[논문 리뷰] Computing backup forwarding rules in Software-Defined Networks

Niels L. M. van Adrichem, Farabi Iqbal외 1명|arXiv (Cornell University)|2016. 05. 30.

Software-Defined Networks and 5G참고 문헌 22인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 SDN에서 링크 또는 노드 장애 발생 시 빠르고 루프 없는 트래픽 재정렬을 가능하게 하기 위해 패킷 레이블링을 사용하여 사전에 장애 간섭이 없는 주 및 백업 포워딩 규칙을 계산하는 알고리즘 프레임워크를 제안한다. 이 방법은 복구 지연을 장故 감지 시간 수준으로 줄이며, 전통적인 분리 경로 방법에 비해 경로 길이와 구성 복잡도 측면에서 뛰어나며, 개념 증명용 OpenFlow 컨트롤러에 구현되어 있다.

ABSTRACT

The past century of telecommunications has shown that failures in networks are prevalent. Although much has been done to prevent failures, network nodes and links are bound to fail eventually. Failure recovery processes are therefore needed. Failure recovery is mainly influenced by (1) detection of the failure, and (2) circumvention of the detected failure. However, especially in SDNs where controllers recompute network state reactively, this leads to high delays. Hence, next to primary rules, backup rules should be installed in the switches to quickly detour traffic once a failure occurs. In this work, we propose algorithms for computing an all-to-all primary and backup network forwarding configuration that is capable of circumventing link and node failures. Omitting the high delay invoked by controller recomputation through preconfiguration, our proposal's recovery delay is close to the detection time which is significantly below the 50 ms rule of thumb. After initial recovery, we recompute network configuration to guarantee protection from future failures. Our algorithms use packet-labeling to guarantee correct and shortest detour forwarding. The algorithms and labeling technique allow packets to return to the primary path and are able to discriminate between link and node failures. The computational complexity of our solution is comparable to that of all-to-all-shortest paths computations. Our experimental evaluation on both real and generated networks shows that network configuration complexity highly decreases compared to classic disjoint paths computations. Finally, we provide a proof-of-concept OpenFlow controller in which our proposed configuration is implemented, demonstrating that it readily can be applied in production networks.

연구 동기 및 목표

• 네트워크 장애 후 반응형 컨트롤러 기반 재정렬로 인한 높은 복구 지연을 해결하기 위해.
• 즉각적인 장애 회피를 가능하게 하기 위해 사전에 백업 포워딩 규칙을 프로그래밍하는 복원력 있고 자동화된 네트워크 구성 설계하기 위해.
• 패킷 레이블링을 통해 링크 장애와 노드 장애를 구분하면서도 루프 없는 탈선 포워딩 및 경로 복원을 보장하기 위해.
• 특히 전부-대-전체 연결 시나리오에서 전통적인 분리 경로 접근 방식에 비해 네트워크 구성 복잡도를 최소화하기 위해.
• 실제 생산 네트워크 적용 가능성을 위해 실제 SDN 컨트롤러 프로토타입에서 구현 및 검증하기 위해.

제안 방법

• 링크 및 노드 장애 모두에 대해 장애 간섭이 없는 것을 보장하는 수정된 최단경로 알고리즘을 사용하여 전부-대-전체 주 및 백업 포워딩 경로를 계산한다.
• 장애 유형(링크/노드)과 경로 상태를 인코딩하는 패킷 레이블링 체계를 활용하여, 장애 발생 시 탈선 포워딩과 복구 후 주 경로로의 복귀를 정확히 수행할 수 있도록 한다.
• 이중 단계 접근 방식을 적용: 장애 이전에 백업 규칙 사전 계산(빠른 복구), 컨트롤러 알림 후 최적 경로 재계산(장기 최적화).
• 레이블 기반 포워딩 메커니즘을 적용하여 탈선 중 루프를 탐지하고 회피할 수 있도록 하며, 레이블 의미 체계를 통해 링크 장애와 노드 장애를 구분한다.
• 실시간 구성 및 구현 가능성을 입증하기 위해 알고리즘을 OpenFlow 기반 SDN 컨트롤러에 통합한다.
• 기존의 전통적 분리 경로 방법에 비해 필요로 하는 Flow 및 Group 테이블 항목 수를 줄여 테이블 사용을 최적화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 SDN에서 네트워크 장애 발생 후 서브-50ms 복구를 달성하기 위해 주 및 백업 포워딩 규칙을 어떻게 사전에 계산할 수 있는가?
• RQ2 어떤 레이블링 메커니즘이 루프 없는 정확한 탈선 포워딩을 가능하게 하며, 장애 복구 후 주 경로로 복귀할 수 있도록 하는가?
• RQ3 해결책은 어떻게 링크 장애와 노드 장애를 효율적이고 정확한 재정렬을 지원하는 방식으로 구분하는가?
• RQ4 전통적인 분리 경로 계산 방법에 비해 제안된 방법이 구성 복잡도(예: Flow/Group 테이블 항목 수)를 어느 정도 줄이는가?
• RQ5 제안된 접근 방식은 실제 SDN 컨트롤러에서 효율적으로 구현되고 검증될 수 있는가? 생산 환경 배포에 적합한가?

주요 결과

• 제안된 방법은 사전 계산된 백업 규칙 덕분에 복구 지연이 장애 감지 시간에 매우 가까워지며, 50ms 규칙 기준보다 크게 낮아진다.
• 주 경로 및 백업 경로의 경로 길이가 기존의 분리 경로 접근 방식보다 상당히 짧아지며, 장애 발생 확률과 운영 비용이 감소한다.
• 기존의 고전적 분리 경로 계산 방법에 비해 Flow 테이블 항목 수는 최대 20배, Group 테이블 항목 수는 1.9배 감소한다.
• 패킷 레이블링 메커니즘이 탈선 중 루프 없는 포워딩을 성공적으로 지원하고, 장애 복구 후 주 경로로 복귀할 수 있도록 한다.
• 개념 증명용 OpenFlow 컨트롤러는 솔루션이 표준 하드웨어와 프로토콜을 사용하는 실제 생산 네트워크에 구현 가능하다는 것을 입증한다.
• 크랭크백 라우팅을 피함으로써 MILP나 SPIDER 접근 방식과 같은 크랭크백 기반 기법에 비해 네트워크 오버헤드를 줄이고 효율성을 향상시킨다.