KR102131430B1 - Sdn 상의 네트워크 상태 모니터링 시스템 및 모니터링 방법 - Google Patents

Sdn 상의 네트워크 상태 모니터링 시스템 및 모니터링 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 한 측면에 따른 모니터링 시스템은 데이터 평면(data plane)과 제어 평면(control plane)을 포함한다. 제어 평면은 데이터 평면 내의 구성 요소에 플로우 규칙을 삽입하여 SFP를 구성하는 컨트롤러(controller) 및 상기 복수 개의 SF 중에서 적어도 2개의 SF에 각각 배치된 적어도 2개의 모니터링 에이전트(Monitoring Agent, MA)로부터 모니터링 정보를 수집하는 모니터링 서버(monitoring server)를 포함한다. 그리고 상기 모니터링 서버는 SD-SFC에 오버로드(overload) 된 SF가 존재하는지 판단하는 SF 오버로드 감지 모듈(SF overload detection module); 상기 SD-SFC에 오버로드 된 SF가 존재하는 경우, 상기 복수의 SF 중에서 오버로드 된 SF를 선택하기 위한 탐색을 수행하는 SF 선택 모듈(SF selection module); 및 상기 MA가 배치되어 있지 않은 SF 중에서 상기 MA의 배치가 필요하다고 판단된 SF에 새로운 MA를 추가로 배치하는 동적 MA 배치 모듈(Dynamic MA deployment module)을 포함한다.

Description

SDN 상의 네트워크 상태 모니터링 시스템 및 모니터링 방법 {APPARATUS AND METHOD FOR MONITORING NETWORK STATUS ON AN SDN}
본 발명은 소프트웨어-정의 네트워크(Software-Defined Network, SDN) 환경에서 네트워크 상태 정보를 모니터링 하는 모니터링 시스템 및 모니터링 방법에 관한 것이다.
인터넷 사용자에게 제공되는 네트워크 서비스는 운영자의 특정 요구 사항 및 정책을 충족하도록 정적으로 구성된다.
최근 트래픽의 꾸준한 증가로 서비스 관리가 복잡해짐에 따라 Service Function (SF)의 동적 구성을 위한 유연한 배치 모델이 요구된다.
Service Function Chaining (SFC)은 사전 정의된 SF들의 집합으로 구성된 새로운 네트워크 서비스 배치 모델이다.
SF는 트래픽 전송 경로인 Service Function Path (SFP)의 특정 위치에 배치된다.
소프트웨어-정의 네트워크(Software-Defined Networking, SDN)는 데이터 평면과 제어 펑면의 분리를 통해 SFC 간의 네트워크 트래픽을 제어하여 SDN 기반 SFC (SD-SFC)에서 중요한 역할을 한다.
제어 평면의 중앙 컨트롤러는 데이터 평면 내 가상 또는 물리적 SF의 정렬된 리스트를 결정한다. 그러나 SD-SFC에서 중요한 난제 중 하나는 동적인 트래픽 상황에서 적절한 SFP를 선정하는 것이다.
SFC의 성능은 관련된 모든 SF의 성능에 따라 달라진다. 즉, 단일 SF에 결함이 있거나 과부하가 발생하면, 전체 SFC에 영향을 미칠 수 있다.
일반적으로 모니터링 방식은 agent-less 방식과 agent-based 방식의 두 가지 범주로 나뉜다.
agent-less 방식은 인터페이스 또는 개방형 프로토콜을 통해 특정 플로우에 대한 플로우 통계를 수집한다. 그리고 agent-based 방식에서는 에이전트 형태의 활성 프로브가 모니터링 대상에 배포되어 모니터링 정보를 수집한다.
agent-less 방식은 플로우 통계에서 모니터링 정보를 얻기 때문에 상대적으로 가볍고 구현하기 쉽다. 이 방식은 중앙 컨트롤러를 통해 모든 스위치의 플로우 통계를 폴링한다.
따라서, 플로우 메시지를 통해 특정 플로우의 트래픽 정보를 얻기 때문에 대역폭 병목 현상이 발생활 수 있고, 실시간 정보를 얻을 수 없다.
이와 달리, agent-based 방식은 메모리, CPU 및 네트워크에 대한 다양한 정보를 실시간으로 측정하고 수집할 수 있다.
따라서 빠른 SFP 복구를 위해 즉각적인 모니터링 및 문제 감지가 필요한 SD-SFC 환경에서는 agent-based 방식이 더 유리하다.
그러나 이 방식은 에이전트 배포 및 시그널링 비용 최적화를 고려해야 한다.
본원 발명과 관련된 문헌으로는 2017 IEEE Conference on Network Softwarization (NetSoft)에서 발표된 "Orchestrating scalable service function chains in a NFV environment"가 있으며, 이 문헌은 ETSI NFV 아키텍처 모델을 따르는 SF 체인을 배치할 수 있는 확장 가능한 SFC 오케스트레이터(orchestrator)에 대해 개시하고 있다.
그리고 본원 발명과 관련된 다른 문헌으로는 미국 등록특허 US 9,973,401호가 있다. 이 문헌은 네트워크 패킷 서비스 제어를 네트워크 데이터 패킷에 적용하고, 상기 네트워크 패킷 서비스 제어로부터 시간 정보를 추출하고, 복수의 네트워크 서비스 기능의 어플리케이션에 관련된 시간 정보를 모니터링하는 내용을 개시하고 있다.
그리고 본원 발명과 관련된 또 다른 문헌으로는 미국 공개번호 US 2017-0359255가 있다. 이 문헌은 패킷이 SFC를 통해 포워딩 될 플로우에 속하는지를 결정하고, 수신된 패킷 대신에 마킹된 패킷을 SFC의 복수의 노드 중 다음 노드로 송신하는 내용을 개시하고 있다.
