소프트웨어 정의 네트워킹

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1. 개요

소프트웨어 정의 네트워킹(SDN)은 네트워크 제어 기능을 데이터 전달 기능에서 분리하여 네트워크를 프로그래밍 방식으로 제어하고 관리할 수 있게 하는 기술이다. 1995년 썬 마이크로시스템즈의 자바 출시와 공중 전화 교환망의 제어 평면과 데이터 평면 분리에서 개념이 시작되었다. SDN은 OpenFlow 프로토콜을 포함하여, 네트워크를 더 유연하고 효율적으로 관리할 수 있게 해주며, SD-WAN, SD-LAN, SDN 기반 보안 등 다양한 응용 분야에서 활용된다. SDN은 네트워크 기능 가상화(NFV) 및 심층 패킷 분석(DPI)과 연동하여 시너지를 창출하며, QoE(체감 품질) 추정에도 활용된다.

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소프트웨어 정의 네트워킹

2. 역사

소프트웨어 정의 네트워킹(SDN)의 역사는 여러 단계로 나눌 수 있다.

SDN의 개념은 1995년 썬 마이크로시스템즈가 자바를 출시하면서 시작되었다.^[156]^[157]^[158] 초기 SDN은 공중 전화 교환망에서 제어 평면과 데이터 평면을 분리하는 기술로 시작되었으며, 이후 데이터 네트워크에도 적용되었다.

인터넷 엔지니어링 태스크 포스(IETF)는 2004년에 ForCES(Forwarding and Control Element Separation) 표준을 제안하며 제어 기능과 전송 기능 분리를 위한 다양한 방법을 모색했고, 리눅스 Netlink, 경로 계산 요소(PCE) 기반 아키텍처 등 추가적인 초기 표준들이 제안되었다. 그러나 이러한 초기 시도들은 제어 평면의 실패 가능성과 표준 API를 만들면 경쟁이 심화될 것이라는 우려 때문에 큰 주목을 받지 못했다.

이후, 스탠포드 대학교의 Ethane 프로젝트를 통해 오픈 소스 소프트웨어 기반의 SDN 연구가 시작되었고, OpenFlow 프로토콜과 API, 네트워크용 운영체제인 NOX도 개발되었다. 학계를 중심으로 NEC와 HP의 OpenFlow 스위치 기반의 연구가 진행되었다.

2010년, Nicira는 NTT 및 구글과 협력하여 Onix에서 OVS를 제어하는 최초의 SDN 상용 배포를 시작했다. 2011년, 오픈 네트워킹 재단(Open Networking Foundation, ONF)이 설립되었고, 2012년, 구글은 B4 네트워크에 SDN을 도입했다. 차이나 모바일 등 통신 사업자들도 SDN 도입을 적극적으로 추진했고, 2014년, 아바야는 Interop에서 IEEE 802.1aq(최단 경로 브리징) 및 OpenStack을 사용하여 자동화된 캠퍼스 네트워크를 시연했다.

2. 1. SDN의 기원

소프트웨어 정의 네트워킹(SDN)의 개념은 1995년 썬 마이크로시스템즈가 자바를 출시하면서 시작되었다.^[156]^[157]^[158] 초기에는 공중 전화 교환망에서 제어 평면과 데이터 평면을 분리하는 기술로 활용되어, 데이터 네트워크에 적용되기 전에 프로비저닝 및 관리를 단순화했다.

인터넷 엔지니어링 태스크 포스(IETF)는 2004년 ForCES(Forwarding and Control Element Separation) 표준을 제안하며 제어 기능과 전송 기능 분리를 위한 다양한 방법을 모색했다.^[7] ForCES 워킹 그룹은 SoftRouter 아키텍처도 제안했다.^[8] 이 외에도 리눅스 Netlink^[9], 경로 계산 요소(PCE) 기반 아키텍처^[10] 등 추가적인 초기 표준들이 제안되었다.

그러나 이러한 초기 시도들은 당시 큰 주목을 받지 못했다. 인터넷 커뮤니티에서 제어 평면의 실패 가능성을 우려하여 제어와 데이터 분리를 위험하게 보았고, 벤더들은 표준 API를 만들면 경쟁이 심화될 것을 우려했기 때문이다.

2. 2. OpenFlow와 SDN의 발전

스탠포드 대학교의 Ethane 프로젝트를 통해 오픈 소스 소프트웨어 기반의 SDN 연구가 시작되었다.^[11] 2008년, Ethane 프로젝트는 OpenFlow 프로토콜과 API를 탄생시켰고,^[12] 네트워크용 운영체제인 NOX도 개발되었다.^[13] 학계를 중심으로 NEC와 HP의 OpenFlow 스위치 기반의 연구 및 프로덕션 네트워크가 구축되었다.^[22]

2010년, Nicira는 NTT 및 구글과 협력하여 Onix에서 OVS를 제어하는 최초의 SDN 상용 배포를 시작했다. 2011년, 오픈 네트워킹 재단(Open Networking Foundation, ONF)이 설립되어 SDN과 OpenFlow 확산을 주도했다. 2012년, 구글은 B4 네트워크에 SDN을 도입하여 대규모 SDN 적용 사례를 제시했다.^[23]^[24] 차이나 모바일 등 통신 사업자들도 SDN 도입을 적극적으로 추진했다.^[26] 2014년, 아바야는 Interop에서 IEEE 802.1aq(최단 경로 브리징) 및 OpenStack을 사용하여 자동화된 캠퍼스 네트워크를 시연하며 SDN 기술의 발전 가능성을 보여주었다.^[27]^[28]

