[論文レビュー] ZeroSDN: A Message Bus for Flexible and Light-weight Network Control Distribution in SDN

Frank Dürr, Thomas Kohler+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 14, 2016

Software-Defined Networks and 5G参考文献 16被引用数 4

ひとこと要約

ZeroSDN は、マイクロカーネルベースでメッセージバス駆動の SDN コントローラー・アーキテクチャを提案し、制御論理を軽量で配布可能な制御コンポーネント（controllets）に分解する。コンテンツベースのパブリッシュ/サブスクリプション通信を活用することで、制御論理の柔軟で低コストな配布が可能となり、スイッチ上での直接実行を含む完全な分散化を実現する。外部コントローラーを必要としない。

ABSTRACT

Recent years have seen an evolution of SDN control plane architectures, starting from simple monolithic controllers, over modular monolithic controllers, to distributed controllers. We observe, however, that today's distributed controllers still exhibit inflexibility with respect to the distribution of control logic. Therefore, we propose a novel architecture of a distributed SDN controller in this paper, providing maximum flexibility with respect to distribution. Our architecture splits control logic into light-weight control modules, called controllets, based on a micro-kernel approach, reducing common controllet functionality to a bare minimum and factoring out all higher-level functionality. Light-weight controllets also allow for pushing control logic onto switches to minimize latency and communication overhead. Controllets are interconnected through a message bus supporting the publish/subscribe communication paradigm with specific extensions for content-based OpenFlow message filtering. Publish/subscribe allows for complete decoupling of controllets to further facilitate control plane distribution.

研究の動機と目的

• 既存の分散型 SDN コントローラーにおけるスイッチおよびコントローラー間での制御論理配布の不柔軟性を解消すること。
• モノリシックおよびモジュラリティに制限のあるコントローラーの限界を克服し、制御機能の細粒度で動的な配布を可能にすること。
• 制御コンポーネントをスイッチおよび互いに分離することで、集中型および完全分散型の両方の制御配置をサポートすること。
• 制御論理のオーバーヘッドを最小限に抑え、制御コンポーネントをスイッチ上で直接実行できるようにし、遅延と通信コストを削減すること。
• 柔軟で拡張可能なアーキテクチャを提供し、スケーラブルな制御プレーン運用を可能にするためのローカルキャッシュと一貫性のあるグローバル状態へのアクセスを両立させること。

提案手法

• マイクロカーネル設計を用いて、ネットワーク制御論理を最小限で軽量な制御モジュール（controllets）に分解する。
• トピック階層マッピングをサポートするコンテンツベースのパブリッシュ/サブスクリプション通信を実現するメッセージバスで制御コンポーネントを接続する。
• メッセージバス上でコンテンツベースのフィルタリングを実装し、特定の OpenFlow メッセージタイプおよび属性への細粒度のサブスクリプションを可能にする。
• メッセージ渡しによる制御コンポーネントとスイッチ、および制御コンポーネント同士の分離を実現し、物理ノード間での動的かつ柔軟なデプロイメントを可能にする。
• Whitebox スイッチ上での制御コンポーネント実行をサポートすることで、外部コントローラーを必要としない完全な分散制御を実現する。
• 低遅延アクセスのためのローカルキャッシュと、グローバル状態管理のための集中型で一貫性のあるストレージとの統合を両方提供する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 制御プレーンの配布を、完全集中型から完全分散型まで最大限に柔軟に実現するにはどうすればよいか？
• RQ2 軽量でモジュラーな制御論理を効率的に配布・実行できるような、どのようなアーキテクチャ的原則が必要か？
• RQ3 コンテンツベースのフィルタリングを備えたパブリッシュ/サブスクリプション通信は、分散制御コンponent間のスケーラブルで分離された通信をどのように支援するか？
• RQ4 一貫性や調整を損なわず、制御論理をスイッチにどれほどオフロードできるか？
• RQ5 分散制御プレーンにおいて、ローカルキャッシュと一貫性のあるグローバル状態の統合を円滑に実現するにはどのようなメカニズムが必要か？

主な発見

• ZeroSDN は、制御論理を最小限の controllets に分解することで、スイッチやコントローラーにデプロイ可能であり、完全な論理配布を実現する。
• コンテンツベースのフィルタリングを備えたメッセージバスにより、細粒度で効率的なイベント伝達が可能になり、不要なメッセージ通信を削減する。
• controllets は極めて軽量であり、スイッチ上での直接実行が可能で、外部コントローラーへの依存を排除する。
• 制御コンポーネントをスイッチおよび互いに分離することで、動的で柔軟かつ障害に強い制御プレーンのデプロイメントが可能になる。
• アーキテクチャは、パフォーマンス向上のためのローカルキャッシュと、一貫性のあるグローバル状態へのアクセスを両方サポートしており、スケーラブルで堅牢な制御プレーン運用を可能にする。
• スイッチを特定のコントローラーインスタンスから分離することで、複雑なスイッチ移行プロトコルの必要性が排除される。