[论文解读] Fast failover of multicast sessions in software-defined networks

Jorik Oostenbrink, Niels L. M. van Adrichem+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 27, 2017

Software-Defined Networks and 5G参考文献 1被引用 4

一句话总结

本文提出一种适用于软件定义网络（SDN）中动态组播组的通用快速故障切换（FF）算法，通过在交换机中预先安装备份流规则，实现最多 F 路由链路故障下的快速恢复。该方法将恢复时间缩短至 0–8.333 ms，显著优于基于控制器的恢复机制，尤其在控制器-交换机延迟较高的情况下表现更优，但代价是交换机和控制器的内存与计算开销增加。

ABSTRACT

With the rapid growth of services that stream to groups of users comes an increased importance of and demand for reliable multicast. In this paper, we turn to software-defined networking and develop a novel general-purpose multi-failure protection algorithm to provide quick failure recovery, via Fast Failover (FF) groups, for dynamic multicast groups. This extends previous research, which either could not realize fast failover, worked only for single link failures, or was only applicable to static multicast groups. However, while FF is know to be fast, it requires pre-installing back-up rules. These additional memory requirements, which in a multicast setting are even more pronounced than for unicast, are often mentioned as a big disadvantage of using FF. We develop an OpenFlow application for resilient multicast, with which we study FF resource usage, in an attempt to better understand the trade-off between recovery time and resource usage. Our tests on a realistic network suggest that using FF groups can reduce the recovery time of the network significantly compared to other methods, especially when the latency between the controller and the switches is relatively large.

研究动机与目标

• 解决 SDN 中动态组播组（可随时加入或退出）缺乏快速、可靠故障容错机制的问题。
• 克服现有基于单播或静态组播组的保护机制在 SDN 中的局限性。
• 在真实网络拓扑中评估快速恢复与资源开销（内存、计算）之间的权衡。
• 证明基于 FF 的组播恢复显著快于基于控制器的恢复机制，尤其在控制器-交换机延迟较高时。

提出的方法

• 设计一种适用于组播的通用 FF 算法，通过预先计算并安装备份路径，支持最多 F 条链路故障。
• 将 FF 算法集成到基于 OpenFlow 的控制器应用程序中，以管理动态组播组并强制执行故障切换规则。
• 采用两种树构建方法——最短路径树（SPT）和不相交最短路径树（DST）——以比较备份路径的效率与资源使用情况。
• 在交换机中预安装备份流条目和组表，以实现无需控制器参与的交换机本地故障切换。
• 在不同故障场景和控制器-交换机延迟条件下，使用真实网络拓扑（GÉANT 和完全图）测量性能。
• 使用 OpenFlow 1.3+ 的组表和流条目实现快速故障切换，以在链路故障时实现硬件级别的快速切换。

实验结果

研究问题

• RQ1 快速故障切换能否有效扩展至 SDN 中的动态组播组，而不仅限于单播或静态组播场景？
• RQ2 在控制器-交换机往返延迟变化的情况下，基于 FF 的组播恢复时间与基于控制器的恢复方法相比如何？
• RQ3 部署 FF 用于组播的资源开销（内存、计算）是多少？其随故障数量（F）和网络规模的增加如何变化？
• RQ4 不同的树构建算法（SPT 与 DST）如何影响所需流条目数量、组表数量以及交换机中的标签数量？
• RQ5 随着组播组数量的增加，FF 的恢复时间是否保持稳定且较低，而基于控制器的方法则不然？

主要发现

• 快速故障切换将单链路和多链路故障的恢复时间缩短至 0–8.333 ms，显著快于基于控制器的方法。
• 与快速树切换相比，FF 的恢复时间在组播组数量或流条目安装时间变化时保持稳定且较低。
• 完全图拓扑显示出更高的计算时间（最高达 1.774 ms），且流条目在特定交换机中更为集中，尤其是在 SPT 情况下。
• SPT 方法中组表使用量最高（所有组表集中于一个交换机），而 DST 方法中最低（每交换机最多 18 个组表），表明 SPT 在负载分布方面效率较低。
• 在单链路情况下，标签使用量最小且一致（每订阅者 1 个标签），但在 F=3 情况下显著增加，尽管在完全图中仍处于可管理范围。
• 在无控制器-交换机延迟时，快速树切换实现 0% 的丢包率；但存在延迟时，三链路故障的恢复时间增加至 533.333–550 ms，凸显了控制器的性能瓶颈。