WO2017150826A1 - Ｓｄｎ 기반 무선 가상 네트워크 환경에서 트래픽 변화를 고려한 대역폭 제어 장치 및 방법 - Google Patents

Ｓｄｎ 기반 무선 가상 네트워크 환경에서 트래픽 변화를 고려한 대역폭 제어 장치 및 방법 Download PDF

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WO2017150826A1
WO2017150826A1 PCT/KR2017/001646 KR2017001646W WO2017150826A1 WO 2017150826 A1 WO2017150826 A1 WO 2017150826A1 KR 2017001646 W KR2017001646 W KR 2017001646W WO 2017150826 A1 WO2017150826 A1 WO 2017150826A1
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bandwidth
traffic
sdn
openflow
access point
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PCT/KR2017/001646
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정상화
문재원
Original Assignee
부산대학교 산학협력단
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Definitions

  • the present invention relates to an SDN-based wireless virtual network.
  • the traffic change is considered in an SDN-based wireless virtual network environment in which traffic information of the network is collected using SDN technology and the resources of each virtual network are efficiently controlled based on the SDN technology.
  • a bandwidth control device and method is provided.
  • Network virtualization is a technology for configuring a plurality of logical networks by dividing the resources of the physical network.
  • Such a virtual network can provide a network reflecting the requirements of various services, and an efficient resource distribution technique is needed to reflect the requirements of these various services.
  • the traffic information of the network is collected using the SDN technology, which is a recently introduced network management technology, the resources of each virtual network are controlled based on this, and the collected traffic information is used to solve the problems of the prior art.
  • SDN technology which is a recently introduced network management technology
  • the resources of each virtual network are controlled based on this, and the collected traffic information is used to solve the problems of the prior art.
  • the present invention is to solve such a problem of the resource distribution technology of the virtual network of the prior art, by using the SDN (Software Defined Networks) technology to collect the traffic information of the network and based on the resource of each virtual network efficiently It is an object of the present invention to provide an apparatus and method for controlling bandwidth in consideration of traffic changes in an SDN-based wireless virtual network environment.
  • SDN Software Defined Networks
  • the present invention utilizes SDN technology, which is a network management technology, and a bandwidth control apparatus and method considering traffic changes in an SDN-based wireless virtual network environment capable of dynamically controlling uplink and downlink based on the traffic information of the network.
  • SDN technology which is a network management technology
  • bandwidth control apparatus and method considering traffic changes in an SDN-based wireless virtual network environment capable of dynamically controlling uplink and downlink based on the traffic information of the network. The purpose is to provide.
  • the present invention adds an OpenFlow module (OpenFlow Module) to a host access point daemon (APAP) of an OpenFlow Access Point (AP) in order to connect to and send additional control messages to a controller.
  • OpenFlow Module OpenFlow Module
  • An object of the present invention is to provide a bandwidth control apparatus and method considering traffic changes in an SDN-based wireless virtual network environment capable of collecting traffic and dynamically controlling bandwidth according to a situation.
  • An object of the present invention is to provide a bandwidth control apparatus and method in consideration of traffic changes in an SDN-based wireless virtual network environment including a bandwidth allocation module that performs a bandwidth control command received from a controller.
  • the present invention provides a bandwidth control apparatus and method considering traffic changes in an SDN-based wireless virtual network environment including a packet classification module for classifying packets by virtual slices to control downlinks in a virtual network. Its purpose is to.
  • traffic changes in an SDN-based wireless virtual network environment having a packet scheduling module for adjusting downlink bandwidth according to downlink ratio information received from a bandwidth allocation module based on classified packets. It is an object of the present invention to provide an apparatus and method for controlling a bandwidth.
  • the bandwidth control apparatus considering the traffic change is configured in a host access point daemon (hostapd) of an open flow access point (AP) and is an open flow access point (AP).
  • OpenFlow module which allows traffic to be collected from the network and dynamically control bandwidth; bandwidth control configured on the host access point daemon (APAP) of the OpenFlow Access Point (AP) to receive from Software Defined Networks (SDN) controllers.
  • APAP host access point daemon
  • SDN Software Defined Networks
  • Bandwidth allocation module for performing commands; Packet classification module configured in the media access control (MAC) of the open flow access point (AP) to classify the packets by virtual slice to control the downlink in the virtual network; Openflow access Bandwidth based on packets that are configured and classified in the Media Access Control (MAC) of the AP And a packet scheduling module for adjusting the downlink bandwidth according to the downlink ratio information received from the allocation module.
  • MAC media access control
  • AP open flow access point
  • Openflow access Bandwidth based on packets that are configured and classified in the Media Access Control (MAC) of the AP
  • MAC Media Access Control
  • the OpenFlow module is responsible for connecting the OpenFlow Access Point (AP) and the Software Defined Networks (SDN) controller, and transmits control messages of virtual Openflow Access Point (AP) creation, network traffic information, and bandwidth control commands. It is characterized by receiving.
  • AP OpenFlow Access Point
  • SDN Software Defined Networks
  • the bandwidth allocation module transmits downlink ratio information included in the bandwidth allocation command of the software defined network controller (SDN) controller to the media access control (MAC) layer through the netlink, and the network parameter of the station included in the bandwidth allocation command of the controller. It characterized by including in the beacon frame.
  • SDN software defined network controller
  • MAC media access control
  • the packet scheduling module controls the uplink and the downlink for bandwidth distribution, the uplink uses the parameters contention window (CW) and transmission opportunity (TXOP) for providing QoS in the 802.11e standard. It features the use of queues and the DRR (Deficit Round Robin) algorithm.
  • CW contention window
  • TXOP transmission opportunity
  • one queue and one virtual slice are matched, and the downlink is controlled using the DRR algorithm based on the multi-cue per virtual slice, and the RR (Round Robin) is set up for equal bandwidth distribution within the same virtual slice. Characterized in that transmitted through.
  • the bandwidth of the station is inversely proportional to the CW and proportional to the TXOP, and the CW of the station is based on the CW of the OpenFlow Access Point (AP), It is characterized by the calculation using.
  • SDN controllers use the extended overflow protocol to issue bandwidth control commands to the OpenFlow Access Points (APs), and the extended Openflow protocol collects station traffic in bytes.
  • This is a station traffic information collection protocol that periodically collects traffic information from the Software Defined Networks (SDN) controller and performs a bandwidth control algorithm, and an OpenFlow access based on the Software Defined Networks (SDN) controller performs a bandwidth control algorithm. It is characterized in that the bandwidth control protocol to deliver the bandwidth control ratio for each bandwidth control station to the point (AP).
  • the bandwidth control method considering traffic changes monitors the traffic of the station to which the OpenFlow Access Point (AP) is connected and collects the collected data through the SDN through the overflow message. Transmitting to a Software Defined Networks (SDN) controller; a Contention Window (CW), Transmission Opportunity (TXOP) value, and downlink ratio based on traffic information collected from an OpenFlow Access Point (AP) in a Software Defined Networks (SDN) controller; Calculating the CW, TXOP value, and downlink ratio to the OpenFlow Access Point (AP) via an OpenFlow message; setting the downlink ratio at the OpenFlow Access Point (AP) and setting the beacon frame. Transmitting the CW and TXOP values to the station through the.
  • SDN Software Defined Networks
  • CW Contention Window
  • TXOP Transmission Opportunity
  • SDN Software Defined Networks
  • the first resource for allocating resources according to a predefined bandwidth distribution ratio for each virtual slice Characterized by performing a step algorithm.
  • the first step algorithm defines a time TXTIME for one frame transmission to calculate the TXOP, and a bandwidth distribution ratio uplinkRatioi to be allocated to the uplink of the station is equal to a predefined bandwidth distribution ratio of the virtual slice to which the station belongs. And the bandwidth distribution ratio (downlinkRatioi) to be allocated to the downlink of the station is divided by the predefined bandwidth distribution ratio of the virtual slice to which the station belongs to the station belonging to the same virtual slice. And a sum of bandwidth distribution ratios allocated to downlinks of all stations (sumDownLinkRatio) equals a bandwidth distribution ratio at which the OpenFlow Access Point (AP) transmits traffic. It is characterized by.
