[论文解读] EASM: Efficiency-Aware Switch Migration for Balancing Controller Loads in Software-Defined Networking

Tao Hu, Julong Lan+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 23, 2017

Software-Defined Networks and 5G被引用 7

一句话总结

本文提出EASM，一种新型的软件定义网络（SDN）交换机迁移方案，可在优化迁移效率的同时平衡控制器负载。通过联合考虑负载均衡率与迁移成本，利用负载差异矩阵和触发因子，EASM将控制器响应时间平均降低21.9%，吞吐量平均提升30.4%，在动态网络条件下优于基线方法。

ABSTRACT

Distributed multi-controller deployment is a promising method to achieve a scalable and reliable control plane of Software-Defined Networking (SDN). However, it brings a new challenge for balancing loads on the distributed controllers as the network traffic dynamically changes. The unbalanced load distribution on the controllers will increase response delay for processing flows and reduce the controllers'throughput. Switch migration is an effective approach to solve the problem. However, existing schemes focus only on the load balancing performance but ignore migration efficiency, which may result in high migration costs and unnecessary control overheads. This paper proposes Efficiency-Aware Switch Migration (EASM) to balance the controllers'loads and improve migration efficiency. We introduce load difference matrix and trigger factor to measure load balancing on controllers. We also introduce the migration efficiency problem, which considers load balancing rate and migration cost simultaneously to optimally migrate switches. We propose EASM to efficiently solve to the problem. The simulation results show that EASM outperforms baseline schemes by reducing the controller response time by about 21.9%, improving the controller throughput by 30.4% on average, maintaining good load balancing rate, low migration costs and migration time, when the network scale changes.

研究动机与目标

• 解决由于动态网络流量导致的分布式SDN控制平面中控制器负载不均衡的问题。
• 降低仅以负载均衡为目标的交换机迁移方案中的控制开销和迁移成本。
• 提出一种能同时优化负载均衡性能与迁移效率的方法。
• 在不同网络规模下维持低响应时间与高吞吐量。

提出的方法

• 引入负载差异矩阵，对分布式控制器之间的负载不均衡情况进行定量测量。
• 定义触发因子，根据负载偏差确定最优的交换机迁移启动时机。
• 将迁移效率问题建模为负载均衡率与迁移成本之间的权衡。
• 设计EASM作为集中式优化算法，通过选择最优迁移交换机以最小化总成本并提升负载均衡性。
• 采用基于仿真的评估方法，在不同网络规模下对比EASM与基线方案的性能。
• 在评估框架中同时将响应时间与吞吐量作为关键性能指标。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何优化交换机迁移，以在SDN中实现控制器负载均衡的同时最小化迁移开销？
• RQ2 在分布式控制器架构中，哪些指标最能反映负载均衡有效性与迁移成本之间的权衡？
• RQ3 在规模与流量动态变化的网络条件下，所提出的EASM方案表现如何？
• RQ4 与现有方案相比，EASM在多大程度上降低了控制器响应时间并提升了吞吐量？
• RQ5 负载差异矩阵与触发因子是否能有效指导高效且及时的交换机迁移决策？

主要发现

• 与基线方案相比，EASM平均将控制器响应时间降低约21.9%。
• 在不同网络规模下，控制器吞吐量平均提升30.4%。
• EASM在显著降低迁移成本与迁移时间的同时，维持了较高的负载均衡率。
• 该方案在不同网络规模下，所有指标（响应时间、吞吐量与成本）均表现更优。
• 负载差异矩阵与触发因子的集成实现了低控制开销下的及时且高效的迁移决策。