3. 개념

SDN(소프트웨어 정의 네트워킹)은 네트워크 제어(제어 평면)와 데이터 전송(데이터 평면) 기능을 분리하여, 네트워크를 중앙에서 프로그래밍 방식으로 제어하고 관리하는 아키텍처이다. 클라우드 컴퓨팅처럼 동적이고 효율적인 네트워크 구성을 가능하게 하는 네트워크 관리 접근 방식이며, 소프트웨어 제어를 통해 유연한 네트워크를 구축하는 기술 전반을 의미한다.^[85]

오픈 플로우는 SDN 구현에 사용되는 대표적인 기술 중 하나로, 컨트롤러와 데이터 플레인 간의 통신 프로토콜 역할을 한다. 현재는 오픈 네트워킹 재단(Open Networking Foundation)에서 OpenFlow 규격 제정 및 SDN 확산을 추진하고 있다.^[87]

SDN은 기존의 정적 네트워크 아키텍처가 복잡하고 분산되어 있는 문제를 해결하고, 더 유연하고 문제 해결이 용이한 네트워크를 구축하는 것을 목표로 한다. 라우팅 프로세스(제어 플레인)에서 패킷 전송 프로세스(데이터 플레인)를 분리하여 네트워크 인텔리전스를 SDN 컨트롤러에 집중시킨다. 제어 플레인은 SDN 네트워크의 두뇌 역할을 하며, 하나 이상의 컨트롤러로 구성된다. 그러나 이러한 중앙 집중화는 보안, 확장성, 탄력성 측면에서 단점을 가지며, 이는 SDN의 주요 문제점으로 지적된다.

3. 1. SDN 아키텍처의 특징

SDN 아키텍처는 네트워크 제어(제어 평면) 기능과 전달(데이터 평면) 기능을 분리하여 네트워크 제어를 직접 프로그래밍할 수 있게 하고, 기본 인프라를 애플리케이션 및 네트워크 서비스로부터 추상화할 수 있게 한다.^[29]

SDN 아키텍처의 특징은 다음과 같다.

'''직접 프로그래밍 가능''': 네트워크 제어는 전달 기능과 분리되어 있기 때문에 직접 프로그래밍이 가능하다.
'''민첩성''': 제어를 전달 기능으로부터 추상화하면 관리자가 변화하는 요구 사항에 맞춰 네트워크 전체의 트래픽 흐름을 동적으로 조정할 수 있다.
'''중앙 집중 관리''': 네트워크 인텔리전스는 소프트웨어 기반 SDN 컨트롤러에 (논리적으로) 집중되어 있으며, 이 컨트롤러는 네트워크의 전반적인 뷰를 유지한다. 이는 애플리케이션과 정책 엔진에서는 단일 논리 스위치로 보인다.
'''프로그래밍 방식으로 구성 가능''': SDN을 통해 네트워크 관리자는 동적이고 자동화된 SDN 프로그램을 통해 네트워크 리소스를 매우 빠르게 구성, 관리, 보호 및 최적화할 수 있으며, 자체적으로 프로그램을 작성할 수 있는데, 이는 프로그램이 독점 소프트웨어에 의존하지 않기 때문이다.^[30]
'''개방형 표준 기반 및 공급업체 중립적''': 개방형 표준을 통해 구현될 때 SDN 컨트롤러가 여러 공급업체별 장치 및 프로토콜 대신 지침을 제공하므로 네트워크 설계 및 운영이 단순화된다.

4. 구조적 구성 요소

소프트웨어 정의 네트워킹(SDN)은 다음과 같은 구조적 구성 요소로 이루어져 있다.^[159]

'''SDN 애플리케이션''': 노스바운드 인터페이스(NBI)를 통해 SDN 컨트롤러와 통신하며, 네트워크 요구 사항과 원하는 네트워크 동작을 전달하는 프로그램이다.
'''SDN 컨트롤러''': SDN 애플리케이션의 요구 사항을 SDN 데이터 경로로 변환하고, 네트워크의 추상화된 보기를 SDN 애플리케이션에 제공한다.
'''SDN 데이터 경로''': 데이터 전달 및 처리 기능을 수행하는 논리적 네트워크 장치이다.
'''SDN 제어-데이터 평면 인터페이스 (CDPI)''': SDN 컨트롤러와 SDN 데이터 경로 간의 통신을 담당하며, 오픈 플로우가 대표적인 프로토콜이다.
'''SDN 노스바운드 인터페이스 (NBI)''': SDN 애플리케이션과 SDN 컨트롤러 사이의 인터페이스이다.

각 구성 요소에 대한 자세한 내용은 하위 섹션을 참고할 수 있다.

