[논문 리뷰] SDN for End-Nodes: Scenario Analysis and Architectural Guidelines

Alberto Rodríguez-Natal, Vina Ermagan외 5명|arXiv (Cornell University)|2018. 03. 16.

Software-Defined Networks and 5G참고 문헌 12인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 인터넷 전역의 수백만 개의 일시적이고 이동 가능한 엔드노드(예: 스마트폰)를 관리하기 위한 탈중앙화되고 의도 기반인 SDN 아키텍처를 제안한다. 확장성, 이동성, 자원 제약을 해결하기 위해 연결 없는, 풀 기반의 사우스바운드 인터페이스와 대칭 컨트롤러 설계를 도입하였으며, 성능 검증을 위해 프로토타입을 구축하여 상태 검색 및 구성 업데이트에 대해 100ms 미만의 지연 시간을 확보하였다.

ABSTRACT

The advent of SDN has brought a plethora of new architectures and controller designs for many use-cases and scenarios. Existing SDN deployments focus on campus, datacenter and WAN networks. However, little research efforts have been devoted to the scenario of effectively controlling a full deployment of end-nodes (e.g. smartphones) that are transient and scattered across the Internet. In this paper, we present a rigorous analysis of the challenges associated with an SDN architecture for end-nodes, show that such challenges are not found in existing SDN scenarios, and provide practical design guidelines to address them. Then, and following these guidelines we present a reference architecture based on a decentralized, distributed and symmetric controller with a connectionless pull-oriented southbound and an intent-driven northbound. Finally, we measure a proof-of-concept deployment to assess the validity of the analysis as well as the architecture.

연구 동기 및 목표

• 스마트폰 및 개인 기기와 같은 엔드노드를 위한 SDN 제어에 관한 연구 부족을 보완하기 위해.
• 대규모 스케일, 높은 교체율, 이동성, 이질성, 낮은 트래픽 국소화성 등 엔드노드 SDN 구현의 고유한 과제를 규명하기 위해.
• 기존 데이터센터나 WAN에서의 전통적 SDN과 다름을 고려해 엔드노드 제약 조건에 맞는 설계 지침을 수립하기 위해.
• 대규모로 동적으로 엔드노드를 관리할 수 있고 낮은 지연 시간을 보장하는 참조 아키텍처를 제안하고 검증하기 위해.

제안 방법

• 전 세계적으로 분산된 엔드노드에서의 확장성과 장애 내성 향상을 위해 탈중앙화되고 대칭적인 컨트롤러 아키텍처를 설계하기 위해.
• 상태 동기화 오버헤드를 줄이고 간헐적인 연결을 지원하기 위해 연결이 없는, 풀 기반의 사우스바운드 인터페이스를 구현하기 위해.
• 정책 구성의 추상화와 고수준의 애플리케이션 기반 제어를 가능하게 하기 위해 의도 기반의 노스바운드 인터페이스를 채택하기 위해.
• 제어 상태를 컨트롤러에서 분리하기 위해 분산 데이터베이스(Cassandra)를 사용해 지속적 상태 저장을 수행하기 위해.
• 구성 교환을 위해 NETCONF을 사용하고 상태 영속성을 위해 Cassandra를 활용한 프로토타입을 개발하기 위해.
• 엔드노드 상태 검색, 구성 업데이트, 엔드노드 부트스트랩 프로세스에 대한 지연 시간의 CDF 측정을 통해 성능을 평가하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다양하고 통제되지 않은 네트워크를 통해 수백만 개의 일시적이고 이동 가능한 엔드노드를 효과적으로 관리하기 위해 SDN을 어떻게 확장할 수 있는가?
• RQ2 기존의 SDN 컨트롤러와 비교해 볼 때 엔드노드의 높은 교체율, 이동성, 간헐적인 연결성을 다루기 위해 어떤 아키텍처 패턴이 필요한가?
• RQ3 엔드노드 네트워크에서 중심 집중식 제어가 없는 상황에서 탈중앙화되고 대칭적인 컨트롤러 설계가 가용성과 확장성을 어떻게 보장할 수 있는가?
• RQ4 엔드노드 SDN에서 상태 동기화를 위해 풀 기반의 연결 없는 사우스바운드 인터페이스를 사용할 경우 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 의도 기반의 노스바운드 인터페이스는 이질적이고 자원 제약이 있는 엔드노드 간의 정책 관리를 얼마나 단순화할 수 있는가?

주요 결과

• 프로토타입 검증 결과, 엔드노드의 상태 검색 지연 시간 평균은 약 100ms이며, 지리적 거리(유럽, 미국 서부, 미국 동부)에 따라 세 군데로 군집화되어 나타났다.
• 노스바운드 상태 업데이트 지연 시간은 엔드노드 전송 지연를 제거함으로써 사우스바운드 검색보다 약 50ms 빠르며, NIB 크기 변화에 따라 거의 변하지 않았다.
• 40만 대의 노드 규모에서 7,000회 반복 테스트를 통해 엔드노드 부트스트랩 지연 시간 평균은 100ms 이내였으며, 구성 전달의 효율성을 입증하였다.
• 지연 시간의 변동은 주로 네트워크 조건과 트래픽 생성의 무작위성 때문이었으며, NIB 크기와는 무관하여 아키텍처의 확장성을 확인하였다.
• Cassandra를 활용해 제어 상태를 컨트롤러에서 분리함으로써 고부하 상황에서도 일관된 성능을 달성하였다.
• 제안된 설계 지침(탈중앙화, 풀 기반 통신, 의도 기반 제어, 상태 분리)이 엔드노드 SDN에 대해 실현 가능하고 효과적임을 결과가 입증하였다.