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5G로의 진화: Cloud Native (1)
Evolution to 5G: Cloud Native (1)
April 10, 2020 | By 도미선 @ Netmanias
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1. 서론 

 

이동통신사업의 중심축이 네트워크에서 서비스로 이동해가면서, 향후 이동통신의 새로운 수익모델이 서비스 이용 확대에 기반할 것으로 전망되어 왔다. 작년 4월 5G 기지국을 도입하여 5G NSA (Non-Standalone)를 상용화한 한국에서는 2020년 2월 기준 5G 가입자 수가 536만명으로 전체 모바일 가입자의 약 8%로 성장하였다.

 

5G 상용화에도 불구하고 이동통신사의 수익향상은 여전히 대용량/무제한 데이터를 제공하는 고가 요금제에 의존하고 있고, 5G 킬러 애플리케이션과 수익모델은 여전히 불분명한 상태이다. 

 

올해에는 5G SA (Standalone) 상용화가 예정되어 있어 서비스 기반 구조를 갖는 5G Core (5GC)가 본격적으로 도입된다. 5GC는 네트워크 슬라이싱, 엣지 컴퓨팅과 같은 혁신적 기능을 제공하며 새로운 서비스를 선보일 것으로 기대된다. 파이프에서 플랫폼으로 가는 여정의 시작이다. 

 

이동통신사업이 서비스 중심으로 바뀌려면, 이동통신 네트워크는 수익 창출이 기대되는 서비스를 신속히 개발, 배포, 확장할 수 있도록 서비스 agility와 flexibility를 가져야 한다. 이에 따라 이동통신 네트워크는 기존 IT 플랫폼이 갖는 서비스 agility 특성을 도입하기 위한 구조적 변화를 겪는다.  

 

먼저 HW 장비로 구축되던 이동통신 네트워크가 SW 중심으로 구축될 수 있도록 SDN/NFV (Software Defined Networking / Network Function Virtualization) 구조를 도입하였다. SDN은 갈 길이 좀 더 멀어 보이지만, NFV는 이미 널리 적용되고 있다.

 

최근에는 클라우드 컴퓨팅 기술을 도입하여 5G Core에 cloud native 구조를 도입하고 있다. 보다 최근에는 MEC 수요의 증가에 맞춰 RAN도 가상화되면서 cloud native RAN이 개발되고 있다.

 

5G SA 상용화와 더불어 가시화되기 시작할 cloud native 5G는 모바일 통신망의 플랫폼화를 실현시킬 원동력으로 기대받고 있다. 본 글에서는 5G 업계가 여전히 5G 킬러 애플리케이션과  수익모델 발굴에 분투하고 있는 가운데, 서비스 기반 구조를 갖는 5G Core 도입이 가져올 변화의 방향에 대해 이동통신 네트워크의 구축과 운영/관리 방식의 변화를 살펴보도록 한다.

 

먼저 이동통신 네트워크 구축 방식의 진화를 살펴보고, 이어서 cloud native 특성과 3GPP가 정의한 5G 서비스 기반 구조를 살펴보고, cloud native 5G 구조는 어떻게 구성되는지 살펴본다.   

 

2. 이동통신 네트워크 구축 방식의 진화

 

이동통신 네트워크를 구성하는 기본 요소는 네트워크 기능 블록이다. 그림 1은 네트워크 가상화와 클라우드화에 따른 이동통신 네트워크 구축 방식의 변화를 보여준다. 네트워크 구조의 변화에 따라 네트워크 기능 블록은 HW인 PNF (Physical Network Function)에서 SW인 VNF (Virtualized Network Function)와 CNF (Cloud Naive Network Function)로 이동하고 있고, 이동통신 네트워크 구축 방식 역시 HW장비 중심에서 SW 중심으로 옮겨가고 있다.

 

이는 네트워크 기능의 개발방식 뿐 아니라 테스트, 통합, 배포방식이 변화하고 또한 네트워크 인프라, 네트워크 관리 및 운영 방법도 변화함을 의미한다.

 

 

Fig. 1 이동통신 네트워크 구축 방식의 진화 (PNF → VNF → CNF)

 

■ 전용장비에서 NFV 구조로 (PNF → VNF)

 

Legacy 이동통신 네트워크에서 네트워크 기능은 HW 전용장비인 PNF로 구현된다. PNF는 전용 HW와 이에 종속된 SW로 예를 들어 Core 네트워크 엔터티들, 라우터, Firewall, Load Balancer, SBC (Session Border Controller) 등이 있다.  

 

네트워크가 가상화되면서 네트워크 전용장비 (PNF)는 HW와 SW로 분리되어 전용 HW는 범용서버로 전용 SW는 범용서버에서 실행되는 SW (VNF)로 구현된다. SW화된 VNF는 네트워크 인프라 상에 VM으로 배포된다. 

 

VNF 네트워크 기능을 구성하는 요소들이 밀결합하여 하나의 유닛으로 구현되는 모노리식 구조의 어플리케이션이고, VM 범용서버상에서 구현되는 가상의 컴퓨팅 환경으로 자체 OS 상에서 VNF를 실행하는 가상서버이다.

