증가하는무선트래픽 - KRnet€¦ · · 2013-06-142 1.인터넷현황 2.WLAN...

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1. 인터넷 현황

2. WLAN 통합 제어 관리 기술 동향

3. SDN 및 OpenFlow 개요

4. OpenFlow 기반 WLAN 통합 제어 관리 기술

Contents

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1. 인터넷 현황: 증가하는 무선 트래픽

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6

9

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2012 2013 2014 2015 2016 2017

스마트폰 (67.5%) 노트북 (14.0%)

태블릿 (11.7%) 기타 장비 (6.8%)

Exabytes / 월

*Cisco VNI Mobile Forecast, 2013

(년)

스마트기기의확산, 모바일App 시장의발전, 이동통신기술의빠른세대교체

등에의해전세계적으로무선데이터트래픽급증

Device 당배출하는 Traffic 급속증가

스마트폰= 일반휴대폰x 24배

태블릿= 일반휴대폰x 122배

2010년대비 2015년26배증가예상

2015년1TB/월이상사용자600만명증가

Source : SKT 4세대 이동통신 서비스 및 네트워크 추진 방향from 미래 인터넷 컨퍼런스 2012

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20

30

40

50

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

3G 4G

Peta Bytes

*방송통신위원회

(월)

우리나라는세계에서가장빠른수준의무선트래픽증가속도를보임에따라,차세대네트워크로의진화와네트워크고도화의필요성이커지고있음

최근 2년간국내모바일트래픽증가율은약4800%에달함

스마트폰의대중화로Twitter, Facebook 등SNS 활성화

2012년국내모바일트래픽추이

43PB

LTE 사용자수급증및무제한요금제출현

컨텐츠의대용량, 고화질화

제한된주파수자원사용률과포화및코어네트워크과부하우려

1. 인터넷 현황: 증가하는 무선 트래픽

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사용자의요구를만족시켜주는다양한응용서비스의등장으로

트래픽증가가가속화되며, 네트워크요구사항이증가하므로차세대네트워킹필요

Source : SKT 4세대 이동통신 서비스 및 네트워크 추진 방향from 미래 인터넷 컨퍼런스 2012

점차발전하는유무선인터넷응용서비스기술에대응하여

컨텐츠는지속적으로대용량 / 고화질화되어가고, 실시간성에대한요구도증가

비디오스트리밍서비스

2D 영상SD 영상

3D 입체영상HD 영상

어플리

케이션OS 기반

Native AppWeb Application

(HTML5)

클라우드

서비스단순

저장공간

컨텐츠이동 / 공유(nScreen)

게임

서비스Stand-alone MMORPG

메시징

서비스SMS

Mobile InstantMessaging(카카오톡)

1. 인터넷 현황: 다양한 응용 서비스

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현재데이터센터네트워크를비롯한인터넷구조는굉장히복잡하며 (수백만라인소스, 5400 RFCs)이로인해유지보수뿐만아니라신규서비스의대응도굉장히어려움

CoreCore CoreCoreCoreCoreCoreCore

AggrAggr AggrAggr

TORTOR TORTOR TORTOR TORTOR

AggrAggr AggrAggr


AggrAggr AggrAggr


AggrAggr AggrAggr


Google IDC Center

Legacy 데이터센터는다계층/다단네트워크구조

통신사업자/기업망장비그대로사용

50~75% East-West 트래픽(ONS2012) → 데이터센터내: 76%, 데이터센터간: 7%, 데이터센터-사용자간: 17% (Cisco, 2012)

이러한구조내에서는Latency 및부하관리가복잡하며, QoS가어려움

신규서비스에대해case-by-case로대응 (설치장소, 소모전력, 관리, 수익창출어려움)

