KR102011021B1 - Sdn 기반 네트워크 가상화 플랫폼의 네트워크 하이퍼바이저에서 트래픽 엔지니어링 방법 및 프레임워크 - Google Patents

Sdn 기반 네트워크 가상화 플랫폼의 네트워크 하이퍼바이저에서 트래픽 엔지니어링 방법 및 프레임워크 Download PDF

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Abstract

SDN(Software Defined Network) 기반 네트워크 가상화를 구현하는 네트워크 하이퍼바이저(network hypervisor)가 개시된다. 상기 네트워크 하이퍼바이저는 QoS(Quality of Service) 파라미터를 수신하는 정책 관리자 모듈, 생성된 복수의 가상 네트워크 각각의 컨트롤러로부터 제1 경로 설정 메시지를 수신하고, 상기 제1 경로 설정 메시지에 대응하는 가상 경로 정보를 생성하는 가상 경로 생성자 모듈, 상기 가상 경로 생성자 모듈로부터 수신되는 상기 가상 경로 정보에 대응하고 상기 정책 관리자 모듈로부터 수신되는 QoS 파라미터를 만족하는 물리 경로를 생성하고, 상기 물리 경로에 대한 정보인 물리 경로 정보를 생성하는 부하 분산 모듈, 및 상기 부하 분산 모듈로부터 수신된 상기 물리 경로 정보에 기초하여 물리 메시지를 생성하고, 상기 물리 메시지를 상기 물리 경로에 포함되는 적어도 하나의 스위치로 송신하는 물리 메시지 생성자 모듈을 포함한다.

Description

SDN 기반 네트워크 가상화 플랫폼의 네트워크 하이퍼바이저에서 트래픽 엔지니어링 방법 및 프레임워크{METHOD AND FRAMEWORK FOR TRAFFIC ENGINEERING IN NETWORK HYPERVISOR OF SDN-BASED NETWORK VIRTUALIZATION PLATFORM}
본 발명의 개념에 따른 실시 예는 SDN 기반 네트워크 가상화를 구현하는 네트워크 하이퍼바이저에 관한 것으로, 특히 가상 네트워크를 위한 종합적인 트래픽 엔지니어링 방법 및 프레임워크를 제공하는 네트워크 하이퍼바이저에 관한 것이다.
SDN(Software Defined Networking)은 네트워킹 장비의 전송 평면과 제어 평면을 분리하고, 제어 평면을 중앙집중화하여 전체 네트워크에 대한 단일한 방식의 제어가 가능한 네트워킹 구조로서, 기존 제조사 종속적이고 새로운 연구의 적용이 어려운 네트워크에 유연성과 프로그래밍가능성(programmability)을 부여할 수 있다. 중앙 집중화된 스위치의 제어 평면은 SDN 컨트롤러로 불리며, 스위치와 SDN 컨트롤러는 SBI(Southbound Interface)를 통해 상호 통신을 수행한다. SDN의 초기 연구로서, 사실상의 표준 SBI 프로토콜로 OpenFlow가 주로 사용된다. 본 기술은 기존의 폐쇄된 네트워크 환경에 혁신적인 발전을 가져오는 기술로서, 차세대 네트워킹 기술인 IoT, 5G, NFV Orchestration 등의 기반 기술로써 이용되고 있다.
가상화는 물리 컴퓨팅의 자원을 추상화하여, 보다 효과적인 자원의 운용을 목표로 하는 기술이다. 가상화는 크게 서버 가상화, 스토리지 가상화, 네트워크 가상화로 나뉘며, 서버 가상화와 스토리지 가상화는 상당부분 연구 및 기술의 진보가 이루어져 클라우드와 같은 상용 서비스로도 활용되고 있다. 그러나 네트워크 가상화는 기존 네트워킹의 한계로 인해 큰 발전을 이루지 못했다.
네트워크 가상화는 단일한 물리 네트워크 자원 위에 다수의 가상 네트워크를 생성하고 가상 네트워크 간의 고립(isolation)을 보장하는 기술을 의미한다. 네트워크 가상화의 구현이 어려웠던 이유는 네트워크에 추상화 계층이 존재하지 않기 때문이다. 특히 기존의 네트워크에 대한 제어가 분산적으로 이루어졌기 때문에, 각각의 장비가 스스로의 상태를 관리하고 필요에 따라서 서로의 정보를 교환할 뿐, 전체 네트워크 자원에 대한 글로벌 뷰(Global View)를 갖고 제어하는 계층이 존재할 수 없었다. 반면 SDN은 기존 스위치 장비의 제어 기능을 분리하여 중앙 집중화된 컨트롤러로 모아서 처리하므로 물리 네트워크에 대한 추상화 계층을 생성하기에 효과적이다. 따라서, 이와 같은 SDN 구조를 활용해 네트워크 가상화를 실현하기 위한 연구가 다수 수행되고 있다.
SDN 네트워크 가상화를 실현하는 대표적인 네트워크 하이퍼바이저(Network Hypervisor)인 OpenVirteX는 토폴로지 상태, 스위치별 플로우 통계 및 포트 상태를 모니터링하며 물리 링크에 장애가 발생했을 경우 대체 경로를 계산하여 설정하는 장애 극복 방법을 실현하였다. 그러나, OpenVirteX에서의 이러한 트래픽 엔지니어링 기법의 문제점과 한계점을 도 1을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 1은 OpenVerteX에서 링크에 장애가 발생했을 경우에 대체 경로를 설정하는 과정을 설명하기 위한 흐름도이다. 도 1을 참조할 때, 대체 경로 설정 과정은 다음과 같다.
- OpenVerteX가 물리 스위치로부터 PortStatus 메시지를 수신한다.
- 수신된 메시지의 포트 정보를 확인한 후, 해당 포트에 맵핑된 가상 포트들을 검색한다.
