[논문 리뷰] Fast failover of multicast sessions in software-defined networks

Jorik Oostenbrink, Niels L. M. van Adrichem외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 01. 27.

Software-Defined Networks and 5G참고 문헌 1인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 소프트웨어 정의 네트워크(SDN)에서 동적 멀티캐스트 그룹을 위한 일반 목적의 빠른 장애 복구(FF) 알고리즘을 제안한다. 이 알고리즘은 스위치에 사전에 백업 플로우 규칙을 설치하여 최대 F개의 링크 장애 발생 시에도 빠른 복구를 가능하게 하며, 복구 시간을 0–8.333 ms로 줄여 컨트롤러 기반 복구 방식보다 뛰어나게 성능을 향상시킨다. 특히 컨트롤러-스위치 지연이 높을 경우 두드러진 성능 향상을 보이며, 스위치와 컨트롤러의 메모리 및 계산 오버헤드 증가를 감수한다.

ABSTRACT

With the rapid growth of services that stream to groups of users comes an increased importance of and demand for reliable multicast. In this paper, we turn to software-defined networking and develop a novel general-purpose multi-failure protection algorithm to provide quick failure recovery, via Fast Failover (FF) groups, for dynamic multicast groups. This extends previous research, which either could not realize fast failover, worked only for single link failures, or was only applicable to static multicast groups. However, while FF is know to be fast, it requires pre-installing back-up rules. These additional memory requirements, which in a multicast setting are even more pronounced than for unicast, are often mentioned as a big disadvantage of using FF. We develop an OpenFlow application for resilient multicast, with which we study FF resource usage, in an attempt to better understand the trade-off between recovery time and resource usage. Our tests on a realistic network suggest that using FF groups can reduce the recovery time of the network significantly compared to other methods, especially when the latency between the controller and the switches is relatively large.

연구 동기 및 목표

• 동적 그룹이 언제든지 참가하거나 이탈할 수 있는 SDN 환경에서 빠르고 신뢰할 수 있는 멀티캐스트 장애 복구 기법의 부재를 해결한다.
• 기존의 유니캐스트 중심 또는 정적 그룹 기반의 SDN 멀티캐스트 보호 기법의 한계를 극복한다.
• 실제 네트워크 토폴로지에서 빠른 복구와 자원 오버헤드(메모리, 계산) 간의 트레이드오프를 평가한다.
• 컨트롤러 기반 복구 방식에 비해 FF 기반 멀티캐스트 복구가 훨씬 빠르며, 특히 컨트롤러-스위치 지연이 높을 경우 두드러진 성능 향상을 보임을 입증한다.

제안 방법

• 스위치에 백업 경로를 사전 계산하고 설치하여 최대 F개의 링크 장애를 지원하는 일반 목적의 FF 알고리즘을 설계한다.
• OpenFlow 기반 컨트롤러 애플리케이션에 FF 알고리즘을 통합하여 동적 멀티캐스트 그룹을 관리하고 장애 복구 규칙을 강제한다.
• 백업 경로의 효율성과 자원 사용량을 비교하기 위해 두 가지 트리 구축 방법(SPT와 DST)을 사용한다.
• 스위치에 백업 플로우 항목과 그룹 테이블을 사전 설치하여 컨트롤러 개입 없이 스위치 내부에서 장애 복구를 수행할 수 있도록 한다.
• 다양한 장애 상황과 컨트롤러-스위치 지연 조건에서 실제 네트워크 토폴로지(GÉANT 및 완전 그래프)를 사용해 성능을 측정한다.
• OpenFlow 1.3+ 그룹 테이블과 플로우 항목을 사용하여 링크 장애 발생 시 빠르고 하드웨어 수준의 스위칭을 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 유니캐스트 또는 정적 멀티캐스트 시나리오를 초월하여, 빠른 장애 복구 기법이 동적 멀티캐스트 그룹에 효과적으로 적용될 수 있는가?
• RQ2 컨트롤러-스위치 왕복 지연이 다양할 경우, FF 기반 멀티캐스트 복구 시간은 컨트롤러 기반 복구 방식과 비교해 어떻게 다를까?
• RQ3 FF를 멀티캐스트에 도입할 경우 자원 오버헤드(메모리, 계산)는 얼마이며, 장애 수(F)와 네트워크 크기에 따라 어떻게 증가하는가?
• RQ4 다른 트리 구축 알고리즘(SPT 대비 DST)은 스위치에서 필요한 플로우 항목 수, 그룹 테이블 수, 태그 수에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 멀티캐스트 그룹 수가 증가함에 따라 FF의 복구 시간은 안정적이고 낮게 유지되는가? 컨트롤러 기반 방법과 대비해 어떻게 다를까?

주요 결과

• 빠른 장애 복구는 단일 및 다중 링크 장애 상황에서 복구 시간을 0–8.333 ms로 줄여, 컨트롤러 기반 방법보다 훨씬 빠르게 성능 향상을 보였다.
• 빠른 트리 스위칭과 달리, FF 복구 시간은 멀티캐스트 그룹 수나 플로우 항목 설치 시간에 관계없이 안정적이고 낮게 유지되었다.
• 완전 그래프 토폴로지에서는 계산 시간이 최대 1.774 ms로 더 높았으며, 특히 SPT 기반에서 특정 스위치에 플로우 항목이 집중되었다.
• 그룹 테이블 사용량은 SPT 방식에서 가장 높았고(모든 그룹 테이블이 한 스위치에 집중), DST에서는 최대 스위치당 18개로 가장 낮아, SPT의 로드 분배 효율성 부족을 시사했다.
• 단일 링크 장애의 경우 태그 사용은 최소이자 일관되었으며(1명의 수신자당 1개), F=3 상황에서는 증가했지만 여전히 완전 그래프 토폴로지에서는 관리 가능했다.
• 컨트롤러-스위치 지연이 없을 경우 빠른 트리 스위칭은 0% 패킷 손실을 달성했지만, 지연이 존재할 경우 세 개의 링크 장애 상황에서 복구 시간이 533.333–550 ms로 증가하여 컨트롤러가 성능 저하의 핵심 요소임을 입증했다.