[論文レビュー] SCOR: Software-defined Constrained Optimal Routing Platform for SDN

Siamak Layeghy, Farzaneh Pakzad+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 12, 2016

Software-Defined Networks and 5G被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、ソフトウェア定義ネットワーキング（SDN）における品質保証（QoS）ルーティングおよびトラフィックエンジニアリング（TE）アプリケーションの開発を簡素化する、制約プログラミングに基づくノースバンディングAPI「SCOR」を提案する。制約を用いてルーティング問題を記述的に表現することにより、SCORは大規模ネットワークに対しても秒単位で効率的かつスケーラブルで実用的な解決策を提供する。これは、従来の線形プログラミング手法と比較して最大1,000倍の高速化を実証している。

ABSTRACT

A Software-defined Constrained Optimal Routing (SCOR) platform is introduced as a Northbound interface in SDN architecture. It is based on constraint programming techniques and is implemented in MiniZinc modelling language. Using constraint programming techniques in this Northbound interface has created an efficient tool for implementing complex Quality of Service routing applications in a few lines of code. The code includes only the problem statement and the solution is found by a general solver program. A routing framework is introduced based on SDN's architecture model which uses SCOR as its Northbound interface and an upper layer of applications implemented in SCOR. Performance of a few implemented routing applications are evaluated in different network topologies, network sizes and various number of concurrent flows.

研究の動機と目的

• SDNノースバンディングAPIにおけるQoSルーティングおよびトラフィックエンジニアリングのための標準化された高水準な抽象化の欠如に対処すること。
• 問題の定義とアルゴリズム実装を分離することで、QoSおよびTEアプリケーションの実装の複雑さを低減すること。
• コントローラーに依存しない再利用可能で合成可能なビルディングブロックを、SDNにおける多様なルーティング目的に提供すること。
• 制約プログラミングが実世界のネットワークトポロジーにおける複雑なTE問題にスケーラビリティと実用性を発揮できるかを評価すること。
• 記述的CPベースのモデリングが、線形プログラミングなどの手続き的アプローチに比べて性能と開発効率の面で優れていることを実証すること。

提案手法

• SCORプラットフォームは、MiniZincモデリング言語を介して制約プログラミング（CP）を用い、ステップバイステップのアルゴリズムではなく制約を通じてルーティング問題を記述的に指定する。
• QoSおよびTEアプリケーションのための抽象化レイヤーとして、8つの高水準な述語を新たに導入し、モジュラーかつ合成可能なアプリケーション開発を可能にする。
• SDNルーティングアーキテクチャにSCORをノースバンディングインターフェースとして統合し、中央集権的なネットワーク状態データベースを維持するネットワークオペレーティングシステム（NOS）レイヤーを備える。
• NOSはネットワークトポロジー、リンク容量、トラフィック要件、フロー要件を収集・維持し、これらをSCORアプリケーションに公開する。
• CPソルバに内在する知的な探索技術を活用することで、大規模ネットワークにおける膨大な解空間の効率的探索を最適化し、解決時間を短縮する。
• 性能とスケーラビリティを評価するために、多様なネットワークトポロジーとフロー同時実行レベルを用いてアプリケーションを評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 制約プログラミングは、最小限のアプリケーションコードで、SDNにおける複雑なQoSルーティングおよびトラフィックエンジニアリング問題を効果的にモデル化・解決できるか？
• RQ2 CPベースのルーティングの性能は、従来の線形プログラミング手法と比較して、解決時間とスケーラビリティの面でどの程度優れているか？
• RQ3 SCORは、大規模ネットワークトポロジーと複数の同時フローを処理しながらも、実用的な解決時間を維持できるか、その程度はいかほどか？
• RQ4 SCORの記述的性質は、異なるQoS目的にわたるルーティング論理の迅速な開発と再利用を可能にするか？
• RQ5 解決時間の制限が解の品質に与える影響は何か？また、リアルタイムネットワーク制御に適した近似的最適解を迅速に達成できるか？

主な発見

• 99ノードのネットワークでは、SCORは1つのフローのルーティング解決を622 msで実行し、実世界のネットワークサイズにおいて実用的な性能を示している。
• 375ノードのネットワークでは、10個の同時フローの解決時間が9,750 msにのぼるが、これは1つのフローの解決時間の13倍増加であるものの、依然として実用的である。これは、強力なスケーラビリティを示している。
• SCORは、同様の問題に対して線形プログラミング手法と比較して最大1,000倍の高速化を達成しており、100ノードのネットワークでは同様の問題を数時間も要していた。
• 完全な解決時間の10％の期間でも、SCORが得た解は最適解に非常に近く、時間的に制限のある状況でも高速かつ近似的最適な意思決定が可能である。
• 最小限のコードで最大残余容量ルーティングなどの複雑なTE目的を実現でき、CPベースのアプローチの表現力と効率性を実証している。
• 時間制限付きのCPソルバの使用により、解の品質と速度のトレードオフを実現でき、SCORは動的でリアルタイムなネットワーク環境に適している。