- 검색된 가상 포트들을 포함하는 가상 링크들을 검색한다.
- PortStatus 메시지의 OFPortSate 파라미터가 Link_Down일 경우, 가상 링크에 맵핑된 물리 링크에 대하여 복구 가능 여부를 계산한다. 복구 가능하면 가상 링크에 맵핑된 물리 링크에 대한 경로 재설정을 한다. 복구 가능하지 않는다면 해당 물리 포트에 맵핑된 모든 가상 포트의 상태를 포트 다운으로 변경하고 가상 포트들을 가상 스위치에서 제거한다.
- PortStatus 메시지의 OFPortSate 파라미터가 Link_Down가 아닐 경우, 가상 링크에 맵핑된 물리 링크에 대하여 원래 경로로 복구한다.
이와 같이, OpenVerteX에서는 물리 스위치의 포트 상태가 Link_Down 일 경우에만 대체 경로를 설정하는 장애 극복 방법과 LLDP(Link Layer Discovery Protocol, 링크 계층 탐색 프로토콜)를 이용한 토폴로지 디스커버리, 플로우별 통계 및 포트 상태 정보만 모니터링 하는 방법만 제공하기 때문에 가상 네트워크를 위하여 종합적인 트래픽 엔지니어링을 제공할 수 없는 문제점이 존재한다.
네트워크 하이퍼바이저가 종합적인 트래픽 엔지니어링을 제공하기 위해서는 가상 네트워크에서 요구되는 통신 품질을 설정 및 관리해야 하며 실시간 물리 네트워크 상태(토폴로지, 링크 사용률, 지연 시간, 플로우별 통계 정보, 물리 스위치의 상태 및 포트별 통계) 및 장애(스위치, 링크, 포트)를 모니터링 해야 하며 가상 네트워크에서 요구하는 통신 품질을 만족하기 위하여 모니터링 정보를 기반으로 트래픽을 분산시켜 물리 네트워크의 효율을 증가시키며 물리 네트워크에서 발생한 장애와 상관없이 지속적인 가상 네트워크 서비스를 제공할 수 있는 장애 극복 방법을 수행할 수 있어야 한다.
따라서, 네트워크 하이퍼바이저가 SDN 기반 가상 네트워크를 위해서 종합적인 트래픽 엔지니어링을 제공하기 위한 방법 및 프레임워크가 요구된다.
대한민국 등록특허 제1676570호 대한민국 등록특허 제1485161호
본 발명이 이루고자 하는 기술적인 과제는 SDN 가상 네트워크 서비스를 제공하는 SDN 네트워크 가상화 플랫폼의 네트워크 하이퍼바이저에서 가상 네트워크를 위한 종합적인 트래픽 엔지니어링 방법 및 프레임워크를 제공하고자 함이다.
또한, SDN 네트워크 가상화 플랫폼의 네트워크 하이퍼바이저 확장성을 향상시킬 수 있는 트래픽 엔지니어링 방법 및 프레임워크를 제공하고자 함이다.
본 발명의 실시 예에 따른, SDN(Software Defined Network) 기반 네트워크 가상화를 구현하는 네트워크 하이퍼바이저(network hypervisor)는 QoS(Quality of Service) 파라미터를 수신하는 정책 관리자 모듈, 생성된 복수의 가상 네트워크 각각의 컨트롤러로부터 제1 경로 설정 메시지를 수신하고, 상기 제1 경로 설정 메시지에 대응하는 가상 경로 정보를 생성하는 가상 경로 생성자 모듈, 상기 가상 경로 생성자 모듈로부터 수신되는 상기 가상 경로 정보에 대응하고 상기 정책 관리자 모듈로부터 수신되는 QoS 파라미터를 만족하는 물리 경로를 생성하고, 상기 물리 경로에 대한 정보인 물리 경로 정보를 생성하는 부하 분산 모듈, 및 상기 부하 분산 모듈로부터 수신된 상기 물리 경로 정보에 기초하여 물리 메시지를 생성하고, 상기 물리 메시지를 상기 물리 경로에 포함되는 적어도 하나의 스위치로 송신하는 물리 메시지 생성자 모듈을 포함한다.
본 발명에 의할 경우, SDN 기반 네트워크 가상화 플랫폼의 네트워크 하이퍼바이저가 가상 네트워크 컨트롤러의 개입 없이 가상 네트워크를 위한 트래픽 엔지니어링을 수행할 수 있는 효과가 있다.
또한, 네트워크 모니터링을 통하여 SDN 물리 네트워크에 생성한 가상 네트워크가 통신 품질 정책을 만족시시도록 하는 효과가 있다.
또한, 실시간 모니터링을 통해 네트워크 상태 및 장애를 고려한 트래픽 분산을 수행하여 네트워크의 효율성과 가용성을 높이는 효과가 있다.
또한, 물리 네트워크 자원(스위치, 링크, 포트)에 장애가 발생할 경우, 가상 네트워크 서비스를 지속적으로 제공할 수 있도록 동적으로 물리 맵핑을 변경할 수 있으며 그에 따라서 가상 네트워크 정책을 만족하도록 물리 경로를 재설정하여 가상 네트워크의 신뢰도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 상세한 설명에서 인용되는 도면을 보다 충분히 이해하기 위하여 각 도면의 상세한 설명이 제공된다.
도 1은 OpenVerteX에서 링크에 장애가 발생했을 경우에 대체 경로를 설정하는 과정을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 2는 SDN 기반 네트워크 가상화 구조를 도시한다.
도 3은 도 2에 도시된 네트워크 하이퍼바이저의 기능 블럭도이다.
도 4는 가상 경로에 대한 부하 분산을 수행하는 과정을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 5는 장애 극복 과정을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 의한 물리 네트워크 시스템을 도시한다.
