KR102310212B1 - 5g 네트워크에서 정보 중심 네트워킹 기반의 엣지 컴퓨팅 활성화 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 5G 네트워크의 동적인 컨텐츠에 의해 발생하는 지연 시간을 줄일 수 있도록 하는 5G 네트워크에서 정보 중심 네트워킹 기반의 엣지 컴퓨팅 활성화 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 정보 중심 네트워킹 기반의 엣지 컴퓨팅 활성화 방법은 5G 네트워크에서 정보 중심 네트워킹(ICN ; Information Centric Networking) 기반으로 엣지 컴퓨팅(Edge Computing)을 활성화시키기 위한 방법으로, 모바일 사용자(Mobile User)(100)가 컨텐츠를 요청하는 Interest 패킷을 로컬 D2D(device to Device) 통신을 수행하는 모바일 장치(200)로 전송하는 단계와; Interest 패킷을 수신한 로컬 모바일 장치(200)에서 해당 컨텐츠를 발견하면 컨텐츠를 요청한 모바일 사용자(100)에게 반환하고, 발견하지 못하면 엣지 컴퓨팅을 수행하는 BS(Base Station)(300)로 Interest 패킷을 전달하는 단계와; BS(300)에서 보유하고 있는 CS(Contents Store)를 검색하여 해당 컨텐츠를 발견하면 모바일 사용자(100)에게 전송하고, 발견하지 못하면 ICN 라우터(400)에 Interest 패킷을 전달하는 단계와; ICN 라우터(400)에서 캐시 메모리를 검색하여 해당 컨텐츠를 발견하면 BS(300)로 전송하고, 발견하지 못하면 코어 네트워크(Core Network)(500)를 통해 Cloud 환경의 Provider(600)에 요청하여 제공받는 단계;를 포함한다.

Description

5G 네트워크에서 정보 중심 네트워킹 기반의 엣지 컴퓨팅 활성화 방법{Method for enabling information centric networking-based edge computing in 5G networks}

본 발명은 엣지 컴퓨팅 활성화 방법에 관한 것으로, 특히 5G 네트워크의 동적인 컨텐츠에 의해 발생하는 지연 시간을 줄일 수 있도록 하는 5G 네트워크에서 정보 중심 네트워킹 기반의 엣지 컴퓨팅 활성화 방법에 관한 것이다.

정보 중심 네트워킹(ICN ; Information Centric Networking)과 엣지 컴퓨팅(Edge Computing)은 최종 사용자(End-user) 들에게 더 빠르게 컨텐츠를 분배하기 위해 출현한 기술로서, 미래 인터넷의 새로운 패러다임으로 떠오르고 있다.

엣지 컴퓨팅은 데이터 처리를 중앙 서버가 아닌 데이터가 발생하는 주변(edge)에서 데이터를 처리하는 기술로서, IoT(사물인터넷) 기기의 보급으로 전송되는 데이터 양이 증가하면서 중앙서버에서 모든 데이터를 처리하는 클라우드 컴퓨팅으로는 한계가 드러나 엣지 컴퓨팅 방식이 주목을 받고 있다. 엣지 컴퓨팅 방식을 이용하면 IoT 단말기 주변에서 데이터를 분산 처리해 중앙 서버에 데이터를 전달, 분석, 결과를 처리하는 시간을 줄일 수 있게 된다. 또한, ICN은 통신 대상 호스트(host)의 주소가 아닌 정보 식별자를 기반으로 하는 통신으로, Consumer의 Mobility support, Name-based 포워딩, Multi-homing, 컨텐츠 보안, 캐싱 기능들과 같이 기존의 5G 무선 네트워크 연구에서 다루지 않았던 필수 기능들을 제공하고 있다.

한편, 다가오는 5G 네트워크에서는 컨텐츠 배포와 지연시간이 매우 중요한 문제가 될 것이며, 기존의 네트워크 인프라에 도전장을 내밀 것이다. 따라서, 이러한 ICN과 엣지 컴퓨팅은 컨텐츠를 최종 사용자에게 더 가깝게 함으로써 네트워크 지연을 줄일 수 있는 유망한 기술로 간주된다. 즉, 5G의 무선 접속 네트워크망(RAN ; Radio Access Network)에서 이러한 엣지 컴퓨팅으로 ICN을 활성화하면 사용자들과 서비스 간의 거리를 줄여서 컨텐츠를 분배하고 통신 성능의 효율성을 높일 수 있다는 장점이 있다.

하지만, ICN과 엣지 캐싱 방법은 동적인 컨텐츠를 다루는 것에 어려움을 겪고 있으며, 동적인 컨텐츠들은 항상 코어 네트워크를 통해 기존의 서버에 제공되기 때문에 엣지 서버의 캐싱 방법은 동적인 컨텐츠에 적합하지 않다는 한계점이 존재한다. 즉, ICN과 엣지 캐싱 방법은 파일이나 이미지와 같은 시간이 지나도 변하지 않는 정적인 컨텐츠에는 잘 작동하지만, 검색결과 페이지나 실시간 컨텐츠를 검색하는 것과 같은 동적인 상황에서는 유용하지 않은 문제점이 있었다.

