[논문 리뷰] Centrality-based Middlepoint Selection for Traffic Engineering with Segment Routing

George Trimponias, Yan Xiao외 3명|arXiv (Cornell University)|2017. 03. 17.

Software-Defined Networks and 5G참고 문헌 38인용 수 16

한 줄 요약

이 논문은 세그먼트 라우팅을 사용하는 소프트웨어 정의 네트워크(SDN) 기반 광역망(WAN)에서 트래픽 엔지니어링(Technical Engineering, TE)을 위한 중심성 기반 중간점 선택 방법을 제안한다. 그룹 최단경로 중심성(centrality)을 활용하여 계산 오버헤드를 줄인다. 기존의 모든 노드를 중간점으로 고려하는 방법에 비해, 가장 중심성 높은 노드 중 2.5%~7%만 선택해도 근사 최적의 TE 성능를 달성할 수 있으며, 이는 계산 시간이 수 개의 주기보다 훨씬 빠르게 줄어든다.

ABSTRACT

Segment routing is an emerging technology to simplify traffic engineering implementation in WANs. It expresses an end-to-end logical path as a sequence of segments through a set of middlepoints. Traffic along each segment is routed along shortest paths. In this paper, we study practical traffic engineering (TE) with segment routing in SDN based WANs. We consider two common types of TE, and show that the TE problem can be solved in weakly polynomial time when the number of middlepoints is fixed and not part of the input. However, the corresponding linear program is of large scale and computationally expensive. For this reason, existing methods that work by taking each node as a candidate middlepoint are inefficient. Motivated by this, we propose to select just a few important nodes as middlepoints for all traffic. We use node centrality concepts from graph theory, notably group shortest path centrality, for middlepoint selection. Our performance evaluation using realistic topologies and traffic traces shows that a small percentage of the most central nodes can achieve good results with orders of magnitude lower runtime.

연구 동기 및 목표

• 모든 노드를 중간점으로 고려할 때 세그먼트 라우팅을 사용하는 SDN 기반 WAN에서 대규모 트래픽 엔지니어링(TE) 문제를 해결하는 데 드는 높은 계산 비용을 해결한다.
• TE 성능을 저하시키지 않은 채 중간점 수를 줄여 실시간 TE 재계산이 가능한 실용적인 방법을 확보한다.
• 그래프 이론적 중심성 개념을 활용한 스케일러블하고 효율적인 중간점 선택 방법을 개발한다.
• 특히 그룹 최단경로 중심성 등을 포함한 다양한 중심성 메트릭이 실제 네트워크 토폴로지와 트래픽 트레이스에서 얼마나 효과적인지 평가한다.

제안 방법

• 고정된 경로당 중간점 수를 전제로, 세그먼트 라우팅을 사용한 TE 문제를 약한 다항식 시간 내에 해결 가능한 선형계획법(LP)으로 수식화한다.
• 네트워크 토폴로지에 대해 노드 중심성 측정값—최단경로 중심성, 도수 중심성, 그룹 최단경로 중심성—을 적용하여 영향력 있는 노드를 식별한다.
• 링크 용량 정보를 반영한 중심성 메트릭의 가중치 버전을 도입하여 선택 정확도를 향상시킨다.
• 각 중심성 메트릭 기반으로 상위-K개의 중심성 높은 노드를 모든 트래픽 엔지니어링 경로의 중간점으로 선정한다.
• 선택된 중간점을 바탕으로 축소된 스케일의 LP를 구성하여 최적화 변수와 제약 조건의 수를 크게 줄인다.
• 실제 세계의 토폴로지(100노드 및 161노드)와 트래픽 트레이스를 사용하여, $TE_{MF}$ (throughput 최대화) 및 $TE_{LU}$ (최대 링크 이용률 최소화) 목적함수 모두에서 성능을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 경로당 중간점 수가 고정되어 있을 때, 세그먼트 라우팅을 사용한 트래픽 엔지니어링 문제는 약한 다항식 시간 내에 해결 가능한가?
• RQ2 중간점의 선택 방식이 TE LP 수식의 확장성과 런타임에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 그래프 중심성 메트릭이 근사 최적의 TE 성능를 달성하는 작은 노드 집합을 식별할 수 있는가?
• RQ4 최단경로 중심성, 도수 중심성, 또는 그룹 최단경로 중심성 중 어떤 메트릭이 중간점 선택에서 성능과 런타임 간의 최적 균형을 이룬다?
• RQ5 중심성 메트릭에 링크 용량 정보를 통합하면 TE 성능과 효율성이 더욱 향상되는가?

주요 결과

• 세그먼트 라우팅과 고정된 중간점 수를 가진 TE 문제는 선형계획법을 통해 약한 다항식 시간 내에 해결 가능하다.
• 그룹 최단경로 중심성을 기반으로 가장 중심성 높은 노드 중 2.5%~7%만 선택해도 $TE_{MF}$ 및 $TE_{LU}$ 목적 모두에서 근사 최적의 TE 성능를 달성한다.
• 그룹 최단경로 중심성은 항상 다른 중심성 메트릭보다 TE 성능과 런타임 효율성에서 뛰어나다.
• 161노드 토폴로지에서 3000개의 플로우에 대해 LP 런타임은 중심성 기반 중간점 선택을 사용할 경우 3분 이내로 감소하지만, 무작위 또는 전체 노드 선택 방식을 사용할 경우 3시간 이상 소요된다.
• 가중치 중심성 변형은 약간의 성능 향상을 제공하지만, 강건성과 성능 면에서 비가중치 그룹 최단경로 중심성에 뒤지지 않는다.
• 공통된 최단경로를 중심 노드를 통해 공유함으로써 활성 최적화 변수와 제약 조건의 수를 줄여 빠른 수렴을 이룬다.