KR102235150B1 - 소프트웨어 정의 네트워킹 기술을 이용한 스마트 그리드 네트워크 시스템 및 그 동작 방법 - Google Patents

소프트웨어 정의 네트워킹 기술을 이용한 스마트 그리드 네트워크 시스템 및 그 동작 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 다수의 네트워크 컨트롤러와 데이터 평면 사이에 네트워크 하이퍼바이저를 배치하여 데이터 패킷의 유형에 따른 차등적인 네트워크 속성을 제공하는 스마트 그리드 네트워크 시스템 및 그 동작 방법에 관한 것으로, 데이터를 전송하는 다수의 스위치로 구성된 데이터 평면, 상기 데이터 평면으로부터 실시간 네트워크 장비의 정보를 수신하여 네트워크 요구사항을 결정하는 다수의 네트워크 컨트롤러 및 상기 데이터 평면 및 상기 네트워크 컨트롤러 사이에 위치하여 가상의 네트워크망을 제공하는 네트워크 하이퍼바이저를 포함한다.

Description

소프트웨어 정의 네트워킹 기술을 이용한 스마트 그리드 네트워크 시스템 및 그 동작 방법{SMART GRID NETWORK SYSTEM BY USING SOFTWARE DEFINED NETWORKING TECHNOLOGY AND ITS OPERATION METHOD}
본 발명은 소프트웨어 정의 네트워킹 기술을 이용한 스마트 그리드 네트워크 시스템 및 그 동작 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 다수의 네트워크 컨트롤러와 데이터 평면 사이에 네트워크 하이퍼바이저를 배치하여 데이터 패킷의 유형에 따른 차등적인 네트워크 속성을 제공하는 시스템에 관한 것이다.
현재의 전력 시스템은 단방향 전력 공급 모델을 바탕으로 구축되어 있으며, 이로 인해 전력 공급자는 실시간으로 소비자의 전력 사용 상황을 확인할 수 없다. 따라서 전력 공급자는 예측되는 소비 전력의 최대 소비량에 맞추어 전력을 생산한 다음, 전력 소비자에게 공급하는 방법을 사용하고 있어, 소비자에 의해 사용된 후 남은 초과 생산 전력이 낭비되는 문제점이 존재하였다.
이를 해결하기 위해, 정보통신기술을 전력 시스템에 적용하여 전력 공급자와 소비자 간의 실시간 전력 수요에 관한 정보를 교환하고, 이를 바탕으로 전력 수요에 따라 공급을 실시간으로 조절할 수 있는 스마트 그리드가 제안되었다. 스마트 그리드는 전력 공급자와 수요자가 전력 생산정보 및 소비정보를 실시간으로 교환하여 탄력적인 전력 운용을 가능하게 한다. 또한, 스마트 그리드를 통해 에너지 소비를 절감할 수 있으며, 전력 송배전 정보를 실시간으로 감시하여 전력 설비에 문제가 생기는 경우 이를 대체할 수 있는 송배전 선로를 물색하여 안정적으로 전력 공급을 할 수 있다는 장점이 존재한다.
이러한 스마트 그리드의 장점을 극대화하기 위해서는 발전소 및 변전소와 같은 공급자의 전력설비뿐만 아니라 사물인터넷(IoT, Internet of Things) 장비, 원격 검침 인프라(AMI, Advanced Metering Infrastructure)와 같은 다양한 소비자 측의 장비들이 전력 네트워크에 포함되어야 한다. 이처럼 스마트 그리드에 다양한 종류의 기기들이 포함되고, 스마트 그리드의 기능 자체 또한 다양해지는 만큼, 스마트 그리드 내에서 전송되는 데이터의 종류도 다양해지고 있으며, 그 데이터의 양 또한 테라바이트급 이상으로 성장해가고 있다.
한편, 스마트 그리드 내에 존재하는 다양한 종류의 메시지들은 모두 같은 중요도를 가지지는 않는다. 실시간으로 전력 수요를 파악하기 위해 전력 소비자로부터 공급자에게로 전송되는 전력 사용량 확인 데이터의 경우, 현재까지의 누적 사용량 정보와 함께 전송되기 때문에 어떤 패킷이 손실된 이후에 그 손실된 패킷의 다음 패킷을 수신하면, 전력 공급자는 기존의 누적 사용량 정보와 새로운 누적 정보량 정보의 차를 통하여 손실된 패킷의 정보를 쉽게 복구할 수 있다. 또한, 실시간 전력 소모량 모니터링의 경우, 기존에 수집한 전력 소모량 정보를 통해 사용자의 패턴을 추론하고 이를 바탕으로 현재의 전력 사용량을 유추해 낼 수 있다. 따라서 이러한 종류의 데이터를 송수신하는 일은 그 우선순위가 높다고 하지 않는다.
