미래네트워킹기술 SDN 차세대통신기술특집 Ⅰ. SDN 기술배경 Ⅱ. SDN 기술개요 Ⅲ. SDN 표준화 Ⅳ. 기술및시장전망 윤빈영 (B.Y. Yoon) 이범철 (B.C. LEE) Dan Pitt* 개방형스위치연구팀책임연구원 개방형스위치연구팀팀장 ONF Executive Director * Chapter 3 written in cooperation with Dan Pitt. OpenFlow 기술은기존의폐쇄적인네트워킹기술을개방형네트워킹기술로변화시켜서새로운네트워킹기술발전을위한기반을제공하였다. OpenFlow 기술의상용화및표준화를촉진시키기위해서설립된 ONF(Open Networking Foundation) 는네트워킹기술을컴퓨팅기술로재해석하고 OpenFlow 기술을기반으로 SDN(Software-Defined Networking) 기술을정의하였다. SDN 기술은네트워크비용및복잡성을근본적으로해결하는기술로, 기존네트워킹기술의하드웨어및소프트웨어기술을근본적으로변화시키는미래인터넷기술로떠오르고있다. 2012 한국전자통신연구원 129
Ⅰ. SDN 기술배경네트워크기술은비즈니스, 가정, 그리고학교에대한매우중요한인프라의일부가되었다. 그러나개발자혹은연구자의입장에서보면, 이러한성공이네트워크기술의혁신을가로막는장애요소가되었다. 즉장비업체마다장비를운영하는방식이나사용자인터페이스가다르기때문에네트워크사용자혹은연구자가새로운네트워크프로토콜을개발하여적용하는것이매우어려웠다. 이러한문제점을극복하기위해서개방형인터페이스를갖는스위치나라우터기술이연구되었다. 그러나이러한개방형인터페이스를제공하는네트워크기술들은성능대비가격이비싸기때문에상용화에어려움이있었다. 따라서 OpenFlow 기술은고비용문제를극복하면서사용자혹은개발자에게개방형표준인터페이스를제공하기위해서출현하였다 [1]. OpenFlow 기술은네트워크스위치 ( 혹은라우터 ) 의패킷포워딩기능과제어기능을분리하고이들두기능간의통신을위한프로토콜을제공한다. 이는외부제어장치 ( 서버 ) 에의하여구동되는소프트웨어가장비벤더에무관하게스위치내의패킷경로결정을가능하게하였다. 이러한패킷포워딩과제어영역의분리는기존의네트워크장치에서사용되는 ACL이나라우팅프로토콜보다더정밀한트래픽관리를가능하게한다. 따라서 OpenFlow 기술은기존의폐쇄적인네트워킹기술을개방형네트워킹기술로변화시켜서새로운네트워킹기술을발전시킬수있는미래인터넷기술로등장하였다. OpenFlow 는이러한특성을이용한다. OpenFlow 는장비업체나종류에관계없이이종의스위치와라우터의플로우테이블을개방형프로토콜에따라서손쉽게프로그래밍한다. 네트워크관리자는 OpenFlow 를이용하여상업용과연구용트래픽으로손쉽게구분할수있다. 따라서네트워킹기술자들은기존의인터넷트래픽에영향을주지않으면서다양한네트워킹기술을시험할수있다. 이는새로운라우팅프로토콜, 보안모델, 어드레싱방법, 그리고 IP를대체할수있는새로운인터넷기술개발환경을제공한다. OpenFlow 시스템은 ( 그림 1) 처럼 OpenFlow 스위치 (switch) 와제어장치 (controller) 로구분되며, OpenFlow 프로토콜에의하여상호연결된다. OpenFlow 스위치는플로우테이블, 보안채널 (SSL), OpenFlow 프로토콜로구성된다. 플로우테이블은 ( 그림 2) 와같이스위치에수신된 ( 그림 1) OpenFlow 시스템구성 1. OpenFlow 시스템구조 대부분의이더넷스위치와라우터는플로우테이블을갖고있다. 이는통계정보를수집하거나방화벽, NAT, QoS 를라인속도로구현하기위해서필요하다. 플로우테이블은장비마다다르나, 공통적인특성을갖고있다. ( 그림 2) OpenFlow 플로우테이블 [2] 130 전자통신동향분석제 27 권제 2 호 2012 년 4 월
