Scalable flow-based forwarding and QoS management: architecture and applications

Abstract

전통적인 패킷 기반 네트워크에서는 제공이 용이하지 않은 자원 관리 및 책임 추적성 (accountability)을 제공하기 위한 목적으로 플로우 기반 패킷 처리에 대한 연구가 진행되어 왔으며 상용화 까지 진행되어 왔다. 또한, 최근 소프트웨어 정의형 네트워킹 (Software Defined Networking; SDN)이 유연하지 못한 기존 네트워크를 프로그래머블한 네트워크로 전환시킬 수 있는 새로운 네트워킹 패러다임으로 제시되어 활발한 연구/개발이 진행되고 있다. SDN의 기본 아이디어는 제어 플래인과 데이터 플래인을 잘 정의된 오픈 응용 인터페이스 (Application Programming Interface; API)를 이용하여 분리하고 그 API를 통하여 플로우 단위의 포워딩 제어을 수행하는 것이다. 과거의 기술로는 구현이 용이하지 않았던 이러한 플로우 기반 네트워킹 개념이 반도체 기술 및 메모리 기술 등의 진보와 더불어 점차 실현 가능한 상태가 되었지만, 여전히 내재되어 있는 확장성 문제는 해결해야 할 중요한 이슈가 되고 있다. 본 논문에서는 이러한 플로우 기반 네트워킹을 제공할 수 있는 확장성 있는 효율적인 패킷 처리 구조를 제시하고 세가지의 유무선 환경에서의 서로 다른 요구 조건에 따른 적용 및 QoS 제공을 위한 효율적인 알고리즘을 제시한다.

본 논문은 먼저 확장성 있는 플로우 처리 기술의 프레임워크(scalable flow-based forwarding and QoS architecture; SFARC)를 제시하였다. 이 프레임워크의 기본 목적은 멀티코어 프로세서 기반의 효율적인 플로우 기반 패킷 처리가 이루어 질 수 있도록 하기 위하여 일반에 공개된 트래픽 트래이스에 대한 분석을 수행 한 후, 그 분석을 기반으로 패킷 스케줄링의 기본 아키텍쳐, 효율적인 멀티코어로의 플로우 분배 구조, 플로우 타임아웃을 설계하였다. 이러한 SFARC 구조를 기반으로 크게 세가지의 네트워크 환경에서 적용 및 그에 기반한 최적의 스케줄링 알고리즘을 제시하였다.

첫 번째 SFARC 프레임워크 응용 구조로서, 본 논문은 고속의 네트워크에서 다수의 많은 플로우를 처리할 수 있도록 하기 위한 플로우 기반 라우터의 구조를 제안하였다. 고속 라우터에서 효율적인 플로우 기반 QoS를 제공하기 위하여 대역 보장형 서비스와 비대역 보장 서비스로 트래픽을 구분하고, 대역 보장 서비스에 대해서는 기존 Fair Queueing 알고리즘에서와 같은 가상 시간 개념을 사용하지 않고 실시간 시스템 클럭을 사용하는 비작업보존형 (non-work-conserving) 스케줄링 알고리즘으로 RCFQ (real-time clock fair queueing)를 제안하고, 비대역 보장 서비스에 대해서는 플로우의 공평 대역(Fair Share) 및 플로우의 특성에 기반하여 각 플로우별 패킷의 폐기 확률 (drop probability)을 계산하고 그에 따른 패킷 폐기 및 스케줄링을 수행하는 AFDQ (adaptive flow-based drop queueing) 알고리즘을 제안하였다. 이러한 각 제안된 알고리즘에 대해서 다양한 환경에서의 시뮬레이션을 통한 성능 검증을 통하여 제안된 알고리즘의 성능이 플로우 대역 보장 및 공정성의 비교 기준이 될 수 있는 DRR (Deficit Round Robin) 알고리즘과 근사한 결과를 도출 할 수 있음을 보였다.

두 번째 SFARC 프레임워크 응용 구조로서, 본 논문은 SDN 스위치의 효율적인 플로우 기반 패킷 처리 구조를 제시하였으며 이와 더불어 현재 SDN의 사실상 표준으로 자리매김하고 있는 OpenFlow의 단점을 극복한 OpenQFlow를 제시하였다...