[論文レビュー] Reinventing NetFlow for OpenFlow Software-Defined Networks

José Suárez‐Varela, Pere Barlet‐Ros|arXiv (Cornell University)|Feb 22, 2017

Software-Defined Networks and 5G参考文献 8被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、スイッチテーブルのオーバーヘッドとコントローラ負荷を低減するためにフローフレーミングを用いることで、NetFlow/IPFIXをエミュレートするスケーラブルでOpenFlow互換性のあるフローモニタリングソリューションを提案する。IPサフィックス、ポートペア、ハッシュベースのバケット化の3つのサンプリング手法を実装し、実世界のトレースにおいて低レベルの重複トラフィック（3.1％未満のバイト数）と高い正確性を示し、OpenFlowスイッチを変更せずに効率的なSDNモニタリングを可能にする。

ABSTRACT

Obtaining flow-level measurements, similar to those provided by Netflow/IPFIX, with OpenFlow is challenging as it requires the installation of an entry per flow in the flow tables. This approach does not scale well with the number of concurrent flows in the traffic as the number of entries in the flow tables is limited and small. Flow monitoring rules may also interfere with forwarding or other rules already present in the switches, which are often defined at different granularities than the flow level. In this paper, we present a transparent and scalable flow-based monitoring solution that is fully compatible with current off-the-shelf OpenFlow switches. As in NetFlow/IPFIX, we aggregate packets into flows directly in the switches and asynchronously send traffic reports to an external collector. In order to reduce the overhead, we implement three different traffic sampling methods depending on the OpenFlow features available in the switch. We developed our complete flow monitoring solution within OpenDaylight and evaluated its accuracy in a testbed with Open vSwitch. Our experimental results using real-world traffic traces show that the proposed sampling methods are accurate and can effectively reduce the resource requirements of flow measurements in OpenFlow.

研究の動機と目的

• TCAMエントリの制限と処理能力の制限により、OpenFlowスイッチにおけるフロー単位のモニタリングのスケーラビリティの限界を解消すること。
• OpenFlow仕様を変更せずに、SDN環境でNetFlow/IPFIXに類似したトラフィック測定を可能にすること。
• 適応的フローフレーミング技術を用いて、コントローラ負荷と重複トラフィックを低減すること。
• 実世界のトラフィックワークロード下でのサンプリング手法の正確性と効率性を評価すること。
• 市販のOpenFlowスイッチと互換性があり、透過的かつ導入可能なモニタリングソリューションを提供すること。

提案手法

• ソリューションは、OpenFlowスイッチ内で直接パケットをフローに集約し、中央集積収集者に非同期的にトラフィックレポートを送信することで、NetFlow/IPFIXをエミュレートする。
• 3つのサンプリング手法を実装：(1) IPサフィックスベースのサンプリング、(2) ソース/ディスティネーションポートペアベースのサンプリング、(3) 可変重みを有するハッシュベースのバケット化。
• スイッチ負荷に基づいてサンプリングレートを適応的に調整し、フローエントリ数を制御する。動的レート制御には式(1)、(2)、(3)を用いる。
• タイムアウトを用いてフローレコードの有効期限切れとレポートをトリガーし、各サンプリングフローにパケット数、バイト数、継続時間の統計を保存する。
• OpenDaylightに実装され、MAWIおよびCAIDAの実際のトラフィックトレースを用いて評価され、耐性テストのための合成的ランダム化が施されている。
• フローエントリのインストール遅延（1～100 ms）をシミュレートすることで、重複パケットおよびバイトのオーバーヘッドを測定し、最小限の影響を示している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 TCAMと処理能力に制限のあるOpenFlowスイッチにおいて、どのようにしてフロー単位のモニタリングをスケーラブルに実現できるか？
• RQ2 SDN環境において、コントローラ負荷を低減しつつ測定正確性を維持するための最適なサンプリング戦略は何か？
• RQ3 フローフレーミングは、パケット単位のモニタリングと比較して、重複トラフィックとリソース消費量においてどのように異なるか？
• RQ4 OpenFlow仕様を変更せずに、サンプリング手法を実装し、市販スイッチと互換性を保てるか？
• RQ5 フローエントリのインストール遅延が、コントローラでの重複パケットレポートに与える影響は何か？

主な発見

• インストール遅延が20 ms未満の場合、1フローあたりの平均重複パケット数は0.2未満であり、100 ms遅延ではTCPトラフィックで約1.2に上昇する。
• TCPトラフィックにおいて、コントローラに送信される重複バイトの割合は、20 ms未満の遅延では0.8％未満、100 ms遅延では3.1％にまで上昇するが、依然として低オーバーヘッドである。
• UDPトラフィックは、1パケットフロー（例：DNS）が多いため、TCPと比較して著しく低い重複パケットおよびバイトオーバーヘッドを示す。
• IPサフィックスベースおよびポートペアベースのサンプリング手法は、全テストサンプリングレート（1/64～1/1024）において、重み付き平均相対差分（WMRD）が10％未満という高い正確性を達成する。
• ハッシュベースのサンプリング手法は、バケット重みの再設定により動的負荷適応が可能であり、有効なフローエントリ数の制御が可能になる。
• 提案手法は、スイッチテーブルの負荷とコントローラ負荷を低減しながらも、測定の正確性を維持しており、実世界のSDN展開に適している。