패킷을처리하기위해서다음과같은세가지주요정보를포함한다. 여기에는플로우를정의하는패킷헤더정보 (rule), 패킷을어떻게처리할지여부를표시하는동작 (action), 그리고각플로우별통계 (statistics) 를포함한다. OpenFlow 프로토콜은제어장치 (controller) 와스위치 ( 포워딩장치 ) 간에통신을위한개방형표준프로토콜이다. 제어장치는 OpenFlow 프로토콜에의하여스위치내부의플로우테이블을작성하며, 여기에는새로운플로우를등록하거나삭제하는기능을포함한다. 보안채널은스위치와원거리에위치한제어장치간의통신채널로써스위치를제어하는중요한정보가교환되므로암호화되어전달된다. 2. OpenFlow 스위치 OpenFlow 스위치는기존의 L2 계층과 L3 계층을지원하지않고오직 OpenFlow 만을지원하는 OpenFlow 전용스위치와기존의스위치에 OpenFlow 기능을추가한 OpenFlow 범용스위치로구분된다. OpenFlow 스위치는수신된패킷을플로우로구분하고플로우테이블에정의된규칙에따라서패킷을처리한뒤, 목적지포트로전달한다. 이때플로우는 TCP 연결, 특정한 MAC 혹은 IP 어드레스, 그리고동일한 VLAN 값을갖는패킷으로정의될수있다. 수신된패킷은플로우로구분되어다음과같은 3가지기본적인동작중하나로처리된다. 수신패킷플로우테이블에정의된약속된포트로전달된다. 이것은네트워크를통해서패킷이목적지로전달되는기능을수행한다. 수신패킷이보안채널을통해서외부에위치한제어장치로전달된다. 예로써, 플로우테이블에등록되어있지않는새로운플로우에대한첫번째패킷이수신되는경우, 제어장치로전달되어플로우테이블등록여부를결정한다. 수신된패킷이폐기된다. 예로써, 외부로부터 DoS ( 그림 3) OpenFlow 패킷경로제어의예공격을차단하거나, 호스트로부터폭주하는 discovery 트래픽을완화시키기위해서수신패킷을폐기한다. 현재는라우팅프로토콜에의하여패킷경로가결정되므로사용자가원하는경로로패킷을전달하기어렵다. 반면에 OpenFlow 에서는복수개의 OpenFlow 스위치를한개의제어장치에의해서중앙집중방식으로패킷경로제어가가능하다. 따라서네트워크상태및 QoS 정책에의하여사용자는패킷경로를손쉽게제어할수있다. ( 그림 3) 은특정패킷플로우에대해서가장짧은패킷경로가선택되는네트워크구성을보여준다. Ⅱ. SDN 기술개요 OpenFlow 기술은이종의스위치와라우터를손쉽게제어할수있는개방성을제공하였다. 그러나 ONF 는이러한개방성에만족하지않고 OpenFlow 를기반으로네트워크를좀더손쉽게프로그램할수있는 SDN 기술을정의하였다. SDN 은 OpenFlow 를기반으로하드웨어보다는좀더소프트웨어중심으로네트워킹기술을개발하기위한목표를추구하고있다. ONF는네트워킹시스템이 ( 그림 4) 처럼하드웨어, OS, 그리고응용프로그램으로구성되는컴퓨터시스템과같은유사 윤빈영외 / 미래네트워킹기술 SDN 131
글로벌규모의네트워크가용성, 안정성, 그리고보안기능을향상시킬것으로기대하고있다. 1. ONF 조직구성 ( 그림 4) OpenFlow vs. SDN 한기능모델을만들었다. 즉네트워크를컴퓨터시스템에비유하고, OpenFlow 는하드웨어 ( 스위치 ) 와 Network OS 사이를연결하는인터페이스로정의한다. ONF 는이러한모델을만들기위해서추상화 (abstraction) 개념을도입하고네트워킹기술의중심이하드웨어에서소프트웨어로이동토록노력하고있다. 그래서 SDN 은네트워크사용자가하드웨어형상에얽매이지않고다양한응용프로그램을손쉽게개발할수있는개발환경을제공할것이다. 이는미래인터넷기술을포함한새로운네트워킹기술이탄생할수있는토대를제공할것이다. Ⅲ. SDN 표준화 [3] ONF 는서비스사업자 (Deutsche Telecom, Facebook, Google, Microsoft, NTT, Verizon, Yahoo!) 로구성된이사회회원과장비, 부품, 그리고소프트웨어등을개발하는산업체로구성된일반회원으로구성되며, 현재 56개회사가참여하고있다. 한국에서는 ETRI, 삼성, 그리고 KT가 2011년회원으로가입하였다. ONF 는가입회원간에는 RAND-Z 방식에의하여상호로열티를면제하는 IPR 정책을채택하고있다. ONF 는 ( 그림 5) 와같은조직구성을갖는다. 