[论文解读] Impact of SDN Controllers Deployment on Network Availability

Gianfranco Nencioni, Bjarne E. Helvik+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 16, 2017

Software-Defined Networks and 5G参考文献 6被引用 11

一句话总结

本文评估了软件定义网络（SDN）控制器部署——特别是控制器冗余、归属方式和位置——对国家级骨干网络可用性的影响。通过结合结构可靠性模型与动态可靠性模型的两级分层建模方法，研究发现：双归属的双控制器配置可实现与传统IP网络相当的可用性，而三重或四重归属则无法提升可用性但显著增加成本。三或四个控制器可大幅降低不可用性，但部署成本极高，且控制器位置对可用性影响可忽略不计。

ABSTRACT

Software-defined networking (SDN) promises to improve the programmability and flexibility of networks, but it may bring also new challenges that need to be explored. The purpose of this technical report is to assess how the deployment of the SDN controllers affects the overall availability of SDN. For this, we have varied the number, homing and location of SDN controllers. A two-level modelling approach that is used to evaluate the availability of the studied scenarios. Our results show how network operators can use the approach to find the optimal cost implied by the connectivity of the SDN control platform by keeping high levels of availability.

研究动机与目标

• 评估SDN控制器部署——包括数量、归属方式和位置——对端到端网络可用性的影响。
• 在相同拓扑结构下，比较SDN网络与传统IP路由网络的可用性表现。
• 识别在保持高可用性的同时最小化部署开销的高性价比配置方案。
• 评估SDN控制平面设计中容错性、冗余性与运营成本之间的权衡关系。

提出的方法

• 采用两级分层可用性建模方法，将网络结构拓扑与动态故障行为分离建模。
• 结构模型使用可靠性框图或故障树表示组件间的依赖关系与故障模式。
• 动态模型采用马尔可夫模型或随机奖励网络，以捕捉网络单元与控制器的故障及恢复过程。
• 使用 $α$ 因子（$\alpha_S$、$\alpha_H$、$\alpha_O$、$\alpha_C$）对故障强度进行参数化，分别代表软件、硬件、运维与覆盖相关的故障率。
• 该模型应用于一个包含四个挪威城市共10个节点的真实国家级骨干网络，涵盖双归属与多归属控制器。
• 实验场景涵盖控制器数量（1–4个）、归属方式（单归属、双归属、三重归属、四重归属）与位置变化，以评估对可用性的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 SDN控制器的数量如何影响国家级骨干网络的整体可用性？
• RQ2 控制器归属方式（单归属、双归属、三重归属、四重归属）对网络可用性与部署成本有何影响？
• RQ3 SDN控制器的地理位置是否会影响大规模骨干网络的可用性？
• RQ4 在相同拓扑结构与故障模型下，SDN可用性与传统IP路由网络相比如何？
• RQ5 控制器冗余、可用性与部署成本之间的最优权衡是什么？

主要发现

• 单归属控制器导致不可用性相比双归属配置增加约十倍，表明存在严重的可用性风险。
• 双归属的双控制器配置可实现与传统IP网络相当的可用性水平，是可行且高性价比的解决方案。
• 三重或四重归属控制器在可用性方面无法显著优于双归属，但部署成本大幅上升。
• 三或四个双归属控制器相比双控制器可将不可用性降低两个数量级，相比传统IP网络也降低两个数量级，但代价高昂。
• 控制器位置对整体网络可用性无显著影响，表明其部署可优先考虑成本或时延，而不影响可靠性。
• 研究证实，通过多个控制器实现冗余比增加单个控制器的归属数更有效提升可用性。