KR20180107844A - 네트워크 서비스 체인 임베딩 시스템 및 방법 - Google Patents

네트워크 서비스 체인 임베딩 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 서비스 제공자(네트워크 서비스 Provider) 측에서 네트워크 서비스 체인 구현에 대한 자원 할당 및 운영 비용을 효율적으로 향상시킬 수 있는 네트워크 서비스 체인 임베딩 시스템 및 방법을 제공한다.
이를 위해, 본 발명의 실시예에 따른 네트워크 서비스 체인 임베딩 시스템은, 사용자로부터 수신하는 서비스 체인 요청을 수신하는 서비스 체인 요청 모듈과, 상기 서비스 체인 요청 모듈로부터 전송되는 서비스 체인 요청 신호에 따라 리소스를 할당하는 컨트롤 모듈을 포함하는 서비스 제공 서버; 상기 서비스 체인 요청에 포함되는 가상 네트워크 기능(Virtualized Network Function)을 호스팅하는 노드를 포함하고, 상기 컨트롤 모듈은, 상기 가상 네트워크 기능을 상기 노드에 배치하고 서비스 체인을 임베딩하는 것을 특징으로 한다.
이를 통해, 물리적 네트워크에 가상 네트워크 기능을 최적으로 배치하되, 네트워크 성능에 큰 영향을 주지 않도록 안정적으로 배치할 수 있고, 네트워크 서비스 Provider 측에서 발생되는 네트워크 서비스 체인에 관한 자원 할당 및 운영 비용을 효율적으로 향상시킬 수 있다.

Description

네트워크 서비스 체인 임베딩 시스템 및 방법{Method of embedding network service chain}
본 발명은 네트워크 서비스 체인 임베딩 시스템 및 방법에 관한 것으로, 자세하게는 마르코프 근사 접근법을 이용한 네트워크 서비스 체인 임베딩 시스템 및 방법에 관한 것이다.
전 세계 모바일 데이터 트래픽은 향후 4년간 10배 가까이 증가해 2014년 30EB(Exabyte)에서 2019년 292EB에 달할 것으로 전망된다.
이처럼 급증하는 데이터 트래픽을 원활히 수용하기 위한 방안 중 하나로 ‘네트워크 기능 가상화(Network Function Virtualization, 이하 NFV)’ 기술이 꼽히고 있다.
여기서 NFV는 네트워크 시장의 화두가 되고 있는 기술로서 소프트웨어 기반의 기능을 별도로 분리시켜 운영함으로써 통신사업자들이 기존보다 효율적으로 인프라를 관리할 수 있게 하는 기술이다.
기존에는 네트워크 장비들의 하드웨어와 소프트웨어가 한 곳에 위치하고 있어 소프트웨어가 하드웨어에 의존하게 되는 구조였다. 이러한 구조에서는 신규 소프트웨어를 네트워크에 적용하기 위해서 하드웨어도 같이 구축해야하는 단점이 존재하였다.
하지만 NFV 기술을 적용하면 하드웨어와 소프트웨어를 분리할 수 있어 위와 같은 단점을 해결할 수 있다. 즉, 신규 소프트웨어를 네트워크에 적용할 때 별도로 새롭게 하드웨어 장비를 구축할 필요가 없어, 네트워크 장비에 대한 투자비용과 운용비용 등을 절감할 수 있다.
이 외에도 데이터 트래픽이 폭증하는 최번시 혹은 유동인구가 많은 특정지역에서 네트워크 부화가 발생할 때 NFV 기술을 적용하면 트래픽이 급증해도 추가적으로 자원 할당을 통해 음성통화, 데이터, SMS 등을 원활하게 사용할 수 있다.
또한, NFV는 네트워크의 구성요소인 하드웨어와 소프트웨어를 분리하고, 범용 서비스 가상화 기반에서 네트워크 기능을 가상화해 제공하는 기술을 의미한다. 즉, 물리적인 네트워크 설비의 기능을 가상화하여 VM(Virtual Machine) 서버 혹은 범용 프로세서를 탑재한 하드웨어에서 실행하는 방식이다.
또한, NFV는 다양한 네트워크 장비들을 고성능 서버, 스토리지와 스위치를 통해 컨트롤하여 네트워크 장비 운영 비용 등을 절감하고 효율성을 높이며 서비스 대응 및 트래픽 변화 등에 신속하게 대처할 수 있는 특징이 있다.
구체적으로 NFV 기술을 적용하면 새로운 장비를 설치하지 않아도 되는 장점이 있어 효율성을 증대시킬 수 있으며, 신규 장비의 투자비용 및 유지비용 또한 절감할 수 있다. 뿐만 아니라 NFV는 소프트웨어 기반으로 구동이 가능하도록 만들어진 구조의 특성으로 인해 신규 서비스 및 애플리케이션을 보다 빨리 출시할 수 있어 급변하는 시장 상황을 적절하게 반영할 수 있다.
최근 전 세계 통신시장에서 NFV와 함께 주목받고 있는 기술로 ‘소프트웨어 정의 네트워크(Software-Defined Network, 이하 SDN)’ 기술이 있다. SDN은 NFV와는 별개의 기술이지만 향후 상호보완적인 기술로 네트워크에 적용될 가능성이 높아 두 기술은 동시에 언급되는 경우가 많다.
