[論文レビュー] Network Protection Codes: Providing Self-healing in Autonomic Networks Using Network Coding

Salah A. Aly, Ahmed E. Kamal|ArXiv.org|Dec 4, 2008

Cooperative Communication and Network Coding参考文献 19被引用数 11

ひとこと要約

本稿では、複数の経路にわたってデータを符号化し、パケットの線形結合に基づく修復メカニズムを用いることで、リンク障害から自己修復できる自律的ネットワークを実現する新規なネットワーク符号化フレームワーク「Network Protection Codes（NPC）」を提案する。主な貢献は、最小限のオーバーヘッドで損失データを回復できる耐障害性に富んだ分散符号化方式であり、動的ネットワーク環境においても複数の同時障害に耐えうる高い回復率を達成する。

ABSTRACT

Agile recovery from link failures in autonomic communication networks is essential to increase robustness, accessibility, and reliability of data transmission. However, this must be done with the least amount of protection resources, while using simple management plane functionality. Recently, network coding has been proposed as a solution to provide agile and cost efficient network self-healing against link failures, in a manner that does not require data rerouting, packet retransmission, or failure localization, hence leading to simple control and management planes. To achieve this, separate paths have to be provisioned to carry encoded packets, hence requiring either the addition of extra links, or reserving some of the resources for this purpose. In this paper we introduce autonomic self-healing strategies for autonomic networks in order to protect against link failures. The strategies are based on network coding and reduced capacity, which is a technique that we call network protection codes (NPC). In these strategies, an autonomic network is able to provide self-healing from various network failures affecting network operation. The techniques improve service and enhance reliability of autonomic communication. Network protection codes are extended to provide self-healing from multiple link failures in autonomic networks. We provide implementation aspects of the proposed strategies. We present bounds and network protection code constructions. Finally, we study the construction of such codes over the binary field. The paper also develops an Integer Linear Program formulation to evaluate the cost of provisioning connections using the proposed strategies.

研究の動機と目的

• 動的で自律的な環境においてリンク障害が頻発する中でネットワークの信頼性を維持する課題に対処すること。
• 集中管理なしで自動回復が可能な分散的でスケーラブルな符号化メカニズムを設計すること。
• ネットワーク障害後の損失パケットの回復における修復帯域幅と遅延を低減すること。
• 線形ネットワーク符号化の原則に従い、複数の同時リンク障害に対しても高い耐障害性を確保すること。

提案手法

• データパケットを複数の非交差経路にわたってランダム線形ネットワーク符号化することで、分散的修復を可能にするフレームワークを採用する。
• 受信した符号化パケットから導出された一次方程式系を解くことで動作する修復メカニズムを導入する。
• ノードは損失パケットを報告するフィードバックメカニズムを用い、隣接ノードが利用可能な符号化データを用いて局所的修復をトリガーする。
• 符号化方式は分散的かつ適応的であるように設計されており、シグナリングのオーバーヘッドを最小限に抑え、リアルタイムの回復を可能にする。
• 修復データ量と元のデータ量の比を評価する指標として「修復効率」を用い、低オーバーヘッドを最適化する。
• 中央制御装置が存在しない完全に分散型の動作を実現し、スケーラビリティとフォールトトレランスを確保する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ネットワーク符号化をどのように活用することで、自律的で分散型のリンク障害からの回復が可能になるか？
• RQ2 修復帯域幅を最小限に抑えつつ高い回復確率を確保する最適な符号化戦略は何か？
• RQ3 動的ネットワークトポロジーにおいて、複数の同時リンク障害が発生した場合、システムはどのように動作するか？
• RQ4 障害回復中のエンドツーエンド遅延およびリソース利用にネットワーク符号化が与える影響は何か？
• RQ5 大規模で分散型のネットワーク環境において、提案された方式のスケーラビリティはどの程度か？

主な発見

• シミュレーテッド動的トポロジーにおいても、複数の同時リンク障害下で95％を超える回復率を達成した。
• 符号化データの効率的利用のおかげで、従来の再送方式と比較して、修復オーバーヘッドが最大40％削減された。
• 100ノードのネットワークと10％の障害率において、エンドツーエンド遅延は低く保たれ、回復遅延は50 ms未満であった。
• 分散型の特性のおかげで、大規模な展開時でもシグナリングのオーバーヘッドが最小限に抑えられ、スケーラビリティが確保された。
• 高いパケット損失率や動的トポロジーの変化が発生するさまざまなネットワーク環境においても、本フレームワークは高い頑健性を示した。
• シミュレーション結果から、符号化方式は符号化なしの再送方式や基本的なエラー耐性符号化と比較して、信頼性および効率性の面で顕著に優れていることが確認された。