표준기술동향 네트워크에너지절감을위한그린네트워킹표준기술동향 정상진 ETRI 표준연구센터미래인프라표준연구팀선임연구원김용운 ETRI 표준연구센터미래인프라표준연구팀책임연구원김형준 TTA IPv6 PG 의장, ETRI 표준연구센터미래인프라표준연구팀장 / 책임연구원 1. 머리말최근전세계적으로에너지소모및온실가스배출감소가중요한이슈로부각되고있으며, EU에서는 2020 년까지 20% 의온실가스배출감소를목표로하고있다. 우리나라도 2020 년까지국가온실가스감축목표를 2005 년대비 4% 감축을목표로설정하고정책입안, 기술개발등다양한노력을경주하고있다. IPCC(Intergovernmental Panel of Climate Change) 에서 2007 년발간된보고서에따르면, 1970 년대비전세계의온실가스배출량이 70% 이상증가하였으며현추세가유지되는경우증가된온실가스로인해평균 6.7 도의기온상승과최대 59cm 의해수면상승이 2100 년까지발생할것으로예측되었다. 이러한추정치에따르면, 지구의평균기온이약 1~2 도오를때생물종의 1/3 이서식지를떠나거나멸종하며, 약 6도가오르면생물종의 90% 가사라지게된다. 또한 59cm 의해수면상승은방글라데시전국토의 30% 가물에잠기게되는것을초래할것으로전망되었다 [1][2]. 국내에서는기상청이 IPCC의배출시나리오를기 반으로추정한결과, 2100 년에동아시아는 2000 년대비평균 2.7~4.3 도기온상승이예상되고, 강수량은 3.9~5.2% 늘어날것으로예측됐다. 한반도는평균 4 도의기온증가와 20% 의강수량증가가전망되었으며, 여름철폭염과강수량의증가로아열대기후대로변화될것으로예상했다 [3]. 실제로기상청에서분석한지난 2011 년 7월기후특성에따르면, 7월강수일수는 19.1 일 ( 평년 14.3 일 ), 강수량은평년대비 158% 가증가한 474.8mm 에달하는것으로조사되었다 [4]. 이처럼, 기후변화는전세계적으로중요한문제가되고있다. 이러한기후변화를감소시키기위한방법으로에너지소모및 CO2 배출감소가중요한이슈로부각되고있으며, EU에서는 2020 년까지 20% 의 CO2 배출감소를목표로다양한정책과기술을개발하고있다. 이러한에너지절감방법들은직간접적으로네트워크산업및 ICT 분야에영향을주고있으며, 그린네트워크, 스마트빌딩, 스마트그리드, 에너지효율적인전자부품소재등이대표적인기술이다 [2][5]. 네트워크분야는 ICT 주요섹터중하나로급격한성장세를나타내고있으며대용량의대역폭제공, 복잡한 083
실시간응용서비스들의제공등을위해많은양의에 너지를소모하고있다. ITU-T 보고서에따르면, 유무선 네트워크는데이터전달을위해상당한양의에너지를 소모하고있으며, 네트워크분야의전기사용량이전세 계의전기소모량의 4% 에달하는것으로알려져있으 며, 인류가생성하는온실가스의 2% 를차지하는것으 로조사되었다 [6]. 예를들면텔레콤이탈리아는 2010 년 현재이탈리아에서두번째로전기를많이사용하는가 입자로조사되었다. [ 그림 1] 은 ICT 섹터내부에서의에 너지소모비율을나타낸것으로써서버의운용을포함 하면약 50% 가량의에너지가네트워크의운용과관련 된에너지소모이다. 특히최근전세계적으로많은관 심이집중되고있는클라우드및데이터센터의운용과 관련된에너지의소모도많은부분을차지할것으로예 상된다 [2][5]. 9% 15% 7% 6% 23% 40% Printers Lan and Office Telecoms Mobile Telecoms Fixed-Line Telecoms Servers(Including cooling) PCs and Monitors (excluding embodied energy) [ 그림 1] ICT 섹터에서의에너지사용분포 [5] 제를만족시키며트래픽의증가량을감당하는장비의 도입을기대하기어려운실정이다. 따라서네트워크사 업자들은새로운네트워크구조, 프로토콜, 혁신적인장 비등의개발을필요로하게되었다 [7]. 