[논문 리뷰] Impact of SDN Controllers Deployment on Network Availability

Gianfranco Nencioni, Bjarne E. Helvik외 3명|arXiv (Cornell University)|2017. 03. 16.

Software-Defined Networks and 5G참고 문헌 6인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 국가 기반망에서 소프트웨어 정의 네트워킹(SDN) 컨트롤러 배치—특히 컨트롤러의 다중화, 홈링크 및 위치—가 네트워크 가용성에 미치는 영향을 평가한다. 구조적 신뢰성 모델과 동적 신뢰성 모델을 조합한 이중 계층 계층적 모델링 접근법을 사용하여, 이 연구는 이중 홈링크 컨트롤러를 두 대 사용할 경우 전통적인 IP 라우팅 네트워크와 유사한 가용성을 확보할 수 있음을 발견했다. 반면 삼중 또는 사중 홈링크는 가용성 향상에 기여하지 않지만 비용은 크게 증가한다. 세 대 또는 네 대의 컨트롤러는 불가용성을 두 계단 정도 감소시키지만 높은 구축 비용을 수반하며, 컨트롤러의 위치는 가용성에 미치는 영향이 거의 없음을 확인했다.

ABSTRACT

Software-defined networking (SDN) promises to improve the programmability and flexibility of networks, but it may bring also new challenges that need to be explored. The purpose of this technical report is to assess how the deployment of the SDN controllers affects the overall availability of SDN. For this, we have varied the number, homing and location of SDN controllers. A two-level modelling approach that is used to evaluate the availability of the studied scenarios. Our results show how network operators can use the approach to find the optimal cost implied by the connectivity of the SDN control platform by keeping high levels of availability.

연구 동기 및 목표

• SDN 컨트롤러의 수, 홈링크, 위치가 종단 간 네트워크 가용성에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 유사한 구조를 가진 전통적인 IP 라우팅 네트워크와 비교하여 SDN의 가용성을 평가하기 위해.
• 고가용성 유지와 동시에 구축 오버헤드를 최소화하는 비용 효율적인 구성 요건을 규명하기 위해.
• SDN 제어 평면 설계에서 고장 내성, 다중화 및 운영 비용 간의 트레이드오프를 평가하기 위해.

제안 방법

• 구조적 구조와 동적 장애 행동을 분리하는 이중 계층 계층적 가용성 모델링 접근법을 사용한다.
• 구조적 모델은 신뢰성 블록 다이어그램 또는 장애 트리 모델을 사용하여 구성 요소 간의 상호의존성과 고장 모드를 표현한다.
• 동적 모델은 마르코프 모델 또는 스토케스틱 리워드 네트워크를 사용하여 네트워크 요소 및 컨트롤러의 고장 및 복구 과정을 기록한다.
• 실패 강도는 소프트웨어, 하드웨어, 운영 및 유지보수(O&M), 커버리지 관련 고장률을 나타내는 $\alpha$ 요소($\alpha_S$, $\alpha_H$, $\alpha_O$, $\alpha_C$)로 매개변수화된다.
• 모델은 노르웨이의 네 도시에 걸쳐 10개 노드로 구성된 실제 국가 기반망에 적용되었으며, 이중 홈링크 및 다중 홈링크 컨트롤러를 포함한다.
• 시나리오는 컨트롤러 수(1~4대), 홈링크 수(단일, 이중, 삼중, 사중), 위치를 다양화하여 가용성 영향을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 SDN 컨트롤러의 수가 국가 기반망의 전체 가용성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 컨트롤러의 홈링크 수(단일, 이중, 삼중, 사중)가 네트워크 가용성과 구축 비용에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 SDN 컨트롤러의 지리적 위치가 대규모 기반망에서 네트워크 가용성에 영향을 미치는가?
• RQ4 유사한 구조와 고장 모델 하에서 SDN의 가용성은 전통적인 IP 라우팅 네트워크와 비교해 어떻게 되는가?
• RQ5 컨트롤러의 다중화, 가용성 및 구축 비용 간 최적의 트레이드오프는 무엇인가?

주요 결과

• 단일 홈링크 컨트롤러는 이중 홈링크 구성 대비 불가용성을 10배 증가시켜 심각한 가용성 리스크를 드러낸다.
• 이중 홈링크 컨트롤러를 두 대 사용할 경우 전통적인 IP 네트워크와 유사한 수준의 가용성을 달성하며, 이는 실현 가능하고 비용 효율적인 옵션이다.
• 삼중 또는 사중 홈링크 컨트롤러는 이중 홈링크보다 유의미한 가용성 향상 효과가 없지만 구축 비용은 크게 증가한다.
• 세 대 또는 네 대의 이중 홈링크 컨트롤러는 두 대의 컨트롤러 대비 불가용성을 두 계단 정도 감소시키며, 전통적인 IP 네트워크 대비 역시 두 계단 정도 감소시키지만 높은 비용이 수반된다.
• 컨트롤러의 위치는 전체 네트워크 가용성에 측정 가능한 영향을 미치지 않으며, 이는 신뢰성 손실 없이 비용 또는 지연 시간 최적화를 위해 배치를 조정할 수 있음을 시사한다.
• 연구는 다중 컨트롤러를 통한 다중화가 컨트롤러당 홈링크 수를 늘리는 것보다 가용성 향상에 더 효과적임을 확인했다.