[论文解读] Local Fast Rerouting with Low Congestion: A Randomized Approach

Gregor Bankhamer, Robert Elsässer⋆+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 3, 2020

Software-Defined Networks and 5G参考文献 39被引用 10

一句话总结

本文提出了一种针对高度连通网络的随机化本地快速重路由算法，在多重链路故障下实现了次对数级的拥塞，显著优于确定性方法。通过利用随机排列和共享随机性，算法在高概率下确保低负载，从而在无需控制平面干预的情况下，实现数据中心和广域网中稳健、可扩展的故障恢复。

ABSTRACT

Most modern communication networks include fast rerouting mechanisms, implemented entirely in the data plane, to quickly recover connectivity after link failures. By relying on local failure information only, these data plane mechanisms provide very fast reaction times, but at the same time introduce an algorithmic challenge in case of multiple link failures: failover routes need to be robust to additional but locally unknown failures downstream. This paper presents local fast rerouting algorithms which not only provide a high degree of resilience against multiple link failures, but also ensure a low congestion on the resulting failover paths. We consider a randomized approach and focus on networks which are highly connected before the failures occur. Our main contribution are three simple algorithms which come with provable guarantees and provide interesting resilience-load tradeoffs, significantly outperforming any deterministic fast rerouting algorithm with high probability.

研究动机与目标

• 解决大规模网络中在多重未知链路故障下本地快速重路由导致的高拥塞问题。
• 克服确定性算法固有的局限性，即使在高度连通的拓扑结构中，其拥塞界仍为多项式级别。
• 设计随机化故障切换策略，以高概率确保低拥塞和高弹性，同时保持无环路径和无分组重排序。
• 将所提算法扩展至Clos重树数据中心网络等实际拓扑，展示其适应性和性能提升。
• 提供关于拥塞和负载分布的理论保证，表明相比确定性界，实现了指数级改进。

提出的方法

• 基于邻居节点的随机排列设计随机化故障切换规则，以分散流量并避免确定性拥塞模式。
• 在节点间引入共享随机性（polylog n位）以协调重路由决策，进一步降低负载，尤其在基于目的地的方案中效果显著。
• 通过每层使用独立排列的分层图构造，建模多跳重路由路径并限制环路形成。
• 利用概率分析和集中不等式（如二项尾部界限）证明拥塞在高概率下保持较低水平。
• 将重路由过程建模为图变换序列（G′, G′′），以模拟故障引发的拓扑变化并分析流量累积。
• 通过利用生成树和模拟分层网络结构中的随机行为，将核心算法适配至Clos重树拓扑。

实验结果

研究问题

• RQ1 随机化算法能否打破确定性本地快速重路由中固有的多项式拥塞下界？
• RQ2 在本地重路由方案中，多重故障下的弹性与拥塞之间可实现怎样的权衡？
• RQ3 节点间共享随机性如何在无需全局协调的情况下降低拥塞？
• RQ4 所提出的随机化协议在多大程度上可适配现实世界拓扑（如Clos重树数据中心网络）？
• RQ5 在随机化故障切换规则下，任意节点或链路的最大负载是多少？其随故障数量的扩展特性如何？

主要发现

• 第一个算法确保最多O(polylog n)个节点的负载为O(polylog n)，其余所有节点的负载限制在O(log n log log n)以内，且高概率成立。
• 第二个算法（完全基于目的地）即使将弹性降低至O(n / log n)次故障，仍能以高概率在每个节点实现O(log n log log n)的拥塞。
• 在拥有O(polylog n)共享随机性的情况下，最大节点负载可降低至O(√log n)，且高概率成立，相比先前界有显著改进。
• 所有三个算法均保证无环转发和无分组重排序，确保流的正确性和一致性。
• 任意节点或链路超过指定负载边界的概率至多为n^−Ω(1)，意味着保证在高概率下成立。
• 在Clos重树拓扑中的实验评估表明，所提协议在拥塞和弹性方面均优于当前最先进的确定性故障切换机制。