KR20140102398A - 다수의 사업자 지원을 위한 sdn 기반의 네트워크 공유 방법 - Google Patents

다수의 사업자 지원을 위한 sdn 기반의 네트워크 공유 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 컨트롤러에 의해 다수의 사업자 지원을 위한 SDN(Software Defined Network)을 구축하는 방법으로서, 사업자별로 독립적인 패킷 처리 운용 정책을 규정한 복수의 플로우 테이블(flow table)을 구성하는 단계 및 상기 구성된 복수의 플로우 테이블을 네트워크 장비에게 전송하여, 상기 네트워크 장비에 사업자별로 독립적인 패킷 처리 운용 정책을 구축하는 단계를 포함한다.

Description

다수의 사업자 지원을 위한 SDN 기반의 네트워크 공유 방법{METHOD FOR SHARING NETWORK BASED ON SOFTWARE DEFINED NETWORK TO SUPPORT MULTIPLE OPERATOR}
본 발명은 다수의 사업자 지원을 위한 SDN 기반의 네트워크 공유 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 네트워크 장비를 다수의 사업자가 네트워크 장비를 공유하는 경우, 쉽고 최적화된 방법으로 네트워크 장비를 운용하는 다수의 사업자 지원을 위한 SDN 기반의 네트워크 공유 방법에 관한 것이다.
최근의 네트워크는 기존의 유선망과 무선망이 결합된 복잡한 네트워크 구조로 운용되고 있다. 또한 LTE와 같은 차세대 이동통신을 이용하는 사용자가 급증함에 따라서, 네트워크 트래픽은 기하급수적으로 증가하고 있다.
이러한 복잡한 네트워크 구조에서, LTE와 같은 차세대 이동통신을 이용하는 사용자가 급증함에 따라서, 신규로 망을 구축하고자 하는 사업자는 주사업자가 보유한 네트워크 장비의 자원을 공유해야할 필요성이 높다. 따라서, 네트워크 장비들의 자원을 다수의 사업자가 공통적으로 운용하는 기술은 필수적이다.
최근 들어서 네트워크상에서 설치, 운용, 유지보수 비용 최적화를 위하여, 다시 말하면 OPEX(Operation Expense)와 CAPEX(Capital Expenditures)를 최소화하기 위하여 서로 다른 사업자가 동일한 네트워크 자원을 공유하는 방법이 많이 사용되고 있다.
도 1A 및 1B는 네트워크 자원을 공유하지 않은 통상의 이동 통신 망과 네트워크 자원을 공유한 통상이 이동 통신 망을 보여주는 도면들로서, 차세대 기지국 (evolved Node B, 이하 'eNB'라 함)으로 구성되는 eUTRAN(Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network)을 포함하는 LTE 이동 통신 시스템에서의 이동 통신망을 가정한 도면들이다.
도 1A에서는, 하나의 사업자(operator A)의 코어 네트워크(Evolved packet core A)와 연결된 하나의 eNB가 도시된다. 따라서, 도 1A의 이동 통신 망은 네트워크 자원을 공유하지 않은 경우이다.
도 1B에서는, 하나의 망 사업자(operator A)의 core network(Evolved packet core A)와 다른 하나의 망 사업자(operator B)의 core network(Evolved packet core B)가 eUTRAN을 구성하는 eNB를 공통적으로 공유하는 것을 예시한 것이다. 이러한 네트워크 공유(network sharing)은 이동 통신 망 이외에도 유선 망에서도 공통적으로 일어날 수 있다.
도 2A 및 2B는 3GPP 등의 이동 통신 표준에서 제시하고 있는 네트워크 공유(network sharing)의 다양한 예를 보여주는 도면들로서, 도 2A는 MOCN(Multiple Operator Core Network)에서의 네트워크 공유(network sharing)를 보여주는 도면이고, 도 2B는 GWCN(Gateway Core Network)에서의 네트워크 공유(network sharing)를 보여주는 도면이다.
도 2A를 참조하면, 3GPP의 이동 통신 표준에 하나인 MOCN에서는, 하나의 망 사업자(operator A)의 core network(Evolved packet core A)와 다른 하나의 망 사업자(operator B)의 core network(Evolved packet core B)가 S1 인터페이스를 통해 eUTRAN의 eNB를 공통적으로 공유한다.
도 2B를 참조하면, GWCN에서는, 하나의 망 사업자(operator A)의 core network(Evolved packet core A)와 다른 하나의 망 사업자(operator B)의 core network(Evolved packet core B)가 S1 인터페이스와 연결된 3개의 이동 관리 엔티티(Mobile Management Entity: 'MME')를 공통적으로 공유하고, 상기 3개의 MME들을 통해 eUTRAN의 eNB를 공통적으로 공유한다.
도 2A 및 2B에 도시된 바와 같이, 3GPP 등의 이동 통신 표준에서는 MOCN(Multiple Operator Core Network), GWCN(Gateway Core Network) 등의 방법으로　기지국 공유(eUTRAN sharing)을 비롯한 다양한 네트워크 공유(network sharing)가　논의 및 구현되고 있다.
위의 이동 통신 표준에서 제안하고 있는 네트워크 공유(network sharing) 기법을 실제로 구현하기 위해서는 무선 구간의 자원을 공유하는 기술과 더불어 해당 장비와 상위 연결구간인 backhaul 구간의 자원의 공유 기법이 중요하다.
이러한 자원 공유 기법은 기본적으로 무선 망뿐만 아니라 기존의 스위치(switch)나 라우터(router) 등의 유선 네트워크의 장비에도 동일하게 적용될 수 있다.
다수의 사업자가 하나의 네트워크 장비의 자원을 공유하는 기술의 가장 핵심은　네트워크 인터페이스(network interface) 등의 물리적인 자원을 논리적인 자원으로 분배하여 주는 네트워크 가상화(network virtualization) 기술이다.　
