[논문 리뷰] Towards Wire-speed Platform-agnostic Control of OpenFlow Switches

Giuseppe Bianchi, Marco Bonola외 3명|arXiv (Cornell University)|2014. 08. 31.

Software-Defined Networks and 5G참고 문헌 15인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 OpenFlow 스위치에서 상태 기반 제어 기능을 선속도로 실행할 수 있도록 하는 플랫폼에 구애받지 않는 프레임워크인 OpenState를 제안한다. 이는 제어 기능을 메일리 유한 상태 기계(FSM)로 모델링함으로써 이루어지며, 상용 OpenFlow 1.1+ 하드웨어를 최소한의 수정으로 확장하여 패킷 이벤트에 의해 유도되는 상태 전이를 지원한다. 이를 통해 크로스플로우 상태 처리 및 NAT, 세션 관리와 같은 실시간 제어 기능을 지원하는 하드웨어 및 소프트웨어 프로토타입을 통해 실현 가능성과 타당성을 입증하였다.

ABSTRACT

The possibility to offload, via a platform-agnostic specification, the execution of (some/part of the) control functions down to the switch and operate them at wire speed based on packet level events, would yield significant benefits in terms of control latency and reaction times, meanwhile retaining the SDN-type ability to program and instantiate a desired network operation from a central controller. While programmability inside the switches, at wire speed and using platform-independent abstractions, of "any possible'" control function seems well beyond the OpenFlow capabilities, in this paper we argue that a non trivial sub-class of stateful control functions, namely those that can be abstracted in terms of Mealy (Finite State) Machines, is already compatible with off-the-shelf OpenFlow version 1.1+ Hardware with marginal architectural modifications. With minimal additional hardware circuitry, the above sub-class can be extended to include support for bidirectional/cross-flow state handling. We demonstrate the viability of our proposed approach via two proof-of-concept implementations (hardware and software), and we show how some stateful control functionalities frequently exploited in network protocols are readily deployed using our application programming interface.

연구 동기 및 목표

• SDN의 제어 평면 기능에 대해 저지연, 고성능이 요구되는 요구사항을 충족하기 위해 스위치 내부에서 로컬 실행을 가능하게 하기 위해.
• 중앙 집중식 컨트롤러의 한계를 극복하기 위해 플랫폼에 구애받지 않는 추상화를 사용하여 상태 기반 제어 논리를 데이터 평면으로 이관하기 위해.
• 기존 OpenFlow 하드웨어와 표준 액션 세트를 사용하여 전체 재설계 없이도 선속도로 제어 기능을 실행할 수 있도록 하기 위해.
• FTP 및 NAT와 같은 프로토콜에 필수적인 양방향 및 크로스플로우 상태 처리를 위해 최소한의 하드웨어 확장을 통해 지원하기 위해.
• 하드웨어 및 소프트웨어 프로토타입을 통해 실용적 타당성을 입증하기 위해. Mininet 기반의 사용 사례 포함.

제안 방법

• 패킷 헤더 매칭에 의해 유도되는 상태 전이와 특정 포워딩 행동에 매핑되는 액션을 가진 메일리 유한 상태 기계(FSM)로 제어 기능을 모델링한다.
• 기존 OpenFlow 1.1+ 액션 세트에 상태 기반 명령어를 추가하여 현재 상태와 이벤트 트리거에 기반해 흐름 테이블 항목을 동적으로 설치, 업데이트 및 관리할 수 있도록 한다.
• 선속도에서 상태 추적 및 상태 전이 논리를 수행할 수 있도록 스위치의 흐름 테이블 처리 파이프라인에 최소한의 하드웨어 확장을 도입한다.
• 공유 상태 테이블 또는 플로우 간 상태 참조를 통해 한 플로우의 패킷이 다른 플로우의 상태를 변경할 수 있도록 하여 크로스플로우 상태 처리를 지원한다.
• 기존 SDN 컨트롤러와의 호환성을 확보하기 위해 Open vSwitch를 기반으로 한 소프트웨어 프로토타입을 구현하여 프로그래밍 모델과 논리의 타당성을 검증한다.
• Mininet을 사용하여 NAT, FTP 세션 처리, 패킷 분할과 같은 실제 사용 사례의 엔드 투 엔드 배포를 시연함으로써 정확성과 성능을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 표준 OpenFlow 1.3 액션 세트를 사용하여 플랫폼에 구애받지 않는 추상화로 형식적으로 기술할 수 있고, 상용 OpenFlow 1.1+ 하드웨어에서 선속도로 실행 가능한 상태 기반 제어 기능의 하위 집합은 무엇인가?
• RQ2 OpenFlow 1.1+ 스위치에 최소한의 아키텍처 확장을 통해 성능을 손상시키지 않고 크로스플로우 상태 전이를 지원할 수 있는 방법은 무엇인가?
• RQ3 기존 OpenFlow 액션 세트와 흐름 테이블 메커니즘을 얼마나 확장하여 동적 상태 기반 제어 논리를 지원할 수 있는가?
• RQ4 스위치 데이터 평면 내 상태 기계 실행에서 후행 상태 피드백 루프에 의해 유도되는 실질적 제약 조건과 파이프라인 처리 과제는 무엇인가?
• RQ5 스위치 내부에 상태 기반 제어 논리를 통합할 경우, 더 넓은 SDN 프레임워크 및 컨트롤러 아키텍처의 설계와 확장성에 어떤 영향을 미칠 수 있는가?

주요 결과

• 표준 OpenFlow 1.3 액션 세트를 사용하여 메일리 FSM으로 모델링할 수 있는 제어 기능은 상용 OpenFlow 1.1+ 하드웨어에 최소한의 수정으로 네이티브로 배포할 수 있다.
• 제안된 하드웨어 확장은 패킷 수준 이벤트에 의해 유도되는 상태 전이를 선속도로 실행할 수 있도록 하며, 낮은 지연 시간과 거의 무시할 수 없는 성능 오버헤드를 달성한다.
• FTP 및 NAT와 같은 프로토콜에 필수적인 크로스플로우 상태 처리는 최소한의 아키텍처 변경으로 지원 가능하며, 한 플로우의 패킷이 다른 플로우의 상태에 영향을 줄 수 있도록 한다.
• 하드웨어 프로토타입은 선속도에서 실시간 상태 전이 및 제어 논리 실행을 성공적으로 시연하여 이 접근법의 타당성을 입증하였다.
• Open vSwitch 기반의 소프트웨어 프로토타입은 OpenState 프로그래밍 모델의 정확성과 다양한 배포 환경에서의 이식 가능성을 확인하였다.
• NAT, FTP 세션 추적, 분할 처리와 같은 다수의 실제 사용 사례를 Mininet 기반으로 구현하여 기능 정확성과 중심 집중식 제어 대비 성능 향상을 입증하였다.