가상 네트워크의 자원 할당, 가격 결정 및 고장 관리

학위논문 (박사)-- 서울대학교 대학원 : 전기·컴퓨터공학부, 2013. 8. 서승우.네트워크 가상화는 물리적 네트워크의 공유 자원들을 복수 개의 가상 네트워크들에 동적으로 할당할 수 있게 해주는 기술이다. 자원 할당의 유연성과 가상 네트워크들 사이의 독립성 때문에, 네트워크 가상화는 네트워크 테스트베드를 설계하기 위한 기반 기술로써 주로 활용되어 왔을 뿐만 아니라, 인터넷의 다양화를 지원하기 위한 비용 효율 높은 해결책으로써 여겨지기 시작했다. 서비스에 따라 계층화된 인터넷을 설계하기 위한 하나의 수단으로써, 네트워크 가상화는 여전히 해결해야 할 많은 도전 과제들을 가지고 있다. 이 학위 논문은 가상 네트워크 환경에서 중요한 몇 가지 새로운 연구 주제들을 제시하고, 그에 대한 효과적인 해법들을 제안한다. 첫 번째로, 가상 네트워크의 다양한 QoS 요구사항을 만족시킬 수 있는 네트워크 최적 분할 방법을 제안한다. QoS와 대역폭 제한 조건을 고려하여 가상 네트워크 분할 문제를 최적화 문제로 모형화하고, 문제의 구조적 복잡성을 해결하기 위해 최단 경로 라우팅에 기반한 휴리스틱을 제안한다. 실제 인터넷 환경을 고려한 대규모 실험을 통해, 제안한 휴리스틱의 효율성과 확장성을 입증한다. 다음으로, 가상 네트워크에서 차등 접속 서비스를 위한 경제성 분석 모델을 제시한다. 먼저 사용자 가입 변동 모형이 한 값으로 수렴하기 위한 충분 조건을 유도하고, 이러한 조건 하에서 인터넷 서비스 제공자의 수익을 최대화할 수 있는 최적의 가격 결정 방법 및 대역폭 분할 방법을 찾는다. 수치 실험을 통해, 적절한 가격 결정과 대역폭 분할이 이루어진다는 가정 하에서 차등화 서비스가 단일 서비스보다 더 높은 수익성을 나타낼 수 있음을 증명한다. 마지막으로, 가상 네트워크 간 트래픽 전환을 통한 빠르고 효과적인 고장 회복 기술을 개발한다. 가상 네트워크의 구조적 특성을 활용한 고장 회복 기술을 이용하면, 모든 링크에 대한 백업 경로가 항상 존재하도록 미리 토폴로지를 설계해야 할 필요가 없고, 각 라우터에서 그 경로들에 대한 계산을 미리 해 놓을 필요가 없다. 그럼에도 불구하고, 제안한 고장 회복 방법은 기존의 기술들과 같은 좋은 성능을 보인다. 이 학위 논문은 가상 네트워크를 기반으로 하는 인터넷 환경에서 발생할 수 있는 중요한 문제들을 다루고자 한다. 이 논문에서 제안하는 분석 모델 및 실험 결과들은 현재 인터넷의 한계를 극복하고, 미래 인터넷 아키텍처를 설계하기 위한 유용한 지침을 제공할 것이다.Network virtualization is an emerging technology that enables the dynamic partitioning of a shared physical network infrastructure into multiple virtual networks. Because of its flexibility in resource allocation and independency among virtual networks, the network virtualization technology has not only been mainly deployed to build a testbed network, but also has come to be regarded as a cost-effective solution for diversifying the Internet. As a means of building the multi-layered Internet, network virtualization still faces a number of challenging issues that need to be addressed. This dissertation deals with several important research topics and provides effective solutions in network virtualization environment. First, I focus on the optimal partitioning of finite substrate resources for satisfying the diverse QoS requirements of virtual networks. I formulate virtual network partitioning problem as a mixed integer multi-commodity flow problem. Then, to tackle the structural complexity of the problem, I propose a simple heuristic based on shortest path routing algorithm. By conducting large-scale network experiments, I verify the efficiency and scalability of the heuristic. Next, I propose an economic model for tiered access service in virtual networks in order to remedy the deficiency of the existing tiered service schemes. I first derive a sufficient condition for stability of user subscription dynamics, and find the optimal pricing and capacity partitioning by addressing the revenue maximization problem of the tiered access service in a network virtualization environment. Numerical results show that the tiered service can be more profitable than the non-tiered service under proper pricing and capacity partitioning conditions. Last, I develop a fast and effective failure recovery mechanism through inter-virtual network traffic switching in virtual networks. The proposed failure recovery mechanism neither has topological constraints for the existence of backup paths, nor requires the pre-computation of them, but nevertheless guarantees as fast recovery as the existing failure recovery methods. This dissertation aims to address important issues in the virtual network-based Internet. I believe that the analysis and results in this dissertation will provide useful guidelines to improve the Internet.1 Introduction 1.1 Background and Motivation 1.2 Contributions and Outline of the Dissertation 2 Effective Partitioning for Service Level Differentiation in Virtual Networks 2.1 Introduction 2.2 Related Work 2.3 Model and Assumption 2.3.1 Business Model 2.3.2 Network Model 2.3.3 Traffic Demands 2.3.4 QoS Metric 2.4 Formulation 2.4.1 Objective 2.4.2 Substrate Partitioning Problem 2.4.3 Decomposition 2.5 Heuristic 2.6 Evaluation 2.6.1 Small Network Experiment 2.6.2 Large Network Experiment 2.7 Summary 3 Optimal Pricing and Capacity Partitioning for Tiered Access Service in Virtual Networks 3.1 Introduction 3.2 Motivating Example 3.3 A Tiered Service Model 3.3.1 Network Virtualization Environment 3.3.2 Effective Access Rate 3.3.3 Valuation Parameter and User Utility 3.3.4 User Subscription and the ISP Revenue 3.4 Non-tiered Service Analysis 3.4.1 User Subscription Dynamics 3.4.2 Optimal Pricing for Maximizing the ISP Revenue 3.5 Tiered Service Analysis 3.5.1 User Subscription Dynamics 3.5.2 Convergence of the User Subscription Dynamics 3.5.3 Optimal Pricing for Maximizing the ISP Revenue 3.6 Numerical Results 3.6.1 Non-tiered Service Example 3.6.2 Tiered Service Example 3.7 Related Work and Discussion 3.8 Summary 4 Inter-Virtual Network Traffic Switching for Fast Failure Recovery 4.1 Introduction 4.2 Background 4.3 Preliminaries 4.3.1 Virtual Network Model 4.3.2 Design Goals 4.3.3 Business Models and Switching Policy Agreement 4.3.4 Other Considerations 4.4 Failure Recovery based on Traffic Switching 4.4.1 Inter-VN Traffic Switching 4.4.2 Failure Recovery Process 4.5 Numerical Analysis 4.5.1 Delay 4.5.2 Congestion probability 4.6 Summary 5 Conclusion A Proofs of Lemmas A.1 Proof of Lemma 2 A.2 Proof of Lemma 3Docto