구체적으로, NFV가 하드웨어 등의 기능을 가상화해 구동하는 방식이라면 SDN은 관리자가 중앙 통제 시스템에서 전체 네트워크 장비의 트래픽을 명령해 조성하는 방식이다.
이처럼 기술 구현 방식은 상이하지만 NFV에 의해 하드웨어와 소프트웨어로 분리된 각종 기능을 SDN을 이용해서 제어하는 용례를 많이 볼 수 있게 될 것으로 전망되어 두 기술은 시너지관계로 볼 수 있다.
또한, 네트워크 서비스 기능 체이닝(SFC : Service Function Chaining)은 가상화된 네트워크 기능 및 서비스를 하나의 연결로 순서화한 체인을 따라 네트워크 트래픽을 처리 및 전달하는 기술이다.
즉, 서비스 기능 체이닝은, 네트워크 기능 가상화(NFV : Network Function Virtualisation)에서 복수 개의 네트워크 서비스를 하나의 연결로 순서화하는 표준 기술로서 인터넷 관련 사실표준화기구인 IETF(Internet Engineering Task Force) SFC(Service Function Chaining) WG(Working Group)에서 개발 중이다.
또한, NFV는 소프트웨어 정의 네트워킹(SDN : Software-defined networking)의 대표적인 응용 분야 중의 하나로 여겨지며, 이는 하드웨어로 이루어진 네트워크 서비스 기능을 소프트웨어적으로 가상화함으로써 이들을 유연하게 재배치할 수 있는 기술이다.
특히, 트래픽에 따라 필요한 네트워크 기능들을 선택적으로 연결 및 실행하는 가상 네트워크 기능 전달 그래프(Virtual network functions forwarding graph)의 구성이 NFV의 대표적인 유즈 케이스로 다뤄지고 있으며, 서비스 기능 체이닝(SFC) 기술과 개념적으로 동일하다.
도 1에 도시된 개념도에서 보듯이, 사용자 트래픽이 네트워크에 인입되면 미리 정해진 정책에 따른 트래픽 분류 작업 (traffic classification)을 통해 특정 서비스 기능 체인이 선택되게 된다. 이후 사용자 트래픽은 해당 서비스 기능 체인에 정해진 순서의 서비스 기능에 차례로 전달 및 실행된 후 목적지로 전송된다. 도 1은 일반적인 네트워크 서비스 체이닝 과정을 도시한 도면이다.
또한, SFC 기능은 현재 비 표준적으로 미들박스업체들이 이동통신망의 외부인터넷망 접속지점에 위치하여 성능을 개선하거나 DPI(deep packet inspection)등을 수행하는 장비들에 구현되어 불필요하게 순차적인 미들박스들을 거쳐 패킷들이 처리되는 것을 최적화하기 위해 사용되고 있고, 표준에 의한 기술은 앞서와 같이 주요 장비 업체중심으로 개발이 되어 사용될 것으로 예상된다.
종래기술로, 한국공개특허 제2017-0009076호의 ‘서비스 체이닝 확장 방법’ 발명은, NFV 서비스 제공자가 자신의 자원과 함께 제3사업자의 자원을 동적으로 활용함으로써 필요에 따라 확장성 있는 서비스를 제공하고, 사업자가 NFV 서비스와 클라우드 컴퓨팅 서비스를 모두 제공하는 경우 클라우드 컴퓨팅 자원을 활용하여 VNF를 생성하고 생성된 VNF로 서비스 체이닝을 확장할 수 있는 기술을 개시하고 있다.
그러나 물리적 네트워크에 가상 네트워크 기능을 배치하는 방법은 네트워크 성능에 큰 영향을 주는 중요한 문제를 고려해야 하는데, 상기 종래기술은 서비스 체이닝을 확장하는 방법에 대한 기술만 개시하고 있을 뿐, 상기 중요한 문제에 대한 해결 방안이나 방법을 제시하고 있지 못 한 상태이다.
즉, 네트워크 서비스 제공자(provider) 측면에서 발생하는 네트워크 서비스 체인에 관한 자원 할당 및 비용을 효율적으로 향상시킬 수 있는 시스템 또는 방법의 개발이 절실히 요구되고 있는 실정이라 할 것이다.