그러나, 전력설비 고장으로 인해 이상이 발생한 전력 설비가 전력 공급자에게 경고 메시지를 전송해야 하는 경우, 메시지의 손실은 곧 고장 난 설비의 수리가 지연되고, 기존 경로를 대체할 송배전 선로를 발견해내지 못하는 결과를 초래하여 정전과 같은 사고로 이어질 수 있다. 이처럼, 스마트 그리드 내에서 전송되는 메시지의 유형에 따라 그 메시지에 속하는 패킷들의 중요도가 달라지므로, 중요도에 따라 메시지들 또는 패킷들에 부여되어야 하는 서비스 품질(Quality of Service, QoS)의 수준이 달라져야 하지만, 현재 전력망에 설치되어있는 기존의 데이터 네트워크는 패킷의 중요도 및 특성과 관계없이 모든 메시지 또는 패킷에 대해서 같은 수준의 서비스 품질을 제공한다.
즉, 전력 데이터 네트워크망에 전력 사용량을 모니터링하기 위한 메시지와 같이 중요도가 높지 않은 즉, 우선순위가 낮은 메시지들의 패킷이 범람할 경우, 전력설비의 이상을 알리는 메시지와 같이 그 우선순위가 높은 패킷이 제때에 전송되지 못할 가능성이 존재한다.
이러한 문제를 해결하기 위해 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 종래 기술이 연구되었다.
도 1은 일 실시예에 따라 우선순위를 여러 그룹으로 분류하는 종래 기술의 구성도를 도시한 것이고, 도 2는 다른 실시예에 따라 소프트웨어 정의 네트워킹의 동적 경로 재탐색을 이용하는 종래 기술의 구성도를 도시한 것이다.
도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 종래 기술은 데이터의 중요도에 따라 차등적으로 서비스 품질을 제공하기 위하여 스마트 그리드에 참여하는 모든 전력기기를 역할에 따라 여러 우선순위 그룹으로 분류하고, 스케줄러를 통하여 분류된 기기의 우선순위에 따라 서비스 품질을 제공한다. 이때, 긴급한 메시지의 경우, 별도의 우선순위 큐를 사용하여 낮은 우선순위 레벨의 기기라 할지라도 먼저 메시지를 전송하도록 한다.
도 1의 일 실시예에 따른 종래 기술은 전력기기의 역할에 기반으로 패킷의 우선순위를 결정한다. 다만, 긴급 패킷이 아니라 하더라도 각 패킷의 종류에 따라 우선순위는 다를 수 있으나, 해당 기술로는 패킷의 종류에 따라 세부적으로 나뉜 서비스 품질은 차등적으로 제공될 수 없다는 한계가 존재한다. 예를 들어, 긴급한 메시지의 경우, 우선순위 큐를 별도로 제공하여 빠른 전송을 보장하고 있지만, 실시간 전력 데이터와 기기 주변의 CCTV 정보와 같이 긴급한 메시지가 아닌 경우에는 같은 기기로부터 발생하는 모든 패킷이 같은 네트워크 품질로 전송될 수밖에 없어, 전력 공급과 큰 상관이 없는 기기 주변의 CCTV 정보에 의해 전력 공급에 필수적인 정보인 기기의 실시간 전력 사용량의 전송이 손실될 가능성이 발생한다.
도 2를 참조하면, 다른 실시예에 따른 종래 기술은 패킷의 중요도에 따라 서비스 품질을 차등적으로 제공하기 위해, 네트워크 관리의 유연성이 부족한 기존의 네트워킹 시스템을 대신하여 소프트웨어 정의 네트워킹(Software-Defined Networking, SDN) 기반의 네트워크 스위치를 사용하고, 이를 통해 스마트 그리드 네트워크의 데이터 전송을 관리한다.
도 2의 다른 실시예에 따른 종래 기술은 다양한 종류의 패킷에 대하여 높은 수준의 서비스 품질이 있어야 하는 패킷과 그렇지 않은 패킷으로 분류한 후, 높은 수준의 서비스 품질이 필요한 긴급 패킷이 흐르는 경로에 네트워크 혼잡이 발생하는 경우, 컨트롤러가 네트워크 링크의 상태 정보를 빠르게 파악하여 가용 대역폭이 더 충분한 경로를 재탐색한 다음, 해당 경로를 네트워크 스위치가 패킷을 처리하는 방식인 플로우 룰로 합성하여, 이를 스위치에 설명해주는 방식으로 QoS(Quality of Service)를 구현한다. 이로 인해, 다른 실시예에 따른 종래 기술은 두 가지 수준의 서비스 품질만을 정의할 수 있어 다양한 종류의 메시지 전송이 필요한 스마트 그리드 망에서는 적용이 어렵고, 낮은 우선순위의 패킷 전송을 억제하는 것이 아닌, 링크가 혼잡하지 않은 새로운 경로를 찾는 방식이므로 네트워크의 모든 경로가 혼잡한 경우에는 적절한 대역폭을 제공할 수 없다는 문제점이 존재한다.
