[논문]유선 메시 구조에서의 절체 성능 향상을 위한 네트워크 설계 기법

황종수; 장은정; 이원오; 김종혁; 김희언

doi:10.14372/iemek.2019.14.4.165

유선 메시 구조에서의 절체 성능 향상을 위한 네트워크 설계 기법
Topology Design Optimization for Improving Fail-over Performance in Wired Mesh Network 원문보기

대한임베디드공학회논문지 = IEMEK Journal of embedded systems and applications, v.14 no.4, 2019년, pp.165 - 175

황종수 (LIGNex1) , 장은정 (LIGNex1) , 이원오 (LIGNex1) , 김종혁 (LIGNex1) , 김희언 (LIGNex1)

Abstract ▼ AI-Helper

Networks use relatively slow heartbeat mechanisms, usually in routing protocols, to detect failures when there is no hardware signaling to help out. The time to detect failures available in the existing protocols is no better than a second, which is far too long for some applications and represents a great deal of lost data at 10 Gigabit rates. We compare the convergence time of routing protocol applying Bidirectional Forwarding Detection (BFD) protocol in wired mesh network topology. This paper suggests the combinations of protocols improving fail-over performance. Through the performance analysis, we contribute to reduce convergence time when system is fail-over.

주제어

표/그림 (18)

그림 그림 1. 유선 메시 네트워크 구조 Fig. 1 Wired mesh network topology
표 표 1. 시스템 요구사항 Table 1. System requirements
그림 그림 2. Count to infinity에 취약한 네트워크 구조 Fig. 2 Weak network topology in count to infinity
그림 그림 3. 플렉스 링크 네트워크 구조 Fig. 3 Flex link network topology
그림 그림 4. OSPF-BFD 동작 메커니즘 Fig. 4 OSPF-BFD operating mechanism
그림 그림 5. BFD-EIGRP 동작 메커니즘 Fig. 5 BFD-EIGRP operating mechanism
표 표 2. 절체시간 관련 프로토콜 파라미터 Table 2. Protocol parameters related to fail-over time
그림 그림 6. BFD 프로토콜의 장애 감지 메커니즘 Fig. 6 Failure detection mechanism of BFD protocol
그림 그림 7. EIGRP 및 OSPF 프로토콜 절체 시험 네트워크 구조 (파샬 메시 네트워크 구조) Fig. 7 Fail-over test network topology of EIGRP & OSPF (partial mesh network topology)
그림 그림 8. 플렉스 링크 프로토콜 절체 시험 네트워크 구조 (파샬 메시 네트워크 구조) Fig. 8 Fail-over test network topology of Flex link (partial mesh network topology)
그림 그림 9. 허브&스포크 절체 시험 네트워크 구조 Fig. 9 Fail-over test network topology of hub & spoke
그림 그림 10. 절체 성능 시험 환경 Fig. 10 Test environment of fail-over performance test
그림 그림 11. DDS Perftest 소프트웨어 메커니즘 Fig. 11 SW mechanism of DDS Perftest
표 표 3. 시험 환경 Table 3. Test environment
그림 그림 12. BFD 적용에 따른 절체시간 Fig. 12 Convergence time applying BFD
그림 그림 13. 라우팅 프로토콜별 절체시간 및 손실 패킷 Fig. 13 Convergence time and loss packet by routing protocol
표 표 4. 시험 프로토콜 Table 4. Test protocol
그림 그림 14. 네트워크 구조별 절체시간 Fig. 14 Convergence time by network topology