4. 1. SDN 애플리케이션

SDN 애플리케이션은 노스바운드 인터페이스(NBI)를 통해 SDN 컨트롤러와 통신하며, 네트워크 요구 사항과 원하는 네트워크 동작을 명시적, 직접적, 프로그래밍 방식으로 전달하는 프로그램이다.^[113] 또한 내부 의사 결정을 위해 네트워크의 추상화된 보기를 활용하기도 한다. SDN 애플리케이션은 하나의 SDN 애플리케이션 로직과 하나 이상의 NBI 드라이버로 구성된다. SDN 애플리케이션 자체가 추상화된 네트워크 제어의 또 다른 계층을 공개하여 각 NBI 에이전트를 통해 하나 이상의 상위 수준 NBI를 제공할 수도 있다.^[113]

SDN 애플리케이션 계층은 제어 계층의 서비스 요청을 데이터 평면 스위치에 대한 특정 명령 및 지침으로 매핑하고, 애플리케이션에 데이터 평면의 토폴로지 및 활동에 대한 정보를 제공한다. 이 애플리케이션 계층에는 네트워크 리소스 및 동작을 정의, 모니터링 및 제어하기 위한 애플리케이션과 서비스가 포함된다.^[86]

4. 2. SDN 컨트롤러

SDN 컨트롤러는 SDN 애플리케이션의 요구 사항을 SDN 데이터 경로로 변환하고, 네트워크의 추상화된 보기를 SDN 애플리케이션에 제공하는 논리적으로 중앙 집중화된 엔티티이다.^[36] SDN 컨트롤러는 하나 이상의 NBI 에이전트, SDN 제어 로직, 제어-데이터 평면 인터페이스(CDPI) 드라이버로 구성된다.^[36]

SDN 컨트롤러는 논리적으로 중앙 집중화되어 있지만, 여러 컨트롤러의 연합, 계층적 연결, 컨트롤러 간 통신 인터페이스, 네트워크 리소스 가상화 또는 슬라이싱과 같은 구현 세부 사항은 정의에 포함되거나 배제되지 않는다.^[36]

4. 3. SDN 데이터 경로

SDN 데이터 경로는 광고된 전달 및 데이터 처리 기능에 대한 가시성과 제어 권한을 제공하는 논리적 네트워크 장치이다.^[36] 이 논리적 표현은 물리적 기질 리소스의 전부 또는 일부를 포함할 수 있다.^[36] SDN 데이터 경로는 CDPI 에이전트, 하나 이상의 트래픽 전달 엔진, 그리고 0개 이상의 트래픽 처리 기능으로 구성된다.^[36] 이러한 엔진과 기능에는 데이터 경로의 외부 인터페이스 간의 단순 전달 또는 내부 트래픽 처리 또는 종료 기능이 포함될 수 있다.^[36]

하나 이상의 SDN 데이터 경로는 단일(물리적) 네트워크 요소, 즉 통신 리소스의 통합된 물리적 조합에 포함될 수 있으며, 이는 하나의 단위로 관리된다.^[36] SDN 데이터 경로는 여러 물리적 네트워크 요소에 걸쳐 정의될 수도 있다.^[36] 이 논리적 정의는 논리적-물리적 매핑, 공유 물리적 리소스 관리, SDN 데이터 경로의 가상화 또는 슬라이싱, 비-SDN 네트워킹과의 상호 운용성, OSI 계층 4-7 기능을 포함할 수 있는 데이터 처리 기능과 같은 구현 세부 사항을 규정하거나 배제하지 않는다.^[36]

SDN 데이터 플레인은 SDN 제어 플레인의 결정에 따라, 네트워크 전송 장치가 데이터 전송 및 처리를 수행하는 장소이다.^[86] 데이터 전송 기능은 다른 네트워크 장치 및 엔드 시스템으로부터 수신한 데이터 흐름을 받아 SDN 애플리케이션에서 정의된 규칙에 따라 계산, 확립된 데이터 전송 경로를 따라 전송한다.^[86]

4. 4. SDN 제어-데이터 평면 인터페이스 (CDPI)

SDN 제어-데이터 평면 인터페이스(CDPI)는 SDN 컨트롤러와 SDN 데이터 경로 간에 정의된 인터페이스이다.^[159] 이 인터페이스는 최소한 다음 기능을 제공한다.^[159]^[113]

모든 전달 작업의 프로그래밍 가능한 제어
기능 알림(광고)
통계 보고
이벤트 알림

SDN의 가치 중 하나는 CDPI가 개방적이고 공급업체 중립적이며 상호 운용 가능한 방식으로 구현될 것이라는 기대에 있다.^[159]^[113] 오픈 플로우는 대표적인 CDPI 프로토콜 중 하나이다.^[87]

4. 5. SDN 노스바운드 인터페이스 (NBI)

SDN 노스바운드 인터페이스(NBI)는 SDN 애플리케이션과 SDN 컨트롤러 사이의 인터페이스로, 추상화된 네트워크 보기를 제공하고 네트워크 동작 및 요구 사항을 표현할 수 있도록 한다.^[36] 이러한 인터페이스는 다양한 추상화 수준과 기능 집합에서 나타날 수 있다.^[36] SDN의 중요한 가치 중 하나는 이러한 인터페이스가 개방적이고, 공급 업체 중립적이며, 상호 운용 가능하도록 구현된다는 점이다.^[36]