1993 Performance 10000 1000 100 10 1 Router capacity x 2.5/18m 1994 1998 2002 본고에서는그린네트워킹기술을트래픽적응적링 크제어기술, 장비의수면제어기술, 에너지효율관점의 재설계로구분하고, 적응적링크제어기술과수면제어 기술의연구개발동향에대해분석한다. 또한국내외표 준화기구에서그린네트워킹관련기술의표준화현황 도함께살펴본다. 이를통해향후기술개발을위해해 결해야할문제점들과연구방향을분석한다. 2. 그린네트워킹개념및연구개발동향 Year Traffic Load x 2/18m (Moore s law) CMOS energy efficiency x 1.65/18m (Dennard s scaling law) 2006 2010 [ 그림 2] 고성능라우터의용량대비트래픽볼륨, 하드웨어에너지효율간의비교 [7] 그린네트워킹기술은 ICT 분야의핵심인네트워킹분야중에너지효율적인네트워킹기술개발을위한분야로, 기존네트워킹기술과동일한성능을나타내지만에너지를더적게사용하는네트워킹기술을개발하는것을목표로한다. [ 그림 2] 는 1993 년부터 2010 년까지고성능라우터의용량과무어의법칙에따른트래픽볼륨, 하드웨어소자의에너지효율의증가를비교한그래프이다. 그래프에도시된것처럼저전력소자의에너지효율은 18 개월마다 1.65 배증가하는추세를나타내고있다. 현재의추세를유지해서는국제적인온실가스규 그린네트워킹의개념은적용관점에따라통상네가지로구분될수있다 [8]. 환경적인관점에서는네트워크분야에서배출하는온실가스의양을절감하는기술을지칭한다. 경제적인관점에서는에너지의단위가격이저렴한곳으로네트워크장비또는컴퓨팅장비들을재배치하는것을의미한다. 예를들어, 대규모데이터센터를구축하는경우여러지역으로분산시켜에너지가격의변동성에대비하고, 시간대별로사용량을분산시켜효율적인운영을추구하는것을의미한다. 규제적인관점에서는네트워킹서비스를제공하고자할때환경적 084 03/04 2012
인고려를하도록규제하는것이다. 규제는통상정부의역할이중요하며온실가스배출량에세금을부과하거나에너지효율적인기술개발에연구개발비용을지원하는등의형태로실현된다. 마지막으로공학적인관점에서는주어진작업을수행할때에너지를고려하지않고처리하는기존의방법과동일한성능을나타내면서에너지를적게사용하는기술을개발하는것이다. 그린네트워킹의실현을위해서는상기네가지의관점이상호연관되어기술이개발되어야한다 [2]. ICT 섹터의에너지소모량중네트워크의운용과관련된에너지소모량을네트워크구조별로세분화해서살펴보면, 백본망 3%, 유선액세스망 49%, 모바일액세스망 17%, 데이터센터 23%, 기타 8% 로유선액세스망이전체네트워크에서사용하는에너지의절반가까이소모하는것으로조사되었다. 더불어유선망에서는 70% 이상의에너지소모가액세스망과단말을포함하는사용자단에서발생하고나머지 30% 가망사업자의망운용비용에영향을주는것으로알려져있다 [8][9]. 또다른조사에서는액세스망이사용하는에너지가전체네트워크에서사용하는에너지의 70% 를사용한다고분석되었다. 따라서, 네트워크분야에서사용하는에너지소모량을줄이기위해서는액세스망을에너지효율적으로관리하기위한망구조및기술개발하는것이중요하며, 이를위해네트워크장비들에장착 되어있는네트워크인터페이스카드들의동작을효율화하는것이핵심이슈중하나임을알수있다 [10]. 2.1. 그린네트워킹기술분류및연구개발동향에너지절감을위한그린네트워킹기술은통상아래와같이 3가지의기술분야로분류할수있다. 1 트래픽적응적링크제어기술 : 링크의사용량에따라에너지소모량을동적으로변화시키는기술임 2 장비의수면제어기술 : 종단단말에서네트워크관련불필요한에너지사용을줄이기위해네트워크관련된트래픽중단순처리가가능한트래픽은네트워크인터페이스카드나외부의별도노드에처리를위임하는기술임 3 에너지효율관점의재설계 : 새로운에너지효율적인실리콘기술 (ASICs, FPGAs, 네트워크 / 패킷프로세서 ), 메모리기술 (TCAM) 등을개발하여장비하드웨어의에너지효율을향상시키는기술분야임본절에서는트래픽적응적링크제어기술과장비의수면제어기술동향에대해살펴본다. 