[论文解读] SDN for End-Nodes: Scenario Analysis and Architectural Guidelines

Alberto Rodríguez-Natal, Vina Ermagan+5 more|arXiv (Cornell University)|Mar 16, 2018

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

一句话总结

本文提出了一种去中心化、意图驱动的SDN架构，用于管理互联网中数百万个瞬态、移动的终端节点（例如智能手机）。该架构引入了一种无连接、基于拉取的南向接口和对称控制器设计，以解决可扩展性、移动性和资源受限等问题，通过概念验证表明，状态检索和配置更新的延迟低于100ms。

ABSTRACT

The advent of SDN has brought a plethora of new architectures and controller designs for many use-cases and scenarios. Existing SDN deployments focus on campus, datacenter and WAN networks. However, little research efforts have been devoted to the scenario of effectively controlling a full deployment of end-nodes (e.g. smartphones) that are transient and scattered across the Internet. In this paper, we present a rigorous analysis of the challenges associated with an SDN architecture for end-nodes, show that such challenges are not found in existing SDN scenarios, and provide practical design guidelines to address them. Then, and following these guidelines we present a reference architecture based on a decentralized, distributed and symmetric controller with a connectionless pull-oriented southbound and an intent-driven northbound. Finally, we measure a proof-of-concept deployment to assess the validity of the analysis as well as the architecture.

研究动机与目标

• 解决针对智能手机和个人设备等终端节点的SDN控制研究不足的问题。
• 识别终端节点SDN部署中的独特挑战：大规模部署、高变化率、移动性、异构性以及低流量局部性。
• 制定针对终端节点约束的设计指南，与数据中心或广域网中的传统SDN不同。
• 提出并验证一种参考架构，支持大规模、动态的终端节点管理，并实现低延迟。

提出的方法

• 设计一种去中心化、对称的控制器架构，以增强在全球分布的终端节点之间的可扩展性和容错能力。
• 实现一种无连接、基于拉取的南向接口，以减少状态同步开销，并支持间歇性连接。
• 采用意图驱动的北向接口，以抽象策略配置，并实现高层级、面向应用的控制。
• 通过使用分布式数据库（Cassandra）将控制状态与控制器解耦，实现持久化状态存储。
• 使用NETCONF实现配置交换，使用Cassandra实现状态持久化，构建概念验证原型。
• 通过CDF测量评估性能，包括状态检索、配置更新和终端节点引导过程的延迟。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何有效扩展SDN，以管理在多样化、不受控网络中分布的数百万个瞬态、移动的终端节点？
• RQ2 与传统SDN控制器相比，管理终端节点的高变化率、移动性和间歇性连接，需要哪些架构模式？
• RQ3 在缺乏对终端节点网络集中控制的情况下，去中心化、对称的控制器设计如何确保可用性和可扩展性？
• RQ4 在终端节点SDN中，使用基于拉取的无连接南向接口进行状态同步，其性能影响是什么？
• RQ5 意图驱动的北向接口在异构、资源受限的终端节点之间，能在多大程度上简化策略管理？

主要发现

• 概念验证表明，终端节点的状态检索延迟平均约为100ms，且在三个点上出现聚类，分别对应地理距离（欧洲、美国西部、美国东部）。
• 北向状态更新延迟比南向检索延迟低约50ms，这是由于消除了终端节点的传输延迟，且在不同NIB大小下变化极小。
• 在40万节点规模下，经过7,000次迭代，终端节点引导延迟平均低于100ms，表明配置分发效率高。
• 延迟变化主要由网络状况和流量生成的随机性引起，而非NIB大小，证实了该架构的可扩展性。
• 该架构通过使用Cassandra成功将控制状态与控制器解耦，实现了在高负载下的稳定性能。
• 结果验证了所提出的架构设计准则——去中心化、基于拉取的通信、意图驱动控制和状态解耦——在终端节点SDN中是可行且有效的。