네트워크 가상화 기술에는 VLAN 기반의 네트워크 가상화 기술, 가상 라우터(Virtual Router) 기반의 네트워크 가상화 기술, MPLS(Multi-Protocol Label Switching) 기반의 네트워크 가상화 기술 등이 있다.
VLAN 기반의 네트워크 가상화 기술은 가장 쉽게 구현할 수 있는 기술로서, 물리적인 네트워크 자원을 L2 패킷인 'VLAND-ID'를 기반으로 한 논리적인 영역에 분배하는 기술이다.
가상 라우터(Virtual Router) 기반의 네트워크 가상화 기술은 L3의 라우팅 테이블(routing table)의 정보를 가상화 영역의 ID인 가상 라우터 ID(virtual router ID)를 기반으로 분리하여 다수의 가상 라우터를 구성하는 기술이다.
MPLS(Multi-Protocol Label Switching)을 기반으로 하는 네트워크 가상화 기술은 기존의 L2 header와 L3 header 사이에 논리적인 MPLS label을 이용하여 네트워크를 가상화 하는 기술이다. 이를 위해서는 복잡한 MPLS 기능이 해당 사업자가 관리하는 모든 네트워크의 장비에서 지원하여야 한다.
VLAN을 이용한 네트워크 공유(network sharing) 방법은 가장 간단하게 적용할 수 있다. 그러나 L2망인 VLAN을 이용하여 망 전체적으로 네트워크 공유를 설정하는 것이 힘들다. 또한 사업자별 자원 최적화 등의 traffic engineering을 비롯한 다양한 부가적인 기능을 구현하는 것도　쉽지 않다. 또한, IP address와 연동하여 네트워크 자원을 운용하는 경우에는 각각의 사업자별 할당 가능한 IP address pool과 사업자　ID와 연관관계에 있는 VLAN ID를 맵핑(mapping) 시켜 관리해야 한다.
가상 라우팅(Virtual Routing)을 이용한 네트워크 공유 방법은 각 장비의 다수의 사업자별로 virtual router를 운용하는 방법이다. 이 방법은 가상 라우팅 도메인(virtual routing domain)을 설정한 특정한　네트워크 장비에서만 유효한 방법이므로, 투명한(transparent)　망 관리가 어렵다.　즉, 가상 라우터(virtual router) 적용이 된 두 개의 peer 이외에 다수의 장비를 운용할 경우에 네트워크 상에서 통일된 정책으로 네트워크 공유(network sharing)를 운용하는 것이 어렵다.
MPLS를 이용한 네트워크 공유 방법은 MPLS label을 이용한 tunneling 기법을 기반으로 하여, 전체적인 네트워크 도메인(network domain)에서 일관된 정책으로 투명하게(transparent)　망을 관리할 수 있고, MPLS에서 제공하는 fast restoration, traffic engineering 등의 다양한 부가적인 기능을 수행할 수 있는 장점이 있다. 하지만, MPLS는 복잡도가 높아서 구현이 어렵고, control plane과 data plane의 많은 부분에 변경이 필요하다. 또한 이를 운용하기 위해서는 각 네트워크 장비에 많은 자원이 필요하다.
따라서, 복수의 사업자 지원을 위해서 MPLS 기반으로 망을 분리하여 운용하는 시나리오는　많은 장점이 있으나, 복잡도가 높고 많은 자원을 필요로 하는 한계성이 있다.
위에서 기술한 네트워크 가상화 기술 이외에도 차세대 네트워크의 요구사항은　다수의 사업자가 네트워크 자원을 공유하는 경우에는 추가적으로 사업자 간 우선 순위 처리에 대한 고려 및 flow 별로 QoS(Quality of Service)나 security 등을 제공할 수 있는 기능이 필요하다.
또한, 복수의 사업자(Multiple operator)가 각자의 관리 시스템(management system)을 이용하여 망을 운용해야 하나, 실질적으로 이러한 기능을 제공하기가 어렵다. 또한 임대 사업자는 주사업자의 EMS를 통해서 해당 네트워크 장비를 설정할 수 밖에 없다.
가장 심각한 문제점은　다수의 사업자가 하나의 네트워크 장비의 자원을 공유하는 경우에는 해당 네트워크 장비를 어떻게 손쉽게 설정하고, 이를 확장하여 네트워크를 관리하는 것은 매우 어렵다.
또한 　기존의 네트워크 가상화 기법은 기본적으로 각각의 네트워크 장비 단위로 설정을 할 수밖에 없는 구조이다. 따라서, 각 장비의 유지보수가 매우 힘들다. 특히 망 사업자가 관리하는 많은 장비의 상태를 종합적으로 고려하여 정책을 적용하는 것이 어렵다.
다수의 사업자가 하나의 네트워크 장비의 자원을 공유하는 경우의 또 다른 문제점은 QoS 정책 수립에 있다.
네트워크 공유(network sharing) 기법은 기본적으로 공통적인 자원에 대해 다수의 사업자 간의 경쟁을 초래한다. 네트워크에 혼잡(congestion)이 발생하는 경우에 기존의 QoS 정책 이외에도 여러 사업자 간의 우선 순위 고려 등과 관련된 계층화된 QoS 처리가 필요하다.　
즉, 다수의 사업자를 지원하는 네트워크 공유 기법은 기존의 전통적인 QoS　처리 구성 요소인　classification, marking, policing, shaping, scheduling 등은 처리 방법에　다수의 사업자를 위한 계층화된(hierarchical) 동작에 대한 처리가　충분히 고려되어야 한다.
