[논문]고확장성과 고가용성을 지원하는 Transport SDN 기술 동향

윤빈영; 김태홍; 김영화; 양선희

고확장성과 고가용성을 지원하는 Transport SDN 기술 동향 원문보기

정보와 통신 : 한국통신학회지 = Information & communications magazine, v.32 no.7, 2015년, pp.9 - 16

윤빈영 (한국전자통신연구원) , 김태홍 (한국전자통신연구원) , 김영화 (한국전자통신연구원) , 양선희 (한국전자통신연구원)

초록
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본고에서는 Transport SDN의 고확장성과 네트워크 장애를 신속하게 복구하기 위한 고가용성을 제공하는 SDN 컨트롤러 구조와 데이터 플레인 장애 복구 기술 동향을 소개한다. SDN 컨트롤러 기술에 대해서는 최근 많은 관심을 받고 있는 오픈소스 프레임워크 기반의 SDN 컨트롤러를 중심으로 확장성 및 고가용성 기술 동향을 살펴본다. 그리고 데이터 플레인에서 노드 및 경로 장애 발생 시 신속하게 경로를 복구하기 위한 보호기술과 복구기술 동향을 소개한다.

AI 본문요약
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문제 정의

본 고에서는 OpenDaylight과 ONOS 오픈소스 프레임워크에서의 컨트롤러 고확장성과 고가용성을 지원 방안에 대하여 살펴보았다. 두 프레임워크 모두 논리적으로는 중앙집중형 컨트롤러를 지향하면서도 분산 클러스터 방식의 컨트롤러 확장을 통하여 컨트롤러의 가용성과 확장성을 지원하였다.
본 고에서는 최근 많은 관심과 집중을 받고 있는 오픈소스 프레임워크인 OpenDaylight과 ONOS를 중심으로 분산 컨트롤러 구조와 컨트롤러 간 상태정보 공유 방식 관점에서 SDN 컨트롤러의 고확장성과 가용성 지원 기술 동향에 대하여 살펴본다. 또한, 데이터 평면의 고가용성을 위해서 오픈플로우의 플로우 테이블을 이용한 세그먼트 보호기술과 그룹 테이블을 이용한 보호기술을 소개한다.
세그먼트 단위의 보호 절체와 달리 여러 개의 노드를 경유하는 워킹 경로를 보호 경로로 절체하는 보호기술은 오픈플로우의 그룹 테이블 사용하여 구현될 수 있다. 본 절에서는 그룹 테이블을 이용한 경로 단위의 1:1 보호 절체 기술을 소개한다 [18].
복구기술은 네트워크 자원을 효율적으로 사용할 수 있는 장점을 가지나, 장애 발생 이후에 백업 경로에 대한 경로 계산 및 프로비전닝이 요구되므로 보호기술에 비하여 장애 복구 시간이 길어지는 단점을 갖는다. 본 절에서는 차세대 광네트워크 기술인 Elastic optical network (EON)에서 GMPLS와 SDN 기반의 복구 기술을 구분하고 성능을 비교한다[19]. EON은 12.
ODL은 2013년 4월 리눅스 파운데이션 (Linux Foundation)에 의해 공식 출범한 오픈소스 프레임워크 프로젝트이다. 시스코를 비롯하여 IBM, 브로케이드, 빅스위치네트웍스, 주니퍼네트웍스, VMWARE, 마이크로소프트 등 글로벌 IT 업체 대부분이 참여한 범 개방형 네트워크 연합체로써, 오픈소스 기반의 표준 SDN 프레임워크 개발 및 어플리케이션, 툴, 서비스 등을 포함하는 SDN 생태계 전반을 구축하는 것을 목표로 한다. ODL의 첫 번째 버전인 Hydrogen은 2014년 2월, 두 번째 버전인 Helium은 2015년 3월, 세 번째 버전인 Lithium은 2015년 6월에 발표되었다.

가설 설정

측정 결과, SDN 제어 방식은 90ms 미만이 소요되는 반면에, GMPLS의 경우에는 약 280ms 정도 소요되었다. 이때, 경로 계산을 위한 소요 시간과 노드 설정 시간을 각각 10ms와 50ms로 가정하였다. 따라서, GMPLS 제어를 사용하는 경우에 비하여 SDN을 사용하는 경우 프로비전닝 시간이 약 3배 정도 빠르다고 할 수 있다.