그런데, 상기 문헌들을 포함한 기존의 모니터링 시스템은 모든 SF에 Monitoring Agent (MA)를 배치하기 때문에 높은 시그널링 비용을 가진다.
따라서, SD-SFC에서 SF의 성능을 기반으로 SFP를 동적으로 변경하기 위한 효과적인 모니터링 시스템 및 방법이 요구된다.
본 발명은 최소한의 MA를 배치하여 시그널링 비용을 줄일 수 있는 SFC 모니터링 시스템 및 모니터링 방법을 제안한다.
본 발명의 한 측면에 따른 모니터링 시스템은 데이터 평면(data plane)과 제어 평면(control plane)을 포함한다.
데이터 평면은 SFC 분류자(Service Function Chaining Classifier)와 SFF(Service Function Forwarder) 및 SF(Service Function)를 각각 복수 개 포함하고, 제어 평면은 상기 복수 개의 SF의 상태에 따라 SFP(Service Function Path)를 구성하고 상기 SFF 정책을 관리한다.
제어 평면은 상기 데이터 평면 내의 구성 요소에 플로우 규칙을 삽입하여 상기 SFP를 구성하는 컨트롤러(controller), 및 상기 복수 개의 SF 중에서 적어도 2개의 SF에 각각 배치된 적어도 2개의 모니터링 에이전트(Monitoring Agent, MA)로부터 모니터링 정보를 수집하는 모니터링 서버(monitoring server)를 포함한다.
그리고 상기 모니터링 서버는 상기 MA가 배치된 SF의 인그레스(ingress) SF와 이그레스(egress) SF를 통과하는 트래픽(traffic)의 속도 차이를 임계값과 비교하여 상기 SD-SFC에 오버로드(overload) 된 SF가 존재하는지 판단하는 SF 오버로드 감지 모듈(SF overload detection module); 상기 SD-SFC에 오버로드 된 SF가 존재하는 경우, 상기 복수의 SF 중에서 오버로드 된 SF를 선택하기 위한 탐색을 수행하는 SF 선택 모듈(SF selection module); 및 상기 MA가 배치되어 있지 않은 SF 중에서 상기 MA의 배치가 필요하다고 판단된 SF에 새로운 MA를 추가로 배치하는 동적 MA 배치 모듈(Dynamic MA deployment module)을 포함한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 모니터링 서버는 2개의 MA가 각각 배치된 2개의 SF의 서비스율 및 도착률을 나타내는 인그레스(ingress) SF와 이그레스(egress) SF를 통과하는 트래픽의 속도 차이를 이용해 상기 SD-SFC에 오버로드 된 SF가 존재하는지 판단하고, 오버로드 된 SF가 존재한다고 판단되는 경우에 상기 오버로드 된 SF를 선택하기 위한 탐색을 수행하고, 상기 탐색 과정이 종료될 때까지, 상기 2개의 SF를 제외한 나머지 SF들에 새로운 MA를 정해진 순서에 따라 순차적으로 추가로 배치하면서 SDN 상의 네트워크 상태를 모니터링할 수 있다.
상기 모니터링 서버는 n개의 SF 중 첫 번째에 위치한 제1 SF(SFS)에 배치한 제1 MA와 마지막 번째에 위치한 제2 SF(SFe)에 배치한 제2 MA로부터 수집한 모니터링 정보를 이용하여 상기 제1 SF 및/또는 상기 제2 SF에 오버로드가 발생했는지를 확인할 수 있다.
확인 결과, 상기 제1 SF와 상기 제2 SF 중에서 오버로드가 발생한 SF가 있는 경우, 상기 모니터링 서버는 오버로드 된 SF에 대한 정보를 상기 컨트롤러에 전달할 수 있다.
이와 달리, 상기 제1 SF 및/또는 상기 제2 SF에서 오버로드가 발생한 것이 아닌 경우, 상기 제1 SF와 상기 제2 SF의 중간에 위치한 제3 SF에 제3 MA를 배치한 후, 상기 제3 SF에 오버로드가 발생했는지 여부를 확인할 수 있다.
확인 결과, 상기 제3 SF에서 오버로드가 발생한 경우, 상기 모니터링 서버는 상기 제3 SF가 오버로드 된 사실을 상기 컨트롤러에 전달하고, 상기 제3 SF에 배치한 상기 제3 MA의 배치를 철회한 후, 상기 제1 MA와 상기 제2 MA를 사용하여 상기 SD-SFC의 오버로드를 모니터링 할 수 있다.
이와 달리, 상기 제3 SF에서 오버로드가 발생한 것이 아닌 경우, 상기 모니터링 서버는 상기 제1 SF와 상기 제3 SF의 중간에 위치한 제4 SF에 제4 MA를 배치한 후 상기 제4 SF에 오버로드가 발생했는지 여부를 확인하거나, 상기 제3 SF와 상기 제2 SF의 중간에 위치한 제5 SF에 제5 MA를 배치한 후 상기 제5 SF에 오버로드가 발생했는지 여부를 확인할 수 있다.
확인 결과, 상기 제4 SF 또는 상기 제5 SF에서 오버로드가 발생한 경우, 상기 모니터링 서버는 상기 제4 SF 또는 상기 제5 SF가 오버로드 된 사실을 상기 컨트롤러에 전달할 수 있다.
이후, 상기 모니터링 서버는 상기 제3 MA와 상기 제4 MA, 또는 상기 제3 MA와 상기 제5 MA의 배치를 철회한 후, 상기 제1 MA와 상기 제2 MA를 사용하여 상기 SD-SFC의 오버로드를 모니터링 할 수 있다.