따라서, 본 발명의 목적은 간단한 구조로, 최소한의 자원으로 다수의 사업자를 지원할 수 있는 SDN 기반의 네트워크 공유 방법을 제공하는 데 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른 다수의 사업자 지원을 위한 SDN 기반의 네트워크 공유 방법은, 사업자별로 독립적인 패킷 처리 운용 정책을 규정한 복수의 플로우 테이블(flow table)을 구성하는 단계 및 상기 구성된 복수의 플로우 테이블을 네트워크 장비에게 전송하여, 상기 네트워크 장비에 사업자별로 독립적인 패킷 처리 운용 정책을 구축하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 일면에 따른 다수의 사업자 지원을 위한 SDN 기반의 네트워크 공유 방법은, 상기 네트워크 장비가 컨트롤러로부터 사업자별로 독립적인 패킷 처리 운용 정책을 규정한 복수의 플로우 테이블(flow table)을 전송받는 단계 및 상기 네트워크 장비가 상기 전송받은 복수의 플로우 테이블에 따라 사업자별로 독립적인 패킷 처리 운용 정책을 구축하는 단계를 포함한다.
본 발명에 의하면, 컨트롤러가 사업자별로 맵핑되는 복수의 플로우 테이블을 네트워크 장비에 구축함으로써, 네트워크 가상화(network virtualization)를 효과적으로 지원하고, 각 네트워크 장비는 컨트롤러(controller)와의 연동을 통해 손쉽고, 적은 H/W resource로 네트워크 공유를 실현할 수 있다.
또한, 컨트롤러가 사업자별로 맵핑되는 복수의 플로우 테이블을 네트워크 장비에 구축함으로써, 다수의 사용자가 복잡한 유선망 혹은 이동통신망을 손쉽게 설정할 수 있으며, 컨트롤러에서 설정한 다수 사용자의 설정 정보가 표준화된 프로토콜을 통해서 해당 네트워크 장비에 손쉽게 전달될 수 있다.
또한, 컨트롤러가 사업자 내부의 모든 네트워크 장비들을 제어함으로써, 모든 네트워크 장비들을 쉽고, 일관성 있고, 투명하게 운용할 수 있다.
또한 다수의 사업자가 동일한 네트워크의 자원을 운용하는 경우, 네트워크 전체의 공유된 shared network의　여러 가지 정보를　고려한 최적화된 경로를 중앙 집중형의 controller를 통해서 결정하고 이를 모든 장비에 표준화된 방법을 통하여 쉽게 알려　줄 수 있도록 한다.　
또한 대부분의 복잡한 연산은 각각의 장비의 control plane이 아닌 controller 내부의 software를 통해서 이루어지므로 controller에 연결되는 자원을 공유하는 각각의 장비(switch)는 이러한 복잡한 제어 기능이 필요가 없어지므로 간단하게 구현 가능하다.
또한 각 사업자가 패킷　flow별로 네트워크의 제어를 가능하게 하여 이 전에 패킷 전달 방식과는 다른 다양한 정책　수립을 가능하고, 이를 기반으로 패킷 플로우(flow) 기반으로 switching, routing, security, QoS 등을　제공할 수 있다.
또한 간단한 표준에　따른 네트워크 가상화 기법으로 많은 S/W 및 H/W 자원을 소모하지 않고도 컨트롤러에 존재하는 사업자별 플로우 테이블에 의해서 쉽고 다양한 방법으로 다양한 정책을 적용할 수 있다.
또한 동일한 네트워크의 자원을 두고 경쟁하는 사업자별, flow별로 계층적인　H-QoS(Hierarchical Quality of Service)를 제공함으로써, 다수의 사업자가 동일한 네트워크 공유를 제공하는 경우 고려해야 하는 복잡한 QoS에 관련된 처리를 쉽고 효과적으로 제공할 수 있다.
도 1A 및 1B는 네트워크 자원을 공유하지 않은 통상의 이동 통신 망과 네트워크 자원을 공유한 통상이 이동 통신 망을 보여주는 도면들이다.
도 2A 및 2B는 3GPP 등의 이동 통신 표준에서 제시하고 있는 네트워크 공유(network sharing)의 다양한 예를 보여주는 도면들이다.
도 3은 본 발명에 적용되는 SDN(Software Defined Network)의 기본적인 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명에 적용되는 OpenFlow의 시스템 구조를 보여주는 도면이다.
도 5는 본 발명에 적용되는 플로우 테이블의 구조를 보여주는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 SDN 기반의 네트워크 자원을 공유하기 위한 전체 시스템을 보여주는 블록이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 SDN 기반의 네트워크 공유 방법에 의한 사업자별 최적화된 traffic engineering 정책을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본　발명에서 제안하는 계층적인 QoS(Hierarchical QoS: H-QoS)를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 SDN 기반의 네트워크 공유 방법을 보여주는 순서도이다.
본 발명에서는 가장 혁신적이고 진화된 방법의 네트워크 공유 방법이 아래에서 상세히 기술된다. 특히 본 발명은 간단하면서도, 최소한의 자원으로 다수의 사업자가 네트워크 자원을 공유하기 위해 SDN(Software-Defined Network)을 활용하는 방안이 아래에서 상세히 기술된다.
또한 본 발명에서 제안하는 SDN(Software Defined Network) 구조 기반의 네트워크 공유 방법을 이용하여 사업자별 최적화된 경로를 결정하는 traffic engineering 방법이 아래에서 상세히 기술된다.
또한 본 발명에서는 SDN(Software Defined Network) 기반의 네트워크 공유 방법을 이용한 사업자별 H-QoS(Hierarchical Quality of Service)를 제공하는 방법이 아래에서 상세히 기술된다.
본 발명의 일실시예에 대해 상세히 설명하기에 앞서, 본 발명의 이해를 돕기 위해, 도 3을 참조하여 SDN(Software Defined Network)의 기본적인 구조 및 개념에 대해 먼저 상세히 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명에 적용되는 SDN(Software Defined Network)의 기본적인 구조를 설명하기 위한 도면이다.
SDN(Software Defined Network) 기술은 기존의 하드웨어 형태의 네트워크 장비에서 자체적으로 수행하는 패킷 처리와 관련된 제어 동작을 컨트롤러가 대신하여 처리하는 기술로 이해될 수 있다. 여기서, 상기 컨트롤러는 상기 제어 동작을 프로그램하여　망 전체를 손쉽게 관리하고 제어할　수 있는 소프트웨어 형태로 제공되는 플랫폼(platform)으로 정의될 수 있다. 이러한 SDN(Software Defined Network) 기술은 도 3에 도시된 바와 같은 SDN 구조로 설명될 수 있다.
