[论文解读] Maintaining an Up-to-date Global Network View in SDN

Mohamed Aslan, Ashraf Matrawy|arXiv (Cornell University)|Dec 15, 2016

Software-Defined Networks and 5G参考文献 12被引用 5

一句话总结

本文研究了网络状态收集与控制器状态分发对SDN应用性能的影响，特别是在负载均衡场景下。比较了主动（轮询）与被动（事件驱动）状态收集方法，结果表明，过时的状态信息会降低性能，尤其是在控制器规模较大和流量变化较大的情况下，即使在状态分发感知的设计中，主动收集仍会引入更高的延迟和不稳定性。

ABSTRACT

Maintaining an up-to-date global network view is of crucial importance for intelligent SDN applications that need to act autonomously. In this paper, we focus on two key factors that can affect the controllers' global network view and subsequently impact the application performance. Particularly we examine: (1) network state collection, and (2) network state distribution. First, we compare the impact of active and passive OpenFlow network state collection methods on an SDN load-balancing application running at the controller using key performance indicators that we define. We do this comparison through: (i) a simulation of a mathematical model we derive for the SDN load-balancer, and (ii) an evaluation of a load-balancing application running on top of single and distributed controllers. Further, we investigate the impact of network state collection on a state-distribution-aware load-balancing application. Finally, we study the impact of network scale on applications requiring an up-to-date global network view in the presence of the aforementioned key factors. Our results show that both the network state collection and network state distribution can have an impact on the SDN application performance. The more the information at the controllers becomes outdated, the higher the impact would be. Even with those applications that were designed to mitigate the issues of controller state distribution, their performance was affected by the network state collection. Lastly, the results suggest that the impact of network state collection on application performance becomes more apparent as the number of distributed controllers increases.

研究动机与目标

• 分析网络状态收集与控制器状态分发对SDN应用性能的影响。
• 从关键性能指标的角度，比较基于轮询的主动与事件驱动的被动OpenFlow状态收集方法。
• 评估这些因素在单控制器与分布式控制器环境中对负载均衡应用的影响。
• 研究网络规模与流量可变性对应用性能的影响。
• 为SDN应用开发人员提供设计稳健、状态感知网络应用的见解。

提出的方法

• 为SDN负载均衡开发数学模型，以模拟不同状态收集策略下的性能表现。
• 基于推导出的模型进行仿真，评估标准差、服务器间字节计数波动等关键性能指标。
• 在单控制器与分布式控制器上实现并评估真实负载均衡应用，分别采用主动与被动状态收集机制。
• 使用On/Off Pareto流量 trace 模拟具有不同流到达率与分组速率的真实网络工作负载。
• 通过平均字节计数标准差与同步时间等指标衡量性能表现。
• 在不同轮询与同步周期下，评估分布式轮询（DP）与分布式自适应（DA）负载均衡方案。

实验结果

研究问题

• RQ1 在负载均衡器性能方面，主动状态收集（轮询）与被动状态收集（事件驱动）相比如何？
• RQ2 当状态收集过时时，控制器状态分发对应用性能有何影响？
• RQ3 随着分布式控制器数量的增加，由于状态信息过时导致的性能退化程度如何变化？
• RQ4 流量特征（如低波动与高波动流）如何影响不同状态收集方法的有效性？
• RQ5 状态分发感知的负载均衡设计在多大程度上仍易受不良网络状态收集的影响？

主要发现

• 在低波动流量（流大小相近）下，被动状态收集因延迟更低且更新更及时，性能优于主动收集。
• 主动状态收集的性能随轮询周期延长而显著下降，尤其在分布式环境中，轮询频率对性能的负面影响大于同步周期。
• 即使采用状态分发感知的负载均衡器（如基于LSVS的方案），仍易受主动收集导致的过时网络状态影响而出现性能下降。
• 随着控制器数量增加，网络状态收集对性能的影响加剧，字节计数的标准差在控制器数量从2增加到4时急剧上升。
• 在真实的On/Off Pareto流量下，使用4个控制器的主动收集方式，服务器间平均标准差超过1×10⁸字节，表明存在严重的负载不均衡。
• 结果表明，网络状态收集是关键性能瓶颈，仅通过改进控制器状态分发机制无法有效缓解。