[논문]효율적인 가상 네트워크 대응 방안

우미애

doi:10.7840/kics.2016.41.12.1793

효율적인 가상 네트워크 대응 방안
Efficient Virtual Network Mapping Method 원문보기

한국통신학회논문지 = The Journal of Korean Institute of Communications and Information Sciences, v.41 no.12, 2016년, pp.1793 - 1800

우미애 (Sejong University Department of Electrical Engineering)

초록
AI-Helper

네트워크의 가상화는 최근에 등장한 클라우드 서비스, 데이터 센터 네트워크 등 새로운 서비스를 기존의 네트워크 환경에서 제공하기 위한 하나의 방편으로 인식되고 있다. 본 논문에서는 네트워크 가상화를 위한 가상 네트워크 대응 방안을 가상 노드의 위치, 자원, 가상 링크의 대역폭 요구조건을 고려하면서 효율적인 방안을 제안한다. 제안한 방안은 대응의 우선순위를 대역폭으로 설정하여 대응 가능한 실제 노드들 간의 경로가 존재하는 조합을 발견할 때까지 반복하는 방법을 사용한다. 모의실험 결과 제안한 방안이 가상 네트워크 대응 성공률은 떨어지지 않으면서도 수익률은 높고 실행시간도 빠른 효율적인 방안임을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Network virtualization is considered as an enabling technology to accomodate recently introduced new services such as cloud services and data center networks on top of the existing network environment. In this paper, an efficient virtual network mapping method is proposed which takes account of the location and resource requirements of virtual nodes and the bandwidth requirements of virtual links. The proposed method sets bandwidth as the priority metric for network mapping, and searches for a set of substrate nodes and paths that houses the virtual nodes and virtual links. Through the simulation experiments, it is verified that the proposed method provides better cost to revenue ratio and fast experiment time without degrading success rate of virtual network mapping.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

만일 경로가 제공될 수 있으면 해당 가상 네트워크 요청을 수락한다. 만일 실제 네트워크 상 경로를 제공할 수 없다면 가장 우선순위가 낮은 가상 노드를 다른 실제 노드로 대응 가능한지 살펴보게 된다. 즉, #, #, #, #의 조합으로 대응이 불가능 할 경우 #, #, #, #의 조합에 대한 경로 설정이 가능한지 보고, 경로 설정이 가능할 때 까지, <n₄>에 대응 가능한 실제 노드#를 대상으로 순차적으로 알아본다.
본 논문에서는 가상 네트워크를 실제 네트워크로 대응할 때, Woo가 제안한 방안^[2]에서는 고려하지 않은 가상 노드들의 위치도 요구조건의 하나로 포함하는 경우에 대하여 연구하였다. 제안하는 방안에서는 대응 가능한 실제 노드의 선택 기준을 위치, 가상 노드의 CPU 요구량, 연결된 가상 링크의 대역폭 요구량을 모두 고려한다.
본 논문에서는 가상 노드의 위치, CPU 요구조건, 가상 링크의 대역폭 요구조건을 만족시키는 가상 네트워크 대응 방안을 제안하였다. 기존의 휴리스틱 방안들과의 차이점은 대응할 때 요청된 가상 네트워크를 구성하는 가상 노드의 우선순위를 해당 가상 노드에 연결된 가상 링크의 대역폭 요구조건의 합으로 정하여 우선순위가 높은 노드 먼저 대응하는 실제 노드를 선택하고, 선택된 실제 노드들 간에 가상링크를 연결할 경로를 탐색하는 점이다.

가설 설정

가상 네트워크 요청은 실시간으로 도착한다고 가정한다. i번째 도착한 가상 네트워크 요청, V_i의 토폴로지도 무방향 그래프 #로 나타낸다.
Zhu가 제안한 방안^[3]은 휴리스틱 기반 방안 중 근간을 제시한 연구로써, 노드와 링크에 가해지는 부하를 분산시키는 것을 목적으로 한다. 그러나 이 연구에서는 실제 네트워크의 노드와 링크의 용량이 무한대이고, 가상 노드와 가상 링크가 단위 처리능력과 단위 대역폭을 요구한다는 비현실적인 가정을 하였다. Nogueira 등이 제안한 방안^[4]에서는 링크와 노드에 다양한 제약조건을 설정하여 가상 네트워크 요구를 좀 더 현실적으로 변경하고 대응할 수 있는 실제 노드가 적은 가상 노드에게 대응 우선순위를 부여하였다.