본 발명에 따른 모니터링 시스템 및 방법에 따르면, 최소한의 MA만을 배치함으로써, 비용 효율적인 SFC 모니터링 시스템을 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 모니터링 시스템을 구비한 SD-SFC의 설계도이다.
도 2는 도 1에 도시한 SF 선택 모듈이 오버로드 된 SF를 선택하는 알고리즘을 나타내는 도면이다.
도 3은 도 2에 도시한 알고리즘을 도시한 플로우차트이다.
도 4는 샘플링 속도에 따른 시그널링 비용을 비교한 그래프이다.
도 5는 시간에 따른 활성 에이전트 수를 비교한 그래프이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해될 수 있다.
본 발명을 설명함에 있어서 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지 않을 수 있다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용될 수 있다.
예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
"및/또는" 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함할 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "결합되어" 있다고 언급되는 경우는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 결합되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해될 수 있다.
반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 결합되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다.
본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것으로서, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해될 수 있다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.
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 가질 수 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석될 수 있으며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않을 수 있다.
아울러, 이하의 실시예는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것으로서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명을 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 모니터링 시스템을 구비한 SD-SFC의 설계도이고, 도 2는 도 1에 도시한 SF 선택 모듈이 오버로드 된 SF를 선택하는 알고리즘을 나타내는 도면이며, 도 3은 도 2에 도시한 알고리즘을 도시한 플로우차트이다.
그리고 도 4는 샘플링 속도에 따른 시그널링 비용을 비교한 그래프이며, 도 5는 시간에 따른 활성 에이전트 수를 비교한 그래프이다.
먼저, 본 발명의 실시예에 따른 모니터링 시스템을 구비한 SD-SFC에 대해 도 1을 참조하여 설명한다.
SDN 기반 SFC(SD-SFC)는 데이터 평면(data plane)과 제어 평면(control plane)을 구비한다.
데이터 평면은 SFC 분류자(Service Function Chaining Classifier)와 SFF(Service Function Forwarder) 및 SF(Service Function)를 각각 복수 개 포함한다.
여기에서, SF는 SFC를 구성하는 구성 요소이며, 순서를 갖고 있다.
SFC 분류자는 네트워크 트래픽(network traffic)이 들어오면, 각 네트워크 서비스(network service)를 식별하고 특정 SFF 및 SFP의 정보를 할당한다.
SFF는 SFP의 정책을 기반으로 SF나 다른 SFF로 트래픽을 전송하며, SF는 방화벽, DPI(Deep Packet Inspection) 및 NAT(Network Address Translation)와 같은 미들 박스 기능을 수행하고 트래픽을 이전 SFF로 반환한다.
제어 평면은 상기 SF의 상태에 따라 SFP(Service Function Path)를 구성하고 SFF 정책을 관리한다.
제어 평면은 컨트롤러(controller)와 모니터링 서버(monitoring server)를 포함한다.
컨트롤러는 상기 데이터 평면 내 구성 요소에 플로우 규칙을 삽입하여 SFP를 구성하며, SF에 문제가 있거나 스케일링 작업을 수행한 경우 해당 SF를 포함하는 SFP를 업데이트한다.
모니터링 서버는 모니터링 에이전트(Monitoring Agent, MA)로부터 SF에 대한 모니터링 정보를 수집하며, MA가 배치된 SF의 서비스율 및 도착률을 모니터링하여 트리거(trigger) 및 액션(action) 기능을 수행하고, 오버로드(overload) 된 SF에 대한 정보를, SFC를 정상화 할 수 있는 능력을 갖춘 장비, 예를 들어 컨트롤러에 전송하여 오버로드 된 SF에 대한 적절한 대응이 이루어지도록 한다.
여기에서, MA는 모니터링 서버에 모니터링 결과를 전송하는 프로그램이다.
그리고 MA를 SF에 배치한다는 것은 SF에 이미 설치되어 있는 MA를 활성화시키는 의미를 포함하고, MA의 배치를 철회한다는 것은 활성화 상태인 MA를 비활성화시키는 의미를 포함한다.
모니터링 서버는 상기 MA가 배치된 SF의 인그레스(ingress) SF와 이그레스(egress) SF를 통과하는 트래픽(traffic)의 속도 차이를 임계값과 비교하여 상기 SD-SFC에 오버로드(overload) 된 SF가 존재하는지 판단하는 SF 오버로드 감지 모듈(SF overload detection module)과, 상기 SD-SFC에 오버로드 된 SF가 존재하는 경우, 상기 복수의 SF 중에서 오버로드 된 SF를 선택하기 위한 탐색을 수행하는 SF 선택 모듈(SF selection module), 및 상기 MA가 배치되어 있지 않은 SF 중에서 상기 MA의 배치가 필요하다고 판단된 SF에 새로운 MA를 추가로 배치하는 동적 MA 배치 모듈(Dynamic MA deployment module)을 포함한다.
오버로드 감지 모듈은 인그레스 SF와 이그레스 SF를 통과하는 트래픽의 속도의 차가 임계값보다 큰 경우, 현재 SFC에 오버로드가 발생한 것으로 판단한다.
따라서, 모니터링 서버는 상기 MA가 배치된 SF의 서비스율 및 도착률을 모니터링하는 단계, 상기 서비스율 및 상기 도착률을 나타내는 인그레스(ingress) SF와 이그레스(egress) SF를 통과하는 트래픽의 속도 차이를 임계값과 비교하여 상기 SD-SFC에 오버로드 된 SF가 존재하는지 판단하는 단계, 상기 SD-SFC에 오버로드 된 SF가 존재하는 경우, 상기 복수의 SF 중에서 오버로드 된 SF를 선택하기 위한 탐색을 수행하는 단계, 및 상기 MA가 배치되어 있지 않은 SF 중에서 상기 MA의 배치가 필요하다고 판단된 SF에 상기 MA를 추가로 배치한 후, 상기 MA를 추가로 배치한 SF에서 오버로드가 발생했는지 여부를 확인하는 단계에 따라 SDN 상의 네트워크 상태를 모니터링할 수 있다.