SDN 애플리케이션은 NBI를 통해 SDN 컨트롤러에 네트워크 요구 사항과 원하는 네트워크 동작을 직접적이고 프로그래밍 방식으로 전달한다.^[113] 또한, SDN 애플리케이션은 내부 의사 결정을 위해 네트워크의 추상화된 보기를 활용할 수 있다.^[113]

5. SDN 제어 평면

SDN 제어 평면은 중앙 집중형, 계층형, 분산형으로 구현될 수 있다. 초기 SDN 제어 평면은 단일 제어 개체가 네트워크 전체를 파악하는 중앙 집중형 솔루션에 초점을 맞췄다. 이는 제어 로직 구현을 단순화했지만, 네트워크 크기와 변화가 커짐에 따라 확장성에 제한이 있었다. 이러한 제한을 극복하기 위해 여러 접근 방식이 제안되었는데, 이는 크게 계층형 접근 방식과 완전 분산형 접근 방식으로 나뉜다.^[114] ^[115] 계층형 솔루션에서는 분산 컨트롤러가 네트워크를 분할하여 파악하고, 네트워크 전체를 알아야 하는 결정은 중앙 집중화된 루트 컨트롤러가 수행한다. 분산형 접근 방식에서는^[116] ^[117] 컨트롤러가 로컬 뷰로 작동하거나 동기화 메시지를 교환하여 정보를 늘린다. 분산형 솔루션은 적응형 SDN 애플리케이션을 지원하는 데 더 적합하다.

컨트롤 플레인은 주로 다음과 같은 기능을 갖는다.

라우팅 테이블 작성
MAC 주소 테이블 작성
ARP를 통한 주소 해결

분산 SDN 제어 평면을 설계할 때 중요한 문제는 제어 개체의 수와 배치를 결정하는 것이다. 이때 고려해야 할 중요한 매개변수는 컨트롤러와 네트워크 장치 간의 전파 지연이며,^[118] 특히 대규모 네트워크에서 중요하다. 다른 고려 사항에는 제어 경로의 신뢰성,^[119] 내결함성,^[120] 애플리케이션 요구 사항이 있다.^[121]

기존 네트워크 관리와 SDN의 네트워크 관리 비교
특징	기존 네트워크	컨트롤러 기반 SDN
컨트롤 플레인	자율 분산형	중앙 집중형
관리 단위	네트워크 장비	네트워크
장비 설정	각 장비에 로그인하여 콘솔에서 설정	네트워크 구성을 정의하고 컨트롤러가 정의에 따라 각 장비에 적절한 설정 수행
펌웨어 관리	각 장비별로 펌웨어를 관리하고 업데이트	컨트롤러에서 일괄 관리 및 업데이트
보안	각 장비 인터페이스나 네트워크 경계 장비에서 감시 및 필터링	NetFlow 등의 분석 기능을 사용하여 네트워크 전체에서 의심스러운 움직임을 감시하고 대처
장애 복구	수동으로 문제 해결	AI 및 머신 러닝으로 문제 감지 및 분석 가능. 신속하고 정확하게 문제 해결

6. SDN 데이터 평면

SDN 데이터 평면은 제어 평면에서 지정한 규칙에 따라 데이터를 전달하는 패킷을 처리하는 역할을 한다. 데이터 평면은 하드웨어 스위치 또는 Open vSwitch와 같은 소프트웨어 구현으로 구현될 수 있다. 하드웨어 스위치의 메모리 용량은 저장할 수 있는 규칙의 수를 제한할 수 있지만, 소프트웨어 구현은 더 높은 용량을 가질 수 있다.^[45]

SDN 데이터 평면과 에이전트의 위치를 사용하여 SDN 구현을 분류할 수 있다.

하드웨어 스위치 기반 SDN: 이 접근 방식은 물리적 장치 내에서 데이터 평면 처리를 구현한다. OpenFlow 스위치는 TCAM 테이블을 사용하여 패킷 시퀀스(흐름)을 라우팅할 수 있다. 이러한 스위치는 구현을 위해 ASIC을 사용할 수 있다.
소프트웨어 스위치 기반 SDN: 일부 물리적 스위치는 Open vSwitch와 같은 장치의 소프트웨어를 사용하여 SDN 지원을 구현하여 흐름 테이블을 채우고 컨트롤러와 통신할 때 SDN 에이전트 역할을 한다. 하이퍼바이저는 마찬가지로 가상 스위치에서 SDN 프로토콜을 지원하기 위해 소프트웨어 구현을 사용하여 가상 머신을 지원할 수 있다.
호스트 기반 SDN: 네트워크 인프라에 데이터 평면과 SDN 에이전트를 배포하는 대신 호스트 기반 SDN은 통신 엔드포인트의 운영 체제 내부에 SDN 에이전트를 배포한다.^[46] 이러한 구현은 네트워크 흐름과 관련된 애플리케이션, 사용자 및 활동에 대한 추가 컨텍스트를 제공할 수 있다.^[47] 스위치 기반 SDN과 동일한 트래픽 엔지니어링 기능을 달성하기 위해 호스트 기반 SDN은 신중하게 설계된 VLAN 및 스패닝 트리 할당을 사용해야 할 수 있다.^[48]