본 발명의 목적은 네트워크 가상화 기법을 사용하여 하나의 물리 망에서 다수의 가상 망을 설치하여 네트워크 구축 및 관리에 드는 추가적인 비용을 절감하고자 한다.
또한, 본 발명의 목적은 네트워크 하이퍼바이저를 사용함으로써, 차등 서비스 품질(differential Quality of Service)을 보장하고, 액세스 권한을 관리하며, 간단한 구성과 낮은 오버헤드로 스마트 그리드 시스템을 구현하고자 한다.
본 발명의 실시예에 따른 소프트웨어 정의 네트워킹 기술이 적용된 스마트 그리드 네트워크 시스템에 있어서, 데이터를 전송하는 다수의 스위치로 구성된 데이터 평면, 상기 데이터 평면으로부터 실시간 네트워크 장비의 정보를 수신하여 네트워크 요구사항을 결정하는 다수의 네트워크 컨트롤러 및 상기 데이터 평면 및 상기 네트워크 컨트롤러 사이에 위치하여 가상의 네트워크망을 제공하는 네트워크 하이퍼바이저를 포함한다.
상기 네트워크 컨트롤러는 상기 네트워크 하이퍼바이저의 상부에 위치하며, 데이터 유형에 따른 상기 네트워크 요구사항을 설정하기 위한 플로우 룰(flow rule)을 상기 네트워크 하이퍼바이저로 전달할 수 있다.
상기 네트워크 하이퍼바이저는 상기 네트워크 컨트롤러로부터 수신된 상기 플로우 룰을 네트워크 관리자의 정책을 기반으로 하나의 플로우 룰로 합성하고, 상기 합성한 플로우 룰을 상기 데이터 평면의 상기 스위치에 설정하여 패킷의 속성에 따른 가상의 네트워크망을 제공할 수 있다.
상기 네트워크 하이퍼바이저는 상기 네트워크 컨트롤러와 상기 스위치 사이에서 프록시로 동작하여 네트워크 관리자가 미리 설정한 정책을 위반하는 네트워크 접속 시, 해당 접속을 차단하여 상기 네트워크 컨트롤러가 해당 스위치를 인식하지 못하도록 할 수 있다.
상기 네트워크 하이퍼바이저는 기 등록된 토폴로지 정보에 포함되지 않은 새로운 스위치를 발견하는 경우, 링크 레이어 디스커버리 프로토콜(Link Layer Discovery Protocol, LLDP)을 이용하여 상기 네트워크 컨트롤러에 상기 새로운 스위치에 대한 스위치 정보를 제공할 수 있다.
상기 네트워크 하이퍼바이저는 네트워크 토폴로지 및 네트워크 리소스를 가상화할 수 있다.
상기 네트워크 하이퍼바이저는 새로운 네트워크 컨트롤러(new controller)가 추가 네트워크 리소스를 요청하면, 사용 가능한 네트워크를 리소스를 확인할 수 있다.
상기 네트워크 하이퍼바이저는 차등 큐(Differential Queue)를 사용하여 패킷의 우선 순위를 구별할 수 있다.
상기 네트워크 하이퍼바이저는 공통 패킷 기능을 이용하여 중첩된 네트워크 하이퍼바이저를 사용하여 설정을 단순화할 수 있다.
상기 스위치는 네트워크 슬라이스별로 우선순위 비트를 설정하여 패킷의 중요도에 따라 네트워크 대역폭과 같은 서비스 품질을 차등 제공할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 소프트웨어 정의 네트워킹 기술이 적용된 스마트 그리드 네트워크 시스템의 동작 방법에 있어서, 다수의 스위치로 구성된 데이터 평면을 이용하여 데이터를 전송하는 단계, 다수의 네트워크 컨트롤러를 이용하여 상기 데이터 평면으로부터 수신된 실시간 네트워크 장비의 정보에 따라 네트워크 요구사항을 결정하는 단계 및 상기 데이터 평면 및 상기 네트워크 컨트롤러 사이에 위치한 네트워크 하이퍼바이저를 이용하여 가상의 네트워크망을 제공하는 단계를 포함한다.
상기 네트워크 요구사항을 결정하는 단계는 패킷 유형의 특성에 따라 대역폭, 전송 경로와 같은 네트워크 속성을 서로 다르게 제공하기 위해 생성된 상기 다수의 네트워크 컨트롤러를 이용하여 상기 데이터 평면으로부터 수신된 상기 네트워크 장비의 정보에 따라 상기 네트워크 요구사항을 결정할 수 있다.
상기 가상의 네트워크망을 제공하는 단계는 상기 네트워크 컨트롤러 및 상기 데이터 평면 사이에 위치하는 상기 네트워크 하이퍼바이저를 이용하여 상기 네트워크 컨트롤러로부터 수신된 플로우 룰(flow rule)을 네트워크 관리자의 정책으로 기반으로 하나의 플로우 룰로 합성하고, 상기 합성한 플로우 룰을 상기 데이터 평면의 상기 스위치에 설정하여 패킷의 속성에 따른 가상의 네트워크망을 제공할 수 있다.
