[논문 리뷰] Traffic Management Applications for Stateful SDN Data Plane

Carmelo Cascone, Luca Pollini외 2명|arXiv (Cornell University)|2015. 06. 23.

Software-Defined Networks and 5G참고 문헌 7인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 SDN 데이터플레인에서 상태 기반 전달을 가능하게 하는 OpenFlow의 확장인 OpenState를 제안한다. 이는 스위치가 패킷 도착 및 타이머에 의해 유도되는 로컬 상태 전이를 통해 트래픽 정책을 자율적으로 관리할 수 있도록 한다. 저자들은 전방 일관성 및 장애 복구와 같은 두 가지 트래픽 관리 응용 사례를 시연하며, 처리 지연을 최대 400ms 감소시키고, 제어기 참여 없이도 거의 즉각적인 복구를 달성함으로써 기존 OpenFlow 대비 지연과 패킷 손실 측면에서 뚜렷한 성능 향상을 보였다.

ABSTRACT

The successful OpenFlow approach to Software Defined Networking (SDN) allows network programmability through a central controller able to orchestrate a set of dumb switches. However, the simple match/action abstraction of OpenFlow switches constrains the evolution of the forwarding rules to be fully managed by the controller. This can be particularly limiting for a number of applications that are affected by the delay of the slow control path, like traffic management applications. Some recent proposals are pushing toward an evolution of the OpenFlow abstraction to enable the evolution of forwarding policies directly in the data plane based on state machines and local events. In this paper, we present two traffic management applications that exploit a stateful data plane and their prototype implementation based on OpenState, an OpenFlow evolution that we recently proposed.

연구 동기 및 목표

• 실시간 트래픽 관리 응용에서 중심화된 OpenFlow 제어기의 성능 저하 문제를 해결하기 위해.
• 네트워크 복구 및 로드 밸런싱 시나리오에서 제어 경로 지연과 신호 전송 오버헤드를 줄이기 위해.
• 데이터플레인 내에서 직접 응용 프로그램 수준의 제어를 통해 전달 행동의 세밀한 제어 및 상태의 진화를 가능하게 하기 위해.
• 제어기와 무관한 확장 가능한 솔루션을 설계하여 장애 내성과 일관된 전달을 달성하기 위해.

제안 방법

• 패킷 수준 이벤트와 타이머에 기반한 사용자 정의 상태 유지 및 전이를 가능하게 하기 위해, 흐름 테이블 이전에 상태 테이블을 도입하여 OpenFlow를 확장한다.
• 패킷 도착 및 타이머와 같은 로컬 이벤트에 반응하여 상태 전이 및 전달 동작을 정의하기 위해 Mealy 기계 추상화를 사용한다.
• OpenFlow 1.3 실험자 확장으로 OpenState 프로토콜을 구현하였으며, 프로토타입 스위치 및 제어기 스택을 개발하였다.
• 스위치 간 신호 전송을 통해 제어기 개입 없이도 상태 기반 세션 추적을 통한 전방 일관성 및 장애 복구를 위한 두 가지 응용을 구현하였다.
• 실세계 네트워크 토폴로지 데이터(노르웨이 백본)를 사용하여 성능을 평가하였으며, Open vSwitch(OVS) 최적화 유무를 고려한 OpenFlow와 OpenState를 비교하였다.
• 다양한 트래픽 부하 및 제어기 RTT 조건 하에서 처리 지연, 패킷 손실 및 복구 시간을 측정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기존 OpenFlow 대비 데이터플레인에서 상태 기반 전달이 실시간 트래픽 관리 응용에서 제어 경로 지연을 줄일 수 있는가?
• RQ2 OpenState는 제어기 기반 흐름 테이블 업데이트에 의존하지 않고 어떻게 세밀한, 응용 프로그램 정의 전방 일관성을 달성하는가?
• RQ3 로컬 상태 전이 및 스위치 간 신호 전송만을 사용하여 제어기 참여 없이 장애 복구를 어느 정도 달성할 수 있는가?
• RQ4 고부하 및 장애 상황에서 OpenState는 OpenFlow 대비 처리 지연과 패킷 손실 측면에서 어떤 성능 향상을 보이는가?
• RQ5 복잡한, 확장 가능한 트래픽 관리 정책을 지원하면서도 OpenState는 낮은 처리 오버헤드를 유지할 수 있는가?

주요 결과

• OpenState는 2000 라우팅 요청/초의 부하 조건에서도 스위치 처리 지연을 몇 밀리초로 줄였고, 기존 OpenFlow는 동일한 조건에서 최대 400ms의 지연을 경험하였다.
• 12ms의 제어기 RTT 조건에서 OpenFlow는 장애 발생 시 초당 최대 80개의 패킷을 손실하는 반면, OpenState는 제어기 의존 없이 복구함으로써 패킷 손실이 전혀 발생하지 않았다.
• OpenState의 장애 복구는 실질적으로 즉각적이며, 장애 감지 즉시 패킷이 다시 전달되기 때문에 제어기 응답 시간에 의존하지 않는다.
• Open vSwitch를 사용한 경우에도 OpenFlow와 OpenState 간 성능 격차가 유지됨을 확인하여, 커널 스페이스 최적화만으로는 제어기 의존 제어 경로의 근본적 지연을 극복할 수 없음을 시사한다.
• OpenState는 전방 일관성에서 세션의 세부 제어 및 수명 주기 제어를 응용 프로그램 수준에서 가능하게 하여, OpenFlow의 고정 해시 기반 로드 밸런싱의 한계를 뛰어넘었다.
• Mealy 기계 기반의 상태 기반 데이터플레인 모델은 최소한의 제어기 참여로도 확장 가능하고 효율적이며 프로그래머블한 트래픽 관리가 가능하다.