[논문 리뷰] Survivable Probability of SDN-enabled Cloud Networking with Random Physical Link Failure

Zhili Zhou, Tachun Lin|arXiv (Cornell University)|2017. 09. 10.

Software-Defined Networks and 5G참고 문헌 20인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 랜덤한 물리 링크 장애 상황에서 SDN 기반 크로스 레이어 클라우드 네트워크의 신뢰성을 평가하기 위해 새로운 메트릭인 생존 가능 확률을 도입한다. 모든 컷셋을 열거하지 않고도 정확한 생존 가능 확률을 계산할 수 있도록 기본 보호 스패닝 트리 세트를 제안하며, 공유 링크를 최소화하여 최적의 내재성 확보와 동시에 단일 스패닝 트리에서의 하한 추정치를 뛰어넘는 성능을 달성한다.

ABSTRACT

Software-driven cloud networking is a new paradigm in orchestrating physical resources (CPU, network bandwidth, energy, storage) allocated to network functions, services, and applications, which is commonly modeled as a cross-layer network. This model carries a physical network representing the physical infrastructure, a logical network showing demands, and logical-to-physical node/link mappings. In such networks, a single failure in the physical network may trigger cascading failures in the logical network and disable network services and connectivity. In this paper, we propose an evaluation metric, survivable probability, to evaluate the reliability of such networks under random physical link failure(s). We propose the concept of base protecting spanning tree and prove the necessary and sufficient conditions for its existence and relation to survivability. We then develop mathematical programming formulations for reliable cross-layer network routing design with the maximal reliable probability. Computation results demonstrate the viability of our approach.

연구 동기 및 목표

• 랜덤한 물리 링크 장애 상황에서 SDN 기반 크로스 레이어 클라우드 네트워크에 대한 정확하고 확장 가능한 신뢰성 메트릭의 부족을 해결하기 위해.
• 대규모 네트워크에서는 계산이 불가능한 모든 크로스 레이어 컷셋을 열거하지 않고도 생존 가능 확률을 계산할 수 있는 방법을 개발하기 위해.
• 최소한의 물리적 자원 공유를 통해 생존 가능 확률을 최대화하는 내재성 있는 라우팅 프레임워크를 설계하기 위해.
• 기존의 생존 가능 매핑이 존재하지 않는 경우에도 실용적이고 정확한 생존 네트워크 설계 솔루션을 제공하기 위해.

제안 방법

• 생존 가능 확률을 정의하여, 어떤 단일 물리 링크 장애가 발생하더라도 논리 네트워크가 연결되어 있는 정확한 확률을 제공한다.
• 기본 보호 스패닝 트리 세트를 정의하여, 물리 링크 장애 상황에서도 논리 네트워크의 연결성을 보장하는 최소한의 보호 스패닝 트리 집합을 확보한다.
• 생존 가능 확률을 최대화하는 목표로, 기본 보호 스패닝 트리 세트를 계산하기 위한 수학적 프로그래밍 정식화를 개발한다.
• 균일한 장애 확률 조건 하에서 생존 가능 확률을 최대화하는 것이, 보호 스패닝 트리 세트 내 공유 물리 링크 수를 최소화하는 것과 동치임을 증명한다.
• 비선형 생존 가능 확률 최대화 문제를 선형 정수계획문제로 변환하기 위해 장애 확률의 로그 변환을 활용한다.
• IBM ILOG CPLEX를 활용하여 450초 이내에 정식화 문제를 해결함으로써 계산의 실현 가능성을 입증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 크로스 레이어 클라우드 네트워크에서 랜덤한 물리 링크 장애 상황에서 생존 가능 확률을 실험적 다항식 근사 없이 정확하게 계산할 수 있는 방법은 무엇인가?
• RQ2 주어진 크로스 레이어 네트워크에서 기본 보호 스패닝 트리 세트가 존재하기 위한 필수 및 충분 조건은 무엇인가?
• RQ3 모든 크로스 레이어 컷셋을 열거하지 않더라도 생존 가능 확률을 최대화할 수 있는가? 만약 가능하다면, 그 방법은 무엇인가?
• RQ4 제안된 기본 보호 스패닝 트리 세트는 단일 최대 보호 스패닝 트리에 비해 생존 가능성 추정 정확도에서 어떻게 비교되는가?
• RQ5 기본 보호 스패닝 트리 세트는 생존 가능하지 않은 크로스 레이어 네트워크에서 얼마나 높은 수준의 내재성을 향상시킬 수 있는가?

주요 결과

• LN1-over-NSF와 같은 생존 가능한 크로스 레이어 네트워크에서는, 균일한 장애 확률과 랜덤 장애 확률 조건 하에서 기본 보호 스패닝 트리 세트가 100%의 생존 가능 확률을 달성한다.
• LN2-over-NSF와 같은 생존 불가능한 네트워크에서는 물리 링크 장애 확률이 감소할수록 생존 가능 확률이 단조적으로 증가하며, 각 케이스당 1분 이내에 결과를 계산할 수 있다.
• 최대 보호 스패닝 트리는 생존 가능 확률에 대한 하한 추정치를 제공하며, 장애 확률이 15% 이하일 경우 모든 테스트 케이스에서 이 하한 추정치가 진짜 생존 가능 확률의 50% 이상을 초과한다.
• 이 제안된 방법은 모든 크로스 레이어 컷셋을 열거할 필요 없이, 최대 |EP|개의 보호 스패닝 트리로 충분하여 계산 복잡도를 크게 감소시킨다.
• 기본 보호 스패닝 트리 세트는 추가 물리 자원을 도입하지 않으면서도 SDI 환경에서 보조 보호 기반 구조를 가능하게 하여 클라우드 서비스의 내재성을 향상시킨다.