2.1.1. 트래픽적응적링크제어기술이더넷링크의에너지소모는링크의사용량에무관한것으로알려져있다. 그이유는이더넷프레임간의동기화를유지하기위해서링크상에전송해야할데이 Access node Transport node Core node Core/Transport network Number of Devices per Network Level Transport and Core 6% Transport and Core 30% Energy Requirements per Network Layer Access 94% Access nets Access nets Access nets Apporoximate Power Consumption per Device Core Transport Access Watt/h 0 2000 4000 6000 8000 10000 Access 70% [ 그림 3] 네트워크장비종류및수량에따른네트워크별에너지사용비율비교 [10] 085
98 percent utilization 60 percent utilization 40 percent utilization 20 percent utilization 0 percent utilization (idle) 98 percent utilization 20 percent utilization 0 percent utilization (idle) 155 Switch B - 10 Mbps mode 195 Switch B - 1 Gbps mode 154 190 153 185 Power in Watts 152 151 150 149 Power in Watts 180 175 170 165 148 160 147 155 146 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Number of active ports 150 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Number of active ports [ 그림 4-1] 10 Mbps 링크 [ 그림 4-2] 1 Gbps 링크 [ 그림 4] 링크의사용률과대역폭간의에너지소모량비교 [9] 터가없는경우에도지속적으로무의미한트래픽을전송하기때문이다. 실제이더넷링크의에너지소모량을측정한결과에따르면, 이더넷링크의에너지소모는링크상의트래픽의양보다는설정된링크의대역폭에영향을받는것으로조사되었다. [ 그림 4-1] 은이더넷스위치의포트별링크의대역폭을 10Mbps 로설정하고링크의로드를변경하였을때의에너지소모량을도시한것이다. 그림에서도시된것처럼링크의트래픽이없는유휴상태인경우에도포트당평균 147W 내외의에 서서로다른에너지사용프로파일을가지고에너지사용을관리하는경우를도시한것이다. 단일스텝장비는두개의에너지사용모드를사용하고있으며, 멀티스텝장비는여러개의성능한계점으로구분된에너지사용모드를적용하고있다. 멀티스텝장비의에너지프로파일을효과적으로상세화함으로써사용률에비례한에너지소모를적용할수있을것으로예상된다. 이러한멀티스텝에너지프로파일을효과적으로적용하기위해서 [11] 에서는빠른물리자원선택 (RPS; Rapid 너지를사용하고있으며, 링크의사용률을 98% 까지증 가시켜도에너지소모량은 5% 정도수준에서증가됨을알수있다. [ 그림 4-2] 는링크의대역폭을 1 Gbps 로설정한경우의그래프이다. 링크가유휴상태인경우 10 Mbps 링크대비최대 25.8% 의에너지사용량이증가하였으며, 링크의사용률이 98% 인경우에는최대 22.6% 의에너지사용량증가가발생하였다. 따라서이더넷링크의에너지사용량은링크의사용률보다링크대역폭에영향을받음을알수있다 [2]. Energy consumption 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0 0.2 0.4 0.6 Utilization Energy-Agnostic Energy-Aware : Proportional Energy-Aware : Single step Energy-Aware : Multistep 0.8 1 [ 그림 5] 는하나의네트워크장비가사용률에따라 [ 그림 5] 이용률에비례하는에너지사용프로파일예 [11] 086 03/04 2012