Source : ETRI 스마트 인터넷 기술 개발 사업 총괄 현황from 스마트 인터넷 기술 과제 워크샵

1. 인터넷 현황: 네트워크 복잡도 증가

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각분야별로

연구개발된

적용가능한

새로운기술들은

네트워크응용서비스, 네트워크상태등수요나상태에긴밀하게대응할수있는

유연한네트워킹이요구되지만현재의Vendor-Specific한네트워크상황에서는사실상불가능

Network

Network Hardware Vendor

서비스별요구사항

상태별동적

네트워킹

DPI / DFINetwork가상화

NATsFirewallsRouting

Protocols

Vendor를거쳐야만

네트워크에

적용되는구조

1. 인터넷 현황: 네트워크 유연성 요구

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Software-DefinedNetworking

OpenFlow유무선통합네트워킹

데이터트래픽증가

다양한응용서비스

네트워크복잡도증가

빠른수요대응능력부족

네트워크유연성요구

유무선네트워크고도화

사용자친화적네트워킹

스마트무선네트워크

현재인터넷상황현상, 문제점, 요구사항

제안되는해결방안 네트워크발전방향

1. 인터넷 현황: 향후 인터넷 발전 방향

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유무선네트워크고도화

사용자친화적네트워킹

스마트무선네트워크

유선네트워크뿐만아니라무선네트워크의통합제어 / 관리도

함께고려되어야하는상황

• 유무선네트워크의기술고도화필요

• 기존Enterprise WLAN 기술과유선망관리기술의융합필요

무선네트워크탄력성, 안정성, 유연성측면에서의도약

• Vendor-Specific하게발전해오던Enterprise WLAN 관리기술의규격화및표준화필요성증대

• 유무선통합관리를비롯한여러최신기술의융합으로스마트무선네트워크달성

스마트폰, 태블릿등으로인해늘어난인터넷사용시간에대응하기위한기술필요

• 인터넷사용시간, 진화하는컨텐츠, 무선통신기술발전에비례하여폭증하는데이터트래픽에민첩한대응이크게요구됨

• WiFi를비롯하여유선, 3G, 4G, Femtocell등다양한이기종네트워크의통합관리

1. 인터넷 현황: 제안되는 해결 방안

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2. WLAN 통합제어관리기술동향: 현재 WLAN의 문제점

상호간섭 핸드오버미지원 좁은커버리지

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2. WLAN 통합제어관리기술동향: Enterprise WLAN의 도입

AP의무분별한설치로인해간섭이심화

AP간통신프로토콜이없으므로핸드오버지원이어려움

무선커버리지가좁아서항상원활한통신이되지않음

일반WLAN문제점

AP를중앙집중식으로관리할수있는AP 컨트롤러의도입

컨트롤러제어하송신파워조절, AP간협업, 여러부가기능의추가로간섭해결, 핸드오버지원

여러응용기술의추가로WLAN 성능향상

해결방안:Enterprise

WLAN

AP 하드웨어와AP 컨트롤러의강한커플링

사용자의컨트롤러제어는사실상불가능

제어프로토콜(LWAPP, CAPWAP) 등의제한적인구조, 이기종네트워크와연계어려움

EnterpriseWLAN의문제점

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2. WLAN 통합제어관리기술동향: Software Defined WLAN의 도입

WLAN에Software Defined Networking 개념도입

SDN은유선네트워크에서는각광받는신기술로주목받고있으나, 무선에서는아직까지논외의기술

SDN 컨트롤러로유선네트워크뿐만아니라WLAN 또한제어하는유무선통합SDN

SoftwareDefinedWLAN

AP 하드웨어와WLAN 컨트롤러의사실상완전한분리

사용자가직접WLAN Application 개발 / 적용가능

제어프로토콜(OpenFlow)은 많은가능성을지니고빠른속도로발전하고있는기술이며, 스위치및Femtocell등다양한이기종장비와의연계동작도가능

SDN 도입시

장점

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“SDN is a refactoring of therelationship between networkdevices and the software thatcontrols them”

3. SDN 및 OpenFlow: Software-Defined Networking

- Paraphrased from the HotSDN ’12 Solicitation

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3. SDN 및 OpenFlow: SDN 기술 개요

