[论文解读] SCOR: Software-defined Constrained Optimal Routing Platform for SDN

Siamak Layeghy, Farzaneh Pakzad+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 12, 2016

Software-Defined Networks and 5G被引用 6

一句话总结

本文提出 SCOR，一种基于约束规划的 SDN 南向接口，可简化服务质量（QoS）路由与流量工程（TE）应用的开发。通过以约束形式声明式地表达路由问题，SCOR 能够在数秒内高效、可扩展且实际地解决大规模网络中的问题，相较于传统线性规划方法，性能最高可提升 1,000 倍。

ABSTRACT

A Software-defined Constrained Optimal Routing (SCOR) platform is introduced as a Northbound interface in SDN architecture. It is based on constraint programming techniques and is implemented in MiniZinc modelling language. Using constraint programming techniques in this Northbound interface has created an efficient tool for implementing complex Quality of Service routing applications in a few lines of code. The code includes only the problem statement and the solution is found by a general solver program. A routing framework is introduced based on SDN's architecture model which uses SCOR as its Northbound interface and an upper layer of applications implemented in SCOR. Performance of a few implemented routing applications are evaluated in different network topologies, network sizes and various number of concurrent flows.

研究动机与目标

• 解决 SDN 南向接口中 QoS 路由与流量工程缺乏标准化、高层抽象的问题。
• 通过将问题规格与算法实现解耦，降低实现 QoS 和 TE 应用的复杂度。
• 为 SDN 中多样化的路由目标提供控制器无关、可重用且可组合的构建模块。
• 评估约束规划在真实网络拓扑中解决复杂 TE 问题的可扩展性与实用性。
• 证明声明式 CP 建模在性能与开发效率方面可超越传统过程式方法（如线性规划）。

提出的方法

• SCOR 平台通过 MiniZinc 建模语言使用约束规划（CP）技术，以约束而非逐步算法的方式声明式地指定路由问题。
• 引入一个新的八种高层谓词层作为 QoS 和 TE 应用的抽象层，支持模块化与可组合的应用开发。
• 在 SDN 路由架构中集成 SCOR 作为南向接口，配备一个网络操作系统（NOS）层，用于维护集中式网络状态数据库。
• NOS 收集并维护网络拓扑、链路容量、流量需求和流要求，供 SCOR 应用访问。
• 通过约束求解器固有的智能搜索技术优化求解时间，实现在大规模网络中对庞大解空间的高效探索。
• 通过多种网络拓扑和流并发级别对应用进行评估，以衡量性能与可扩展性。

实验结果

研究问题

• RQ1 约束规划能否有效用于在 SDN 中建模和求解复杂的 QoS 路由与流量工程问题，且所需应用代码极少？
• RQ2 与传统的线性规划方法相比，基于 CP 的路由在求解时间与可扩展性方面表现如何？
• RQ3 SCOR 在处理大规模网络拓扑和多个并发流时，能在多大程度上保持实际的求解时间？
• RQ4 SCOR 的声明式特性能否实现不同 QoS 目标间路由逻辑的快速开发与重用？
• RQ5 求解时间限制对解的质量有何影响？是否能快速获得接近最优的解，以支持实时网络控制？

主要发现

• 在 99 个节点的网络中，SCOR 仅用 622 ms 即可计算出单个流的路由解决方案，证明其在实际网络规模下的实用性。
• 在 375 个节点的网络中，10 个并发流的求解时间为 9,750 ms，尽管比单个流增加了 13 倍，但仍属实用范围，表明其具备出色的可扩展性。
• SCOR 的求解速度最高可达线性规划方法的 1,000 倍，后者在 100 个节点的网络中求解类似问题需数小时。
• 即使仅使用完整求解时间的 10%，SCOR 找到的解也极为接近最优，可在时间敏感场景中实现快速、近似最优的决策。
• 该框架仅用极少代码即可支持复杂的 TE 目标（如最大剩余容量路由），证明了基于 CP 方法的表达力与高效性。
• 使用带时间限制的 CP 求解器可实现解质量与速度之间的权衡，使 SCOR 适用于动态、实时的网络环境。