제안 방법

가상 노드 n의 대응 가능 후보군의 모든 실제 노드에 대하여 노드 잠재력을 구한 후, 그 중 가장 작은 노드 잠재력을 갖는 실제 노드를 선택한다. 즉,
가상 노드와 대응 가능한 실제 노드 집합을 모두 정렬한 후, 각 가상 노드별로 대응 가능한 실제 노드 정렬 리스트의 제일 앞에 있는 실제 노드들을 대상으로 가상 링크에 대응하는 경로를 설정할 수 있는지 확인한다. 경로 설정이 가능하면, 해당 가상 네트워크의 대응이 성공하는 것이다.
이는 CPU와 대역폭 요구조건 중 대역폭 요구조건이 가상 네트워크 대응에 좀 더 제한요건으로 동작하는 경우 대역폭을 대응 우선순위로 하는 제안 방안의 장점이 나타나는 것이다. 가상 노드의 CPU 요구조건이 UNI[20, 30]으로 증가하면 그림 4에서 볼 수 있듯이 가상 링크의 대역폭 요구조건이 증가하더라도 두 방안 모두 비슷한 가상 네트워크 대응 성공률을 기록하였다. 이는 실제 노드의 CPU 용량을 UNI[50, 100]으로 설정하였기 때문에 CPU 요구조건이 가상 네트워크 대응 성공에 더 많은 영향을 미치는 것으로 해석할 수 있다.
가상 노드 n과 대응 가능한 실제 노드 #의 거리(dist)는 가상 노드의 좌표 값 (x_n,y_n)과 #의 좌표 값 #간의 거리로 계산하고, 그 거리가 일정 범주(δ) 안에 들어야 한다. 또한 본 논문에서는 가상 링크를 실제 네트워크에서 하나의 경로로 제공하도록 하여 Woo가 제안한 방안^[2]에서와 같이 가상 노드에 연결된 가상 링크의 대역폭 요구사항의 합도 대응할 실제 노드를 선택하는 최소 필요조건으로 삼는다. 가상 링크의 대역폭 요구조건을 #라 하자.
마지막으로 실제 모의실험을 실행하는 데 걸리는 시간을 검토해 보았다. 실제 실행 시간 값은 그 자체로는 의미가 크지 않기 때문에, 본 논문에서 제안한 방안과 Nogueira 등이 제안한 방안의 실행시간의 비율을 그림 7에 제시하였다.
경로 설정이 가능하면, 해당 가상 네트워크의 대응이 성공하는 것이다. 만일 이 조합에 대한 경로설정이 불가능하면, 정렬된 가상 노드 리스트의 제일 끝에 있는 노드에 대하여 다른 실제 노드를 선택하여 경로설정 여부를 확인한다. 이러한 과정은 경로설정이 가능할 때까지, 정렬리스트에서 순차적으로 다른 실제 노드를 고려하며 반복적으로 확인한다.
모의실험 결과를 평가하는 데 있어 가상 네트워크 대응 성공률, 비용 대 수익 비율, 모의실험의 수행시간을 평가 지표로 선택하였다.
모의실험을 위해서 실제 네트워크와 가상 네트워크를 생성하였다. 실제 네트워크 토폴로지 생성에는 100×100 공간 안에서 Waxman 랜덤 토폴로지^[7](α = 0.
본 논문에서 제안하는 가상 네트워크 대응 방안에서는 가상 노드의 대응 우선순위를 실제 네트워크의 경로를 최적화 하고자 대역폭을 우선순위로 설정한다. 따라서 가상 네트워크 요청 V_i가 들어오면, 가상 노드들을 식 (3)의 대역폭 요구조건에 따라 정렬하여 정렬 리스트 #를 구성한다.
에 대하여 설명한다. 이 방안에서는 노드 스트레스 요인으로 CPU 부하, 코어 수, 주파수, 가용 RAM 용량을, 링크 스트레스로는 할당된 대역폭 합을 고려한다.
Woo가 제안한 방안^[2]에서는 가상 노드를 대응시킬 때, 위치를 고려하지 않고 인접 가상 노드들이 실제 네트워크에서도 가능하면 인접한 노드들로 클러스터를 형성할 수 있도록 탐색과정을 진행하도록 하였다. 이를 위하여 가상 노드의 CPU 요구량을 대응 우선순위로 삼고, 탐색 시 우선순위 높은 노드를 대상으로 먼저 대응 가능성을 타진하였다. 대부분의 경우 각 방안의 성능을 가상 네트워크 대응 성공률로 측정하는 데, 비용 대비 수익성에 대하여 비교한 결과도 있다^[6].
에서는 고려하지 않은 가상 노드들의 위치도 요구조건의 하나로 포함하는 경우에 대하여 연구하였다. 제안하는 방안에서는 대응 가능한 실제 노드의 선택 기준을 위치, 가상 노드의 CPU 요구량, 연결된 가상 링크의 대역폭 요구량을 모두 고려한다. 가상 노드의 대응 우선순위를 실제 네트워크의 경로를 최적화 하고자 대역폭을 우선순위로 설정한다는 점이 본 논문과 기존 연구와 다른 점이다.
제안하는 방안은 정렬 리스트 N에 있는 가상 노드 순서대로 실제 노드에 대응 가능한지 탐색한다.
가상 노드의 대응 우선순위를 실제 네트워크의 경로를 최적화 하고자 대역폭을 우선순위로 설정한다는 점이 본 논문과 기존 연구와 다른 점이다. 제안한 방안의 성능은 가상 네트워크 대응 성공률, 비용 대비 수익성, 실제 대응 시간을 사용하여 분석한다. 모의실험 결과, 제안한 방안은 가상 네트워크 대응 성공률을 악화시키지 않으면서 수익성은 높이고 대응 시간은 빠르게 하는 효율적인 방안임이 확인되었다.
제안한 가상 네트워크 대응 방안의 성능은 모의실험을 통하여 평가하였다. 평가 지표로는 가상 네트워크 대응 성공율, 비용 대 수익 비율, 평균 실행시간을 채택하였다. 비교 대상으로는 기존 연구 중 Nogueira 등이 제안한 방안^[4]를 선정하였다.

