[论文解读] SDN-like: The Next Generation of Pub/Sub

Kaiwen Zhang, Hans‐Arno Jacobsen|arXiv (Cornell University)|Jul 31, 2013

Software-Defined Networks and 5G参考文献 14被引用 12

一句话总结

本文提出了一种类似SDN的发布/订阅模型，将软件定义网络（SDN）原则——逻辑集中控制与控制面/数据面分离——应用于面向消息的中间件。通过将发布者和订阅者解耦为广告商/生产者与兴趣管理器/消费者，该模型实现了基于策略的控制、动态订阅管理以及可扩展性提升，已在大数据分析和实时监控等用例中得到验证。

ABSTRACT

Software-Defined Networking (SDN) has raised the boundaries of cloud computing by offering unparalleled levels of control and flexibility to system administrators over their virtualized environments. To properly embrace this new era of SDN-driven network architectures, the research community must not only consider the impact of SDN over the protocol stack, but also on its overlying networked applications. In this big ideas paper, we study the impact of SDN on the design of future message-oriented middleware, specifically pub/sub systems. We argue that key concepts put forth by SDN can be applied in a meaningful fashion to the next generation of pub/sub systems. First, pub/sub can adopt a logically centralized controller model for maintenance, monitoring, and control of the overlay network. We establish a parallel with existing work on centralized pub/sub routing and discuss how the logically centralized controller model can be implemented in a distributed manner. Second, we investigate the separation of the control and data plane, which is integral to SDN, which can be adopted to raise the level of decoupling in pub/sub. We introduce a new model of pub/sub which separates the traditional publisher and subscriber roles into flow regulators and producer/consumers of data. We then present use cases that benefit from this approach and study the impact of decoupling for performance.

研究动机与目标

• 解决云环境和数据中心中对更灵活、可管理且可扩展的发布/订阅系统的需求。
• 克服传统发布/订阅架构缺乏集中控制与细粒度策略强制执行的局限性。
• 在事件驱动系统中实现动态、基于策略的订阅与数据流管理。
• 在发布/订阅系统中解耦控制面与数据面，以支持运行时订阅更新与策略强制执行等高级功能。
• 通过大数据、应用性能监控（APM）和实时通知系统等用例，证明该类似SDN模型的可行性与优势。

提出的方法

• 提出一个逻辑上集中的控制器，用于监控、引导和管理发布/订阅覆盖网络的拓扑结构。
• 将传统发布/订阅角色分解为两种新抽象：广告商/生产者（用于内容生成）与兴趣管理器/消费者（用于订阅管理）。
• 将控制面（处理订阅、策略与路由决策）与数据面（处理消息发布与传输）分离。
• 实现一种可模块化堆叠于现有发布/订阅引擎之上的架构，确保向后兼容性。
• 设计一套匹配协议，通过控制面支持基于策略的路由与动态订阅更新。
• 未来工作将集成SDN-enabled网络（如OpenFlow），以利用底层网络控制实现高效的消息传输。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何有意义地将SDN原则（如集中控制与平面分离）应用于发布/订阅系统？
• RQ2 将发布者与订阅者角色解耦为独立的控制面与数据面实体，其在架构与操作层面有何优势？
• RQ3 对部分发布者与订阅者实施基于策略的控制，是否能提升发布/订阅系统的表达能力与效率？
• RQ4 该模型如何增强对实时系统中动态、参数化或基于策略的订阅的支持？
• RQ5 哪些用例能够证明类似SDN的发布/订阅模型相较于传统发布/订阅架构的实际优势？

主要发现

• 该类似SDN的模型通过逻辑集中控制器，实现了对发布/订阅覆盖网络的集中监控与拓扑控制，显著提升了系统的可管理性。
• 控制面与数据面的解耦支持对订阅的动态、基于策略的管理，例如通过键值存储实现运行时更新。
• 该模型能够高效处理复杂、参数化的订阅，这对自适应监控与分析工作负载至关重要。
• 在大数据分析与应用性能监控等用例中，系统可通过控制节点强制执行全局安全约束，从而获益。
• 在在线游戏等系统中，该架构可实现更高效的兴趣管理，避免客户端订阅状态过大带来的负担。
• 概念验证架构表明，该类似SDN的模型可模块化地部署于现有发布/订阅引擎之上，无需原生SDN基础设施支持。