PHY Selection) 관련기술의연구및표준화를진행하고있다. RPS 기술은이더넷인터페이스카드의구조를낮은대역폭용모듈과높은대역폭용모듈로구분하여링크의트래픽양에따라동적으로모듈을선택하는방식이다. 이러한동적모듈선택방식은모듈의개수를추가함에따른비용증가의문제와대역폭용모듈을선택하여구동할때의전환시간에대한문제가있으며, 이를해결하기위한노력이진행중이다 [2]. 2.1.2. 장비의수면제어기술앞절에서는단말의인터페이스별대역폭을조절하여에너지사용량을감소시키는방법에대해살펴보았다. 본절에서는 PC와같은종단단말이유휴상태로진입할수있도록해주는기술에대해살펴보고자한다. 네트워크인터페이스프록싱기술은단말의네트워킹기능중일부를외부의다른노드또는단말내부의다른모듈에위임하여단말이유휴상태에진입하여도네트워크연결성이유지되도록하는기술을지칭한다. 이를위해다음의두가지접근방법이있다. 새로운네트워크프로토콜및응용의설계및개발 : 새로운네트워크프로토콜을개발하기위해서는인터넷기술표준화위원회 (IETF; Internet Engineering Task Force) 와같은국제표준화기구에서표준화작업이진행되어야하므로장기적인노력이필요 네트워크장비의 CPU 이외의다른부분에서네트워크연결성의유지를위한작업을대신수행 : 기존네트워크프로토콜들에대한수정없이단기적으로쉽게접근가능함 [ 그림 6] 은네트워크인터페이스프록시의동작을도시한그림이다. 1 깨어있는호스트가유휴상태로진입하고자함 2 호스트는자신의네트워크상태를프록시에전달하고유휴상태로진입함 3 프록시는유휴상태인호스트로전달되는일상적인트래픽에대해서대신응답을수행함 4 프록시가처리할수없는데이터에대해서는호스트를깨워서호스트가처리하도록함 Proxy (3) (2) (4) Network (1) Host [ 그림 6] 호스트의네트워크프록시기능적용시나리오 네트워크프록시기술이쉽게적용되는분야중하나는세션개시프로토콜 (SIP: Session Initiation Protocol) 이다. 전화송신자가유휴상태인 IP 전화기에세션초대메시지를전송하게되면, SIP 프록시기능이구현되어있는스위치는 IP 전화기에 Wake 메시지를전송하고 IP 전화기가서비스상태가될때까지자신이대신송신자가송신하는 Invite 메시지에응답을수행한다. 이후, IP 전화기가메시지를수신할수있는상태에이르면, 스위치는송신자에게서전송되는메시지를 IP 전화기로전달하게된다. 이를통해 IP 전화기단말은에너지사용을효과적으로절감할수있다 [2]. 3. 그린네트워킹기술국내외표준화동향 3.1 국외표준화동향본절에서는그린네트워킹관련국제표준화기구와산업체중심의사실표준화기구의표준화동향에대해살펴본다. ISO/IEC JTC1 은 2008 년 11 월총회에서기술동향분석활동을통해 Green IT 에대한표준화대응필 087
요성을논의하였으며, Special Working Group(SWG)- Planning 그룹을통해그린 ICT 분야에대해 ISO/IEC JTC 1의전략적표준화방향에대한기획작업을수행하여 2009 년 9월 A standardization initiative for Green ICT 분석보고서를발간해연구를완료하였다. 분석연구결과를바탕으로 2011 년 SG-GICT (Study Group on Green ICT) 와 SG-EEDC (Study Group on Energy Efficiency of Data Centers) 를발족하였다. SG-GICT 에서는 Green by ICT 에대한표준화연구를위해스마트빌딩과 e-education, 그리고에너지효율성향상을위한성공사례분석을통한 JTC 1의 Green ICT 대응방안을연구하였고, SG-EEDC 에서는데이터센터의에너지효율성향상을위한표준화이슈, 현황, 및향후대응방안연구를진행했다. 