Consensus algorithms in software defined networks (SDN) for multiple controllers

Abstract

This doctoral dissertation investigates the application of consensus algorithms to enhance collaboration among multiple controllers in Software Defined Networks (SDN). The research focuses on addressing critical challenges in SDN, such as scalability, fault tolerance, single point of failure, and network state synchronization, by leveraging consensus protocols. Traditional single-controller architectures face limitations in managing large-scale networks, including bottlenecks, overhead, and vulnerability to failures. In contrast, multi-controller architectures offer improved flexibility, scalability, and reliability. However, effective coordination and synchronization among distributed controllers remain essential for optimal network performance. The study conducts a comparative analysis of existing consensus protocols and mechanisms, evaluating their performance under identical simulation environments. A novel consensus mechanism based on the Raft algorithm is proposed, designed to ensure stable, consistent, and efficient network state synchronization across controllers. The mechanism supports high throughput, dynamic view changes, fault tolerance, and controller synchronization, demonstrating superior performance compared to existing alternatives. Additionally, the research explores load balancing techniques to optimize resource utilization in the control plane, addressing challenges such as latency and packet loss during load migration. Furthermore, the dissertation addresses the Controller Placement Problem (CPP), proposing a heuristic greedy algorithm to minimize end-to-end latency and reduce maximum latency between controllers and switches. This approach aims to enhance network performance by strategically positioning controllers and mitigating queuing delays. The study emphasizes the practical implementation of these solutions, providing a comprehensive framework for improving scalability, reliability, and efficiency in SDN architectures. By integrating consensus algorithms, load balancing techniques, and optimized controller placement strategies, this research contributes to advancing SDN management, offering robust solutions for modern network challenges. The findings and proposed mechanism are experimentally validated, demonstrating their effectiveness in achieving stable and high-performing SDN environments.

Αυτή η διδακτορική διατριβή ερευνά την εφαρμογή αλγορίθμων συναίνεσης για την ενίσχυση της συνεργασίας μεταξύ πολλαπλών ελεγκτών σε Δίκτυα Ορισμένα από Λογισμικό (SDN). Η έρευνα επικεντρώνεται στην αντιμετώπιση κρίσιμων προκλήσεων στα SDN, όπως ηκ λιμακωσιμότητα, η ανοχή σε σφάλματα, το σημείο μοναδικής αποτυχίας και ο συγχρονισμός της κατάστασης του δικτύου, μέσω της χρήσης πρωτοκόλλων συναίνεσης. Οι παραδοσιακές αρχιτεκτονικές με έναν μόνο ελεγκτή αντιμετωπίζουν περιορισμούς στη διαχείριση μεγάλων δικτύων, συμπεριλαμβανομένων των σημείων συμφόρησης, της υπερβολικής φόρτωσης και της ευπάθειας σε αποτυχίες. Αντίθετα, οι αρχιτεκτονικές με πολλαπλούς ελεγκτές προσφέρουν βελτιωμένη ευελιξία, κλιμακωσιμότητα και αξιοπιστία. Ωστόσο, η αποτελεσματική συντονισμός και συγχρονισμός μεταξύ των κατανεμημένων ελεγκτών παραμένει απαραίτητος για τη βέλτιστη απόδοση του δικτύου.Η μελέτη πραγματοποιεί μια συγκριτική ανάλυση των υφιστάμενων πρωτοκόλλων και μηχανισμών συναίνεσης, αξιολογώντας την απόδοσή τους υπό τις ίδιες συνθήκες προσομοίωσης. Προτείνεται ένας νέος μηχανισμός συναίνεσης βασισμένος στον αλγόριθμο Raft, ο οποίος έχει σχεδιαστεί για να εξασφαλίζει σταθερό, συνεπή και αποτελεσματικό συγχρονισμό της κατάστασης του δικτύου μεταξύ των ελεγκτών. Ο μηχανισμός υποστηρίζει υψηλή απόδοση, δυναμικές αλλαγές προβολής, ανοχή σε σφάλματα και συγχρονισμό ελεγκτών, παρουσιάζοντας ανώτερη απόδοση σε σύγκριση με τις υπάρχουσες εναλλακτικές λύσεις. Επιπλέον, η έρευνα εξετάζει τεχνικές εξισορρόπησης φόρτου για τη βέλτιστη αξιοποίηση των πόρων του επιπέδου ελέγχου, αντιμετωπίζοντας προκλήσεις όπως η αύξηση της καθυστέρησης και η απώλεια πακέτων κατά τη μετανάστευση φόρτου. Επιπλέον, η διατριβή ασχολείται με το Πρόβλημα Τοποθέτησης Ελεγκτών (CPP), προτείνοντας έναν ευρετικό αλγόριθμο για την ελαχιστοποίηση της καθυστέρησης από άκρο σε άκρο και τη μείωση της μέγιστης καθυστέρησης μεταξύ ελεγκτών και διακομιστών, με στόχο την εξάλειψη της καθυστέρησης στην ουρά των ελεγκτών. Η μελέτη τονίζει την πρακτική εφαρμογή αυτών των λύσεων, παρέχοντας ένα ολοκληρωμένο πλαίσιο για τη βελτίωση της κλιμακωσιμότητας, της αξιοπιστίας και της αποτελεσματικότητας στις αρχιτεκτονικές SDN.Με την ενοποίηση αλγορίθμων συναίνεσης, τεχνικών εξισορρόπησης φόρτου και βελτιστοποιημένων στρατηγικών τοποθέτησης ελεγκτών, αυτή η έρευνα συμβάλλει στην πρόοδοτης διαχείρισης των SDN, προσφέροντας ισχυρές λύσεις για τις σύγχρονες προκλήσεις των δικτύων. Τα ευρήματα και οι προτεινόμενοι μηχανισμοί επαληθεύονται πειραματικά, αποδεικνύοντας την αποτελεσματικότητά τους στην επίτευξη σταθερών και υψηλής απόδοσης SDN περιβαλλόντων.