全体のポリシーを管理するための表現力に欠ける既存のSDN API のギャップを埋める。
• スイッチ、ミドルボックス、エンドホストを抽象化する統合的で高水準のプログラミングインターフェースを提供し、ネットワーク管理を簡素化する。
• グローバル制約を損なわずに変更を検証するナゴシエーターを通じて、動的ポリシー適応を可能にする。
• 高度なコンパイル技術を用いて高水準ポリシーを効率的で正しい低水準構成に翻訳するコンパイラを設計する。
• 実世界のネットワークトポロジーとパフォーマンス評価を通じて、このアプローチの表現力とスケーラビリティを実証する。

提案手法

• Merlin 言語は、パケット分類のための論理的述語、経路指定のための正規表現、帯域幅制約のためのプレスブル算術を用いた宣言的構文を使用する。
• コンパイラは、ネットワーク構造とポリシー制約を両方モデル化する統一された論理的トポロジーにポリシーを翻訳する。
• 帯域幅制約付きトラフィックの場合は、マルチコムmodityフロー問題の変種を解くために混合整数計画法を定式化する。
• 制約なしトラフィックの場合は、有限オートマトンと正規表現の性質を用いて効率的な転送木を生成する。
• パrameterizableヒューリスティクスを備えた制約ソルバーを用いて、グローバル制限を尊重しながら帯域幅を割り当てる。
• 実行時ナゴシエーターは、ポリシー変更（例：帯域幅変更、経路更新）の検証を行い、グローバル制約の侵害を防ぐことで、動的適応を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高水準言語は、パケット分類、転送経路、変換、帯域幅制約を統合的に表現するには、どのようにして豊かなネットワークポリシーを記述できるか？
• RQ2 多様なネットワーkees要素をカバーする際、高水準ポリシーを正しい、スケーラブルな低水準構成に効率的に翻訳するには、どのようなコンパイル技術が必要か？
• RQ3 グローバルネットワーク制約を損なわずに、動的ポリシー更新を安全に管理するには、どのようにすればよいか？
• RQ4 分散型でポリシーを委任された環境において、ポリシー変更の検証にかかるパフォーマンスオーバーヘッドはどの程度か？
• RQ5 正しさと応答性を維持しながら、実世界のデータセンターやエンタープライズネットワークトポロジーにスケーラブルに対応できるか？

主な発見

• Merlin コンパイラは、低遅延で実世界のデータセンターやエンタープライズネットワークのプロビジョニングと構成を成功裏に実行し、スケーラビリティを実証した。
• 数万件のステートメントと割り当てについて、ナゴシエーターによるポリシー検証がミリ秒未塔で完了し、迅速な適応が可能となった。
• 正規表現の検証は2乗スケーリングとなり、ノード数1,000の複雑な式では約3.5秒を要するが、実際の展開ではそのような複雑さは稀である。
• AIMDおよびMMFSナゴシエーターを用いた動的適応により、トラフィック需要の変化に迅速に対応でき、時間経過に伴うスループットトレースでその効果が示された。
• Merlin は帯域幅保証と効率的な経路割り当てを実装することで、データ分析およびレプリケーションシステムにおけるアプリケーションパフォーマンスを向上させた。
• 制約ソルバと委任されたポリシー変更の形式的検証を通じて、正しくグローバルに一貫性のある構成を達成した。