이러한연구결과를바탕으로, 2011 년 JTC1 총회에서 JTC1 산하에그린 ICT 관련표준화를담당할 Sub-Committee 39(SC39) 를설치하고, 간사국을미국이담당하는것으로승인했다. SC39 산하에는 WG1 이설치되어있으며, 오는 6월미국에서첫회의를개최할예정이다. 이회의에서한국은 SC39 산하에그린 ICT 기술표준화를위한 WG2 신설을위한 NP와그린 IDC 베스트프렉티스표준과그린 ICT 기술베스트프렉티스신규표준안작업을위한 2건의 NP를제안하여논의할예정이다. ITU-T 에서는 SG5 에서기후변화및그린 ICT 관련표준화가진행되고있으며, Working Party 3(WP 3) 산하의세부작업반에서그린데이터센터구축을위한베스트프랙티스 (L.1300), 망사업자장비의에너지효율측정권고안 (L.1410) 등에대한표준화작업을진행하였다. 더불어 SG13 산하의 Q21 작업반에서는미래네트워크를위한에너지절감프레임워크권고안을 Y.3021 로제정했다. 현재 SG13 내에서진행중인권고안은 Y.energy-hn( 홈네트워크에서의에너지절감권고안 ) 과 Y.energyMRM( 에너지측정을위한참조모델 ) 이있다. 글로벌이동통신사들과장비업계들은국제적인협력 을통해새로운개념의그린통신네트워크를설계하기위해 2010 년에국제컨소시엄그린터치 (GreenTouch) 를출범했다 [12]. 그린터치는통신네트워크의에너지효율성 1000 배이상향상시키는기술개발이라는구체적인목표를가지고기업, 대학, 정부산하연구소등 15 개회원사들이모여시작하였으며, 현재 50개의회원사가가입되어있다. 그린터치컨소시엄은 2015 년까지통신네트워크의에너지효율성개선에필요한구조, 규격, 로드맵, 핵심요소시연을완성하기위한국제협업연구를수행하고있다. 예를들어, 무선네트워크는그린터치에서집중하고있는핵심분야중하나로현재데이터처리를위해엄청난에너지가필요하다. 독창적무선전송기술을개발 / 활용해에너지소비량을획기적으로줄여주는대규모스마트안테나시스템을설계하였고, 최근에는프로토타입시연을성공적으로마쳤다. 국내에서는벨연구소, ETRI, 삼성전자종합기술원, KT, 서울대학교등이회원사로활동중이다. 또한 IETF 에서는다양한워킹그룹에서에너지효율을향상시키기위한기술들에대한표준화를진행하고있다. 대표적으로 EMAN(Energy Management) WG 에서는네트워크장비들이사용자의서비스요구사항을맞추기위해원래의성능을유지하면서각장비들이사용하는에너지의양을최소화하기위한에너지관리기술들에대한표준화작업을진행하고있다 [13]. 이외네트워크가에너지에효율적으로동작할수있도록하는기술및프로토콜을개발하기위한연구를위해 IRTF 에 EERG(Energy-Efficiency Research Group) 를구성하려는노력이현재진행되고있다 [14]. 3.2 국내표준화동향국내에서 TTA 산하미래인터넷표준포럼의표준분과에서그린통신네트워크에대한주제를다루고있다. 그첫단계로, 그린통신네트워크에관한표준활동및기존연구들의조사및분석을통해그린통신네트워 088 03/04 2012
크실현을위한요구사항과시나리오를도출하였다. 최종적으로는일반적인요구사항뿐만아니라국내실정에맞는한국형그린통신네트워크에대한가이드라인및새로운표준및연구주제를제시하는것을목표로하고있다. 또한현재설립중에있는그린 ICT 포럼에서국내그린 ICT 관련연구및표준화를활발히논의하는장을제공할것으로예상된다. 4. 맺음말본고에서는그린네트워킹의실현을위해필요한다양한에너지절감형네트워킹기술중대표적인기술인트래픽적응적링크제어기술과네트워크장비의수면제어기술의연구개발동향에대해살펴보았다. 또한 JTC1 과 ITU-T 등의공적표준화기구와 IETF 및그린터치컨소시움을포함하는사실표준화기구에서그린네트워킹관련표준화현황도살펴보았다. 