다중 도메인 SDN 네트워크를 위한 Openflow 기반 오케스트레이션 프로토콜 제안 및 구현과 네트워크 관리 기능 분석

Abstract

Software-defined networking (SDN)은 전통적인 네트워크가 가지고 있는 문제점의 대안으로 제시되었다. 제어부와 전송부를 분리하여 이를 통해 네트워크의 기술의 고도화와 규모 증가로 발생한 기존 네트워크의 문제점 해결이 가능했다. 하지만 논리적 중앙 집중형 구조로 인해 트래픽이 컨트롤러에 과도하게 집중되는 문제점이 제시되었다. 문제를 해결하기 위해 SDN 컨트롤러로 구성된 분산형 구조의 다중 도메인 SDN 네트워크가 요구된다. 그리고 분산형 다중 도메인을 SDN 컨트롤러로 관리하기 위해서는 오케스트레이션 프로토콜이 필요하다. 오케스트레이션 프로토콜은 역할을 수행하기 위해 토폴로지 탐색, 장애 대처를 위한 모니터링 그리고 종단 간 흐름을 프로비저닝 위한 기술을 제공해야 한다. 하지만 다양한 오케스트레이션 프로토콜이 연구되었음에도 불구하고 올바른 역할 수행에 관하여 검증이 충분하지 않다. 또한 Northbound에서 사용되는 프로토콜들의 경우에는 표준화 되어 있지 않아, 오케스트레이션 프로토콜 사용의 불편함이 있다. 오케스트레이션 프로토콜이 다중 도메인 환경에서 활용되기 위해서는 언급한 문제에 대한 해결이 필요하다. 본 논문에서는 SDN에서 표준으로 지정된 Openflow 프로토콜을 이용하여 오케스트레이션 프로토콜을 구현하고 제안한다. 그리고 제안된 프로토콜을 이용하여 토폴로지 탐색, 토폴로지 갱신을 위한 이벤트 모니터링, 프로비저닝 기능을 구현하고 실험을 통해 성능을 분석하여 검증한다. 실험 결과를 폴링을 이용하는 REST(Representational State Transfer) API 방식의 오케스트레이션 실험 결과와 비교하여 Openflow 기반의 오케스트레이션 프로토콜의 장단점을 밝힌다. 그리고 정량적 분석뿐만 아니라 정성적 분석을 통해 Openflow라는 표준 프로토콜 사용의 장점을 분석한다. REST API 방식과 비교하여 토폴로지 탐색 성능에서 트래픽이 최대 5.5배 추가적으로 발생했다. 하지만 다이나믹 매핑 방식이 적용된 추상화 토폴로지 구현으로 트래픽 차이를 5.5배에서 3.2배로 줄여 문제를 완화했다. 그리고 장애 발생 후 토폴로지 갱신까지의 성능을 측정하는 토폴로지 이벤트 모니터링 성능 측정의 경우에는 REST 방식과 비교하여 최대 51배 빠르게 처리했다. 뿐만 아니라 폴링 주기가 변함에도 불구하고 평균 27ms 속도로 일정한 성능을 보였다. 또한 프로비저닝 성능 측정의 경우에는 REST API와 비교하여 많은 트래픽이 발생했지만 소모된 시간은 5ms이내 차이가 났을 뿐 아니라 스위치 개수에 상관없이 평균 27ms 시간을 소모했다. 그리고 표준 프로토콜인 Openflow 프로토콜을 이용한 오케스트레이션 프로토콜로 SDN 컨트롤러로 구성된 다중 도메인 SDN 네트워크를 구성했다. 또한 다른 프로토콜과 비교해 간소화된 절차로 SDN 컨트롤러를 재사용하여 오케스트레이터로 활용함으로써 신뢰성 높은 컨트롤러 기반의 토폴로지 관리가 가능함을 입증했다.; Software-defined networking (SDN) is suggested as an alternative to the problems that traditional networks have. By separating the control and transmission parts, it was possible to solve the problems of the existing network caused by the upgrading and scale of the network's technology. However, the logical centralized structure presented the problem of excessive concentration of traffic on the controller. Multiple domain SDN networks with distributed structures configured with SDN controllers are required to solve the problem. And orchestration protocols are needed to manage distributed multi-domain as SDN controllers. The orchestration protocol should provide technologies for topology exploration, monitoring for fault response, and provisioning end-to-end flows to perform roles. However, although various orchestration protocols have been studied, there is not enough verification regarding the correct role. In addition, the protocols used in Northbound are not standardized, making it inconvenient to use orchestration protocols. For orchestration protocols to be utilized in a multi-domain environment, solutions to the problems mentioned are needed. In this paper, the orchestration protocol is implemented and proposed using Openflow protocol designated as standard in SDN. Using the proposed protocol, event monitoring, and provisioning functions for topology exploration, topology renewal is implemented and performance is analyzed and verified through the experiment. The experimental results are compared with the results of the orchestration experiment using the REST (Representative State Transfer) API method using polling to reveal the pros and cons of the Openflow-based orchestration protocol. And through qualitative analysis as well as quantitative analysis, we analyze the advantages of using standard protocols called Openflow. Up to 5.5 times more traffic was generated in topology discovery performance compared to the REST API method. However, by implementing abstraction topology that is applied with a dynamic mapping method, the difference in traffic is reduced by 5.5 times to 3.2 times, which mitigates problems. And for topology event monitoring performance measurements, which measure performance from failure to topology update, up to 51 times faster than the REST method. In addition, despite varying polling period, the performance was constant at an average rate of 27 ms. In addition, provisioning performance measurements generated a lot of traffic compared to the REST API, but consumed less than 5ms of time and consumed an average of 27ms of time, regardless of the number of switches. And with orchestration protocol using the standard protocol Openflow protocol, it formed a multi-domain SDN network consisting of SDN controllers. It also proved that reliable controller-based topology management is possible by reusing SDN controllers as orchestrators in a simplified procedure compared to other protocols.