[論文レビュー] SDN for End-Nodes: Scenario Analysis and Architectural Guidelines

Alberto Rodríguez-Natal, Vina Ermagan+5 more|arXiv (Cornell University)|Mar 16, 2018

Software-Defined Networks and 5G参考文献 12被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、インターネット全体にまたがる数百万の一時的で移動可能なエンドノード（例：スマートフォン）を管理するための分散型で意図駆動のSDNアーキテクチャを提案する。スケーラビリティ、モビリティ、リソース制限の課題に対処するため、接続なしでプルベースのサウスバウンドインターフェースと対称的コントローラ設計を導入し、プロトタイプ実装により、状態取得および構成更新の遅延が100ms未塔であることを実証した。

ABSTRACT

The advent of SDN has brought a plethora of new architectures and controller designs for many use-cases and scenarios. Existing SDN deployments focus on campus, datacenter and WAN networks. However, little research efforts have been devoted to the scenario of effectively controlling a full deployment of end-nodes (e.g. smartphones) that are transient and scattered across the Internet. In this paper, we present a rigorous analysis of the challenges associated with an SDN architecture for end-nodes, show that such challenges are not found in existing SDN scenarios, and provide practical design guidelines to address them. Then, and following these guidelines we present a reference architecture based on a decentralized, distributed and symmetric controller with a connectionless pull-oriented southbound and an intent-driven northbound. Finally, we measure a proof-of-concept deployment to assess the validity of the analysis as well as the architecture.

研究の動機と目的

• スマートフォンや個人デバイスなどのエンドノード向けSDN制御に関する研究の不足に対処すること。
• エンドノードSDN展開における独自の課題を特定すること：巨大スケール、高い変動性、モビリティ、異種性、および低帯域幅局在性。
• 従来のデータセンターやWAN向けSDNとは異なる、エンドノードの制約に特化した設計ガイドラインを策定すること。
• 大規模かつ動的なエンドノード管理を可能にする参照アーキテクチャを提案・検証すること。低遅延を実現すること。

提案手法

• グローバルに分散されたエンドノード間でスケーラビリティとフェイルセーフを向上させるために、分散型で対称的なコントローラアーキテクチャを設計する。
• 状態同期のオーバーヘッドを低減し、断続的接続をサポートするために、接続なしでプル指向のサウスバウンドインターフェースを実装する。
• ポリシー構成の抽象化と高水準なアプリケーション固有の制御を可能にするために、意図駆動のノースバウンドインターフェースを採用する。
• 制御状態をコントローラーから分離するために、永続的状態保存のための分散データベース（Cassandra）を活用する。
• 構成交換にはNETCONF、状態永続化にはCassandraを用いたプロトタイプ実装を構築する。
• 状態取得、構成更新、エンドノードブートストラッププロセスの遅延に関するCDF測定を用いて性能を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのようにしてSDNを、多様で制御不能なネットワークを横断する数百万の一時的で移動可能なエンドノードに効果的にスケーリングできるか？
• RQ2 従来のSDNコントローラとは異なり、エンドノードの高い変動性、モビリティ、断続的接続を処理するにはどのようなアーキテクチャパターンが必要か？
• RQ3 エンドノードネットワークに中央集権的な制御がない状況でも、分散型で対称的なコントローラ設計が可用性とスケーラビリティをどのように確保できるか？
• RQ4 エンドノードSDNにおける状態同期にプルベースで接続なしのサウスバウンドインターフェースを使用する場合、性能にどのような影響があるか？
• RQ5 意図駆動のノースバウンドインターフェースは、異種でリソース制限のあるエンドノードにおいて、ポリシー管理をどの程度簡素化できるか？

主な発見

• プロトタイプ実装により、エンドノードの状態取得遅延は平均で約100msであり、地理的距離（ヨーロッパ、米国西部、米国東部）に応じた3つのクラスタリングが確認された。
• ノースバウンドの状態更新遅延は、エンドノードの伝送遅延が排除されたため、サウスバウンドの取得遅延よりも約50ms短く、NIBサイズにほとんど依存しなかった。
• 40万ノード規模において7,000回の反復でエンドノードブートストラップ遅延は平均100ms未塔であり、効率的な構成配信が可能であることが示された。
• 遅延のばらつきは主にネットワーク状態とトラフィック生成のランダム性に起因し、NIBサイズとは無関係であった。これにより、アーキテクチャのスケーラビリティが裏付けられた。
• Cassandraを用いた制御状態とコントローラーの分離により、高負荷下でも一貫したパフォーマンスを実現した。
• 提案された設計ガイドライン（分散化、プルベース通信、意図駆動制御、状態分離）が、エンドノードSDNにおいて実現可能かつ効果的であることが結果から裏付けられた。