이사회 (board of director) 는주요통신서비스사업자로구성되며, 워킹그룹 (working group) 구성및의장선출, 그리고표준권고안승인과같은주요정책을결정한다. Executive director와 technical advisory group 은이사회에 ONF 활동내역을보고한다. Executive director 는 ONF 운영을총괄하며, SDN 과관련된마켓, 교육, 지역활동지원, 그리고워킹그룹의장단회의를주재한다. 스탠포드대학의주도로시작된 OpenFlow 기술의상용화를촉진시키기위해서 2011년 3월표준화단체인 ONF 가만들어졌다. ONF 는 Deutsche Telekom, Facebook, Google, Microsoft, Verizon, Yahoo! 에의하여설립되었으며, OpenFlow 기술을 SDN 기술로확장하여표준화를추진하고있다. ONF는비영리표준화단체로서네트워킹기술을컴퓨팅기술로재해석하고마켓이요구하는표준화및솔루션을빠르게제공하는것을목표로한다. 이러한접근은네트워킹기술에대한새로운아키텍처, 표준화, 소프트웨어, 그리고응용기술개발을촉진시킬것이다. 이러한과정은궁극적으로비용을줄이면서네트워킹기술에대한혁신을이끌고 2. 표준화활동현황 ( 그림 5) ONF 조직도 ONF 의 technical working groups 에는이사회의공 132 전자통신동향분석제 27 권제 2 호 2012 년 4 월
< 표 1> Chartered Working Groups WG 주요활동권고안 Extensibility Configuration & Management Testing & Interoperability Hybrid 기존 OF 권고안의핵심을유지하면서, 모듈성, 확장성, 상호연동성, 그리고일치성을갖도록보완 OF 디바이스들의형상관리 (configuration) 매커니즘정의 (OF 제어장치의환경설정및셋업 ) 인증 (certification), 연동시험 (Interoperability), Benchmarking Hybrid 스위치와네트워크를위한요구사항및 use cases OF 1.0: MAC, IPv4, single table(03/2010) OF 1.1: MPLS tags/tunnels, multiple tables, counters (02/2011) OF 1.2: IPv6, extensible expression, basic configuration (12/2011) OF 1.3: Topology discovery, test processes, test suites (04/2012) OF 1.4: Capability discovery, test labs(08/2012) OF-Config 1.0(Q1 2012) OF-Test 1.0(Q1/2 2012) 식승인에의하여만들어진 hartered working groups (< 표 1> 참조 ) 과토의그룹인 mailing-list discussion groups(< 표 2> 참조 ) 으로구분된다. 이외에두그룹에속하지않는미분류된 Extensibility-jira을포함하여총 10개의그룹들이활동하고있다. 대부분의표준화협의는정기적인모임대신에인터넷을통한 on-line 방식으로진행된다. Extensibility WG 은 SDN 핵심표준권고안인 OpenFlow 표준안 (OF 1.x) 작성을주도하며, 현재 OF 1.2 버전을완료하고 OF 1.3 버전을작성중에있다. OF 1.2는 2011년 12월작성되어이사회를통과한뒤, 회원들의승인절차 (IPR 확인 ) 가진행중이다. OF < 표 2> Active Mailing-list Discussion Groups 그룹명 Northbound API 1.2는다음과같은 3가지사항이보완되었다. IPv6 필드매칭 : source address, destination address, protocol number, traffic