흐름 테이블 항목은 사전 예방적, 반응적 또는 하이브리드 방식으로 채워질 수 있다.^[49]^[50]

사전 예방적 모드: 컨트롤러는 이 스위치에 대해 가능한 모든 트래픽 일치에 대한 흐름 테이블 항목을 미리 채운다. 이 모드는 현재의 일반적인 라우팅 테이블 항목과 비교할 수 있으며, 모든 정적 항목이 미리 설치되어 있다. 그 후, 모든 들어오는 흐름이 일치하는 항목을 찾기 때문에 컨트롤러로 전송되는 요청이 없다. 사전 예방적 모드의 주요 장점은 모든 패킷이 회선 속도(TCAM의 모든 흐름 테이블 항목 고려)로 전달되고 지연이 추가되지 않는다는 것이다.
반응적 모드: 필요에 따라 항목이 채워진다. 패킷이 흐름 테이블에 해당 일치 규칙 없이 도착하면 SDN 에이전트는 반응적 모드에서 추가 지침을 위해 컨트롤러에 요청을 보낸다. 컨트롤러는 SDN 에이전트 요청을 검사하고 필요한 경우 해당 패킷에 대한 규칙을 흐름 테이블에 설치하여 지침을 제공한다.
하이브리드 모드: 나머지 트래픽에 대한 반응적 모드 처리에 대한 유연성에 의존하면서 트래픽의 일부에 대해 낮은 대기 시간의 사전 예방적 전달 모드를 사용한다.

OpenFlow는 TCAM 테이블을 사용하여 패킷 시퀀스(플로우)를 라우팅한다. 플로우가 스위치에 도달하면, 플로우 테이블에서 룩업이 실행된다. 플로우 테이블의 구현에 따라, vSwitch가 사용되는 경우에는 소프트웨어 플로우 테이블에서, 하드웨어에 구현되는 경우에는 ASIC에서 이것이 실행된다. 일치하는 플로우가 발견되지 않으면, 컨트롤러에 추가 지침을 요청하는 요청이 전송된다. 이것은 세 가지 다른 모드 중 하나로 처리된다.^[122] ^[123]

7. 새로운 네트워크 아키텍처의 필요성

모바일 기기와 콘텐츠의 폭발적인 증가, 서버 가상화, 클라우드 서비스의 출현은 기존 네트워크 아키텍처의 한계를 드러내고 있다.^[31] 기존 네트워크는 대부분 계층적이며, 트리 구조로 배열된 여러 계층의 이더넷 스위치로 구축되어 클라이언트-서버 컴퓨팅 시대에는 적합했지만, 오늘날의 기업 데이터 센터, 캠퍼스, 통신 환경의 동적인 컴퓨팅 및 스토리지 요구 사항에는 맞지 않다.^[32]

오픈 네트워킹 재단(ONF)은 기존 네트워크 구조의 4가지 제한 사항(외부 소프트웨어 조작 허용, 복잡성, 일관성 없는 정책, 확장성 부족, 정보 통신 기업 의존성)을 제시하며, 미래에는 네트워크 가상화(NFV)와 소프트웨어 정의 네트워킹(SDN)이 상호 운용되어 네트워크 장비와 리소스를 추상화하고 프로그래밍 방식으로 제어하는 통합 소프트웨어 기반 네트워킹 접근 방식을 제공할 것이라고 예측한다.^[86]

사물 인터넷, 클라우드 컴퓨팅, SaaS의 등장으로 대규모 데이터 센터의 필요성이 증가하면서 에너지 소비 문제 또한 커지고 있다. 이에 따라 SDN의 에너지 효율을 개선하기 위해 기존 라우팅 기술을 적용, 네트워크 데이터 평면을 동적으로 조정하여 에너지를 절약하는 연구^[34]와 제어 평면 에너지 효율 개선 기술^[35]이 진행되고 있다.

7. 1. 주요 컴퓨팅 트렌드

모바일 기기와 콘텐츠의 폭발적인 증가, 서버 가상화, 그리고 클라우드 서비스의 출현은 네트워킹 산업이 기존 네트워크 아키텍처를 재검토하도록 이끄는 주요 트렌드이다.^[31] 기존의 많은 네트워크는 계층적이며, 트리 구조로 배열된 여러 계층의 이더넷 스위치로 구축되었다. 이러한 설계는 클라이언트-서버 컴퓨팅이 주를 이루던 시대에는 합리적이었지만, 오늘날의 기업 데이터 센터, 캠퍼스, 통신 환경의 역동적인 컴퓨팅 및 스토리지 요구 사항에는 적합하지 않다.^[32]

새로운 네트워크 패러다임의 필요성을 이끄는 주요 컴퓨팅 트렌드는 다음과 같다.

