[論文レビュー] Multiple Constrained Routing Algorithms in Large-Scaled Software Defined Networks

Chenyang Xu, Liangde Tao+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 27, 2019

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

ひとこと要約

本稿では、大規模なソフトウェア定義ネットワーク（SDN）における帯域幅、遅延、ホップ数の制約を統合的に満たす条件下でスループットを最大化する、高速でヒューリスティックなマルチフェーズルーティングアルゴリズムを提案する。この手法は、各需要に対して複数の妥当な経路を計算し、帯域幅、ホップ数、残余容量に基づく優先順位ルールを用いて需要を順序付け、残余帯域幅と制約満たしの最適化を図る。10,000ノードを有する大規模ネットワークにおいて、10秒未塔で全利用可能帯域幅の90%を超えるスループットを達成する。

ABSTRACT

In this paper, we consider the bandwidth-delay-hop constrained routing problem in large-scaled software defined networks. A number of demands, each of which specifies a source vertex and a sink vertex, are required to route in a given network. We are asked to select a subset of demands, and assign a routing path for each selected demand without violating the hop and delay constraints, while assuring that the bandwidth occupied in each edge is not beyond its capacity. The goal is to maximize the throughput (the total bandwidth) of the selected demands. We develop an efficient heuristic algorithm for the problem, which consists of three main steps, namely, computing feasible paths for each demand, sorting the demands with some priority rules, selecting a path for each demand. The algorithm is tested with networks of actual sizes and topologies, generated by Huawei Technologies Company. The experiments show that the proposed approach outperforms existing algorithms both in throughput and in running time. In the experiments, our algorithm achieves more than 90\% of the total bandwidth of the given demands within 10 seconds. Moreover, a large part of our algorithm can run in parallel which largely speeds up the process when using multi-core processors.

研究の動機と目的

• 大規模なSDN環境において、厳密な帯域幅、遅延、ホップ数の制約のもとでスループットを最大化する課題に対処すること。
• リアルタイムなネットワーク再構成に適したスケーラブルで効率的なルーティングアルゴリズムを設計すること。
• 現実的で大規模なネットワークトポロジーにおいて、従来のアルゴリズムを上回るスループットと実行時間の両面での性能を達成すること。
• マルチコアアーキテクチャ上で性能を向上させるために並列実行を可能にすること。

提案手法

• アルゴリズムは3段階の主要フェーズから構成される：(1) 帯域幅、遅延、ホップ数の制約を満たす複数の妥当な経路を各需要に対して計算する；(2) 帯域幅、ホップ数、残余容量に基づく優先順位ルールを用いて需要を順序付けする；(3) 全体のスループットを最大化するように各需要の最適経路を選択する。
• 優先順位ルールは、需要の処理順序を決定するための評価に用いられ、特に帯域幅対ホップ比（ルール1）が優れた性能を示した。
• 経路選択では、残余帯域幅が高く、干渉度が低い経路を優先することで、将来の需要に与える影響を低減する。
• SDNコントローラーが持つネットワーク全体の視認性を活用し、エッジ容量とQoS制約を完全に把握した状態で経路を計算する。
• 並列実行に強く適合した設計となっており、マルチコアプロセッサ上で顕著な高速化が可能である。
• 遅延とホップ数の制約のもとで妥当な経路を計算するため、拡張されたダイクストラ法を用い、QoS準拠を保証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 大規模なSDNネットワークにおいて、帯域幅、遅延、ホップ数の制約を統合的に満たす条件下で、どのようにしてスループットを最大化できるか？
• RQ2 制約付きのマルチコンmodityルーティングにおいて、需要の順序付けに用いるどの優先順位ルールが最高のスループットを達成するか？
• RQ3 残余帯域幅に基づいて経路を選択する戦略と、ホップ数や遅延のみに基づく戦略を比較すると、それぞれの性能にどのような差が生じるか？
• RQ4 ヒューリスティックなアルゴリズムは、従来の手法よりも著しく短い実行時間で、ほぼ最適なスループットを達成できるか？
• RQ5 現代のマルチコアシステム上で性能を向上させるために、このアルゴリズムはどの程度並列化可能か？

主な発見

• 中規模インスタンス（インスタンスA）では、提案アルゴリズムが全利用可能帯域幅の平均97.71%のスループットを達成し、標準偏差は3.29%であった。
• 大規模インスタンス（インスタンスB）では、平均92.55%のスループットを達成し、すべてのベースラインアルゴリズムを上回った。
• ノード数約10,000、エッジ数40,000のネットワークにおいて、平均して10秒未塔で実行可能であり、ベースラインアルゴリズムは平均で約90分を要した。
• 経路選択戦略の中で、残余帯域幅が最大の経路を選択する戦略が最も優れた性能を示し、インスタンスAでは97.71%のスループットを達成した。
• 最短経路（ホップ数最少）戦略と最小遅延戦略では、それぞれ95.20%および91.56%のスループットにとどまり、リソースの非効率的利用が示された。
• MDA、WSP、SWPと比較して、本アルゴリズムはスループットの標準偏差が低く、より高い安定性と耐障害性を示した。