بهبود مسیریابی جهت کنترل ازدحام در شبکه¬هاب مبتنی بر نرم¬افزار با استفاده از کنترلرهای توزیع¬شده
الموضوعات :سعید بختیاری 1 , اردشیر آذرنژاد 2
1 - دانشگاه علوم انتظامی امین، تهران
2 - فناوری اطلاعات دانشگاه آزاد اسلامی واحد تهران مرکزی
الکلمات المفتاحية: شبکه¬های مبتنی بر نرم¬افزار, کنترلرهای توزیع¬شده, قراردادن کنترلرها, خوشه¬بندی, کنترل ازدحام, Software Defined Networking, Distributed Controllers, Controller Placement, Clustering, Congestion Control,
ملخص المقالة :
شبکه های مبتنی بر نرم افزار (SDN) برای استفاده در تعیین مسیریابی ترافیک شبکه قابل انعطاف هستند، زیرا سطح داده ای و سطح کنترلی را از یکدیگر تفکیک می کنند. یکی از چالش های بزرگی که پیش روی شبکه‌های مبتنی بر نرم‌افزار قرار گرفته است، انتخاب مکان هایی مناسب برای قرار دادن و توزیع کنترلرها (کنترل کننده ها) است؛ به گونه‌ای که بتوان تأخیر بین کنترلرها و سوئیچ ها را در شبکه‌های گسترده کاهش داد. در همین راستا اغلب روش‌های ارائه شده بر روی کاهش تأخیر متمرکز بوده‌اند. ولی تأخیر تنها یکی از عواملی است که در کارائی شبکه و کاهش هزینه ی کلی بین کنترلرها و سوئیچ‌های مرتبط با آن‌ها نقش دارد. این مقاله به بررسی عوامل بیشتری برای کاهش هزینه بین کنترلر ها و سوئیچ ها نظیر ترافیک لینک های ارتباطی می پردازد. به همین منظور یک الگوریتم مبتنی برخوشه بندی برای بخش بندی شبکه ارائه می شود. با بهره گیری از این الگوریتم می‌توان تضمین کرد که هر بخش از شبکه می‌تواند حداکثر هزینه (شامل تأخیر و ترافیک موجود روی لینک ها) را در بین کنترلر و سوئیچ های مربوط به آن کاهش دهد. در این مقاله، با بکارگیری از Topology Zoo، شبیه‌سازی‌های گسترده‌ای تحت توپولوژی های واقعی شبکه انجام شده است. نتایج شبیه سازی ها نشان می دهد در شرایطی که احتمال ازدحام در شبکه بالا می رود، الگوریتم پیشنهادی با شناسایی لینک های گلوگاه در مسیرهای ارتباطی هر گره با سایر گره ها، توانسته به خوبی ازدحام را در شبکه کنترل نماید. لذا، با در نظر گرفتن دو معیار تأخیر و میزان مشغول بودن لینک ها، فرآیند قرارگیری و توزیع کنترلر ها را در عمل خوشه-بندی با دقت بالاتری انجام می دهد. با این کار، میانگین حداکثر هزینه ی انتها به انتها بین هر کنترلر و سوئیچ های مربوط به آن به ترتیب در توپولوژی های Chinanet کشور چین، Uunet کشور آمریکا، DFN کشور آلمان، و Rediris کشور اسپانیا به اندازه ی 4694/41، 2853/29، 3805/21 و 4829/46 درصد کاهش یافته است.
1.N. McKeown, T. Anderson, H. Balakrishnan, G. Parulkar, L. Peterson, J. Rexford, et al., "OpenFlow: enabling innovation in campus networks," ACM SIGCOMM Computer Communication Review, vol. 38, pp. 69-74, 2008.
2.W. Miao, G. Min, Y. Wu, H. Wang, and J. Hu, "Performance modelling and analysis of software-defined networking under bursty multimedia traffic," ACM Transactions on Multimedia Computing, Communications, and Applications (TOMM), vol. 12, p. 77, 2016.
3.H. Huang, H. Yin, G. Min, H. Jiang, J. Zhang, and Y. Wu, "Data-driven information plane in software-defined networking," IEEE Communications Magazine, vol. 55, pp. 218-224, 2017.
