[논문 리뷰] The Case for Reliable Software Transactional Networking

Marco Canini, Petr Kuznetsov외 2명|arXiv (Cornell University)|2013. 05. 31.

Distributed systems and fault tolerance참고 문헌 12인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 제어기 장애가 발생하더라도 일관되고 원자적인 동시 네트워크 정책 업데이트 조합을 보장하기 위해 SDN 제어 평면에 대한 거래 인터페이스를 제안한다. 비동기 네트워크에서 단일 제어기 장애 상황에서 일관된 정책 조합이 불가능하다는 것을 증명하며, 더 강력한 모델과 알고리즘적 해법을 규명함으로써 형식적 복잡도 분석을 통해 신뢰성을 달성한다.

ABSTRACT

Software-defined networking (SDN) is a novel paradigm that out-sources the control of packet-forwarding switches to a set of software controllers. The most fundamental task of these controllers is the correct implementation of the network policy, i.e., the intended network behavior. In essence, such a policy specifies the rules by which packets must be forwarded across the network. This paper initiates the study of the SDN control plane as a distributed system. We introduce a formal model describing the interaction between the data plane and a distributed control plane (consisting of a collection of fault-prone controllers). Then we formulate the problem of consistent composition of concurrent network policy updates. The composition is enabled via a transactional interface with all-or-nothing semantics. The system behaves as though committed updates are installed atomically and every data packet traverses the network instantaneously, respecting a sequential composition of previously installed committed updates. Updates that cannot be composed are aborted and do not affect the data plane. We show that in the asynchronous environment, it is impossible to achieve consistent policy composition that tolerates a single controller crash. We then discuss stronger variants of the model that allow for solving the problem and study algorithmic complexities of such solutions. 1

연구 동기 및 목표

• 장애가 발생할 수 있는 제어기 집합과 상호작용하는 분산 시스템으로서 SDN 제어 평면을 형식화하기 위해.
• 장애가 발생할 수 있는 환경에서 동시 네트워크 정책 업데이트의 일관된 조합 문제를 다루기 위해.
• 모든 또는 전혀 적용되지 않는 의미 체계를 갖춘 거래 인터페이스를 설계하여 원자성과 순차적 동작을 보장하기 위해.
• 장애 조건 하에서도 신뢰할 수 있는 정책 조합을 가능하게 하는 시스템 모델과 알고리즘적 해법을 규명하기 위해.

제안 방법

• 장애가 발생할 수 있는 제어기 모델을 사용하여 데이터 평면과 분산 제어 평면 간의 상호작용을 형식화하기 위해.
• 업데이트가 원자적으로 적용되거나 완전히 취소되는 것을 보장하는 거래 인터페이스를 정의하기 위해.
• 네트워크를 실제로 적용된 업데이트가 즉시 및 순차적으로 설치된 것처럼 모델링하기 위해.
• 분산 시스템 이론을 사용하여 비동기 시스템에서 단일 제어기 장애 상황에서의 불가능성 결과를 증명하기 위해.
• 해결 가능한 변형을 가능하게 하기 위해 더 강력한 시스템 모델(예: 장애 감지기나 동기성 가정 포함)을 도입하기 위해.
• 강화된 모델 하에서의 해법에 대한 알고리즘 복잡도를 분석하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 장애가 발생할 수 있는 제어기와 함께 비동기적, 분산적인 SDN 제어 평면에서 동시 네트워크 정책 업데이트의 일관된 조합이 달성될 수 있는가?
• RQ2 단일 제어기 장故 상황에서 일관된 정책 조합의 불가능성을 극복하기 위해 어떤 시스템 가정이 필요한가?
• RQ3 거래 인터페이스는 동시 업데이트와 장애가 발생하더라도 원자성과 순차적 동작을 어떻게 보장하는가?
• RQ4 더 강력한 시스템 모델 하에서 신뢰할 수 있는 정책 조합의 알고리즘 복잡도는 무엇인가?
• RQ5 제어기 장애 존재 상황에서 정확성과 일관성에 대한 형식적 보장을 제공할 수 있는가?

주요 결과

• 비동기 환경에서는 단일 제어기 장애가 발생하더라도 분산 합의의 근본적 한계로 인해 일관된 정책 조합이 불가능하다.
• 불가능성 결과는 표준 비동기 시스템 가정 하에서도 단일 장故가 발생하더라도 유지된다.
• 장애 감지기나 동기성 가정을 포함하는 더 강력한 모델들은 문제의 해결 가능한 변형을 가능하게 한다.
• 이러한 강화된 모델 하에서 문제를 해결하기 위한 필수 및 충분 조건을 규명한다.
• 강화된 모델 하에서의 알고리즘 해법은 형식적 복잡도 한계를 보이며, 이는 메시지 및 시간 오버헤드 측면에서 분석된다.
• 거래 인터페이스는 모든 업데이트가 원자적으로 적용되거나 전혀 적용되지 않음을 보장하여 네트워크의 일관성과 순차적 동작을 유지한다.