도 3을 참조하면, 가장 하위 계층에 패킷 포워딩(packet forwarding) 기능을 수행하는 하드웨어 계층(501)이 위치하고, 상기 하드웨어 계층(501)의 상위 계층에는 컨트롤러에 해당하는 소프트웨어 계층(502, 503, 504, 505)이 위치한다. 하드웨어 계층(501)은 이동 통신 기지국, 기지국 제어기, 게이트웨이(gateway) 장비 그리고 유선 네트워크의 스위치나 라우터 등과 같은 네트워크 장비이다. 소프트웨어 계층은 네트워크 OS(502) 및 제어 프로그램(Control Programs)(503, 504, 505)으로 구성된다. 이러한 SDN 구조는 마치 하드웨어, OS 및 응용 프로그램으로 구성되는 컴퓨터 시스템과 유사하다. 즉, 네트워크를 컴퓨터 시스템에 비유한 것이다.
현재 기존의 네트워크가 가진 여러 가지 문제점을 해결하기 위해, SDN기술에 대한 필요성이 강하게 요구되고 있다. 이러한 SDN 구조를 갖는 다양한 네트워크 플랫폼의 표준화 및 상용화에 대한 논의가 활발히 진행되고 있다. 이러한 SDN 구조를 갖는 네트워크 플랫폼을 상용화하기 위한 표준으로 OpenFlow가 있다.
OpenFlow는 도 3에 도시된 바와 같이 패킷 포워딩(packet forwarding) 기능을 제공하는 하드웨어 계층(501)과 네트워크 OS(502)를 연결하는 일종의 인터페이스로 정의할 수 있다. 즉, 제어 프로그램(control programs: 503, 504, 505)이 OpenFlow(또는 OpenFlow 프로토콜)을 통하여 하드웨어 계층(501)과 연결된다.
이하, OpenFlow에 대해 상세히 설명하기로 한다.
대부분의 이더넷 스위치와 라우터는 플로우 테이블(flow table)을 갖는다. 이는 통계 정보를 수집하거나 방화벽, NAT, QoS를 라인 속도로 구현하기 위해서 필요하다. 플로우 테이블(flow table)은 장비마다 다르지만 공통적인 특성을 갖는다. OpenFlow는 이러한 특성을 이용한다. OpenFlow는 장비 업체나 장비 종류에 관계없이 이종의 스위치와 라우터의 플로우 테이블을 개방형 프로토콜에 따라서 손쉽게 프로그래밍한다.
도 4는 본 발명에 적용되는 OpenFlow의 시스템 구조를 보여주는 도면이다.
도 4를 참조하면, OpenFlow 구조는 네트워크의 패킷을 처리하는 OpenFlow 스위치(601)와 상기 OpenFlow 스위치(601)를 관리하는 컨트롤러(602)를 구비한다. 도 4에서는 하나의 OpenFlow 스위치(601)를 도시하고 있으나, 실제로 네트워크 내부에는 다수의 OpenFlow 스위치로 구성된다. 컨트롤러(602)는 다수의 OpenFlow 스위치를 중앙집중형으로 관리한다.
OpenFlow 스위치(601)와 컨트롤러(602)는 OpenFlow 프로토콜에 의하여 상호 연결된다. 즉, 컨트롤러(602)와 OpenFlow 스위치(601)는 표준화된 OpenFlow 프로토콜을 통해서 서로 정보를 교환한다.
OpenFlow 스위치(601)는 소프트웨어 계층(SW)과 하드웨어 계층(HW)으로 구성되며, 소프트웨어 계층(sw)은 보안 채널(603)(Secure Channel)을 통해 상기 컨트롤러(602)와 정보를 주고 받은 프로트콜을 처리한다. 보안 채널(603)은 OpenFlow 스위치(601)와 원거리에 위치한 컨트롤러(602) 간의 통신 채널로써, OpenFlow 스위치(601)를 제어하는 중요 정보를 전달하므로, 암호화되어 전달된다. 하드웨어 계층(HW)은 플로우(flow)별로 OpenFlow 스위치(601) 내부에서 처리되는 action　및 통계 정보를　포함하는 플로우 테이블(flow table)(604)이 존재한다. 여기서, 플로우(또는 패킷 플로우)는 단말이 데이터를 목적지로 다수의 패킷을 사용하여 전송한다고 가정할 때, 다수의 패킷은 동일한 경로를 통해 동일한 목적지로 전송된다. 이때, 동일한 목적지로 전송되는 패킷들의 흐름으로 정의될 수 있다.
도 5는 플로우 테이블의 구조를 보여주는 도면이다.
도 5를 참조하면, 플로우 테이블(604)은 스위치에 수신된 패킷을 처리하기 위해 3가지 주요 정보를 포함하며, 3가지 주요 정보는 플로우를 정의하는 패킷 헤더 정보(Rule), 패킷을 어떻게 처리할지 여부를 표시하는 동작 정보(Action) 및 각 플로우별 통계(statistics: Stats)이다.
OpenFlow 프로토콜은 OpenFlow 스위치(601)와 컨트롤러(602) 간의 통신을 위한 개방형 프로토콜이다. 컨트롤러(602)는 OpenFlow 스위치(601) 내부의 플로우 테이블(604)을 작성하며, 새로운 플로우를 등록하거나 삭제하는 기능을 포함한다.
다시, 도 4를 참조하면, OpenFlow 스위치(601)는 수신된 패킷을 플로우로 구분하고, 플로우 테이블(604)에 정의된 패킷 처리 운용 정책에 따라서 패킷을 처리한 뒤, 목적지 포트로 전달한다. 이때 플로우는 TCP 연결, 특정한 MAC 혹은 IP 어드레스, 그리고 동일한 VLAN 값을 갖는 패킷으로 정의될 수 있다. 수신된 패킷은 플로우별로 구분되어 다음과 같은 3가지 기본적인 동작 중 하나로 처리된다.
