[论文解读] End-to-End Network Delay Guarantees for Real-Time Systems using SDN

Rakesh Kumar, Monowar Hasan+5 more|arXiv (Cornell University)|Mar 5, 2017

Interconnection Networks and Systems参考文献 17被引用 7

一句话总结

本文提出了一种基于软件定义网络（SDN）的新框架，通过利用全局网络可视性来合成具有延迟感知的路径和交换机配置，从而为实时、高关键性网络流提供端到端延迟保障。该方法使商用现成（COTS）SDN交换机能够支持具有确定性时序的安全关键型应用，其有效性通过仿真和真实硬件实验得到验证。

ABSTRACT

We propose a novel framework that reduces the management and integration overheads for real-time network flows by leveraging the capabilities (especially global visibility and management) of software-defined networking (SDN) architectures. Given the specifications of flows that must meet hard real-time requirements, our framework synthesizes paths through the network and associated switch configurations - to guarantee that these flows meet their end-to-end timing requirements. In doing so, our framework makes SDN architectures "delay-aware" - remember that SDN is otherwise not able to reason about delays. Hence, it is easier to use such architectures in safety-critical and other latency-sensitive applications. We demonstrate our principles as well as the feasibility of our approach using both - exhaustive simulations as well as experiments using real hardware switches.

研究动机与目标

• 解决传统SDN架构中缺乏延迟推理的问题，该问题限制了其在安全关键型实时系统中的应用。
• 通过在单一SDN基础设施上统一各类流量，降低实时网络中的管理与集成开销。
• 利用集中式SDN控制和路径合成技术，为I类（高关键性）实时流提供端到端延迟保障。
• 通过使用可编程延迟控制的标准化COTS SDN交换机，克服A FD X和CAN等专有实时网络的局限性。
• 通过详尽的仿真和在COTS SDN交换机上的真实硬件实验，证明所提方案的可行性和有效性。

提出的方法

• 利用SDN的全局网络视图，对跨交换机和流的端到端延迟进行建模与推理。
• 合成满足I类流量硬实时延迟约束的最优网络路径和交换机配置。
• 将路径布局问题建模为最小成本路径（MCP）问题，以平衡延迟与资源使用。
• 通过建模每个交换机的队列延迟及其在网络路径上的累积效应，实现延迟感知的调度。
• 使用集中式SDN控制器计算并强制执行配置，以确保最坏情况下的延迟边界。
• 通过仿真环境和COTS SDN交换机上的真实硬件部署对框架进行验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 在当前SDN主要关注带宽和资源分配的背景下，如何扩展SDN以推理实时流的端到端延迟保障？
• RQ2 在集中式SDN架构中，哪些路径合成与配置策略能够确保高关键性（I类）流量的确定性延迟边界？
• RQ3 COTS SDN交换机能否在不依赖定制硬件的情况下有效满足严格的实时延迟需求？
• RQ4 与AFDX和CAN等现有实时网络协议相比，所提框架在灵活性、成本和可管理性方面有何优势？
• RQ5 动态流量和可变流工作负载对所提框架中延迟保障的稳定性与可行性有何影响？

主要发现

• 所提框架仅使用COTS SDN交换机和标准OpenFlow协议，成功为I类实时流提供了端到端延迟边界保障。
• 全局网络可视性的使用使得能够精确合成路径，同时考虑交换机级别的队列延迟及其他流的干扰。
• 与传统方法相比，该框架通过消除对实时流量专用、专有网络的需求，降低了系统复杂度和成本。
• 仿真和真实硬件实验在各种流量条件下均证实了延迟保障的可行性和正确性。
• 该方法可扩展且能适应流需求的动态变化，支持不同流量类别对网络基础设施的复用。
• 通过采用集中式、延迟感知的优化模型，该方案避免了先前工作依赖部分网络信息或固定路径约束的局限性。