스마트 그리드 네트워크는 효율적인 에너지 공급과 소비를 위해 소비자와 생산자 간의 통신, 생산자와 원격지에 존재하는 생산시설 간의 통신 등을 지원한다. 이러한 특성 덕분에 스마트 그리드 네트워크에는 다양한 종류의 데이터 패킷이 혼재되어 송수신된다. 이때, 기존의 네트워크 기술을 그대로 활용할 경우, 각 데이터의 특성에 알맞은 네트워크를 제공하기 위해서, 네트워크 관리자는 각 데이터 유형별로 별도의 네트워크를 추가로 구성해야 한다. 이에, 본 발명의 실시예에 따르면, 네트워크 가상화 기법을 사용하여 하나의 물리 망에서 다수의 가상 망을 설치함으로써, 네트워크 구축 및 관리에 드는 추가적인 비용을 절감할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 네트워크 하이퍼바이저를 사용함으로써, 차등 서비스 품질(differential Quality of Service)을 보장하고, 액세스 권한을 관리하며, 간단한 구성과 낮은 오버헤드로 스마트 그리드 시스템을 구현할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따라 우선순위를 여러 그룹으로 분류하는 종래 기술의 구성도를 도시한 것이다.
도 2는 다른 실시예에 따라 소프트웨어 정의 네트워킹의 동적 경로 재탐색을 이용하는 종래 기술의 구성도를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 소프트웨어 정의 네트워킹 기술이 적용된 스마트 그리드 네트워크 시스템의 구성도를 도시한 것이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 실시예에 따라 토폴로지 정보를 가상화하는 네트워크 하이퍼바이저의 구성도를 도시한 것이다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 실시예에 따라 리소스 정보를 가상화하는 네트워크 하이퍼바이저의 구성도를 도시한 것이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 가상 근거리 통신망을 지원하는 패킷 헤더의 예를 도시한 것이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 오버랩된 네트워크 하이퍼바이저의 예를 도시한 것이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 차등 서비스 품질(Differential QoS)을 제공하는 스마트 그리드 네트워크 시스템을 설명하기 위해 도시한 것이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 권한 관리(Authority Management)를 제공하는 스마트 그리드 네트워크 시스템을 설명하기 위해 도시한 것이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 소프트웨어 정의 네트워킹 기술이 적용된 스마트 그리드 네트워크 시스템의 동작 방법에 대한 흐름도를 도시한 것이다.
이하, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 또한, 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 용어(terminology)들은 본 발명의 바람직한 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 시청자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 소프트웨어 정의 네트워킹 기술이 적용된 스마트 그리드 네트워크 시스템의 구성도를 도시한 것이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 스마트 그리드 네트워크 시스템은 다수의 네트워크 컨트롤러와 데이터 평면 사이에 네트워크 하이퍼바이저를 배치하여 데이터 패킷의 유형에 따른 차등적인 네트워크 속성을 제공한다.
이를 위해, 본 발명의 실시예에 따른 스마트 그리드 네트워크 시스템(300)은 데이터 평면(310), 네트워크 컨트롤러(320) 및 네트워크 하이퍼바이저(330)를 포함한다.
데이터 평면(310)은 데이터를 전송하는 다수의 스위치(311)로 구성된다. 이때, 스위치(311)는 제어 평면(control plane) 및 데이터 평면(data plane, 310)으로 구성되며, 제어 평면은 데이터 평면의 토폴로지 및 리소스 정보를 기반으로 라우팅 룰을 형성하고, 데이터 평면(310)은 제어 평면에 구성된 패킷을 전달한다.
구체적으로, 스위치(311)는 컨트롤 채널(Control Channel)을 통해 네트워크 컨트롤러(320)와 정보를 교환한다. 컨트롤 채널은 스위치(311)와 원거리에 위치한 네트워크 컨트롤러(320) 사이의 통신 채널이며, 네트워크 컨트롤러(320)와 스위치(311) 간 교환되는 정보는 암호화될 수 있다. 또한, 스위치(311)에는 패킷을 규정 및 처리하고, 패킷에 관련된 통계 정보를 포함하는 하나 이상의 플로우 테이블(Flow Table)이 존재할 수 있다. 플로우 테이블은 패킷 처리를 규정하는 플로우 룰(Flow Rule)로 구성되며, 플로우 룰은 네트워크 컨트롤러(320)에 의해 생성되며, 스위치(311)에 전송하는 플로우 모드 메시지(Flow-Mod Message)에 의해 추가, 수정 또는 삭제될 수 있다.