class, ICMPv6 type, ICMPv6 code, IPv6 neighbor discovery header fields, IPv6 flow labels 기존 OF 1.1보다, 확장된매칭 (extensible matches), 더많은수의파라미터개수및유연성 (flexibility) 제공 기능시험을위한코드포인트와전용필드추가 OF 1.x 는스탠포드대학이주도한 OF 1.0 을기반으로작성되는반면에이와는별도로 OpenFlow-future 그룹에의하여미래인터넷을위한새로운 OF 표준화방안이논의되고있다. ONF 는 SDN 을 ( 그림 6) 과같은기준모델을사용하여세부기능을정의하고표준기술개발을지원할예정이다. 기준모델을살펴보면, 가장하위계층에패킷포워딩기능인하드웨어가위치하고상위에는제어장치에위치한소프트웨어계층으로구성된다. 패킷포워딩기능을제공하는스위치와제어장치사이에는 Open- Flow 인터페이스로연결된다. ( 그림 6) 은상징적인모델로, 제어프로그램 (control Matchaction-table Marketeducation OpenFlowfuture Usecases 주요활동 OF 스위치에서 IPv4, IPv6, MPLS 등의프로토콜처리방법 회원사들의마켓 - 교육지원 네트워크제어프로그램들과제어장치사이의인터페이스방법 SDN 미래토픽연구 (Forwarding plane, description language 등 ) Use cases 윤빈영외 / 미래네트워킹기술 SDN 133
1. 상용 OpenFlow 스위치 ( 그림 6) SDN 프로토콜모델 programs) 이 OpenFlow 프로토콜을통하여스위치 (packet forwarding) 로연결되어있음을보여준다. 그러므로서비스사업자 ( 혹은사용자 ) 는이러한패킷경로와제어소프트웨어들을사용하여그들이원하는다양한기능들 ( 과금, 보안, 트래픽엔지니어링, 성능, 전력소모등 ) 을제어혹은구현할수있음을보여준다. 대부분 OpenFlow 스위치는기존의상용스위치혹은라우터플랫폼에 OpenFlow 인터페이스를추가지원한다. OpenFlow 스위치및라우터를개발한회사에는 HP, NEC, Juniper, 그리고 Netgear, 등을포함하여약 15개장비업체가있다 (( 그림 7) 참조 ). HP는약 60 개지역의 testbed에자사의제품을판매하고이들시험결과들을반영하여장비기능과성능을개선하고있다. 그리고발생된문제점을보완할수있는새로운규격들을 ONF 에제안하여 SDN 기술개발을선도하고있다. 또한라우터와스위치분야의선도업체인시스코의경우 SDN 기술의등장으로자사의시장잠식을유려하여다소유보적인태도를보이다, 2011년말부터데이터센터장비인 Nexus 시리즈에 SDN 을지원하기위한개발을착수하였다. Ⅳ. 기술및시장전망 SDN 기술만을위한첫번째워크숍인 Open Networking Summit 가 2011년 10월에개최되었다. ONS 는약 400명이등록하여개최한달전에사전등록이마감될정도로 SDN 기술에대한기대와관심이높음을보여주었다. 특히그동안 OpenFlow 기술개발에소극적이었던 Cisco에서약 50명이참가하여 SDN 기술개발을주도하고자하는노력을보여주었다. SDN 시스템은크게 OpenFlow 스위치와제어장치로구분된다. 제어장치는네트워크 OS 등을포함한소프트웨어기술과하드웨어장치로구분된다. 현재제어장치의하드웨어는범용프로세서로구현되고있으며, 제어장치와관련된대부분의기술개발분야는소프트웨어에집중되고있다. ( 그림 7) 상용 OpenFlow 스위치 [4] 2. SDN 소프트웨어 SDN 은 OpenFlow 규격을지원하는스위치혹은라우터이외에도이를제어하고운용하기위한소프트웨어개발환경및응용프로그램개발이매우중요한요소이다. < 표 3> 은 SDN 을지원하기위해서개발된소프트웨어제품들을보여준다. 여기에는사용자별로플로우를구분시킬수있는 FlowVisor, 네트워크 OS와같 134 전자통신동향분석제 27 권제 2 호 2012 년 4 월