도 7은 도 6에 도시된 물리 네트워크 시스템을 기반으로 생성된 제1 가상 네트워크를 도시한다.
도 8은 도 6에 도시된 물리 네트워크 시스템을 기반으로 생성된 제2 가상 네트워크를 도시한다.
도 9는 도 6에 도시된 물리 네트워크에서의 제1 가상 네트워크(VN1)의 링크 별 트래픽을 도시한다.
도 10은 도 6에 도시된 물리 네트워크에서의 제1 가상 네트워크(VN1)와 제2 가상 네트워크(VN2)의 링크 별 트래픽을 도시한다.
본 명세서에 개시되어 있는 본 발명의 개념에 따른 실시 예들에 대해서 특정한 구조적 또는 기능적 설명은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시 예들을 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로서, 본 발명의 개념에 따른 실시 예들은 다양한 형태들로 실시될 수 있으며 본 명세서에 설명된 실시 예들에 한정되지 않는다.
본 발명의 개념에 따른 실시 예들은 다양한 변경들을 가할 수 있고 여러 가지 형태들을 가질 수 있으므로 실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서에서 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예들을 특정한 개시 형태들에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.
제1 또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 벗어나지 않은 채, 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고 유사하게 제2 구성 요소는 제1 구성 요소로도 명명될 수 있다.
어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성 요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성 요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성 요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성 요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 본 명세서에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 본 명세서에 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 상세히 설명한다.
도 2는 SDN 기반 네트워크 가상화 구조를 도시한다.
도 2를 참조하면, 네트워크 가상화를 구현하기 위한 소프트웨어 계층인 네트워크 하이퍼바이저(Network Hypervisor)는 물리 스위치와 SDN 컨트롤러(가상 네트워크의 컨트롤러) 사이에 존재하며, 각 SDN 컨트롤러에게 논리적인 가상 네트워크 자원을 생성 및 제공한다. 플로우 룰(Flow rule)은 SDN 컨트롤러가 물리 스위치에 설치하는 네트워크 패킷 전송에 대한 규칙을 의미하며, 패킷의 특정 필드에 대한 일치(매칭) 정보 및 매칭된 패킷에 대해 수행하는 동작(액션)을 포함하고 있으며, 네트워크 하이퍼바이저는 가상 네트워크의 컨트롤러가 전송한 메시지를 반가상화하여 물리 스위치로 전달하고 물리 스위치가 전송한 메시지를 가상화하여 가상 네트워크 컨트롤러로 전송한다.
종래 네트워크 하이퍼바이저는 가상 네트워크를 위하여 네트워크 모니터링, 제어/데이터 평면에서의 부하 분산 및 장애 극복을 제공하는 종합적인 트래픽 엔지니어링을 제공하지 않았다. 이에 본 발명에서는 네트워크 하이퍼바이저가 종합적인 트래픽 엔지니어링을 제공하기 위해서 가상 네트워크 통신 품질 정책을 설정 및 관리하고, 실시간으로 네트워크 상태 및 장애를 감지하며, 그 정보를 기반으로 가상 네트워크 정책을 만족하도록 트래픽을 분산시키며, 장애 발생시 가상 네트워크 서비스가 중단되지 않으면서 최단 시간에 복구될 수 있는 장애 극복 방법 및 프레임워크를 제안한다. 본 발명에 의한 네트워크 하이퍼바이저는 별도의 서버, 컴퓨팅 장치 등으로 구현될 수 있다.
도 3은 도 2에 도시된 네트워크 하이퍼바이저의 기능 블럭도이다.
도 2 내지 도 3을 참조하면, 네트워크 하이퍼바이저(100)는 정책 관리자 모듈(Plolicy Manager, 110), 부하 분산 모듈(Load Balancer, 120), 네트워크 모니터 모듈(Network Monitor, 130), 장애 극복 모듈(Fast Failover, 140), 가상 경로 생성자 모듈(Virtual Path Builder, 150), 경로 맵퍼 모듈(Path Mapper, 160) 및 물리 메시지 생성자 모듈(Physical Message Builder, 170) 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다.
정책 관리자 모듈(110)은 소정의 인터페이스, 예컨대 CLI(Command Line Interface) 또는 GUI(Graphic User Interface)를 통해 정책(Policy) 관련 정보, 예컨대 QoS(Quality of Service) 파라미터를 관리자(네트워크 운영자)로부터 입력받을 수 있다. 5G에서의 주요 가상 네트워크의 종류와 특성을 살펴보면 표 1과 같다.
가상 네트워크 종류 사용되는 기술 요구사항 네트워크 파라미터
Mobile Broadband 4K/8K UHD, 홀로그램,
AR/VR		 높은 대역폭 대역폭
Mission-critical IoT 움직임 제어,
자동 운전		 짧은 지연,
높은 신뢰도		 지연
Mobile Broadband를 위한 가상 네트워크 일 경우에는 높은 대역폭을 요구하기 때문에 대역폭 파라미터를 최우선 순위로 설정할 수 있으며, Mission-critical IoT에서는 움직임 감지나 자동 운전시 빨리 반응해야 하기 때문에 지연 시간을 최우선 파라미터로 설정해야 한다. 따라서, 정책 관리자 모듈(110)은 QoS 파라미터로 지연(또는 지연 시간), 패킷 손실(또는 패킷 손실 확률), 지연 변이(또는 지연 변이폭), 대역폭 중 적어도 하나를 수신하여 각각의 파라미터들에 대하여 우선 순위를 정할 수 있고, 수신된 파라미터 또는 정보를 부하 분산 모듈(120)로 송신할 수 있다.