대상 데이터

평가 지표로는 가상 네트워크 대응 성공율, 비용 대 수익 비율, 평균 실행시간을 채택하였다. 비교 대상으로는 기존 연구 중 Nogueira 등이 제안한 방안^[4]를 선정하였다.
가상 네트워크를 대응시킬 때, 가상 노드의 지정 위치의 특정 반경 안에 있는 실제 노드에 대응시키는 데, 반경은 5로 지정하였다. 총 모의실험 시간은 10,000으로 설정하였다.

데이터처리

제안한 가상 네트워크 대응 방안의 성능은 모의실험을 통하여 평가하였다. 평가 지표로는 가상 네트워크 대응 성공율, 비용 대 수익 비율, 평균 실행시간을 채택하였다.

이론/모형

가상 네트워크 요청은 포아송(Poisson) 프로세스 (λ = 0.1)모델을 사용하여 랜덤하게 도착하도록 하였다[3].
실제 네트워크 토폴로지 생성에는 100×100 공간 안에서 Waxman 랜덤 토폴로지[7](α = 0.4, β = 0.4)[4] 생성 방법을 사용하였다.

성능/효과

그림 3에서 볼 수 있듯이 가상 노드의 CPU 요구조건이 UNI[10, 20]인 경우, 가상 링크의 대역폭 요구조건이 UNI[100M, 200M]이면 본 논문에서 제안한 방안이나 Nogueira 등이 제안한 방안의 성공률은 거의 비슷하였다. 가상 링크의 대역폭 요구조건이 UNI[300M, 400M]로 증가하더라도 제안한 방안의 가상 네트워크 대응 성공률은 가상 링크의 대역폭 요구조건이 UNI[100M, 200M]인 경우와 최대 가상 노드 수에 따라 거의 비슷하였다. 그에 반하여 Nogueira 등이 제안한 방안의 경우 가상 링크의 대역폭 요구조건의 증가가 가상 네트워크 대응 성공률을 떨어뜨렸다.
비용 대 수익의 비교 결과는 그림 5와 그림 6에 있다. 두 그림에서 볼 수 있듯이 본 논문에서 제안한 방안이 Nogueira 등이 제안한 방안보다 항상 더 높은 비용 대 수익률을 기록하였다. 이는 제안한 방안이 대응 우선순위로 대역폭을 선택했기 때문에, 설정된 경로 길이가 상대적으로 짧기 때문이다.
제안한 방안의 성능은 가상 네트워크 대응 성공률, 비용 대비 수익성, 실제 대응 시간을 사용하여 분석한다. 모의실험 결과, 제안한 방안은 가상 네트워크 대응 성공률을 악화시키지 않으면서 수익성은 높이고 대응 시간은 빠르게 하는 효율적인 방안임이 확인되었다.
만일 해당 경로가 없는 경우 우선순위가 낮은 가상 노드를 대응 가능한 다른 실제 노드로 바꾸어 경로가 있는 노드 집합이 형성될 때 까지 반복적으로 탐색을 한다. 이러한 제안 방안의 성능을 가상 네트워크 대응 성공률, 비용 대 수익 비율, 모의실험의 수행시간으로 비교 분석한 결과, 제안한 방안이 가상 네트워크 대응 성공률은 떨어지지 않으면서도 수익률은 높고 실행시간도 빠른 효율적인 방안임을 확인하였다.
Nogueira 등이 제안한 방안은 가상 노드 하나를 대응시킬 실제 노드를 정하기 위해서 대응 가능 후보군 노드 모두에 대하여 노드 잠재력을 구해야 하고, 노드 잠재력은 인접 노드 후보군 모두에 대한 경로 비용을 계산해야하기 때문에 시간 복잡도가 높다. 제안한 방안이 일관적으로 Nogueira 등이 제안한 방안보다 실행시간이 매우 빠르게 나타났다는 점은 대응 우선순위를 대역폭으로 지정함으로써 가상 링크를 수용할 수 있는 실제 네트워크상의 경로 탐색시간이 평균적으로 빠르다는 것을 의미한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	네트워크의 가상화은 어떻게 인식되고 있는가?	네트워크의 가상화는 최근에 등장한 클라우드 서비스, 데이터 센터 네트워크 등 새로운 서비스를 기존의 네트워크 환경에서 제공하기 위한 하나의 방편으로 인식되고 있다. 본 논문에서는 네트워크 가상화를 위한 가상 네트워크 대응 방안을 가상 노드의 위치, 자원, 가상 링크의 대역폭 요구조건을 고려하면서 효율적인 방안을 제안한다.
