[논문 리뷰] Energy-aware Traffic Engineering in Hybrid SDN/IP Backbone Networks

Yunkai Wei, Xiaoning Zhang외 2명|arXiv (Cornell University)|2016. 05. 12.

Software-Defined Networks and 5G참고 문헌 25인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 하이브리드 SDN/IP 백본 네트워크에서 에너지 효율적인 트래픽 엔지니어링을 위한 히우리스틱 알고리즘인 HEATE를 제안한다. IP 라우터의 OSPF 링크 가중치와 SDN 스위치의 트래픽 분할 비율을 공동으로 최적화함으로써, 트래픽을 더 적은 링크로 집중시켜 미사용 중인 링크를 끄는 것을 가능하게 한다. 시뮬레이션 결과, 최소한의 SDN 도입 조건에서도 HEATE는 EA-OSPF와 비교해 13.2% 더 높은 에너지 절감 효과를, EA-FA와 비교해 21.7% 더 높은 에너지 절감 효과를 달성한다.

ABSTRACT

Software Defined Networking (SDN) can effectively improve the performance of traffic engineering and has promising application foreground in backbone networks. Therefore, new energy saving schemes must take SDN into account, which is extremely important considering the rapidly increasing energy consumption from Telecom and ISP networks. At the same time, the introduction of SDN in a current network must be incremental in most cases, for both technical and economic reasons. During this period, operators have to manage hybrid networks, where SDN and traditional protocols coexist. In this paper, we study the energy efficient traffic engineering problem in hybrid SDN/IP networks. We first formulate the mathematic optimization model considering SDN/IP hybrid routing mode. As the problem is NP-hard, we propose the fast heuristic algorithm named HEATE (Hybrid Energy-Aware Traffic Engineering). In our proposed HEATE algorithm, the IP routers perform the shortest path routing using the distribute OSPF link weight optimization. The SDNs perform the multi-path routing with traffic flow splitting by the global SDN controller. The HEATE algorithm finds the optimal setting of OSPF link weight and splitting ratio of SDNs. Thus traffic flow is aggregated onto partial links and the underutilized links can be turned off to save energy. By computer simulation results, we show that our algorithm has a significant improvement in energy efficiency in hybrid SDN/IP networks.

연구 동기 및 목표

• 통신 및 ISP 네트워크의 증가하는 에너지 소비 문제를 해결하기 위해, 하이브리드 SDN/IP 백본 네트워크를 대상으로 에너지 효율적인 트래픽 엔지니어링 기법을 설계한다.
• 공존하는 SDN 및 전통적인 IP 라우팅 환경을 고려해, 하이브리드 SDN/IP 네트워크의 네트워크 에너지 소비를 최소화하는 수학적 최적화 모델을 수립한다.
• OSPF 링크 가중치와 SDN 스위치의 트래픽 분할 비율을 공동으로 최적화하여 에너지 절감을 달성하는 빠른 히우리스틱 알고리즘을 개발한다.
• 실세계 네트워크 구조와 트래픽 트레이스를 사용하여 제안된 알고리즘의 성능을 평가한다.

제안 방법

• OSPF 기반 최단경로 라우팅과 SDN 기반 다중경로 라우팅을 모두 고려한 선형 프로그래밍 모델을 수립하여 하이브리드 SDN/IP 네트워크의 에너지 소비를 최소화한다.
• HEATE를 제안한다: 두 단계 히우리스틱. 첫 번째 단계는 이웃 영역 탐색을 통해 OSPF 링크 가중치를 최적화하고, 두 번째 단계는 SDN 스위치에서 최적의 트래픽 분할 비율을 결정한다.
• 중앙집중식 SDN 컨트롤러를 활용해 전역적으로 트래픽 분할을 관리함으로써 트래픽 집중화와 링크 종료를 가능하게 하여 에너지 절감을 달성한다.
• 실시간 트래픽 변화에 대응하기 위해 동적이고 적응형 메커니즘을 도입하여 OSPF 가중치와 분할 비율을 조정한다.
• 노드의 차수에 기반한 링크 용량 할당을 통합: POP1-POP1 링크는 2.5 Gbps, POP2-POP2 링크는 10 Gbps.
• 다양한 시나리오에서 현실적인 트래픽 수요를 시뮬레이션하기 위해 확률적 트래픽 행렬 생성 모델(Eq. 12)을 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 공존하는 SDN과 전통적인 IP 라우팅 환경을 가진 하이브리드 SDN/IP 백본 네트워크에서 에너지 효율성을 어떻게 극대화할 수 있는가?
• RQ2 네트워크 에너지 소비를 최소화하기 위해 OSPF 링크 가중치와 SDN 트래픽 분할 비율을 어떻게 최적의 조합으로 설정할 수 있는가?
• RQ3 배치된 SDN 기반 스위치의 수가 하이브리드 네트워크의 에너지 절감에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 OSPF 가중치와 트래픽 분할 비율을 공동으로 최적화하는 것이 각각 개별적으로 최적화하는 것보다 얼마나 더 우수한가?

주요 결과

• HEATE는 단지 OSPF 링크 가중치만 최적화하는 EA-OSPF 대비 평균 13.2% 높은 에너지 효율성을 달성한다.
• HEATE는 단지 SDN 스위치의 트래픽 분할 비율만 최적화하는 EA-FA 대비 평균 21.7% 높은 에너지 효율성을 달성한다.
• 배치된 SDN 기반 스위치의 수가 증가함에 따라 에너지 절감 비율이 급격히 증가하며, Geant에서는 16개 노드, Sprintlink에서는 21개 노드에 도달할 때 정점에 도달한다.
• 이 정점 이후 추가적인 SDN 도입은 수익 감소 효과를 보이며, 대부분의 에너지 절감 효과는 최소한의 SDN 통합으로 달성됨을 시사한다.
• 단지 6개의 SDN 기반 스위치만 도입되어도 HEATE는 뚜렷한 에너지 절감 효과를 달성하여 낮은 도입 비용으로도 높은 효율성을 입증한다.
• OSPF 가중치와 트래픽 분할 비율의 공동 최적화를 통해 효과적인 트래픽 집중화와 미사용 링크 종료가 가능해져 직접적으로 에너지 소비를 감소시킨다.