상기 모니터링 서버는 오버로드 된 SF에 대한 정보를 상기 컨트롤러에 전달할 수 있다.
그리고, 상기 컨트롤러에 의해 SFC의 오버로드가 복구된 후, 상기 모니터링 서버는 모니터링 과정에서 새롭게 추가로 배치한 MA의 배치를 철회할 수 있다.
이하, SD-SFC에 오버로드 된 SF가 존재하는 경우, 상기 복수의 SF 중에서 오버로드 된 SF를 선택하기 위한 탐색을 수행하는 과정에 대해 설명한다.
본 발명에서는 확장성이 뛰어난 오픈 소스 모니터링 솔루션(open source monitoring solution)으로서 다양한 메트릭을 실시간으로 모니터링하고 수집할 수 있는 Zabbix를 이용한다.
Zabbix는 크게 에이전트와 서버로 구성된다. 에이전트는 모니터링 대상에 배포되어 대상의 모니터링 정보를 측정하여 서버로 보낸다. 서버는 에이전트와의 상호 작용을 위한 가용성 및 무결성 정보를 보고 받는 중앙 구성 요소이며, 모니터링 대상에 문제가 발생할 경우 관리자에게 알린다.
모든 구성 정보와 에이전트로부터 받은 데이터는 Zabbix 데이터 베이스에 저장된다.
Zabbix 프론트-엔드(front-end)는 관리자가 서버에 쉽게 접근하기 위한 웹 기반 인터페이스이며, 모니터링 데이터 기반 실시간 그래프, 이벤트 기반 트리거, 액션 등 다양한 기능을 제공한다,
트리거 기능은 모니터링 데이터를 분석하여 모니터링 대상의 상태를 분석한다. 액션 기능은 트리거 발생시 다양한 동작을 취할 수 있도록 한다. 관리자는 이러한 기능을 사용하여 모니터링 대상에 문제가 발생하였을 때 신속하게 대처할 수 있다.
예를 들어 관리자는 모니터링 대상의 CPU 사용률이 높아지면 이에 대한 경고 통지를 받을 수 있다.
트리거는 관리자에게 통지를 보내는 액션을 구성하기 위해 사전 정의된 임계값과 비교하여 대상의 상태를 관찰한다. 트리거 표현식이 참이면 상태가 OK에서 PROBLEM으로 변경되고 액션이 수행된다.
액션은 메시지 보내기, 원격 명령 실행, 호스트 추가 및 삭제, 호스트 활성화 및 비 활성화 등 다양한 작업을 제공한다.
본 발명에서 제안하는 모니터링 시스템은 Zabbix의 트리거 및 액션 기능을 이용하여 SF selection 알고리즘을 구현한다.
이하, 도 2 및 도 3을 참조하여 오버로드 된 SF를 탐색하는 알고리즘에 대해 설명한다.
도 2 및 도 3에 도시한 알고리즘은 최소한의 MA를 배치하여 오버로드 된 SF를 선정 또는 선택 또는 감지할 수 있도록 하기 위한 것으로, 복잡성을 줄이기 위해 이진 탐색을 사용하기 때문에 내림차순으로 정렬된 서비스율 및 도착률 집합을 이용한다.
본 발명에서 제안된 알고리즘은 필요에 따라 동적으로 MA를 배치함으로써 배치 비용과 시그널링 비용을 줄이는 것을 목표로 한다.
여기에서, 동적으로 MA를 배치한다는 것은 MA를 배치하지 않았던 SF에 MA를 배치하는 의미를 포함한다.
그리고 MA를 배치한다는 것은 이미 설치되어 있는 MA를 활성화한다는 의미를 포함한다.
도 2에 도시한 알고리즘 l은 본 발명에서 제안하는 SF selection 알고리즘에 대한 의사 코드를 보인다.
SFC 토폴로지는 S=(sfi |iε1,2,..,n}와 같이 표현되며 S는 SF의 집합이다.
모니터링 에이전트(MA)가 배치된 SF의 집합인 A는 A={sf k |k≤η, sf k εS}과 같이 표현된다.
M = {μi |iε1,2,...,n}은 서비스 속도의 집합으로, μi는 1초 동안 sf i로부터 나가는 트래픽의 통계량을 나타낸다.
∧ = {λi |iε1,2,...,n}은 도착률의 집합으로, λi는 1초 동안 sf i로 들어오는 트래픽의 통계량을 나타낸다.
본 알고리즘에서는 인그레스 SF (즉, sf eεS)의 서비스율 λe 와 이그레스 SF (즉, sf eεS, (e > s))의 도착률 λe를 사용한다.
μs-λe가 α로 표현되는 임계값보다 크면 동일한 플로우(folw)에 대한 SFP 내 SF이 오버로드 된 것을 의미한다.
SF selection 알고리즘의 시간 복잡도는 O(log η)이며, 여기서 η은 SFC 내 SF의 수를 나타낸다.
또한, 본 알고리즘에서는 각 SF로부터 얻은 서비스율, 도착률, 임계값을 입력으로 사용한다.