  • the CW of the station is calculated based on the CW of the OpenFlow Access Point (AP), the CW ratio of the CW of the Station and the OpenFlow Access Point (AP), the ratio of uplinkRatio and sumDownlinkRatio is inversely proportional to each other,
  • CW is characterized in that having a form of a power of two.
  • the minimum CW value CWmini is a minimum square number of 2 greater than the CWi value, and because the CW increases, the bandwidth cannot be used as much as the bandwidth distribution ratio to be allocated, and the TXOP is increased by the reduced bandwidth distribution ratio as the CW increases. .
  • the second stage algorithm generates non-saturated traffic in order to recalculate the uplinkRatioi and downlinkRatioi based on the traffic monitoring information of the station periodically reported by the OpenFlow Access Point (AP) to the Software Defined Networks (SDN) controller.
  • Finding the link if the link generating the unsaturated traffic is an uplink, allocating the downlink bandwidth distribution ratio of the station as much as the non-saturated bandwidth distribution ratio, and the link generating the unsaturated traffic is the downlink. If the downlink allocates an additional nonsaturated bandwidth distribution ratio for the station, and if both the uplink and downlink stations generate non-saturated traffic, the non-saturated bandwidth distribution ratio is determined for the corresponding virtual slice. Dividing evenly on all links, calculated CWmin and TXOP values And transmitting to the OpenFlow Access Point (AP) via an OpenFlow message (BAND_ALLOC_REP).
  • the bandwidth control apparatus and method in consideration of the traffic change in the SDN-based wireless virtual network environment according to the present invention has the following effects.
  • SDN technology can be used to collect network traffic information and efficiently control the resources of each virtual network.
  • SDN technology can be used to collect network traffic information and dynamically control uplink and downlink based on this.
  • the Openflow Access Point can collect network traffic and dynamically control bandwidth according to the situation.
  • the bandwidth control command received from the controller may be effectively included, including a bandwidth allocation module.
  • a packet classification module (Packet Classification Module) can be classified into virtual slices to effectively control downlink in the virtual network.
  • the downlink bandwidth can be effectively adjusted based on downlink ratio information received from the bandwidth allocation module based on the classified packet with the packet scheduling module.
  • 1 is a block diagram showing virtual slice resource allocation
  • FIG. 2 is a block diagram of an apparatus for controlling bandwidth considering traffic changes in an SDN-based wireless virtual network environment according to the present invention
  • FIG. 3 is a block diagram illustrating a bandwidth control operation considering traffic according to the present invention.
  • 5 is a first step algorithm for traffic-based bandwidth control according to the present invention.
  • 6 is a second step algorithm for traffic based bandwidth control according to the present invention.
  • FIG. 7 is a block diagram showing virtual slice resource allocation in consideration of traffic according to the present invention.
  • FIG. 8 is a flowchart illustrating a bandwidth control method considering traffic changes in an SDN-based wireless virtual network environment according to the present invention.
  • FIG. 9 is a flowchart illustrating an operation and message flow of a traffic based bandwidth control according to the present invention.
  • FIG. 2 is a block diagram of an apparatus for controlling bandwidth considering traffic changes in an SDN-based wireless virtual network environment according to the present invention.
  • the present invention is to control the resources of each virtual network, to utilize the SDN technology to collect the traffic information of the network and to dynamically control the uplink and downlink based on this.
  • the present invention adds an OpenFlow Module to the hostapd of the OpenFlow Access Point (AP) to connect with the controller and send and receive additional control messages so that the OpenFlow Access Point (AP) collects traffic on the network. And dynamically control the bandwidth according to the situation.
  • AP OpenFlow Access Point
  • the bandwidth control apparatus considering the traffic change has an openflow access point (AP) and a controller at the hostapd 200 of the openflow access point (AP) 100 as shown in FIG. 2. And the downlink ratio included in the bandwidth allocation command of the controller and the OpenFlow module 10 for transmitting and receiving control messages such as virtual openflow access point (AP) generation, network traffic information, and bandwidth control commands.
  • the bandwidth allocation module 20 is configured to transmit information to the Media Access Control (MAC) layer via the netlink and to include the network parameters of the station included in the bandwidth allocation command of the controller in the beacon frame.
  • MAC Media Access Control
  • the packet classification module 30 classifies packets by virtual slices to control downlinks to the MAC 300 of the open flow access point (AP) 100, and downlinks the downlink ratio information based on the classified packets.
  • a packet scheduling module 40 is configured to adjust the link bandwidth.
  • the present invention is to solve the problems of the existing bandwidth control schemes in the SDN-based wireless virtual network environment and for efficient bandwidth distribution.
  • FIG 2 shows the structure of an OpenFlow Access Point (AP) in accordance with the present invention.
  • AP OpenFlow Access Point
  • an additional function is required for the OpenFlow Access Point (AP) to collect the traffic of the network and dynamically control bandwidth according to the situation.
  • AP OpenFlow Access Point
  • the openflow module 10 is configured in the hostapd 200 to connect with the controller and send and receive additional control messages, and the openflow module 10 is responsible for connecting the controller with the openflow access point (AP).
  • Send and receive control messages such as virtual openflow access point (AP) creation, network traffic information, and bandwidth control commands.
  • AP virtual openflow access point
  • the bandwidth allocation module 20 performs a bandwidth control command received from the controller, and transmits downlink ratio information included in the bandwidth allocation command of the controller to the MAC layer through netlink.
  • the network parameters of the stations included in the bandwidth allocation command of the controller are included in the beacon frame.
  • the packet classification module 30 classifies packets by virtual slices to control downlinks in the virtual network.
  • the packet scheduling module 40 adjusts the downlink bandwidth according to the downlink ratio information received from the bandwidth allocation module 20.
  • the uplink uses parameters CW (Contention Window) and TXOP (Transmission Opportunity) for providing QoS in the 802.11e standard.
  • the bandwidth of the station is inversely proportional to CW and proportional to TXOP.
  • the CW of the station is calculated using Equation 1 based on the CW of the OpenFlow Access Point (AP).
  • TXOP is increased by using Equation 2 by the bandwidth distribution ratio reduced as CW increases.
  • the downlink uses multiqueues and the DRR (Deficit Round Robin) algorithm.
  • the multi-cue one cue and one virtual slice are matched.
  • the downlink is controlled using the DRR algorithm based on the multi-cue per virtual slice.
  • the data is transmitted through RR (Round Robin) for fair bandwidth distribution.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a bandwidth control operation considering traffic according to the present invention
  • FIG. 4 is an extended openflow protocol according to the present invention.
  • the OpenFlow Access Point constantly monitors traffic from connected stations and the collected data is sent to the SDN controller via OpenFlow messages.
  • the SDN controller calculates the CW, TXOP value and downlink ratio through an algorithm based on the traffic information collected from the OpenFlow Access Point (AP).
  • AP OpenFlow Access Point
  • the calculated CW, TXOP values and downlink ratios are sent to the OpenFlow Access Point (AP) via OpenFlow messages.
  • AP OpenFlow Access Point
  • OpenFlow access points set downlink rates and send CW and TXOP values to stations via beacon frames.
  • the controller collects traffic information of the station connected to the OpenFlow Access Point (AP) using the OpenFlow protocol.
  • AP OpenFlow Access Point
  • the controller also uses the extended OpenFlow protocol to issue bandwidth control commands to the OpenFlow Access Point (AP).
  • AP OpenFlow Access Point
  • the extended OpenFlow protocol is composed of two types as shown in FIG.
  • the first is collecting station traffic information.
  • This protocol collects the traffic of the station in bytes. Using this, the controller periodically collects traffic information and performs bandwidth control algorithm.
  • the second is the bandwidth control protocol.
  • the controller performs a bandwidth control algorithm and based on that, the bandwidth control ratio per bandwidth control station is delivered to the OpenFlow Access Point (AP).
  • AP OpenFlow Access Point
  • controller For efficient resource distribution in SDN-based wireless virtual network environment, controller performs bandwidth control algorithm considering traffic change.
