[論文レビュー] Network Coding as a Service

Dávid Szabó, Attila Csoma+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 13, 2016

Cooperative Communication and Network Coding参考文献 11被引用数 11

ひとこと要約

本稿では、ソフトウェア定義ネットワーキング（SDN）を介して仮想化ネットワーク機能（VNFs）にランダム線形ネットワークコーディング（RLNC）を統合することにより、ネットワークコーディング・アズ・ア・サービス（NCaaS）を提案する。これにより、プロトコルに依存しない動的かつスケーラブルなネットワークコーディングの展開が可能になる。本稿では、2ホップの損失ネットワークにおける遅延の閉形式再帰的公式を提示し、シミュレーションによる検証を通じて理論とほぼ完全に一致することを示している。また、損失環境下ではブロック符号よりも優れた性能を示している。

ABSTRACT

Network Coding (NC) shows great potential in various communication scenarios through changing the packet forwarding principles of current networks. It can improve not only throughput, latency, reliability and security but also alleviates the need of coordination in many cases. However, it is still controversial due to widespread misunderstandings on how to exploit the advantages of it. The aim of the paper is to facilitate the usage of NC by $(i)$ explaining how it can improve the performance of the network (regardless the existence of any butterfly in the network), $(ii)$ showing how Software Defined Networking (SDN) can resolve the crucial problems of deployment and orchestration of NC elements, and $(iii)$ providing a prototype architecture with measurement results on the performance of our network coding capable software router implementation compared by fountain codes.

研究の動機と目的

• ネットワークコーディングに関する広く見られる誤解を解き、人工的なバタフライトポロジーにとどまらない、広範な適用可能性を実証すること。
• SDNおよびNFVを活用して、既存のプロトコルやハードウェアを変更せずに、スケーラブルで動的なネットワークコーディングの展開を可能にすること。
• RLNC対応のソフトウェアルータのプロトタイプ実装を提供し、従来のブロック符号と比較して測定可能な性能向上を示すこと。
• 任意のリンク損失確率下での2ホップRLNCネットワークにおけるエンドツーエンド遅延の再帰的公式を導出し、検証すること。

提案手法

• ランダム線形ネットワークコーディング（RLNC）をレートレス符号として使用。ソースノードはガロア体上でのランダムなコーディングベクトルを用いて、符号化パケットを生成する。
• SDNにおけるVNFベースのアーキテクチャを採用し、コーディング関数（エンコーダ、デコーダ、リコーディング）を展開・オ케ストレーションする。これにより、既存のネットワーク機器やプロトコルの変更を回避できる。
• 2ホップネットワークにおける期待遅延を計算するために、状態ベースの再帰的モデルを適用。リコーディングノードにおける線形独立パケットの数に基づいて状態を区別する。
• リコーディングノードが完全な、ゼロ、または部分的な独立パケットを保持している場合の3つの再帰的式を導出する。
• 理論的モデルをシミュレーションにより検証。理論的予測との比較に加え、ブロック符号（例：フォンタインコード）の性能とも比較する。
• クリックベースのソフトウェアルータ実装を用いて、制御されたネットワーク環境下でのRLNCの実世界性能をプロトタイプ化・測定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 RLNCは、人工的なバタフライ型シナリオに依存せずに、任意のネットワークトポロジーに効果的に展開可能か？
• RQ2 SDNおよびNFVを活用すれば、既存のプロトコルやハードウェアを変更せずに、ネットワークコーディング関数を動的にオーケストレーション可能か？
• RQ3 2ホップの損失ネットワークにおけるRLNCのエンドツーエンド遅延は何か？ また、再帰的公式により正確にモデル化可能か？
• RQ4 損失状態が変化する条件下で、RLNCの性能は従来のブロック符号（例：フォンタインコード）と比較して、遅延および信頼性の観点からどのように差がつくか？

主な発見

• 2ホップRLNCネットワークにおける提示された再帰的遅延モデルは、理論的予測とシミュレーション結果がほぼ同一であることを示しており、その正確性が検証された。
• 理論とシミュレーションの差は無視できるほど小さく、再帰的公式が損失ネットワークにおける確率的転送プロセスを正確に捉えていることが示された。
• 特に必要なパケット数が多い場合に、RLNCは損失環境下でブロック符号よりも顕著に遅延を低減する。
• RLNCのリコーディング機能により、上流リンクの障害時でも中間ノードが革新パケットを転送可能となり、耐障害性が向上し、エンドツーエンド遅延が短縮される。
• RLNC対応ソフトウェアルータのプロトタイプ実装は、測定可能な性能向上を示しており、NCaaSの実世界SDN環境への実現可能性が確認された。
• GF(8)以上を用いることで、符号記号が線形従属となる確率は無視できるほど低くなり、実用的状況下でもRLNCの堅牢性が保証される。