KR102322451B1 - 네트워크 하이퍼바이저 및 이를 이용한 컨트롤 채널 대역폭 할당 방법 - Google Patents

네트워크 하이퍼바이저 및 이를 이용한 컨트롤 채널 대역폭 할당 방법 Download PDF

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Abstract

SDN 기반 네트워크 가상화를 구현하는 네트워크 하이퍼바이저 및 이를 이용한 컨트롤 채널 대역폭 할당 방법을 제공한다. 네트워크 하이퍼바이저가 구현된 컴퓨팅 장치는 초기 대역폭이 할당된 컨트롤 채널들 각각에 대하여 대역폭의 추가 할당 여부를 모니터링하는 추가 할당 계산 모듈을 포함한다.

Description

네트워크 하이퍼바이저 및 이를 이용한 컨트롤 채널 대역폭 할당 방법{NETWORK HYPERVISOR AND METHOD OF ALLOCATING CONTROL CHANNEL BANDWIDTH}
본 발명은 네트워크 하이퍼바이저에 관한 것으로, 보다 상세하게는 SDN(software defined network) 기반 네트워크 가상화를 구현하는 네트워크 하이퍼바이저 및 이를 이용한 컨트롤 채널 대역폭 할당 방법에 관한 것이다.
SDN(Software Defined Networking)은 네트워킹 장비의 전송평면과 제어평면을 분리하고, 제어평면을 중앙 집중화하여 전체 네트워크에 대한 단일한 방식의 제어가 가능한 네트워킹 구조로서, 기존 제조사 종속적이고 새로운 연구의 적용이 어려운 네트워크에 유연성과 프로그래밍가능성(programmability)을 부여할 수 있다.
SDN 기반의 네트워크 가상화 기술은 다수의 네트워크 사용자가 자신의 가상 네트워크를 임의로 생성 및 제어하여 최적화된 가상 네트워크를 구성할 수 있는 기술이다.
네트워크 하이퍼바이저는 테넌트들에게 고립된 각각의 가상 네트워크를 제공한다. 각 테넌트들은 자신의 컨트롤러를 통해 제공받은 가상 네트워크를 제어할 수 있다. 가상 네트워크를 제어하기 위해 컨트롤러는 가상 네트워크의 가상 스위치들에게 컨트롤 메시지를 전달한다. 그 메시지들을 주고받는 통로를 컨트롤 채널이라고 한다. 즉, 컨트롤 채널은 테넌트 컨트롤러와 가상 스위치 사이의 논리경로(logical path)이다. 따라서 총 컨트롤 채널의 수는 총 가상 스위치의 개수와 동일하다. 테넌트의 수가 증가할수록, 하이퍼바이저가 제공하는 가상 스위치의 수가 증가할수록 컨트롤 채널의 수가 증가하게 된다.
테넌트의 컨트롤러들이 있는 서버와 네트워크 하이퍼바이저의 서버는 서로 다른 물리서버에 존재하고, 두 서버는 물리링크로 연결되어 있다. 각 테넌트들은 다른 테넌트와는 고립되며 충분한 자원을 제공받기를 원한다. 하지만, 물리링크의 대역폭은 한정되어 있는데 일부 컨트롤 채널들이 대역폭을 선점하고 나머지 대역폭을 다른 컨트롤 채널들이 가져가면서 충분한 대역폭을 사용하지 못한 컨트롤 채널들은 컨트롤 메시지 전송에 병목이 생기는 문제가 발생한다. 컨트롤러가 가상네트워크에 전송하는 플로우룰 메시지 전송에 대한 병목으로 가상 스위치에 포워딩 설치시간에 지연이 생기게 된다.
대한민국 등록특허 제10-1748750에서는, SDN 기반 무선 가상 네트워크 환경에서 트래픽 변화를 고려한 대역폭 제어 장치 및 방법을 개시하고 있으나, 대역폭 제어 장치 및 방법에 대한 보다 구체적인 장치 및 방법이 요구되고 있다.
대한민국 등록특허 제10-1748750호
본원 발명이 해결하고자 하는 과제는 한정된 물리링크 내에서 대역폭을 조절하여 가상 네트워크의 전송 병목을 감소시키는 네트워크 하이퍼바이저 및 이를 이용한 컨트롤 채널 대역폭 할당 방법을 제공하는 것이다.