; 변화하는 트래픽 패턴

: 기업 데이터 센터 내에서 트래픽 패턴이 크게 변화하고 있다. 기존의 클라이언트-서버 애플리케이션은 하나의 클라이언트와 하나의 서버 간에 대부분의 통신이 발생했지만, 오늘날의 애플리케이션은 다양한 데이터베이스와 서버에 접근하여 최종 사용자 장치로 데이터를 반환하기 전에 동서 머신 간 트래픽이 급증하는 전형적인 남북 트래픽 패턴을 보인다. 또한, 사용자들은 모든 유형의 장치에서 언제 어디서나 기업 콘텐츠 및 애플리케이션에 접근하고자 함에 따라 네트워크 트래픽 패턴을 변화시키고 있다. 더불어, 많은 기업 데이터 센터 관리자는 프라이빗 클라우드, 퍼블릭 클라우드 또는 둘의 혼합을 포함할 수 있는 유틸리티 컴퓨팅 모델을 배포하고 있으며, 이는 광역 네트워크를 통한 추가 트래픽을 발생시킨다.

; IT의 개인화

: 사용자들은 스마트폰, 태블릿, 노트북과 같은 모바일 개인 장치를 사용하여 기업 네트워크에 접근하는 빈도가 증가하고 있다. IT 부서는 기업 데이터 및 지적 재산을 보호하고 규정 준수 의무를 충족하면서 이러한 개인 장치를 세분화된 방식으로 수용해야 한다.

; 클라우드 서비스의 부상

: 기업들은 퍼블릭 및 프라이빗 클라우드 서비스를 적극적으로 수용하여 이러한 서비스가 전례 없이 성장하고 있다. 많은 기업은 애플리케이션, 인프라 및 기타 IT 자원에 대한 온디맨드 접근과 개별적인 접근의 민첩성을 원한다. 클라우드 서비스를 위한 IT 계획은 증가된 보안, 규정 준수 및 감사 요구 사항을 충족하고, 비즈니스 재구성, 통합 및 합병 환경에서 빠르게 변화할 수 있어야 한다. 프라이빗 클라우드든 퍼블릭 클라우드든 간에, 셀프 서비스 프로비저닝을 제공하려면 공통적인 관점과 공통적인 도구 모음을 사용하여 컴퓨팅, 스토리지 및 네트워크 자원의 탄력적인 확장이 필요하다.

; 빅 데이터는 더 많은 대역폭을 의미한다

: 오늘날의 빅 데이터를 처리하려면 수천 대의 서버에서 대규모 병렬 처리가 필요하며, 모든 서버는 서로 직접 연결되어야 한다. 이러한 대규모 데이터 세트의 증가는 데이터 센터에서 추가 네트워크 용량에 대한 지속적인 수요를 촉진하고 있다. 하이퍼스케일 데이터 센터 네트워크 운영자는 이전에 상상할 수 없었던 규모로 네트워크를 확장하고 제한된 예산 내에서 모든 곳에 연결성을 유지해야 하는 어려운 과제에 직면해 있다.^[33]

8. 응용 분야

SDN은 다양한 분야에 응용되어 네트워크 관리 및 보안을 혁신하고 있다. 주요 응용 분야는 다음과 같다.

소프트웨어 정의 이동 통신망 (SDMN): 코어 네트워크 및 무선 접속 네트워크에서 모든 프로토콜 관련 기능을 소프트웨어로 구현하여, 범용 및 상용 하드웨어와 소프트웨어를 최대한 활용하는 이동 통신망 설계 방식이다.^[53] 3GPP Rel.14부터 PFCP 프로토콜을 통해 모바일 코어 네트워크 아키텍처에 제어-사용자 평면 분리가 도입되었다.
SD-WAN: SD-WAN은 SDN 원리를 사용하여 관리되는 광역 네트워크(WAN)이다.^[55] 더 저렴하고 상업적으로 이용 가능한 전용 회선을 사용하여 WAN 비용을 절감하고, 중앙 컨트롤러를 통해 구성 및 관리를 용이하게 한다.^[56]
SD-LAN: SDN 원칙을 기반으로 구축된 근거리 통신망(LAN)이다.^[57] 제어 관리와 데이터 평면을 분리하여 유무선 LAN을 위한 정책 기반 아키텍처를 지원하며, 클라우드 관리 시스템을 사용하고 물리적 컨트롤러 없이 무선 연결이 가능하다.^[58]
SDN 기반 보안: SDN 아키텍처는 컨트롤러가 네트워크를 중앙에서 보고 데이터 평면을 재프로그래밍할 수 있으므로, 네트워크 관련 보안 애플리케이션을 강화한다. (DDoS) 탐지 및 완화,^[63]^[64] 봇넷^[65], 웜 전파^[66] 방지 등에 활용된다. 또한, 이동 표적 방어(MTD) 알고리즘을 구현하여 공격을 어렵게 만든다.^[67]
그룹 데이터 전송 (RGDD): SDN 스위치는 여러 출력 포트로 전달을 허용하는 규칙을 설치하여 RGDD에 사용될 수 있다.^[73] 중앙 컨트롤러가 전달 트리를 지능적으로 설정하여 네트워크 혼잡/부하 상태를 고려하고 성능을 향상시킬 수 있다.

8. 1. 소프트웨어 정의 이동 통신망 (SDMN)

소프트웨어 정의 이동 통신망(SDMN)^[51]^[52]은 코어 네트워크 및 무선 접속 네트워크에서 모든 프로토콜 관련 기능을 소프트웨어로 구현하여, 범용 및 상용 하드웨어와 소프트웨어의 사용을 극대화하는 이동 통신망 설계 방식이다.^[53] 이는 이동 통신망 기능을 통합하기 위해 SDN 패러다임을 확장한 것이다.^[54] 3GPP Rel.14부터 PFCP 프로토콜을 통해 모바일 코어 네트워크 아키텍처에 제어-사용자 평면 분리가 도입되었다.

