5G 네트워크 가상화 기술, Network Slicing

5G에서 가장 강조되는 부분 중에 하나였던 네트워크의 가상화, 그 뒤에 꼭 따라오던 network slicing이라는 개념에 대해 내가 이해한 대로 한 번 정리를 해보고자 한다.

5G에서 가상화에 대한 논의의 시작점은 일단은 점점 다양해지는 서비스 수요이다. 5G, B5G, 그리고 6G로 넘어가면서 네트워크 망을 이용해서 더욱 더 다양한 서비스들을 제공할 것으로 기대를 받고 있다. 
이게 어찌보면 당연한 이야기인 것이, 2G시대의 음성, 텍스트 메시지 중심의 서비스, 3G 시대의 영상통화, 그리고 모바일 인터넷 서비스의 시작, 그리고 4G 서비스가 시작되면서 유튜브 등 대용량의 컨텐츠에 대한 수요의 폭발적인 증가 등, 통신 서비스는 그 세대를 거치면서 더욱 확장된 서비스를 제공해오고 있다.

2G 3G 4G 5G 비교 

사실 여기서 요즘 대부분의 통신 단말기 사용자들이 5G 서비스에 만족을 못 하는 이유를 찾을 수도 있을 것 같다. 물론 아직 mmwave를 활용한 본격적인 SA 5G 서비스가 시작이 되지는 않았기 때문에 서비스 품질의 큰 향상을 체감을 못 하는 것 일수도 있지만, 이전과의 다른 점은 아직 5G 서비스를 위한 killer application이 등장하지 않았다는 것이다. 실제로 내가 알기로는 이미 유선 망 자체는 가상화 네트워크를 구현할 수 있도록 준비가 된 것으로 알고 있지만, 아직 이에 대한 마땅한 사용처를 찾지 못 하고 있는 것 같다. 어찌보면 사용자들의 수요보다 더 빠른 서비스의 시작이었다고 볼 수도 있을 것이다.

서론은 여기까지 하고, 그럼에도 불구하고 5G 이후에는 기존의 휴대전화 통신단말기들의 서비스 뿐만 아니라 다양한 서비스들이 제공될 것으로 기대가 되고 있다. 예를 들면, 사물화 인터넷 (IoT) 기술로, 모든 기계들이 인간을 거치지 않고 machine to machine (M2M) 으로 통신을 하게 될 것이며, 여기에 AI 기술까지 상용화가 된다면 더욱 더 많은 데이터 교환이 기계간에 지속적으로 일어날 것 이다. 그 외에도 자율주행이 상용화가 된다면 차량간 통신이 매우 낮은 지연시간으로 필요해 질 것이며, cloud gaming과 같이 큰 콘솔 게임기가 없어도 작은 단말기만으로도 어디서든지 게임을 즐길 수 있게 될 것이고, urban air mobility (UAM)과 같은 새로운 교통수단이 상용화가 되어 이를 관제하기 위한 데이터 송수신도 필요하게 될 것이다.
여기서 이야기한 예시들이 먼 미래의 이야기는 아니고 이미 서비스를 제공하기 시작했거나, 거의 다 기한을 정해놓고 서비스 시작을 위해 활발하게 개발이 되고 있는 사업들이다. 이 사업들이 상용화가 되기 위해서는 그 장치들의 하드웨어 개발도 필요하겠지만, 그 서비스에 맞는 통신품질을 보장하는 것도 필수가 된다. 예를들어, IoT 서비스의 경우는 지연시간은 조금 길더라도 기기간의 통신이 지속적으로 이루어질 수 있도록 대역폭을 확보하는 것이 중요할 것이며, 차량간 통신, cloud gaming 등의 서비스에서는 안전과 사용자의 만족을 위해서는 매우 낮은 지연시간이 필수적으로 요구된다.
이렇듯, 점점 네트워크망을 통해 다양한 서비스를 제공할 것으로 기대가 되고 있고, 그 서비스의 수요에 맞게 서비스를 제공 가능하게 하는 것이 네트워크 가상화 기술, 그 중에서도 network slicing 기술이다.