부하 분산 모듈(120)은 가상 네트워크 정책을 이용하여 물리 경로(Physical Path)를 선택할 수 있다. 따라서, 부하 분산 모듈(120)은 정책 관리자 모듈(110)로 정책 정보 요청 또는 파라미터 요청을 송신하고, 소정의 파라미터(QoS 파라미터)를 정책 관리자 모듈(110)로부터 수신할 수 있다.
네트워크 모니터 모듈(130)은 트래픽 엔지니어링에서 중요한 기능 중 하나인 네트워크 모니터링을 수행할 수 있다. 네트워크 모니터 모듈(130)은 주기적으로 또는 비주기적으로 LLDP(Link Layer Discovery Protocol)을 이용하여 토폴로지 정보와 링크 지연, 플로우 통계 메시지(flowStatistics)로부터 플로우별 통계 정보, 포트 통계 메시지(PortStatistics)로부터 물리 스위치의 포트별 송수신 패킷과 바이트 수, 그리고 단위 시간별 링크 사용량 및 대역폭, 포트 상태 메시지(PortStatus)로부터 물리 포트 정보와 같은 물리 네트워크 상태를 실시간으로 모니터링할 수 있다. 또한, 네트워크 모니터 모듈(130)은 모니터링 결과(정보)를 매트릭 형태로 가공하여 부하 분산 모듈(120)로 송신함으로써, 부하 분산 모듈(120)이 물리 경로를 선택하는데 이용될 수 있다.
네트워크 모니터 모듈(130)은 복수의 스위치들 각각과의 주기적인 또는 비주기적인 메시지 교환을 통하여 스위치 장애, 포트 상태 메시지(PortStaus)로부터 포트 장애 및 링크 장애를 감지할 수 있다. 또한, 장애가 감지되는 경우 네트워크 모니터 모듈(130)은 장애 이벤트(Fail Event)를 발생시킬(또는 생성할) 수 있다. 장애 이벤트는 스위치 장애와 링크 장애로 나뉘며, 네트워크 모니터 모듈은 이벤트 정보와 종류를 현재 물리 네트워크 정보들과 함께 장애 극복 모듈(140)로 송신할 수 있다.
또한, 네트워크 모니터 모듈(130)은 물리 네트워크 상태를 기반으로 가상 네트워크 통신 품질이 정책을 만족하는지 주기적으로 또는 비주기적으로 검사하며, 정책을 만족하지 않는다면 부하분산 모듈(120)로 대체 경로 재계산을 위한 정책 이벤트(Policy Event)를 발생시켜 부하 분산 모듈(120)로 전달할 수 있다. 이를 위해, 네트워크 모니터 모듈(130)은 QoS 파리미터 등을 정책 관리자 모듈(110)로부터 수신할 수도 있다.
가상 네트워크의 컨트롤러(Tenant controller), 예컨대 SDN 컨트롤러는 논리적으로 가상 스위치에 연결된 것처럼 인식하고 물리적으로 네트워크 하이퍼바이저에 연결되어 있다. 가상 네트워크의 컨트롤러가 전송한 경로 설정 메시지(FlowMod)를 네트워크 하이퍼바이저가 수신하면 물리 네트워크에서의 트래픽 부하 분산을 위해서 가상 경로 생성자 모듈(150)이 가상 경로 정보를 생성한다. 즉, 가상 경로 생성자 모듈(150)은 가상 네트워크의 컨트롤러로부터 수신되는 경로 설정 메시지(FlowMod)에 응답하여 가상 경로 정보를 생성할 수 있다. 가상 경로 정보는 송신 노드의 진입(Ingress) 스위치, 적어도 하나의 중계 스위치, 수신 노드의 진출(Egress) 스위치와 각 스위치의 포트 정보를 포함하며, 수신 노드부터 송신 노드까지 반대 방향 정보도 생성한다.
가상 경로 생성자 모듈(150)은 (가상) 경로 설정 메시지(FlowMod)를 수신할 때마다 가상 경로를 생성하기 위한 동작을 수행하며, 진입 스위치, 중계 스위치, 진출 스위치로 전송하는 메시지를 모두 수신할 경우에만 가상 경로 정보를 생성할 수 있다. 단, 수신 노드가 송신 노드와 같은 스위치에 연결된 경우와 진입 스위치와 진출 스위치가 직접 연결된 경우에도 가상 경로 정보는 생성된다.
트래픽 엔지니어링에서 부하 분산 기능은 부하 분산 모듈(120)이 수행하며, 가상 네트워크에서 요구하는 통신 품질 정책을 만족하도록 트래픽 분하를 분산시키기 위해서 가상 경로에 대한 최적의 물리 경로를 제공한다. 네트워크 모니터 모듈(130)이 발생시키는 장애 및 정책 이벤트에 대해서 동적으로 트래픽 분산을 수행할 수 있다.
도 4는 가상 경로에 대한 부하 분산을 수행하는 과정을 설명하기 위한 흐름도이다.
우선, 네트워크 하이퍼바이저(100)의 부하 분산 모듈(120)은 가상 경로 정보를 가상 경로 생성자 모듈(150)로부터 수신한다(S110).
다음으로, 부하 분산 모듈(120)은 가상 경로에 맵핑된 물리 경로가 가상 네트워크 통신 품질 정책(예컨대, QoS 또는 QoS 파라미터)을 만족하는지 여부를 결정한다(S130). 여기서 가상 경로에 맵핑된 물리 경로는 사전에 생성되어 가상 경로에 맵핑된 물리 경로를 의미할 수 있다.
S130 단계에서 정책을 만족하는 것으로 결정되는 경우, 가상 경로와 물리 경로의 맵핑 정보를 경로 맵퍼 모듈(160)에 업데이트(또는 경로 맵퍼 모듈(160)에 저장되어 있거나 경로 맵퍼 모듈(160)에 의해 유지되는 맵핑 테이블을 업데이트)한다(S150).