대한민국 등록특허공보 제10-1873238호 (2018.06.26. 등록)

본 발명은 상기 종래 ICN과 엣지 캐싱 방법의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 본 발명의 목적은 5G 네트워크에서 동적인 컨텐츠의 지연 시간을 줄일 수 있도록 정보 중심 네트워킹 기반의 엣지 컴퓨팅 활성화 방법을 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 정보 중심 네트워킹 기반의 엣지 컴퓨팅 활성화 방법은 5G 네트워크에서 정보 중심 네트워킹(ICN ; Information Centric Networking) 기반으로 엣지 컴퓨팅(Edge Computing)을 활성화시키기 위한 방법으로, 모바일 사용자(Mobile User)가 컨텐츠를 요청하는 Interest 패킷을 로컬 D2D(device to Device) 통신을 수행하는 모바일 장치로 전송하는 단계와; Interest 패킷을 수신한 로컬 모바일 장치에서 해당 컨텐츠를 발견하면 컨텐츠를 요청한 모바일 사용자에게 반환하고, 발견하지 못하면 엣지 컴퓨팅을 수행하는 BS(Base Station)로 Interest 패킷을 전달하는 단계와; BS에서 보유하고 있는 CS(Contents Store)를 검색하여 해당 컨텐츠를 발견하면 모바일 사용자에게 전송하고, 발견하지 못하면 ICN 라우터에 Interest 패킷을 전달하는 단계와; ICN 라우터에서 캐시 메모리를 검색하여 해당 컨텐츠를 발견하면 BS로 전송하고, 발견하지 못하면 코어 네트워크(Core Network)를 통해 Provider에 요청하여 제공받는 단계;를 포함한다.

여기서, 상기 BS는 모바일 사용자의 동적인 컨텐츠 요청 횟수에 따른 요청 빈도수를 추적하고, 특정 컨텐츠에 대한 요청 횟수가 설정된 빈도수 임계값을 초과하는 경우, ICN 라우터를 통해 Provider에 해당 컨텐츠의 프리페칭(pretetching)을 요청하여 해당 컨텐츠를 전달받아 CS에 저장한 후, 모바일 사용자로부터 해당 컨텐츠에 대한 요청이 오는 경우 이를 제공하게 된다.

또한, 상기 ICN 라우터는 복수의 BS로부터 동적인 컨텐츠 요청 횟수에 따른 컨텐츠 활용 빈도수를 추적하고, 특정 컨텐츠에 대한 요청 횟수가 설정된 빈도수 임계값을 초과하는 경우, 코어 네트워크를 통해 Provider에 해당 컨텐츠의 프리페칭(pretetching)을 요청하여 해당 컨텐츠를 전달받아 메모리에 저장한 후, BS로부터 해당 컨텐츠에 대한 요청이 오는 경우 이를 제공하게 된다.

한편, 상기 D2D 통신을 수행하는 모바일 장치는 다른 모바일 장치와 ICN 기반으로 ad-hoc 방식의 통신을 수행하여, 모바일 사용자로부터 전송되는 컨텐츠 요청 정보를 브로드캐스팅(Broadcasting) 하여 전달하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 BS는 ICN naming 체계를 통해 컨텐츠를 확인할 수 있도록 ICN 응용 계층을 구축하여, 모바일 장치로부터 컨텐츠 요청이 수신되면 계층적 명명 방식(Hierarchical naming scheme)을 사용하여 컨텐츠 가용성을 점검하도록 한다.

여기서, 상기 BS의 ICN 응응 계층은 모바일 사용자로부터 컨텐츠를 요청받아 처리하는 API 계층(API layer)과, CS에 컨텐츠를 등록하고 관리하는 CS 구현 계층(CS implementation layer)과, 테이블에 PIT(Pending Interest Table)를 추가, 이벤트 기반 타이머 설정, PIT 입력과 타이머 연결, PIT 제거, PIT 항목 검색을 수행하는 PIT Entriries 계층(PIT entries layer)과, 특정 이름에 대해 다음에 전달한 노드(Forwarder)의 정보를 제공하는 Forwarder 계층(Forwarder layer)과, Forwarder 정보 저장 및 CS 저장되는 데이터를 관리하는 데이터 접근 계층(Data access layer)을 포함한다.

