[논문 리뷰] Decentralized Consistent Network Updates in SDN with ez-Segway

Thanh Dang Nguyen, Marco Chiesa외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 03. 06.

Software-Defined Networks and 5G참고 문헌 22인용 수 3

한 줄 요약

ez-Segway는 중앙 집중식 컨트롤러에서 스위치로 협업을 이관하여 SDN에서 일관되고 빠른 네트워크 업데이트를 위한 탈중앙화된 메커니즘을 제안한다. 흐름 세분화와 트래픽 분할을 통해 스위치는 부분적인 지식과 스위치 간 메시지 교환을 바탕으로 자율적으로 규칙 업데이트를 스케줄링하며, Dionysus와 같은 중앙 집중식 접근 방식에 비해 99번째 백분위수 기준 최대 57% 빠른 업데이트 시간을 달성한다.

ABSTRACT

We present ez-Segway, a decentralized mechanism to consistently and quickly update the network state while preventing forwarding anomalies (loops and black-holes) and avoiding link congestion. In our design, the centralized SDN controller only pre-computes information needed by the switches during the update execution. This information is distributed to the switches, which use partial knowledge and direct message passing to efficiently realize the update. This separation of concerns has the key benefit of improving update performance as the communication and computation bottlenecks at the controller are removed. Our evaluations via network emulations and large-scale simulations demonstrate the efficiency of ez-Segway, which compared to a centralized approach, improves network update times by up to 45% and 57% at the median and the 99th percentile, respectively. A deployment of a system prototype in a real OpenFlow switch and an implementation in P4 demonstrate the feasibility and low overhead of implementing simple network update functionality within switches.

연구 동기 및 목표

• 중앙 집중식 SDN 컨트롤러가 네트워크 업데이트를 조율하는 데서 발생하는 성능 저하 문제를 해결하기 위해.
• 대규모 네트워크 업데이트에서 컨트롤러 유발 지연과 확장성 문제를 제거하기 위해.
• 전달 이상 현상(루프, 블랙홀, 혼잡)을 방지하면서도 신속하고 일관된 업데이트를 가능하게 하기 위해.
• 업데이트 조율 논리를 직접 프로그래밍 가능한 스위치에 구현할 수 있는지 탐색하기 위해.
• 탈중앙화된 스케줄링을 통해 메시지 오버헤드를 줄이고 업데이트 완료 시간을 향상시키기 위해.

제안 방법

• 컨트롤러는 사전에 종속성 그래프와 흐름 세그먼트를 계산하여 이를 스위치에 배포한다.
• 스위치는 부분적인 지식과 직접적인 메시지 교환을 통해 컨트롤러의 참여 없이 규칙 업데이트를 조율한다.
• 흐름 세분화를 통해 종속성이 없는 흐름 세그먼트를 독립적으로 병렬로 업데이트함으로써 종속성을 줄인다.
• 트래픽 분할을 통해 흐름 볼륨을 이전 경로와 새 경로 사이에 분산시켜 업데이트 중인 동안 링크 혼잡을 방지한다.
• 이웃 스위치 간 메시지 교환과 종속성 인식 스케줄링을 통해 사전에 사전 조건이 없는 업데이트 프로토콜을 시행한다.
• 실제 OpenFlow 스위치와 P4에서 구현되어 낮은 계산 오버헤드를 입증했다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 컨트롤러에서 스위치로 협업을 이관함으로써 네트워크 업데이트를 상당히 빠르게 만들 수 있는가?
• RQ2 컨트롤러 기반 스케줄링과 협업에 의존하지 않고 일관된 업데이트를 어떻게 달성할 수 있는가?
• RQ3 탈중앙화된 업데이트 중 전달 이상 현상(루프, 블랙홀, 혼잡)을 방지하기 위해 어떤 기법을 사용할 수 있는가?
• RQ4 기존의 프로그래밍 가능한 스위치(OpenFlow, P4)가 낮은 오버헤드로 필요한 협업 논리를 얼마나 잘 실행할 수 있는가?
• RQ5 업데이트 시간과 메시지 오버헤드 측면에서 탈중앙화된 업데이트 조율은 중앙 집중식 접근 방식에 비해 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• ez-Segway는 중앙 집중식 Dionysus 접근 방식에 비해 중앙값 기준 네트워크 업데이트 시간을 최대 45% 감소시켰다.
• 99번째 백분위수 기준 업데이트 시간은 최대 57% 감소했으며, 이는 빛의 속도가 주요 제한 요소가 되는 수준에 가까워졌다.
• 반복적인 컨트롤러-스위치 통신을 제거함으로써 메시지 오버헤드가 중앙 집중식 방법 대비 65% 감소했다.
• 실제 하드웨어에서의 구현 가능성이 입증되었으며, 프로토타입이 OpenFlow 스위치에 성공적으로 배포되었다.
• P4 구현을 통해 낮은 계산 오버헤드가 확인되어, 요구되는 논리가 현대의 프로그래밍 가능한 스위치에서 효율적으로 실행될 수 있음을 입증했다.
• 흐름 세분화와 트래픽 분할의 사용은 사전 조건이 없는 사태와 혼잡을 효과적으로 방지하면서 동시에 병렬 업데이트를 가능하게 했다.