- 수신된 패킷이 플로우 테이블에 정의된 약속된 포트로 전달된다. 이것은 네트워크를 통해서 패킷이 목적지로 전달되는 기능을 수행한다.
- 수신된 패킷이 보안 채널을 통해서 외부에 위치한 컨트롤러(602)로 전달된다. 예컨대, 플로우 테이블에 등록되어 있지않은 새로운 플로우에 대한 첫 번째 패킷이 수신되는 경우, 컨트롤러(602)로 전달되어 플로우 테이블 등록 여부를 결정한다.
- 수신된 패킷이 폐기된다. 예컨대, 외부로부터 DoS 공격을 차단하거나, 호스트로부터 폭주하는 discovery 트래픽을 완화시키기 위해서 수신된 패킷을 폐기한다.
현재는 라우팅 프로토콜에 의하여 패킷 경로가 결정되므로 사용자가 원하는 경로로 패킷을 전달하기 어렵다. 반면에 OpenFlow 구조에서는 하나의 컨트롤러(602)가 다수의 OpenFlow 스위치(601)를 중앙 집중 방식으로 제어 관리하여 패킷 경로를 제어할 수 있다. 따라서 네트워크 상태 및 QoS 정책에 의하여 사용자는 패킷 경로를 손쉽게 제어할 수 있다.
이하, 기술되는 본 발명의 일실시예에서는, 컨트롤러에 의해 중앙 집중형으로 제어되는 OpenFlow 스위치와 같은 네트워크 장비에 사업자별로 구분(또는 분리)되는 복수의 플로우 테이블이 구비되는 SDN(Software Defined Network) 구조가 개시된다. 이러한 본 발명의 일실시예에 따른 SDN(Software Defined Network) 구조에 따라 사업자별로 또는 패킷 플로우 별로 독립적인 패킷 운용 정책을 수립함으로써, 종래의 패킷 전달방식에서는 달성할 수 없는 다양한 패킷 운용 정책의 수립이 가능하게 된다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 SDN 기반의 네트워크 자원을 공유하기 위한 전체 시스템을 보여주는 블록이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 시스템은 통합 컨트롤러(701) 및 보안 채널(603)을 통해 상기 통합 컨트롤러(701)와 정보를 주고 받는 다수의 네트워크 장비(SW 1 ~ SW N: 여기서, N은 2 이상의 자연수)를 포함한다.
본 실시예에서는, 각 네트워크 장비들을 스위치로 가정하여 설명하며, 이하에서는 네트워크 장비들이 스위치들(SW 1 ~ SW N)로 지칭된다. 물론 본 발명이 스위치에 한정되어 적용되는 것은 아니며, 이동 통신 기지국, 기지국 제어기, 게이트웨이(gateway), 유선 네트워크의 스위치나 라우터 등 네트워크상에서 패킷의 전달에 관여하는 모든 종류의 장비들에 적용될 수 있음은 당업자에게는 자명하다.
통합 컨트롤러(701)는 상기 다수의 스위치(SW 1 ~ SW N)를 중앙 집중 방식으로 통합 관리한다. 이를 위해, 통합 컨트롤러(701)는 N개의 컨트롤러(CNTL 1, CNTL 2, ..., CNTL N)에 의해 구성된 N개의 플로우 테이블(FT 1, FT 2, ..., FT N)을 구성하여 이를 보안 채널(603)을 통해 상기 다수의 스위치(SW 1 ~ SW N)로 전달한다. 이때, N개의 플로우 테이블(FT 1, FT 2, ..., FT N)은 사업자별로 독립적인(또는 서로 다른) 패킷 운용 정책을 규정한다. 즉, 제1 플로우 테이블(FT 1)은 제1 사업자(Operator 1)의 패킷 처리 정책을 규정하고, 제2 플로우 테이블(FT 2)는 제1 사업자의 패킷 처리 정책에 독립적인 제2 사업자(Operator 2)의 패킷 처리 정책을 규정한다. 제N 플로우 테이블(FT N)은 제1 내지 제N-1 사업자(Operator 1, Operator 2, Operator N-1)의 패킷 처리 정책에 독립적인 제N 사업자(Operator N)의 패킷 처리 정책을 규정한다. 즉, 상기 다수의 스위치(SW 1 ~ SW N)는 전달받은 N개의 플로우 테이블(FT 1, FT 2, ..., FT N)에 따라 사업자별 서로 다른 패킷 처리 정책에 따라 수신된 패킷을 처리할 수 있게 된다.
이와 같이, 본 발명에서는, 사업자별로 독립적인 패킷 처리 운용 정책에 따라 패킷을 처리할 수 있는 네트워크 가상화(network virtualization) 구조를 제공한다.
기존의 네트워크 가상화(network virtualization) 구조에서는 VLAN 혹은 MPLS label과 같은 터널링 헤더(tunneling header)를 이용하거나 Virtual Router ID 같은 정보를 이용한 네트워크 가상화(network virtualization) 구조를 제공하는 반면, 본 발명에서는 사업자별로 플로우 테이블(flow table)을 분리하므로,　사업자별로 완전하게 분리된(또는 독립적인) 네트워크 가상화(network virtualization) 구조를 제공할 수 있게 된다. 따라서, 사업자별로 독립적인 망 운용 정책의 수립이 가능하다.
이동통신 망의 기지국 공유(RAN sharing)에서는, 사업자를 지칭하는 PLMN(Public Land Mobile Network) ID별로 플로우 테이블을 구축한다.