또한 집합 S는 SF 요소를 집합 A에 포함시키기 위해 사용된다. 오버로드 된 SF(즉, sf x)는 출력으로 얻는다. 이 알고리즘의 반복적인 절차는 두 변수 s 와 e로 탐색 범위의 경계를 추적한다,
탐색 범위에서 첫 번째 SF의 위치를 나타내는 변수 s는 1로 초기화되고, 마지막 SF의 위치를 나타내는 변수 e는 η으로 초기화된다. 중간 SF의 위치를 나타내는 변수 mid와 오버로드 된 SF의 위치를 나타내는 변수 x는 0으로 초기화된다. 집합 A는 초기에 두 개의 요소인 sf 1과 sf n만을 포함한다.
다음 탐색 단계로 진행할지에 대한 여부를 결정하기 위해 e-s 값이 1 보다 큰지를 확인해야 한다.
sf s와 sf e 사이에 SF이 없다면 탐색은 종료 되어야 한다(line 2).
μs와 λe의 차이가 임계값 α보다 큰 경우 mid 변수를 다시 계산하고 집합 A에 sf mid 를 포함시켜 MA를 배포한다(line 3 에서 4).
λmid와 μmid의 차이가 임계값 α보다 크다면 sf mid에 오버로드가 발생한 것을 의미한다(1ine 5 에서 6).
그렇지 않으면 알고리즘은 다음 범위에 대해 계속해서 탐색한다.
μs와 λmid의 차이가 임계값 α보다 큰 경우 다음 범위의 첫 번째 위치와 마지막 위치인 매개 변수로 s 및 mid 를 갖는 재귀 함수를 호출한다(line 8 에서 9).
그렇지 않으면 매개 변수로 mid 와 e를 갖는 재귀 함수를 호출한다(1ine 11).
오버로드 된 SF 가 존재하면, SF(즉, sf x)가 반환되고, 그렇지 않으면, 변수 x는 탐색의 실패를 전달하는 존재하지 않는 SF(즉, sf 0)를 반환한다(line 16).
여기에서, 오버로드 된 SF 를 반환한다는 것은 오버로드 된 SF에 대해 적절히 대응하여 SFC를 정상화 할 수 있는 능력을 갖춘 장비, 예를 들어 컨트롤러에 오버로드 된 SF에 대한 정보를 전송하여 SFC를 정상화 할 수 있도록 한다는 것을 의미한다.
상기한 알고리즘에 따른 모니터링 방법을 도 3을 참조하여 설명한다.
본 방법의 실시예에 따른 모니터링 방법은 크게, 상기 MA가 배치된 SF의 서비스율 및 도착률을 모니터링하는 단계; 상기 서비스율 및 상기 도착률을 나타내는 인그레스(ingress) SF와 이그레스(egress) SF를 통과하는 트래픽의 속도 차이를 임계값과 비교하여 상기 SD-SFC에 오버로드 된 SF가 존재하는지 판단하는 단계; 상기 SD-SFC에 오버로드 된 SF가 존재하는 경우, 상기 복수의 SF 중에서 오버로드 된 SF를 선택하기 위한 탐색을 수행하는 단계; 및 상기 MA가 배치되어 있지 않은 SF 중에서 상기 MA의 배치가 필요하다고 판단된 SF에 상기 MA를 추가로 배치한 후, 상기 MA를 추가로 배치한 SF에서 오버로드가 발생했는지 여부를 확인하는 단계를 포함한다.
이에 대해 구체적으로 설명하면, 먼저, 모니터링 서버는 n개의 SF 중 첫 번째에 위치한 제1 SF(SFS)에 제1 MA를 배치하고, 마지막 번째에 위치한 제2 SF(SFe)에 제2 MA를 배치한 상태에서, 상기 제1 MA와 상기 제2 MA로부터 수집한 모니터링 정보를 이용하여 상기 제1 SF 및/또는 상기 제2 SF에 오버로드가 발생했는지를 확인한다.
그리고 상기 제1 SF와 상기 제2 SF 중에서 오버로드가 발생한 SF가 있는 경우에는 오버로드 된 SF를 반환한다.
여기에서, 오버로드 된 SF를 반환한다는 것은 오버로드 된 SF에 대해 적절히 대응하여 SFC를 정상화 할 수 있는 능력을 갖춘 장비, 예를 들어 컨트롤러에 오버로드 된 SF에 대한 정보를 전송하여 SFC를 정상화 할 수 있도록 한다는 것을 의미한다.
상기 모니터링 서버는 오버로드 된 SF에 대한 정보를 상기 컨트롤러에 전달한 후, SFC의 복구가 완료되면 상기 제1 MA와 상기 제2 MA를 이용하여 다시 모니터링을 시작한다.
그리고, 상기 제1 SF(SFS) 또는 상기 제2 SF(SFe)에서 오버로드가 발생한 것이 아닌 경우, 상기 제1 SF(SFS)와 상기 제2 SF(SFS)의 중간에 위치한 제3 SF(SFmid)에 제3 MA를 배치한 후, 상기 제3 SF(SFmid)에 오버로드가 발생했는지를 확인 또는 체크 또는 감지한다.
만약, 상기 제3 SF(SFmid)에서 오버로드가 발생한 경우, 상기 모니터링 서버는 상기 제3 SF가 오버로드 된 사실을 상기 컨트롤러에 전달하고, SFC의 복구가 완료된 후 상기 제3 SF에 배치한 상기 제3 MA의 배치를 철회하며, 이후 상기 제1 MA와 상기 제2 MA를 사용하여 상기 SD-SFC의 오버로드를 모니터링 한다.