해결하고자 하는 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 실시 예들에 따른 SDN(software defined network) 기반 네트워크 가상화를 구현하는 네트워크 하이퍼바이저(network hypervisor)에 있어서, 상기 네트워크 하이퍼바이저는 초기 대역폭이 할당된 컨트롤 채널들 각각에 대하여 대역폭의 추가 할당 여부를 모니터링하는 추가 할당 계산 모듈을 포함한다.
다른 실시예에 따른 컨트롤 채널 대역폭 할당 방법은, 컨트롤러 서버와 네트워크 하이퍼바이저 서버 사이의 물리 링크의 사용 가능한 전체 대역폭을 확인하는 단계; 상기 전체 대역폭의 50%를 컨트롤 채널들의 수로 나누어 상기 컨트롤 채널들 각각에 동일하게 초기 대역폭을 할당하는 단계; 상기 컨트롤 채널들 각각이 실제 사용량이 현재 초기 대역폭의 α 퍼센트보다 많고, 상기 추가 할당 대역폭이 상기 전체 대역폭의 β 퍼센트보다 작으면, γ 퍼센트만큼 추가 할당 대역폭이 추가 할당하는 단계; 및 상기 컨트롤 채널들 각각이 실제 사용량이 현재 초기 대역폭의 α 퍼센트보다 많고, 상기 추가 할당 대역폭이 상기 전체 대역폭의 β 퍼센트보다 크면, 초기 대역폭 및 추가 할당 대역폭을 초기 값으로 리셋하는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시 예들에 따른 네트워크 하이퍼바이저는 컨트롤 채널이 공평하게 최소 대역폭을 보장받는 동시에 실시간으로 각 컨트롤 채널의 대역폭 사용을 모니터링하여 사용량에 따라서 추가 대역폭을 할당받을 수 있다. 또한, 대역폭 제어는 트래픽 쉐이핑을 사용하여 일정 대역폭을 초과하는 패킷에 대해서도 손실을 줄일 수 있다. 따라서, 패킷 손실 없이 네트워크 사용 지연 시간을 감소시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 SDN 기반 네트워크 가상화 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 네트워크 하이퍼바이저를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 컨트롤 채널 대역폭 할당 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 4는 실험예 및 비교예 각각에 channel_read 및 channel_write 작업을 수행하여 제어 채널 처리량의 표준 편차를 나타내는 그래프이다.
도 5는 실험예 및 비교예 각각의 스위치 포워딩 설치 시간을 나타내는 그래프이다.
본 발명의 구성 및 효과를 충분히 이해하기 위하여, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예들을 설명한다. 그러나 본 발명은, 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라, 여러 가지 형태로 구현될 수 있고 다양한 변경을 가할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예들에서 사용되는 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 통상적으로 알려진 의미로 해석될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 실시예들에 따른 SDN(software defined network) 기반 네트워크 가상화를 구현하는 네트워크 하이퍼바이저(network hypervisor)를 설명하기로 한다.
구체적인 본 발명의 특징들을 설명하기 전에, 간략한 용어 설명을 하기로 한다.
SDN(software defined networking)은 네트워킹 장비의 전송평면과 제어평면을 분리하고, 제어평면을 중앙 집중화하여 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 제어평면은 SDN 컨트롤러라고 불리며, 스위치와 링크와 같은 네트워크 자원으로 구성된 전송평면을 제어할 수 있다.
네트워크 컨트롤러는 각 사용자의 가상 네트워크를 제어하기 위해 사용하는 요소이다. 특히, SDN 기반의 가상 네트워크에서 사용자의 중앙 집중화된 가상 네트워크 컨트롤러는 제어평면 역할을 하며, 가상 스위치와 OpenFlow 등의 프로토콜을 통해 데이터 전송에 필요한 규칙을 내려보내는 등의 통신을 수행한다.
네트워크 가상화는 하나의 물리 네트워크를 여러 개의 가상 네트워크들로 분리하여 제공하는 기술이다. 네트워크 가상화를 통해, 특화된 가상 네트워크를 만들어 네트워크를 사용하는 서비스의 효율성을 높일 수 있으며, 전체 물리 네트워크의 활용률 또한 극대화할 수 있다. SDN 기반의 네트워크 가상화에서는 네트워크 하이퍼바이저를 사용하여 제공될 수 있다.