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 그림 1과 같은 메시 구조의 시스템에서 고가용성을 높이기 위하여, 절체시간을 줄이기 위한 방법을 제안하고, 시험을 통하여 제안한 프로토콜의 절체 성능을 검증한다. I장에 이어 본 논문은 다음과 같이 구성된다.
본 논문에서는 네트워크 고가용성을 확보하기 위하여 파샬 메시 구조를 가진 시스템의 링크 장애 시, 절체시간을 감소시켜 절체성능을 향상시키기 위하여 링크 장애를 빠르게 감지하는 BFD 프로토콜과 라우팅 프로토콜의 조합을 설계하였다. OSPF 프로토콜과 EIGRP에 BFD 프로토콜 적용에 따른 절체 성능은 결합 전과 비교하여 각각 2.
라우팅 네트워크 구조는 크게 파샬 메시 (partial mesh), 허브&스포크 (hub&spoke), 풀 메시 (full mesh) 네트워크 구조로 나뉜다. 본 논문에서는 동일한 네트워크 구조에서 각 프로토콜의 절체성능을 시험하고, 동일 프로토콜 사용 시 네트워크 구조에 따른 절체 성능 시험 변화를 시험하였다. 동일 네트워크 구조에서 프로토콜에 따른 절체성능 시험은 파샬 네트워크 구조를 구성하여 시험하였고, 네트워크 구조에 따른 프로토콜의 절체성능을 비교하기 위하여 허브&스포크 네트워크 구조를 추가적으로 구성하여 시험하였다 [9].
본 논문에서는 루프 (loop)를 방지하고 절체시간을 줄이는 프로토콜 중 RSTP (Rapid Spanning-Tree Protocol), OSPF (Open Shortest Path First), EIGRP (Enhanced Interior Gateway Routing Protocol), 플렉스 링크 (Flex link), BFD(Bidirectional Forwarding Detection)에 대하여 분석한다.
10G 망에서 1초간 장애는 많은 데이터 손실이 발생시킨다. 본 논문에서는 장애가 발생할 때의 데이터 손실을 줄이기 위하여, 링크 장애를 빠르게 감지하는 BFD 프로토콜과 OSPF 프로토콜 및 EIGRP를 결합하여 구성한다.
본 논문에서는 절체 성능을 스위칭 프로토콜인 플렉스 링크 프로토콜과 비교한다. 위에서 언급한 것과 같이 플렉스 링크 프로토콜과 같은 스위칭 프로토콜은 절체시간이 매우 짧다.

제안 방법

본 시험에 사용된 하드웨어 장비와 소프트웨어는 표 3과 같다. 10G 24Port를 지원하는 시스코社의 C3850 Multi-layer 스위치로 각각의 네트워크 구조에 맞게 환경을 구축 하였다. 10G LAN Card가 설치된 서버를 송신자와 수신자로 구분하여 시험구조에 맞게 스위치에 연결하였다.
10G 24Port를 지원하는 시스코社의 C3850 Multi-layer 스위치로 각각의 네트워크 구조에 맞게 환경을 구축 하였다. 10G LAN Card가 설치된 서버를 송신자와 수신자로 구분하여 시험구조에 맞게 스위치에 연결하였다. 또한 응용 SW로는 멀티 캐스트 (multicast)를 안정적 검증하기 위해 국방에서 주로 사용하는 미들웨어인 RTI社의 DDS (Data Distribution Service) 성능 테스트 프로그램을 사용하였다.
구독자(subscriber)가 손실한 패킷 개수로 절체시간을 측정한다. 10회 이상 반복하여 손실 패킷이 가장 많은 경우의 절체시간을 계산하여 성능 비교에 사용하였다.
OSPF 프로토콜과 EIGRP의 메트릭 계산을 위한 파라미터는 최대 성능을 테스트하기 위하여 표 2의 절체시간과 관련된 파라미터의 최솟값을 적용하여 시험하였다. OSPF 프로토콜은 hello-interval, dead-interval, retransmit-interval을 최소 단위로 설정하였고, EIGRP는 hello-interval과 hold-time를 최소 단위로 설정하였다.
백본 라우터가 코어(core) 라우터가 되어 모든 라우터에 연결되어 있는 구조이다. 각 라인은 10G 광 케이블로 연결되어 중심에 있는 백본 라우터 2개 중에 하나를 절체하여 절체시간을 측정하였다.
그리고 네트워크 구조에 따른 절체 성능을 검증하기 위하여 Case 2, 4와 같이 EIGRP에 BFD 프로토콜을 결합하여 파샬 메시 구조와 허브&스포크 구조에서의 절체시간을 측정하였다.
패킷 송∙수신에 직접 연관된 경로에 위치한 라우터는 포트 별 패킷 전송량을 통하여 획득 가능하다. 네트워크 장애 모의는 패킷 전송 경로에 위치한 라우터의 전원을 끄는 방식으로 시험을 진행하였다. 파샬 메시 구조의 절체 시험은 그림 7에서 송신자에서 수신자로 패킷이 전송될 때 실제 패킷이 전송되는 라인에 있는 라우터 B1과 C2의 전원을 제거하여 시험하였다.
동일 네트워크 구조에서 프로토콜에 따른 절체성능 시험은 파샬 네트워크 구조를 구성하여 시험하였고, 네트워크 구조에 따른 프로토콜의 절체성능을 비교하기 위하여 허브&스포크 네트워크 구조를 추가적으로 구성하여 시험하였다 [9].
10G LAN Card가 설치된 서버를 송신자와 수신자로 구분하여 시험구조에 맞게 스위치에 연결하였다. 또한 응용 SW로는 멀티 캐스트 (multicast)를 안정적 검증하기 위해 국방에서 주로 사용하는 미들웨어인 RTI社의 DDS (Data Distribution Service) 성능 테스트 프로그램을 사용하였다. 그림 10은 실제 시험 환경을 나타낸 그림이다.
그림 10은 실제 시험 환경을 나타낸 그림이다. 스위치를 적층으로 쌓고 광케이블 연결을 변경하여 구조 변경이 용이하게 시험 환경을 구성하였다. 그리고 절체성능을 측정하기 위한 응용 SW를 서버에서 실행하여 시험에 사용하였다.
시험 프로토콜은 Ⅲ절에서 제안한 프로토콜과 시험구조를 결합하여, 표 4와 같이 4가지 경우를 나눠 시험하였다. 프로토콜에 따른 절체성능을 비교하기 위하여 표 4의 Case 1~3과 같이 파샬 메시 구조에서 프로토콜 변화에 따른 절체시간을 측정하였다.
DDS Perftest 소프트웨어는 그림 11에 표현한 것과 같이 패킷의 발행자 (publisher)에서 데이터 송신 시 측정 주기마다 에코 리퀘스트 (echo requests)를 삽입하여 전송의 성공과 실패를 확인 할 수 있다. 이를 이용하여 초당 평균 10000개의 데이터를 송신하고, 네트워크 장애 발생 시 라우팅 경로가 변경되는데 걸리는 시간을 측정하였다.
절체시간의 측정방법은 초당 전송 데이터의 손실률로 시간을 측정하였다. 그림 11은 DDS Perftest 소프트웨어의 동작 구조를 나타낸 그림이다.
네트워크 장애 모의는 패킷 전송 경로에 위치한 라우터의 전원을 끄는 방식으로 시험을 진행하였다. 파샬 메시 구조의 절체 시험은 그림 7에서 송신자에서 수신자로 패킷이 전송될 때 실제 패킷이 전송되는 라인에 있는 라우터 B1과 C2의 전원을 제거하여 시험하였다. 허브&스포크 구조의 절체 시험은 그림 9의 백본 라우터 1의 전원을 제거하여 백본 라우터 2로 절체될 때의 시간을 측정하였다.
시험 프로토콜은 Ⅲ절에서 제안한 프로토콜과 시험구조를 결합하여, 표 4와 같이 4가지 경우를 나눠 시험하였다. 프로토콜에 따른 절체성능을 비교하기 위하여 표 4의 Case 1~3과 같이 파샬 메시 구조에서 프로토콜 변화에 따른 절체시간을 측정하였다. 그리고 네트워크 구조에 따른 절체 성능을 검증하기 위하여 Case 2, 4와 같이 EIGRP에 BFD 프로토콜을 결합하여 파샬 메시 구조와 허브&스포크 구조에서의 절체시간을 측정하였다.
허브&스포크 구조의 절체 시험은 그림 9의 백본 라우터 1의 전원을 제거하여 백본 라우터 2로 절체될 때의 시간을 측정하였다. 플렉스 링크 스위칭 프로토콜의 절체시간은 그림 8의 C1 라우터의 연결된 송신자가 A2 라우터에 연결된 수신자에 전송 중일 때 B2의 전원을 제거하였을 때 절체시간을 측정하였다.
허브&스포크 구조의 절체 시험은 그림 9의 백본 라우터 1의 전원을 제거하여 백본 라우터 2로 절체될 때의 시간을 측정하였다.