Software Defined Networking (SDN) 등장 배경

트래픽패턴의변화

IT소비자화(소비대중이주도

하는 IT 변화)

클라우드서비스의

등장 Big Data로인한대역폭요구량

증가

새로운네트워크구조의

필요성대두

통신장비공급업체의존성

규모확대의어려움

일관성없는네트워크

정책네트워크복잡성문제

증가

현재네트워킹기술의

한계점

SoftwareDefined

Networking

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SDN이란, Control Plane과 Data Plane이 분리된 아키텍쳐

Modified from: Korea SDN interest Group Seminar(2012. 10)

Hardware 영역 (Data Plane) Forwarding

Software 영역(Control Plane)

RoutingQoS

Policy

기존 네트워크 장비

Software 영역(Control Plane)

RoutingQoS

Policy

Hardware 영역 (Data Plane) Forwarding

SDN 네트워크 장비

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기존네트워크구조와SDN 아키텍쳐비교

Software Defined Networking통신사업자나기업의환경변화에대응하기위한네트워크구성의유연성및효과적인관리기능을

제공하면서, 하드웨어중심의네트워크를소프트웨어기반으로전환하기위한패러다임

Source: ONF Seminar(2012. 3)

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3. SDN 및 OpenFlow: OpenFlow 개요

Source: ONF forum

OpenFlow는SDN기술중하나로, Control Plane과Data Plane의상호작용을위한프로토콜

컨트롤러에서 패킷 경로 탐색을 위한 소프트웨어가 독립적으로 실행됨으로써 하드웨어에 종속되던 트래픽

흐름 제어의 주체가 네트워크 소유자(사용자) 및 해당 응용프로그램으로 변경되며, 기존 IP 라우팅 프로토콜

기반 분산 컨트롤러 구조에서 중앙 집중식 구조로 변화

OpenFlow는오픈소스를근간으로하므로, 사용자들이새로운특징과기능을신속하게고안및구현할수있으며특정요구조건을가진네트워크에맞게커스터마이징가능

OpenFlow프로토콜은다양한하드웨어로구성된네트워크를통합제어할수있는하이퍼바이저역할수행가능

OpenFlow Switch

Data Path (Hardware)

ControlPath OpenFlow Agent

OpenFlow Controller

OpenFlow Protocol (SSL / TCP)

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3. SDN 및 OpenFlow: OpenFlow 기관 및 표준화 동향

‘2011년 3월 22일 비영리, 상호 이익을 바탕으로 하는 새로운 단체로 SDN의 개발과 활용을 촉진하는 것을

목표로 설립

산업체 중심의 디펙토 표준기구(OF 중심)

현재 ETRI, KT, SKT, 삼성 등이 회원으로 등록 (전세계 96여개 기관 회원)

OF 규격관련 Entensibility 및 NBAPI 에 초점

ONF ( Open Networking Foundation )

OpenFlowSpec 로드맵

1.3.2 approved by Board

1.3.x extensions (approved)

1.4 : est. June 2013, 9 changes + 13 extensions

1.5 : not started yet, maybe end 2013Not published yet

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Name Language Platform LicenseOriginalAuthor

Notes

OpenFlowReference

C LinuxOpenFlowLicense

Stanford/Nicira

NOXPython,C++

Linux GPL Nicira

POX Python Any

Beacon JavaWin,MAC,

Linux, AndroidGPL(core),

FOSSDavid Erickson

(Stanford)

Floodlight Java ApacheBigSwitch,Based on Beacon

RouteFlowC++,

Python ApacheCPqD

(BraziL)

OpenDaylight Java Any EPL OpenDaylight 2012.4.7 Linux Foundation

Flowvisor On.lab “Slices” network resources

Trema Ruby, C Linux GPL NEC

3. SDN 및 OpenFlow: OpenFlow 컨트롤러 프로젝트 현황

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3. SDN 및 OpenFlow: OpenFlow 대표적 적용 사례

