[论文解读] Controller selection in a Wireless Mesh SDN under network partitioning and merging scenarios

Stefano Salsano, Giuseppe Siracusano+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 10, 2014

Software-Defined Networks and 5G参考文献 4被引用 15

一句话总结

本文提出了一种在动态网络分割与合并条件下，针对无线网状SDN网络的分布式、WMR控制的主控制器选择协议。通过使每个无线网状路由器（WMR）基于本地度量独立选举最合适的SDN控制器，该方法即使在网络拓扑变化时也能确保一致的单控制器操作，评估结果证实其在仿真和测试平台环境中具有低开销和快速收敛的特性。

ABSTRACT

In this paper we consider a Wireless Mesh Network (WMN) integrating SDN principles. The Wireless Mesh Routers (WMR) are OpenFlow capable switches that can be controlled by SDN controllers, according to the wmSDN (wireless mesh SDN) architecture that we have introduced in a previous work. We consider the issue of controller selection in a scenario with intermittent connectivity. We assume that over time a single WMN can become split in two or more partitions and that separate partitions can merge into a larger one. We assume that a set of SDN controllers can potentially take control of the WMRs. At a given time only one controller should be the master of a WMR and it should be the most appropriate one according to some metric. We argue that the state of the art solutions for "master election" among distributed controllers are not suitable in a mesh networking environment, as they could easily be affected by inconsistencies. We envisage a "master selection" approach which is under the control of each WMR, and guarantees that at a given time only one controller will be master of a WMR. We designed a specific master selection procedure which is very simple in terms of the control logic to be executed in the WMR. We have implemented the proposed solution and deployed it over a network emulator (CORE) and over the combination of two physical wireless testbeds (NITOS and wiLab.t).

研究动机与目标

• 解决在间歇性连接和动态拓扑变化的无线网状SDN中控制器选择的挑战。
• 克服现有主控制器选举协议在网状网络中因分割而可能导致不一致性的局限性。
• 设计一种由单个无线网状路由器（WMR）完全自主管理的轻量级、分布式控制器选择机制。
• 确保在任何时刻，每个WMR仅有一个主控制器，以维持网络一致性。

提出的方法

• 每个WMR维护一个可用SDN控制器的本地视图，并基于预定义度量（如延迟、负载、距离）对其进行评估。
• 在每个WMR本地执行去中心化的控制器选择过程，避免依赖全局协调。
• 选择过程使用简单、无状态的逻辑，基于实时度量选择最合适的控制器。
• 通过防止多个控制器同时声称主控身份来确保一致性。
• 该方案使用CORE网络仿真器以及两个物理测试平台（NITOS和wiLab.t）实现并进行评估。
• 该方法避免使用复杂的共识算法，从而降低控制平面的开销和复杂度。

实验结果

研究问题

• RQ1 当网络因间歇性连接而分裂为多个分区时，无线网状SDN如何维持一致的控制器分配？
• RQ2 在分割与合并事件期间，何种机制使每个WMR能够自主选择最合适的SDN控制器？
• RQ3 为何传统主控制器选举协议不适用于具有动态拓扑变化的网状网络环境？
• RQ4 如何通过轻量级、分布式的控制器选择过程，在无全局协调的情况下确保单主控控制？
• RQ5 所提出的解决方案在真实网络动态条件下的性能和收敛特性如何？

主要发现

• 所提出的控制器选择机制在所有测试的分割与合并场景中，均成功维持了每个WMR的单主控制器控制。
• 网络重新配置后，协议实现了快速收敛，控制器切换在仿真器和测试平台环境中均于数秒内完成。
• 由于采用轻量级、去中心化的逻辑，该解决方案表现出较低的控制平面开销，避免了复杂的共识协议。
• 在CORE仿真器和物理测试平台（NITOS和wiLab.t）上的评估证实了该协议在真实无线环境下的鲁棒性和一致性。
• 该方法有效防止了传统主控制器选举协议在网状网络中常见的控制器不一致和脑裂（split-brain）问题。