한국공개특허 제2017-0009076호(2017. 01. 25. 공개)
본 발명의 실시예는 서비스 제공자(네트워크 서비스 Provider) 측에서 네트워크 서비스 체인 구현에 대한 자원 할당 및 운영 비용을 효율적으로 향상시킬 수 있는 네트워크 서비스 체인 임베딩 시스템 및 방법을 제공하는 것에 목적이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급된 과제로 제한되지 않는다. 언급되지 않은 다른 기술적 과제들은 이하의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 네트워크 서비스 체인 임베딩 시스템은, 사용자로부터 수신하는 서비스 체인 요청을 수신하는 서비스 체인 요청 모듈과, 상기 서비스 체인 요청 모듈로부터 전송되는 서비스 체인 요청 신호에 따라 리소스를 할당하는 컨트롤 모듈을 포함하는 서비스 제공 서버; 상기 서비스 체인 요청에 포함되는 가상 네트워크 기능(Virtualized Network Function)을 호스팅하는 노드를 포함하고, 상기 컨트롤 모듈은, 상기 가상 네트워크 기능을 상기 노드에 배치하고 서비스 체인을 임베딩하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 컨트롤 모듈은, 상기 노드 중 하나의 노드(제1 노드)에 배치되는 하나 이상의 가상 네트워크 기능의 용량이 상기 제1 노드의 용량 이하가 되도록 상기 가상 네트워크 기능을 상기 노드에 배치하고 서비스 체인을 임베딩하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 컨트롤 모듈은, 상기 노드 사이에 형성되는 물리적 링크를 통과하는 트래픽의 총량이 상기 가상 네트워크 기능 사이의 링크 처리 용량 이하가 되도록 상기 가상 네트워크 기능을 상기 노드에 배치하고 서비스 체인을 임베딩하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 컨트롤 모듈은, 상기 제1 노드에 배치되는 하나 이상의 가상 네트워크 기능의 용량 및 가상 네트워크 기능 사이의 링크 처리 용량(f)에 기초하여 서비스 체인이 임베딩될 제2 노드를 결정하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 컨트롤 모듈은, 상기 제1 노드에 배치되는 하나 이상의 가상 네트워크 기능의 용량 및 가상 네트워크 기능 사이의 링크 처리 용량(f)과, 상기 제2 노드에 배치되는 하나 이상의 가상 네트워크 기능의 용량 및 가상 네트워크 기능 사이의 링크 처리 용량(f‘)이 다음 수식의 관계를 만족하도록 서비스 체인을 임베딩하는 것을 특징으로 한다.
Figure pat00001
여기서,
Figure pat00002
는 두 상태(f, f’) 사이의 전이 속도,
Figure pat00003
는 양의 상수,
Figure pat00004
는 근사 정확도를 제어하는 양의 상수,
Figure pat00005
는 f의 목적 함수 값,
Figure pat00006
는 f’의 목적 함수 값임.
또한, 상기 컨트롤 모듈은, 상기 제2 노드를 결정한 후 다른 노드에 free 신호를 전송하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 컨트롤 모듈은, 하나의 서비스 체인을 임베딩할 때 다른 서비스 체인을 차단하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 컨트롤 모듈은, 소프트웨어 정의 네트워크(Software-Defined Network, 이하 SDN) 컨트롤러에서 구현되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 네트워크 서비스 체인 임베딩 방법은, 서비스 제공 서버가 사용자로부터 수신하는 서비스 체인 요청을 수신하는 제1 단계; 상기 수신한 서비스 체인 요청 신호를 컨트롤 모듈로 전송하는 제2 단계; 상기 서비스 체인 요청 신호에 따라 하나의 서비스 체인을 선택하는 제3 단계; 상기 선택한 서비스 체인에 대해 가상 네트워크 기능을 노드에 배치하고 서비스 체인을 임베딩하는 제4 단계; 다른 서비스 체인에 차단 메시지를 전송하는 제5 단계; 상기 하나의 서비스 체인에 대해 마르코프 근사 접근법에 의한 마이그레이션을 수행하는 제6 단계; 상기 다른 서비스 체인에 해제 메시지를 전송하는 제7 단계 및 상기 선택한 서비스 체인의 구성의 변경이 있으면 상기 제3 단계로 복귀하는 과정을 수행하는 제8 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제4 단계는, 상기 노드 중 하나의 노드(제1 노드)에 배치되는 하나 이상의 가상 네트워크 기능의 용량이 상기 제1 노드의 용량 이하가 되도록 상기 가상 네트워크 기능을 상기 노드에 배치하고 서비스 체인을 임베딩하고, 상기 노드 사이에 형성되는 물리적 링크를 통과하는 트래픽의 총량이 상기 가상 네트워크 기능 사이의 링크 처리 용량 이하가 되도록 상기 가상 네트워크 기능을 상기 노드에 배치하고 서비스 체인을 임베딩하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1 노드에 배치되는 하나 이상의 가상 네트워크 기능의 용량 및 가상 네트워크 기능 사이의 링크 처리 용량(f)과, 상기 제2 노드에 배치되는 하나 이상의 가상 네트워크 기능의 용량 및 가상 네트워크 기능 사이의 링크 처리 용량(f‘)이 다음 수식의 관계를 만족하도록 서비스 체인을 임베딩하는 것을 특징으로 한다.
Figure pat00007
여기서,
Figure pat00008
는 두 상태(f, f’) 사이의 전이 속도,
Figure pat00009
는 양의 상수,
Figure pat00010
는 근사 정확도를 제어하는 양의 상수,
Figure pat00011
는 f의 목적 함수 값,
Figure pat00012
는 f’의 목적 함수 값임.
본 발명의 실시예에 따른 네트워크 서비스 체인 임베딩 방법을 실행시키기 위한 컴퓨터로 판독 가능한 매체에 저장된 컴퓨터프로그램은, 상기 방법 중 어느 하나의 방법을 SDN 컨트롤러 상에서 실행시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 물리적 네트워크에 가상 네트워크 기능을 최적으로 배치하되, 네트워크 성능에 큰 영향을 주지 않도록 안정적으로 배치할 수 있다.