이와 달리, 상기 제3 SF(SFmid)에서 오버로드가 발생한 것이 아닌 경우, 상기 모니터링 서버는 상기 제1 SF와 상기 제3 SF의 중간에 위치한 제4 SF에 제4 MA를 배치한 후 상기 제4 SF에 오버로드가 발생했는지 여부를 확인하거나, 상기 제3 SF와 상기 제2 SF의 중간에 위치한 제5 SF에 제5 MA를 배치한 후 상기 제5 SF에 오버로드가 발생했는지 여부를 확인한다.
여기에서, 제1 SF와 상기 제3 SF의 중간에 위치한 제4 SF에 제4 MA를 배치한다는 것은 도 3에 도시한 바와 같이 e를 mid로 변경한 후 SFmid에서 오버로드가 발생했는지를 체크 또는 감지하는 단계로 복귀하는 것을 의미하고, 제3 SF와 상기 제2 SF의 중간에 위치한 제5 SF에 제5 MA를 배치한다는 것은 도 3에 도시한 바와 같이 s를 mid로 변경한 후 SFmid에서 오버로드가 발생했는지를 체크 또는 감지하는 단계로 복귀하는 것을 의미한다.
그리고 상기 제4 SF 또는 상기 제5 SF에서 오버로드가 발생한 경우, 상기 모니터링 서버는 상기 제4 SF 또는 상기 제5 SF가 오버로드 된 사실을 상기 컨트롤러에 전달하고, SFC의 복구가 완료된 후, 상기 제3 MA와 상기 제4 MA, 또는 상기 제3 MA와 상기 제5 MA의 배치를 철회하며, 이후, 상기 제1 MA와 상기 제2 MA를 사용하여 상기 SD-SFC의 오버로드를 모니터링 한다.
이상에서는 7개의 SF를 구비한 경우에 대해 설명하였지만, SF가 7개보다 많은 경우에는 제6 MA, 제7 MA 등을 순차적으로 더 배치할 수 있다.
그리고, MA를 가운데의 SF에 배치한다는 것은 MA가 배치된 SF 사이에 위치하는 SF들의 개수가 짝수일 때, 가운데에 위치하는 SF 중 하나의 SF에 MA를 배치하는 것을 포함한다.
본 발명인은 본 발명에서 제안한 모니터링 방법의 성능을 평가하기 위해 테스트베드 기반의 실험 환경을 구현하였다.
테스트 토폴로지는 하나의 리눅스 서버와 7개의 테스트베드로 구성하였고, Host A에서 Host B로 트래픽을 전송하기 위해 Iperf라는 트래픽 생성 툴을 사용하였다.
그리고 SDN 컨트롤러로 ONOS라는 오픈 소스 SDN 컨트롤 플랫폼을 사용하였고, 16G RAM과 Intel(R) CPU 3.30GHz 4코어 프로세서를 가지는 리눅스 서버에 ONOS 컨트롤러와 Zabbix 서버를 실행하였다.
테스트베드에는 네트워크 플로우(network flow)를 제어하기 위한 Open vSwitch (OvS) 2.5.2와 모니터링 데이터를 측정하는 Zabbix 에이전트를 설치하였고, 실험에서는 모니터링 데이터 및 네트워크 트래픽 전송을 위해 2 개의 브릿지를 사용하였다.
리눅스 브릿지는 리눅스 서버와 테스트베드간의 이더넷 인터페이스를 연결한다. OvS Bridge 는 OvS가 IP 트래픽이 일반적인 스위치처럼 동작할 수 있도록 플로우(flow) 규칙을 추가한다.
본 발명에서 제안한 모니터링 방법의 성능을 평가하기 7개의 SF로 구성된 SFC 환경에서 어느 하나의 SF에 오버로드가 발생한 시나리오를 고려하였다. 만약 오버로드 문제가 발생한다면 트래픽 병목 현상이 발생하여 이후 트래픽의 속도가 감소할 것이다.
이와 같은 도착률의 변화를 구성하기 위해 out-port의 대역폭을 변경하여 네트워크 혼잡을 발생시켰다.
본 실험에서는 시그널링 비용을 성능평가 지표로 사용하며, Zabbix 서버가 MA를 폴링하는 횟수와 활성 MA의 수를 통해 얻는다.
도 4는 혼잡을 발생시키기 전에 샘플링 속도에 따른 패킷의 수에 대해 제안 방식과 기존 방식을 비교한 그래프이다.
도 4를 참조하면, 최초 2개의 SF에만 MA를 배치한 본 발명의 모니터링 방식은 7개의 SF 모두에 MA를 배치한 기존 방식보다 적은 패킷의 수를 가진다.
이 결과는 본 발명에서 제안하는 모니터링 방법이 기존의 방법의 시그널링 비용을 대략 71.4% 정도 줄인 것을 의미한다.
도 5는 활성 에이전트의 수에 대해 본 발명의 모니터링 방법과 기존의 방법을 비교한 그래프이다.
본 발명에서 제안한 모니터링 방법은 혼잡 발생 가능성을 감지한 후 MA를 동적으로 추가 배치하고, 오버로드 된 SF를 발견하면 초기 상태로 돌아온다.
따라서, 전체 과정에서 최대로 활성화되는 MA의 갯수는 5개이므로, 7개의 SF에 MA를 각각 배치하는 기존 방법과 비교하여 여전히 효율적이다.
이 결과는 본 발명에서 제안한 모니터링 방법이 MA를 최대로 배치하더라도 기존 방식의 시그널링 비용을 28.6% 정도 줄인 것을 의미한다.
