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[2021 가을호] 2-데이터 처리를 위한 네트워크 기술의 발전, Edge Computing

  • POSTECHIAN
  • 2021-10-29 07:02:09

2021 AUTUMN 기획특집 2

데이터 처리를 위한 네트워크 기술의 발전, Edge Computing

Metaverse, New Paradigm of the Virtual World


앞서 메타버스의 구현을 위한 게임 엔진을 알아보았는데요.
다양한 기업이나 산업체에서 메타버스의 실현을 위해 렌더링 엔진, 물리 엔진 등 여러 기술을 활용하고 있음을 알 수 있었습니다.
이때, 더 빠르고 실감 나는 메타버스의 구현이 이루어지기 위해선 데이터 전송을 할 수 있는 통신망인 네트워크의 발달이 필수적인데요!
이에 따라 기존에 사용되던 4G 성능의 개선과 더불어 초저지연, 고대역폭 등이 새롭게 요구되고 있습니다.
그리고 MEC(Multi-access Edge Computing)는 그러한 요구 사항을 반영하는 5G를 가능케 하는 핵심 기술로서 주목받고 있습니다.
이에 대해 자세히 살펴봅시다!

컴퓨터공학과 20학번 최진석

기존 네트워크 기술의 한계

4G 기술과 클라우드 컴퓨팅을 이용한 통신망의 구조

위의 그림은 기존의 4G 기술과 클라우드 컴퓨팅Cloud Computing을 이용한 대표적인 통신망의 구조를 나타낸 그림입니다. 클라우드 컴퓨팅이란, 인터넷상의 서버를 통하여 데이터의 저장, 네트워크 등 IT 관련 서비스를 한 번에 사용할 수 있는 컴퓨팅 환경을 의미합니다. 인터넷상의 서버를 ‘클라우드’라 부르며, 이러한 클라우드는 인터넷 공간의 다양한 데이터를 클라우드에 저장함으로써 저장 공간과 물리적 위치의 제약을 극복할 수 있다는 장점이 있습니다. 기존에는 이를 활용하여 통신망을 구축함으로써 다양한 단말기에서 발생한 트래픽Traffic[각주1]이 중앙의 4G Core로 전달되어 라우팅[각주2]되었고, 이를 통해 우리가 이용하는 다양한 서비스가 이루어졌습니다. 기존의 스마트폰 서비스는 지연에 대한 민감도가 낮고, 용량도 지금과 비교해 크지 않았기 때문에 위와 같은 4G망의 중앙집중형 구조가 문제되지는 않았습니다. 그러나 기술이 발전하면서, 위와 같은 구조는 단말기와 서버 간의 물리적인 거리가 멀어 지연이 발생하고, 발생한 데이터와 트래픽의 용량도 크기 때문에 ‘메타버스’라는 3차원 가상세계에서 발생하는 방대하고 다양한 데이터와 트래픽을 다루기엔 부족한 구조가 되었습니다.


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MEC(Multi-access Edge Computing)란?

이에 개념적으로 4G보다 20배 빠르고, 지연은 120배가 적은 ‘5G 기술’과 클라우드 컴퓨팅 기반의 중앙집중형 구조의 문제를 해결할 수 있는 ‘MEC(Multi-access Edge Computing 기술’이 등장했습니다. 5G 기술의 경우 기존 700~2,700MHz의 주파수를 사용하는 4G에서 발전되어, 30~300GHz의 고주파인 밀리미터파millimeter waves 기술을 사용하기 때문에 속도와 지연 면에서 우수한 기술입니다.