S130 단계에서 정책을 만족하지 않는 것으로 결정되는 경우, 부하 분산 모듈(120)은 대체 물리 경로(또는 다른 물리 경로)가 존재하는지 여부를 결정한다(S131). 이때, 대체 물리 경로가 존재하면, 송신 노드와 목적지 노드까지의 대체 물리 경로를 계산(또는 생성)하고(S133), 계산된(또는 생성된) 대체 물리 경로가 가상 네트워크의 품질 정책을 만족하는지 여부를 결정한다(S135). S135 단계에서 정책이 만족된다면 S150 단계가 수행된다. 즉, 선택한 가상 경로와 물리 경로의 맵핑 정보를 경로 맵퍼 모듈(160)에 업데이트한다. S135 단계에서 정책이 만족되지 않는다면 다른 물리 경로가 존재하는지 여부를 결정한다(S131). 즉, S131 단계가 재차 수행된다.
S131 단계에서 대체 물리 경로가 존재하지 않는다면, 가상 경로에 맵핑된 물리 경로가 정책을 만족하지 않음에도 불구하고 가상 경로에 맵핑된 물리 경로를 선택하고 가상 경로와 물리 경로의 맵핑 정보를 경로 맵퍼 모듈(160)에 업데이트한다(S137).
이후, 부하 분산 모듈(120)은 물리 경로 정보를 물리 메시지 생성자 모듈(170)로 송신하고(S170), 물리 메시지 생성자 모듈(170)은 물리 메시지를 생성하여 생성된 물리 메시지를 물리 스위치로 송신한다(S190). 상기 물리 메시지는 경로 설정 메시지를 의미할 수 있다.
부하 분산 모듈(120)은 네트워크 모니터 모듈(130)이 발생시키는 정책 이벤트를 받을 때마다 정보를 기록하여 이벤트가 발생한 시간 간격을 계산하고, 그 시간 간격(즉, 이벤트가 지속된 시간)이 미리 설정한 기준 시간 간격보다 길 경우에 정책 이벤트가 발생한 구간에 대한 대체 물리 경로를 재계산하며 해당 물리 경로들을 업데이트한다. 기준 간격보다 계산된 시간 간격이 짧을 경우에는 일시적인 현상이라고 판단하여 물리 경로 업데이트를 수행하지 않음으로써 제어 평면에서의 부하를 줄일 수 있다. 이와 같이 업데이트된 물리 경로를 물리 스위치에 설정하여 언제나 통신 품질 정책을 만족하는 동적 부하 분산을 제공할 수 있다.
도 5는 장애 극복 과정을 설명하기 위한 흐름도이다.
트래픽 엔지니어링에서 장애 극복 동작은 주로 네트워크 하이퍼바이저(100)의 장애 극복 모듈(140)과 부하분산 모듈(120)에 의해 수행될 수 있다.
우선, 네트워크 모니터 모듈(130)은 물리 네트워크의 장애를 스위치 장애와 링크 장애 2 가지로 나눠서 장애 극복 모듈(140)로 전달한다(S310). 즉, 네트워크 모니터 모듈(130)에 의해 생성되는 장애 이벤트는 스위치 장애를 의미하는 제1 장애 이벤트와 링크 장애를 의미하는 제2 장애 이벤트를 포함할 수 있다.
네트워크 모니터 모듈(130)로부터 장애 이벤트를 수신한 장애 극복 모듈(140)은 이벤트의 종류 별로 상이한 장애 극복 과정을 수행할 수 있다. 즉, 장애 극복 모듈(140)은 이벤트의 유형을 판단하고(S330), 판단 결과 링크의 장애인 경우(즉, 제2 장애 이벤트를 수신한 경우) 단계 S340을 수행하고 스위치의 장애인 경우(즉, 제1 장애 이벤트를 수신한 경우) 단계 S350을 수행한다.
수신된 이벤트가 링크 장애 이벤트(제2 장애 이벤트)인 경우는 물리 링크에 장애가 발생하여 링크가 단절되었거나 물리 스위치 포트에 장애가 발생하여 정상적인 동작이 이루어 지지 않고 있는 상태로 볼 수 있다. 해당 물리 링크에 맵핑된 가상 링크들과 물리 링크가 연결하는 물리 포트에 맵핑된 가상 포트들이 생성되어 있을 수 있다. 장애 극복 모듈(140)은 장애가 발생한 포트에 맵핑된 가상 포트의 물리 맵핑을 바꾸기 위해 대체 물리 포트를 찾고 대체 물리 포트는 가상 링크와 가상 포트를 포함하는 가상 경로에 대한 물리 링크 및 물리 포트의 맵핑 정보를 업데이트 한다(S341). 업데이트된 맵핑 정보는 부하 분산 모듈(120)으로 송신되고(S353), 부하 분산 모듈(120)은 수신된 맵핑 정보에 기초하여 경로 맵퍼 모듈(160)을 업데이트할 수 있다. 만약, 대체 물리 링크가 존재하지 않는다면 가상 네트워크 서비스는 중단된다.
수신된 이벤트가 스위치 장애 이벤트(제1 장애 이벤트)인 경우는 물리 스위치에 장애가 발생하여 다운됐거나 정상적인 동작이 이루어 지지 않고 있는 상태로 볼 수 있다. 해당 장애 스위치에는 가상 스위치와 가상 포트가 생성되어 있을 수 있고, 가상 포트 사이에는 가상 링크가 생성되어 있을 수 있다. 물리 스위치에 장애가 발생하더라도 가상 네트워크 서비스가 중단되어서는 안되기 때문에, 장애 극복 모듈(140)은 장애 물리 스위치에 맵핑된 가상 자원이 정상적으로 동작하기 위한 대체 물리 스위치를 선택한다(S350). 대체 물리 스위치는 장애가 발생한 스위치에 생성된 모든 가상 자원을 포함하는 가상 경로들에 대하여 맵핑된 모든 물리 경로들에 대해 대체 경로가 존재하는 물리 스위치를 선택하여 모든 맵핑 정보를 업데이트 한다(S351). 업데이트된 맵핑 정보는 부하 분산 모듈(120)으로 송신되고, 부하 분산 모듈(120)은 수신된 맵핑 정보에 기초하여 경로 맵퍼 모듈(160)을 업데이트할 수 있다. 만약 대체 물리 스위치가 존재하지 않는다면 가상 네트워크 서비스는 중단된다.