결론적으로 본 발명에서 제안한 모니터링 방법은 전체 혼잡 회복 과정에서 평균적으로 59.2% 정도 시그널링 비용을 절감하였으며 이를 통해 기존 방법보다 비용 효율적인 것을 확인하였다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (19)

  1. SFC 분류자(Service Function Chaining Classifier)와 SFF(Service Function Forwarder) 및 SF(Service Function)를 각각 복수 개 포함하는 데이터 평면(data plane)과, 상기 복수 개의 SF의 상태에 따라 SFP(Service Function Path)를 구성하고 SFF 정책을 관리하는 제어 평면(control plane)을 포함하는 SDN 기반 SFC(SD-SFC)에 있어서,
    상기 제어 평면은,
    상기 데이터 평면 내의 구성 요소에 플로우 규칙을 삽입하여 상기 SFP를 구성하는 컨트롤러(controller); 및
    상기 복수 개의 SF 중에서 적어도 2개의 SF에 각각 배치된 적어도 2개의 모니터링 에이전트(Monitoring Agent, MA)로부터 모니터링 정보를 수집하는 모니터링 서버(monitoring server)를 포함하고,
    상기 모니터링 서버는,
    n개의 SF 중 첫 번째에 위치한 제1 SF(SFS)에 배치한 제1 MA와 마지막 번째에 위치한 제2 SF(SFe)에 배치한 제2 MA로부터 수집한 모니터링 정보를 이용하여 인그레스(ingress) SF와 이그레스(egress) SF를 통과하는 트래픽(traffic)의 속도 차이를 임계값과 비교하여 상기 SD-SFC에 오버로드(overload) 된 SF가 존재하는지 판단하는 SF 오버로드 감지 모듈(SF overload detection module);
    상기 SD-SFC에 오버로드 된 SF가 존재하는 경우, 상기 복수의 SF 중에서 오버로드 된 SF를 선택하기 위한 탐색을 수행하는 SF 선택 모듈(SF selection module); 및
    상기 제1 SF 및/또는 상기 제2 SF에서 오버로드가 발생한 것이 아닌 경우, 상기 제1 SF와 상기 제2 SF의 중간에 위치한 제3 SF에 제3 MA를 배치하는 동적 MA 배치 모듈(Dynamic MA deployment module)을 포함하는 SDN 상의 네트워크 상태 모니터링 시스템.
  2. 제1항에서,
    상기 모니터링 서버는,
    2개의 MA가 각각 배치된 2개의 SF의 서비스율 및 도착률을 나타내는 인그레스(ingress) SF와 이그레스(egress) SF를 통과하는 트래픽의 속도 차이를 이용해 상기 SD-SFC에 오버로드 된 SF가 존재하는지 판단하고,
    오버로드 된 SF가 존재한다고 판단되는 경우에, 상기 오버로드 된 SF를 선택하기 위한 탐색을 수행하고,
    상기 탐색 과정이 종료될 때까지, 상기 2개의 SF를 제외한 나머지 SF들에 새로운 MA를 정해진 순서에 따라 순차적으로 추가로 배치하는 SDN 상의 네트워크 상태 모니터링 시스템.
  3. 제1항에서,
    상기 SD-SFC에 오버로드 된 SF가 존재하는 경우, 상기 복수의 SF 중에서 오버로드 된 SF를 선택하기 위한 탐색은,
    상기 제 1 SF 또는 제 2 SF 중 오버로드 된 SF가 아닌 SF의 MA 배치를 철회하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 SDN 상의 네트워크 상태 모니터링 시스템.
  4. 제1항에서,
    상기 제1 SF와 상기 제2 SF 중에서 오버로드가 발생한 SF가 있는 경우, 상기 모니터링 서버는 오버로드 된 SF에 대한 정보를 상기 컨트롤러에 전달하는 것을 특징으로 하는 SDN 상의 네트워크 상태 모니터링 시스템.
  5. 제4항에서,
    상기 컨트롤러는,
    상기 오버로드 된 SF에 대한 정보에 기초하여 SFC의 정상화를 통해 오버로드를 복구하는 것을 특징으로 하는 SDN 상의 네트워크 상태 모니터링 시스템.
  6. 제1항에서,
    상기 제3 SF에서 오버로드가 발생한 경우, 상기 모니터링 서버는 상기 제3 SF가 오버로드 된 사실을 상기 컨트롤러에 전달하는 것을 특징으로 하는 SDN 상의 네트워크 상태 모니터링 시스템.
  7. 제6항에서,
    상기 모니터링 서버는 상기 제3 SF에 배치한 상기 제3 MA의 배치를 철회한 후, 상기 제1 MA와 상기 제2 MA를 사용하여 상기 SD-SFC의 오버로드를 모니터링 하는 것을 특징으로 하는 SDN 상의 네트워크 상태 모니터링 시스템.
  8. 제1항에서,
    상기 제3 SF에서 오버로드가 발생한 것이 아닌 경우, 상기 모니터링 서버는 상기 제1 SF와 상기 제3 SF의 중간에 위치한 제4 SF에 제4 MA를 배치한 후 상기 제4 SF에 오버로드가 발생했는지 여부를 확인하거나, 상기 제3 SF와 상기 제2 SF의 중간에 위치한 제5 SF에 제5 MA를 배치한 후 상기 제5 SF에 오버로드가 발생했는지 여부를 확인하는 것을 특징으로 하는 SDN 상의 네트워크 상태 모니터링 시스템.
  9. 제8항에서,
    상기 제4 SF 또는 상기 제5 SF에서 오버로드가 발생한 경우, 상기 모니터링 서버는 상기 제4 SF 또는 상기 제5 SF가 오버로드 된 사실을 상기 컨트롤러에 전달하는 것을 특징으로 하는 SDN 상의 네트워크 상태 모니터링 시스템.