컨트롤러는 통합되지 않고, N개로 독립적으로 운용될 수도 있다. 또한 하나의 통합 컨트롤러에서 N 개의 패킷 처리 운용 정책을 통합하여 다수의 스위치를 운용할 수 있다. 즉, 임대 사업자가 주사업자의 네트워크를 설정하고자 하는 경우, 통합된 형태의 컨트롤러로 운용될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 SDN 기반의 패킷 처리 운용 정책은 다음과 같다.
(1) Flow별로 최적화된 경로를 찾기 위한 traffic engineering 정책
(2) 같은 IP address나 MAC address 등의 동일한 목적지를 가는 packet에 대해서 사업자별 policy에 따른 proxy 경로 제공 정책
(3) 동일한 네트워크 자원을 공유할 경우에 사업자별 우선순위 부여 정책
(4) 사업자별로 개별적인 security 정책
(5) 사업자별 같은 interface를 공유할 경우에 사업자별 계층적인 QoS 정책
이하에서는 Flow별로 최적화된 경로를 찾기 위한 traffic engineering 정책에 대해 상세히 기술한다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 SDN 기반의 네트워크 공유 방법에 의한 사업자별 최적화된 traffic engineering 정책을 설명하기 위한 도면이다.
도 7을 참조하면, 다수의 사업자가 제1 내지 제4 스위치(SW1, SW2, SW3, SW4)의 자원을 공유하는 경우, 제1 스위치(SW1)에서　유투브 서버(YouTube server)와 같은 특정 서버(809)로 전달되는 패킷은　사업자(Operator)　ID에 따라서 서로 다른 플로우 테이블(flow table)에 따른 운용 정책을 적용받는다.
　각 사업자별 컨트롤러(CNTL 1, CNTL 2, ...., CNTL N)는 각 사업자(Operator)가 수립한 정책에 부합하는 조건들을 고려하여 사업자별로 해당 패킷 플로우의 최적의 경로를 검출한다. 예컨대, 제1 스위치(SW1)(805)에 수신된 패킷은 제1 플로우 테이블(FT1)의 제1 패킷 운용 정책에 따라 제1 경로(R1)를 통해 제2 스위치(SW2)로 전달되거나 상기 제1 패킷 운용 정책에 독립적인 제2 플로우 테이블(FT2)의 제2 패킷 운용 정책에 따라 제2 경로(R2)를 통해 제3 스위치(SW3)로 전달될 수 있다.
이와 같이, 기존의 패킷 처리 방식과 가장 큰 차이점은 기존의 방식에서는 네트워크 가상화(network virtualization) 기법을 적용하더라도 동일한 플로우(flow)에 대해서는 항상 동일한 경로로 트랙픽(traffic)을 처리하는 반면, 본 발명에서 제안하는 방법에서는 사업자별로 서로 다른 조건 및 정책을 적용하여 사업자별로 최적화된 경로로 트랙픽(traffic)을 처리한다는 점이다.
앞서 설명한 바와 같이 다양한 정책을 고려하여 사업자별 최적의 경로를 찾아주는 것은 OpenFlow 기반의 SDN 구조에서 제안하는 컨트롤러 내부의 소프트웨어 동작에 의해서 처리된다.
따라서, 각 컨트롤러들(CNTL 1, CNTL 2, ..., CNTL N)은 최적의 경로를 검색하기 위한 소프트웨어를 구비해야 하며, 그 처리결과는 OpenFlow 프로토콜에 의해서 모든 스위치들(SW 1, SW 2, SW 3, SW 4)에 전달된다.
한편, 수신된 패킷에 상술한 사업자별 정책을 적용할 경우, 고려되는 파라미터는 다음과 같다.
(1) 사업자별로 링크(link)에 할당된 대역폭(bandwidth)
(2) 각 사업자별 패킷(packet) 처리에 대한 우선 순위
(3) 현재 사용되고 있는 링크(link)의 활용도(utilization) 등을 비롯한 트래픽(traffic) 통계
(4) 특정 유형의 트래픽(traffic) 처리를 위한 사업자의 프록시 서버(proxy server) 존재 여부
이상과 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 SDN 기반의 네트워크 공유를 이용하면, traffic engineering 뿐만 아니라 사업자별로 독립적인 security 정책 수립, seamless handover 등　다양한 서비스를 지원할 수 있다.
한편, SDN 기반의 네트워크 공유 방법에서 고려해야 하는 가장 중요한 점 중의 하나는 동일한　링크를 공유하는 서로 다른 사업자 간의 계층적 QoS 정책에 관한 것이다.
도 8은 본　발명에서 제안하는 계층적인 QoS(Hierarchical QoS: H-QoS)를 설명하기 위한 도면이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 SDN 기반의 네트워크 공유에 H-QoS를 적용하기 위한 가장 핵심적인 개념은 기존의 패킷의 특정 filed을 검색하고, 검색된 특정 filed를 기반으로만 QoS를 적용하는 것이 아니라 사업자 ID와 패킷을 동시에 검색하여 계층적인 QoS를 적용하는 것이다.
네트워크 공유(Network sharing)가 필요한 경우, 도 8에 도시된 바와 같이, 동일한 물리적 혹은 논리적인 제1 포트(Port 1)을 제1 및 제2 사용자(User1, User2)가 사용하고, 동일한 물리적 혹은 논리적인 제2 포트(Port 2)를 제3 및 제4 사용자(User3, User4)가 공유하는 경우, 사업자의 traffic은 클래스(class) 별로 분류될 수 있고, 클래스는 다시 플로우(flow) 별로 분류될 수 있다.
　네트워크 공유(Network sharing)의 경우, 특정 포트(port)에 대하여 사업자별 트래픽(traffic) 할당을 어떻게 할 것인지에 대한 정책이 필요다. 또한 사업자별 class별('Per operator / Per Class') 혹은 사업자별 flow별('Per Operator / Per Flow') 트래픽 처리가 필요하다.
　또한, 전체 scheduling이나 shaping을 처리할 수 있는 queue의 개수가 제한적인 경우에는 사업자와 관계없이 class별로 이를 처리하는 것에 대한 고려도 필요하다.