또한, 네트워크 서비스 Provider 측에서 발생되는 네트워크 서비스 체인에 관한 자원 할당 및 운영 비용을 효율적으로 향상시킬 수 있다.
본 발명의 효과는 상술한 효과들로 제한되지 않는다. 언급되지 않은 효과들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 일반적인 네트워크 서비스 체이닝 과정을 도시한 도면이다.
도 2는 네트워크 서비스 체인 임베딩의 예를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 네트워크 서비스 체인 임베딩 시스템의 구성을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 네트워크 서비스 체인 임베딩 방법의 과정을 도시한 순서도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 네트워크 서비스 체인 임베딩 방법 중 각 서비스 체인의 선택 과정을 도시한 순서도이다.
본 발명의 다른 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술하는 실시 예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되지 않으며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 만일 정의되지 않더라도, 여기서 사용되는 모든 용어들(기술 혹은 과학 용어들을 포함)은 이 발명이 속한 종래 기술에서 보편적 기술에 의해 일반적으로 수용되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 공지된 구성에 대한 일반적인 설명은 본 발명의 요지를 흐리지 않기 위해 생략될 수 있다. 본 발명의 도면에서 동일하거나 상응하는 구성에 대하여는 가급적 동일한 도면부호가 사용된다. 본 발명의 이해를 돕기 위하여, 도면에서 일부 구성은 다소 과장되거나 축소되어 도시될 수 있다.
본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다", "가지다" 또는 "구비하다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서 전체에서 사용되는 '~부'는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위로서, 예를 들어 소프트웨어, FPGA 또는 ASIC과 같은 하드웨어 구성요소를 의미할 수 있다. 그렇지만 '~부'가 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니다. '~부'는 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 재생시키도록 구성될 수도 있다.
일 예로서 '~부'는 소프트웨어 구성요소들, 객체지향 소프트웨어 구성요소들, 클래스 구성요소들 및 태스크 구성요소들과 같은 구성요소들과, 프로세스들, 함수들, 속성들, 프로시저들, 서브루틴들, 프로그램 코드의 세그먼트들, 드라이버들, 펌웨어, 마이크로 코드, 회로, 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조들, 테이블들, 어레이들 및 변수들을 포함할 수 있다. 구성요소와 '~부'에서 제공하는 기능은 복수의 구성요소 및 '~부'들에 의해 분리되어 수행될 수도 있고, 다른 추가적인 구성요소와 통합될 수도 있다.
네트워크 기능 가상화(NFV: Network Function Virtualization)는 네트워크를 통해 분산된 클라우드 노드에 있는 범용 서버에서 네트워크 기능을 실행할 수 있는 유망한 기술이다. 그러나 물리적 네트워크에 가상 네트워크 기능을 배치하는 방법은 네트워크 성능에 큰 영향을 주는 중요한 문제다. 본 발명에서는 네트워크 서비스 제공자(Provider) 측면에서 발생되는 네트워크 서비스 체인에 관한 자원 할당 및 운영 비용을 효율적으로 향상시키는 방법을 제안한다. 여기서 네트워크 서비스 제공자는 일반적으로 네트워크 서비스 제공 서버가 될 수 있다.
또한, 본 발명에서는 Markov 근사 프레임워크를 적용하여 NP-Hard인 네트워크 서비스 체인 배치를 해결하기 위한 새로운 접근법을 제안한다. 즉, 특정 마르코프 연쇄를 설계함으로서 log-sum-exp 근사에 기반한 SEMA를 새로운 최적화 문제로 변환한다.
또한, 본 발명은 Markov approximation framework를 따르는 분산 알고리즘을 컨트롤러 측에 적용하여, 중앙 집중형 접근 방식과 비교하여 계산 비용 및 통신 서비스 제공자의 운영 비용을 효과적으로 절감할 수 있도록 한다.
또한, 네트워크 서비스 체인 배치는 combinatorial optimization 문제이며, 이는 NP-hard(즉, 다항식 솔루션이 없음)이다. 본 발명에서는 무작위로 액티브 노드들과 임베딩 방식의 집합을 선택하기 위한 Markov 근사 최적화 프레임워크 적용을 기본으로 한다. 이 프레임워크는 최적의 솔루션을 보장할 수 있다.
본 발명은, 마르코프 근사 프레임워크에 기초하여 마르코프 체인을 설계하고 최적의 배치를 분석한다. 여기서 마르코프 체인의 상태 간 전환율은 설계된 확률을 따른다.
그리고 본 발명은 분산 네트워크 서비스 체인 배치 알고리즘이 적용된 컨트롤러를 제안한다. 알고리즘의 적용 과정에서, 각 서비스 체인은 전이 확률을 따라 임의로 새로운 매핑 체계를 적용하게 된다.
그리고 결국, 모든 서비스 체인은 마르코프 체인의 고정 분포에 대응하는 수렴에 도달하게 된다. 즉, 모든 서비스 체인이 평형을 획득하면 안정 상태로 진입하게 되고, 이러한 상태에서 서비스 체인의 임의의 변경은 네트워크의 비용을 증가시키게 된다.