대상 데이터

01초 차이로 비슷하게 측정되었다. BFD 프로토콜의 상태 모니터링의 대상은 포트와 포트 사이 장애 감지 유무이다. 각 포트의 장애 감지로 라우팅 프로토콜의 경로를 전환 시켰지만 파샬 메시 구조와 허브&스포크 구조에서는 구조에 의한 영향성이 크기 않음을 알 수 있다.

이론/모형

EIGRP는 최단 경로인 석세서 (successor)와 백업 경로인 피저블 석세서 (feasible successor)를 결정하기 위하여 DUAL (Diffusing Update Algorithm) 알고리즘을 사용한다. 최단 경로는 대역폭, 부하 (loading), 지연, 신뢰성 (reliability), MTU (Maximum Transmission Unit)의 5가지 변수를 가지고 지능적으로 결정된다.
각각의 라우터들은 전달된 LSA 패킷을 이용하여 링크 스테이트 데이터베이스를 생성하고, 전체 네트워크 구조 정보를 파악하게 된다. 네트워크 구조 정보 및 링크 상태 정보를 파악한 라우터는 최단경로 (shortest path) 알고리즘을 이용하여 최적의 경로를 계산한다. 이로써 각 목적지에 대한 다음 홉의 정보를 담은 라우팅 테이블을 생성한다[6].