  • This bandwidth control algorithm consists of two stages.
  • FIG. 5 is a first step algorithm for traffic based bandwidth control according to the present invention
  • FIG. 6 is a second step algorithm for traffic based bandwidth control according to the present invention.
  • the first stage algorithm is an algorithm that allocates resources to each virtual slice according to a predefined bandwidth distribution ratio when all nodes connected to the network generate saturated traffic.
  • the time TXTIME for one frame transmission is defined to calculate the TXOP.
  • uplinkRatioi is a bandwidth distribution ratio to be allocated to the uplink of a station.
  • the predefined bandwidth distribution ratio of the virtual slice to which the station belongs is divided by the number of stations belonging to the same virtual slice * 2.
  • stations belonging to the same virtual slice have a predetermined bandwidth distribution ratio of the virtual slice.
  • downlinkRatioi is a bandwidth distribution ratio to be allocated to the downlink of a station.
  • the predefined bandwidth distribution ratio of the virtual slice to which the station belongs is divided by the number of stations belonging to the same virtual slice * 2.
  • stations belonging to the same virtual slice have an equal share of the predefined bandwidth distribution ratio of the virtual slice.
  • sumDownLinkRatio is the sum of the bandwidth distribution ratios allocated to the downlinks of all stations.
  • the OpenFlow Access Point (AP) equals the transmission bandwidth distribution ratio of the traffic.
  • the CW of the station is calculated based on the CW of the OpenFlow Access Point (AP).
  • AP OpenFlow Access Point
  • the CW ratio of the station and the CW ratio of the OpenFlow Access Point (AP) and the ratio of uplinkRatio and sumDownlinkRatio are inversely proportional to each other.
  • CW has the form of a power of two.
  • CWmini is a minimum power of two greater than the CWi value. Since CW has increased, the bandwidth cannot be used as much as the bandwidth distribution ratio to allocate. As TX increases, TXOP is increased by the reduced bandwidth distribution ratio (line 8 of FIG. 5).
  • FIG. 6 is an algorithm for allocating resources according to a bandwidth distribution ratio previously defined in each virtual slice in an environment where a station generating non-saturated traffic exists in step 2 of an algorithm.
  • the uplinkRatioi and downlinkRatioi are recalculated based on the traffic monitoring information of the station periodically reported to the OpenFlow controller by the OpenFlow Access Point (AP).
  • AP OpenFlow Access Point
  • the link generating non-saturated traffic is an uplink
  • the downlink bandwidth distribution ratio of the corresponding station is allocated by the uplink non-saturated bandwidth distribution ratio.
  • the uplink bandwidth distribution ratio of the corresponding station is further allocated by the downlink non-saturated bandwidth distribution ratio.
  • the unsaturated bandwidth distribution ratio is divided equally among all links of the corresponding virtual slice. Lines 5 to 9 of FIG. 5 are performed based on the redistributed bandwidth.
  • the CWmin and TXOP values calculated by the algorithm are transmitted to the OpenFlow Access Point (AP) through the OpenFlow message (BAND_ALLOC_REP).
  • FIG. 7 is a diagram illustrating a virtual slice resource allocation in consideration of traffic according to the present invention.
  • the uplink traffic of A2 uses only 5% bandwidth, the remaining 10% bandwidth distribution ratio is used in the same virtual slice, as shown in FIG.
  • a bandwidth control method considering traffic changes in an SDN-based wireless virtual network environment according to the present invention will be described in detail as follows.
  • FIG. 8 is a flowchart illustrating a bandwidth control method considering traffic changes in an SDN-based wireless virtual network environment according to the present invention.
  • the parameter is determined according to the bandwidth ratio predefined in the virtual network (S803).
  • the bandwidth control parameter is determined based on the traffic monitoring information (S805).
  • the beacon frame is transmitted for downlink ratio control (S806).
  • the bandwidth control apparatus and method considering the traffic change is to control the resources of each virtual network. It allows for dynamic control of links and downlinks.
  • the present invention adds an OpenFlow Module to the hostapd of the OpenFlow Access Point (AP) to connect with the controller and send and receive additional control messages so that the OpenFlow Access Point (AP) collects traffic on the network. And dynamically control the bandwidth according to the situation.
  • AP OpenFlow Access Point
  • the present invention relates to an SDN-based wireless virtual network.
  • the traffic change is considered in an SDN-based wireless virtual network environment in which traffic information of the network is collected using SDN technology and the resources of each virtual network are efficiently controlled based on the SDN technology.
  • a bandwidth control device and method is provided.

Abstract

본 발명은 오픈플로우 액세스 포인트(AP)의 hostapd(host access point daemon)에 구성되어 오픈플로우 액세스 포인트(AP)가 네트워크의 트래픽을 수집하고 동적으로 대역폭을 제어할 수 있도록 하는 오픈플로우 모듈;오픈플로우 액세스 포인트(AP)의 hostapd(host access point daemon)에 구성되어 SDN(Software Defined Networks) 제어기로부터 받는 대역폭 제어 명령을 수행하는 대역폭 할당 모듈;오픈플로우 액세스 포인트(AP)의 MAC(Media Access Control)에 구성되어 패킷을 가상 슬라이스별로 분류하여 가상 네트워크에서 다운링크를 제어할 수 있도록 하는 패킷 분류 모듈;오픈플로우 액세스 포인트(AP)의 MAC(Media Access Control)에 구성되어 분류된 패킷을 기반으로 대역폭 할당 모듈로부터 받은 다운링크 비율 정보대로 다운링크 대역폭을 조절하는 패킷 스케줄링 모듈;을 포함하는 것이다.

Description

ＳＤＮ 기반 무선 가상 네트워크 환경에서 트래픽 변화를 고려한 대역폭 제어 장치 및 방법
본 발명은 SDN 기반 무선 가상 네트워크에 관한 것으로, 구체적으로 SDN 기술을 활용하여 네트워크의 트래픽 정보를 수집하고 이를 기반으로 각 가상네트워크의 리소스를 효율적으로 제어하는 SDN 기반 무선 가상 네트워크 환경에서 트래픽 변화를 고려한 대역폭 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.
네트워크 가상화는 물리 네트워크의 자원을 분할하여 다수의 논리 네트워크를 구성하는 기술이다.
이러한 가상 네트워크는 다양한 서비스의 요구조건을 반영한 네트워크를 제공할 수 있는데, 이러한 다양한 서비스의 요구조건을 반영하기 위해 효율적인 리소스 분배 기술이 필요하다.
효율적인 리소스 분배를 위해 여러 가지 기법들이 제안되었지만 종래 기술의 기법들은 네트워크에 연결된 모든 노드들이 포화 트래픽을 발생시킨다고 가정한다.
하지만, 비포화 트래픽을 발생시키는 스테이션이 존재하는 경우에는 정의된 대역폭 분배비에 따른 자원할당이 제대로 되지 않는 문제점이 있다.
이 외에도 업링크를 고려하지 않고 다운링크만 제어하는 기법들이 있다. 무선 네트워크에서 다운링크와 업링크는 동일한 자원을 공유하기 때문에 업링크를 고려하지 않은 제어기법은 네트워크의 자원을 관리할 수 없는 문제가 있다.
도 1에서는 가상 무선 네트워크로 각각의 가상 슬라이스에 60%, 20%, 20%의 대역폭을 할당한 것이다.
모든 노드들이 포화 트래픽을 발생시키면 기존의 대역폭 분배 기법이 가능하다. 하지만 A2의 업링크 트래픽이 5%만의 대역폭을 사용한다면 나머지 10%의 대역폭이 다른 모든 노드에 분산되는 현상이 발생한다.
따라서, 최근에 도입되고 있는 네트워크 관리 기술인 SDN 기술을 활용하여 네트워크의 트래픽 정보를 수집하고 이를 기반으로 각 가상네트워크의 리소스를 제어하고, 종래 기술이 갖는 문제점들 해결하기 위해 수집된 트래픽 정보를 활용한 업링크와 다운링크를 동적으로 제어할 수 있는 새로운 기술의 개발이 요구되고 있다.