이하에서는, 첨부되는 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대해 구체적으로 설명한다.
먼저 본 발명의 실시예에 따른 네트워크 서비스 체인 임베딩 시스템 및 방법을 설명하기 위해 네트워크 서비스 체인 임베딩의 일 예를 도 2를 기초로 설명한다. 도 2는 네트워크 서비스 체인 임베딩의 예를 도시한 도면이다.
본 본 발명에서는 사용자가 서비스 체인(SC)의 집합 을 요청하는 시나리오를 고려한다. 각 서비스 체인은 가상 네트워크 기능(VNF: Virtualized Network Function)의 집합을 포함한다.
또한, 서비스 제공자(Provider)의 컨트롤러는 물리적 자원을 활용하여 VNFs의 배치 여부를 결정한다. 도 2는 4개의 물리적 노드에 임베딩된 3개의 서비스 체인이 있는 상태의 예시이다. 즉, 도 2의 시스템은, 모든 NFV를 호스팅 할 수 있는 충분한 리소스가 있는 4개의 물리적 노드가 있다.
구체적으로 살펴보면, 하나의 임베딩 플랜은 도 2에 나타낸 모든 서비스 체인을 만족시킬 수 있다. 서비스 체인 s1은 노드1, 노드2 및 노드4에서 호스팅 되고, s2는 노드1, 노드2, 노드3에 호스팅 되며, S3는 노드1과 노드4에 호스팅된다.
또한, 모든 NFVs사이의 가상 링크들은 물리적 노드 사이의 물리적 링크에 배치된다.
다음으로 본 발명의 실시예에 따른 네트워크 서비스 체인 임베딩 시스템의 구성에 대해 도 3을 기초로 설명한다. 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 네트워크 서비스 체인 임베딩 시스템의 구성을 도시한 도면이다.
본 발명의 실시예에 따른 네트워크 서비스 체인 임베딩 시스템은, 서비스 체인 요청 모듈(Service chain request module, 10)과 컨트롤 모듈(Controller module, 20)을 포함하는 서비스 제공 서버와, 하나 이상의 노드(Physical code, 30)를 포함한다.
서비스 체인 요청 모듈은(10), 사용자로부터 수신하는 서비스 체인 요청을 수신하고 컨트롤 모듈로 서비스 체인 요청 신호를 전송한다.
또한, 서비스 체인 요청 모듈은(10), 사용자의 요구를 받기 위한 게이트웨이 또는 프런트 엔드 서버로 구현될 수 있다.
또한, 컨트롤 모듈은(20), 서비스 체인 요청 모듈(10)로부터 전송되는 서비스 체인 요청 신호에 따라 리소스를 할당한다. 즉, 이 모듈(20)은 리소스 할당 계획을 만들고 실제 리소스 풀을 관리한다.
또한, 노드(30)는 서비스 체인 요청에 포함되는 가상 네트워크 기능(Virtualized Network Function)을 호스팅한다.
또한, 하나 이상의 노드(30)는 Physical resources module 타입으로 실시될 수 있는데, 이 모듈은 실제 리소스 풀이다. 실제로 범용 서버는 이 모듈에서 VNF를 호스트하도록 설정된다(VNF는 실제 서버에서 가상 시스템으로 실행될 수 있음).
또한, 컨트롤 모듈(20)은, 가상 네트워크 기능을 노드에 배치하고 서비스 체인을 임베딩한다.
또한, 컨트롤 모듈(20)은, 노드(30) 중 하나의 노드(제1 노드)에 배치되는 하나 이상의 가상 네트워크 기능의 용량이, 제1 노드의 용량 이하가 되도록 하여 가상 네트워크 기능을 노드에 배치하고 서비스 체인을 임베딩한다(1차적 제약 조건). 이에 대해 상세히 설명하면 아래와 같다.
본 발명의 실시예에 따른 네트워크 서비스 체인 임베딩 시스템에서는 사용자가 서비스 체인(SC)의 집합을 요청하는 시나리오를 고려한다.
또한, 각 서비스 체인은 가상 네트워크 기능(VNF: Virtualized Network Function)의 집합을 포함한다. 또한, 컨트롤 모듈(20)은 물리적 자원(Physical resources)을 활용하여 VNFs의 배치 여부를 결정한다.
또한, 특정 서비스 체인의 VNFs는 패킷을 전달하기 위한 가상 링크를 필요로 한다(예를 들어, 웹 서비스 체인에서 NAT(Network Address Translation)은 방화벽(FW)의 앞부분에 구현되어야 하는데, 이때 NAT에서 FW로 패킷을 전달하는 가상 링크가 필요함).
또한 가상 링크는 물리적 링크 상에서의 네트워크 트래픽을 증가시킨다.
또한, 각 VNF의 연산 자원은 CPU단위로 고려되며,
Figure pat00013
는 SCi에서 VNFj의 CPU 유닛 요구량으로 정의될 수 있다.
또한, 상기 1차적 제약 조건으로서, 각 노드에 배치된 모든 VNFs는 다음과 같은 수식 1을 통해 해당 노드의 용량을 초과할 수 없음을 보장해야 한다.
[수식 1]
Figure pat00014
여기서, N은 물리적 노드의 집합이며 nc는 노드 n의 용량이다.