스위치(311)는 플로우 테이블을 참조하여 패킷을 처리한다. 플로우 테이블은 플로우를 정의하는 패킷에 대한 매치 정보(Match Field), 패킷의 처리를 정의하는 동작 정보(Instruction) 및 플로우별 통계 정보(Stats)를 포함할 수 있다. 이 때, 플로우 테이블을 이루는 각 행을 플로우 엔트리(Flow Entry)라고 칭하며 각 플로우 엔트리에는 우선순위(Priority)가 지정될 수 있다. 스위치(311)는 패킷의 정보와 부합하는 매치 정보를 포함하는 플로우 엔트리 중, 가장 높은 우선순위를 나타내는 플로우 엔트리의 동작 정보에 따라 패킷을 처리할 수 있다.
또한, 스위치(311)는 네트워크 슬라이스별로 우선순위 비트를 설정하여 패킷의 중요도에 따라 네트워크 대역폭과 같은 서비스 품질을 차등 제공할 수 있다.
네트워크 컨트롤러(320)는 데이터 평면(310)으로부터 실시간 네트워크 장비의 정보를 수신하여 네트워크 요구사항을 결정한다.
네트워크 컨트롤러(320)는 복수 개로 형성될 수 있으며, 네트워크 하이퍼바이저(330)의 상부에 위치하여 데이터 유형에 따른 네트워크 요구사항을 설정하기 위한 플로우 룰(flow rule)을 네트워크 하이퍼바이저(330)로 전달할 수 있다.
소프트웨어 정의 네트워크(Software Defined Network)에서, 컨트롤러(320)는 네트워크 장비를 관리하는 기능을 하는 것으로, 복수의 네트워크 장비를 중앙 집중형으로 관리 및 제어한다. 구체적으로, 네트워크 컨트롤러(320)는 토폴로지 관리(Topology management), 패킷 처리와 관련된 경로 관리(Path management), 링크 디스커버리(Link discovery), 플로우 관리(Flow management) 등의 기능을 하는 소프트웨어가 모듈식으로 탑재된 형태로 구현될 수 있다.
네트워크 하이퍼바이저(330)는 데이터 평면(310) 및 네트워크 컨트롤러(320) 사이에 위치하여 가상의 네트워크망을 제공한다.
본 발명의 실시예에 따른 스마트 그리드 네트워크 시스템(300)은 데이터 패킷의 유형에 따른 차등적인 네트워크 속성을 제공하기 위해 네트워크 하이퍼바이저(Network Hypervisor, 330)를 다수의 네트워크 컨트롤러(320)와 데이터 평면(310) 사이에 배치한다.
이에, 네트워크 하이퍼바이저(330)는 네트워크 컨트롤러(320)로부터 수신된 플로우 룰을 네트워크 관리자의 정책에 맞게 하나의 플로우 룰로 합성하고, 합성한 플로우 룰을 데이터 평면(310)의 스위치(311)에 설정하여 패킷의 속성에 따른 토폴로지 정보 가상화 및 서비스 품질 차등화가 가능한 가상의 네트워크망을 제공할 수 있다.
이하에서는 도 4 내지 도 9를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 네트워크 하이퍼바이저(330)에 대해 상세히 설명하고자 한다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 실시예에 따라 토폴로지 정보를 가상화하는 네트워크 하이퍼바이저의 구성도를 도시한 것이며, 도 6 및 도 7은 본 발명의 실시예에 따라 리소스 정보를 가상화하는 네트워크 하이퍼바이저의 구성도를 도시한 것이다. 또한, 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 가상 근거리 통신망을 지원하는 패킷 헤더의 예를 도시한 것이며, 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 오버랩된 네트워크 하이퍼바이저의 예를 도시한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 스마트 그리드 네트워크 시스템(100)의 네트워크 하이퍼바이저(330)는 네트워크 토폴로지 및 네트워크 리소스를 가상화할 수 있다.
도 4를 참조하면, 소프트웨어 정의 네트워킹(Software-Defined Networking, SDN)에서 네트워크 컨트롤러(320)는 특정 TCP 포트에서 스위치(311)의 접속을 기다리고 있다가 임의의 스위치(311)가 네트워크 컨트롤러(320)의 포트로 연결을 시도하는 경우, 해당 스위치(311)를 인식하여 네트워크 컨트롤러(320)의 토폴로지 정보에 추가한다.
이때, 본 발명의 실시예에 따른 스마트 그리드 네트워크 시스템(100)은 네트워크 컨트롤러(320)와 스위치(311) 사이에 네트워크 하이퍼바이저(330)를 위치시키며, 네트워크 하이퍼바이저(330)는 네트워크 컨트롤러(320)와 스위치(311) 사이에서 프록시로 동작하여 네트워크 관리자가 미리 설정한 정책을 위반하는 네트워크 접속이 발생하는 경우, 해당 접속을 차단하여 네트워크 컨트롤러(320)가 해당 스위치(311)를 인식하지 못하도록 할 수 있다.
