[論文レビュー] Recovery from Link Failures in Networks with Arbitrary Topology via Diversity Coding

Serhat Nazim Avci, Xiaoyan Hu+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 2, 2011

Advanced Optical Network Technologies参考文献 7被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、メッセージフィードバックや再ルーティングを必要とせず、任意のネットワークトポロジーにおいて単一リンク障害からのヒットess（中断なし）かつ低遅延回復を実現するためのダイバーシティコーディングを提案する。任意のトポロジーを効率的なダイバーシティコーディンググループにマッピングすることにより、最小限の余剰容量で50ms未塔の回復時間を達成（最良で0.9ms）し、ソース再ルーティングやp-cyclesに比べて回復速度および回復品質（QoR）指標において顕著に優れている。

ABSTRACT

Link failures in wide area networks are common. To recover from such failures, a number of methods such as SONET rings, protection cycles, and source rerouting have been investigated. Two important considerations in such approaches are the recovery time and the needed spare capacity to complete the recovery. Usually, these techniques attempt to achieve a recovery time less than 50 ms. In this paper we introduce an approach that provides link failure recovery in a hitless manner, or without any appreciable delay. This is achieved by means of a method called diversity coding. We present an algorithm for the design of an overlay network to achieve recovery from single link failures in arbitrary networks via diversity coding. This algorithm is designed to minimize spare capacity for recovery. We compare the recovery time and spare capacity performance of this algorithm against conventional techniques in terms of recovery time, spare capacity, and a joint metric called Quality of Recovery (QoR). QoR incorporates both the spare capacity percentages and worst case recovery times. Based on these results, we conclude that the proposed technique provides much shorter recovery times while achieving similar extra capacity, or better QoR performance overall.

研究の動機と目的

• 広域ネットワークにおける任意のトポロジーを想定した、高速で効率的かつスケーラブルなリンク障害回復のための課題に対処すること。
• 音声およびリアルタイムアプリケーションに不可欠な50msの閾値を下回る回復時間を達成しつつ、余剰容量の要件を最小限に抑えること。
• メッセージフィードバックや動的再ルーティングを回避し、ヒットレス回復を可能にする手法を開発すること。
• 統一された回復品質（QoR）指標を用いて、ダイバーシティコーディングを従来の手法（ソース再ルーティングやp-cycles）と比較すること。
• ダイバーシティコーディングが、さまざまなネットワークトポロジーにおいて回復時間および余剰容量効率の両面で優れたパフォーマンスを発揮することを実証すること。

提案手法

• 任意のネットワークトポロジーを基本的なダイバーシティコーディングトポロジーのグループにマッピングすることで、効率的な障害回復を可能にする。
• 任意の単一リンク障害から完全に回復可能であることを保証しながら、余剰容量を最小限に抑える設計アルゴリズムを採用する。
• 信号伝送や動的再ルーティングを不要とするために、送信元ノードでの事前コーディングによって回復を実現する。
• データを複数経路に分散して符号化するエラーチェック符号化の原則を用い、受信側でのローカルデコードにより高速な回復を実現する。
• 回復時間は RT_dc = F + 2·D + PD でモデル化され、Fは伝送遅延、Dはデコード遅延、PDは経路遅延差を表す。
• 余剰容量割合（SCP）と最悪ケース回復時間（RT）を統合した回復品質（QoR）指標を導入し、性能を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ダイバーシティコーディングは、メッセージフィードバックや再ルーティングを一切不要とせずに、任意のネットワークトポロジーにおける単一リンク障害からのヒットレス回復を達成できるか？
• RQ2 さまざまなネットワークトポロジーにおいて、ダイバーシティコーディングの余剰容量要件は、ソース再ルーティングやp-cyclesと比べてどのように異なるか？
• RQ3 ダイバーシティコーディングの回復時間パフォーマンスは、従来の手法と比較してどの程度優れているか。特に、リアルタイムアプリケーションに不可欠な50msの閾値との関係において。
• RQ4 さまざまなネットワークシナリオにおいて、回復品質（QoR）指標は、ダイバーシティコーディングをソース再ルーティングやp-cyclesと比較してどのように順位付けされるか？
• RQ5 再ルーティングベースの手法とは異なり、ネットワークサイズやトラフィック分布にかかわらず、ダイバーシティコーディングは低遅延回復を維持できるか？

主な発見

• 米国長距離ネットワークでは、ダイバーシティコーディングが9.5ms（0.5–10msのC値）の回復時間を達成した。これに対してソース再ルーティングは79.7–155.7ms、p-cyclesは59.6–78.6msであり、いずれも50msの閾値を下回った。
• 合成ネットワークでは、ダイバーシティコーディングの回復時間がわずか0.9msであった。これに対してソース再ルーティングは5.7–53.2ms、p-cyclesは2.8–21.8msであり、約10倍の高速化が達成された。
• 合成ネットワークにおいて、ダイバーシティコーディングは81%という最小の余剰容量割合を達成し、ソース再ルーティング（100%）およびp-cycles（85%）を上回った。
• 3つのテストネットワークすべてにおいて、Cの値に関係なく、ダイバーシティコーディングが最も高いQoRスコアを達成した。これは、再ルーティング遅延がないため、Cに依存しない。
• 受信先が1つで遅延補償が適用される場合、ダイバーシティコーディングの回復時間は約300μsまで短縮され、真のヒットレス回復に近づく。
• 提案手法は、回復速度および余剰容量効率の両面で、ソース再ルーティングおよびp-cyclesを一貫して上回り、QoRの結果はすべてのテストシナリオでダイバーシティコーディングに有利に傾いた。