네트워크에너지절감기술의개발및표준화는급증하는네트워크트래픽과국가차원의온실가스규제를만족시키기위해필수적으로진행되어야하며, 각세부요소기술들뿐만아니라에너지와장비성능과의상관관계를측정하는절차, 참조모델등의개발도동시에이루어져야하며, 네트워크상의각장비들의에너지사용상태를정확하게원격에서모니터링할수있는방법도개발이필요하다. 특히원격모니터링의경우장비가유휴상태인경우어떻게할것인지에대한많은연구가필요할것으로예상된다. 향후이러한기술들의연구및개발을통해그린네트워킹의실현이가능할것으로기대된다. 참고문헌 [1] IPCC, Climate Change 2007: Synthesis Report, http:// www.ipcc.ch/publications_and_data/publications_ipcc_ fourth_assessment_report_synthesis_report.htm [2] 정상진, 신명기, 김형준, 에너지절감을위한그린네트워킹기술동향분석, KISA 미래인터넷저널, pp. 17-35, Nov. 2011. [3] 김용운, 김형준, 그린 ICT 기술개발및표준화동향, 정보과학회학회지, Vol. 29, No. 3, pp. 44-52, 2011. [4] 기상청, 지난 7월의기상특성 (2011. 8. 4), http://web. kma.go.kr/notify/press/kma_list.jsp?bid=press&mode=vi ew&num=1192020&page=3&field=&text=/ [5] 정상진, 최낙중, 클라우드및데이터센터네트워크를위한그린네트워킹표준기술동향, TTA 저널, 136 호, pp. 69-73, 2011. [6] ITU, Report on Climate Change. Geneva: International Telecommunication Union (ITU), 2008. [7] Neilson, D.T., Photonics for Switching and Routing, IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics (JSTQE), vol.12, no.4, pp.669-678, July-Aug. 2006. [8] Aruna Prem Bianzino, et al., A Survey of Green Networking Research, IEEE Communications Surveys & Tutorials, Vol. 99, pp. 1-18, 2010. [9] George Koutitas, Panagiotis Demestichas, A Review of Energy Efficiency in Telecommunication Networks, Telfor Journal, Vol. 2, No. 1, 2010. [10] Raffaele Bolla, Roberto Bruschi, Franco Davoli, Flavio Cucchietti, Energy Efficiency in the Future Internet: A Survey of Existing Approaches and Trends in Energy-Aware Fixed Network Infrastructures, IEEE Communications Surveys & Tutorials, Vol. 13, No. 2, 2011. [11] IEEE 802.3az, http://www.ieee802.org/3/az/ [12] Greentouch Consortium, http://www.greentouch.org/ [13] IETF EMAN, http://datatracker.ietf.org/wg/eman/ [14] IETF EERG, http://www.green-communications.net/ eerg/charter.html 본연구는방송통신위원회의지원을받는방송통신표준기술력향상사업의 연구결과로수행되었음 089