[논문 리뷰] Reinventing NetFlow for OpenFlow Software-Defined Networks

José Suárez‐Varela, Pere Barlet‐Ros|arXiv (Cornell University)|2017. 02. 22.

Software-Defined Networks and 5G참고 문헌 8인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 스위치 테이블 오버헤드와 컨트롤러 부하를 줄이기 위해 흐름 샘플링을 사용하여 NetFlow/IPFIX를 모방하는 확장성 있고 OpenFlow 호환성 있는 흐름 모니터링 솔루션을 제안한다. IP 접미사 기반, 포트 쌍 기반, 해시 기반 버킷화 기반의 세 가지 샘플링 방법을 구현하여 실제 트레이스에서 낮은 중복 트래픽(3.1% 미만의 바이트 수준)과 높은 정확도를 입증하였으며, OpenFlow 스위치를 수정하지 않고도 효율적인 SDN 모니터링을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Obtaining flow-level measurements, similar to those provided by Netflow/IPFIX, with OpenFlow is challenging as it requires the installation of an entry per flow in the flow tables. This approach does not scale well with the number of concurrent flows in the traffic as the number of entries in the flow tables is limited and small. Flow monitoring rules may also interfere with forwarding or other rules already present in the switches, which are often defined at different granularities than the flow level. In this paper, we present a transparent and scalable flow-based monitoring solution that is fully compatible with current off-the-shelf OpenFlow switches. As in NetFlow/IPFIX, we aggregate packets into flows directly in the switches and asynchronously send traffic reports to an external collector. In order to reduce the overhead, we implement three different traffic sampling methods depending on the OpenFlow features available in the switch. We developed our complete flow monitoring solution within OpenDaylight and evaluated its accuracy in a testbed with Open vSwitch. Our experimental results using real-world traffic traces show that the proposed sampling methods are accurate and can effectively reduce the resource requirements of flow measurements in OpenFlow.

연구 동기 및 목표

• 제한된 TCAM 엔트리와 처리 능력으로 인해 OpenFlow 스위치에서 흐름 단위 모니터링의 확장성 한계를 해결하기 위해.
• OpenFlow 사양을 수정하지 않고도 NetFlow/IPFIX 유사한 트래픽 측정을 가능하게 하기 위해.
• 적응형 흐름 샘플링 기법을 통해 컨트롤러 오버헤드와 중복 트래픽을 줄이기 위해.
• 실제 트래픽 워크로드 하에서 샘플링 방법의 정확도와 효율성을 평가하기 위해.
• 오프더쇼프 OpenFlow 스위치와 호환되는 투명하고 구현 가능한 모니터링 솔루션을 제공하기 위해.

제안 방법

• 솔루션은 OpenFlow 스위치 내부에서 패킷을 흐름으로 집계하고, 중심 수집기로 비동기식으로 트래픽 보고서를 전송함으로써 NetFlow/IPFIX를 모방한다.
• 세 가지 샘플링 방법을 구현: (1) IP 접미사 기반 샘플링, (2) 소스/대상 포트 쌍 기반 샘플링, (3) 가중치 설정이 가능한 해시 기반 버킷화.
• 스위치 부하에 기반해 샘플링 비율을 적응적으로 조정하여 흐름 엔트리 수를 제어하며, 동적 비율 제어를 위한 공식 (1), (2), (3)을 사용한다.
• 타임아웃을 사용하여 흐름 레코드의 만료 및 보고를 유도하며, 각 샘플된 흐름당 통계(패킷 수, 바이트 수, 지속 시간)를 저장한다.
• OpenDaylight에 구현되어 MAWI 및 CAIDA의 실제 트래픽 트레이스를 사용하여 평가되었으며, 강건성 테스트를 위해 합성 무작위화를 적용하였다.
• 흐름 엔트리 설치 지연(1–100 ms)을 시뮬레이션하여 중복 패킷 및 바이트 오버헤드를 측정하였으며, 영향이 미미함을 확인하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 제한된 TCAM 및 처리 자원을 가진 OpenFlow 스위치에서 어떻게 흐름 수준의 모니터링을 확장성 있게 구현할 수 있는가?
• RQ2 SDN 환경에서 컨트롤러 오버헤드를 최소화하면서 측정 정확도를 유지하는 데 가장 적합한 샘플링 전략은 무엇인가?
• RQ3 흐름 샘플링은 흐름 단위 모니터링에 비해 중복 트래픽과 자원 소비 측면에서 어떻게 비교되는가?
• RQ4 OpenFlow 사양을 수정하지 않고도 샘플링 방법을 구현할 수 있으며, 일반 소비자용 스위치와 호환될 수 있는가?
• RQ5 흐름 엔트리 설치 지연이 컨트롤러에서 중복 패킷 보고에 미치는 영향은 무엇인가?

주요 결과

• 100ms 지연 시 TCP 트래픽에서 흐름당 평균 중복 패킷 수는 20ms 이하 지연 시 0.2 미만에서 약 1.2로 증가한다.
• TCP 트래픽에서 컨트롤러로 전송된 중복 바이트 비율은 20ms 이하 지연 시 0.8% 미만에서 100ms 지연 시 3.1%로 증가하나, 여전히 낮은 오버헤드를 보인다.
• UDP 트래픽은 단일 패킷 흐름(예: DNS)의 빈도가 높아 TCP에 비해 중복 패킷 및 바이트 오버헤드가 크게 낮다.
• IP 접미사 기반 및 포트 쌍 기반 샘플링 방법은 높은 정확도를 달성하였으며, 테스트된 모든 샘플링 비율(1/64에서 1/1024)에서 가중 평균 상대 오차(WMRD)가 10% 이하였다.
• 해시 기반 샘플링 방법은 버킷 가중치 재구성 기능을 통해 동적 부하 적응이 가능하며, 활성 흐름 엔트리 수를 효과적으로 제어할 수 있다.
• 제안된 솔루션은 스위치 테이블 압박과 컨트롤러 부하를 줄이면서도 측정 정밀도를 유지하여 실제 SDN 환경 구현에 적합하다.