[논문 리뷰] SRv6-PM: Performance Monitoring of SRv6 Networks with a Cloud-Native Architecture

Pierpaolo Loreti, Andrea Mayer외 10명|arXiv (Cornell University)|2020. 07. 15.

Software-Defined Networks and 5G참고 문헌 33인용 수 4

한 줄 요약

SRv6-PM는 eBPF 기반의 흐름별 패킷 손실 모니터링과 확장 가능한 빅데이터 스택(Kafka, InfluxDB, Grafana)을 활용하여 SRv6 네트워크에서 실시간 성능 모니터링을 위한 클라우드 네이티브이고 오픈소스 플랫폼을 제안한다. 이는 출구 노드에서 평균 5.4%의 처리량 저하로 근접 실시간 손실 탐지 성능을 달성하며, 기존의 IPset 기반 방법보다 뛰어난 성능을 보인다.

ABSTRACT

Segment Routing over IPv6 (SRv6 in short) is a networking solution for IP backbones and datacenters. The SRv6 standardization, implementation and research are actively progressing and SRv6 has already been adopted in a number of large scale network deployments. Effective Performance Monitoring (PM) solutions for SRv6 networks are strongly needed. The design, implementation and deployment of such PM solutions span the different planes of a networking architecture: Performance Measurements data (packet loss and delay) needs to be measured (in the Data Plane), the monitored nodes needs to be controlled (in the Control Plane), the measured data needs to be collected (in the Control/Management Planes), then the Data must be processed and stored, using Big-Data processing solutions. We focus on Loss Monitoring, by considering a solution capable of tracking single packet loss events in near-real time (e.g. with a delay in the order of 20 seconds). We describe SRv6-PM, a solution for Performance Monitoring of SRv6 networks. SRv6-PM features a cloud-native architecture for the SDN-based control of Linux routers and for ingestion, processing, storage and visualization of PM data. In the Data Plane, SRv6-PM includes efficient building blocks for packet loss evaluation (e.g. the packet counting components) in a Linux router. SRv6-PM is released as open source. Not only we provide a reproducible environment for PM experiments, but we also offer a re-usable and extensible cloud-native platform that can be automatically deployed in different environments, from a single host to multiple servers on private/public clouds.

연구 동기 및 목표

• SRv6 네트워크에 대해 가용성과 확장성이 뛰어나 실시간 성능 모니터링 솔루션, 특히 세밀한 수준의 손실 모니터링이 부족한 문제를 해결하기 위해.
• SDN 제어, 데이터 플레인 측정, 빅데이터 처리를 통합한 엔드 투 엔드 모니터링을 위한 클라우드 네이티브 아키텍처를 설계하고 구현하기 위해.
• 기존 Netfilter/IPset 기반 접근 방식보다 효율적이고 저비용인 eBPF를 활용한 Linux 라우터에서의 흐름별 패킷 손실 모니터링 메커니즘을 개발하기 위해.
• SRv6 PM 솔루션의 프로토타ип링 및 표준화를 위한 재사용 가능하고 오픈소스 플랫폼을 제공하여 향후 지연 시간 모니터링과 같은 확장 기능을 지원하기 위해.

제안 방법

• 단일 패킷 손실 탐지를 위해 대체 마킹을 통해 DSCP 바이트 마킹을 사용하는 TWAMP 프로토콜을 SRv6에 확장하여 구현한다.
• 저지연, 고처리량 패킷 처리를 위해 Linux 커널의 XDP 경로에 eBPF 기반의 흐름별 패킷 손실 모니터링(PF-PLM) 모듈을 구현한다.
• SDN 컨트롤러와 네트워크 노드 간에 gRPC 기반 API를 설계하여 흐름별 손실 측정를 구성하고 조회할 수 있도록 한다.
• Kafka를 통한 스트리밍, Telegraf를 통한 메트릭 수집, InfluxDB를 통한 시계열 저장, Grafana를 통한 실시간 시각화를 위한 클라우드 네이티브 데이터 파이프라인을 구축한다.
• 모니터링 메타데이터 및 구성 데이터의 구조화된 저장을 위해 ArangoDB를 활용하여 효율적인 쿼리 및 관련성 분석을 지원한다.
• 이식성 향상을 위해 컨테이너 기반, 쿠버네티스 네이티브 환경에서 플랫폼 전체를 배포하여 온프레미스 및 공용 클라우드 인fra구조 간 이식 가능성을 확보한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 SRv6 네트워크에서 데이터 플레인의 성능 오버헤드를 최소화하면서 근접 실시간, 흐름별 패킷 손실 모니터링을 어떻게 달성할 수 있는가?
• RQ2 Linux 라우터에서 eBPF 기반 패킷 마킹 및 카운팅의 성능은 기존 Netfilter/IPset 기반 솔루션과 비교해 어떻게 되는가?
• RQ3 클라우드 네이티브이고 오픈소스인 아키텍처는 수백 개의 SRv6 노드로부터 성능 데이터를 효율적으로 수집, 처리, 시각화하는 데 어떻게 확장 가능한가?
• RQ4 제안된 플랫폼은 응용 프로그램 수준의 측정과 거의 일치하는 높은 정밀도로 단일 패킷 손실 이벤트를 정확하게 탐지하고 보고할 수 있는가?
• RQ5 향후 SRv6 지연 시간 모니터링과 같은 PM 확장 기능을 위한 플랫폼의 재사용성과 확장성은 어느 정도인가?

주요 결과

• eBPF 기반의 PF-PLM 구현은 하나의 흐름을 모니터링할 경우 출구 노드에서 평균 5.4%의 처리량 저하만을 보이며, 모니터링 대상 흐름 수에 관계없이 안정적인 성능을 유지한다.
• eBPF 솔루션은 출구 노드에서 처리량 저하를 기존 IPset 기반 솔루션의 17.6%에서 5.4%로 감소시켜 더 뛰어난 확장성과 효율성을 입증한다.
• SRv6-PM 플랫폼은 iPerf에서 측정한 응용 프로그램 수준의 측정과 거의 일치하는 높은 정확도로 단일 패킷 손실 이벤트를 탐지하고 보고한다.
• 약 20초의 지연으로 근접 실시간 모니터링을 달성하여 운영 네트워크 모니터링의 목표를 충족시킨다.
• 오픈소스이자 클라우드 네이티브 설계 덕분에 단일 호스트부터 다중 노드 클라우드 클러스터까지 다양한 환경에서 자동 배포가 가능하여 재현 가능성과 확장성을 보장한다.
• Kafka, InfluxDB, Grafana의 통합은 저지연 데이터 수집, 효율적인 저장, 성능 메트릭의 실시간 시각화를 가능하게 한다.