[논문 리뷰] A Comprehensive Study on Load Balancers for VNF chains Horizontal Scaling

Jiefei Ma, Windhya Rankothge외 4명|arXiv (Cornell University)|2018. 10. 08.

Software-Defined Networks and 5G참고 문헌 7인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 가상 네트워크 기능(VNF) 체인의 수평 확장성을 보장하면서도 VNF 코드를 수정하지 않고도 상태 기반의 연결 인식형 로드 밸런싱 아키텍처를 제안한다. 마스터 및 슬레이브 로드 밸런서를 사용하고 해시 기반 세션 애फ니티를 통해 양방향 흐름 일致성을 유지하며, OpenFlow와 VLAN 태그를 사용한 프로토타입 구현을 통해 스케일링 이벤트 시 3초 미만의 트래픽 재균형을 달성한다.

ABSTRACT

We present an architectural design and a reference implementation for horizontal scaling of virtual network function chains. Our solution does not require any changes to network functions and is able to handle stateful network functions for which states may depend on both directions of the traffic. We use connection-aware traffic load balancers based on hashing function to maintain mappings between connections and the dynamically changing network function chains. Our references implementation uses OpenFlow switches to route traffic to the assigned network function instances according to the load balancer decisions. We conducted extensive simulations to test the feasibility of the architecture and evaluate the performance of our implementation.

연구 동기 및 목표

• 기존 VNF에 대한 수정 없이 VNF 체인의 수평 확장을 가능하게 하기 위해.
• 세션 상태가 양방향 트래픽에 모두 의존하는 상태 기반 네트워크 기능에서 이중 방향 트래픽 애फ니티를 유지하기 위해.
• VNF 인스턴스의 동적 스케일링(추가/제거)을 최소한의 교란과 균일한 부하 분포로 지원하기 위해.
• OpenFlow와 VLAN 태그를 사용하여 패킷 식별 및 전달을 위한 확장성 있고 일반적인 아키텍처를 설계하기 위해.
• 실제 VNF인 Snort와 Bro를 사용한 프로토타입 구현을 통해 타당성과 성능을 입증하기 위해.

제안 방법

• 외부 트래픽에는 마스터 로드 밸런서, 돌아오는 트래픽에는 슬레이브 로드 밸런서를 사용하며, 둘 다 일관된 해시를 사용해 연결을 VNF 체인에 매핑한다.
• 데이터 플레인에서 VNF 인스턴스의 올바른 순서로 트래픽를 라우팅하기 위해 VLAN 태그를 패킷 식별자로 사용한다.
• 세션 애फ니티와 로드 밸런싱을 유지하면서도 VNF 인스턴스를 동적으로 추가하거나 제거할 수 있는 알고리즘을 도입한다.
• 로드 밸런서의 패킷 태깅 논리를 기반으로 전달 결정을 내리는 OpenFlow 스위치에 의존한다.
• 프로토타입에서 고처리량 패킷 캡처 및 태깅을 위해 PF_RING를 사용하여 약 366 Mbps의 로드 밸런서 처리량을 달성한다.
• 로드 밸런서를 쌍으로 배치하여 체인의 전략적 지점에서 개별 VNF나 서브체인을 선택적으로 스케일링할 수 있도록 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 VNF 코드를 수정하지 않고 VNF 체인을 어떻게 수평으로 확장할 수 있는가?
• RQ2 상태 기반 VNF를 스케일링할 때 이중 방향 세션 애फ니티를 어떻게 유지할 수 있는가?
• RQ3 VNF 인스턴스를 추가하거나 제거할 때 일관되고 균일한 부하 분포를 보장하는 메커니즘은 무엇인가?
• RQ4 동적 스케일링 중 트래픽 재균형의 성능 오버헤드와 지연 시간은 얼마나 되는가?
• RQ5 표준 소프트웨어 정의 네트워크(SDN) 구성 요소를 사용하여 일반적이고 침입성이 없는 로드 밸런싱 솔루션을 어떻게 구현할 수 있는가?

주요 결과

• PF_RING와 OpenFlow 스위치를 사용한 프로토타입에서 로드 밸런서 처리량은 약 366 Mbps, 전체 시스템 처리량은 465 Mbps를 달성했다.
• VNF 인스턴스를 추가하거나 제거할 때 트래픽 재균형이 3초 미만으로 완료되어 저지연 스케일링을 입증했다.
• VNF 인스턴스가 동적으로 스케일링되더라도 양방향 트래픽 모두에서 연결 애फ니티를 성공적으로 유지했다.
• 로드 밸런서 쌍을 체인의 전략적 지점에 배치하여 개별 VNF나 서브체인을 선택적으로 스케일링할 수 있도록 아키텍처를 지원한다.
• VLAN 태그의 사용으로 추가 VNF 체인당 두 개의 태그만으로도 효율적인 패킷 식별이 가능해졌으며, 스위치 규칙 오버헤드를 최소화했다.
• 기존 솔루션인 OpenNF나 E2와 달리 VNF 코드 수정이나 복잡한 상태 마이그레이션을 피할 수 있었다.