제안 방법

ODL의 클러스터링 모델에서는 기존의 데이터 저장소를 샤드 (shard) 형태로 분할하고, 클러스터 내에 존재하는 서버들이 분산 형태로 샤드를 관리할 수 있도록 설계하였다. ODL의 Helium 버전에서 기본으로 제공하는 샤드는 크게 디폴트 (default), 토폴로지 (topology), 인벤토리 (inventory), 토스터 (toaster)로 구성되며, 설정을 통해 각각의 샤드를 복제하는 서버 리스트를 지정할 수 있다.
또한, 데이터 평면의 고가용성을 위해서 오픈플로우의 플로우 테이블을 이용한 세그먼트 보호기술과 그룹 테이블을 이용한 보호기술을 소개한다. 그리고 광통신 패러미터를 가변적으로 선택하여 광 네트워크 자원을 효율적으로 상용할 수 있는 EON (Elastic Optical Network)에서 동작하는 SDN 복구기술 방법과 GMPLS 복구기술 방법의 특징을 살펴보고 성능을 비교, 분석한다.
5GHz 단위)를 갖는 시뮬레이션 모델을 구성하였다. 그리고 장애가 탐지되어 경로 설정이 요청되는 시점부터 시그널링에 의하여 연결 설정이 종료되는 시간을 측정하였다. 측정 결과, SDN 제어 방식은 90ms 미만이 소요되는 반면에, GMPLS의 경우에는 약 280ms 정도 소요되었다.
본 고에서는 최근 많은 관심과 집중을 받고 있는 오픈소스 프레임워크인 OpenDaylight과 ONOS를 중심으로 분산 컨트롤러 구조와 컨트롤러 간 상태정보 공유 방식 관점에서 SDN 컨트롤러의 고확장성과 가용성 지원 기술 동향에 대하여 살펴본다. 또한, 데이터 평면의 고가용성을 위해서 오픈플로우의 플로우 테이블을 이용한 세그먼트 보호기술과 그룹 테이블을 이용한 보호기술을 소개한다. 그리고 광통신 패러미터를 가변적으로 선택하여 광 네트워크 자원을 효율적으로 상용할 수 있는 EON (Elastic Optical Network)에서 동작하는 SDN 복구기술 방법과 GMPLS 복구기술 방법의 특징을 살펴보고 성능을 비교, 분석한다.
오픈플로우의 플로우 테이블을 이용하여 빠르게 장애를 복구시킬 수 있는 세그먼트 보호기술이 연구 [17] 되었으며, 본 절에서는 와 같이 5개의 스위치로 구성된 링 네트워크의 예를 통하여 보호 절체 동작과 성능을 분석한다.
만약, 백업 경로에 일정 시간 동안 패킷이 전송되지 않으면 idle timeout에 의하여 플로우 테이블에서 백업 엔트리가 삭제될 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해서 컨트롤러와 호스트 사이에 제어 메시지를 사용하지 않고 renew packet을 주기적으로 전달하여 문제를 해결한다. Renew 패킷은 네트워크 내부에서만 사용되는 패킷이므로 최종 호스트로 전달되지 않도록 egress 스위치에서 폐기된다.

대상 데이터

시스코를 비롯하여 IBM, 브로케이드, 빅스위치네트웍스, 주니퍼네트웍스, VMWARE, 마이크로소프트 등 글로벌 IT 업체 대부분이 참여한 범 개방형 네트워크 연합체로써, 오픈소스 기반의 표준 SDN 프레임워크 개발 및 어플리케이션, 툴, 서비스 등을 포함하는 SDN 생태계 전반을 구축하는 것을 목표로 한다. ODL의 첫 번째 버전인 Hydrogen은 2014년 2월, 두 번째 버전인 Helium은 2015년 3월, 세 번째 버전인 Lithium은 2015년 6월에 발표되었다.
성능 분석을 위해서 25개 노드에 55개 양방향 링크로 연결되는 네트워크을 구성하고 256 개의 주파수 슬라이스 (12.5GHz 단위)를 갖는 시뮬레이션 모델을 구성하였다. 그리고 장애가 탐지되어 경로 설정이 요청되는 시점부터 시그널링에 의하여 연결 설정이 종료되는 시간을 측정하였다.

이론/모형

고가용성이란 중단 없는 서비스 제공을 의미하며, 컨트롤러 클러스터를 이용하여 운영 중인 서버의 장애 발생 또는 서버 업그레이드 시에 다른 서버가 작업을 대신하도록 함으로써 끊김없는 서비스의 제공을 할 수 있다. ODL에서는 고가용성의 지원을 위하여 Akka 라이브러리 [24] 기반의 클러스터링 구현 및 Raft 알고리즘 [25]을 이용한 분산처리 작업을 수행한다.
즉, 운영 서버의 상태 정보를 대기 서버들에 복제한 후 운영 서버의 장애 등이 발견되었을 때 대기 서버 중 하나를 운영 서버로 전환함으로써, 지속적인 서비스를 제공하게 된다. 이 때, 클러스터를 구성하는 서버 중 운용 서버 역할을 하는 리더의 선정은 미국 스탠포드대에서 개발한 Raft 알고리즘을 이용한다. Raft 알고리즘에서는 분산 방식의 리더 선출 과정을 거치게 되고, 리더는 주기적으로 하트비트 (Heartbeat) 메시지를 전송하여 자신의 상태 정보를 알린다.

