[论文解读] Multiple Constrained Routing Algorithms in Large-Scaled Software Defined Networks

Chenyang Xu, Liangde Tao+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 27, 2019

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

一句话总结

本文提出了一种针对大规模软件定义网络（SDN）的快速、启发式、多阶段路由算法，旨在联合满足带宽、延迟和跳数约束的前提下最大化吞吐量。该方法为每个需求计算多条可行路径，基于优先级规则对需求进行排序，并选择路径以优化剩余带宽和约束满足度，在包含10,000个节点的大规模网络上，10秒内即可实现超过90%的总可用带宽。

ABSTRACT

In this paper, we consider the bandwidth-delay-hop constrained routing problem in large-scaled software defined networks. A number of demands, each of which specifies a source vertex and a sink vertex, are required to route in a given network. We are asked to select a subset of demands, and assign a routing path for each selected demand without violating the hop and delay constraints, while assuring that the bandwidth occupied in each edge is not beyond its capacity. The goal is to maximize the throughput (the total bandwidth) of the selected demands. We develop an efficient heuristic algorithm for the problem, which consists of three main steps, namely, computing feasible paths for each demand, sorting the demands with some priority rules, selecting a path for each demand. The algorithm is tested with networks of actual sizes and topologies, generated by Huawei Technologies Company. The experiments show that the proposed approach outperforms existing algorithms both in throughput and in running time. In the experiments, our algorithm achieves more than 90\% of the total bandwidth of the given demands within 10 seconds. Moreover, a large part of our algorithm can run in parallel which largely speeds up the process when using multi-core processors.

研究动机与目标

• 解决在严格带宽、延迟和跳数约束下，大规模SDN环境中最大化吞吐量的挑战。
• 设计一种可扩展且高效的路由算法，适用于SDN中实时网络重构。
• 在真实的大规模网络拓扑上，优于现有算法的吞吐量和运行时间表现。
• 支持并行执行，以提升在多核架构上的性能。

提出的方法

• 该算法包含三个主要阶段：(1) 为每个需求计算满足带宽、延迟和跳数约束的多条可行路径；(2) 基于带宽、跳数和剩余容量的优先级规则对需求进行排序；(3) 为每个需求选择最优路径以最大化总吞吐量。
• 通过评估优先级规则以确定处理需求的最佳顺序，其中规则1（带宽-跳数比）表现出更优性能。
• 路径选择优先考虑剩余带宽更高且关键性更低的路由，以减少对未来需求的干扰。
• 该算法利用SDN控制器的全局网络视图，全面掌握链路容量和QoS约束，实现路径计算。
• 该方法高度可并行化，可在多核处理器上实现显著加速。
• 采用扩展的Dijkstra算法在满足延迟和跳数约束下计算可行路径，确保QoS合规性。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在联合满足带宽、延迟和跳数约束的条件下，最大化大规模SDN网络中的吞吐量？
• RQ2 在受限的多商品路由中，何种需求排序的优先级规则能实现最高吞吐量？
• RQ3 基于剩余带宽选择路径，与仅基于跳数或延迟选择相比，性能如何？
• RQ4 启发式算法能否在远低于现有方法运行时间的前提下，实现接近最优的吞吐量？
• RQ5 该算法在现代多核系统上可实现多大程度的并行化以提升性能？

主要发现

• 在中等规模实例（Instance A）上，所提算法平均实现总可用带宽的97.71%，标准差为3.29%。
• 在大规模实例（Instance B）上，算法平均吞吐量达92.55%，优于所有基线算法。
• 对于约10,000个节点和40,000条边的网络，该算法平均运行时间在10秒以内，而基线算法平均耗时近90分钟。
• 在路径选择策略中，选择剩余带宽最高的路径表现最佳，在Instance A上实现97.71%的吞吐量。
• 最短路径（最少跳数）和最小延迟路径策略的吞吐量显著较低（分别为95.20%和91.56%），表明资源利用不充分。
• 与MDA、WSP和SWP相比，该算法表现出更优的稳定性和鲁棒性，在测试实例间吞吐量的标准差更低。