성능/효과

본 논문에서는 네트워크 고가용성을 확보하기 위하여 파샬 메시 구조를 가진 시스템의 링크 장애 시, 절체시간을 감소시켜 절체성능을 향상시키기 위하여 링크 장애를 빠르게 감지하는 BFD 프로토콜과 라우팅 프로토콜의 조합을 설계하였다. OSPF 프로토콜과 EIGRP에 BFD 프로토콜 적용에 따른 절체 성능은 결합 전과 비교하여 각각 2.5%, 88% 향상되었다. 또한 스위칭 프로토콜인 플렉스 링크 프로토콜과 동등한 절체 성능을 보여주었다.
29초로 측정되었다. OSPF 프로토콜에 BFD를 결합한 경우 2.5%의 성능만 개선되었으나, EIGRP에 BFD를 결합한 경우 88%의 절체시간 성능이 개선되었다.
또한 스위칭 프로토콜인 플렉스 링크 프로토콜과 동등한 절체 성능을 보여주었다. 그 결과 시스템의 절체 성능을 높여 네트워크에 가해지는 부하를 줄이고 네트워크 안정성을 향상시켰다.
라우팅 프로토콜과 BFD 결합 프로토콜의 절체시간은 그림 12와 동일하다. 스위칭 프로토콜인 플렉스 링크 프로토콜의 절체시간은 0.18초로 EIGRP와 BFD 프로토콜의 결합보다 0.12초 짧았다. 다시 말해 하드웨어 기반의 스위칭 코어 기반으로 CPU 계산이 필요 없는 스위칭 프로토콜과 CPU 기반 라우팅 프로토콜과 BFD 결합 프로토콜의 절체 성능 차이는 크지 않다.
절체 성능 향상을 위하여 EIGRP 또는 OSPF 프로토콜에 BFD 프로토콜을 결합하여 네트워크 장애 인식 시간을 줄일 수 있다. 이는 비정상적인 링크 상황을 모니터링하여, 장애 발생 시 대안 경로를 보다 빨리 확립하여 장애에 대처할 수 있다.

후속연구

앞으로는 SDN (Software-Define Networking)과 NFV (Network Function Virtualization)를 도입하여 절체시간은 줄이고 가용성을 향상시킬 수 있는 시스템 개발 및 추가 연구가 필요 할 것이다.
앞으로도 대용량 데이터를 처리하는 함정 무기 체계들의 고가용성 요구는 지속적으로 증가할 것이다. 그로인해 많은 네트워크 구조의 성능이 재 측정되고 다양한 프로토콜이 나올 것으로 예상된다.
그로인해 많은 네트워크 구조의 성능이 재 측정되고 다양한 프로토콜이 나올 것으로 예상된다. 특히 이중화를 염두하고 시스템을 구축하는 입장이라면 BFD 프로토콜을 활용하여 10G망에서 링크 장애 시 최소한의 데이터 손실로 고가용성을 증대 시키는데 도움이 될 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	절체시간 결정에서 네트워크 장애 감지 및 라우팅 상태 반영을 위해 사용되는 타이머에는 어떤 것들이 있는가?	이는 각각의 타이머를 이용하여 구현되며, 사용되는 타이머는 다음과 같다. 연결이 유요한지 점검하는 keep-alive 타이머, 특정 시간 동안 다른 라우터가 전송하는 라우팅 정보를 받아들이지 않는 홀드다운 (hold-down) 타이머, 네트워크 변경정보를 수신한 다음 라우팅 계산을 시작하는 SPF (shortest-path first) delay 타이머, SPF 알고리즘을 계산 후 다음 계산까지의 휴지 시간인 SPF hold 타이머, 인접 라우터의 상태를 공유하는 헬로 (hello) 타이머 등이 있고 이러한 타이머들이 절체시간을 결정한다고 볼 수 있다. 이러한 타이머를 사용하는 메시 형태의 네트워크 시스템의 절체 시간을 감소시키기 위해서는 스위치 프로토콜 설계가 중요하다.
	절체시간이란?	절체시간은 네트워크의 업/다운 등의 변화가 일어나고, 이러한 변화가 반영된 새로운 라우팅 테이블 (또는 네트워크 구조 테이블)을 만드는 데 소요되는 시간을 의미한다. 물론 절체시간이 짧을수록 우수한 라우팅 프로토콜이다.
	STP는 경로 재구성에 얼마나 시간이 필요한가?	STP (Spanning Tree Protocol)는 여러 개의 이더넷 (ethernet) 연결을 마치 하나의 이더넷 연결과 같이 동작하도록 하는 프로토콜이다. STP는 경로 재구성에 약 30초의 시간이 필요하며, 그동안 데이터를 전달할 수 없다. RSTP는 STP의 재구성 시간을 100 밀리초 이하로 감소시켰으며, STP를 대체하는 단일 표준이 되었다 [3].

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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