도 5를 참조하면, 토폴로지 정보에 등록된 스위치(311)가 등록되지 않은 새로운 스위치(312)를 발견하는 경우, 네트워크 하이퍼바이저(330)는 링크 레이어 디스커버리 프로토콜(Link Layer Discovery Protocol, LLDP)을 이용하여 네트워크 컨트롤러(320)에 새로운 스위치(312)에 대한 스위치 정보를 제공할 수 있다. 이 또한, 잘 알려진 해당 프로토콜의 규격을 참고하여 네트워크 하이퍼바이저(330)가 해당 패킷을 차단하는 방식으로 네트워크 토폴로지 정보를 가상화할 수 있다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 네트워크 하이퍼바이저(330)는 대역폭과 같은 네트워크 리소스를 가상화 및 격리할 수 있다.
또한, 네트워크 하이퍼바이저(330)는 차등 큐(Differential Queue)를 사용하여 패킷의 우선 순위를 구별할 수 있으며, 네트워크 관리자는 802.1Q의 PCP 필드를 설정하여 차등 QoS(Differential QoS)를 제공할 수 있다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 네트워크 하이퍼바이저(330)는 새로운 네트워크 컨트롤러(new controller)가 추가 네트워크 리소스를 요청하면, 사용 가능한 네트워크를 리소스를 확인할 수 있다. 실시예에 따라서, 사용 가능한 컨트롤러가 없는 경우, 네트워크 하이퍼바이저(330)는 우선 순위에 따라 새 요청 또는 이전 컨트롤러를 폐기할 수 있다.
도 8을 참조하면, 가상 근거리 통신망을 지원하는 802.1Q 패킷 헤더의 태그(Tag) 영역이 도시된 바와 같이 구성되어 있다. 이는 3비트의 우선순위 태그를 이용하여 우선순위를 0단계부터 7단계까지 설정해 줄 수 있으며, 해당 태그에 따라 들어온 패킷을 네트워크 스위치(311)에 존재하는 우선순위 큐(priority queue)에 할당해 준다.
이에, 본 발명의 실시예에 따른 스마트 그리드 네트워크 시스템(100)은 SDN 기반의 스위치(311)를 활용하여 각 네트워크 슬라이스별로 우선순위 비트를 설정해줌으로써, 패킷의 중요도에 따라 네트워크 대역폭과 같은 서비스 품질을 차등 제공할 수 있다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 네트워크 하이퍼바이저(330)는 도시된 바와 같이 겹칠 수 있다. 이에, 공통 패킷 기능이 있는 경우에 네트워크 하이퍼바이저(330)는 공통 패킷 기능을 이용하여 네트워크 하이퍼바이저 중첩하며, 중첩된 네트워크 하이퍼바이저를 사용하여 설정을 단순화할 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 스마트 그리드 네트워크 시스템(100)은 패킷 특성에 따라 오버레이 네트워크 레이어에 따라 접근을 제어할 수 있다.
보다 구체적으로, 전력 수요에 따른 탄력적인 전력 공급을 위하여 스마트 그리드 네트워크에는 전력 수요자의 상태를 파악하기 위한 다수의 사물인터넷(IoT) 장비들이 존재한다. 해당 장비들은 대규모의 전력 설비에 비해 상대적으로 보안이 취약하고 그 수가 매우 많아, 최근의 스마트 그리드에 대한 많은 공격의 빌미를 제공하고 있다. 기존 네트워크를 활용할 경우에는, 새로운 망을 설치하지 않는 이상 보안에 민감한 주요 장비들과 공격에 취약한 사물인터넷 장비들을 분리할 수 없다. 만약, 이 장비들이 해킹되어 발전소나 변전소와 같은 주요 사회 기반시설로 제어 메시지를 보내게 된다면 큰 사회적 혼란이 발생할 것이다.
이에, 본 발명의 실시예에 따른 스마트 그리드 네트워크 시스템(100)은 오버레이 네트워크 기법을 이용하여 실제 단일 물리 망에 여러 개의 고립된 가상 오버레이 네트워크를 생성하고, 특정 수준 이상의 권한을 가진 네트워크 노드만으로 네트워크 토폴로지 정보를 구성하여 사물인터넷 장비와 같이 취약한 네트워크 노드가 민감한 사회 시설에 제어 메시지를 보내지 못하도록 방지할 수 있다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 차등 서비스 품질(Differential QoS)을 제공하는 스마트 그리드 네트워크 시스템을 설명하기 위해 도시한 것이다.
SDN 기반 네트워크는 실제 패킷 전송을 수행하는 데이터 평면(310)과 데이터 평면(310)으로부터 실시간 네트워크 장비의 정보를 획득한 다음, 네트워크의 제반 사항을 결정하는 네트워크 컨트롤러(320)로 나누어져 있다.
나아가, 본 발명에서는 각 패킷 유형의 특성에 따라 대역폭 및 전송 경로와 같은 네트워크 속성을 서로 다르게 제공하기 위하여 여러 개의 네트워크 컨트롤러(320)를 생성하고, 다수의 네트워크 컨트롤러(320)와 데이터 평면(310) 사이에 각 컨트롤러로부터 내려온 복수의 플로우 룰을 하나로 합성하여 실제 물리 망에 설치 가능한 네트워크 하이퍼바이저(330)를 설치하여 추가적인 망 구축 없이도 다양한 패킷의 속성에 따른 가상의 네트워크망을 제공하도록 한다.
