With the aim of providing resource management and accountability, which is not easy to achieve in traditional packet-based networks, there were several research activities about flow-based networking.
The flow-based networking was not a viable option to be considered in the past; however, the realization of flow-based technologies is becoming more possible with the advancement of the memory and silicon process technologies.
Besides, in recent years, software-defined networking (SDN) has been gaining popularity as a new networking paradigm which is able to convert the current ossified networks into more flexible and programmable networks.
While the main idea of SDN is the separation of control plane and data plane with a well-defined open application programming interface (API), the forwarding of networking devices is controlled in the granularity of flow through the open API.
Even with the advancement of CPU and ASIC (application-specific integrated circuit), scalability issue in providing flow-based forwarding is still very important because of the intrinsic processing overhead of managing flow state. In this dissertation, we propose a framework to provide a scalable flow-based forwarding and QoS as well.
We first analyze publicly available traffic traces, and then we propose a scalable flow-based forwarding and QoS architecture (SFARC), based on the traffic analyses, which provides a scalable non-locking flow state management with separation of forwarding and QoS tables, a load balancing of flows into multiple cores in a multicore processor, and an efficient basic scheduling architecture which is not requiring per-flow queues.
We apply the SFARC framework into three different types of network nodes - a flow-based router, an SDN switch, and a wireless mesh node - with the best QoS mechanisms adding more features for each network environment.
As a first application of SFARC, we propose a scalable flow-based router architecture which is suitable to support tens of thousands to several millions flows in high-speed service provider networks.
Then, we propose traffic management mechanisms for each of guaranteed traffic and non-guaranteed traffic in the architecture.
For guaranteed services, we propose a simple non-work-conserving fair queuing algorithm - real-time clock fair queueing (RCFQ) - which reduces implementation complexity by using real time clock instead of a virtual time clock which is generally used for existing fair queueing.
For non-guaranteed services, we also propose a scheduling algorithm being supported by adaptive flow-based dropping scheme based on the each flow's fair share - adaptive flow dropped queueing (AFDQ) - which is more extended again by behavioural analysis of each flow. The behavioural analysis is used to dynamically prioritize traffic according to the traffic characteristics of each flow, which is a simplified alternative to costly deep packet inspection in a high-speed router system.
AFDQ also schedules packets based on the aggregate-flow's average throughput to best utilize the bandwidth which is left after being reserved for the guaranteed services.
Through numerical analysis and simulations, we verify the performance of the proposed mechanisms.
As a second application of SFARC, we propose a novel scalable and flexible variant of OpenFlow architecture, OpenQFlow, which provides a fine-grained flow tracking by separating the inefficiently coupled flow table structure to three types of table: flow state table, forwarding rule table, and QoS rule table.
The OpenQFlow extends the primitive sets of OpenFlow action, which is limited to simple forwarding and modification of headers, to run more complex "functions" or "services"; IPsec and DPI are, among others, exemplary functions.
We also develop a flow-based QoS algorithm which provides performance guarantee and fairness at both granularity levels of micro- and aggregate-flow at the same time considering the importance of the fairness among subscribers or tenants.
We present an OpenQFlow prototype implementation based on an off-the-shelf MicroTCA - a smaller scale type of ATCA (advanced telecommunications computing architecture) - platform equipped with a commodity multicore processor to achieve high-performance with carefully engineered software design and optimization.
Finally, we extend the SFARC to wireless networks, more specifically wireless mesh networks.
The performance enhancement in the wireless mesh networks is regarded as one of the critical issues to be solved as early as possible.
We first prove that the existing bufferbloat solutions have difficulties to be applied in the wireless mesh networks, and try to enhance one of representative bufferbloat solutions, FQ-CoDel, based on the observation through simulations. However, the enhancement of FQ-CoDel still has issues to be applied in diverse traffic environment.
Therefore, we propose an active queue management, Shaped active queue management based on Estimated-time-of-arrival using disseminated Flow Information (SEFI), based on the SFARC; managing flow state and sharing the flow state information with nodes in the same collision domain, to satisfy the key network performance metrics - end-to-end throughput, throughput fairness, and delay - simultaneously in the 802.11s-based multi-radio multi-channel wireless mesh networks.