본 발명은 이와 같은 종래 기술의 가상네트워크의 리소스 분배 기술의 문제를 해결하기 위한 것으로, SDN(Software Defined Networks) 기술을 활용하여 네트워크의 트래픽 정보를 수집하고 이를 기반으로 각 가상네트워크의 리소스를 효율적으로 제어하는 SDN 기반 무선 가상 네트워크 환경에서 트래픽 변화를 고려한 대역폭 제어 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 네트워크 관리 기술인 SDN 기술을 활용하여 네트워크의 트래픽 정보를 수집하고 이를 기반으로 업링크와 다운링크를 동적으로 제어할 수 있도록 한 SDN 기반 무선 가상 네트워크 환경에서 트래픽 변화를 고려한 대역폭 제어 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 제어기와 연결 및 추가적인 컨트롤 메시지를 주고받기 위해 오픈플로우 액세스 포인트(AP)의 hostapd(host access point daemon)에 오픈플로우 모듈(OpenFlow Module)을 추가하여 오픈플로우 액세스 포인트(AP)가 네트워크의 트래픽을 수집하고 상황에 맞게 동적으로 대역폭을 제어할 수 있도록 한 SDN 기반 무선 가상 네트워크 환경에서 트래픽 변화를 고려한 대역폭 제어 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 제어기로부터 받는 대역폭 제어 명령을 수행하는 대역폭 할당 모듈(Bandwidth Allocation Module)을 포함하는 SDN 기반 무선 가상 네트워크 환경에서 트래픽 변화를 고려한 대역폭 제어 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 패킷을 가상 슬라이스별로 분류하여 가상 네트워크에서 다운링크를 제어할 수 있도록 하는 패킷 분류 모듈(Packet Classification Module)을 포함하는 SDN 기반 무선 가상 네트워크 환경에서 트래픽 변화를 고려한 대역폭 제어 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 분류된 패킷을 기반으로 대역폭 할당 모듈(Bandwidth Allocation Module)로부터 받은 다운링크 비율 정보대로 다운링크 대역폭을 조절하는 패킷 스케줄링 모듈(Packet Scheduling Module)을 갖는 SDN 기반 무선 가상 네트워크 환경에서 트래픽 변화를 고려한 대역폭 제어 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 SDN 기반 무선 가상 네트워크 환경에서 트래픽 변화를 고려한 대역폭 제어 장치는 오픈플로우 액세스 포인트(AP)의 hostapd(host access point daemon)에 구성되어 오픈플로우 액세스 포인트(AP)가 네트워크의 트래픽을 수집하고 동적으로 대역폭을 제어할 수 있도록 하는 오픈플로우 모듈;오픈플로우 액세스 포인트(AP)의 hostapd(host access point daemon)에 구성되어 SDN(Software Defined Networks) 제어기로부터 받는 대역폭 제어 명령을 수행하는 대역폭 할당 모듈;오픈플로우 액세스 포인트(AP)의 MAC(Media Access Control)에 구성되어 패킷을 가상 슬라이스별로 분류하여 가상 네트워크에서 다운링크를 제어할 수 있도록 하는 패킷 분류 모듈;오픈플로우 액세스 포인트(AP)의 MAC(Media Access Control)에 구성되어 분류된 패킷을 기반으로 대역폭 할당 모듈로부터 받은 다운링크 비율 정보대로 다운링크 대역폭을 조절하는 패킷 스케줄링 모듈;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 오픈플로우 모듈은, 오픈플로우 액세스 포인트(AP)와 SDN(Software Defined Networks) 제어기의 연결을 담당하고 가상 오픈플로우 액세스 포인트(AP) 생성, 네트워크 트래픽 정보, 대역폭 제어 명령의 컨트롤 메시지를 송·수신하는 것을 특징으로 한다.
그리고 대역폭 할당 모듈은, SDN(Software Defined Networks) 제어기의 대역폭 할당 명령에 포함된 다운링크 비율 정보를 netlink를 통해 MAC(Media Access Control) 계층에 전달하고 제어기의 대역폭 할당 명령에 포함된 스테이션의 네트워크 파라미터를 비콘프레임에 포함시키는 것을 특징으로 한다.
그리고 패킷 스케줄링 모듈은, 대역폭 분배를 위해 업링크와 다운링크를 제어하고, 업링크는 802.11e 표준에서 QoS 제공을 위한 파라미터 CW(Contention Window)와 TXOP(Transmission Opportunity)를 사용하고, 다운링크는 멀티큐와 DRR(Deficit Round Robin)알고리즘을 사용하는 것을 특징으로 한다.
그리고 멀티큐는 하나의 큐와 하나의 가상슬라이스가 매칭되고, 가상 슬라이스별 멀티큐를 기반으로 DRR알고리즘을 사용해 다운링크를 제어하고, 동일 가상슬라이스 내에서는 공평한 대역폭 분배를 위해 RR(Round Robin)을 통해 전송하는 것을 특징으로 한다.
그리고 스테이션의 대역폭은 CW와 반비례하고 TXOP와 비례하고, 스테이션의 CW는 오픈플로우 액세스 포인트(AP)의 CW를 기준으로,
Figure PCTKR2017001646-appb-I000001
를 이용해 계산하는 것을 특징으로 한다.
그리고 CW는 2의 제곱수 형태를 갖기 때문에 CW가 증가하면서 줄어든 대역폭 분배비만큼,
Figure PCTKR2017001646-appb-I000002
를 이용해 TXOP를 증가시키는 것을 특징으로 한다.
그리고 SDN(Software Defined Networks) 제어기는, 오픈플로우 액세스 포인트(AP)에 대역폭 제어 명령을 하달하기 위해서 확장된 오플플로우 프로토콜을 사용하고, 확장된 오픈플로우 프로토콜은 스테이션의 트래픽량을 바이트 단위로 수집하고 이를 이용해 주기적으로 SDN(Software Defined Networks) 제어기에서 트래픽 정보를 수집하고 대역폭 제어 알고리즘을 수행하는 스테이션 트래픽 정보 수집 프로토콜과, SDN(Software Defined Networks) 제어기가 대역폭 제어 알고리즘을 수행하고 이를 기반으로 오픈플로우 액세스 포인트(AP)에 대역폭 제어 스테이션별 대역폭 제어 비율을 하달하는 대역폭 제어 프로토콜인 것을 특징으로 한다.
다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 SDN 기반 무선 가상 네트워크 환경에서 트래픽 변화를 고려한 대역폭 제어 방법은 오픈플로우 액세스 포인트(AP)가 연결된 스테이션의 트래픽을 모니터링하고 수집된 데이터를 오플플로우 메시지를 통해 SDN(Software Defined Networks) 제어기로 전송하는 단계;SDN(Software Defined Networks) 제어기에서 오픈플로우 액세스 포인트(AP)로부터 수집된 트래픽정보를 기반으로 CW(Contention Window)와 TXOP(Transmission Opportunity)값 및 다운링크 비율을 계산하는 단계;계산된 CW, TXOP 값 및 다운링크 비율을 오픈플로우 메시지를 통해 오픈플로우 액세스 포인트(AP)로 전송하는 단계;오픈플로우 액세스 포인트(AP)에서 다운링크 비율을 설정하고 비콘프레임을 통해 스테이션에 CW와 TXOP 값을 전송하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 트래픽정보를 기반으로 CW, TXOP 값 및 다운링크 비율을 계산하는 단계에서, 네트워크에 연결된 모든 노드들이 포화 트래픽을 발생시키는 경우 각 가상 슬라이스에 기 정의된 대역폭 분배비에 따라 자원을 할당하는 제 1 단계 알고리즘을 수행하는 것을 특징으로 한다.