이러한 5G 기술의 밀리미터파는 분명 빠르기는 하지만, 주파수가 높아 생기는 단점이 존재합니다. 주파수와 파장은 반비례 관계이고, 이 때문에 주파수가 높을수록 파장이 짧아지게 되는데요. 파장이 짧을수록 파동이 장애물을 휘어져 지나가는 회절 능력이 떨어지게 됩니다. 또한, 파동의 직진성이 강해져 고체 물질을 잘 통과하지 못하게 되며, 강우 감쇠[각주3]와 같은 전파 손실에 취약해지게 됩니다. 한마디로 거리가 멀수록 중간에 손실이 발생하기 쉬워진다는 것이죠. 이를 극복하고자 나온 기술이 엣지 컴퓨팅Edge Computing으로, 이는 기존 중앙집중형 구조에서 단말기와 코어까지의 거리가 멀어 밀리미터파가 간섭의 영향을 받기 쉽다는 단점을 보완하여, 단말기 가까이에 ‘엣지’를 배치하여 데이터와 트래픽을 주변에서 즉시 처리하는 기술입니다. 이때 엣지가 기존 클라우드 컴퓨팅의 기능을 일부 수행하며, 데이터가 발생한 곳 주변에서 데이터를 처리하여 사용자에게 서비스를 즉시 제공합니다. 그 덕분에 간섭 현상을 최소화할 수 있을뿐더러 초고속, 저지연의 서비스를 받을 수 있게 되죠. 그리고 MEC란, 이러한 엣지 컴퓨팅 구조를 나타내는 말입니다.

MEC의 구조

위 그림은 MEC 네트워크의 구조입니다. 세 개의 계층Tier으로 구분된 모습인데요. Tier 3은 방대한 데이터를 저장하고 처리하기 위한 여러 고급형 데이터 센터 및 서버로 구성됩니다. 기존 클라우드 컴퓨팅의 중앙 Core와 유사하다고 생각하면 되겠네요. 다음으로 Tier 2는 포그 컴퓨팅Fog Computing이 이루어지는 공간으로서, 단말기 주변에 있는 엣지 공간을 가리킵니다. 여기서 포그 컴퓨팅은, 단말(IoT 기기, 센서 등)에 근접해 데이터의 저장 및 네트워킹과 더불어 연산 서비스를 제공하는 기술입니다. 엣지 컴퓨팅의 엣지 디바이스는 단말 주변의 기기를 가리키는데, 그 크기가 작아 리소스Resource[각주4]가 제한되어 대기 시간이 증가하게 됩니다. 이때 포그 컴퓨팅 기능을 도입하여 엣지 디바이스와 클라우드 리소스를 연결하여 작업하죠. 포그 컴퓨팅에 대해선 아래에서 자세하게 알아보도록 하고, 이어서 Tier 1에 대해 설명하겠습니다. Tier 1은 보다시피 엣지-포그- 클라우드 구조의 가장 아래 계층을 나타내며, 바로 위인 Tier 2계층과 통신할 수 있는 모든 단말기를 말합니다. 스마트폰서부터 시작하여 다양한 사물인터넷 기기, 나아가 메타버스의 가상 세계에서 활용될 다양한 데이터 장치를 떠올릴 수 있습니다.

MEC 속 포그 컴퓨팅

포그 컴퓨팅에 대해 조금 더 구체적으로 살펴보겠습니다. 포그 컴퓨팅에는 총 6개의 계층이 존재하는데요. 첫 번째 계층은 물리적 계층 및 가상화 계층입니다. 이 계층에선 주변 데이터를 포착 및 수집하고 이를 상위 계층으로 전송하는 과정이 이루어집니다. 두 번째 계층은 모니터링 계층으로, 전송된 데이터의 상태나 가용성Availability[각주5], 변화를 확인하고 대비하는 작업을 수행합니다. 세 번째로 전처리 계층에선, 다양한 데이터 연산을 통해 필요한 데이터를 골라냅니다. 네 번째 계층은 임시 저장 계층으로서, 데이터를 비영구적으로 복제하여 배포하는 작업이 이루어집니다. 다섯 번째인 보안 계층에서는, 데이터의 암호화 및 암호화된 데이터의 해독이 이루어집니다. 마지막에는 전송 계층이 존재하여 효율성을 위해 부분적으로 처리된 데이터를 Tier 3계층에 업로드하게 되죠. Tier 1에서 발생한 다량의 데이터 및 트래픽이 Tier 2에서 이러한 일련의 과정을 거쳐 Tier 3으로 전송됩니다. 물론 이때 처리된 데이터들로 Tier 1에서는 곧바로 서비스 수행이 가능합니다. Tier 1과 Tier 3으로 작업이 동시에 이루어진다고 이해하시면 편할 것 같네요!