네트워크 하이퍼바이저는, 서로 다른 SDN 컨트롤러를 사용하는 다수의 사용자가 존재하고, 이 사용자들이 하나의 공유된 물리 네트워크를 사용할 때, 각 사용자들에게 분리된 가상 네트워크를 제공하는 요소이다. 가상 네트워크 자원과 물리 네트워크 자원의 맵핑 정보를 관리하고 가상 네트워크 컨트롤러부터 내려온 OpenFlow 등의 컨트롤 메시지를 물리 네트워크에 맞는 형태로 변경해주는 역할을 수행한다. 네트워크 하이퍼바이저는 적어도 프로세서 및/또는 메모리를 포함하는 컴퓨팅 장치(예컨대, 서버) 등에 구현될 수 있다. 또한, 본 명세서에서 네트워크 하이퍼바이저는 네트워크 하이퍼바이저가 구현된 컴퓨팅 장치 자체를 의미하는 용어로 사용될 수도 있다.
이하에서는 본 발명의 실시예들에 따른 네트워크 하이퍼바이저를 도면과 함께 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 SDN 기반 네트워크 가상화 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, SDN 기반 네트워크 가상화 구조는 물리 네트워크를 여러 사용자에게 각각 가상 네트워크를 제공하는데, 물리 네트워크를 가상 네트워크로 가상화하기 위하여 네트워크 하이퍼바이저가 필요하다.
컨트롤러와 스위치 간의 TCP connection이 확립되면, 컨트롤러가 가상 스위치를 제어하기 위한 다양한 메시지를 주고 받는다. 서로 대응하는 프로토콜의 버전을 확인하는 Hello 메시지, 스위치의 정보를 확인하는 Features Request, Features Reply 메시지, 컨트롤러의 설정 flag, MTU정보를 전송하는 Set Config 메시지, 스위치의 현재 상태정보를 요청하는 Stats Request, 토폴로지 정보를 얻기 위한 LLDP 메시지, 컨트롤러가 data path에 특정한 패킷을 보내고 싶을 때는 Packet out 메시지, 스위치의 flow table에 entry를 추가/수정/삭제해야 할 때는 Flow Mod 메시지를 사용한다. 이처럼 컨트롤 채널에서 처리되는 메시지 패킷의 양은 다양하며 모두 중요한 메시지들이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 네트워크 하이퍼바이저를 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 네트워크 하이퍼바이저는 초기 대역폭이 할당된 컨트롤 채널들 각각에 대하여 대역폭의 추가 할당 여부를 모니터링하는 추가 할당 계산 모듈을 포함한다.
초기 대역폭은, 컨트롤러 서버와 네트워크 하이퍼바이저 서버 사이의 물리 링크의 사용 가능한 전체 대역폭의 a%(a는 0보다 크고 100보다 작은 실수, 예컨대 a = 50)를 상기 컨트롤 채널들의 수로 나누어 상기 컨트롤 채널들 각각에 동일한 값으로 할당한 값이다. 이처럼, 각 컨트롤 채널은 동일하게 초기 대역폭으로 최소한의 대역폭을 보장받을 수 있다. 한편, 전체 대역폭의 나머지 (100 -a)%는 추가 할당 대역폭에 해당될 수 있다.
따라서, 네트워크 하이퍼바이저는 컨트롤 채널들 각각으로 초기 대역폭을 공평하게 할당하고, 실시간으로 사용 대역폭을 모니터링하여 동적으로 추가 할당 대역폭을 추가할 수 있다. 각 컨트롤 채널의 사용량이 각각의 네트워크 상태에 따라 모두 다르기 때문에 모니터링을 통해 더 많은 대역폭을 사용해야 하는 채널에게 추가 할당 대역폭을 할당할 수 있다.
대역폭을 조절하는 방법에 대하여 아래에서 상세하게 설명하기로 한다.
네트워크 하이퍼바이저는 상기 컨트롤 채널들 각각의 패킷 처리량을 계산하고 상기 처리량이 할당된 대역폭을 초과하는 경우, 상기 패킷을 버퍼에 저장하여 지연 후 처리하는 채널 쉐이핑 모듈을 더 포함할 수 있다.