4.D. Levin, M. Canini, S. Schmid, F. Schaffert, and A. Feldmann, "Panopticon: Reaping the Benefits of Incremental {SDN} Deployment in Enterprise Networks," in 2014 {USENIX} Annual Technical Conference ({USENIX}{ATC} 14), 2014, pp. 333-345.
5.N. Feamster, J. Rexford, and E. Zegura, "The road to SDN: an intellectual history of programmable networks," ACM SIGCOMM Computer Communication Review, vol. 44, pp. 87-98, 2014.
6.OpenFlow Switch Specification Version 1.5.1. Available: https://www.opennetworking.org/images/stories/downloads/sdn-resources/onf-specifications/openflow/openflow-switch-v1.5.1.pdf
7.B. A. A. Nunes, M. Mendonca, X.-N. Nguyen, K. Obraczka, and T. Turletti, "A survey of software-defined networking: Past, present, and future of programmable networks," IEEE Communications Surveys & Tutorials, vol. 16, pp. 1617-1634, 2014.
8.A. Ominike Akpovi, A. Adebayo, and F. Osisanwo, "Introduction to Software Defined Networks (SDN)," 2016.
9.W. Stallings, "Software-defined networks and openflow," The internet protocol Journal, vol. 16, pp. 2-14, 2013.
10.G. Wang, Y. Zhao, J. Huang, and W. Wang, "The controller placement problem in software defined networking: A survey," IEEE Network, vol. 31, pp. 21-27, 2017.
11.B. Heller, R. Sherwood, and N. McKeown, "The controller placement problem," in Proceedings of the first workshop on Hot topics in software defined networks, 2012, pp. 7-12.
12.G. Yao, J. Bi, Y. Li, and L. Guo, "On the capacitated controller placement problem in software defined networks," IEEE Communications Letters, vol. 18, pp. 1339-1342, 2014.
13.S. Khuller and Y. J. Sussmann, "The capacitated k-center problem," SIAM Journal on Discrete Mathematics, vol. 13, pp. 403-418, 2000.
14.Y. Hu, T. Luo, W. Wang, and C. Deng, "On the load balanced controller placement problem in Software defined networks," in 2016 2nd IEEE International Conference on Computer and Communications (ICCC), 2016, pp. 2430-2434.
15.L. Han, Z. Li, W. Liu, K. Dai, and W. Qu, "Minimum control latency of SDN controller placement," in 2016 IEEE Trustcom/BigDataSE/ISPA, 2016, pp. 2175-2180.
16.Y. Zhang, N. Beheshti, and M. Tatipamula, "On resilience of split-architecture networks," in 2011 IEEE Global Telecommunications Conference-GLOBECOM 2011, 2011, pp. 1-6.
17.Y.-N. Hu, W.-D. Wang, X.-Y. Gong, X.-R. Que, and S.-D. Cheng, "On the placement of controllers in software-defined networks," The Journal of China Universities of Posts and Telecommunications, vol. 19, pp. 92-171, 2012.
18.L. F. Müller, R. R. Oliveira, M. C. Luizelli, L. P. Gaspary, and M. P. Barcellos, "Survivor: An enhanced controller placement strategy for improving SDN survivability," in 2014 IEEE Global Communications Conference, 2014, pp. 1909-1915.
19.Y. Jimenez, C. Cervelló-Pastor, and A. J. García, "On the controller placement for designing a distributed SDN control layer," in 2014 IFIP Networking Conference, 2014, pp. 1-9.
20.Y. Hu, W. Wang, X. Gong, X. Que, and S. Cheng, "On reliability-optimized controller placement for software-defined networks," China Communications, vol. 11, pp. 38-54, 2014.
21.M. Tanha, D. Sajjadi, and J. Pan, "Enduring node failures through resilient controller placement for software defined networks," in 2016 IEEE Global Communications Conference (GLOBECOM), 2016, pp. 1-7.
22.A. Sallahi and M. St-Hilaire, "Optimal model for the controller placement problem in software defined networks," IEEE communications letters, vol. 19, pp. 30-33, 2015.
23.H. K. Rath, V. Revoori, S. M. Nadaf, and A. Simha, "Optimal controller placement in Software Defined Networks (SDN) using a non-zero-sum game," in Proceeding of IEEE International Symposium on a World of Wireless, Mobile and Multimedia Networks 2014, 2014, pp. 1-6.
