[논문 리뷰] ContentFlow: Mapping Content to Flows in Software Defined Networks

Abhishek Chanda, Cédric Westphal|arXiv (Cornell University)|2013. 02. 06.

Caching and Content Delivery참고 문헌 10인용 수 23

한 줄 요약

ContentFlow는 기존 IP 인fra구조 위에서 콘텐츠 이름을 IP 흐름으로 매핑하기 위해 수정된 OpenFlow 컨트롤러를 사용하는 하이브리드 SDN-ICN 아키텍처를 제안한다. 이는 콘텐츠 기반 라우팅, 캐싱 및 정책 관리를 가능하게 하며, 수정되지 않은 클라이언트와 서버 사이에서 투명하게 작동한다. 실제 구현을 통해 콘텐츠 인식 네트워크 제어가 최종 호스트나 기반 스위치를 변경하지 않고도 가능하다는 것을 입증한다.

ABSTRACT

Information-Centric Networks place content as the narrow waist of the network architecture. This allows to route based upon the content name, and not based upon the locations of the content consumer and producer. However, current Internet architecture does not support content routing at the network layer. We present ContentFlow, an Information-Centric network architecture which supports content routing by mapping the content name to an IP flow, and thus enables the use of OpenFlow switches to achieve content routing over a legacy IP architecture. ContentFlow is viewed as an evolutionary step between the current IP networking architecture, and a full fledged ICN architecture. It supports content management, content caching and content routing at the network layer, while using a legacy OpenFlow infrastructure and a modified controller. In particular, ContentFlow is transparent from the point of view of the client and the server, and can be inserted in between with no modification at either end. We have implemented ContentFlow and describe our implementation choices as well as the overall architecture specification. We evaluate the performance of ContentFlow in our testbed.

연구 동기 및 목표

• 기존 IP 인프라 위에서 흐름 기반 SDN과 콘텐츠 기반 ICN 사이의 의미적 격차를 해소하기 위해 콘텐츠 인식 네트워크 제어를 가능하게 한다.
• 클라이언트나 서버를 수정하지 않고 네트워크 계층의 콘텐츠 라우팅, 캐싱 및 정책 관리를 가능하게 한다.
• HTTP 헤더 기반 콘텐츠 식별과 중앙 집중식 컨트롤러 논리로 콘텐츠 인식 흐름 관리를 위한 OpenFlow 확장을 수행한다.
• SDN과 통합된 투명한 분산 캐싱 시스템을 구현하여 지연 시간과 확장성을 향상시킨다.
• HTTP 워크로드를 사용한 실제 테스트베드에서 콘텐츠 기반 포워딩의 성능 및 확장성을 평가한다.

제안 방법

• 콘텐츠 이름(예: HTTP 헤더에서 유래)을 네트워크 흐름으로 매핑하는 중앙 집중식 콘텐츠 관리 레이어를 유지하기 위해 OpenFlow 컨트롤러를 확장한다.
• 소스/대상 IP, 포트 등의 TCP 및 IP 메타데이터를 콘텐츠 이름과 결합하여 각 콘텐츠 요청에 대해 고유한 가상 흐름을 생성한다.
• 콘텐츠 이름과 포트를 사용해 디멀티플렉싱 및 캐싱 결정을 수행하는 콘텐츠 인식 스위치를 사용하는 프록시 기반 아키텍처를 구현한다.
• 프록시에 블룸 필터를 도입하여 로컬으로 이용 가능한 콘텐츠 목록을 캐싱함으로써 컨트롤러 룩업 횟수를 줄인다.
• 콘텐츠가 네트워크 프록시에서 캐시되어 반복 요청 시 종단 간 지연 시간이 감소하는 투명한 캐싱 메커니즘을 설계한다.
• 프로그래밍 가능한 컨트롤러를 사용해 콘텐츠 유형 기반 캐싱 규칙 및 QoS 차등화 정책과 같은 콘텐츠 기반 정책을 시행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기존 SDN 인프라를 활용해 기존 IP 네트워크에서 콘텐츠 기반 라우팅 및 캐싱을 어떻게 구현할 수 있는가?
• RQ2 최종 호스트나 스위치를 수정하지 않고도 콘텐츠 인식 네트워크 제어를 투명하게 달성할 수 있는가?
• RQ3 콘텐츠 매핑 및 프록시 처리의 성능 오버헤드는 직접 클라이언트-서버 통신 대비 얼마나 되는가?
• RQ4 캐싱이 종단 간 지연 시간과 네트워크 효율성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 낮은 지연 시간과 높은 처리량을 유지하면서도 대량의 콘텐츠 요청을 관리할 수 있는가?

주요 결과

• ContentFlow는 프록시에서 캐싱을 통해 반복적인 콘텐츠 요청의 종단 간 지연 시간을 줄이며, 케이스 3(프록시 + 캐시)는 케이스 2(프록시만)보다 지연 시간이 낮게 나타났다. 이는 프록시 처리 지연이 무시할 수 있을 정도로 낮다고 가정할 때 성립한다.
• 콘텐츠 크기가 5KB를 초과할 경우 파일 전송 지연(F(A,B))가 프록시 처리 지연(Delay(Proxy))를 압도하여 캐싱 이득이 뚜렷하다.
• 프록시가 과부하가 걸릴 경우 케이스 2와 케이스 3의 지연 시간이 케이스 1(직접 액세스)의 지연 시간을 초과할 수 있으며, 이는 프록시의 부하 최적화가 필요함을 시사한다.
• 인기 콘텐츠에 대해 정적 규칙를 사용하거나 프록시에 블룸 필터를 도입하면 컨트롤러 룩업 오버헤드가 감소하고 확장성 향상에 기여한다.
• 이 아키텍처는 다수의 클라이언트, 다수의 서버, 클라이언트당 다중 동시 콘텐츠 스트림을 포함한 복잡한 시나리오를 성공적으로 지원하며, 각각을 가상 흐름 쌍으로 처리한다.
• 실제 구현을 통해 기존 IP 인프라 위에서 컨트롤러와 프록시의 수정만으로도 콘텐츠 기반 네트워크 제어가 가능함을 입증하였다. 최종 호스트나 스위치의 변경 없이도 가능하다.