업데이트된 맵핑 정보를 수신한 부하 분산 모듈(120)은 업데이트된 맵핑 정보를 기반으로 네트워크 통신 품질 정책(QoS 또는 QoS 파라미터)을 만족하는 물리 경로를 계산하고(S360), 물리 경로 정보를 물리 메시지 생성자 모듈(170)로 송신할 수 있다(S370). 이후 물리 메시지 생성자 모듈(170)은 물리 경로 정보를 기초로 물리 메시지를 생성하고, 생성된 물리 메시지를 물리 스위치로 송신한다(S380).
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 의한 물리 네트워크 시스템을, 도 7은 도 6에 도시된 물리 네트워크 시스템을 기반으로 생성된 제1 가상 네트워크를, 도 8은 도 6에 도시된 물리 네트워크 시스템을 기반으로 생성된 제2 가상 네트워크를 도시한다.
도 7에 도시된 물리 네트워크를 기반으로 n(n은 2 이상의 자연수) 개의 가상 네트워크, 즉 제1 가상 네트워크(Virtual Network1, VN1)와 제2 가상 네트워크(Virtual Network2, VN2)가 생성될 수 있으며, 제1 테넌트(Tenant1)를 위한 가상 네트워크는 VN1이며, 제2 테넌트(Tenant2)를 위한 가상 네트워크는 VN2이다.
VN1에서 제1 호스트(Host1)는 제3 호스트(Host3)와 통신하고, VN2에서 제2 호스트(Host2)는 제4 호스트(Host4)와 통신하며 물리 링크의 대역폭(BandWidth)은 100MBps이고, VN1과 VN2의 통신 품질 정책(TP)는 각각 50MBps(VN1-P)와 60MBps(VN2-P)임을 가정하여 구체적인 네트워크 동작을 설명하기로 한다.
제1 호스트(Host1)가 전송한 패킷이 V1-S1 스위치에 도착하면, V1-S1 스위치는 플로우 테이블을 검사하고 해당 패킷에 대응하는 엔트리가 존재하지 않는 경우 해당 패킷을 제1 컨트롤러(Tenant1 Controller, TC1)으로 전달한다. 상기 제1 컨트롤러(TC1)는 제1 가상 네트워크의 SDN 컨트롤러일 수 있다. TC1은 제1 호스트(Host1)과 제3 호스트(Host3)의 경로를 설정하기 위하여 경로 설정 메시지(FlowMod)를 가상 스위치들로 전송한다. 실제로, 경로 설정 메시지(FlowMod)들은 네트워크 하이퍼바이저(100)의 가상 경로 생성자 모듈(150)이 수신하며, 가상 경로 생성자 모듈(150)은 수신된 경로 설정 메시지(FlowMod)를 이용하여 가상 경로(vPath1)를 생성할 수 있다. 생성된 가상 경로(vPath1)의 구조는 표 2와 같다.
vPath-ID vSwithc-ID Match Field ACTION
SRC_MAC DST_MAC IN_PORT
vPath1 V1-S1 Host1-MAC Host3-MAC 1 Output=2
V1-S2 Host1-MAC Host3-MAC 1 Output=2
V1-S3 Host1-MAC Host3-MAC 1 Output=2
V1-S4 Host1-MAC Host3-MAC 1 Output=2
V1-S5 Host1-MAC Host3-MAC 1 Output=2
가상 경로 생성자 모듈(150)에 의해 생성된 가상 경로(vPath1)는 부하 분산 모듈(120)로 전달된다. 부하 분산 모듈(120)은 네트워크 모니터 모듈(130)이 주기적으로 모니터링하는 물리 네트워크 상태 파라미터들과 네트워크 관리자가 미리 설정해 놓은 제1 가상 네트워크(VN1)의 정책(VN1-P)을 기반으로 물리 네트워크의 경로들 중에서 최적의 물리 경로(pPath1)를 선택한다.
물리 경로(pPath1)와 가상 경로(vPath1)의 매핑 정보는 경로 맵퍼 모듈(160)에 저장되고, 물리 경로(pPath1)는 물리 메시지 생성자 모듈(170)로 전달된다. 물리 경로(pPath1)를 수신한 물리 메시지 생성자 모듈(170)은 물리 스위치로 전송할 경로 설정 메시지(FlowMod)들을 생성하며, 생성된 경로 설정 메시지의 일 예는 표 3과 같다.
pPath-ID pSwitch-ID Match Field Action
SRC_MAC DST_MAC IN_PORT
pPath1 S1 Host1-MAC Host3-MAC 1 Output=4
S3 Host1-MAC Host3-MAC 1 Output=2
S4 Host1-MAC Host3-MAC 1 Output=2
S5 Host1-MAC Host3-MAC 2 Output=3
S7 Host1-MAC Host3-MAC 1 Output=3
제1 가상 네트워크(VN1)에서 제1 호스트(Host1)와 제3 호스트(Host3) 사이의 경로가 설정되면, 제1 호스트(Host1)는 패킷을 50MBps로 전송하며, 네트워크 모니터 모듈(130)은 주기적으로 네트워크 상태 정보를 갱신한다. 물리 네트워크의 링크 상태 정보의 업데이트 예는 표 4와 같다.