다양한 유형의 스마트 그리드 패킷에는 고유한 중요성(importance)이 있다. 그 중에서도 누전 및 제어 메시지의 우선 순위가 높으며, 누적으로 인한 전력 사용량의 우선 순위가 낮다. 실시예에 의해 갑작스러운 패킷 정체가 발생하는 경우 우선 순위가 높은 패킷이 전송되어야 하며, 전원 사용 메시지가 삭제되는 경우 누전 경고 메시지는 전송되어야 한다. 이에, 본 발명의 실시예에 따른 스마트 그리드 네트워크 시스템(100)은 네트워크 가상화 및 리소스 가상화를 사용하여 패킷 정체가 발생하거나 전원 사용 메시지가 삭제되더라도 우선 순위에 따른 메시지 전송을 보장할 수 있게 된다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 권한 관리(Authority Management)를 제공하는 스마트 그리드 네트워크 시스템을 설명하기 위해 도시한 것이다.
예를 들어, 센서(sensor)와 같은 원격 터미널 장치는 다른 시설보다 악의적인 사용자에게 더 취약하다. 손상된 센서(Compromised sensor)가 제어 패킷을 캡쳐하고, 거짓의 패킷을 전송하면 공격자는 민감한 전기 시설을 차단할 수 있다.
이에, 본 발명의 실시예에 따른 스마트 그리드 네트워크 시스템은 네트워크 하이퍼바이저(330)를 이용하여 패킷의 속성에 따른 가상의 네트워크망을 제공할 수 있으며, 네트워크 관리자는 액세스 수준을 부여하여 권한이 없는 사용자의 악의적인 운영 패킷을 차단할 수 있다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 소프트웨어 정의 네트워킹 기술이 적용된 스마트 그리드 네트워크 시스템의 동작 방법에 대한 흐름도를 도시한 것이다.
도 12의 방법은 도 3에 도시된 본 발명의 실시예에 따른 스마트 그리드 네트워크 시스템에 의해 수행된다.
도 12를 참조하면, 단계 1210에서, 다수의 스위치로 구성된 데이터 평면을 이용하여 데이터를 전송한다.
단계 1220에서, 다수의 네트워크 컨트롤러를 이용하여 데이터 평면으로부터 수신된 실시간 네트워크 장비의 정보에 따라 네트워크 요구사항을 결정한다.
단계 1220은 패킷 유형의 특성에 따라 대역폭, 전송 경로와 같은 네트워크 속성을 서로 다르게 제공하기 위해 생성된 다수의 네트워크 컨트롤러를 이용하여 데이터 평면으로부터 수신된 네트워크 장비의 정보에 따라 네트워크 요구사항을 결정할 수 있다.
단계 1230에서, 데이터 평면 및 네트워크 컨트롤러 사이에 위치한 네트워크 하이퍼바이저를 이용하여 가상의 네트워크망을 제공한다.
단계 1230은 네트워크 컨트롤러 및 데이터 평면 사이에 위치하는 네트워크 하이퍼바이저를 이용하여 네트워크 컨트롤러로부터 수신된 플로우 룰(flow rule)을 네트워크 관리자의 정책으로 기반으로 하나의 플로우 룰로 합성하고, 합성한 플로우 룰을 데이터 평면의 스위치에 설정하여 패킷의 속성에 따른 가상의 네트워크망을 제공할 수 있다.
이상에서 설명된 장치는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPGA(Field Programmable Gate Array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 어플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 콘트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.
