[논문 리뷰] SCOR: Software-defined Constrained Optimal Routing Platform for SDN

Siamak Layeghy, Farzaneh Pakzad외 1명|arXiv (Cornell University)|2016. 07. 12.

Software-Defined Networks and 5G인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 소프트웨어 정의 네트워킹(SDN)을 위한 제약 프로그래밍 기반의 노스번드 API인 SCOR을 제안한다. 이는 품질의 서비스(QoS) 라우팅 및 트래픽 엔지니어링(TE) 응용 프로그램의 개발을 단순화한다. 라우팅 문제를 제약 조건을 통해 선언적으로 표현함으로써, SCOR은 대규모 네트워크에서도 초 단위 내에 효율적이고 확장 가능하며 실용적인 해결책을 도출한다. 기존의 선형 프로그래밍 접근 방식 대비 최대 1,000배 빠른 성능을 입증한다.

ABSTRACT

A Software-defined Constrained Optimal Routing (SCOR) platform is introduced as a Northbound interface in SDN architecture. It is based on constraint programming techniques and is implemented in MiniZinc modelling language. Using constraint programming techniques in this Northbound interface has created an efficient tool for implementing complex Quality of Service routing applications in a few lines of code. The code includes only the problem statement and the solution is found by a general solver program. A routing framework is introduced based on SDN's architecture model which uses SCOR as its Northbound interface and an upper layer of applications implemented in SCOR. Performance of a few implemented routing applications are evaluated in different network topologies, network sizes and various number of concurrent flows.

연구 동기 및 목표

• SDN 노스번드 API에서 QoS 라우팅 및 트래픽 엔지니어링을 위한 표준화되고 고수준의 추상화가 부족한 문제를 해결하기 위해.
• 알고리즘적 구현과 문제 명세를 분리함으로써 QoS 및 TE 응용 프로그램의 구현 복잡성을 줄이기 위해.
• 컨트롤러에 종속되지 않고 재사용 가능하며 조합 가능한 빌딩 블록을 제공하여 다양한 라우팅 목표를 위한 SDN 환경을 구축하기 위해.
• 실제 네트워크 토폴로지에서 복잡한 TE 문제에 대해 제약 프로그래밍의 확장성과 실용성을 평가하기 위해.
• 선언적 CP 기반 모델링이 선형 프로그래밍과 같은 절차적 방법에 비해 성능 및 개발 효율성 면에서 뛰어나다는 것을 입증하기 위해.

제안 방법

• SCOR 플랫폼는 MiniZinc 모델링 언어를 통해 제약 프로그래밍(CP)을 활용하여, 단계별 알고리즘 대신 제약 조건을 통한 선언적 방식으로 라우팅 문제를 명시한다.
• QoS 및 TE 응용 프로그램을 위한 추상화 레이어로, 고수준의 여덟 가지 예약어를 신규로 도입하여 모듈화되고 조합 가능한 응용 프로그램 개발을 가능하게 한다.
• SDN 라우팅 아키텍처에 SCOR을 노스번드 인터페이스로 통합하며, 중앙집중식 네트워크 상태 데이터베이스를 유지하는 네트워크 운영 시스템(NOS) 레이어를 포함한다.
• NOS는 네트워크 토폴로지, 링크 용량, 트래픽 수요 및 플로우 요구사항을 수집하고 유지하며, 이를 SCOR 응용 프로그램에 노출한다.
• CP 솔버 내장된 지능적인 탐색 기법을 통해 해결 시간을 최적화하여, 대규모 네트워크에서 광범위한 해 공간을 효율적으로 탐색할 수 있다.
• 성능 및 확장성 평가를 위해 다양한 네트워크 토폴로지와 플로우 동시성 수준을 기반으로 응용 프로그램을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 제약 프로그래밍이 최소한의 응용 코드로 복잡한 QoS 라우팅 및 트래픽 엔지니어링 문제를 효과적으로 모델링하고 해결하는 데에 적합한가?
• RQ2 CP 기반 라우팅의 성능은 기존의 선형 프로그래밍 접근 방식과 비교해 해결 시간과 확장성 측면에서 어떻게 다른가?
• RQ3 SCOR은 대규모 네트워크 토폴로지와 다수의 동시 플로우를 처리하면서도 실용적인 해결 시간을 유지할 수 있는가?
• RQ4 SCOR의 선언적 특성은 다양한 QoS 목표 간에 라우팅 논리를 신속하게 개발하고 재사용할 수 있도록 하는가?
• RQ5 해결 시간 제한이 해의 품질에 미치는 영향은 무엇이며, 실시간 네트워크 제어에 적합한 근사 최적 해를 신속하게 도출할 수 있는가?

주요 결과

• 99개 노드로 구성된 네트워크에서 SCOR은 단일 플로우 라우팅 솔루션을 622ms 내에 계산하여 실세계 네트워크 크기에서 실용적인 성능를 입증한다.
• 375개 노드로 구성된 네트워크에서 10개의 동시 플로우에 대한 해결 시간은 9,750ms이다. 단일 플로우 대비 13배 증가했지만 여전히 실용적인 수준을 유지하며 강력한 확장성을 보여준다.
• SCOR는 선형 프로그래밍 방법 대비 최대 1,000배 빠른 솔루션을 도출한다. 100개 노드 네트워크에서 유사 문제에 대해 선형 프로그래밍은 몇 시간이 걸렸다.
• 전체 해결 시간의 10%만 사용해도 SCOR가 도출한 해는 최적에 매우 가까운 수준이며, 시간이 제한된 환경에서 신속한 근사 최적 결정을 가능하게 한다.
• 최대 잔여 용량 라우팅과 같은 복잡한 TE 목표도 최소한의 코드로 지원할 수 있어, CP 기반 접근 방식의 표현력과 효율성을 입증한다.
• 시간 제한이 있는 CP 솔버의 사용은 해의 품질과 속도 사이의 트레이드오프를 가능하게 하며, 동적이고 실시간 네트워크 환경에 적합한 SCOR의 적합성을 보여준다.