[논문 리뷰] Hydra: Leveraging Functional Slicing for Efficient Distributed SDN Controllers

Yiyang Chang, Ashkan Rezaei외 4명|arXiv (Cornell University)|2016. 09. 23.

Software-Defined Networks and 5G참고 문헌 13인용 수 3

한 줄 요약

Hydra는 분산 SDN 컨트롤러에서 확장성과 반응성을 향상시키기 위해 위상적 분할과 기능적 분할을 조합한 하이브리드 컨트롤러 파artitioning 프레임워크를 제안한다. Hydra는 같은 파artition 내에서 지연 민감성 및 실시간 애플리케이션을 계산 집약적 워크로드로부터 분리함으로써 수렴 시간을 단축하고, 낮은 응답 지연을 유지하며 실시간 애플리케이션의 놓친 딜레인지(미션 딜레인지)를 제거한다.

ABSTRACT

The conventional approach to scaling Software Defined Networking (SDN) controllers today is to partition switches based on network topology, with each partition being controlled by a single physical controller, running all SDN applications. However, topological partitioning is limited by the fact that (i) performance of latency-sensitive (e.g., monitoring) SDN applications associated with a given partition may be impacted by co-located compute-intensive (e.g., route computation) applications; (ii) simultaneously achieving low convergence time and response times might be challenging; and (iii) communication between instances of an application across partitions may increase latencies. To tackle these issues, in this paper, we explore functional slicing, a complementary approach to scaling, where multiple SDN applications belonging to the same topological partition may be placed in physically distinct servers. We present Hydra, a framework for distributed SDN controllers based on functional slicing. Hydra chooses partitions based on convergence time as the primary metric, but places application instances across partitions in a manner that keeps response times low while considering communication between applications of a partition, and instances of an application across partitions. Evaluations using the Floodlight controller show the importance and effectiveness of Hydra in simultaneously keeping convergence times on failures small, while sustaining higher throughput per partition and ensuring responsiveness to latency-sensitive applications.

연구 동기 및 목표

• 다양한 애플리케이션을 함께 위치시킴으로써 자원 경쟁으로 인한 성능 저하가 발생하는 SDN 컨트롤러에서 위상적 분할의 한계를 해결하기 위해.
• 애플리케이션 특성에 따라 서버 간 제어 평면 기능을 분리하여 대규모 SDN 구현에서의 확장성과 반응성을 향상시키기 위해.
• 네트워크 장애 발생 시 수렴 시간을 최소화하면서도 지연 민감성 및 실시간 애플리케이션의 낮은 응답 시간을 유지하기 위해.
• 파artition 간 통신 오버헤드를 줄이기 위해 애플리케이션의 통신 인식 기반 배치를 가능하게 하기 위해.
• 관리 제약 조건과 동적 부하 변화를 수용할 수 있는 민감한 하이브리드 파artition 모델을 제공하기 위해.

제안 방법

• 위상적 분할과 보완적으로 기능적 분할을 도입하여, 동일한 네트워크 파artition 내에서 서로 다른 물리적 서버에 배치될 수 있도록 다양한 SDN 애플리케이션을 허용한다.
• 수렴 시간을 주요 메트릭으로 삼고 응답 시간과 통신 비용을 제약 조건으로 삼는 배치 최적화 문제를 수립한다.
• 애플리케이션 간 통신 패턴을 모델링하고 이를 배치 결정을 안내하는 데 사용하여, 파artition 간 통신 지연을 최소화한다.
• 계산 집약적 애플리케이션(예: 경로 계산을 위한 DJ)을 실시간(예: 하트비트) 및 지연 민감성(예: 경로 검색) 애플리케이션으로부터 분리하는 컨트롤러 배치 전략을 구현한다.
• 실시간 애플리케이션이 부하 급증 상황에서도 딜레인지를 지키도록 우선순위 부여 메커니즘을 통합한다.
• 실세계 SDN 애플리케이션 워크로드를 사용하여 Floodlight 컨트롤러를 기반으로 프레임워크를 평가하고, 수렴 시간, 응답 지연, 딜레인지 준수 여부를 측정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기존의 위상적 분할과 비교해 기능적 분할이 분산 SDN 컨트롤러에서 수렴 시간과 응답 지연을 어떻게 향상시키는가?
• RQ2 계산 집약적 애플리케이션을 실시간 및 지연 민감성 애플리케이션으로부터 분리함으로써 성능 저하가 얼마나 감소하는가?
• RQ3 파artition 간 통신 인식 기반 배치가 전체 컨트롤러의 반응성과 확장성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 공유 컨트롤러 환경에서 우선순위 부여가 실시간 애플리케이션의 지연과 딜레인지 준수에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 기능적 분할이 순수 위상적 파artitioning에 비해 더 나은 부하 분산과 관리 유연성을 어떻게 가능하게 하는가?

주요 결과

• Hydra는 하트비트 지연의 95퍼센트 백분위수를 약 10 ms로 줄였으며, 위상적 분할 기반으로는 30 ms였고, 놓친 딜레인지 비율은 0%로 줄어들었다(위상적 분할 기반으로는 3% 미준수).
• 하트비트 주기 1초당 10회일 경우, Hydra는 모든 하트비트 메시지가 100 ms 이내에 도착함을 보장하지만, 위상적 분할 기반으로는 약 3%의 딜레인지 미준수 발생.
• 하트비트 주기가 1초당 100회로 증가할 경우, Hydra의 우선순위 부여된 실시간 애플리케이션은 적시 응답을 보장하지만, 우선순위 없이 구현된 경우 최대 1800 ms의 지연 발생.
• 기능적 분할은 짧은 경로 계산과 같은 계산 집약적 작업으로 인한 부하 급증으로부터 지연 민감성 애플리케이션(예: 경로 검색, 방화벽)을 분리한다.
• 다양한 애플리케이션 유형을 지원하면서도 높은 처리량을 유지하면서도 낮은 수렴 시간과 낮은 응답 지연을 유지한다.
• 실시간 애플리케이션을 지연 민감성 애플리케이션보다 우선순위를 높임으로써 응답의 적시성은 크게 향상되며, 이는 기능적 분할 자체만으로는 충분하지 않으며 스케줄링의 체계가 필요함을 시사한다.