[論文レビュー] Software-Defined Networking: A Comprehensive Survey

Diego Kreutz, Fernando M. V. Ramos+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 2, 2014

Software-Defined Networks and 5G参考文献 273被引用数 54

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）の包括的サーベイを提示し、階層的で下位から上位へのアプローチを通じて、その基盤的コンセプト、アーキテクチャ、およびコンponentsを分析している。SDNは、OpenFlowなどのプログラマブルインターフェースを通じて制御プレーンとデータプレーンを分離することで、パラダイムシフトをもたらし、集中型でポリシー駆動のネットワーク管理を可能にするとともに、ハードウェア、コントローラ、API、アプリケーションにおける抽象化、仮想化、プログラマビリティを通じてネットワーキング分野のイノベーションを加速する。

ABSTRACT

Software-Defined Networking (SDN) is an emerging paradigm that promises to change this state of affairs, by breaking vertical integration, separating the network's control logic from the underlying routers and switches, promoting (logical) centralization of network control, and introducing the ability to program the network. The separation of concerns introduced between the definition of network policies, their implementation in switching hardware, and the forwarding of traffic, is key to the desired flexibility: by breaking the network control problem into tractable pieces, SDN makes it easier to create and introduce new abstractions in networking, simplifying network management and facilitating network evolution. In this paper we present a comprehensive survey on SDN. We start by introducing the motivation for SDN, explain its main concepts and how it differs from traditional networking, its roots, and the standardization activities regarding this novel paradigm. Next, we present the key building blocks of an SDN infrastructure using a bottom-up, layered approach. We provide an in-depth analysis of the hardware infrastructure, southbound and northbound APIs, network virtualization layers, network operating systems (SDN controllers), network programming languages, and network applications. We also look at cross-layer problems such as debugging and troubleshooting. In an effort to anticipate the future evolution of this new paradigm, we discuss the main ongoing research efforts and challenges of SDN. In particular, we address the design of switches and control platforms -- with a focus on aspects such as resiliency, scalability, performance, security and dependability -- as well as new opportunities for carrier transport networks and cloud providers. Last but not least, we analyze the position of SDN as a key enabler of a software-defined environment.

研究の動機と目的

• SDNのコアコンponentsおよびアーキテクチャ的原則について、体系的かつ包括的な概要を提供すること。
• 垂直統合、ベンダー・ロックイン、ポリシーの強制および再構成の難しさといった、従来のIPネットワークにおける課題を分析すること。
• 学術的根拠から産業的採用へと至るSDNの進化を、標準化および実際の導入に焦点を当てて検討すること。
• スケーラビリティ、セキュリティ、パフォーマンス、およびキャリアネットワークおよびクラウドネットワークとの統合に関する、SDNにおける主な研究方向と未解決課題を特定すること。
• SDNをソフトウェア定義環境の基盤的エナブラーおよび将来のネットワーキング分野のイノベーションの基盤として位置づけること。

提案手法

• SDNを8つのコアコンponentsに分解する下位から上位への階層的アーキテクチャを採用：ハードウェアインフラ、サウスバウンドおよびノースバウンドAPI、ネットワーク仮想化、ネットワークオペレーティングシステム（コントローラ）、プログラミング言語、仮想化技術、およびネットワークアプリケーション。
• 制御プレーンの抽象化とデバイスのプログラマビリティを可能にする、画期的なサウスバウンドインターフェースとしてのOpenFlowの役割を分析する。
• 既存のSDNコントローラ（例：OpenDaylight、ONOS）をサーベイし、ネットワーク状態とポリシー強制の管理能力を評価する。
• ネットワーク行動およびポリシーの高水準な指定を可能にする、ネットワークプログラミング言語と抽象化の評価。
• ネットワークスライシングとマルチテナンシーを可能にする、ネットワーク仮想化およびハイパーバイザー層の検討。
• SDN導入におけるデバッグ、トラブルシューティング、エンドツーエンドのネットワーク可視性といったクロスレイヤーの課題の議論。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SDNは、制御プレーンとデータプレーンの分離およびネットワーク管理の観点から、従来のIPネットワーキングとどのように根本的に異なるか？
• RQ2 SDNインfraストラクチャの主要なアーキテクチャ的コンponentsは何か、またそれらはネットワークスタック全体でどのように相互作用するか？
• RQ3 特にキャリアグレードおよびクラウド環境において、スケーリング、セキュリティ、信頼性を確保する上で、SDN導入における主な課題は何か？
• RQ4 サウスバウンドおよびノースバウンドAPIは、SDNにおけるプログラマビリティと抽象化をどのように実現するか、またその設計におけるトレードオフは何か？
• RQ5 移行、ネットワーク・アズ・ア・サービス、ソフトウェア定義環境といった分野における、新たな研究方向と未解決の問題は何か？

主な発見

• SDNは制御プレーンとデータプレーンを分離することで、スケーラビリティと信頼性を確保しつつ、論理的な集中型のネットワーク制御を可能にする。
• OpenFlowなどの標準化されたサウスバウンドインターフェースの使用により、ベンダーに依存しない制御が可能になり、ベンダー・ロックインが軽減され、プログラマビリティとイノベーションが促進される。
• SDNコントローラはネットワークオペレーティングシステムとして機能し、ネットワーク全体のグローバルなビューを提供し、ポリシー強制と構成の一貫性の簡素化を実現する。
• ネットワーク仮想化とハイパーバイザー層により、ネットワークスライシングとマルチテナンシーが可能になり、クラウドおよびサービスプロバイダーのユースケースを支援する。
• SDNはネットワーキング分野におけるイノベーションサイクルを加速させ、新しいプロトコルやネットワーク機能の導入までの時間を数年から数か月に短縮する。
• 進展は見られるが、スケーラビリティ、パフォーマンス、セキュリティ、相互運用性の面で課題が残っており、特にキャリアトランスポートネットワークおよび大規模な導入において顕著である。