[論文レビュー] A Survey of Controller Placement Problem in Software Defined Networks

Abha Kumari, Ashok Singh Sairam|arXiv (Cornell University)|May 12, 2019

Software-Defined Networks and 5G参考文献 175被引用数 7

ひとこと要約

本調査では、ソフトウェア定義ネットワーク（SDN）におけるコントローラ配置問題（CPP）について包括的な分析を提供しており、線形計画法、多目的最適化、ヒューリスティクス、ゲーム理論などの解決手法を評価している。主な性能指標を特定し、既存のCPPアプローチを分類し、動的再構成、トラフィック予測、モビリティ対応配置、およびIoTおよびセンサーネットワークにおける展開における研究ギャップを強調している。

ABSTRACT

Software Defined Network (SDN) is an emerging network paradigm which provides a centralized view of the network by decoupling the network control plane from the data plane. This strategy of maintaining a global view of the network optimizes resource management. However, the implementation of SDN using a single physical controller lead to issues of scalability and robustness. A physically distributed but logically centralized SDN controller architecture promises to resolve both these issues. Distributed SDN along with its benefits brings along the problem of the number of controllers required and their placement in the network. This problem is referred to as the controller placement problem (CPP) and this paper is mainly concerned with the CPP solution techniques. The paper formally defines CPP, gives a comprehensive review of the various performance metrics and characteristics of the available CPP solutions. Finally, we point out the existing literature gap and discuss the future research direction in this domain.

研究の動機と目的

• 分散SDN展開における重要な課題として、SDNにおけるコントローラ配置問題（CPP）を体系的に分析すること。
• CPP研究で用いられる性能指標および解決手法を特定・分類すること。
• 有線および無線ネットワークにおける静的および適応的コントローラ配置の間でのトレードオフを評価すること。
• 動的再構成、トラフィック予測、モビリティ対応配置といった未解決の課題を強調すること。
• コントローラの追加／削除、フロー再配置、およびIoTおよびセンサーネットワークにおけるCPPを含む、研究ギャップの特定と今後の方向性の提案すること。

提案手法

• 遅延の最小化、負荷分散、障害耐性を重視した、NP困難な施設配置問題としてCPPの明確な定義。
• スイッチ－コントローラのアサインメントのダイナミクスに基づき、CPPソリューションを静的および適応的マッピング戦略に分類。
• 正確な手法（例：線形計画法）、メタヒューリスティクス（例：遺伝的アルゴリズム）、ゲーム理論的アプローチに分類した解決手法の分類。
• 制御プレーンの遅延、負荷分散、障害耐性、ネットワークスケーラビリティを含む性能指標の分析。
• 有線、無線、光ファイバー、IoT、センサーネットワークなど多様なネットワークドメインにおけるCPPの調査。ドメイン固有の制約に特に注目。
• スイッチ移行、コントローラ移行、エネルギー効率の良いコントローラのオン／オフ管理といった動的再構成の課題の評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SDNにおけるコントローラ配置ソリューションを評価するために使用される主な性能指標は何か？
• RQ2 静的および適応的コントローラ配置戦略は、設計および性能上のトレードオフにおいてどのように異なるか？
• RQ3 現在のCPPソリューションは、動的トラフィックパターンおよびネットワーク変更に対処する上でどのような制限を抱えているか？
• RQ4 トラフィック予測は、SDNにおけるコントローラ配置および再アサインメントの効率をどのように向上させることができるか？
• RQ5 IoTやモバイルネットワークなどの新興分野におけるCPPソリューションの展開において、どのようなオープンチャレンジがあるか？

主な発見

• CPPは、分散SDNにおけるスケーラビリティおよびレジリエンスに大きな影響を与えるNP困難な施設配置問題として明確に定義されている。
• 大多数のCPPソリューションは、再アサインメントに現在または過去のトラフィック状態に依存しているが、短時間スケールでのトラフィックの混沌たる性質を考慮すると、今後の研究では予測モデリングを組み込むべきである。
• スイッチ移行およびコントローラ移行は、特に利用度の低いコントローラの選定や移行オーバーヘッドの最小化を目的とした体系的な戦略なしに処理されることが多く、問題視されている。
• フロー再配置は有望なが、複雑なアプローチであり、マルチマスタサポートおよび状態追跡を要するため、SDNの中央集権的制御の原則に反する。
• コントローラの追加および削除は、動的環境におけるコントローラの電源オン／オフに伴うエネルギーおよび時間コストを考慮すると、未だ十分に検討されていない。
• モビリティ対応コントローラ配置は、依然として未解決の課題であり、特に5Gおよびフェムトセルベースのネットワークでは、従来のモビリティモデルが不十分である。