GENI는 미래인터넷 프로젝트의 연구결과를 검증하는 테스트베드로서 2006년 시작되었으며, 네트워크 상에

서 실험 프로토콜을 테스트하기 위한 방법으로 OpenFlow를 최초 사용

GENI 네트워크인프라

미국GENI(Global Environment for Network Innovations)

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′12년 4월 2nd ONS(Open Networking Summit) 기조연설을 맡은 구글의 기술 인프라 부책임자 우르스 횔즐

(Urs Holzle)은 자사의 글로벌 데이터센터들을 연결하는 내부 네트워크를 위한 맞춤설계 하드웨어에

OpenFlow를 사용하고 있다고 언급

OpenFlow로재구축된구글의전세계데이터센터네트워크

*Source: Wired, 2012.4

Google

′09년 구글은 ONF의 표준화 움직임이 시작되기 전부터 OpenFlow 코드 테스트를 시작하였으며, ′10년 자신들의

글로벌 데이터센터들을 연결시켜 주는 이른바 ‘G-Scale 네트워크’라는 이름으로 OpenFlow 프로젝트를 시작

구글은 인터넷 및 DC 연결을 위한 2개의 백본이 있는데 대규모 백본 관리에 어려움이 있었으며, 구글은 전송

해야 할 데이터를 올바로 선별하고 보다 중요한 트래픽을 처리 하기 위해 중앙 집중화된 네트워킹이 가능한

OpenFlow를 도입

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대학과 연구소를 중심으로 소규모 개념 검증을 위한 Prototype 개발이 추진 중이며, GIST, 충남대, KOREN, ETRI, KREONET 등에서 PoC 수준의 테스트베드 망구성

OpenFlow 구성망(Proof of concept)

Source: 방송 통신 PMIssue Report (2012.7)

파이오링크 및 나리네트웍스에서 OpenFlow 지원 스위치 개발 중

쿨클라우드 (MuL), 아토리서치 (ATTNET) 등에서 OpenFlow 컨트롤러 개발 중

국내OpenFlow적용현황

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4. OpenFlow기반 WLAN통합제어관리기술: OpenFlow + WLAN ?

OpenFlow는 다양한 Vendor의 AP들을

통합 제어 관리하기 위한 규격화 / 표준화 시

Open WLAN Control Protocol로서적합

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Odin Framework

Enterprise WLAN 에 programmability 를 제공하기 위한

SDN Framework 제시

OpenFlow 를 기반으로 중앙 컨트롤러와 AP 간의 정보

및 제어 메시지를 교환

Odin Framework 를 통해 네트워크 Operator 는

Enterprise WLAN 서비스를 하나의 네트워크 Application

과 같이 구현 가능

Instituto Superior Tecnico(Portugal), Telekom Innovation

Laboratories(Germany) 에서 제시

WLAN 클라이언트 관리를 단순화 하기 위해 LVAP

(Light Virtual Access Point) 기법 제시

Source: Lalith S. et al, Towards programmable enterprise WLANS with Odin, ACM HotSDN 2012

* Odin Architecture

4. OpenFlow기반 WLAN통합제어관리기술: Odin Project

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Odin Framework 기존의 WLAN 환경에서 AP Association 결정은 AP 인프

라가 결정하는 것이 아니라 클라이언트에서 이루어 짐

LVAP 추상화를 통해 클라이언트의 Association AP 결정

제어를 AP 에서 할 수 있도록 함

연결되는 각 클라이언트 별로 LVAP를 각각 할당하며,

Odin Master는 해당 LVAP를 어떤 물리 AP에서 서비스

할지를 결정함

클라이언트의 Handoff 시 Odin Master는 기존 물리 AP

에서 LVAP 를 제거하고, 다른 물리 AP에 LVAP를 서비

스하도록 함으로써, Handoff 시 Re-association 과정이 필

요하지 않음

클라이언트의 별도 수정이 필요 없으며, 클라이언트에

있어서 Handoff 는 투명하게 진행됨

* LVAP 기반 클라이언트 Handoff 과정

Source: Lalith S. et al, Towards programmable enterprise WLANS with Odin, ACM HotSDN 2012

