[论文解读] Energy-aware Traffic Engineering in Hybrid SDN/IP Backbone Networks

Yunkai Wei, Xiaoning Zhang+2 more|arXiv (Cornell University)|May 12, 2016

Software-Defined Networks and 5G参考文献 25被引用 6

一句话总结

本文提出 HEATE，一种用于混合 SDN/IP 核心网络中节能流量工程的启发式算法。通过联合优化 IP 路由器中的 OSPF 链路权重和 SDN 交换机中的流量分劈比例，HEATE 将流量聚合到更少链路上，从而实现对利用率较低链路的关闭。仿真结果表明，即使在 SDN 部署极少的情况下，HEATE 的能效也分别比 EA-OSPF 和 EA-FA 提高了 13.2% 和 21.7%。

ABSTRACT

Software Defined Networking (SDN) can effectively improve the performance of traffic engineering and has promising application foreground in backbone networks. Therefore, new energy saving schemes must take SDN into account, which is extremely important considering the rapidly increasing energy consumption from Telecom and ISP networks. At the same time, the introduction of SDN in a current network must be incremental in most cases, for both technical and economic reasons. During this period, operators have to manage hybrid networks, where SDN and traditional protocols coexist. In this paper, we study the energy efficient traffic engineering problem in hybrid SDN/IP networks. We first formulate the mathematic optimization model considering SDN/IP hybrid routing mode. As the problem is NP-hard, we propose the fast heuristic algorithm named HEATE (Hybrid Energy-Aware Traffic Engineering). In our proposed HEATE algorithm, the IP routers perform the shortest path routing using the distribute OSPF link weight optimization. The SDNs perform the multi-path routing with traffic flow splitting by the global SDN controller. The HEATE algorithm finds the optimal setting of OSPF link weight and splitting ratio of SDNs. Thus traffic flow is aggregated onto partial links and the underutilized links can be turned off to save energy. By computer simulation results, we show that our algorithm has a significant improvement in energy efficiency in hybrid SDN/IP networks.

研究动机与目标

• 为应对电信和 ISP 网络中日益增长的能耗问题，设计适用于混合 SDN/IP 核心网络的节能型流量工程方案。
• 构建一个数学优化模型，以最小化共存 SDN 与传统 IP 路由的混合 SDN/IP 网络中的网络能耗。
• 开发一种快速启发式算法，联合优化 OSPF 链路权重与 SDN 交换机中的流量分劈比例，以实现节能。
• 利用真实网络拓扑与流量 trace 对所提算法的性能进行评估。

提出的方法

• 构建一个线性规划模型，以最小化混合 SDN/IP 网络中的能耗，同时考虑基于 OSPF 的最短路径路由与 SDN 支持的多路径路由。
• 提出 HEATE，一种两阶段启发式算法：首先通过邻域区域搜索优化 OSPF 链路权重，然后确定 SDN 交换机上的最优流量分劈比例。
• 利用集中式 SDN 控制器全局管理流量分劈，实现流量聚合与链路关闭，从而实现节能。
• 采用动态自适应机制，根据实时流量变化调整 OSPF 权重与分劈比例。
• 基于节点度数进行链路容量分配：POP1 到 POP1 链路为 2.5 Gbps，POP2 到 POP2 链路为 10 Gbps。
• 使用基于随机生成的流量矩阵模型（公式 12）来模拟多种场景下的真实流量需求。

实验结果

研究问题

• RQ1 在共存 SDN 与传统 IP 路由的混合 SDN/IP 核心网络中，如何实现最大化的能效？
• RQ2 如何配置最优的 OSPF 链路权重与 SDN 流量分劈比例组合，以最小化网络能耗？
• RQ3 在混合网络中，部署的 SDN 交换机数量如何影响节能效果？
• RQ4 对 OSPF 权重与流量分劈比例进行联合优化，相较于单独优化任一参数，其性能提升程度如何？

主要发现

• 与仅优化 OSPF 链路权重的 EA-OSPF 算法相比，HEATE 在能效方面平均提升了 13.2%。
• 与仅优化 SDN 交换机中流量分劈比例的 EA-FA 算法相比，HEATE 在能效方面平均提升了 21.7%。
• 随着部署的 SDN 交换机数量增加，节能比例迅速提升，当部署数量达到某一阈值时（Geant 网络为 16 个节点，Sprintlink 网络为 21 个节点）达到峰值。
• 超过该阈值后，进一步增加 SDN 部署带来的节能收益逐渐减少，表明大多数节能效果可通过最小程度的 SDN 集成实现。
• 即使仅部署 6 个 SDN 交换机，HEATE 也能实现显著的节能效果，证明其在低部署成本下仍具备高效率。
• 对 OSPF 权重与流量分劈比例的联合优化，能够有效实现流量聚合与低利用率链路的关闭，从而直接降低能耗。