[论文解读] How Better is Distributed SDN? An Analytical Approach

Ziyao Zhang, Liang Ma+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 12, 2017

Software-Defined Networks and 5G参考文献 16被引用 3

一句话总结

本文提出了首个用于量化分布式软件定义网络（SDN）中基于同步水平和网络结构的性能提升的分析框架。通过使用通用加权网络模型，推导出在四种同步场景——最小同步、单同步、部分同步和完全同步——下的平均路径长度（APL）理论边界，证明了完全同步可实现高达60%的APL降低，且在中等同步水平以上性能增益呈现边际递减趋势。

ABSTRACT

Distributed software-defined networks (SDN), consisting of multiple inter-connected network domains, each managed by one SDN controller, is an emerging networking architecture that offers balanced centralized control and distributed operations. Under such networking paradigm, most existing works focus on designing sophisticated controller-synchronization strategies to improve joint controller-decision-making for inter-domain routing. However, there is still a lack of fundamental understanding of how the performance of distributed SDN is related to network attributes, thus impossible to justify the necessity of complicated strategies. In this regard, we analyze and quantify the performance enhancement of distributed SDN architectures, influenced by intra-/inter-domain synchronization levels and network structural properties. Based on a generic weighted network model, we establish analytical methods for performance estimation under four synchronization scenarios with increasing synchronization cost. Moreover, two of these synchronization scenarios correspond to extreme cases, i.e., minimum/maximum synchronization, which are, therefore, capable of bounding the performance of distributed SDN with any given synchronization levels. Our theoretical results reveal how network performance is related to synchronization levels and inter-domain connections, the accuracy of which are confirmed by simulations based on both real and synthetic networks. To the best of our knowledge, this is the first work quantifying the performance of distributed SDN analytically, which provides fundamental guidance for future SDN protocol designs and performance estimation.

研究动机与目标

• 为解决当前对网络属性如何影响分布式SDN性能缺乏根本性理解的问题。
• 量化分布式SDN在控制器间同步水平和网络拓扑关系下的性能提升。
• 在不同同步场景下建立平均路径长度（APL）的理论边界。
• 通过在真实和合成网络上的仿真验证分析模型。
• 通过揭示同步成本与路由效率之间的性能权衡，为未来SDN协议设计提供指导。

提出的方法

• 提出一种通用加权网络模型，包含m个域，每个域包含n个节点，域间网关建模为具有权重β的随机连接。
• 推导出在四种同步水平下（最小同步（MS）、单同步（SS）、部分同步（PS）和完全同步（CS））的APL解析表达式。
• 基于β^(k-1)的简化近似方法，用于估算k跳总线网络中的路由选择数量，从而实现对PS和CS场景下APL的高效计算。
• 应用概率分析，基于网关密度和同步水平估算可用的域间路径数量。
• 通过在30个真实和合成网络实例上的仿真验证理论预测，每个实例包含50对源-目的地。
• 利用推论7解释当β值较高时APL收敛至常数的现象，表明性能增益的边际递减。

实验结果

研究问题

• RQ1 在分布式SDN中，平均路径长度（APL）如何随控制器间同步水平的变化而变化？
• RQ2 在最小和最大同步水平下，分布式SDN的理论性能边界是什么？
• RQ3 网络结构参数（如每个域的网关数量β）如何影响路由性能？
• RQ4 额外同步在多大程度上导致APL降低的边际递减？
• RQ5 理论模型能否在多样化的真实和合成网络拓扑中准确预测APL？

主要发现

• 完全同步（CS）实现最低可能的APL，作为理论下界，相比最小同步（MS）可降低高达60%。
• 单同步（SS）仅提供域内链路权重信息，相比MS可将APL降低高达50%，表明仅需极少额外信息即可获得显著收益。
• 部分同步（PS）表现出边际递减：当τ从2增至3时，APL改善微乎其微，尤其在β较低时，表明收益-成本比急剧下降。
• 随着β增大，由于网关密度提高，可用路由选项增多，APL随之降低，但当β较高时，APL收敛至常数，与推论7的理论预测一致。
• 理论APL估计值在所有同步水平和网络类型下均与仿真结果高度吻合，证实了分析模型的高精度。
• 即使在最小同步（MS）下，APL仍显著小于网络规模（20,000个节点），凸显了分布式SDN固有的可扩展优势。