[논문 리뷰] Adaptive Control Plane Load Balancing in vSDN Enabled 5G Network

Deborsi Basu, Uttam Ghosh외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 07. 19.

Software-Defined Networks and 5G참고 문헌 12인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 가상화된 소프트웨어 정의 네트워킹(vSDN) 기반 5G 네트워크에서 제어 평면 로드 밸런싱 메커니즘을 제안한다. 제어기-하이퍼바이저(C-H) 쌍 배포 모델을 사용하여 혼합정수선형계획법(MILP) 모델과 역경로-유량 메커니즘(RPFM)을 활용함으로써, 서비스 요청 도착 시간에 기반한 자원 분배 최적화와 함께 제어 평면 지연을 최소화한다. 이로 인해 지연 감소가 두드러지게 이루어지고 실시간 5G 서비스를 위한 발전형 초저지연(e-ULL) 환경을 실현한다.

ABSTRACT

In this work, we have formulated a controllerhypervisor (C-H) pair deployment approach to provide various network functions (such as differentiation between control and data signals, different translation functions etc.) with low latency. The system model deals with a real network topology and four well defined network latency matrices with an MILP model has been well constructed to optimize latency objectives. Reverse Path-Flow Mechanism (RPFM) has been proposed in order to provide feasible solutions by keeping the network load and link capacity constrained under tolerance limit. We further minimize the H-plane load by distributing the network resources based on the arrival time of SERVICE IN requests from users. Through extensive experiment, the efficacy of the proposed system has been demonstrated in terms of significant latency reduction and an e-ULL (evolved-Ultra Low Latency) experience with efficient handling of all real-time user demands. The proposed approach can be used for similar localization problems like service chain mapping in 5G-NR, baseband unit deployment in 5G C-RAN, firewall deployment in distributed CPS.

연구 동기 및 목표

• 가상화된 소프트웨어 정의 네트워킹(vSDN) 아키텍처를 채택한 5G 네트워크에서 높은 제어 평면 지연 문제를 해결하기 위해.
• 저지연 배포를 통해 제어 평면과 데이터 평면 기능을 분리함으로써 네트워크 자원 할당을 최적화하기 위해.
• 서비스 요청 도착 시간에 기반한 자원의 동적 분포를 통해 H-평면 부하를 최소화하기 위해.
• 내성 허용 한계 내에서 네트워크 부하 및 링크 용량 제약 조건을 유지하기 위해.
• 5G-NR 및 관련 분산 네트워크 기능에서 실시간 사용자 수요를 효율적으로 처리하기 위해.

제안 방법

• 사용자 근처에 제어 기능을 국지화하고 신호 지연을 줄이기 위해 제어기-하이퍼바이저(C-H) 쌍 배포 모델을 수립하기 위해.
• 실제 네트워크 토폴로지와 네 가지 정의된 지연 행렬을 사용하여 지연 목표를 최적화하기 위해 혼합정수선형계획법(MILP) 모델을 구성하기 위해.
• 링크 용량 및 네트워크 부하 제약 조건을 준수하면서도 실현 가능한 해를 생성하기 위해 역경로-유량 메커니즘(RPFM)을 도입하기 위해.
• 서비스 요청 도착 시간에 기반하여 네트워크 자원을 적응적으로 분배함으로써 H-평면 부하를 최소화하기 위해.
• 실제 네트워크 토폴로지와 네 가지의 고유한 지연 행렬을 사용하여 실제 조건에서 성능을 모델링하고 평가하기 위해.
• MILP 모델을 적용하여 제어 평면 부하를 균형 잡고 네트워크 전반에 걸쳐 저지연 서비스 제공을 실현하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전략적 C-H 쌍 배포를 통해 vSDN 기반 5G 네트워크에서 제어 평면 지연을 어떻게 최소화할 수 있는가?
• RQ2 링크 용량 및 네트워크 부하 제약 조건을 준수하면서도 제어 평면 부하를 효과적으로 균형 잡는 데 적합한 최적화 모델은 무엇인가?
• RQ3 서비스 요청 도착 시간에 기반한 동적 자원 할당이 H-평면 부하와 총 지연에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 제안된 RPFM 메커니즘이 부하 제약 조건 하에서 실현 가능하고 안정적인 네트워크 운영을 얼마나 잘 보장할 수 있는가?
• RQ5 제안된 시스템은 실시간 5G 서비스를 위한 발전형 초저지연(e-ULL) 환경을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 최적화된 C-H 쌍 배포 및 동적 자원 할당을 통해 제안된 시스템은 제어 평면에서 뚜렷한 지연 감소를 달성한다.
• RPFM 메커니즘이 정의된 내성 허용 한계 내에서 네트워크 부하 및 링크 용량을 유지하면서 실현 가능한 해를 성공적으로 생성한다.
• MILP 기반 최적화 모델은 서비스 요청 도착 시간에 따라 자원 할당 우선순위를 정함으로써 H-평면 부하를 효과적으로 최소화한다.
• 광범위한 실험을 통해 시스템이 실시간 5G 사용자 수요를 위한 발전형 초저지연(e-ULL) 환경을 지원할 수 있음을 입증한다.
• 이 방법은 5G-NR에서의 서비스 체인 매핑 및 5G C-RAN에서의 베이스밴드 유닛 배치와 같은 유사한 국지화 문제에 적용 가능하다.
• 실제 네트워크 토폴로지에서 유도된 다양한 지연 행렬 조건에서도 네트워크 안정성과 성능을 유지한다.