[논문 리뷰] A Simple Multipath OpenFlow Controller using topology-based algorithm for Multipath TCP

Chawanat Nakasan, Kohei Ichikawa외 2명|arXiv (Cornell University)|2015. 09. 28.

Network Traffic and Congestion Control인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 네트워크 토폴로지를 활용하여 Multipath TCP (MPTCP) 서브플로우를 여러 경로에 분산시켜 공유 링크를 최소화함으로써 혼잡을 방지하는 간단한 OpenFlow 컨트롤러인 smoc를 제안한다. 응용 프로그램이나 호스트를 수정하지 않고도 대역폭 활용도를 향상시켜 LAN 및 WAN SDN 테스트베드에서 기존 라우팅 방식보다 우수한 성능을 발휘한다.

ABSTRACT

Multipath TCP, or MPTCP, is a widely-researched mechanism that allows a single application-level connection to be split to more than one TCP stream, and consequently more than one network interface, as opposed to the traditional TCP/IP model. Being a transport layer protocol, MPTCP can easily interact between the application using it and the network supporting it. However, MPTCP does not have control of its own route. Default IP routing behavior generally takes all traffic through the shortest or best-metric path. However, this behavior may actually cause paths to collide with each other, creating contention for bandwidth in a number of edges. This can result in a bottleneck which limits the throughput of the network. Therefore, a multipath routing mechanism is necessary to ensure smooth operation of MPTCP. We created smoc, a Simple Multipath OpenFlow Controller, that uses only topology information of the network to avoid collision where possible. Evaluation of smoc in a virtual local-area and a physical wide-area SDNs showed favorable results as smoc provided better performance than simple or spanning-tree routing mechanisms.

연구 동기 및 목표

• 기본 IP 라우팅을 사용할 경우 MPTCP에서 발생하는 병목 현상과 대역폭 미사용 문제를 해결하기 위해.
• 네트워크 토폴로지를 활용하여 다중 경로 라우팅을 수행하는 경량이며 후행 호환성 있는 OpenFlow 컨트롤러를 설계하기 위해.
• 특히 대역폭 제약이 있는 WAN 환경에서, 다중 홈 및 다중 사이트 SDN 환경에서 MPTCP 성능을 향상시키기 위해.
• 가상 LAN 및 실제 WAN 테스트베드에서 컨트롤러의 효과성을 평가하기 위해.
• 단지 토폴로지 정보만을 사용하여도 스케일러블하고 효율적인 MPTCP 다중 경로 라우팅 전략을 탐색하기 위해.

제안 방법

• 컨트롤러는 공유 엣지와 홉 수를 최소화하는 방식으로 경로를 선택하는 토폴로지 기반 알고리즘을 사용한다.
• 실시간 모니터링이나 활성 프로빙이 필요 없이 정적 네트워크 토폴로지 정보만을 사용하여 MPTCP 서브플로우의 경로 집합을 계산한다.
• POX 및 OpenFlow와 통합되어 스위치에 흐름 규칙을 설치하여 서브플로우를 분배한다.
• 응용 프로그램이나 호스트 스택을 수정하지 않고도 후행 호환성을 유지하며, 오직 가상 머신 커널 설정 조정만으로 이루어진다.
• 경로 설치는 반응형으로 이루어지며 실험에서 2~3초의 지연이 관찰되었다.
• 대역폭 모니터링이나 활성 프로빙과 같은 복잡한 메커니즘을 피하고 단순성과 낮은 오버헤드에 중점을 두었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단지 토폴로지 정보만을 사용하는 접근 방식이 MPTCP 서브플로우를 여러 경로에 효과적으로 분산시켜 혼잡을 방지할 수 있는가?
• RQ2 SDN 환경에서 토폴로지 기반 컨트롤러의 성능이 기존 라우팅 방식(예: STP) 및 단순 라우팅과 비교해 어떻게 되는가?
• RQ3 경로 설치 지연이 짧은 수명의 MPTCP 플로우에 어떤 영향을 미치며, 이를 어떻게 완화할 수 있는가?
• RQ4 많은 스위치와 플로우를 포함한 대규모 네트워크에서 컨트롤러의 확장성은 어느 정도인가?
• RQ5 간단하고 반응형인 컨트롤러가 WAN 환경에서 높은 대역폭 활용도를 달성할 수 있는 정도는 어느 정도인가?

주요 결과

• smoc는 LAN 및 WAN 테스트베드 양쪽에서 POX S-T 및 단순 라우팅 방식을 모두 능가하여 더 높은 대역폭을 달성했다.
• PRAGMA-ENT WAN 테스트베드에서 smoc의 TCP 플로우는 약 160초 후에 약 160 Mbps에 도달했으며, 이는 높은 RTT로 인한 창 크기 증가가 느린 탓이었다.
• 경로 충돌과 대역폭 미사용을 방지함으로써 STP 및 단순 라우팅보다 더 나은 대역폭 활용도를 달성했다.
• 2~3초의 경로 설치 지연은 짧은 플로우와 확장성에 영향을 미쳤으며, 특히 고용량 환경에서 두드러졌다.
• 실시간 대역폭 데이터가 없음에도 불구하고 단지 토폴로지 정보만을 사용하는 것이 효과적이었으며, 이는 MPTCP에 대해 토폴로지 기반 라우팅이 실현 가능하다는 것을 시사한다.
• 경로 사전 설치 및 자주 사용되는 경로 집합의 캐싱은 지연을 줄이고 확장성을 향상시키는 데 유망한 전략으로 확인되었다.