그리고 제 1 단계 알고리즘은, TXOP를 계산하기 위해 한 프레임 전송을 위한 시간 TXTIME을 정의 단계와, 스테이션의 업링크에 할당할 대역폭 분배비(uplinkRatioi)가 스테이션이 속한 가상 슬라이스의 기 정의된 대역폭 분배비를 동일한 가상 슬라이스에 속한 스테이션의 수*2로 나눈 값이 되도록 하는 단계와, 스테이션의 다운링크에 할당할 대역폭 분배비(downlinkRatioi)가 스테이션이 속한 가상 슬라이스의 기 정의된 대역폭 분배비를 동일한 가상 슬라이스에 속한 스테이션의 수*2로 나눈 값이 되도록 하는 단계와, 모든 스테이션의 다운링크에 할당된 대역폭 분배비의 합(sumDownLinkRatio)이 오픈플로우 액세스 포인트(AP)가 트래픽을 송신하는 대역폭 분배비와 같도록 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고 스테이션의 CW는 오픈플로우 액세스 포인트(AP)의 CW를 기준으로 계산하고, 스테이션의 CW과 오픈플로우 액세스 포인트(AP)의 CW 비, uplinkRatio와 sumDownlinkRatio의 비는 서로 반비례하고,
Figure PCTKR2017001646-appb-I000003
으로 계산되어, CW는 2의 제곱수 형태를 갖는 것을 특징으로 한다.
그리고 최소 CW값(CWmini)은 CWi값보다 큰 최소 2의 제곱수이고, CW가 증가했기 때문에 할당할 대역폭 분배비만큼 대역폭을 사용하지 못하고, CW가 증가하면서 줄어든 대역폭 분배비만큼 TXOP를 증가시키는 것을 특징으로 한다.
그리고 트래픽정보를 기반으로 CW, TXOP 값 및 다운링크 비율을 계산하는 단계에서, 비 포화 트래픽을 발생시키는 스테이션이 존재하는 환경에서 각 가상 슬라이스에 기 정의된 대역폭 분배비에 따라 자원을 할당하는 제 2 단계 알고리즘을 수행하는 것을 특징으로 한다.
그리고 제 2 단계 알고리즘은, 오픈플로우 액세스 포인트(AP)가 SDN(Software Defined Networks) 제어기에 주기적으로 보고하는 스테이션의 트래픽 모니터링 정보를 기반으로 uplinkRatioi와 downlinkRatioi를 재계산하기 위하여, 비 포화 트래픽을 발생시키는 링크를 찾는 단계와,비 포화 트래픽을 발생시키는 링크가 업링크라면 해당 스테이션의 다운링크 대역폭 분배비를 업링크가 비 포화된 대역폭 분배비만큼 더 할당하는 단계와,비 포화 트래픽을 발생시키는 링크가 다운링크라면 해당 스테이션의 업링크 대역폭 분배비를 다운링크가 비 포화된 대역폭 분배비만큼 더 할당하는 단계와,스테이션의 업링크와 다운링크 모두 비 포화 트래픽을 발생시키는 경우, 비 포화된 대역폭 분배비를 해당 가상 슬라이스의 모든 링크에 공평하게 나누는 단계와,산출한 CWmin과 TXOP 값은 OpenFlow 메시지(BAND_ALLOC_REP)를 통해 오픈플로우 액세스 포인트(AP)로 전송하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 본 발명에 따른 SDN 기반 무선 가상 네트워크 환경에서 트래픽 변화를 고려한 대역폭 제어 장치 및 방법은 다음과 같은 효과를 갖는다.
첫째, SDN 기술을 활용하여 네트워크의 트래픽 정보를 수집하고 이를 기반으로 각 가상네트워크의 리소스를 효율적으로 제어할 수 있다.
둘째, SDN 기술을 활용하여 네트워크의 트래픽 정보를 수집하고 이를 기반으로 업링크와 다운링크를 동적으로 제어할 수 있다.
셋째, 오픈플로우 액세스 포인트(AP)의 hostapd에 오픈플로우 모듈(OpenFlow Module)을 추가하여 오픈플로우 액세스 포인트(AP)가 네트워크의 트래픽을 수집하고 상황에 맞게 동적으로 대역폭을 제어할 수 있다.
넷째, 대역폭 할당 모듈(Bandwidth Allocation Module)을 포함하여 제어기로부터 받는 대역폭 제어 명령을 효과적으로 수행할 수 있다.
다섯째, 패킷 분류 모듈(Packet Classification Module)을 포함하여 패킷을 가상 슬라이스별로 분류하여 가상 네트워크에서 효과적으로 다운링크를 제어할 수 있다.
여섯째, 패킷 스케줄링 모듈(Packet Scheduling Module)을 갖고 분류된 패킷을 기반으로 대역폭 할당 모듈(Bandwidth Allocation Module)로부터 받은 다운링크 비율 정보대로 다운링크 대역폭을 효과적으로 조절할 수 있다.
도 1은 가상 슬라이스 자원 할당을 나타낸 구성도
도 2는 본 발명에 따른 SDN 기반 무선 가상 네트워크 환경에서 트래픽 변화를 고려한 대역폭 제어 장치의 구성도
도 3은 본 발명에 따른 트래픽을 고려한 대역폭 제어 동작을 나타낸 구성도
도 4는 본 발명에 따른 확장된 OpenFlow 프로토콜
도 5는 본 발명에 따른 트래픽 기반 대역폭 제어를 위한 제 1 단계 알고리즘
도 6은 본 발명에 따른 트래픽 기반 대역폭 제어를 위한 제 2 단계 알고리즘
도 7은 본 발명에 따른 트래픽을 고려한 가상 슬라이스 자원 할당을 나타낸 구성도
도 8은 본 발명에 따른 SDN 기반 무선 가상 네트워크 환경에서 트래픽 변화를 고려한 대역폭 제어 방법을 나타낸 플로우 차트
도 9는 본 발명에 따른 트래픽 기반 대역폭 제어 동작 과정 및 메시지 흐름도
이하, 본 발명에 따른 SDN 기반 무선 가상 네트워크 환경에서 트래픽 변화를 고려한 대역폭 제어 장치 및 방법의 바람직한 실시 예에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 SDN 기반 무선 가상 네트워크 환경에서 트래픽 변화를 고려한 대역폭 제어 장치 및 방법의 특징 및 이점들은 이하에서의 각 실시 예에 대한 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 SDN 기반 무선 가상 네트워크 환경에서 트래픽 변화를 고려한 대역폭 제어 장치의 구성도이다.
본 발명은 각 가상네트워크의 리소스를 제어하는 것으로, SDN 기술을 활용하여 네트워크의 트래픽 정보를 수집하고 이를 기반으로 업링크와 다운링크를 동적으로 제어할 수 있도록 한 것이다.
이를 위하여, 본 발명은 제어기와 연결 및 추가적인 컨트롤 메시지를 주고받기 위해 오픈플로우 액세스 포인트(AP)의 hostapd에 오픈플로우 모듈(OpenFlow Module)을 추가하여 오픈플로우 액세스 포인트(AP)가 네트워크의 트래픽을 수집하고 상황에 맞게 동적으로 대역폭을 제어할 수 있도록 한다.
본 발명에 따른 SDN 기반 무선 가상 네트워크 환경에서 트래픽 변화를 고려한 대역폭 제어 장치는 도 2에서와 같이, 오픈플로우 액세스 포인트(AP)(100)의 hostapd(200)에 오픈플로우 액세스 포인트(AP)와 제어기의 연결을 담당하고 가상 오픈플로우 액세스 포인트(AP) 생성, 네트워크 트래픽 정보, 대역폭 제어 명령 등의 컨트롤 메시지를 송·수신하는 오픈플로우 모듈(10)과, 제어기의 대역폭 할당 명령에 포함된 다운링크 비율 정보를 netlink를 통해 MAC(Media Access Control) 계층에 전달하고 제어기의 대역폭 할당 명령에 포함된 스테이션의 네트워크 파라미터를 비콘프레임에 포함시키는 대역폭 할당 모듈(20)이 구성된다.
그리고 오픈플로우 액세스 포인트(AP)(100)의 MAC(300)에 다운링크를 제어하기 위해 패킷을 가상 슬라이스별로 분류하는 패킷 분류 모듈(30)과, 분류된 패킷을 기반으로 다운링크 비율 정보대로 다운링크 대역폭을 조절하는 패킷 스케줄링 모듈(40)이 구성된다.
