[论文解读] Survivable Probability of SDN-enabled Cloud Networking with Random Physical Link Failure

Zhili Zhou, Tachun Lin|arXiv (Cornell University)|Sep 10, 2017

Software-Defined Networks and 5G参考文献 20被引用 3

一句话总结

本文提出生存概率作为新指标，用于评估在随机物理链路失效下SDN增强的跨层云网络的可靠性。提出基础保护生成树集合，无需枚举所有割集即可精确计算生存概率，实现以最少共享链路的最优弹性，优于基于单个生成树的下界估计。

ABSTRACT

Software-driven cloud networking is a new paradigm in orchestrating physical resources (CPU, network bandwidth, energy, storage) allocated to network functions, services, and applications, which is commonly modeled as a cross-layer network. This model carries a physical network representing the physical infrastructure, a logical network showing demands, and logical-to-physical node/link mappings. In such networks, a single failure in the physical network may trigger cascading failures in the logical network and disable network services and connectivity. In this paper, we propose an evaluation metric, survivable probability, to evaluate the reliability of such networks under random physical link failure(s). We propose the concept of base protecting spanning tree and prove the necessary and sufficient conditions for its existence and relation to survivability. We then develop mathematical programming formulations for reliable cross-layer network routing design with the maximal reliable probability. Computation results demonstrate the viability of our approach.

研究动机与目标

• 解决现有SDN增强的跨层云网络在随机物理链路失效下缺乏精确且可扩展的可靠性度量问题。
• 开发一种无需枚举所有跨层割集即可计算生存概率的方法，避免在大规模网络中计算不可行的复杂度。
• 设计一种弹性路由框架，通过最小化物理资源共享来最大化生存概率。
• 为SDN环境中的可生存网络设计提供一种实用且精确的解决方案，即使在传统可生存映射不存在的情况下亦可适用。

提出的方法

• 引入生存概率作为精确指标，表示在任意单个物理链路失效后，逻辑网络仍保持连通的概率。
• 定义基础保护生成树集合为一组最小保护生成树，确保在物理链路失效下逻辑网络仍保持连通。
• 建立数学规划模型，以计算基础保护生成树集合，目标为最大化生存概率。
• 证明在均匀失效概率下最大化生存概率等价于最小化保护生成树集合中的共享物理链路数。
• 通过失效概率的对数变换，将非线性生存概率最大化问题转化为线性整数规划问题。
• 使用IBM ILOG CPLEX在450秒时限内求解模型，验证了计算上的可行性。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在避免使用失效多项式近似的情况下，精确计算随机物理链路失效下跨层云网络的生存概率？
• RQ2 给定跨层网络中，基础保护生成树集合存在的充要条件是什么？
• RQ3 能否在不枚举所有跨层割集的情况下最大化生存概率？如果可以，如何实现？
• RQ4 与单个最大保护生成树相比，所提出的基​​础保护生成树集合在生存概率估计准确性方面表现如何？
• RQ5 基础保护生成树集合在非可生存跨层网络中，能在多大程度上提升网络弹性？

主要发现

• 对于可生存的跨层网络（如LN1-over-NSF），在均匀和随机物理链路失效概率下，基础保护生成树集合均可实现100%的生存概率。
• 在非可生存网络（如LN2-over-NSF）中，随着物理链路失效概率降低，生存概率单调上升，所有案例的计算结果均在1分钟内完成。
• 最大保护生成树提供生存概率的下界估计；在失效概率低于15%时，该下界在所有测试案例中均超过真实生存概率的50%。
• 所提方法避免了枚举所有跨层割集，最多仅需|EP|个保护生成树，显著降低了计算复杂度。
• 基础保护生成树集合可在SDI中实现辅助保护机制，无需引入冗余物理资源，从而增强云服务的弹性。