A Framework for Development, Operations, and Management of SDN-based Virtual Networks

Abstract

In recent years, Network Virtualization (NV) technologies have attracted a lot of attention as an essential solution for cloud computing and future network- ing infrastructure including 5G. NV enables multiple tenants to share the same physical infrastructure, and to create independent virtual networks by decou- pling the physical network in terms of topology, address, and control functions. One feasible way to realize full NV involves considering solutions based on the Software-Defined Networking (SDN) paradigm using it’s programmability. SDN contributes many benefits to both network operations and management including programmability, agility, elasticity, and flexibility. Openflow, the most widely-used SDN protocol, enables NV techniques to be designed and imple- mented to provision independent virtual networks effectively. Theres are several SDN-based NV solutions, however they suffered from a lack of scalability, high availability because they don’t support distributed processing. Also, they have high latency between control and data plane due to proxy-based architecture. In this thesis, we introduce a new network virtualization framework. The design objectives include, among the features, 1) multi-tenancy, 2) scalability, 3) flexibility, 4) isolated virtual networks, and 5) virtual network federation. The framework, named “ONVisor”, was designed and implemented by extend- ing ONOS, an open-source SDN controller. The main features of ONVisor are 1) isolated control and data plane per VN, 2) support of distributed operations, 3) extensible translators, 4) on-platform VN application development and execution, and 5) support of heterogenous SDN data-plane implementations. Several experiments are conducted on various test scenarios in different test environments in terms of control and data plane performance compared to non-virtualized SDN network. The results show that ONVisor can provide virtual networks little bit lower control plane performance, and similar data plane performance. As a breakthrough to solve the performance regression of control plane, ONVisor support distributed processing to balance workloads among multiple instances.

최근 네트워크 가상화 기술은 클라우드 컴퓨팅, WAN 및 5G 모바일 네트워크를 포함한 미래 네트워크 기술의 실현 기술로써 주목받고 있다. 네트워크 가상화 기술은 공용으로 사용되는 물리 네트워크 인프라 상에서 복수의 사용자가 가상 네트워크를 생성 하여 독립적으로 사용할 수 있게 하는 기술을 지칭한다. 네트워크 가상화 기술은 다양한 기반 기술로써 실현 할 수 있는데, 최근 소프트웨어 정의 네트워킹 (Softward Defined Networking; SDN) 패러다임을 활용하여 네트워크 가상화 기술을 실현하려는 시도가 있다. 소프트웨어 정의 네트워킹은 기존 벤더 중심의 네트워킹 방식에서 탈피하여 네 트워크를 운용함에 있어 네트워크 자체를 프로그램 가능하게 해주며, 이에 기반하여 민첩성(Agility), 탄력성(Elasticity), 유연성(Flexibility) 등을 장점으로 제공할 수 있다. Openflow는 소프트웨어 정의 네트워킹 패러다임을 구현한 대표적인 프로토콜로써, 현재 가장 널리 사용되고 있다. 이 프로토콜을 활용하여 가상 네트워크의 생성, 운용, 관리를 효율적으로 해 줄 수 있는 네트워크 가상화 기술이 등장 하였다. 하지만, 기본 의 SDN 기반 가상 네트워크 솔루션들은 확장성을 포함한 성능적인 측면에서 실제로 사용되는데 있어 문제를 내포하고 있다. 본 논문에서는 소프트웨어 정의 네트워킹 패더다임 기술에 기반한 가상 네트워크 프레임워크를 제안한다. 이 프레임워크의 설계 목표는 1) 복수의 가상 네트워크 생성, 운용, 관리 지원, 2) 유연한 가상 네트워크 제공, 3) 가상 네트워크 확장성 지원, 4) 가상 네트워크 별로 독립된 전달 및 제어 평면, 5) 플랫폼 내부에서 가상 네트워크 응용 개발 및 운용의 지원을 특징으로 한다. 제안된 프레임워크는 “ONVisor”라고 명명되 었으며, ONOS 오픈소스 SDN 제어기를 확장하여 개발되었다. ONVisor는 다른 가상 네트워크 솔루션과 차별화되어 1) 가상 네트어크 별로 완전히 독립된 전달/제어 평면, 2) 분산 처리, 3) 확장 가능한 가상/물리 네트워크 변환 컴포넌트, 4) 플랫폼 상 가상 네트워크의 개발 및 운용, 5) 벤더별로 상이한 전달 평면 구현 지원이 구현되었다. 제 안된 프레임워크는 다양한 실험환경을 통하여 검증되었으며, 검증 결과는 제어 평면에 있어서는 가상화 되지 않은 네트워크에 비해 다소 떨어 지나, 전달 평면은 거의 동일 한 수준의 성능을 제공한다. 더불어, 제어 평면의 성능 감소로 인한 문제점을 극복하기 위해 분산 처리 환경을 도입하였으며, 추가적인 ONVisor 인스턴스들을 설치함으로써 제어 평면의 처리 성능을 높일 수 있음을 보였다.