[논문 리뷰] Dual-structure Data Center Multicast Using Software Defined Networking

Wenzhi Cui, Chen Qian|arXiv (Cornell University)|2014. 03. 31.

Software-Defined Networks and 5G참고 문헌 27인용 수 15

한 줄 요약

이 논문은 소프트웨어 정의 네트워킹(SDN)을 사용하는 데이터센터 네트워크를 위한 확장 가능한 멀티캐스트 솔루션인 이중구조 멀티캐스트(DuSM)를 제안한다. DuSM는 멀티캐스트 그룹을 '이프리' (고용량) 및 '마우스' (저용량) 그룹으로 분류하며, 이프리 그룹에는 복수의 공유 트리(Steiner 트리)를 사용해 부하 균형을 이루고, 마우스 그룹에는 상태 없는 멀티캐스트(예: 멀티캐스트에서 유니캐스트로의 변환)를 사용한다. 이 방식은 IP 멀티캐스트 대비 멀티캐스트 그룹 지원 수를 300% 증가시키며, 링크 간 트래픽 부하 균형을 향상시킨다.

ABSTRACT

Data center applications use multicast as an effective method to reduce bandwidth cost. However, traditional multicast protocols designed for IP networks are usually bottlenecked by the limited state capacity on switches. In this paper, we propose a scalable multicast solution on fat tree networks based on the observation that data center multicast traffic has strong heterogeneity. We propose to remove the multicast management logic from switches and use the SDN controller to manage multicast groups. The proposed Dual-structure Multicast (DuSM) determines elephant and mice groups according to their traffic amounts and treats them separately. For each elephant group, the controller installs multicast state to maintain multiple shared trees and the group traffic will be balanced evenly among the trees to avoid congestion. For mice groups, the controller applies state-free mutlicast that trades bandwidth capacity for state capacity, such as multicast-to-unicast translation. Our experiments using real multicast traffic data show that the number of groups DuSM supports can be 300% of that of IP multicast. DuSM also achieves traffic balance among links.

연구 동기 및 목표

• 스위치의 멀티캐스트 상태 용량이 제한되어 있어 전통적인 IP 멀티캐스트가 데이터센터 네트워크에서 확장성에 한계를 가진다는 문제를 해결하기 위해.
• 데이터센터 멀티캐스트에서 몇몇 그룹이 대용량 대역폭을 차지하는 특성(트래픽 이질성)을 활용하여, 그룹을 이프리 및 마우스 유형으로 분류함으로써.
• 상태 사용 최적화 및 링크 간 트래픽 균형을 위해 중앙집중식 SDN 기반 멀티캐스트 관리 시스템을 설계하기 위해.
• 고용량 그룹에는 복수의 공유 트리, 저용량 그룹에는 상태 없는 기법을 사용해 네트워크 혼잡을 줄이고 대역폭 효율성을 향상시키기 위해.

제안 방법

• SDN 컨트롤러가 네트워크 정보를 수집하고 트래픽 볼륨에 따라 멀티캐스트 그룹을 이프리 및 마우스 그룹으로 분류한다.
• 이프리 그룹의 경우, 컨트롤러가 복수의 공유 멀티캐스트 트리(Steiner 트리)를 설치하여 트래픽을 균일하게 분산시키고 혼잡을 방지한다.
• 마우스 그룹의 경우, 컨트롤러가 상태 없는 멀티캐스트 기법(예: 멀티캐스트에서 유니캐스트로의 변환)을 적용하여 멀티캐스트 상태 공간을 절약한다.
• 중앙집중식 컨트롤러를 사용해 스위치에 전달 규칙을 계산하고 설치함으로써 동적이고 토폴로지 인식 멀티캐스트 라우팅을 가능하게 한다.
• 실제 데이터센터에서의 트래픽 추적 데이터를 사용해 시스템을 평가하며, ns-2 시뮬레이터에서 구현 및 테스트를 수행한다.
• 지방 트리 토폴로지의 복수의 병렬 경로를 활용해 부하 균형을 향상시키고 병목 현상을 방지한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고용량 및 저용량 멀티캐스트 그룹을 구분하는 이중구조 접근 방식이 데이터센터 네트워크에서 멀티캐스트 확장성을 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 SDN을 활용해 멀티캐스트 그룹 관리를 중앙집중화하고 스위치 수준의 멀티캐스트 상태 의존도를 줄일 수 있는가?
• RQ3 마우스 그룹에 대한 상태 없는 멀티캐스트 기법이 대역폭 효율성을 저하시키지 않고 멀티캐스트 상태 공간을 얼마나 줄일 수 있는가?
• RQ4 복수의 공유 멀티캐스트 트리가 고용량(이프리) 그룹에서 트래픽을 효과적으로 균형 잡고 혼잡을 방지할 수 있는가?
• RQ5 기존 IP 멀티캐스트에 비해 제안된 시스템은 지원하는 멀티캐스트 그룹 수와 링크 부하 균형 측면에서 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• DuSM는 분류 및 상태 없는 기법을 통해 멀티캐스트 상태 사용을 줄임으로써 기존 IP 멀티캐스트 대비 최대 300% 더 많은 멀티캐스트 그룹을 지원한다.
• 이프리 그룹 트래픽을 복수의 공유 트리에 분산시켜 네트워크 링크 간 트래픽 부하 균형을 향상시킨다.
• 마우스 그룹에 대한 상태 없는 멀티캐스트는 스위치에 필요한 멀티캐스트 상태 공간을 크게 줄여 일반 장비에서도 확장성을 가능하게 한다.
• 중앙집중식 SDN 컨트롤러를 사용해 동적이고 토폴로지 인식 멀티캐스트 라우팅이 가능해져 전체 네트워크 효율성이 향상된다.
• 스위치 업데이트에 대한 컨트롤러 오버헤드가 감소하여 대규모 구현에서 잠재적인 확장성 병목 현상을 완화한다.
• 실제 데이터센터 트래픽 추적 데이터를 사용한 실험 평가를 통해 DuSM이 확장성과 부하 균형 향상에 효과적임을 확인했다.