다양한 미래의 통신 네트워크 application들

network slicing 자체는 포괄적인 개념으로, 하나의 공유된 물리적 네트워크를 여러 서비스 사용자가 공유해서 쓰지만, 사용자가 느끼기에는 자신만의 네트워크망을 사용하고 있는 것 처럼 느끼게 하는 기술을 의미한다. 즉, 네트워크의 자원들을 논리적으로 서비스 수요에 맞게 나눠서 서비스를 제공하는 것이다. 
이러한 것이 가능해진 이유는 이전의 네트워크는 예를 들어 flow table을 변경하려고 하면 그 라우터 단말기를 직접 조정을 해줬어야 하는데, software defined network (SDN)과 같은 기술로 네트워크가 추상화되면서 중앙의 controller가 실시간으로 flow table을 업데이트 해줄 수 있게 되었고, 네트워크가 가상화 되고, edge server 등이 배치가 되면서, 네트워크 자체에서 어느 정도의 연산을 수행할 수 있게 되었기 때문이다.

network slicing 기술 자체는 논리적으로 하나의 네트워크를 나눠주는 개념이기 때문에, 연구 목적에 따라 다양하게 모델링이 되고 해석이 되는 경향이 있다. 하나의 예시로, 아래 그림과 같이 내 연구에서는 위성 시나리오에서 computing 위치에 따라 네트워크를 구성해주는 방식으로 네트워크 자원을 서비스에 따라 할당을 해주어서 network slicing을 구현을 해주었고, 더 technical한 issue를 다루는 연구에서는 각 서비스 사용자가 자신의 망을 운용하고 있다고 느껴야 하기 때문에 각 slice들의 orthogonality를 보장해주는 연구를 하는 경우도 있다.

network slicing 예시 (Satellite Edge Computing Architecture and Network Slice  Scheduling for IoT Support, IEEE Internet of Things Journal, 2021)

즉, 내가 하는 연구와 같은 경우에서는 네트워크 자원분배 문제와 결이 비슷하다고 할 수 있다. 보통 많이 하는 다이나믹한 네트워크 자원분배 문제의 경우는 FDMA, TDMA 등의 프로토콜을 가정하고, 그 안에서 서비스 성능 향상을 위한 각 사용자들에 대한 자원분배 방법을 제안한다. 하지만, 네트워크 슬라이싱의 문제는 하나의 전체 네트워크 자원을 미리 각 사용자들의 집단의 수요에 맞게 나눠놓는 개념이라고 보면 될 것 같다.

아주 간단하게 예를 들면, 위의 그림과 같은 네트워크가 있다고 할 때, 각 node들과 link들이 모두 100이라는 자원을 사용 할 수 있다고 하면, 어떤 서비스가 node는 20, link는 30의 자원을 필요로 하고, 1번에서 15번까지의 전송을 해야 한다고 하면, 사용 가능한 자원들에 대해서 요구하는 자원, 그리고 지연시간 등을 고려하여 미리 네트워크를 논리적으로 구성을하여 자원을 할당해놓게 된다.
예를 들면, 지연시간을 충족하는 두가지의 경로를 아래와 같이 찾았고,
1 - 5- 6- 10 - 14- 15
1- 2- 3- 7- 11- 15
해당 경로에 대해 각각 10, 20씩 링크자원을 할당을 하게 된다면, 

이와 같은 network slice가 구성이 되게 되고, 이에 대한 네트워크 자원들은 미리 해당 서비스에 대해서만 사용 할 수 있도록 할당이 된다.

 

아직 5G의 핫한 기술에 관심을 가지고 연구를 하는 입장이라서 그럴 수도 있지만, 5G가 힘을 발휘하는 것은 우리가 상상 못한 다양한 서비스들을 제공할 수 있게 되었을 때라고 생각한다. 비관적으로 보면 그 시기는 B5G나 6G시대가 되어버릴 수도 있지만, 5G 서비스의 미래가 개인적으로 기대가 된다.

이렇게 SDN, Edge Computing, 그리고 Network Slicing까지 내가 다루는 핵심 기술들의 개념에 대해서 정리를 했는데, 이제는 앞으로는 이 기술들의 위성 적용, 또는 위성 통신 자체에 대해서 지상망과 다른 점 등에 대해서 시간이 나면 정리를 해볼까 생각만 하고 있다.

 

 

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그림들 출처

첫번째 그림

https://m.blog.naver.com/erke2000/221511446820

이동통신기술 1G 2G 3G 4G 5G 궁금한 모든것

두번째 그림

https://www.esportsportal.com/cloud-gaming-is-it-a-viable-replacement-for-pc-and-console-gaming/cloud-gaming-structure/

Cloud gaming structure

https://www.newspim.com/news/view/20191126000387

자율차 국제표준 선점 '전쟁'…국표원 "25종 개발, 표준전략 로드맵 마련"

https://www.edaily.co.kr/news/read?newsId=01177526629144696&mediaCodeNo=259 

[미래기술25]①뻥 뚫린 하늘길 열린다…'UAM' 시대 도래