[论文解读] Decentralized Consistent Network Updates in SDN with ez-Segway

Thanh Dang Nguyen, Marco Chiesa+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 6, 2017

Software-Defined Networks and 5G参考文献 22被引用 3

一句话总结

ez-Segway 通过将协调工作从集中式控制器卸载到交换机，提出了一种用于软件定义网络（SDN）中一致且快速网络更新的去中心化机制。通过流量分割和流量分流技术，交换机基于部分知识和交换机间通信自主调度规则更新，与集中式方法（如 Dionysus）相比，99百分位的更新时间最多减少57%。

ABSTRACT

We present ez-Segway, a decentralized mechanism to consistently and quickly update the network state while preventing forwarding anomalies (loops and black-holes) and avoiding link congestion. In our design, the centralized SDN controller only pre-computes information needed by the switches during the update execution. This information is distributed to the switches, which use partial knowledge and direct message passing to efficiently realize the update. This separation of concerns has the key benefit of improving update performance as the communication and computation bottlenecks at the controller are removed. Our evaluations via network emulations and large-scale simulations demonstrate the efficiency of ez-Segway, which compared to a centralized approach, improves network update times by up to 45% and 57% at the median and the 99th percentile, respectively. A deployment of a system prototype in a real OpenFlow switch and an implementation in P4 demonstrate the feasibility and low overhead of implementing simple network update functionality within switches.

研究动机与目标

• 解决集中式 SDN 控制器在协调网络更新时的性能瓶颈问题。
• 消除大规模网络更新中由控制器引起的延迟和可扩展性问题。
• 在防止转发异常（如环路、黑洞和拥塞）的同时，实现快速且一致的更新。
• 探索在可编程交换机中直接实现更新协调逻辑的可行性。
• 通过去中心化调度减少消息开销并提升更新完成时间。

提出的方法

• 控制器预先计算依赖图和流量段，并将这些信息分发给交换机。
• 交换机利用部分知识并通过直接消息传递协调规则更新，无需控制器参与。
• 流量分割允许非依赖流量段独立并行更新，从而减少依赖关系。
• 流量分流将流量量分配到旧路径和新路径，防止更新期间链路拥塞。
• 通过依赖感知调度和相邻交换机间的消息传递，强制执行无死锁的更新协议。
• 该机制已在真实 OpenFlow 交换机和 P4 中实现，证明计算开销极低。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过将协调工作从控制器卸载到交换机，是否能显著加快网络更新？
• RQ2 如何在不依赖控制器驱动的调度与协调的情况下实现一致的更新？
• RQ3 在去中心化更新过程中，可采用哪些技术防止转发异常（如环路、黑洞、拥塞）？
• RQ4 现有可编程交换机（OpenFlow、P4）在低开销下，能在多大程度上实现所需的协调逻辑？
• RQ5 与集中式方法相比，去中心化更新协调在更新时间与消息开销方面表现如何？

主要发现

• 与集中式 Dionysus 方法相比，ez-Segway 将网络更新的中位时间最多减少45%。
• 在99百分位下，更新时间最多减少57%，接近光速作为主要限制因素。
• 由于消除了重复的控制器-交换机通信，消息开销相比集中式方法减少了65%。
• 该方法在真实硬件上可行，原型已在 OpenFlow 交换机上成功部署。
• P4 实现证实了计算开销极低，证明所需逻辑可在现代可编程交换机中高效实现。
• 流量分割与流量分流的结合有效防止了死锁和拥塞，同时支持并行更新。