한편, 채널의 트래픽 대역폭을 제어하기 위해서는 크게 두 가지, 트래픽 폴리싱과 트래픽 쉐이핑으로 나눌 수 있다. 트래픽 폴리싱은 네트워크 혼잡 회피를 위해 정해진 대역폭 기준 초과 트래픽을 드롭(drop)하여 대역폭을 제어한다. 한편, 트래픽 쉐이핑은 정해진 대역폭을 기준으로 초과한 트래픽을 드롭시키지 않고 버퍼에 저장시켜 대기시켰다가 대역폭 이하로 트래픽이 발생하는 시점에 버퍼링하였던 패킷을 내보내, 트래픽 손실률이 작으며, 중요한 메시지 패킷을 드롭시키지 않을 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에서 채널의 트래픽 대역폭을 제어하는 트래픽 쉐이핑을 사용한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 컨트롤 채널 대역폭 할당 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 3을 참조하면, 컨트롤러 서버와 네트워크 하이퍼바이저 서버 사이의 물리 링크의 사용 가능한 전체 대역폭을 확인한다(S110).
전체 대역폭을 기반으로 각 컨트롤 채널의 초기 대역폭을 할당한다(S120). 상세하게 설명하면, 초기 대역폭은 전체 대역폭의 50%를 컨트롤 채널들의 수로 나누어 상기 컨트롤 채널들 각각에 동일한 값으로 할당한 것이다. 이때, 전체 대역폭의 나머지 50%는 추가 할당 대역폭에 해당될 수 있다.
컨트롤 채널들 각각이 실제 사용량이 현재 초기 대역폭의 α 퍼센트보다 많고(S130), 추가 할당 대역폭이 전체 대역폭의 β 퍼센트보다 작으면(S140), γ 퍼센트만큼 추가 할당 대역폭을 추가 할당한다(S150).
한편, 컨트롤 채널들 각각이 실제 사용량이 현재 초기 대역폭의 α 퍼센트보다 많고(S130), 추가 할당 대역폭이 전체 대역폭의 β 퍼센트보다 크면(S140), 초기 대역폭 및 추가 할당 대역폭을 초기 값으로 리셋한다(S160). 그리고, 다시 상기의 알고리즘을 수행할 수 있다.
컨트롤 채널들 각각의 패킷 처리량을 계산하고, 처리량이 할당된 대역폭에 대하여 초과하는 경우, 패킷을 버퍼에 저장하여 지연 후 처리할 수 있다. 대기 시간 이후에 저장된 패킷을 처리하는 방식으로 대역폭 제어를 달성할 수 있다. 이렇게 트래픽 쉐이핑을 사용하면, 패킷을 드롭시키는 트래픽 폴리싱과 다르게 초과되는 패킷을 버퍼에 저장하고 지연시간 이후에 처리함으로써 패킷 손실률을 크게 줄일 수 있다.
또한, 채널에 들어오는 “Channel_read”, 채널에서 나가는 “Channel_wirte” 두 개의 동작을 모두 제어함으로써 컨트롤 채널이 가상 스위치에게 내리는 명령 메세지 이외에도 스위치에서 컨트롤러에게 보내는 요청 메시지 또는 통계 메시지 등의 패킷에 대한 제어도 가능하다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 네트워크 하이퍼바이저를 포함한 SDN 네트워크에 대한 실험예를 설명하기로 한다.
실험예는 본 실시예에서 설명된 네트워크 하이퍼바이저를 포함한 가상화된 SDN이며, 비교예는 본 실시예에서 설명된 네트워크 하이퍼바이저의 특징 없는 네트워크 하이퍼바이저를 이용한 가상화된 SDN이다.
실험환경은 하기와 같다.
- 물리네트워크: mininet / 4-ary fat-tree topology
- 네트워크 하이퍼바이저: OpenVirteX
- 네트워크 컨트롤러: ONOS
- 가상네트워크: 4개의 테넌트에게 각각 10개의 가상스위치가 포함된 가상네트워크를 제공
- 전송되는 각 컨트롤메시지들은 가상스위치에게 균등하게 전송됨
- 모든 TCP connection들은 같은 워크로드를 가짐
- 테넌트의 개수를 1에서 4까지 늘려가며 측정
도 4는 실험예 및 비교예 각각에 channel_read 및 channel_write 작업을 수행하여 제어 채널 처리량의 표준 편차를 나타내는 그래프이다.
도 4를 참조하면, 처리량 분산은 실험예가 3.8배까지 향상된 것을 보여주며, 실험예에서 통해 제어 채널 간의 간섭이 감소한다는 것을 알 수 있다.
도 5는 실험예 및 비교예 각각의 스위치 포워딩 설치 시간을 나타내는 그래프이다.