본 발명은 SDN 기반 무선 가상 네트워크 환경에서 기존의 대역폭 제어 기법들의 문제점을 해결하고 효율적인 대역폭 분배를 위한 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 오픈플로우 액세스 포인트(AP)의 구조를 나타낸 것이다.
도 2에서와 같이, 오픈플로우 액세스 포인트(AP)가 네트워크의 트래픽을 수집하고 상황에 맞게 동적으로 대역폭을 제어하기 위해 추가적인 기능이 필요하다.
이를 위하여, 제어기와 연결 및 추가적인 컨트롤 메시지를 주고받기 위해 hostapd(200)에 오픈플로우 모듈(10)이 구성되고, 오픈플로우 모듈(10)은 오픈플로우 액세스 포인트(AP)와 제어기의 연결을 담당하고 가상 오픈플로우 액세스 포인트(AP) 생성, 네트워크 트래픽 정보, 대역폭 제어 명령 등의 컨트롤 메시지를 송·수신한다.
그리고 대역폭 할당 모듈(20)은 제어기로부터 받는 대역폭 제어 명령을 수행하기 위한 것으로, 제어기의 대역폭 할당 명령에 포함된 다운링크 비율 정보를 netlink를 통해 MAC 계층에 전달한다. 또한 제어기의 대역폭 할당 명령에 포함된 스테이션의 네트워크 파라미터를 비콘프레임에 포함시킨다.
그리고 패킷 분류 모듈(30)은 가상 네트워크에서 다운링크를 제어하기위해 패킷을 가상 슬라이스별로 분류한다.
분류된 패킷을 기반으로 패킷 스케줄링 모듈(40)에서는 대역폭 할당 모듈(20)로부터 받은 다운링크 비율 정보대로 다운링크 대역폭을 조절한다.
대역폭 분배를 위해 업링크와 다운링크를 제어한다. 업링크는 802.11e 표준에서 QoS 제공을 위한 파라미터 CW(Contention Window)와 TXOP(Transmission Opportunity)를 사용한다.
Figure PCTKR2017001646-appb-M000001
스테이션의 대역폭은 CW와 반비례하고 TXOP와 비례한다. 본 발명에서는 스테이션의 CW는 오픈플로우 액세스 포인트(AP)의 CW를 기준으로 수학식 1을 이용해 계산한다.
Figure PCTKR2017001646-appb-M000002
CW는 2의 제곱수 형태를 갖기 때문에 CW가 증가하면서 줄어든 대역폭 분배비만큼 수학식 2를 이용해 TXOP를 증가시킨다.
다운링크는 멀티큐와 DRR(Deficit Round Robin)알고리즘을 사용한다.
멀티큐는 하나의 큐와 하나의 가상슬라이스가 매칭된다. 가상 슬라이스별 멀티큐를 기반으로 DRR알고리즘을 사용해 다운링크를 제어한다.
동일 가상슬라이스 내에서는 공평한 대역폭 분배를 위해 RR(Round Robin)을 통해 전송한다.
도 3은 본 발명에 따른 트래픽을 고려한 대역폭 제어 동작을 나타낸 구성도이고, 도 4는 본 발명에 따른 확장된 오픈플로우 프로토콜이다.
오픈플로우 액세스 포인트(AP)는 지속적으로 연결된 스테이션의 트래픽을 모니터링하고 수집된 데이터는 OpenFlow 메시지를 통해 SDN 제어기로 전송된다.
SDN 제어기는 오픈플로우 액세스 포인트(AP)로부터 수집된 트래픽정보를 기반으로 알고리즘을 통해 CW, TXOP 값 및 다운링크 비율을 계산한다.
계산된 CW, TXOP 값 및 다운링크 비율은 OpenFlow 메시지를 통해 오픈플로우 액세스 포인트(AP)로 전송된다.
오픈플로우 액세스 포인트(AP)는 다운링크 비율을 설정하고 비콘프레임을 통해 스테이션에 CW와 TXOP 값을 전송한다.
대역폭 제어 알고리즘을 수행하기 위해 OpenFlow 프로토콜을 이용해 제어기에서 오픈플로우 액세스 포인트(AP)와 연결된 스테이션의 트래픽 정보를 수집한다.
또한, 제어기가 오픈플로우 액세스 포인트(AP)에 대역폭 제어 명령을 하달하기 위해서도 확장된 오픈플로우 프로토콜을 이용한다.
확장된 오픈플로우 프로토콜은 도 4에서와 같이 2종류로 구성된다.
첫 번째는 스테이션 트래픽 정보 수집이다. 이 프로토콜은 스테이션의 트래픽량을 바이트 단위로 수집한다. 이를 이용해 주기적으로 제어기에서 트래픽 정보를 수집하고 대역폭 제어 알고리즘을 수행한다.
두 번째는 대역폭 제어 프로토콜이다. 이 프로토콜은 제어기가 대역폭 제어 알고리즘을 수행하고 이를 기반으로 오픈플로우 액세스 포인트(AP)에 대역폭 제어 스테이션별 대역폭 제어 비율을 하달한다.
SDN 기반 무선 가상 네트워크 환경에서 효율적인 리소스 분배를 위해 제어기에서는 트래픽 변화를 고려한 대역폭 제어 알고리즘을 수행한다.
이 대역폭 제어 알고리즘은 2단계로 구성된다.
도 5는 본 발명에 따른 트래픽 기반 대역폭 제어를 위한 제 1 단계 알고리즘이고, 도 6은 본 발명에 따른 트래픽 기반 대역폭 제어를 위한 제 2 단계 알고리즘이다.
전체적인 대역폭 제어 동작 과정 및 메시지 흐름은 도 9에서와 같다.
제 1 단계 알고리즘은 네트워크에 연결된 모든 노드들이 포화 트래픽을 발생시키는 경우 각 가상 슬라이스에 기 정의된 대역폭 분배비에 따라 자원을 할당하는 알고리즘이다.
우선 TXOP를 계산하기 위해 한 프레임 전송을 위한 시간 TXTIME을 정의한다.
uplinkRatioi는 스테이션의 업링크에 할당 할 대역폭 분배비로 스테이션이 속한 가상 슬라이스의 기 정의된 대역폭 분배비를 동일한 가상 슬라이스에 속한 스테이션의 수*2로 나눈 값이다.
즉, 업링크 대역폭 분배비와 다운링크 대역폭 분배비를 공평하게 나누어 준다는 가정으로, 동일한 가상 슬라이스에 속한 스테이션들은 가상 슬라이스의 기 정의된 대역폭 분배비를 공평하게 나누어 갖는다.
downlinkRatioi는 스테이션의 다운링크에 할당 할 대역폭 분배비로 스테이션이 속한 가상 슬라이스의 기 정의된 대역폭 분배비를 동일한 가상 슬라이스에 속한 스테이션의 수*2로 나눈 값이다.
마찬가지로, 동일한 가상 슬라이스에 속한 스테이션들은 가상 슬라이스의 기 정의된 대역폭 분배비를 공평하게 나누어 갖는다.
sumDownLinkRatio는 모든 스테이션의 다운링크에 할당된 대역폭 분배비의 합이다. 즉, 오픈플로우 액세스 포인트(AP)가 트래픽을 송신 대역폭 분배비와 같다.
스테이션의 CW는 오픈플로우 액세스 포인트(AP)의 CW를 기준으로 계산한다.
스테이션의 CW과 오픈플로우 액세스 포인트(AP)의 CW 비, uplinkRatio와 sumDownlinkRatio의 비는 서로 반비례 한다.
도 5 (6번째 줄)에서와 같이 수학식 3에서와 같이 계산할 수 있다.
Figure PCTKR2017001646-appb-M000003
CW는 2의 제곱수 형태를 갖는다.