본 발명에서는 다음과 같은 방법으로 이러한 복합적인 요구사항을 처리할 수 있는 방안을 제시한다.
(1) 사업자 ID에 해당하는 filed 즉,　flow table 별로 패킷을 검색(classification)(901: CN A)(902: CN B)한다. 동시에 클래스 또는 플로우별로 패킷을 계층적으로 검색(hierarchical classification)하여 그 검색 결과를 바탕으로　및 policing 혹은　shaping을 수행한다(903)(904).
(2) 만일 사업자별, flow 별로 각각 policing이 필요하다면 사업자별, flow별 세분화된 패킷에 따라서 policing을 수행할 수 있다.
(3) 최종적으로 사업자별 구분없이 각 traffic의 클래스별로 scheduling 이나 shaping이 필요한 경우에는　통합된 class별 정책에 따라서 scheduling 혹은 shaping을 적용할 수 있다(905)(906: SPQ(Strict Priority Queing), WFQ(Weighted Fair Queing)).
이와 같이, 사업자 정보와 패킷의 정보를 동시에 고려한 계층적인 QoS 정책을 수행하는 경우, 사업자별 트래픽 제어와 패킷의 클래스별 트래픽 제어를 동시에 적용하여 효과적인 QoS를 수행할 수 있다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 SDN 기반의 네트워크 공유 방법을 보여주는 순서도이다.
도 9를 참조하면, 먼저, 컨트롤러와 네트워크 장비 간의 세션(session) 연결 과정이 수행된다. 세션 연결이 성공하면, 컨트롤러는 네트워크 장비로 사업자별로 독립적인 패킷 수용 정책을 규정한 복수의 플로우 테이블을 전송함으로써, 네트워크 장비에 사업자별로 독립적인 복수의 패킷 수용 정책을 구축(또는 저장)한다. 독립적인 복수의 패킷 수용 정책이 구축되면, 네트워크 장비는 패킷 수신을 시작한다.
과정 S910에서, 네트워크 장비가 복수의 패킷을 수신하면, 수신된 복수의 패킷을 분석하여 사업자 ID를 검출한다.
과정 S920 및 S930에서, 네트워크 장비는 내부에 구축된 복수의 플로우 테이블 중 상기 과정 S910에서 검출된 사업자 ID에 맵핑되는 플로우 테이블을 검색한다.
과정 930에서, 해당 플로우 테이블이 검색되면, 과정 940에서, 네트워크 장비는 검색된 플로우 테이블에서 규정한 해당 사업자의 패킷 운용 정책에 따라 상기 수신된 복수의 패킷을 목적지(목적 포트) 또는 상기 목적지까지의 최적의 경로상에 구비된 다른 네트워크 장비로 전달된다.
만일, 상기 과정 930에서, 해당 플로우 테이블이 검색되지 않으면, 네트워크 장비가 상기 수신된 복수의 패킷을 도 4 및 도 6에 도시된 보안 채널(603)을 통해 컨트롤러로 전달한다. 이때, 전달되는 패킷은 상기 네트워크 장비에 수신된 상기 복수의 패킷 중 첫 번째로 수신된 패킷이다.
상기 과정 950에서, 컨트롤러는 첫 번째로 수신된 패킷을 컨트롤러로 전달함으로써, 컨트롤러에게 상기 사업자 ID에 맵핑되는 새로운 플로우 테이블을 요청한다.
과정 S960에서, 컨트롤러는 내부의 소프트웨어의 처리 동작에 따라 상기 사업자 ID에 맵핑되는 새로운 플로우 테이블을 구성하고, 구성된 새로운 플로우 테이블을 도 4 및 도 6에 도시된 보안 채널(603)을 통해 네트워크 장비로 전송한다.
과정 S970에서, 네트워크 장비는 수신된 새로운 플로우 테이블을 등록함으로써, 기존의 사업자별 독립된 패킷 운용 정책을 규정한 복수의 플로우 테이블을 갱신하고, 상기 새로운 플로우 테이블에서 규정한 정책에 따라 상기 수신된 복수의 패킷을 목적지(또는 목적 포트) 또는 상기 목적지까지의 최적의 경로상에 구비된 다른 네트워크 장비로 전달한다.

