[論文レビュー] Rama: Controller Fault Tolerance in Software-Defined Networking Made Practical

André Mantas, Fernando M. V. Ramos|arXiv (Cornell University)|Feb 5, 2019

Software-Defined Networks and 5G参考文献 1被引用数 8

ひとこと要約

Ramaは、OpenFlowやスイッチを変更せずに、コントローラーとスイッチ間でトランザクション処理、正確に一度だけ実行されるイベントおよびコマンド処理を保証する、耐故障性のあるSDNコントローラープラットフォームを提案する。これにより、本番環境でのSDN展開において強い一貫性と正しさを達成する。既存のOpenFlowメカニズムを活用することで、わずかなパフォーマンスオーバーヘッドで耐故障性を実現し、即時導入が可能である。

ABSTRACT

In Software-Defined Networking (SDN), network applications use the logically centralized network view provided by the controller to remotely orchestrate the network switches. To avoid the controller being a single point of failure, traditional fault-tolerance techniques are employed to guarantee availability, a fundamental requirement in production environments. Unfortunately, these techniques fall short of ensuring correct network behaviour under controller failures. The problem of these techniques is that they deal with only part of the problem: guaranteeing that application and controller state remains consistent between replicas. However, in an SDN the switches maintain hard state that must also be handled consistently. Fault-tolerant SDN must therefore include switch state into the problem. A recently proposed fault-tolerant controller platform, Ravana, solves this problem by extending fault-tolerant SDN control with mechanisms that guarantee control messages to be processed transactionally and exactly once, at both the controllers and the switches. These guarantees are given even in the face of controller and switch crashes. The elegance of this solution comes at a cost. Ravana requires switches to be modified and OpenFlow to be extended with hitherto unforeseen additions to the protocol. In face of this challenge we propose Rama, a fault-tolerant SDN controller platform that offers the same strong guarantees as Ravana without requiring modifications to switches or to the OpenFlow protocol. Experiments with our prototype implementation show the additional overhead to be modest, making Rama the first fault-tolerant SDN solution that can be immediately deployable.

研究の動機と目的

• コントローラー障害時にスイッチ状態の一貫性を保証できない、従来の耐故障性SDNソリューションの重大なギャップを解消すること。
• 実世界での導入を妨げるプロトコルおよびハードウェア拡張を必要とする、Ravanaのような既存の耐故障性SDNプラットフォームの制限を克服すること。
• 論理的に集中化されたコントローラーと観察的に区別できない動作を維持することで、障害発生時にも正しいネットワーク動作を保証すること。
• OpenFlowやスイッチファームウェアの変更なしに、耐故障性SDNの即時導入を可能にすること。
• 外部プロトコル拡張なしに、コントローラーレプリカおよびスイッチ間でイベント順序、イベント処理、コマンド実行の強い一貫性を達成すること。

提案手法

• イベントおよびコマンドのトランザクション処理を調整するために、既存のOpenFlowメカニズム（例：フローテーブルの更新、パケットインメッセージ）を活用すること。
• すべてのイベント処理サイクルのコンponentが完全に実行されるか、完全に中止されるように保証するため、コントローラー層で二段階コミットに類似したプロトコルを実装すること。
• PaxosやRaftによる完全順序コンセンサスを用いたコントローラーのレプリケーションにより、レプリカ間での一貫性のある状態を保証すること。
• スイッチ層でフローテーブルエントリとメタデータ（例：バージョンタグ）を用いて、重複したルールのインストールを防ぐコマンド重複除去メカニズムを導入すること。
• パケットインおよびパケットアウトの既存のOpenFlowの意味論を活用して、同値性のあるコマンド実行を実装し、コマンドが正確に一度だけ処理されることを保証すること。
• コントローラーおよびスイッチの両方の状態が、障害発生時にもアトミックかつ一貫して更新される状態機械モデルを設計し、メモリ内ログと再実行メカニズムを用いること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 OpenFlowプロトコルやスイッチファームウェアの変更なしに、SDNにおける耐故障性を達成できるか？
• RQ2 コントローラー障害時にスイッチ状態をどのように一貫して管理すれば、コマンドの損失や重複を防げるか？
• RQ3 既存のOpenFlowメカニズムに依存する耐故障性SDNコントローラーのパフォーマンスオーバーヘッドはどの程度か？
• RQ4 標準的なOpenFlow機能のみを用いて、論理的に集中化されたコントローラーと観察的に区別できない状態を実現できるか？
• RQ5 プロトコル拡張なしに、分散されたコントローラーおよびスイッチ間で、イベントからコマンドまでの全サイクルのトランザクション処理をどのように強制できるか？

主な発見

• Ramaは、Ravanaと同等の正しさの保証（完全なイベント順序、正確に一度だけのイベント処理、正確に一度だけのコマンド実行）を、OpenFlowやスイッチの変更なしに達成している。
• プロトタイプ実装では、非耐故障性コントローラーと比較してわずかなパフォーマンスオーバーヘッドにとどまっているため、実世界での展開に実用的である。
• コントローラーレプリカおよびスイッチ間で強い一貫性を維持しており、コントローラー障害時にルールの重複や損失などのネットワーク異常を防止している。
• フローテーブルの更新やパケットインメッセージといった既存のOpenFlow機能を活用することで、既存のSDNインfra構造と後方互換性を持つ。
• ネットワークアプリケーションに対して完全に透過的であり、変更なしのアプリケーションが耐故障性環境でも信頼性を持って実行可能である。
• Ramaのオープンソースリリース（https://github.com/fvramos/rama で利用可能）により、生産用途向け耐故障性SDN分野における広範な採用とさらなる研究が促進される。