따라서 CWmini는 CWi값보다 큰 최소 2의 제곱수이다. CW가 증가했기 때문에 할당 할 대역폭 분배비만큼 대역폭을 사용하지 못한다. CW가 증가하면서 줄어든 대역폭 분배비만큼 TXOP를 증가시킨다.(도 5의 8번째줄)
비 포화 트래픽을 발생시키는 스테이션이 존재하는 환경에서도 각 슬라이스에 대역폭이 기존에 할당된 자원분배 비율에 따라 분배하기 위해서 고려해야 할 사항이 있다.
도 6은 알고리즘 2단계로 비 포화 트래픽을 발생시키는 스테이션이 존재하는 환경에서 각 가상 슬라이스에 기 정의된 대역폭 분배비에 따라 자원을 할당하는 알고리즘이다.
오픈플로우 액세스 포인트(AP)가 OpenFlow 제어기에 주기적으로 보고하는 스테이션의 트래픽 모니터링 정보를 기반으로 uplinkRatioi와 downlinkRatioi를 재계산 한다.
우선 비 포화 트래픽을 발생시키는 링크를 찾는다.
비 포화 트래픽을 발생시키는 링크가 업링크라면 해당 스테이션의 다운링크 대역폭 분배비를 업링크가 비 포화된 대역폭 분배비만큼 더 할당해준다.
반대로, 비 포화 트래픽을 발생시키는 링크가 다운링크라면 해당 스테이션의 업링크 대역폭 분배비를 다운링크가 비 포화된 대역폭 분배비만큼 더 할당해준다.
만약, 스테이션의 업링크와 다운링크 모두 비 포화 트래픽을 발생시키는 경우, 비 포화된 대역폭 분배비를 해당 가상 슬라이스의 모든 링크에 공평하게 나누어 준다. 재분배된 대역폭을 기준으로 도 5의 5번 줄 ~ 9번 줄을 수행한다.
이와 같은 알고리즘이 산출한 CWmin과 TXOP 값은 OpenFlow 메시지(BAND_ALLOC_REP)를 통해 오픈플로우 액세스 포인트(AP)로 전송된다.
도 7은 본 발명에 따른 트래픽을 고려한 가상 슬라이스 자원 할당을 나타낸 구성도이다.
이와 같은 본 발명에 따른 SDN 기반 무선 가상 네트워크 환경에서 트래픽 변화를 고려한 대역폭 제어 장치 및 방법은 비 포화 트래픽을 발생시키는 스테이션이 존재하는 경우에도 각 가상 슬라이스에 대역폭이 기존에 할당된 자원분배 비율에 따라 분배를 할 수 있도록 한 것이다.
A2의 업링크 트래픽이 5%만의 대역폭을 사용한다면 나머지 10%의 대역폭 분배비는 도 7에서와 같이, 동일 가상 슬라이스 내에서 사용된다.
즉, 스테이션들의 트래픽이 변화하더라도 각 가상 슬라이스에 할당된 대역폭 비를 유지할 수 있다.
본 발명에 따른 SDN 기반 무선 가상 네트워크 환경에서 트래픽 변화를 고려한 대역폭 제어 방법을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
도 8은 본 발명에 따른 SDN 기반 무선 가상 네트워크 환경에서 트래픽 변화를 고려한 대역폭 제어 방법을 나타낸 플로우 차트이다.
먼저, 연결된 스테이션이 있는가를 판단하고(S801), 연결된 각 스테이션의 txbytes,rxbytes를 주기적으로 SDN 제어기에 보고하면서 네트워크 트래픽 모니터링을 시작한다.(S802)
그리고 가상 네트워크에 기 정의된 대역폭 비율에 따른 파라미터를 결정한다.(S803)
이어, 비포화 트래픽을 발생시키는 스테이션이 있는지를 판단한다.(S804)
비포화 트래픽을 발생시키는 스테이션이 있는 경우에, 트래픽 모니터링 정보를 기반으로 대역폭 제어 파라미터를 결정한다.(S805)
그리고 다운링크 비율 제어를 위하여 비콘프레임을 전송한다.(S806)
그리고 새로 연결된 스테이션이 있는 경우에는(S807) 가상 네트워크에 기 정의된 대역폭 비율에 따른 파라미터를 결정하는 단계를 수행한다.
이상에서 설명한 본 발명에 따른 SDN 기반 무선 가상 네트워크 환경에서 트래픽 변화를 고려한 대역폭 제어 장치 및 방법은 각 가상네트워크의 리소스를 제어하는 것으로, SDN 기술을 활용하여 네트워크의 트래픽 정보를 수집하고 이를 기반으로 업링크와 다운링크를 동적으로 제어할 수 있도록 한 것이다.
이를 위하여, 본 발명은 제어기와 연결 및 추가적인 컨트롤 메시지를 주고받기 위해 오픈플로우 액세스 포인트(AP)의 hostapd에 오픈플로우 모듈(OpenFlow Module)을 추가하여 오픈플로우 액세스 포인트(AP)가 네트워크의 트래픽을 수집하고 상황에 맞게 동적으로 대역폭을 제어할 수 있도록 한다.
이상에서의 설명에서와 같이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 본 발명이 구현되어 있음을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 명시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 하고, 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구 범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
본 발명은 SDN 기반 무선 가상 네트워크에 관한 것으로, 구체적으로 SDN 기술을 활용하여 네트워크의 트래픽 정보를 수집하고 이를 기반으로 각 가상네트워크의 리소스를 효율적으로 제어하는 SDN 기반 무선 가상 네트워크 환경에서 트래픽 변화를 고려한 대역폭 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.

Claims (15)

  1. 오픈플로우 액세스 포인트(AP)의 hostapd(host access point daemon)에 구성되어 오픈플로우 액세스 포인트(AP)가 네트워크의 트래픽을 수집하고 동적으로 대역폭을 제어할 수 있도록 하는 오픈플로우 모듈;
    오픈플로우 액세스 포인트(AP)의 hostapd(host access point daemon)에 구성되어 SDN(Software Defined Networks) 제어기로부터 받는 대역폭 제어 명령을 수행하는 대역폭 할당 모듈;
    오픈플로우 액세스 포인트(AP)의 MAC(Media Access Control)에 구성되어 패킷을 가상 슬라이스별로 분류하여 가상 네트워크에서 다운링크를 제어할 수 있도록 하는 패킷 분류 모듈;
    오픈플로우 액세스 포인트(AP)의 MAC(Media Access Control)에 구성되어 분류된 패킷을 기반으로 대역폭 할당 모듈로부터 받은 다운링크 비율 정보대로 다운링크 대역폭을 조절하는 패킷 스케줄링 모듈;을 포함하는 것을 특징으로 하는 SDN 기반 무선 가상 네트워크 환경에서 트래픽 변화를 고려한 대역폭 제어 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 오픈플로우 모듈은,
    오픈플로우 액세스 포인트(AP)와 SDN(Software Defined Networks) 제어기의 연결을 담당하고 가상 오픈플로우 액세스 포인트(AP) 생성, 네트워크 트래픽 정보, 대역폭 제어 명령의 컨트롤 메시지를 송·수신하는 것을 특징으로 하는 SDN 기반 무선 가상 네트워크 환경에서 트래픽 변화를 고려한 대역폭 제어 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 대역폭 할당 모듈은,
    SDN(Software Defined Networks) 제어기의 대역폭 할당 명령에 포함된 다운링크 비율 정보를 netlink를 통해 MAC(Media Access Control) 계층에 전달하고 제어기의 대역폭 할당 명령에 포함된 스테이션의 네트워크 파라미터를 비콘프레임에 포함시키는 것을 특징으로 하는 SDN 기반 무선 가상 네트워크 환경에서 트래픽 변화를 고려한 대역폭 제어 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 패킷 스케줄링 모듈은,
    대역폭 분배를 위해 업링크와 다운링크를 제어하고, 업링크는 802.11e 표준에서 QoS 제공을 위한 파라미터 CW(Contention Window)와 TXOP(Transmission Opportunity)를 사용하고, 다운링크는 멀티큐와 DRR(Deficit Round Robin)알고리즘을 사용하는 것을 특징으로 하는 SDN 기반 무선 가상 네트워크 환경에서 트래픽 변화를 고려한 대역폭 제어 장치.