기능구분 디버깅툴 응용프로그램 은컨트롤러 (controller) 프로그램, 네트워크 OS 위에동작하는응용프로그램, 그리고디버깅툴들을포함한다. 컨트롤러프로그램은제어장치에서동작하며, 네트워크전체구성을보여주고 OpenFlow 스위치트래픽을제어할수있는기능을제공하는프로그램으로서 < 표 4> 는오픈소스로공개된컨트롤러프로그램의종류및특징을보여준다 [5]. 이러한 SDN 관련소프트웨어들을개발하기위해서약 10개의벤처기업들이참여하고있다. 그중대표적인회사로는 Big Switch Networks 사와 Nicira Networks 사가있다. Big Switch 사는스탠포드대학에서 OpenFlow 1.0을개발한팀들이주축으로 2010년설립하였으며, 2011년 4월약 13.75백만달러를투자받아서 OpenFlow 기술을기반으로기업망의가상화솔루션을개발하고있다. Nicira Networks 는 OpenFlow 를창시한스탠포드대학의 Nick McKeown 과버클리대학의 Scott Shenker 가공동창업 < 표 4> SDN 컨트롤러프로그램 제품명언어 OS 라이선스개발자 OpenFlow Reference C Linux OpenFlow License NOX Beacon Maestro Python, C++ Java Java < 표 3> SDN 소프트웨어 스탠포드 / Nicira Linux GPL Nicira Win, Mac, Linux, Android Win, Mac, Linux 제품명 oftrace, oflops, openseer ENVI, LAVI, n-casting, Expedient 컨트롤러프로그램 NOX, Beacon, Trema, Maestro ONIX Slicing 프로그램 FlowVisor GPL(core) LGPL Trema Ruby, C Linux GPL NEC RouteFlow - Linux Apache David Erickson ( 스탠포드 ) Zheng Cal (Rice) CPqD (Brazil) 자로설립된회사이며, SDN 기반의네트워크가상화를위한소프트웨어솔루션을개발하고있다. 3. 기술전망스탠포드대학의 Clean Slate Program은 NEC 등의산업체와협력하여 OpenFlow 기술을본격적으로시험할수있는발판을마련하였다 [6]. 현재 Internet 2, Indiana 대학, 그리고 Clean Slate Program 은 NDDI 라는단체를만들어글로벌규모의네트워크를구축하고 SDN 기술의필드시험을추진중이다 [7]. 또한 Open- Flow 기술은 GENI 망을통해서필드시험이진행되고있다. 또한 Facebook은 OCP라는단체를만들어데이터센터의서버, 스토리지, 네트워킹장비등의하드웨어표준화 ( 개방화 ) 를추진하고있다. OCP는개방형하드웨어인터페이스를제공하는 SDN 을데이터센터의네트워킹장비의오픈플랫폼으로고려하고있다 [8]. 독립된제어장치에의하여중앙집중방식으로패킷플로우를제어할수있는 OpenFlow 기술은다음과같은다양한분야에적용되어기능이검증되었다. 여기에는무선이동성, 네트워크가상화, 트래픽부하분산, 전력소모관리, 그리고 VM 이동성을포함한다 [9]. SDN 기술이가장먼저적용될분야는외부와의호환성문제가자유로운데이터센터며, 이후충분한기능검증과상용화과정을거쳐서유무선공중망등에확대적용될것으로예상된다. SDN 기술의하드웨어기술인 OpenFlow 스위치는기존의이더넷스위치혹은라우터를활용하여구현되며 OF 1.0 버전만을지원한다. OpenFlow 1.0 스위치는대학이나일부 testbed 에서 OpenFlow 기술을시험하기위한목적으로대부분사용될것으로예상된다. SDN 기술이선도적으로적용될데이터센터에적용되기위해서는고집적입출력포트와테라급수준의성능을갖는저가의 OpenFlow 스위치칩개발이요구된다. SDN 소프트웨어기술은많은오픈소스가개발되어 윤빈영외 / 미래네트워킹기술 SDN 135