 

NFVI (NFV Infrastructure)는 VNF를 호스팅하는 가상화된 인프라로, 하이퍼바이저를 이용하여 호스트 서버의 HW자원을 가상화함으로써 여러 VM들을 독립적으로 실행할 수 있다. OpenStack은 대표적인 NFVI 플랫폼으로, VM들은 OpenStack 플랫폼에서 실행되고 관리된다.

 

전용장비 (PNF)에서 VNF로의 전환은 PNF 대비 서비스 민첩성과 네트워크 유연성이 향상되고 Capex가 절감되는 장점을 얻는다. 반면에  호스트 서버의 자원 이용률이 낮고 App 구동시간이 길어 네트워크 성능이 저하되는 단점도 있다.

 

NFV 구조의 문제점 중 하나는 VNF 관리에 대한 표준이 명확하지 않아서 벤더별로 VNF 관리 방식이 다르고 멀티벤더 VNF 간 상호운용이 어렵다는 점이다. 이로 인해 VNF 통합에는 여전히 수동 프로세스가 적용되고 네트워크 운영은 여전히 혹은 더 복잡해진다.

 

멀티벤더 VNF로 구성되는 서비스는 VNF silo/Cloud silo를 생성하게 되는데, 이렇게 VNF 플랫폼이 많아지면 서버 자원을 해당 VNF 또는 해당 벤더의 VNF만 이용할 수 있어 서버의 자원이용률이 낮아지고 서비스 수요 변화에 따른 VNF 확장성이 떨어진다. 또한 가상서버인 VM은 자체 OS를 구동시키므로 VNF 구동시간이 길다. 이 역시 서버의 자원이용률을 떨어뜨리며, 네트워크 성능도 저하시킨다. 5G URLLC 같은 저지연 서비스를 위해서는 보다 빠른 NFV가 필요하다. 

 

■ NFV 구조에서 Cloud Native 구조로 (VNF → CNF)

 

NFV 구조는 legacy 네트워크 구조보다 서비스 민첩성이 향상되지만, 5G 네트워크가 서비스 플랫폼이 되기 위해서는 서비스 민첩성, VNF 확장성, 운영 편의성이 훨씬 향상될 것이 요구된다.

 

이를 위해 NFV 구조의 개선이 요구되는데, 개선된 구조는 기본적으로 VM대비 네트워크 가상화 성능이 향상되고, 네트워크 기능 (NF)의 생성, 배포, 확장이 자동화되어 web-scale 플랫폼을 구축할 수 있어야 한다. 에 5G 네트워크는 웹 서비스 솔루션인 cloud native 기술과 방법론을 도입하여 NFV 구조에서 Cloud Native 구조로 진화해가고 있다.

 

Cloud Native 구조에서는 VNF가 모듈화되어 VNF 구성요소들이 기능/특성별로 마이크로서비스들로 분리되고, 마이크로서비스들은 VM보다 훨씬 가벼운 컨테이너 (Container)에 실려 배포된다. 마이크로 서비스들은 작은 크기의 SW로 상호 종속성이 최소화되어 재사용이 가능하다. 

 

Cloud Native 구조에서의 네트워크 기능인 CNF (Cloud Native Network Function)는 마이크로서비스들이 느슨하게 결합되어 있는 마이크로서비스 구조의 어플리케이션이다. 수요가 늘어난 특정 기능의 마이크로서비스를 추가할 수 있어 뛰어난 확장성을 갖는다.  

 

컨테이너는 마이크로서비스와 마이크로서비스 실행에 필요한 라이브러리, 바이너리, 구성정보를 함께 묶은 패키지로 호스트 OS 상에서 실행되는 가상 어플리케이션이다. 컨테이너는 호스트 OS를 가상화하므로 VM보다 오버헤드가 훨씬 적다.

 

하이퍼바이저와 게스트 OS가 필요없으므로 VM보다 가볍고 빠르게 구동하여 가상화 성능을 향상시킨다. 컨테이너화된 CNF는 Kubernetes 플랫폼 상에서 실행되고 관리된다. Kubernetes는 컨테이너 오케스트레이션을 위한 de-facto 표준으로 자리잡고 있다. 

 

CNF가 마이크로서비스들로 모듈화되고 컨테이너 수가 증가하면서 서비스 민첩성이 향상되는 동시에 복잡성도 증가한다. 따라서 Cloud Native 구조에서 CNF의 생성, 배포, 확장을 자동화하여 네트워크 운영의 편의성과 효율성을 높이는 일은 매우 중요하다. 

 

이를 위해서는 네트워크 기능을 구현하는 CNF, CNF를 생성/배포/확장하기 위한 클라우드 인프라스트럭쳐 플랫폼, CNF의 라이프사이클과 E2E 오케스트레이션을 관리할 오케스트레이션 플랫폼을 포함하는 전체적인 Clod Native 5G 구조가 설계되어야 한다. 

 

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