  5. 제 4 항에 있어서, 멀티큐는 하나의 큐와 하나의 가상슬라이스가 매칭되고, 가상 슬라이스별 멀티큐를 기반으로 DRR알고리즘을 사용해 다운링크를 제어하고,
    동일 가상슬라이스 내에서는 공평한 대역폭 분배를 위해 RR(Round Robin)을 통해 전송하는 것을 특징으로 하는 SDN 기반 무선 가상 네트워크 환경에서 트래픽 변화를 고려한 대역폭 제어 장치.
  6. 제 4 항에 있어서, 스테이션의 대역폭은 CW와 반비례하고 TXOP와 비례하고, 스테이션의 CW는 오픈플로우 액세스 포인트(AP)의 CW를 기준으로,
    Figure PCTKR2017001646-appb-I000004
    를 이용해 계산하는 것을 특징으로 하는 SDN 기반 무선 가상 네트워크 환경에서 트래픽 변화를 고려한 대역폭 제어 장치.
  7. 제 4 항에 있어서, CW는 2의 제곱수 형태를 갖기 때문에 CW가 증가하면서 줄어든 대역폭 분배비만큼,
    Figure PCTKR2017001646-appb-I000005
    를 이용해 TXOP를 증가시키는 것을 특징으로 하는 SDN 기반 무선 가상 네트워크 환경에서 트래픽 변화를 고려한 대역폭 제어 장치.
  8. 제 1 항에 있어서, SDN(Software Defined Networks) 제어기는,
    오픈플로우 액세스 포인트(AP)에 대역폭 제어 명령을 하달하기 위해서 확장된 오플플로우 프로토콜을 사용하고,
    확장된 오픈플로우 프로토콜은 스테이션의 트래픽량을 바이트 단위로 수집하고 이를 이용해 주기적으로 SDN(Software Defined Networks) 제어기에서 트래픽 정보를 수집하고 대역폭 제어 알고리즘을 수행하는 스테이션 트래픽 정보 수집 프로토콜과,
    SDN(Software Defined Networks) 제어기가 대역폭 제어 알고리즘을 수행하고 이를 기반으로 오픈플로우 액세스 포인트(AP)에 대역폭 제어 스테이션별 대역폭 제어 비율을 하달하는 대역폭 제어 프로토콜인 것을 특징으로 하는 SDN 기반 무선 가상 네트워크 환경에서 트래픽 변화를 고려한 대역폭 제어 장치.
  9. 오픈플로우 액세스 포인트(AP)가 연결된 스테이션의 트래픽을 모니터링하고 수집된 데이터를 오플플로우 메시지를 통해 SDN(Software Defined Networks) 제어기로 전송하는 단계;
    SDN(Software Defined Networks) 제어기에서 오픈플로우 액세스 포인트(AP)로부터 수집된 트래픽정보를 기반으로 CW(Contention Window)와 TXOP(Transmission Opportunity)값 및 다운링크 비율을 계산하는 단계;
    계산된 CW, TXOP 값 및 다운링크 비율을 오픈플로우 메시지를 통해 오픈플로우 액세스 포인트(AP)로 전송하는 단계;
    오픈플로우 액세스 포인트(AP)에서 다운링크 비율을 설정하고 비콘프레임을 통해 스테이션에 CW와 TXOP 값을 전송하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 SDN 기반 무선 가상 네트워크 환경에서 트래픽 변화를 고려한 대역폭 제어 방법.
  10. 제 9 항에 있어서, 트래픽정보를 기반으로 CW, TXOP 값 및 다운링크 비율을 계산하는 단계에서,
    네트워크에 연결된 모든 노드들이 포화 트래픽을 발생시키는 경우 각 가상 슬라이스에 기 정의된 대역폭 분배비에 따라 자원을 할당하는 제 1 단계 알고리즘을 수행하는 것을 특징으로 하는 SDN 기반 무선 가상 네트워크 환경에서 트래픽 변화를 고려한 대역폭 제어 방법.
  11. 제 10 항에 있어서, 제 1 단계 알고리즘은,
    TXOP를 계산하기 위해 한 프레임 전송을 위한 시간 TXTIME을 정의 단계와,
    스테이션의 업링크에 할당할 대역폭 분배비(uplinkRatioi)가 스테이션이 속한 가상 슬라이스의 기 정의된 대역폭 분배비를 동일한 가상 슬라이스에 속한 스테이션의 수*2로 나눈 값이 되도록 하는 단계와,
    스테이션의 다운링크에 할당할 대역폭 분배비(downlinkRatioi)가 스테이션이 속한 가상 슬라이스의 기 정의된 대역폭 분배비를 동일한 가상 슬라이스에 속한 스테이션의 수*2로 나눈 값이 되도록 하는 단계와,
    모든 스테이션의 다운링크에 할당된 대역폭 분배비의 합(sumDownLinkRatio)이 오픈플로우 액세스 포인트(AP)가 트래픽을 송신하는 대역폭 분배비와 같도록 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 SDN 기반 무선 가상 네트워크 환경에서 트래픽 변화를 고려한 대역폭 제어 방법.
  12. 제 9 항에 있어서, 스테이션의 CW는 오픈플로우 액세스 포인트(AP)의 CW를 기준으로 계산하고,
    스테이션의 CW과 오픈플로우 액세스 포인트(AP)의 CW 비, uplinkRatio와 sumDownlinkRatio의 비는 서로 반비례하고,
    Figure PCTKR2017001646-appb-I000006
    으로 계산되어, CW는 2의 제곱수 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 SDN 기반 무선 가상 네트워크 환경에서 트래픽 변화를 고려한 대역폭 제어 방법.
  13. 제 12 항에 있어서, 최소 CW값(CWmini)은 CWi값보다 큰 최소 2의 제곱수이고,
    CW가 증가했기 때문에 할당할 대역폭 분배비만큼 대역폭을 사용하지 못하고, CW가 증가하면서 줄어든 대역폭 분배비만큼 TXOP를 증가시키는 것을 특징으로 하는 SDN 기반 무선 가상 네트워크 환경에서 트래픽 변화를 고려한 대역폭 제어 방법.
  14. 제 9 항에 있어서, 트래픽정보를 기반으로 CW, TXOP 값 및 다운링크 비율을 계산하는 단계에서,
    비 포화 트래픽을 발생시키는 스테이션이 존재하는 환경에서 각 가상 슬라이스에 기 정의된 대역폭 분배비에 따라 자원을 할당하는 제 2 단계 알고리즘을 수행하는 것을 특징으로 하는 SDN 기반 무선 가상 네트워크 환경에서 트래픽 변화를 고려한 대역폭 제어 방법.
  15. 제 14 항에 있어서, 제 2 단계 알고리즘은,
    오픈플로우 액세스 포인트(AP)가 SDN(Software Defined Networks) 제어기에 주기적으로 보고하는 스테이션의 트래픽 모니터링 정보를 기반으로 uplinkRatioi와 downlinkRatioi를 재계산하기 위하여,
    비 포화 트래픽을 발생시키는 링크를 찾는 단계와,
    비 포화 트래픽을 발생시키는 링크가 업링크라면 해당 스테이션의 다운링크 대역폭 분배비를 업링크가 비 포화된 대역폭 분배비만큼 더 할당하는 단계와,
    비 포화 트래픽을 발생시키는 링크가 다운링크라면 해당 스테이션의 업링크 대역폭 분배비를 다운링크가 비 포화된 대역폭 분배비만큼 더 할당하는 단계와,
    스테이션의 업링크와 다운링크 모두 비 포화 트래픽을 발생시키는 경우, 비 포화된 대역폭 분배비를 해당 가상 슬라이스의 모든 링크에 공평하게 나누는 단계와,
    산출한 CWmin과 TXOP 값은 OpenFlow 메시지(BAND_ALLOC_REP)를 통해 오픈플로우 액세스 포인트(AP)로 전송하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 SDN 기반 무선 가상 네트워크 환경에서 트래픽 변화를 고려한 대역폭 제어 방법.
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