[论文解读] A Survey of Controller Placement Problem in Software Defined Networks

Abha Kumari, Ashok Singh Sairam|arXiv (Cornell University)|May 12, 2019

Software-Defined Networks and 5G参考文献 175被引用 7

一句话总结

本综述对软件定义网络（SDN）中的控制器部署问题（CPP）提供了全面分析，评估了线性规划、多目标优化、启发式算法和博弈论等解决方案技术。它识别了关键性能指标，对现有CPP方法进行了分类，并指出了在动态重构、流量预测、移动性感知部署以及在物联网和传感器网络中部署方面存在的研究空白。

ABSTRACT

Software Defined Network (SDN) is an emerging network paradigm which provides a centralized view of the network by decoupling the network control plane from the data plane. This strategy of maintaining a global view of the network optimizes resource management. However, the implementation of SDN using a single physical controller lead to issues of scalability and robustness. A physically distributed but logically centralized SDN controller architecture promises to resolve both these issues. Distributed SDN along with its benefits brings along the problem of the number of controllers required and their placement in the network. This problem is referred to as the controller placement problem (CPP) and this paper is mainly concerned with the CPP solution techniques. The paper formally defines CPP, gives a comprehensive review of the various performance metrics and characteristics of the available CPP solutions. Finally, we point out the existing literature gap and discuss the future research direction in this domain.

研究动机与目标

• 系统分析SDN中的控制器部署问题（CPP）作为分布式SDN部署中的关键挑战。
• 识别并分类CPP研究中使用的性能指标与解决方案技术。
• 评估有线与无线网络中静态与自适应控制器部署之间的权衡。
• 突出未解决的挑战，如动态重构、流量预测和移动性感知部署。
• 识别研究空白并提出未来研究方向，包括控制器的增删、流表重定位，以及在物联网和传感器网络中的CPP。

提出的方法

• 将CPP正式定义为NP难的设施选址问题，重点关注最小化时延、负载均衡和故障容错。
• 根据交换机-控制器分配动态性，将CPP解决方案分类为静态与自适应映射策略。
• 将解决方案技术分类为精确方法（如线性规划）、元启发式方法（如遗传算法）以及博弈论方法。
• 分析控制平面时延、负载均衡、故障容错和网络可扩展性等性能指标。
• 调查不同网络领域中的CPP：有线、无线、光网络、物联网和传感器网络，特别关注领域特定约束。
• 评估动态重构挑战，如交换机迁移、控制器重定位以及节能型控制器启停管理。

实验结果

研究问题

• RQ1 用于评估SDN中控制器部署解决方案的关键性能指标有哪些？
• RQ2 静态与自适应控制器部署策略在设计与性能权衡方面有何不同？
• RQ3 当前CPP解决方案在处理动态流量模式和网络变化方面存在哪些局限性？
• RQ4 如何通过流量预测提升SDN中控制器部署与重分配的效率？
• RQ5 在物联网和移动网络等新兴领域中，部署CPP解决方案面临哪些开放挑战？

主要发现

• CPP被正式定义为NP难的设施选址问题，对分布式SDN中的可扩展性与鲁棒性具有重大影响。
• 大多数CPP解决方案依赖于当前或历史流量状况进行重分配，但未来工作应引入预测建模，以应对短 timescale 流量的混沌特性。
• 交换机迁移与控制器重定位通常缺乏系统性策略，特别是在选择未充分利用的控制器或最小化迁移开销方面。
• 流重定位是一种有前景但复杂的方法，因其需要多主支持与状态跟踪，与SDN集中控制原则相悖。
• 控制器的增删研究尚不充分，尤其是在动态环境中控制器开机/关机的能量与时间成本方面。
• 移动性感知的控制器部署仍是开放挑战，尤其在5G和家庭基站（femto-cell）网络中，传统移动性模型已不适用。