We show that the proposed AQM outperforms others - from throughput, delay, and fairness points of view - through simulations even in a congested network environment.
The proposed SFARC is a framework to provide scalable flow-based packet processing in multi-core processor.
We show that the SFARC framework works in various current network environments. However, when we consider new emerging services such as IoT (internet of things), Massive Machine Type Communication (MMTC) in a new network which is not yet defined, the architecture may need to be modified. Therefore, we will keep studying new emerging services and network requirements in more detail, and then we will improve our design accordingly.
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.
기존 OpenFlow가 갖는 QoS와 플로우 처리 단위의 밀 결합된 테이블 구조의 비효율성을 극복하기 위하여 SFARC 구조를 적용하여 확장을 함과 동시에 SDN 스위치가 적용될 수 있는 가입자 망 또는 클라우드 데이터 센터에서의 가입자 (subscriber) 또는 테넌트 (tenant) 레벨에서의 공정성 (fairness)과 플로우 레벨의 공정성을 동시에 제공할 수 있는 QoS 알고리즘을 제안하였다.
또한, SDN 스위치의 플로우 룰에 기반한 단순한 패킷 포워딩 수행에 따른 패킷 처리 성능 이슈 및 비효율성을 개선하기 위하여 룰에 대한 액션으로 기능 (또는 서비스, 예를 들어 IPsec, DPI 등이 하나의 기능이 될 수 있음)이 처리될 수 있도록 액션을 확장하였다. 이러한 확장으로 인하여 SDN에서의 프로그래머빌러티를 단순히 제어 플래인에서만 지원하는게 아닌 데이터 플래인에까지 지원할 수 있도록 확장함으로써 진정한 의미의 프로그래머블 네트워크 설계가 가능하게 되었다.
이러한 새로운 제안을 Cavium 멀티코어 프로세서가 내장된 상용 MicroTCA (Micro advanced Telecommunication Computing Architecture) 시스템에서 구현 후 성능을 평가하였다.
세 번째 이자 마지막 SFARC 프레임워크 응용 구조로서, 본 논문은 무선 네트워크, 특히 802.11s 무선 메쉬 네트워크에서의 Bufferbloat 이슈를 해결하기 위하여 SFARC 구조에 기반한 AQM 방법을 제안하였다.
먼저 기존 Bufferbloat를 해결하기 위한 AQM 방법이 무선 메쉬 네트워크에서 동작하지 않음을 시뮬레이션을 통하여 검증하고 그에 대한 확장 방법을 제시하였다. 하지만 확장 방법 역시 갖고 있는 근본적인 문제의 해결을 위하여 SFARC 구조를 활용하며 공유 무선 자원의 공정한 사용을 위하여 충돌 영역 (collision domain) 내에 있는 무선 노드간 플로우 정보를 교환하고, 그에 따른 공평 대역을 도출하며 그 공평대역에 기반한 각 패킷의 도착 예정 시간을 계산하여 그에 따른 패킷의 폐기를 결정하도록 하였다.
또한, 각 패킷의 도착 예정시간을 이용한 패킷의 쉐이핑 (shaping)을 수행하여 공유 무선 자원이 효율적으로 사용될 수 있도록 하였다. 시뮬레이션을 통하여 제안된 구조가 다양한 트래픽이 혼용이 되는 환경에서도 우수한 성능을 보임을 검증하였다.
제안된 SFARC 구조는 멀티코어 프로세서 기반의 개발 환경에서 확장성 있는 플로우 기반 패킷 처리를 지원할 수 있는 구조로서 본 논문의 세가지 환경에서의 적용을 통하여 유무선 환경에서 공히 적용될 수 있음을 보여 주었다. 하지만, 이러한 구조가 현재의 네트워크 환경을 중심으로 설계가 되었고 적용되었다. 향후 새롭게 이슈가 되고 있는 IoT (Internet of Things), Massive Machine Type Communicaiton 등 새로운 미래 네트워크 서비스 환경에서의 효율적인 구조에 대한 연구는 지속적으로 연구가 필요하다. 5G 네트워크 및 그에 기반한 서비스의 실현을 위한 연구를 통하여 본 논문에서 제안된 연구의 활용 및 개선을 위한 연구를 지속해 나갈 것 이다.
