[논문 리뷰] Towards Organic 6G Networks: Virtualization and Live Migration of Core Network Functions

Michael Gundall, Julius Stegmann외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 10. 25.

Software-Defined Networks and 5G인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 유기적이고 적응형 6G 네트워크를 구현하기 위해 5G 커어 네트워크 기능(NF)에 대한 가상화 및 라이브 마이그레이션 프레임워크를 제안한다. 도커, 쿠버네티스 등 컨테이너 기반 가상화를 활용하고 AMF, SMF, UDM 등의 주요 NF에서 마이그레이션 전략(프리커피, 포스트커피, 인터커피)을 평가함으로써, 컨테이너 오케스트레이션과 최적화된 네트워크 드라이버가 산업용 IoT 및 모바일 사용 사례에 필수적인 저지연, 고가용성 NF 이동성을 가능하게 한다고 입증한다.

ABSTRACT

In the context of Industry 4.0, more and more mobile use cases are appearing on industrial factory floors. These use cases place high demands on various quantitative requirements, such as latency, availability, and more. In addition, qualitative requirements such as flexibility are arising. Since virtualization technology is a key enabler for the flexibility that is required by novel use cases and on the way to organic networking as it is addressed by 6G, we investigate container virtualization technology in this paper. We focus on container technology since OS-level virtualization has multiple benefits compared to hardware virtualization, such as VMs. Thus, we discuss several aspects of container based virtualization, e.g. selection of suitable network drivers and orchestration tools, with respect to most important 5GC functions. In addition, the functions have different quantitative or qualitative requirements depending on whether they are stateless or stateful, and whether the specific function is located at either the control or user plane. Therefore, we also analyze the aforementioned live migration concepts for the 5GC functions and evaluate them based on well-defined metrics, such as migration time and process downtime.

연구 동기 및 목표

• 엄격한 지연 및 가용성 요구사항을 가진 산업용 6G 환경에서 동적이고 적응형 네트워크 기능 이동성을 실현하기 위해.
• 5G 커어 네트워크 기능(NF)의 배포 및 마이그레이션에 대해 컨테이너 기반 가상화 및 오케스트레이션(Docker, Kubernetes)의 적합성을 평가하기 위해.
• 네트워크 드라이버 및 마이그레이션 기법이 AMF, SMF, UDM과 같은 핵심 NF의 성능, 보안성, 신뢰성에 미치는 영향을 분석하기 위해.
• 기능적 및 운영적 요구사항에 기반하여 다양한 5GC NF에 적합한 최적의 라이브 마이그레이션 전략(프리커피, 포스트커피, 인터커피)을 규명하기 위해.

제안 방법

• 표준 네트워크 드라이버(예: 호스트, 브리지, 오버레이)의 성능, 네트워크 기능, 보안성에 중점을 두고, 도커 컨테이너를 통한 OS 수준의 가상화를 활용해 5GC NF를 구현하였다.
• 라운드트립 타임(RTT), 레이어 2/3 지원, 격리 강도를 기준으로 네트워크 드라이버를 평가하여 산업용 및 TSN 기반 사용 사례에 적합한지를 판단하였다.
• 쿠버네티스와 도커 스웜을 활용한 오케스트레이션을 통해 VNF의 자동 스케일링, 로드 밸런싱, 장애 복구 메커니즘을 구현하였다.
• 마이그레이션 시간, 데이터 일관성, 정지 시간을 기준으로 프리커피, 포스트커피, 인터커피 C/R 마이그레이션의 세 가지 라이브 마이그레이션 기법을 제안하고 비교하였다.
• 지연, 가용성, 상태 관리 요구사항(상태 기반 대비 상태 없는)에 따라 특정 5GC NF에 적합한 마이그레이션 전략을 매핑하였다.
• 오버레이 네트워크(예: K8s Multus)가 AUSF 및 UDR과 같은 민감한 NF에 대해 L2 지원 및 향상된 보안성을 제공하는 데 기여하는 바를 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어느 컨테이너 네트워크 드라이버가 산업용 네트워킹 요구사항(예: 레이어 2 프레임 교환, TSN)을 충족하면서 최적의 성능(RTT)을 제공하는가?
• RQ2 쿠버네티스 대비 도커 스웜과 같은 다양한 오케스트레이션 도구는 산업 환경에서 5GC VNF의 확장성과 내구성 있는 배포를 얼마나 잘 지원하는가?
• RQ3 지연 및 가용성 제약 조건을 고려할 때, 특정 5GC NF에 가장 적합한 라이브 마이그레이션 기법(프리커피, 포스트커피, 인터커피)은 무엇인가?
• RQ4 상태 기반 대비 상태 없는 배포 모델은 가상화된 5GC 환경에서 UDM 및 UDR 기능의 설계 및 신뢰성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 가상화 및 라이브 마이그레이션는 이동성 기반 산업용 환경에서 유기적이고 자율 조직화되는 6G 네트워크를 얼마나 실현할 수 있는가?

주요 결과

• 호스트 네트워크 드라이버는 가장 낮은 RTT(522 µs)를 기록하여, 다른 호스트에 있는 컨테이너 간 저지연 통신에 최적임을 입증하였다.
• 쿠버네티스의 오버레이 네트워크 드라이버(예: Multus)는 레이어 2 패킷 전송을 지원하여 산업용 이더넷 및 TSN 프로토콜과의 호환성을 확보하였다.
• 지연에 민감한 NF인 AMF 및 SMF에 대해서는 마이그레이션 시간이 최소화되고 정지 시간이 적은 포스트커피 마이그레이션(PPM)이 선호되는 것으로 확인되었다.
• 보안에 민감한 환경에서 저비용 및 높은 데이터 일관성을 확보할 수 있는 인터커피 C/R 마이그레이션은 AUSF 및 UDM에 권장된다.
• 상태 기반 UDM 및 UDR 기능은 마이그레이션 중에 주의 깊은 상태 전달이 필요하며, 상태 없는 버전은 외부 데이터 저장소와 간편한 오케스트레이션을 통해 이점을 얻는다.
• 특히 고가용성 NF에 적합한 복잡한 서비스 조합(예: 배포)의 경우, 도커 스웜 대비 쿠버네티스가 더 높은 유연성과 구성 가능성을 제공한다.