Link-ID 업데이트 전 BandWidth (MBps) 업데이트 후 BandWidth (MBps)
L1 0 0
L2 0 50
L3 0 0
L4 0 0
L5 0 0
L6 0 50
L7 0 50
L8 0 50
L9 0 0
L10 0 0
또한, 물리 네트워크에서의 제1 가상 네트워크(VN1)의 링크 별 트래픽은 도 9에 도시되어 있다.
한편, 제2 가상 네트워크(VN2)의 제2 호스트(Host2)와 제4 호스트(Host4)가 통신을 시작하면 제2 호스트(Host2)가 전송한 패킷이 V2-S1 스위치에 도착하고, V2-S1 스위치는 플로우 테이블을 검사할 수 있다. 이때, 매칭되는 엔트리(또는 플로우 엔트리)가 플로우 테이블에 존재하지 않는 경우, 해당 패킷은 제2 가상 네트워크(VN2)의 제2 컨트롤러(Tenant2 Controller, TC2)로 전달된다.
제2 컨트롤러(TC2)는 제2 호스트(Host2)와 제4 호스트(Host4)의 경로를 설정하기 위하여 경로 설정 메시지(FlowMod)를 가상 스위치들로 전송한다. 실제로. 경로 설정 메시지(FlowMod)들은 네트워크 하이퍼바이저(100)의 가상 경로 생성자 모듈(150)로 전달되며, 가상 경로 생성자 모듈(150)은 수신된 경로 설정 메시지(FlowMod)들을 이용하여 가상 경로(vPath2)를 생성한다. 생성된 가상 경로(vPath2)의 구체적인 내용은 표 5와 같다.
vPath-ID vSwitch-ID Match Field Action
SRC_MAC DST_MAC IN_PORT
vPath2 V2-S1 Host2-MAC Host4-MAC 1 Output=2
V2-S2 Host2-MAC Host4-MAC 1 Output=2
V2-S3 Host2-MAC Host4-MAC 1 Output=2
V2-S4 Host2-MAC Host4-MAC 1 Output=2
V2-S5 Host2-MAC Host4-MAC 1 Output=2
가상 경로 생성자 모듈(150)에 의해 생성된 가상 경로(vPath2)는 부하 분산 모듈(120)로 전달된다. 부하 분산 모듈(120)은 미리 설정된 제2 가상 네트워크의 통신 품질 정책(VN2-P)을 검색하고, 현재 물리 네트워크의 상태 정보를 네트워크 모니터 모듈(130)로부터 수신한다. 이후, VN2-P와 네트워크 상태에 따라서 물리 경로가 결정될 수 있다.
제2 가상 네트워크의 통신 품질 정책(VN2-P)에 따르면, 대역폭(BandWidth)은 60MBps이기 때문에 부하 분산 모듈(120)은 VN2-P를 만족하는 제2 호스트(Host2)와 제4 호스트(Host4) 사이의 물리 경로를 생성하며, 생성된 물리 경로(pPath2)의 일 예는 표 6과 같다.
vPath-ID vSwitch-ID Match Field Action
SRC_MAC DST_MAC IN_PORT
pPath2 S1 Host2-MAC Host4-MAC 2 Output=3
S2 Host2-MAC Host4-MAC 1 Output=2
S5 Host2-MAC Host4-MAC 1 Output=2
S4 Host2-MAC Host4-MAC 2 Output=3
S6 Host2-MAC Host4-MAC 1 Output=2
이때, 현재 물리 네트워크 상태를 고려하여 각각의 링크 별로 예측된 대역폭(BandWidth)은 표 7과 같다.
Link-ID 현재 BandWidth (MBps) 예측 BandWidth (MBps)
VN1 Traffic VN2 Traffic Total VN1 Traffic VN2 Traffic Total
L1 0 0 0 0 60 60
L2 50 0 50 50 0 50
L3 0 0 0 0 0 0
L4 0 0 0 0 60 60
L5 0 0 0 0 0 0
L6 50 0 50 50 0 50
L7 50 0 50 50 60 110
L8 50 0 50 50 0 50
L9 0 0 0 0 60 60
L10 0 0 0 0 0 0
표 7에서, 링크 L7의 예측된 대역폭(BandWidth)은 물리 링크의 대역폭 100MBps를 초과하게 된다. VN2-P를 만족하지 않기 때문에 부하 분산 모듈(120)은 정책을 고려한 최적의 경로를 찾으며, 예시적인 물리 경로(pPath2')는 표 8과 같다.
vPath-ID vSwitch-ID Match Field Action
SRC_MAC DST_MAC IN_PORT
pPath2' S1 Host2-MAC Host4-MAC 2 Output=3
S2 Host2-MAC Host4-MAC 1 Output=4
S4 Host2-MAC Host4-MAC 4 Output=3
S6 Host2-MAC Host4-MAC 1 Output=2
생성된 물리 경로(pPath2')를 적용할 경우의 물리 네트워크 대역폭을 예측하면 표 9와 같기 때문에 총 대역폭은 물리 네트워크의 대역폭 100MBps를 넘지 않으면서 VN2-P를 만족시킨다.