24.A. Ruiz-Rivera, K.-W. Chin, and S. Soh, "GreCo: An energy aware controller association algorithm for software defined networks," IEEE communications letters, vol. 19, pp. 541-544, 2015.
25.M. T. I. ul Huque, G. Jourjon, and V. Gramoli, "Revisiting the controller placement problem," in 2015 IEEE 40th Conference on Local Computer Networks (LCN), 2015, pp. 450-453.
26.A. Sallahi and M. St-Hilaire, "Expansion model for the controller placement problem in software defined networks," IEEE Communications Letters, vol. 21, pp. 274-277, 2017.
27.D. Hock, M. Hartmann, S. Gebert, M. Jarschel, T. Zinner, and P. Tran-Gia, "Pareto-optimal resilient controller placement in SDN-based core networks," in Proceedings of the 2013 25th International Teletraffic Congress (ITC), 2013, pp. 1-9.
28.S. Lange, S. Gebert, T. Zinner, P. Tran-Gia, D. Hock, M. Jarschel, et al., "Heuristic approaches to the controller placement problem in large scale SDN networks," IEEE Transactions on Network and Service Management, vol. 12, pp. 4-17, 2015.
29.D. Tuncer, M. Charalambides, S. Clayman, and G. Pavlou, "Adaptive resource management and control in software defined networks," IEEE Transactions on Network and Service Management, vol. 12, pp. 18-33, 2015.
30.J. Liao, H. Sun, J. Wang, Q. Qi, K. Li, and T. Li, "Density cluster based approach for controller placement problem in large-scale software defined networkings," Computer Networks, vol. 112, pp. 24-35, 2017.
31.B. Zhang, X. Wang, L. Ma, and M. Huang, "Optimal controller placement problem in Internet-oriented software defined network," in 2016 International Conference on Cyber-Enabled Distributed Computing and Knowledge Discovery (CyberC), 2016, pp. 481-488.
32.G. Wang, Y. Zhao, J. Huang, and Y. Wu, "An effective approach to controller placement in software defined wide area networks," IEEE Transactions on Network and Service Management, vol. 15, pp. 344-355, 2017.
33.M. F. Bari, A. R. Roy, S. R. Chowdhury, Q. Zhang, M. F. Zhani, R. Ahmed, et al., "Dynamic Controller Provisioning in Software Defined Networks," in CNSM, 2013, pp. 18-25.
34.Y. Hu, T. Luo, N. C. Beaulieu, and C. Deng, "The energy-aware controller placement problem in software defined networks," IEEE Communications Letters, vol. 21, pp. 741-744, 2017.
35.G. Ishigaki and N. Shinomiya, "Controller placement algorithm to alleviate burdens on communication nodes," in 2016 International Conference on Computing, Networking and Communications (ICNC), 2016, pp. 1-5.
36.SDN-Enabled Programmatic Control of the Network. Available: http://www.brocade.com/en/backend-content/ pdf-page.html?/content/dam/common/documents/content-types/solution-brief/brocade-mlx-service-provider-sb.pdf
37.Corsa’s DP2100 SDN switching and routing platform. Available: http://www.corsa.com/products/dp2100/
38.R. Daniels and D. Whittaker. (2015). Benchmarking the SDN Switch. Available: https://www.opennetworking.org/ images/stories/sdn-solution-showcase/germany2015/Spirent%20-%20Benchmarking%20the%20SDN%20Switch.pdf
39.C. Veness, "Calculate distance and bearing between two Latitude/Longitude points using Haversine formula in JavaScript," Movable Type Scripts, 2011.
40.G. Wang, Y. Zhao, J. Huang, and R. M. Winter, "On the data aggregation point
placement in smart meter networks," in 2017 26th International Conference on Computer Communication and Networks (ICCCN), 2017, pp. 1-6. 41.S. Skiena, "Dijkstra’s algorithm," in Implementing discrete mathematics: combinatorics and graph theory with mathematica, ed: Addison-Wesley Reading, MA, 1990, pp. 225-227.
42.S. Knight, H. X. Nguyen, N. Falkner, R. Bowden, and M. Roughan, "The internet topology zoo," IEEE Journal on Selected Areas in Communications, vol. 29, pp. 1765-1775, 2011.
43.(2019, 02/05/2019). The Internet Topology Zoo. Available: http://www.topology-zoo.org/