도 5를 참조하면, 비교예에서는, 테넌트 수가 증가하여, 가상 스위치 개수도 증가하여, 포워딩 설치 시간이 크게 증가한 것을 볼 수 있다. 테넌트 수가 1에서 4로 증가할 때 포워딩 설치 시간이 3,59배 증가한다. 반면, 실험예에서는 테넌트의 수 증가에 따른 간섭이 줄어 일정한 포워딩 설치시간이 비교적 일정하게 유지되는 것을 볼 수 있다.
이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims (6)

  1. SDN(software defined network) 기반 네트워크 가상화를 구현하는 네트워크 하이퍼바이저(network hypervisor)가 구현된 컴퓨팅 장치에 있어서,
    상기 컴퓨팅 장치는 상기 컴퓨팅 장치에 접속된 복수의 SDN 컨트롤러들 각각에게 가상 네트워크를 제공하고,
    상기 컴퓨팅 장치는 초기 대역폭이 할당된 컨트롤 채널들 각각에 대하여 실시간 모니터링을 통해 각 컨트롤 채널 대역폭의 추가 할당 여부를 계산하는 추가 할당 계산 모듈을 포함하고,
    상기 컨트롤 채널들 각각은 상기 복수의 SDN 컨트롤러들 중 어느 하나와 상기 컴퓨팅 장치에 접속된 복수의 물리 스위치들에 구현된 복수의 가상 스위치들 중 어느 하나 사이의 논리 경로(logical path)를 의미하고,
    상기 초기 대역폭은 상기 SDN 컨트롤러들과 상기 컴퓨팅 장치 사이의 물리 링크의 사용 가능한 전체 대역폭의 a(a는 0보다 크고 100보다 작은 실수)%를 상기 컨트롤 채널들의 수로 나누어 상기 컨트롤 채널들 각각에 동일한 값으로 할당되는,
    컴퓨팅 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 추가 할당 계산 모듈에서 사용 가능한 추가 할당 대역폭은 상기 전체 대역폭의 나머지 (100-a)%인,
    컴퓨팅 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 컨트롤 채널들 각각의 패킷 처리량을 계산하고 상기 처리량이 할당된 대역폭을 초과하는 경우, 상기 패킷을 버퍼에 저장하여 지연 후 처리하는 채널 쉐이핑 모듈을 더 포함하는,
    컴퓨팅 장치.
  5. SDN(software defined network) 기반 네트워크 가상화를 구현하는 네트워크 하이퍼바이저(network hypervisor)가 구현된 네트워크 하이퍼바이저 서버에서 구현되는 컨트롤 채널 대역폭 할당 방법에 있어서,
    복수의 컨트롤러 서버들과 상기 네트워크 하이퍼바이저 서버 사이의 물리 링크의 사용 가능한 전체 대역폭을 확인하는 단계;
    상기 전체 대역폭의 a(a는 0보다 크고 100보다 작은 실수)%를 컨트롤 채널들의 수로 나누어 상기 컨트롤 채널들 각각에 동일하게 초기 대역폭을 할당하는 단계; 및
    상기 컨트롤 채널들 각각의 실제 대역폭 사용량에 기초하여 대역폭 추가 할당 여부를 결정하는 단계를 포함하고,
    상기 네트워크 하이퍼바이저 서버는 상기 네트워크 하이퍼바이저 서버에 접속된 상기 복수의 컨트롤러 서버들 각각에게 가상 네트워크를 제공하고,
    상기 컨트롤 채널들 각각은 상기 복수의 컨트롤러 서버들 중 어느 하나와 상기 네트워크 하이퍼바이저 서버에 접속된 복수의 물리 스위치들에 구현된 복수의 가상 스위치들 중 어느 하나 사이의 논리 경로(logical path)를 의미하는,
    컨트롤 채널 대역폭 할당 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 컨트롤 채널들 각각의 패킷 처리량을 계산하고, 상기 처리량이 할당된 대역폭에 대하여 초과하는 경우, 상기 패킷을 버퍼에 저장하여 지연 후 처리하는 단계를 더 포함하는 컨트롤 채널 대역폭 할당 방법.
KR1020200059484A 2020-05-19 2020-05-19 네트워크 하이퍼바이저 및 이를 이용한 컨트롤 채널 대역폭 할당 방법 KR102322451B1 (ko)

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