또한
Figure pat00015
은 다음과 같이 두 가지로 표현될 수 있다. 즉, SCi의 VNFj가 호스팅되었을 때,
Figure pat00016
= 0이며, 그렇지 않을 경우는
Figure pat00017
= 1이다.
다음으로, 2차적 제약 조건이 있는데 2차적 제약 조건과 관련하여, 컨트롤 모듈(20)은 노드(30) 사이에 형성되는 물리적 링크를 통과하는 트래픽의 총량이 가상 네트워크 기능 사이의 링크 처리 용량 이하가 되도록 가상 네트워크 기능을 노드(30)에 배치하고 서비스 체인을 임베딩한다.
구체적인 2차적 제약 조건은, 아래 수식 2를 통해 이루어질 수 있다.
[수식 2]
Figure pat00018
여기서, yvp는 링크 lp에 흐르는 SCi의 속도로 정의되며 물리 링크(lp)의 Capacity data rate가 물리 링크들의 집합(L)에 속하는 것은 d(lp)로 정의된다.
그리고, 공유되는 링크를 통과하는 트래픽의 총량은 해당 링크의 처리 용량을 초과하지 않아야 한다.
또한, yvp는 물리적 링크에 배치 된 가상 링크 lp를 나타내는 변수다.
결국, SC를 배치하는 목적은 물리적 노드 운영에 소요되는 비용을 줄이는 것이고, 상기 두 제약 조건을 결합하여 SC 배치의 최적화를 달성할 수 있다. 구체적인 최적화 수식은 아래 수식 3에 의해 실행될 수 있다.
[수식 3]
Figure pat00019
여기서,
Figure pat00020
은 노드 n의 active variable로 정의되며, 만약
Figure pat00021
일 경우,
Figure pat00022
= 1이고, 그렇지 않은 경우에는
Figure pat00023
= 0으로 표현된다
f
Figure pat00024
F를 문제에 PSCP대한 실행 가능한 해라고 할 때, F는 모든 가능한 해결책의 집합이다. 해 f에 해당하는 PSCP의 목적 함수 값을 Cf로 표시하고, pf는 f가 사용되어야 하는 시간의 백분율로 나타낸다. 그리고, 아래 수식 4 및 수식 5와 같이 log-sum-exp 근사법을 사용하여 PSCP의 근사 버전을 적용한다.
[수식 4]
Figure pat00025
[수식 5]
Figure pat00026
여기서
Figure pat00027
는 근사의 정확도를 제어하는 양의 상수이며 PSCP -
Figure pat00028
는
Figure pat00029
를 도출하기 위한 해결 가능한 convex problem이다.
그리고, 컨트롤 모듈(20)은, 제1 노드에 배치되는 하나 이상의 가상 네트워크 기능의 용량 및 가상 네트워크 기능 사이의 링크 처리 용량(f)과, 상기 제2 노드에 배치되는 하나 이상의 가상 네트워크 기능의 용량 및 가상 네트워크 기능 사이의 링크 처리 용량(f‘)이 다음 수식 6의 관계를 만족하도록 서비스 체인을 임베딩하는데, 이러한 과정을 통해 제2 노드를 결정한다.
[수식 6]
Figure pat00030
여기서,
Figure pat00031
는 두 상태(f, f’) 사이의 전이 속도,
Figure pat00032
는 양의 상수,
Figure pat00033
는 근사 정확도를 제어하는 양의 상수,
Figure pat00034
는 f의 목적 함수 값,
Figure pat00035
는 f’의 목적 함수 값이다.
구체적으로 수식 6은, 직접 전이를 갖는 두 상태 f와 f’에 대해, 두 상태 사이의 전이 속도를 설계할 수 있다.
또한, 컨트롤 모듈(20)은 소프트웨어 정의 네트워크(Software-Defined Network, 이하 SDN) 컨트롤러에서 구현될 수 있다.
다음으로 본 발명의 실시예에 따른 네트워크 서비스 체인 임베딩 방법에 대해 도 4 내지 도 5를 기초로 이하에서 설명한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 네트워크 서비스 체인 임베딩 방법의 과정을 도시한 순서도이고, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 네트워크 서비스 체인 임베딩 방법 중 각 서비스 체인의 선택 과정을 도시한 순서도이다.
본 발명의 실시예에 따른 네트워크 서비스 체인 임베딩 방법은 네트워크 서비스 체인을 임베딩하기 위한 분산 알고리즘이 적용되는데, 구체적으로 컨트롤러 모듈(20)에서 실행될 수 있다.
또한, 분산 알고리즘이 적용되는 네트워크 서비스 체인 임베딩 과정에서, 각 서비스 체인을 처리하는 과정은 병렬로 실행된다.
도 4에 도시된 바와 같이, 먼저 서비스 체인 I를 선택한다(S41). 그리고 다른 세션(서비스 체인들)에 ‘block messages(차단 메시지)’를 전송한다(S42). 그런 뒤 하나의 서비스 체인(f)에 대해 마르코프 근사 접근법에 의한 마이그레이션(migration)을 수행한다(S43). 이 과정은 상기 수식 6에 의해 이루어질 수 있고, f를 새 구성인 f’으로 마이그레이션한다. 이러한 마이그레이션 프로세스는 클라우드(cloud)의 마이그레이션 가상 시스템과 유사하게 실행될 수 있다.