보급되고있다. 이와함께네트워킹기술을보다손쉬운프로그램기술로만들기위한다양한연구가시도되고있다. 이중에는 Princeton 대학에서개발하고있는 SDN 을위한고급프로그램밍언어인 Frenetic 이포함된다 [10]. 4. 시장전망 미래네트워킹기술로부상하고있는 SDN(Open- Flow) 은상용화초기단계로서아직구체적인시장전망자료가발표되지않았다. 그러나, 2011년 8월 Gartner 에서발표한 Networking & Communications Hype Cycle 에 OpenFlow 기술이처음으로포함되었다. 여기에서 OpenFlow 기술의시장성숙단계를 5년이후로예상하였다 [11]. 용어해설 OpenFlow 네트워크장비의패킷포워딩기능과컨트롤러기능을표준인터페이스로분리하여네트워크개방성을제공하는기술로, SDN 기술의기반이됨. SDN OpenFlow 기술을기반으로네트워킹기술을컴퓨팅기술로모델링하여프로그램 ( 소프트웨어 ) 에의하여네트워크제어및관리를용이하게함. 약어정리 ACL DoS GENI GPL IPR Access control lists Denial of Service Global Environment for Network Innovations General Public License Intellectual Property Rights LGPL Lesser General Public License NDDI Network Development and Deployment Initiative OCP Open Compute Project OF OpenFlow ONF Open Networking Foundation RAND-Z Reasonable and Non-discriminatory licensing with Zero Royalty SDN Software-Defined Networking SSL Secure Sockets Layer 참고문헌 [1] N. McKeown, OpenFlow: Enabling Innovation in Campus Networks, 2008. http://www.openflow. org/documents/openflow-wp-latest.pdf [2] N. McKeown, OpenFlow (Why Can t I innovate in my Wiring Closet?), www.openflow.org/documents/ OpenFlow.ppt [3] https://www.opennetworking.org [4] B. Heller, OpenFlow Hands-on Tutoral, Open Netw. Summit, Oct, 2011. http://opennetsummit. org/past_conferences.html [5] P. Krey, Curb Your Innovation, Open Netw. Summit, Oct, 2011. http://opennetsummit.org/ past_conferences.html [6] http://cleanslate. 스탠포드.edu [7] http://www.internet2.edu/network/ose [8] http://www.openflow.org/videos [9] J. Heiliger, Promise of OpenFlow/SDN, Open Netw. Summit, Oct, 2011. http://opennetsummit. org/talks/heiliger-wed.pdf [10] N. Foster, Frenetic: A Network Programming Language, Proc. ACM Int. Conf. Funct. Programming, Sept. 2011. [11] Gartner, Hype Cycle of Networking & Communications, Aug. 2011. 136 전자통신동향분석제 27 권제 2 호 2012 년 4 월