Link-ID 현재 BandWidth (MBps) 예측 BandWidth (MBps)
VN1 Traffic VN2 Traffic Total VN1 Traffic VN2 Traffic Total
L1 0 0 0 0 60 60
L2 50 0 50 50 0 50
L3 0 0 0 0 0 0
L4 0 0 0 0 0 0
L5 0 0 0 0 0 60
L6 50 0 50 50 0 50
L7 50 0 50 50 60 50
L8 50 0 50 50 0 50
L9 0 0 0 0 60 60
L10 0 0 0 0 0 0
결과적으로, TC2는 V2-L1, V2-L2, V2-L3, V2-L4 링크를 경로로 설정했지만 네트워크 하이퍼바이저(100)가 V2-L1, L5, V2-L4로 설정하기 때문에 트래픽 엔지니어링을 제공할 수 있다. 이때, 물리 네트워크에서의 제1 가상 네트워크(VN1)와 제2 가상 네트워크(VN2)의 링크 별 트래픽은 도 10에 도시되어 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
100 : 네트워크 하이퍼바이저
110 : 정책 관리자 모듈
120 : 부하 분산 모듈
130 : 네트워크 모니터 모듈
140 : 장애 극복 모듈
150 : 가상 경로 생성자 모듈
160 : 경로 맵퍼 모듈
170 : 물리 메시지 생성자 모듈

Claims (11)

  1. SDN(Software Defined Network) 기반 네트워크 가상화를 구현하는 네트워크 하이퍼바이저(network hypervisor)가 구현된 컴퓨팅 장치에 있어서, 상기 컴퓨팅 장치는,
    QoS(Quality of Service) 파라미터를 수신하는 정책 관리자 모듈;
    생성된 복수의 가상 네트워크 각각의 컨트롤러로부터 제1 경로 설정 메시지를 수신하고, 상기 제1 경로 설정 메시지에 대응하는 가상 경로 정보를 생성하는 가상 경로 생성자 모듈;
    상기 가상 경로 생성자 모듈로부터 수신되는 상기 가상 경로 정보에 대응하고 상기 정책 관리자 모듈로부터 수신되는 QoS 파라미터를 만족하는 물리 경로를 생성하고, 상기 물리 경로에 대한 정보인 물리 경로 정보를 생성하는 부하 분산 모듈;
    상기 부하 분산 모듈로부터 수신된 상기 물리 경로 정보에 기초하여 물리 메시지를 생성하고, 상기 물리 메시지를 상기 물리 경로에 포함되는 적어도 하나의 스위치로 송신하는 물리 메시지 생성자 모듈;
    물리 네트워크를 모니터링하고 상기 물리 네트워크의 장애를 알리는 장애 이벤트(fail event)를 출력하는 네트워크 모니터 모듈; 및
    상기 장애 이벤트의 수신에 응답하여 장애를 극복하는 장애 극복 모듈을 포함하고,
    상기 네트워크 모니터 모듈은 복수의 스위치들 각각과 주기적으로 교환되는 메시지에 기초하여 스위치의 장애를 감지하고, 포트 상태 메시지에 기초하여 링크의 장애를 감지하고,
    상기 장애 이벤트가 링크의 장애를 알리는 링크 장애 이벤트인 경우, 상기 장애 극복 모듈은 장애 링크에 맵핑된 가상 링크를 맵핑할 대체 물리 링크를 선택하고, 상기 대체 물리 링크에 의해 대체된 물리 스위치로 가상 스위치 맵핑 정보를 업데이트 하고, 업데이트된 맵핑 정보를 상기 부하 분산 모듈로 송신하고,
    상기 장애 이벤트가 스위치의 장애를 알리는 스위치 장애 이벤트인 경우, 상기 장애 극복 모듈은 장애 스위치에 맵핑된 가상 스위치를 맵핑할 대체 물리 스위치를 선택하고, 상기 대체 물리 스위치로 가상 스위치 맵핑 정보를 업데이트하고, 업데이트된 맵핑 정보를 상기 부하 분산 모듈로 송신하고,
    상기 부하 분산 모듈은 상기 장애 이벤트가 지속된 시간이 미리 설정된 기준 시간 간격보다 길 경우 장애 이벤트가 발생한 구간에 대한 대체 물리 경로를 재계산하고, 상기 장애 이벤트가 지속된 시간이 미리 설정된 기준 시간 간격보다 짧은 경우 장애 이벤트가 발생한 구간에 대한 대체 물리 경로를 재계산하지 않는,
    컴퓨팅 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 물리 메시지는 경로 설정 메시지인,
    컴퓨팅 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 부하 분산 모듈은 상기 가상 경로 정보에 대응하는 가상 경로와 맵핑된 물리 경로가 상기 QoS 파라미터를 만족하는지 여부를 결정하고, 상기 QoS가 만족되지 않는 경우 대체 물리 경로를 생성하는,
    컴퓨팅 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 부하 분산 모듈은, 상기 대체 물리 경로가 상기 QoS 파라미터를 만족시키는 경우 상기 가상 경로와 상기 대체 물리 경로를 맵핑시켜 맵핑 정보를 업데이트 하는,
    컴퓨팅 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 QoS 파라미터는 지연 시간, 패킷 손실율 및 대역폭 중 적어도 하나를 포함하는,
    컴퓨팅 장치.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서,
    상기 네트워크 모니터 모듈은 링크 지연 정보, 플로우별 통계 정보, 물리 스위치의 포트별 송수신 패킷과 바이트 수, 단위 시간별 링크 사용량과 대역폭 및 물리 포트 정보를 모니터링하는,
    컴퓨팅 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 네트워크 모니터 모듈은 LLDP(Link Layer Discovery Protocol)를 이용하여 상기 링크 지연 정보를 모니터링하고, 플로우 통계 메시지를 이용하여 상기 플로우별 통계 정보를 모니터링하고, 포트 통계 메시지를 이용하여 상기 물리 스위치의 포트별 송수신 패킷과 바이트 수 및 상기 단위 시간별 링크 사용량과 대역폭을 모니터링하고, 상기 포트 상태 메시지를 이용하여 상기 물리 포트 정보를 모니터링하는,
    컴퓨팅 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 네트워크 모니터 모듈은 모니터링 결과를 이용하여 상기 정책 관리자 모듈로부터 수신되는 상기 QoS 파라미터 만족 여부를 판단하고, QoS 파라미터가 만족되지 않는 경우 정책 이벤트를 출력하는,
    컴퓨팅 장치.
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