4. OpenFlow기반 WLAN통합제어관리기술: Odin Project

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OpenRoads(OpenFlowWireless)

무선 네트워크의 혁신을 위한 OpenFlow

기반 플랫폼

* OpenRoads Architecture

OpenRoad 플랫폼을 통해 Mobility 서비

스를 실제 환경에서 검증 및 실험할 수

있으며, 이기종 무선 망간(WiFi, WiMAX

등)의 Handover 를 가능하게 함

Physical, Network Virtualization / Slicing,

Controller Layer로 구성되며, 다양한 실

험을 Controller Layer 상에서 구현함으

로써 가능하게 함

Source: Kok-Kiong Y. et al, OpenRoads: empowering research in mobile networks,ACM SIGCOMM Computer Communication Review vol.40 no.1 Jan 2010

4. OpenFlow기반 WLAN통합제어관리기술: OpenRoads

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SDN컨트롤러

OpenFlow Switchs

OpenFlowAPs

….

OpenFlowAP Agent

WLAN통합 관리 모듈

OpenFlowAP-Protocol

WLAN 제어 API

SDN –WLANApplication




WLANApplication

WLANApplication

WLANApplication

SoftwareDefined

SDN컨트롤러

OpenFlowSwitch

OpenFlowAP

Software-Defined WLAN

SDN 개념도SDN 구조도

SDN –3G/4GApplication

SDN Application

4. OpenFlow기반 WLAN통합제어관리기술: 부산대 OpenFlow AP Concept

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SDN 컨트롤러내WLAN 통합관리모듈

AP 제어및관리를위한OpenFlow프로토콜을지원

AP로부터무선채널정보를수집 / 관리하여효율적인무선자원관리지원

WLAN Application을위한WLAN 제어라이브러리및API 지원

Core

Component

WLANApplication

North-Bound API

OpenFlowProtocol

Components API

Socket I/O, File I/O, Asynchronous I/OSocket I/O, File I/O, Asynchronous I/O

OpenFlow APIOpenFlow APIEvent HandlerEvent HandlerCooperative ThreadingCooperative Threading