그리고 다른 서비스 체인에 ‘unblock messages(해제 메시지)’를 전송한다(S44). 마지막으로 선택한 서비스 체인의 구성의 변경이 있는지 판단(S45)하는데, 만약 선택한 서비스 체인 구성의 변경이 있으면 단계 S41로 복귀하고, 구성 변경이 없으면 종료한다.
도 4에 도시된 과정을 좀 더 상세히 살펴보면 아래의 7개의 단계로 이루어질 수 있다.
즉, 본 발명의 실시예에 따른 네트워크 서비스 체인 임베딩 방법은, 서비스 제공 서버가 사용자로부터 수신하는 서비스 체인 요청을 수신하는 제1 단계, 수신한 서비스 체인 요청 신호를 컨트롤 모듈로 전송하는 제2 단계, 서비스 체인 요청 신호에 따라 하나의 서비스 체인을 선택하는 제3 단계, 선택한 서비스 체인에 대해 가상 네트워크 기능을 노드에 배치하고 서비스 체인을 임베딩하는 제4 단계, 다른 서비스 체인에 차단 메시지를 전송하는 제5 단계, 하나의 서비스 체인에 대해 마르코프 근사 접근법에 의한 마이그레이션을 수행하는 제6 단계, 다른 서비스 체인에 해제 메시지를 전송하는 제7 단계 및 선택한 서비스 체인의 구성의 변경이 있으면 제3 단계로 복귀하는 과정을 수행하는 제8 단계로 이루어질 수 있다.
상기 과정들을 수행하는 것은 컨트롤러 모듈(20)이고, 컨틀롤러 모듈(20)은 각 서비스 체인을 포함하기 위해 실행되는 모든 세션(서비스 체인)을 관리하는 것을 전제로 한다. 그리고 한 번에 하나의 서비스 체인에 대해서만 임베딩을 수행하고, 나머지 다른 세션에는 차단 메시지를 보낸다.
그리고, 상기 제4 단계에 해당하는 각 서비스 체인의 선택 과정에 대해서는 도 5를 기초로 이하에서 설명한다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명이 각 서비스 체인의 선택하는 과정은, 먼저 랜덤하게 하나의 서비스 체인(configuration f로 표현되는 SCi)에 실현 가능한 하나의 노드(제1 노드)를 선택한다(S51). 즉, 모든 VNF를 호스팅하기 위해 자원 제약 조건(1차적 제약 조건 및 2차적 제약 조건)을 만족시키는 SCi를 내장할 수 있는 노드를 무작위로 선택한다.
그런 뒤 제1 노드를 다른 노드(제2 노드)로 랜덤하게 대체(S52)하는데, 여기서 제2 노드는 configuration f로 표현되는 SCi에 임베딩되는 새로운 노드에 해당한다. 또한, 대체된 노드인 제2 노드는 상기 자원 제약 조건을 만족해야 한다.
그런 뒤 하나의 서비스 체인(f)에 대해 마르코프 근사 접근법에 의한 마이그레이션(migration)을 수행한다(S53). 마이그레이션 과정은 구체적으로 상기 수식 6에 의해 수행된다. 마지막으로 다른 세션들(다른 서비스 체인 및 다른 노드)에 ‘free’ 메시지를 전송한다(S54).
이상의 실시 예들은 본 발명의 이해를 돕기 위하여 제시된 것으로, 본 발명의 범위를 제한하지 않으며, 이로부터 다양한 변형 가능한 실시 예들도 본 발명의 범위에 속하는 것임을 이해하여야 한다. 본 발명의 기술적 보호범위는 청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이며, 본 발명의 기술적 보호범위는 청구범위의 문언적 기재 그 자체로 한정되는 것이 아니라 실질적으로는 기술적 가치가 균등한 범주의 발명에까지 미치는 것임을 이해하여야 한다.