MEC의 연구 주제

핸드오버의 개념

MEC는 차세대 사물인터넷과 가상현실 세계의 주 네트워크 구조로 조명받고 있지만, 아직 보완해야 할 점이 많습니다. 그중 대표적인 것 두 가지에 대해 알아볼 텐데요. 첫 번째는 끊김 없는 핸드오버Handover입니다. 여기서 핸드오버란, ‘통화 중인 단말기가 한 기지국 서비스 지역을 벗어나 인접한 다른 기지국 서비스 지역으로 이동할 때 단말기가 인접한 다른 기지국의 새로운 통화 채널에 자동으로 동조되어 통화 상태가 유지되는 기능’을 말합니다. 쉽게 설명해서 위의 그림과 같이 파란색의 신호 구간에서 서비스를 받고 있다가 빨간색의 구간으로 넘어가는 경우, 파란색을 버리고 빨간색 신호를 택하는 과정이 필요하겠죠? 이때 파란색은 서빙 셀Serving Cell, 빨간색은 타깃 셀Target Cell이라고 부르며, 서빙 셀에서 타깃 셀로 이동하는 것을 핸드오버라 부르는 것입니다. 메타버스 속에서도 사용자가 엣지에서 엣지로 이동하는 경우가 발생하게 될 때, 끊김 없는 핸드오버가 필요하죠. 다음은 데이터의 보안 문제입니다. 메타버스가 구축되고, 더욱 다양한 사물인터넷IoT, 네트워크 연결 장치 및 내장 컴퓨터가 추가됨에 따라 여러 장치를 통해 악의적인 데이터의 해킹 및 공격이 일어날 가능성이 존재합니다. 그뿐만 아니라 장치가 늘어남에 따라 해커가 침투하여 데이터를 액세스할 방법 또한 증가하게 되죠. 그에 따라 우리는 MEC를 구축할 때 데이터의 보안에 굉장히 유의해야 합니다.


이렇게 MEC의 등장 배경과, 메타버스를 구축하는 데 왜 MEC가 필요한지, 그리고 MEC의 연구 주제에 대하여 알아보았는데요!
오늘날 우리가 이용하는 다양한 통신기기에 이미 5G 기술이 적용되고 있으며,
국내 소프트웨어 전문 회사인 ‘엔텔스’에서도 MEC와 관련된 네트워크 기술을 국내 대기업에 제공하는 등 기술의 발전이 빠르게 이루어지고 있습니다.
머지않아 사람들이 익숙하게 가상 세계에서 활동하는 날이 펼쳐질지도 모르겠습니다.
그렇다면 이렇게 게임 엔진과 MEC를 통해 구현된 메타버스를 과연 어떻게 사람들이 현실처럼 느낄 수 있을지, 기획특집 3에서 알아볼까요?



[각주]
[1] 일정 시간 동안 통과하는 정보의 양
[2] 네트워크상에서 주소를 이용하여 목적지까지 데이터를 전달하는 최적의 경로를 선택하는 과정
[3] 전파의 주파수가 높아 짧은 파장에 비해 빗방울의 크기가 상대적으로 커지면, 전파가 빗방울에 의해 산란되면서 신호의 진폭이 감소하는 현상
[4] 프로그램들이 활용할 수 있는 데이터, 혹은 경로. 프린터, 디스크 드라이브, 메모리 등의 컴퓨팅 자원
[5] 서버와 네트워크, 프로그램 등의 시스템이 정상적으로 서비스를 수행하는 능력

[참고문헌]
1. 손장우, 「통신사업자의 MEC 수용구조(4G,5G): IoT 시대에 현재 이통망의 문제와 해결책으로서의 MEC」, 『NETMANIAS』, 2019.04.21. https://www.netmanias.com/ko/?m=view&id=blog&no=14023
2. 「에지 컴퓨팅」, 『네이버 시사상식사전』, 2020.06.08. https://terms.naver.com/entry.naver?docId=5670180&cid=43667&categoryId=43667
3. 서광규, 「포그 컴퓨팅(Fog Computing) 개요 및 아키텍처」『[2020-STN-08] 클라우드혁신센터 브리프』, 2020.06.22. https://www.cloud.or.kr/software/market-case/?mod=document&uid=568


기획특집 ③ - 사람과 메타버스의 연결을 위한 인터페이스 기술의 발전, BCI 편으로 이어집니다.

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