[論文レビュー] Survivable Probability of SDN-enabled Cloud Networking with Random Physical Link Failure

Zhili Zhou, Tachun Lin|arXiv (Cornell University)|Sep 10, 2017

Software-Defined Networks and 5G参考文献 20被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、ランダムな物理リンク障害下におけるSDN対応クロスレイヤークラウドネットワークの信頼性を評価する新しい指標として、生存確率を導入する。すべてのカットセットを列挙せずに生存確率を正確に計算できるベース保護スパニングツリー集合を提案し、最小限の共有リンクで最適なレジilienceを達成し、単一のスパニングツリーからの下界推定を上回る。

ABSTRACT

Software-driven cloud networking is a new paradigm in orchestrating physical resources (CPU, network bandwidth, energy, storage) allocated to network functions, services, and applications, which is commonly modeled as a cross-layer network. This model carries a physical network representing the physical infrastructure, a logical network showing demands, and logical-to-physical node/link mappings. In such networks, a single failure in the physical network may trigger cascading failures in the logical network and disable network services and connectivity. In this paper, we propose an evaluation metric, survivable probability, to evaluate the reliability of such networks under random physical link failure(s). We propose the concept of base protecting spanning tree and prove the necessary and sufficient conditions for its existence and relation to survivability. We then develop mathematical programming formulations for reliable cross-layer network routing design with the maximal reliable probability. Computation results demonstrate the viability of our approach.

研究の動機と目的

• ランダムな物理リンク障害下におけるSDN対応クロスレイヤークラウドネットワークの正確でスケーラブルな信頼性指標の欠如に対処すること。
• 大規模ネットワークでは計算が非現実的であるため、すべてのクロスレイヤーカットセットを列挙せずに生存確率を計算する手法を開発すること。
• 最小限の物理リソース共有を用いて生存確率を最大化するレジリientルーティングフレームワークを設計すること。
• 従来の生存可能なマッピングが存在しない状況においても、実用的で正確な生存ネットワーク設計ソリューションを提供すること。

提案手法

• 生存確率を、任意の単一の物理リンク障害後にも論理ネットワークが接続されたまま保たれる確率として正確に定義する。
• ベース保護スパニングツリー集合を、物理リンク障害下でも論理ネットワークの接続性を保証する最小限の保護スパニングツリーの集合として定義する。
• 生存確率を最大化することを目的として、ベース保護スパニングツリー集合を計算するための数学的プログラミング定式化を開発する。
• 均一な障害確率下での生存確率の最大化が、保護スパニングツリー集合内の共有物理リンク数の最小化と同等であることを証明する。
• 非線形の生存確率最大化問題を線形整数計画問題に変換するために、障害確率の対数変換を用いる。
• IBM ILOG CPLEXを用いて、450秒以内の時間制限内で定式化を解き、計算の実行可能性を示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのようにして、障害多項式による近似を避けても、ランダムな物理リンク障害下におけるクロスレイヤークラウドネットワークの生存確率を正確に計算できるか？
• RQ2 与えられたクロスレイヤーネットワークにおいて、ベース保護スパニングツリー集合が存在するための必要十分条件は何か？
• RQ3 すべてのクロスレイヤーカットセットを列挙せずに生存確率を最大化できるか？もしそうなら、その方法は何か？
• RQ4 提案手法のベース保護スパニングツリー集合は、単一の最大保護スパニングツリーと比較して、生存確率推定の正確性においてどのように異なるか？
• RQ5 ベース保護スパニングツリー集合は、生存不能なクロスレイヤーネットワークにおいて、どの程度のレジリエンス向上を実現できるか？

主な発見

• LN1-over-NSFのような生存可能なクロスレイヤーネットワークでは、均一かつランダムな物理リンク障害確率下で、ベース保護スパニングツリー集合が100％の生存確率を達成する。
• LN2-over-NSFのような生存不能なネットワークでは、物理リンク障害確率が低下するにつれて生存確率が単調に増加し、1ケースあたり1分以内に結果が得られた。
• 最大保護スパニングツリーは生存確率の下界推定値を提供するが、障害確率が15％未満の場合、すべてのテストケースで真の生存確率の50％以上を下回らない。
• 本手法は、すべてのクロスレイヤーカットセットを列挙する必要がなく、最大でも|EP|個の保護スパニングツリーで十分であるため、計算複雑度を顕著に低減する。
• ベース保護スパニングツリー集合は、冗長な物理リソースを導入せずにSDIにおける補助保護スキームを可能にし、クラウドサービスのレジリエンスを向上させる。