8. 2. SD-WAN

SD-WAN은 소프트웨어 정의 네트워킹(SDN)의 원리를 사용하여 관리되는 광역 네트워크(WAN)이다.^[55] SD-WAN의 주요 동기는 더 저렴하고 상업적으로 이용 가능한 전용 회선을 사용하여 WAN 비용을 절감하는 것으로, 이는 더 비싼 다중 프로토콜 레이블 스위칭(MPLS) 회선을 대체하거나 부분적으로 대체하는 방법이다. 제어 및 관리는 중앙 컨트롤러를 사용하여 하드웨어와 별도로 관리되므로 구성 및 관리가 더 쉬워진다.^[56]

8. 3. SD-LAN

SD-LAN은 소프트웨어 정의 네트워킹 원칙을 기반으로 구축된 근거리 통신망(LAN)이지만, 토폴로지, 네트워크 보안, 애플리케이션 가시성 및 제어, 관리, 서비스 품질 면에서 주요 차이점이 있다.^[57] SD-LAN은 제어 관리와 데이터 평면을 분리하여 유무선 LAN을 위한 정책 기반 아키텍처를 가능하게 한다. 또한 클라우드 관리 시스템을 사용하고 물리적 컨트롤러 없이 무선 연결이 가능하다는 특징이 있다.^[58]

8. 4. SDN 기반 보안

SDN 아키텍처는 컨트롤러가 네트워크를 중앙에서 보고 언제든지 데이터 평면을 재프로그래밍할 수 있기 때문에 네트워크 관련 보안 애플리케이션을 활성화, 촉진 또는 향상시킬 수 있다. SDN 아키텍처 자체의 보안은 여전히 연구가 필요한 열린 문제이지만,^[59]^[60]^[61]^[62] 여기서는 SDN을 사용하여 가능해지거나 다시 검토된 보안 애플리케이션에 초점을 맞춘다.

여러 연구에서 SDN 컨트롤러를 기반으로 구축된 보안 애플리케이션을 다양한 목적으로 조사했다. (DDoS) 탐지 및 완화,^[63]^[64] 봇넷^[65] 및 웜 전파^[66]는 이러한 애플리케이션의 구체적인 사용 사례이다. 기본적으로, 이 아이디어는 OpenFlow와 같은 표준화된 방식으로 네트워크의 전달 평면에서 네트워크 통계를 주기적으로 수집한 다음, 이러한 통계에 분류 알고리즘을 적용하여 네트워크 이상을 감지하는 것이다. 이상이 감지되면 애플리케이션은 이를 완화하기 위해 데이터 평면을 재프로그래밍하는 방법을 컨트롤러에 지시한다.

또 다른 종류의 보안 애플리케이션은 이동 표적 방어(MTD) 알고리즘을 구현하여 SDN 컨트롤러를 활용한다. MTD 알고리즘은 일반적으로 해당 시스템 또는 네트워크의 주요 속성을 주기적으로 숨기거나 변경하여 특정 시스템 또는 네트워크에 대한 공격을 평소보다 더 어렵게 만드는 데 사용된다. 기존 네트워크에서는 MTD 알고리즘을 구현하기 어렵지만, SDN 네트워크에서는 컨트롤러의 중앙 집중화 덕분에 이러한 작업이 더 간단해진다. 예를 들어 한 애플리케이션은 네트워크 내 호스트에 가상 IP를 주기적으로 할당할 수 있으며, 가상 IP/실제 IP 매핑은 컨트롤러에서 수행된다.^[67] 또 다른 애플리케이션은 공격자가 수행하는 정찰 단계(예: 스캔) 중에 상당한 노이즈를 추가하기 위해 네트워크의 임의의 호스트에서 가짜로 열린/닫힌/필터링된 포트를 시뮬레이션할 수 있다.^[68]

FlowVisor^[69] 및 FlowChecker^[70]를 사용하면 SDN 지원 네트워크의 보안을 강화할 수 있다. FlowVisor는 여러 개의 분리된 논리적 네트워크를 공유하는 단일 하드웨어 전달 평면을 사용한다. 이 접근 방식을 따르면 동일한 하드웨어 리소스를 생산 및 개발 목적으로 사용할 수 있으며, 모니터링, 구성 및 인터넷 트래픽을 분리할 수 있으며, 각 시나리오는 슬라이스라고 하는 자체 논리적 토폴로지를 가질 수 있다. FlowChecker는 사용자가 자체 슬라이스를 사용하여 배포하는 새로운 OpenFlow 규칙의 유효성을 검사한다.

