[논문 리뷰] A Cost-based Placement Algorithm for Multiple Virtual Security Appliances in Cloud using SDN: MO-UFLP(Multi-Ordered Uncapacitated Facility Location Problem)

Prajeesh Murukan, Dana Jamaluddine외 3명|arXiv (Cornell University)|2016. 02. 26.

IoT and Edge/Fog Computing참고 문헌 1인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 SDN를 사용한 클라우드 네트워크에서 다중 가상 보안 애플라이언스를 위한 비용 기반 배치 알고리즘인 MO-UFLP를 제안한다. 이는 Bouet의 단일 애플라이언스 UFLP 접근 방식을 다중이고 순서가 지정된 보안 기능을 처리할 수 있도록 확장한 것으로, 최소화된 애플라이언스 수, 네트워크 부하 및 분 析되지 않은 흐름을 고려하여 최적화하는 데 유전 알고리즘을 사용한다. OpenStack 및 OpenDaylight를 통한 통합은 시뮬레이션 및 실제 네트워크 구조에서의 확장성과 비용 효율성을 입증하였다.

ABSTRACT

Software Defined Networking (SDN), has introduced many advanced platforms for managing networks and adopting different security tools with them, but the cost of these platforms should be considered as well. In this paper, we present an extension of the existing approach to the optimal placement of virtual security appliances in a pre-defined network setting. The approach proposed by Bouet [1] only considered one security appliance, we extended his approach to several virtual security appliances. We conducted several simulation tests showing good performances of our approach. To show the feasibility, we implemented our approach using SDN and virtual security appliances and integrated it into OpenStack. This extension adapts UFLP algorithm to real world situations where several middle boxes need to be deployed to satisfy security needs for the applications deployed in the cloud. We realized this approach by implementing "OpenStack on top of OpenStack" , a nested OpenStack implementation with OpenDayLight as the SDN controller .

연구 동기 및 목표

• 기존의 UFLP 기반 접근 방식이 단일 보안 애플라이언스만 처리할 수 있는 한계를 해결하기 위해, 다중 가상 보안 애플라이언스를 지원하도록 모델을 확장한다.
• 다양한 유형의 보안 애플라이언스 간의 설치 순서를 반영하여 실제 보안 파이프라인 요구사항을 반영한다.
• 애플라이언스 수, 흐름 리디렉션으로 인한 네트워크 부하, 분 析되지 않은 흐름을 종합적으로 최적화하여 총 배치 비용을 최소화한다.
• SDN 및 OpenStack을 사용하여 실제 클라우드 환경에서 알고리즘을 구현하고 검증하여 실현 가능성과 성능을 입증한다.

제안 방법

• 단일 애플라이언스 UFLP를 다중 순서 기반 UFLP(MO-UFLP) 모델로 확장하여 다중이고 순서가 지정된 보안 애플라이언스 유형을 지원한다.
• NP-난이도의 MO-UFLP 문제를 해결하기 위해 유전 알고리즘 프레임워크(JGAP)를 적용하여 여러 세대에 걸쳐 해를 진화시킨다.
• 노드(호스트)와 링크(경로)로 구성된 가중치가 부여된 그래프로 클라우드 네트워크를 표현하며, 링크의 가중치는 대역폭과 비용을 반영한다.
• 알고리즘의 출력을 읽는 커스터마이즈드 자바 기반 스케줄러를 사용하여 VM을 자동 생성하고, OpenDaylight의 흐름 규칙을 구성하며, 네트워크 토폴로지 설정을 수행한다.
• 중첩된 OpenStack 아키텍처를 구현: 레이어-0(물리적 블레이드)가 레이어-1(가상화된 OpenStack)을 호스팅하며, OpenDaylight를 SDN 컨트롤러로 사용한다.
• 실제 테스트베드에 MO-UFLP의 출력을 통합하여 동적 트래픽 리디렉션 및 애플라이언스 배치를 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 애플라이언스 대신 다중이고 순서가 지정된 가상 보안 애플라이언스를 지원하기 위해 UFLP 모델을 어떻게 확장할 수 있는가?
• RQ2 다양한 유형의 애플라이언스 순서를 고려할 경우 전체 배치 비용과 네트워크 효율성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 유전 알고리즘이 다중 애플라이언스 환경에서 애플라이언스 수, 네트워크 부하, 분 析되지 않은 흐름 간의 트레이드오프를 효과적으로 최적화할 수 있는가?
• RQ4 제안된 MO-UFLP 접근 방식은 피트트리 및 무작위 그래프와 같은 합성 및 실제 네트워크 토폴로지에서 어떻게 성능을 발휘하는가?
• RQ5 MO-UFLP 알고리즘은 SDN 및 OpenStack을 사용하여 실제 클라우드 인프라에 얼마나 잘 통합될 수 있는가?

주요 결과

• MO-UFLP 알고리즘은 애플라이언스 수와 네트워크 부하 간의 균형을 맞추어 다중 가상 보안 애플라이언스의 총 배치 비용을 성공적으로 감소시켰다.
• 무작위 그래프 및 피트트리 토폴로지에서의 시뮬레이션 결과, 애플라이언스 수와 네트워크 부하 사이의 유리한 트레이드오프를 달성하였으며, 실행 시간이 짧았다(예: 작은 그래프의 경우 <100ms).
• OpenStack 위에 OpenStack을 구축하는 방식의 중첩 아키텍처는 적절한 VM 및 네트워크 구성으로 확장 가능한 중첩 클라우드 환경을 성공적으로 생성하였다.
• 커스터마이즈드 자바 스케줄러는 MO-UFLP 출력을 정확히 해석하여 VM을 생성하고, 보안 애플라이언스를 할당하며, OpenDaylight 흐름 규칙을 설정하여 트래픽 리디렉션을 수행하였다.
• OpenDaylight 통합을 통해 동적이고 프로그래머블한 트래픽 조정이 가능해졌으며, 이는 실제 SDN 기반 클라우드 환경에서의 접근 방식의 실현 가능성을 확인하였다.
• 이 방법은 다양한 네트워크 토폴로지에서 확장성과 적응성을 입증하였으며, 복잡한 보안 파이프라인 배치를 지원하였다.