10 : 서비스 체인 요청 모듈
20 : 컨트롤 모듈
30 : 노드

Claims (12)

  1. 사용자로부터 수신하는 서비스 체인 요청을 수신하는 서비스 체인 요청 모듈과, 상기 서비스 체인 요청 모듈로부터 전송되는 서비스 체인 요청 신호에 따라 리소스를 할당하는 컨트롤 모듈을 포함하는 서비스 제공 서버;
    상기 서비스 체인 요청에 포함되는 가상 네트워크 기능(Virtualized Network Function)을 호스팅하는 노드를 포함하고,
    상기 컨트롤 모듈은, 상기 가상 네트워크 기능을 상기 노드에 배치하고 서비스 체인을 임베딩하는 것을 특징으로 하는 네트워크 서비스 체인 임베딩 시스템.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 컨트롤 모듈은,
    상기 노드 중 하나의 노드(제1 노드)에 배치되는 하나 이상의 가상 네트워크 기능의 용량이 상기 제1 노드의 용량 이하가 되도록 상기 가상 네트워크 기능을 상기 노드에 배치하고 서비스 체인을 임베딩하는 것을 특징으로 하는 네트워크 서비스 체인 임베딩 시스템.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 컨트롤 모듈은,
    상기 노드 사이에 형성되는 물리적 링크를 통과하는 트래픽의 총량이 상기 가상 네트워크 기능 사이의 링크 처리 용량 이하가 되도록 상기 가상 네트워크 기능을 상기 노드에 배치하고 서비스 체인을 임베딩하는 것을 특징으로 하는 네트워크 서비스 체인 임베딩 시스템.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 컨트롤 모듈은,
    상기 제1 노드에 배치되는 하나 이상의 가상 네트워크 기능의 용량 및 가상 네트워크 기능 사이의 링크 처리 용량(f)에 기초하여 서비스 체인이 임베딩될 제2 노드를 결정하는 것을 특징으로 하는 네트워크 서비스 체인 임베딩 시스템.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 컨트롤 모듈은,
    상기 제1 노드에 배치되는 하나 이상의 가상 네트워크 기능의 용량 및 가상 네트워크 기능 사이의 링크 처리 용량(f)과, 상기 제2 노드에 배치되는 하나 이상의 가상 네트워크 기능의 용량 및 가상 네트워크 기능 사이의 링크 처리 용량(f‘)이 다음 수식의 관계를 만족하도록 서비스 체인을 임베딩하는 것을 특징으로 하는 네트워크 서비스 체인 임베딩 시스템.
    Figure pat00036

    여기서,
    Figure pat00037
    는 두 상태(f, f’) 사이의 전이 속도,
    Figure pat00038
    는 양의 상수,
    Figure pat00039
    는 근사 정확도를 제어하는 양의 상수,
    Figure pat00040
    는 f의 목적 함수 값,
    Figure pat00041
    는 f’의 목적 함수 값임.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 컨트롤 모듈은,
    상기 제2 노드를 결정한 후 다른 노드에 free 신호를 전송하는 것을 특징으로 하는 네트워크 서비스 체인 임베딩 시스템.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 컨트롤 모듈은,
    하나의 서비스 체인을 임베딩할 때 다른 서비스 체인을 차단하는 것을 특징으로 하는 네트워크 서비스 체인 임베딩 시스템.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 컨트롤 모듈은,
    소프트웨어 정의 네트워크(Software-Defined Network, 이하 SDN) 컨트롤러에서 구현되는 것을 특징으로 하는 네트워크 서비스 체인 임베딩 시스템.
  9. 서비스 제공 서버가 사용자로부터 수신하는 서비스 체인 요청을 수신하는 제1 단계;
    상기 수신한 서비스 체인 요청 신호를 컨트롤 모듈로 전송하는 제2 단계;
    상기 서비스 체인 요청 신호에 따라 하나의 서비스 체인을 선택하는 제3 단계;
    상기 선택한 서비스 체인에 대해 가상 네트워크 기능을 노드에 배치하고 서비스 체인을 임베딩하는 제4 단계;
    다른 서비스 체인에 차단 메시지를 전송하는 제5 단계;
    상기 하나의 서비스 체인에 대해 마르코프 근사 접근법에 의한 마이그레이션을 수행하는 제6 단계;
    상기 다른 서비스 체인에 해제 메시지를 전송하는 제7 단계 및
    상기 선택한 서비스 체인의 구성의 변경이 있으면 상기 제3 단계로 복귀하는 과정을 수행하는 제8 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 네트워크 서비스 체인 임베딩 방법.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 제4 단계는,
    상기 노드 중 하나의 노드(제1 노드)에 배치되는 하나 이상의 가상 네트워크 기능의 용량이 상기 제1 노드의 용량 이하가 되도록 상기 가상 네트워크 기능을 상기 노드에 배치하고 서비스 체인을 임베딩하고,
    상기 노드 사이에 형성되는 물리적 링크를 통과하는 트래픽의 총량이 상기 가상 네트워크 기능 사이의 링크 처리 용량 이하가 되도록 상기 가상 네트워크 기능을 상기 노드에 배치하고 서비스 체인을 임베딩하는 것을 특징으로 하는 네트워크 서비스 체인 임베딩 방법.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 제1 노드에 배치되는 하나 이상의 가상 네트워크 기능의 용량 및 가상 네트워크 기능 사이의 링크 처리 용량(f)과, 상기 제2 노드에 배치되는 하나 이상의 가상 네트워크 기능의 용량 및 가상 네트워크 기능 사이의 링크 처리 용량(f‘)이 다음 수식의 관계를 만족하도록 서비스 체인을 임베딩하는 것을 특징으로 하는 네트워크 서비스 체인 임베딩 방법.
    Figure pat00042

    여기서,
    Figure pat00043
    는 두 상태(f, f’) 사이의 전이 속도,
    Figure pat00044
    는 양의 상수,
    Figure pat00045
    는 근사 정확도를 제어하는 양의 상수,
    Figure pat00046
    는 f의 목적 함수 값,
    Figure pat00047
    는 f’의 목적 함수 값임.
  12. 제9 항 내지 제11 항 중 어느 한 항의 방법을 SDN 컨트롤러 상에서 실행시키기 위한 컴퓨터로 판독 가능한 매체에 저장된 컴퓨터프로그램.
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