  10. 제9항에서,
    상기 모니터링 서버는 상기 제3 MA와 상기 제4 MA, 또는 상기 제3 MA와 상기 제5 MA의 배치를 철회한 후, 상기 제1 MA와 상기 제2 MA를 사용하여 상기 SD-SFC의 오버로드를 모니터링 하는 것을 특징으로 하는 SDN 상의 네트워크 상태 모니터링 시스템.
  11. SFC 분류자(Service Function Chaining Classifier)와 SFF(Service Function Forwarder) 및 SF(Service Function)를 각각 복수 개 포함하는 데이터 평면(data plane)과, 상기 복수 개의 SF의 상태에 따라 SFP(Service Function Path)를 구성하고 SFF 정책을 관리하는 제어 평면(control plane)을 포함하며,
    상기 제어 평면은,
    상기 데이터 평면 내의 구성 요소에 플로우 규칙을 삽입하여 상기 SFP를 구성하는 컨트롤러(controller); 및
    상기 복수 개의 SF 중에서 적어도 2개의 SF에 각각 배치된 적어도 2개의 모니터링 에이전트(Monitoring Agent, MA)로부터 모니터링 정보를 수집하는 모니터링 서버(monitoring server)
    를 포함하는 SDN 기반 SFC(SD-SFC)의 모니터링 방법에 있어서,
    상기 모니터링 서버는,
    n개의 SF 중 첫 번째에 위치한 제1 SF(SFS)에 배치한 제1 MA와 마지막 번째에 위치한 제2 SF(SFe)에 배치한 제2 MA로부터 수집한 모니터링 정보를 이용하여 상기 MA가 배치된 SF의 서비스율 및 도착률을 모니터링하는 단계,
    상기 서비스율 및 상기 도착률을 나타내는 인그레스(ingress) SF와 이그레스(egress) SF를 통과하는 트래픽의 속도 차이를 임계값과 비교하여 상기 SD-SFC에 오버로드 된 SF가 존재하는지 판단하는 단계,
    상기 SD-SFC에 오버로드 된 SF가 존재하는 경우, 상기 복수의 SF 중에서 오버로드 된 SF를 선택하기 위한 탐색을 수행하는 단계, 및
    상기 제1 SF 및/또는 상기 제2 SF에서 오버로드가 발생한 것이 아닌 경우, 상기 제1 SF와 상기 제2 SF의 중간에 위치한 제3 SF에 제3 MA를 배치한 후, 상기 MA를 추가로 배치한 SF에서 오버로드가 발생했는지 여부를 확인하는 단계
    에 따라 SDN 상의 네트워크 상태를 모니터링하는 것을 특징으로 하는 SDN 상의 네트워크 상태 모니터링 방법.
  12. 제11항에서,
    상기 SD-SFC에 오버로드 된 SF가 존재하는 경우, 상기 복수의 SF 중에서 오버로드 된 SF를 선택하기 위한 탐색을 수행하는 단계는,
    상기 제 1 SF 또는 제 2 SF 중 오버로드 된 SF가 아닌 SF의 MA를 배치를 철회하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 SDN 상의 네트워크 상태 모니터링 방법.
  13. 제11항에서,
    상기 제1 SF와 상기 제2 SF 중에서 오버로드가 발생한 SF가 있는 경우, 상기 모니터링 서버는 오버로드 된 SF에 대한 정보를 상기 컨트롤러에 전달하는 것을 특징으로 하는 SDN 상의 네트워크 상태 모니터링 방법.
  14. 제13항에서,
    상기 컨트롤러는,
    상기 오버로드 된 SF에 대한 정보에 기초하여 SFC의 정상화를 통해 오버로드를 복구하는 것을 특징으로 하는 SDN 상의 네트워크 상태 모니터링 방법.
  15. 제11항에서,
    상기 제3 SF에서 오버로드가 발생한 경우, 상기 모니터링 서버는 상기 제3 SF가 오버로드 된 사실을 상기 컨트롤러에 전달하는 것을 특징으로 하는 SDN 상의 네트워크 상태 모니터링 방법.
  16. 제15항에서,
    상기 모니터링 서버는 상기 제3 SF에 배치한 상기 제3 MA의 배치를 철회한 후, 상기 제1 MA와 상기 제2 MA를 사용하여 상기 SD-SFC의 오버로드를 모니터링 하는 것을 특징으로 하는 SDN 상의 네트워크 상태 모니터링 방법.
  17. 제11항에서,
    상기 제3 SF에서 오버로드가 발생한 것이 아닌 경우, 상기 모니터링 서버는 상기 제1 SF와 상기 제3 SF의 중간에 위치한 제4 SF에 제4 MA를 배치한 후 상기 제4 SF에 오버로드가 발생했는지 여부를 확인하거나, 상기 제3 SF와 상기 제2 SF의 중간에 위치한 제5 SF에 제5 MA를 배치한 후 상기 제5 SF에 오버로드가 발생했는지 여부를 확인하는 것을 특징으로 하는 SDN 상의 네트워크 상태 모니터링 방법.
  18. 제17항에서,
    상기 제4 SF 또는 상기 제5 SF에서 오버로드가 발생한 경우, 상기 모니터링 서버는 상기 제4 SF 또는 상기 제5 SF가 오버로드 된 사실을 상기 컨트롤러에 전달하는 것을 특징으로 하는 SDN 상의 네트워크 상태 모니터링 방법.
  19. 제18항에서,
    상기 모니터링 서버는 상기 제3 MA와 상기 제4 MA, 또는 상기 제3 MA와 상기 제5 MA의 배치를 철회한 후, 상기 제1 MA와 상기 제2 MA를 사용하여 상기 SD-SFC의 오버로드를 모니터링 하는 것을 특징으로 하는 SDN 상의 네트워크 상태 모니터링 방법.
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