성능/효과

5개의 이더넷 스위치와 각 스위치 당 8개의 호스트로 구성된 네트워크를 구성하여 성능을 측정한 결과, 평균 switch-over 시간이 약 33ms로 측정되었다. 대부분의 switch-over 시간은 링크 장애를 탐지하는데 소요되는 시간으로 관찰되었다.
대부분의 switch-over 시간은 링크 장애를 탐지하는데 소요되는 시간으로 관찰되었다. 각 스위치에 등록된 엔트리 개수와 recovery 시간과의 상관 관계를 분석한 결과, 500개 이상의 엔트리를 초과하는 경우에는 동일한 시간이 소요되는 것으로 관찰되었다. 모든 호스트들 간 연결이 가능하도록 구성하는 경우, 각 스위치의 플로우 테이블에는 2308개의 엔트리를 갖는다.
SDN 보호기술인 OpenFlow 플로우 테이블을 이용한 세그먼트 단위의 보호 절체와 OpenFlow 그룹 테이블을 이용한 보호 절체 모두 50ms 이내의 빠른 보호 절체 성능을 제공한다. 그리고 EON에서 동작하는 SDN 기반의 복구 방식과 기존 GMPLS 복구 방식의 성능 비교 결과, SDN 복구 방식이 기존의 GMPLS 복구 방식에 비하여 복구 시간이 크게 향상되었다.
본 고에서는 OpenDaylight과 ONOS 오픈소스 프레임워크에서의 컨트롤러 고확장성과 고가용성을 지원 방안에 대하여 살펴보았다. 두 프레임워크 모두 논리적으로는 중앙집중형 컨트롤러를 지향하면서도 분산 클러스터 방식의 컨트롤러 확장을 통하여 컨트롤러의 가용성과 확장성을 지원하였다. 특히 ONOS에서는 트래픽 로드의 분배를 통하여 시간당 처리할 수 있는 트래픽 수용능력을 향상시킴으로써 높은 수준의 성능을 요구하는 통신사업자망에 적용할 수 있는 가능성을 높였다고 할 수 있다.
그리고 장애가 탐지되어 경로 설정이 요청되는 시점부터 시그널링에 의하여 연결 설정이 종료되는 시간을 측정하였다. 측정 결과, SDN 제어 방식은 90ms 미만이 소요되는 반면에, GMPLS의 경우에는 약 280ms 정도 소요되었다. 이때, 경로 계산을 위한 소요 시간과 노드 설정 시간을 각각 10ms와 50ms로 가정하였다.

후속연구

현재의 ODL Helium 버전에서는 클러스터링을 이용한 컨트롤러 가용성만을 제공하고 있으며, 향후 분산 서버를 모두 운용 서버를 활용하는 컨트롤러 확장성의 지원 여부에 관심을 가질 필요가 있다. 또한, 이는 컨트롤러의 확장성과 가용성을 모두 지원하고 있는 ONOS와의 차이점 중 하나라고 할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	ODL의 컨트롤러 플랫폼에 기본적으로 제공되는 네트워크 서비스에는 어떤 것들이 있는가?	ODL의 컨트롤러 플랫폼은 필요에 따라 동적으로 장착 가능하도록 각 네트워킹 기능들을 모듈 형태로 포함하고 있으며, 기본적으로 제공되는 네트워크 서비스는 토폴로지 관리 기능, 스위치 관리 기능, 호스트 트래커, 상태 관리자 등이다. 응용 요구사항에 따라 클라우드와의 연동을 위한 오픈스택 (OpenStack) 서비스, 멀티테넌트 가상 네트워크를 위한 VTN (Virtual Tenant Networking) 서비스, 식별자/위치자 분리 프로토콜 (Locator/ID Separation Protocol, LISP) 서비스 등을 자유로이 확장할 수 있다.
	ODL이란 무엇인가?	ODL은 동적으로 장착 가능한 모듈 형태의 컨트롤러 플랫폼으로, 자바 가상 머신 (JVM) 상에서 동작하므로 하드웨어 및 운영체제와 독립적으로 동작한다. ODL은 응용 계층을 위해 OSGI 프레임워크 및 노스바운드 (Northbound) API를 지원하며, 응용 계층에서는 컨트롤러를 이용하여 네트워크 정보를 수집하고 네트워크 전반에 대한 관리/제어용 비즈니스 로직 또는 알고리즘을 적용할 수 있다.
	renew packet는 무엇이며 어디에서 폐기되는가?	이러한 문제를 해결하기 위해서 컨트롤러와 호스트 사이에 제어 메시지를 사용하지 않고 renew packet을 주기적으로 전달하여 문제를 해결한다. Renew 패킷은 네트워크 내부에서만 사용되는 패킷이므로 최종 호스트로 전달되지 않도록 egress 스위치에서 폐기된다.

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상세보기
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상세보기
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원문보기 상세보기
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동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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