WLAN Control API & Library

WLAN Control Component

Wireless LinkMonitoring

AP ControlFunction

ClientManagement

Function

HandoverFunction

SeamlessHandoverSeamlessHandover

WiFiLoad-Balancer

WiFiLoad-Balancer

User AwareService

User AwareService

WLANManagement

WLANManagement


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OpenFlowAP Agent

SDN 컨트롤러의제어및상태수집메시지등OpenFlow프로토콜메시지의처리가능

AP 하드웨어의기본기능뿐만아니라다양한AP Application의부가적인기능또한지원해야함

OpenFlow AP Agent를통해AP 기능제어를하기위한AP Control API 규격화

OpenFlow AP

OpenFlow AgentSecureChannel

Device Driver

Soft-MAC

OpenFlowProtocol

AP Control API Virtual AP API Monitoring API H/W Control API

VAPManagement

모듈

VAPManagement

모듈

WirelessChannel

Monitoring모듈

WirelessChannel

Monitoring모듈

AP HardwareControl모듈

AP HardwareControl모듈

Vendor Hardware APIVendor 별 Hardware DriverVendor 별 Hardware Driver

OpenFlowAP 예시


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OpenFlowAP 프로토콜

AP 통합관리를위한기능요구사항을충분히반영해야함

OpenFlow AP 제어및관리를위한Controller-to-AP 및Asynchronous 타입메시지규격화

채널정보수집이나제어메시지등OpenFlow프로토콜의오버헤드를최소화하여야함

AP제어 / 관리

SDN컨트롤러

OpenFlowAP

Controll-to-AP MessageControll-to-AP Message

OpenFlowAP ProtocolAsynchronous MessageAsynchronous Message

클라이언트관리 무선트래픽

관리 부가기능제어

AP상태리포팅 무선채널

모니터링정보클라이언트

알림

부가기능응답


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WiFi 사용자 그룹 별 다양한 서비스 제공 기술

노트북

스마트폰

태블릿

OpenFlowAP 가상리소스

사용자 그룹 별WiFi 서비스 제공을 위한OpenFlow 기반 AP 제어

OpenFlowAP

SDN 컨트롤러

사용자 그룹 별WiFi 서비스 제공

Application

사용자 그룹 별WiFi 서비스 제공을

위한 규격화된Northbound API

4. OpenFlow기반 WLAN통합제어관리기술: 부산대 OpenFlow AP 응용

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SDN 컨트롤러

오프로딩Femtocell to WiFi오프로딩Application

상호연동 OpenFlow스위치

OpenFlowAP

OpenFlowFemtocell

Femtocell제어관리 모듈

스위치제어관리 모듈

WLAN제어관리 모듈

MobileDevice

Femtocell연계기술


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A B AB

물리적AP의중첩된영역에위치하는클라이언트

클라이언트 정보Live Migration

SDN 컨트롤러OpenFlow

스위치

OpenFlowAP

클라이언트 정보Live Migration을 위한

OpenFlow 기반 AP 제어

Virtual APs

AP 로드밸런싱을위한 Seamless 핸드오버기술


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SDN 컨트롤러

OpenFlowAP

간섭 완화를 위한송신 출력 감소 명령

커버리지 증가를 위한송신 출력 증가 명령

AP 송신파워조절을통한간섭완화및커버리지확장기술


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OpenFlow기반무선메쉬네트워크개발및Flow별라우팅기법적용

OpenFlow무선메쉬라우터의구조및동작방식제시

무선메쉬라우터의라우팅테이블제어를위한Mesh Control API 및OpenFlowMesh Agent 구조제시

무선메쉬네트워크제어를위한OpenFlow프로토콜확장구현방법제시

OpenFlow Mesh Router

OpenFlowMesh Agent

SecureChannel

PHY(Multi-Interface)

Soft-MAC

OpenFlowProtocol

Mesh Control API (Netlink)

mac80211 common L2 protocol

ath9k driverath9k driver ath9kath9k ath9kath9k

Atheros NIC NIC NIC

채널정보수집

메쉬라우팅생성 / 제거

Flow 정보제어

Application

OpenFlow 기반무선 메쉬 네트워크

OpenFlow 기반메쉬 라우터 제어

SDN 컨트롤러

4. OpenFlow기반 WLAN통합제어관리기술: 부산대 OpenFlow Mesh Router 연구

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SDN Mesh Application: Flow별 라우팅 적용 사례

각메쉬링크의가용대역폭을기준으로하는Flow별라우팅Application 적용

각메쉬라우터는수집정보를SDN 컨트롤러에게주기적으로보고

컨트롤러의Flow별라우팅Application은수집된정보를바탕으로, 새로운Flow 생성시무선링크퀄리티와트래픽부하를충분히고려하여각Flow별로현재네트워크내최적의경로를선택하도록함

S1

D2

S2

D1

S1

D2

S2

D1

혼잡혼잡

Lossy

S1

D2

S2

D1

Lossy

< 일반메쉬라우팅> < 사용량고려Flow별라우팅> < 실시간사용량및채널정보고려Flow별라우팅App 적용>


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OpenFlow Wireless Mesh Networks, Flow별 라우팅 기법의 실험 환경 및 결과

“OpenFlow기반무선메쉬네트워크환경에서Flow별라우팅을통한성능향상기법”정보과학회논문지: 정보통신게재예정

Openflow미적용

Openflow적용

Openflow+ Flow별라우팅기법적용

< 테스트베드및실제설치환경> < 실험결과>


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Contact info:

부산대학교 컴퓨터공학과 교수 정상화

[email protected]

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