Claims (19)

  1. 컨트롤러에 의해 다수의 사업자 지원을 위한 SDN(Software Defined Network)을 구축하는 방법에 있어서,
    사업자별로 독립적인 패킷 처리 운용 정책을 규정한 복수의 플로우 테이블(flow table)을 구성하는 단계; 및
    상기 구성된 복수의 플로우 테이블을 네트워크 장비에게 전송하여, 상기 네트워크 장비에 사업자별로 독립적인 패킷 처리 운용 정책을 구축하는 단계;
    을 포함하는 다수의 사업자 지원을 위한 SDN 기반의 네트워크 공유 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 복수의 플로우 테이블을 구성하는 단계는,
    제1 사업자의 패킷 처리 운용 정책을 규정한 제1 플로우 테이블 및 상기 제1 사업자의 패킷 처리 운용 정책에 독립적인 패킷 처리 운용 정책을 규정한 제2 플로우 테이블을 포함하는 상기 복수의 플로우 테이블을 구성하는 것인 다수의 사업자 지원을 위한 SDN 기반의 네트워크 공유 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 복수의 플로우 테이블을 구축하는 단계는,
    상기 제1 및 제2 플로우 테이블을 상기 네트워크 장비에 전송하여, 상기 네트워크 장비에 상기 제1 및 제2 사업자별로 독립적인 패킷 처리 운용 정책을 수립하는 것인 다수의 사업자 지원을 위한 SDN 기반의 네트워크 공유 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 사업자별로 복수의 플로우 테이블을 구축하는 단계는,
    오픈플로우(OpenFlow) 프로토콜을 이용하여 상기 사업자별로 독립적인 패킷 처리 운용 정책을 규정한 복수의 플로우 테이블을 상기 네트워크 장비로 전송하는 것인 다수의 사업자 지원을 위한 SDN 기반의 네트워크 공유 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 사업자별 독립적인 패킷 처리 운용 정책은,
    기설정된 조건에 따라 사업자별로 해당 패킷 플로우(flow)의 최적화된 경로(path)를 탐색하기 위한 정책인 것인 다수의 사업자 지원을 위한 SDN 기반의 네트워크 공유 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 기설정된 조건은,
    사업자별로 링크(link)에 할당된 대역폭(bandwidth), 사업자별 패킷 처리의 우선 순위, 현재 사용되고 있는 링크의 활용(utilization)과 관련된 트래픽 통계 및 사업자의 프록시 서버(proxy server)의 존재 여부 중 적어도 하나인 것인 다수의 사업자 지원을 위한 SDN 기반의 네트워크 공유 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 사업자별 독립적인 패킷 처리 운용 정책은,
    사업자별 정책(policy)에 따라 동일한 아이피 어드레스(IP address) 또는 맥 어드레스(MAC address)를 포함하는 동일한 목적지로 이동하는 패킷의 프록시 경로를 제공하는 정책; 및
    복수의 사업자가 동일한 네트워크 자원을 공유하는 경우, 상기 동일한 네트워크 자원에 대해 사업자별로 우선순위를 부여하는 정책
    을 포함하는 것인 다수의 사업자 지원을 위한 SDN 기반의 네트워크 공유 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 사업자별 독립적인 패킷 처리 운용 정책은,
    다수의 사업자가 동일한 네트워크 장비를 공유하는 경우, 사업자별 계층적 QoS(Quality of Service) 정책인 것인 다수의 사업자 지원을 위한 SDN 기반의 네트워크 공유 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 사업자별 계층적 QoS 정책은,
    상기 패킷의 사업자별 트랙픽 처리와 상기 패킷의 클래스별 트래픽 처리를 동시에 고려한 정책인 것인 다수의 사업자 지원을 위한 SDN 기반의 네트워크 공유 방법.
  10. 제8항에 있어서, 상기 사업자별 계층적 QoS 정책은
    상기 패킷의 사업자별 트랙픽 처리와 상기 패킷의 플로우별 트래픽 처리를 동시에 고려한 정책인 것인 다수의 사업자 지원을 위한 SDN을 구축하는 방법.
  11. 제1항에 있어서, 상기 복수의 플로우 테이블을 구축하는 단계는,
    상기 컨트롤러가 상기 복수의 플로우 테이블을 상기 네트워크 장비와 직접 및 간접적으로 연결되어 있는 다른 모든 네트워크 장비들로 전송하는 것인 다수의 사업자 지원을 위한 SDN 기반의 네트워크 공유 방법.
  12. 네트워크 장비에 의해 다수의 사업자가 SDN(Software Defined Network) 기반으로 네트워크 장비를 공유하는 방법에 있어서,
    상기 네트워크 장비가 컨트롤러로부터 사업자별로 독립적인 패킷 처리 운용 정책을 규정한 복수의 플로우 테이블(flow table)을 전송받는 단계; 및
    상기 네트워크 장비가 상기 전송받은 복수의 플로우 테이블에 따라 사업자별로 독립적인 패킷 처리 운용 정책을 구축하는 단계;
    을 포함하는 다수의 사업자 지원을 위한 SDN 기반의 네트워크 공유 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 복수의 플로우 테이블을 전송받는 단계는,
    OpenFlow 프로토콜에 상기 복수의 플로우 테이블을 전송받는 것인 다수의 사업자 지원을 위한 SDN 기반의 네트워크 공유 방법.
  14. 제12항에 있어서, 상기 사업자별 독립적인 패킷 처리 운용 정책은,
    상기 네트워크 장비가 수신한 패킷을 기설정된 조건에 따라 사업자별로 해당 패킷 플로우(flow)의 최적화된 경로(path)를 탐색하기 위한 정책인 것인 다수의 사업자 지원을 위한 SDN 기반의 네트워크 공유 방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 기설정된 조건은,
    사업자별로 링크(link)에 할당된 대역폭(bandwidth), 사업자별 패킷 처리의 우선 순위, 현재 사용되고 있는 링크의 활용(utilization)과 관련된 트래픽 통계 및 사업자의 프록시 서버(proxy server)의 존재 여부 중 적어도 하나인 것 다수의 사업자 지원을 위한 SDN 기반의 네트워크 공유 방법.
  16. 제12항에 있어서, 상기 사업자별 독립적인 패킷 처리 운용 정책은,
    사업자별 정책(policy)에 따라 동일한 아이피 어드레스(IP address) 또는 맥 어드레스(MAC address)를 포함하는 동일한 목적지로 이동하는 패킷의 프록시 경로를 제공하는 정책; 및
    복수의 사업자가 동일한 네트워크 자원을 공유하는 경우, 상기 동일한 네트워크 자원에 대해 사업자별로 우선순위를 부여하는 정책을 포함하는 다수의 사업자 지원을 위한 SDN 기반의 네트워크 공유 방법.
  17. 제12항에 있어서, 상기 사업자별 독립적인 패킷 처리 운용 정책은,
    사업자별 계층적 QoS(Quality of Service) 정책인 것인 다수의 사업자 지원을 위한 SDN 기반의 네트워크 공유 방법.
  18. 제17항에 있어서, 상기 사업자별 계층적 QoS 정책은,
    상기 패킷의 사업자별 트랙픽 처리와 상기 패킷의 클래스별 트래픽 처리를 동시에 고려한 정책인 것인 다수의 사업자 지원을 위한 SDN 기반의 네트워크 공유 방법.
  19. 제17항에 있어서, 상기 사업자별 계층적 QoS 정책은
    상기 패킷의 사업자별 트랙픽 처리와 상기 패킷의 플로우별 트래픽 처리를 동시에 고려한 정책인 것인 다수의 사업자 지원을 위한 SDN을 구축하는 방법.
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