	휴리스틱은 어떤 문제를 효율적으로 해결할 수 있는 방법인가?	지금까지 가상 네트워크를 위한 실제 네트워크의 자원 할당 문제에 대한 여러 가지 연구들이 진행되어 왔다[2-6]. 이 문제를 효율적으로 해결하는 방법 중 하나가 휴리스틱(heuristic)을 사용하는 방법[2-4]이다.
	네트워크 가상화의 가장 기본적인 기능은 무엇인가?	그러한 방안 중 하나가 물리적 네트워크를 여러 네트워크 사업자들이 공유하며 서비스를 수용할 수 있는 네트워크 가상화(network virtualization)다. 네트워크 가상화의 가장 기본적인 기능은 가상 네트워크에 있는 가상 노드(virtual node)는 실제 네트워크의 실제 노드(substrate node)로, 가상 링크(virtual link)는 실제 네트워크의 노드간의 경로(path)로 대응시키고, 실제 노드와 링크의 자원을 할당하는 것이다[2]. 이렇게 가상 네트워크의 요구조건을 만족시키면서 가상 네트워크를 실제 네트워크에 대응시키는 문제는 NP-hard문제다[3].

참고문헌 (7)

B. Chen, J. Zhang, W. Xie, J. Jue, Y. Zhao, and G. Shen, "Cost-effective survivable virtual optical network mapping in flexible bandwidth optical networks," J. Lightwave Technol., vol. 34, no. 10, pp. 2398-2412, 2016,

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M. Woo, "A study on node selection strategy for the virtual network embedding," J. KICS, vol. 39b, no. 8 pp. 491-498, Aug. 2014.

원문보기 상세보기
Y. Zhu and M. Ammar, "Algorithms for assigning substrate network resources to virtual network components," in Proc. INFOCOM 2006, pp. 1-12. 2006.
J. Nogueira, M. Melo, J. Carapinha, and S. Sargento, "Virtual network mapping into heterogeneous substrate networks," in Proc. ISCC 2011, pp. 438-444, 2011.
C. Pyoung and S. Baek, "Virtual network mapping algorithm for minimizing piecewise linear cost function," J. KICS, vol. 41, no. 6 pp. 672-677, Jun. 2016.

원문보기 상세보기
M. Woo, "A comparison of cost to revenue according to mapping priority for virtual network embedding," in Proc. KICS Int. Conf. Commun., pp. 1513-1514, Jeju-do, Korea, Jun. 2015.
B. Waxman, "Routing of multipoint connections," IEEE JSAC, vol. 6, no. 9, pp. 1617-1622, Dec. 1988.

표제어: PCR

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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