SDN 컨트롤러 애플리케이션은 주로 대규모 시나리오에 배포되므로 가능한 프로그래밍 오류에 대한 포괄적인 검사가 필요하다. NICE라고 하는 이러한 작업을 수행하는 시스템이 2012년에 설명되었다.^[71] 포괄적인 보안 아키텍처를 도입하려면 SDN에 대한 포괄적이고 장기간의 접근 방식이 필요하다. SDN이 도입된 이후 설계자들은 확장성을 저해하지 않으면서 SDN을 보호할 수 있는 가능한 방법을 모색하고 있다. SN-SECA(SDN+NFV) 보안 아키텍처가 그 중 하나이다.^[72]

8. 5. 그룹 데이터 전송 (RGDD)

분산 애플리케이션은 데이터 동기화, 결함 복원력, 부하 분산, 그리고 사용자에게 데이터를 더 가깝게 제공(사용자 대기 시간을 줄이고 처리량을 증가시킴)하기 위해 일반적으로 데이터 센터 전반에 걸쳐 데이터를 복제한다. 또한, 하둡과 같은 많은 애플리케이션은 내결함성을 높이고 데이터 복구를 더 쉽게 만들기 위해 데이터 센터 내에서 여러 랙에 데이터를 복제한다. 이러한 모든 작업은 하나의 머신 또는 데이터 센터에서 여러 머신 또는 데이터 센터로의 데이터 전송을 필요로 한다. 하나의 머신에서 여러 머신으로 데이터를 안정적으로 전송하는 프로세스를 신뢰할 수 있는 그룹 데이터 전송(RGDD)이라고 한다.^[73]

SDN 스위치는 여러 출력 포트로 전달을 허용하는 규칙을 설치하여 RGDD에 사용할 수 있다. 예를 들어, OpenFlow는 버전 1.1부터 그룹 테이블을 지원하여^[73] 이를 가능하게 한다. SDN을 사용하면 중앙 컨트롤러가 RGDD를 위해 전달 트리를 신중하고 지능적으로 설정할 수 있다. 이러한 트리는 성능을 향상시키기 위해 네트워크 혼잡/부하 상태에 주의를 기울이면서 구축할 수 있다. 예를 들어, MCTCP^[74]는 데이터 센터 네트워크의 정규적이고 구조화된 토폴로지에 의존하는 데이터 센터 내부의 여러 노드로의 전송 방식이며, DCCast^[75] 및 QuickCast^[76]는 사설 WAN을 통해 데이터 센터 간의 빠르고 효율적인 데이터 및 콘텐츠 복제를 위한 접근 방식이다.

9. NFV와의 관계

네트워크 기능 가상화(NFV)는 SDN과 상호 보완적인 관계에 있는 기술로, SDN이나 SDN 개념에 의존하지 않는다.^[77] NFV는 하드웨어와 소프트웨어를 분리하여 유연한 네트워크 구축과 동적 운영을 가능하게 한다.^[77] NFV를 구축할 때는 일반적으로 이전에 하드웨어 기반이었던 네트워크 서비스 소프트웨어 버전을 실행하기 위해 범용 서버를 사용한다.^[77] NFV 환경에서 실행되는 이러한 소프트웨어 기반 서비스를 가상 네트워크 기능(VNF)이라고 한다.^[77]

SDN-NFV 하이브리드 프로그램은 고효율, 탄력적이고 확장 가능한 기능을 제공한다.^[2]^[78] NFV는 표준 IT 가상화 기술을 사용하여 서비스 혁신과 프로비저닝을 가속화하는 것을 목표로 한다.^[2]^[78] SDN은 SDN 컨트롤러를 사용하여 라우터 및 스위치와 같은 일반적인 전달 장치를 제어하는 민첩성을 제공하고,^[79] NFV는 가상화된 서버를 사용하여 네트워크 애플리케이션에 민첩성을 제공한다.^[79]

기존의 네트워킹 및 오케스트레이션 패러다임을 사용하여 독립형 엔티티로 VNF를 구현하는 것이 가능하지만,^[79] 특히 VNF의 관리 및 오케스트레이션을 고려할 때 SDN 개념을 활용하여 NFV 인프라를 구현하고 관리하는 것이 더 효율적이다.^[79] 이러한 이유로 SDN과 NFV를 협력적인 생태계에 통합하는 다중 공급업체 플랫폼이 정의되고 있다.^[79]

10. DPI와의 관계

심층 패킷 분석(DPI)은 네트워크 트래픽을 분석하여 애플리케이션 수준의 정보를 파악하는 기술이다. SDN은 애플리케이션에 네트워크 인식을 제공하고, DPI는 네트워크에 애플리케이션 인식을 제공하여 상호 보완적인 역할을 수행한다.^[80]^[152] SDN은 일반적인 네트워크 아키텍처를 근본적으로 변화시키겠지만, 높은 상호 운용성을 위해 기존 네트워크 아키텍처와 함께 작동하도록 해야 한다. 새로운 SDN 기반 네트워크 아키텍처는 DPI, 보안 장비^[81]와 같이 주요 전달 장치(라우터 및 스위치) 외의 별도 장치 또는 소프트웨어에서 현재 제공되는 모든 기능을 고려해야 한다.^[153]

11. QoE (체감 품질) 추정

SDN 기반 네트워크에서 멀티미디어 트래픽을 전송할 때 중요하게 고려해야 할 점은 QoE(Quality of Experience, 체감 품질)이다.^[82]^[83] QoE를 추정하려면 먼저 트래픽을 분류하고, 시스템이 트래픽을 분석하여 자체적으로 중요한 문제를 해결할 수 있도록 하는 것이 좋다.^[82]^[83]

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