[论文解读] Dual-structure Data Center Multicast Using Software Defined Networking

Wenzhi Cui, Chen Qian|arXiv (Cornell University)|Mar 31, 2014

Software-Defined Networks and 5G参考文献 27被引用 15

一句话总结

本文提出双结构组播（DuSM），一种基于软件定义网络（SDN）的数据中心网络可扩展组播解决方案。DuSM 将组播组分类为‘大象’（高流量）和‘老鼠’（低流量）两类，对大象组使用多条共享树实现负载均衡，对老鼠组采用无状态组播（如组播转单播转换）技术。与 IP 组播相比，该方法将组播组支持能力提升 300%，同时实现链路间更优的流量负载均衡。

ABSTRACT

Data center applications use multicast as an effective method to reduce bandwidth cost. However, traditional multicast protocols designed for IP networks are usually bottlenecked by the limited state capacity on switches. In this paper, we propose a scalable multicast solution on fat tree networks based on the observation that data center multicast traffic has strong heterogeneity. We propose to remove the multicast management logic from switches and use the SDN controller to manage multicast groups. The proposed Dual-structure Multicast (DuSM) determines elephant and mice groups according to their traffic amounts and treats them separately. For each elephant group, the controller installs multicast state to maintain multiple shared trees and the group traffic will be balanced evenly among the trees to avoid congestion. For mice groups, the controller applies state-free mutlicast that trades bandwidth capacity for state capacity, such as multicast-to-unicast translation. Our experiments using real multicast traffic data show that the number of groups DuSM supports can be 300% of that of IP multicast. DuSM also achieves traffic balance among links.

研究动机与目标

• 解决传统 IP 组播在数据中心网络中因交换机组播状态容量有限而导致的可扩展性限制问题。
• 利用数据中心组播中流量异构性的特点——少数组播组占据主导带宽使用——通过将组播组划分为大象和老鼠两类来加以利用。
• 设计一种集中式、基于 SDN 的组播管理机制，以优化状态使用并实现链路间流量的均衡分配。
• 通过为高流量组播组使用多条共享树、为低流量组播组使用无状态技术，减少网络拥塞并提升带宽效率。

提出的方法

• SDN 控制器收集网络信息，并根据流量大小对组播组进行分类，区分大象组与老鼠组。
• 对于大象组，控制器安装多条共享组播树（Steiner 树），以均匀分配流量并防止拥塞。
• 对于老鼠组，控制器应用无状态组播技术，如组播转单播转换，以节省组播状态空间。
• 系统使用集中式控制器计算并安装交换机上的转发规则，实现动态且拓扑感知的组播路由。
• 该设计基于数据中心的真实组播流量 trace 进行评估，实现与测试均在 ns-2 模拟器中完成。
• 该方法利用胖树拓扑中的多条并行路径，提升负载均衡效果，避免瓶颈。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以通过区分高流量与低流量组播组的双结构方法，提升数据中心网络中的组播可扩展性？
• RQ2 如何利用 SDN 实现组播组的集中管理，减少对交换机级组播状态的依赖？
• RQ3 对老鼠组使用无状态组播技术，在不降低带宽效率的前提下，能在多大程度上减少组播状态空间的占用？
• RQ4 多条共享组播树是否能有效平衡高流量（大象）组的流量并防止拥塞？
• RQ5 与传统 IP 组播相比，所提出的系统在支持的组播组数量和链路负载均衡方面表现如何？

主要发现

• 通过分类与无状态技术减少组播状态使用，DuSM 相较于传统 IP 组播最多可支持多 300% 的组播组。
• 通过将大象组流量分布到多条共享树上，系统实现了更优的链路间流量负载均衡。
• 对老鼠组使用无状态组播技术，显著减少了交换机上所需的组播状态空间，使在通用硬件上实现可扩展性成为可能。
• 集中式 SDN 控制器的使用实现了动态且拓扑感知的组播路由，提升了整体网络效率。
• 该方法降低了控制器对交换机更新的开销，缓解了大规模部署中潜在的可扩展性瓶颈。
• 基于真实数据中心流量 trace 的实验评估证实，DuSM 在提升可扩展性与负载均衡方面具有显著有效性。