소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치, 또는 전송되는 신호 파(signal wave)에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (13)

  1. 소프트웨어 정의 네트워킹 기술이 적용된 스마트 그리드 네트워크 시스템에 있어서,
    데이터를 전송하는 다수의 스위치로 구성된 데이터 평면;
    상기 데이터 평면으로부터 실시간 네트워크 장비의 정보를 수신하여 네트워크 요구사항을 결정하는 다수의 네트워크 컨트롤러; 및
    상기 데이터 평면 및 상기 네트워크 컨트롤러 사이에 위치하여 가상의 네트워크망을 제공하는 네트워크 하이퍼바이저를 포함하되,
    상기 네트워크 하이퍼바이저는
    네트워크 토폴로지 및 네트워크 리소스를 가상화하며, 새로운 네트워크 컨트롤러(new controller)가 추가 네트워크 리소스를 요청하면, 사용 가능한 네트워크를 리소스를 확인하고,
    공통 패킷 기능을 이용하여 중첩된 네트워크 하이퍼바이저를 사용하여 설정을 단순화하며, 차등 큐(Differential Queue)를 사용하여 패킷의 우선 순위를 구별하고, 패킷의 속성에 따른 가상의 네트워크망에서 권한 관리(Authority Management)를 제공하여 악의적인 운영 패킷을 차단하는 것을 특징으로 하며,
    상기 스마트 그리드 네트워크 시스템은
    패킷 특성에 따른 오버레이 네트워크 레이어에 따라 접근을 제어하는 것을 특징으로 하는, 스마트 그리드 네트워크 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 네트워크 컨트롤러는
    상기 네트워크 하이퍼바이저의 상부에 위치하며, 데이터 유형에 따른 상기 네트워크 요구사항을 설정하기 위한 플로우 룰(flow rule)을 상기 네트워크 하이퍼바이저로 전달하는, 스마트 그리드 네트워크 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 네트워크 하이퍼바이저는
    상기 네트워크 컨트롤러로부터 수신된 상기 플로우 룰을 네트워크 관리자의 정책을 기반으로 하나의 플로우 룰로 합성하고, 상기 합성한 플로우 룰을 상기 데이터 평면의 상기 스위치에 설정하여 패킷의 속성에 따른 가상의 네트워크망을 제공하는, 스마트 그리드 네트워크 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 네트워크 하이퍼바이저는
    상기 네트워크 컨트롤러와 상기 스위치 사이에서 프록시로 동작하여 네트워크 관리자가 미리 설정한 정책을 위반하는 네트워크 접속 시, 해당 접속을 차단하여 상기 네트워크 컨트롤러가 해당 스위치를 인식하지 못하도록 하는, 스마트 그리드 네트워크 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 네트워크 하이퍼바이저는
    기 등록된 토폴로지 정보에 포함되지 않은 새로운 스위치를 발견하는 경우, 링크 레이어 디스커버리 프로토콜(Link Layer Discovery Protocol, LLDP)을 이용하여 상기 네트워크 컨트롤러에 상기 새로운 스위치에 대한 스위치 정보를 제공하는, 스마트 그리드 네트워크 시스템.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제1항에 있어서,
    상기 스위치는
    네트워크 슬라이스별로 우선순위 비트를 설정하여 패킷의 중요도에 따라 네트워크 대역폭과 같은 서비스 품질을 차등 제공하는, 스마트 그리드 네트워크 시스템.
  11. 소프트웨어 정의 네트워킹 기술이 적용된 스마트 그리드 네트워크 시스템의 동작 방법에 있어서,
    다수의 스위치로 구성된 데이터 평면을 이용하여 데이터를 전송하는 단계;
    다수의 네트워크 컨트롤러를 이용하여 상기 데이터 평면으로부터 수신된 실시간 네트워크 장비의 정보에 따라 네트워크 요구사항을 결정하는 단계; 및
    상기 데이터 평면 및 상기 네트워크 컨트롤러 사이에 위치한 네트워크 하이퍼바이저를 이용하여 가상의 네트워크망을 제공하는 단계를 포함하되,
    상기 네트워크 하이퍼바이저는
    네트워크 토폴로지 및 네트워크 리소스를 가상화하며, 새로운 네트워크 컨트롤러(new controller)가 추가 네트워크 리소스를 요청하면, 사용 가능한 네트워크를 리소스를 확인하고,
    공통 패킷 기능을 이용하여 중첩된 네트워크 하이퍼바이저를 사용하여 설정을 단순화하며, 차등 큐(Differential Queue)를 사용하여 패킷의 우선 순위를 구별하고, 패킷의 속성에 따른 가상의 네트워크망에서 권한 관리(Authority Management)를 제공하여 악의적인 운영 패킷을 차단하는 것을 특징으로 하며,
    상기 스마트 그리드 네트워크 시스템은
    패킷 특성에 따른 오버레이 네트워크 레이어에 따라 접근을 제어하는 것을 특징으로 하는, 스마트 그리드 네트워크 시스템의 동작 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 네트워크 요구사항을 결정하는 단계는
    패킷 유형의 특성에 따라 대역폭, 전송 경로와 같은 네트워크 속성을 서로 다르게 제공하기 위해 생성된 상기 다수의 네트워크 컨트롤러를 이용하여 상기 데이터 평면으로부터 수신된 상기 네트워크 장비의 정보에 따라 상기 네트워크 요구사항을 결정하는, 스마트 그리드 네트워크 시스템의 동작 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 가상의 네트워크망을 제공하는 단계는
    상기 네트워크 컨트롤러 및 상기 데이터 평면 사이에 위치하는 상기 네트워크 하이퍼바이저를 이용하여 상기 네트워크 컨트롤러로부터 수신된 플로우 룰(flow rule)을 네트워크 관리자의 정책으로 기반으로 하나의 플로우 룰로 합성하고, 상기 합성한 플로우 룰을 상기 데이터 평면의 상기 스위치에 설정하여 패킷의 속성에 따른 가상의 네트워크망을 제공하는, 스마트 그리드 네트워크 시스템의 동작 방법.
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US20190297007A1 (en) * 2016-03-30 2019-09-26 NEC Laboratories Europe GmbH Method of forwarding packet flows in a network and network system

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