본 발명에 따르면, ICN 엣지 지원 5G 네트워크 구조를 D2D 통신으로 제공하고 5G RAN에서 BS에 대한 ICN 응용계층과, ICN 계층적 명명 구조에 기반한 컨텐츠 프리페칭 전략을 제공함으로써, 코어 네트워크에 대한 접근을 최소화하고 캐시 적중 현상이 로컬에서 발생하며 대부분의 컨텐츠는 5G RAN으로 접속되어 네트워크의 전체 대기 시간에 영향을 미치게 된다. 따라서, 클라우드로의 트래픽을 최소화할 수 있고, 전체 대기 시간을 단축시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 정보 중심 네트워킹 기반의 엣지 컴퓨팅 활성화 과정 나타낸 개념도,
도 2는 본 발명에 따른 D2D 통신 설정 과정을 나타낸 개념도,
도 3은 본 발명에 따른 프리페칭 명명 체계 일례,
도 4는 본 발명에 따른 ICN 지원 5G 시스템의 전체 구조도,
도 5는 본 발명에 따른 BS에 대한 ICN의 응용 계층 구조를 나타낸 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다.

본 발명에서는 5G 네트워크에서 정보 중심 네트워킹 기반의 엣지 컴퓨팅 활성화를 위하여, BS(Base Station ; 기지국)에서 D2D(Device to Device) 또는 ICN 응용 계층을 지원하는 ICN-capable RAN(Radio Access Network) 구조를 제안한다. 또한, 종래 정적인 컨텐츠에만 유용하였던 ICN과 엣지 캐싱 방법을 동적인 컨텐츠에 적용하기 위해, ICN Naming 기법에 기반한 컨텐츠 프리페칭 스키마(Contents prefetching schema)를 제안한다.

본 발명에 적용되는 컨텐츠 프리페칭 전략은 컨텐츠 요청 메시지의 빈도수를 바탕으로 Provider에 컨텐츠를 미리 요청함으로써 동적인 컨텐츠 문제를 해결하고, 이를 통해 코어 네트워크에 대한 접속을 최소화하게 된다. 또한, 캐시 집중현상이 로컬로 발생하며 대부분의 컨텐츠가 5G RAN으로 접근하면서 네트워크의 전체 대기 시간을 줄일 수 있도록 한다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 정보 중심 네트워킹 기반의 엣지 컴퓨팅 활성화 과정 나타낸 개념도로서, 최종 소비자인 모바일 사용자(Mobile User)(100)가 컨텐츠를 요청하는 메시지를 보내는 경우 처리되는 과정을 나타내고 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에서는 이름 기반의 D2D 통신과 동적 컨텐츠에 대한 이름 기반 프리페칭 메커니즘(named-based prefetching mechanism) 총 두 가지 절차를 통하여 메시지에 대한 응답이 이루어지게 된다. 본 발명에서는 ICN과 엣지 컴퓨팅으로 5G 네트워크를 활성화하고 코어 네트워크(500)에 접근하기 위해, 먼저 장치 수준(Device level)에서 ICN을 로컬로 활성화하고 기기가 서로 통신할 수 있도록 한다. 다음으로, BS(Base Station)(300)의 응용 계층에서 ICN 통신이 가능하도록 설정하고, PIT, CS, FIB와 같은 ICN의 주요 데이터 구조를 구축한다. 더불어 5G 네트워크 동적 컨텐츠를 처리하기 위해 계층형 이름 기반 컨텐츠 프리페칭 전략(Hierarchical name-based content prefetching Strategy)을 실시한다.

이를 보다 자세히 설명하면, 도 1에서와 같이 컨텐츠를 찾는 모바일 사용자(100)는 컨텐츠를 요청하는 메시지인 Interest 패킷을 Local D2D communication에 속한 근처의 모바일 장치(200)로 송신한다. 이 Interest 패킷을 수신하는 D2D 로컬 모바일 장치(200)는 자신이 보유한 캐시 메모리에서 요청된 컨텐츠가 있는지를 검색한다. 컨텐츠를 발견하면 요청을 보낸 모바일 사용자(100)에게 해당 컨텐츠를 전송하고, 캐시 메모리에서 컨텐츠를 발견하지 못하면 Local D2D communication에 속한 다른 모바일 장치(200)에 컨텐츠 요청 정보를 브로드캐스팅(Broadcasting) 하게 된다. 만약, Local D2D communication에 속한 다른 로컬 모바일 장치(200)에서 해당 컨텐츠를 발견하게 되면, 해당 컨텐츠는 컨텐츠를 요청한 모바일 사용자(100)에게 전송된다. 반면, 모든 로컬 모바일 장치(200)에서 컨텐츠를 발견하지 못하게 되면 컨텐츠 요청 정보는 BS(300)로 전달된다.

본 발명에서는 ICN 기반의 엣지 시스템 목적을 달성하기 위해 BS(300)에서 응용 계층을 구현하였다. BS(300)가 Interest 패킷을 통해 컨텐츠 요청을 받게 되면, 보유하고 있는 컨텐츠 저장소(Contents Store, CS)에서 컨텐츠를 검색한다. 만약 해당 컨텐츠를 발견하게 되면 컨텐츠는 모바일 사용자(100)에게 전송된다. 하지만 컨텐츠를 발견하지 못하게 되면 BS(300)는 해당 Interest 패킷을 BS(300)와 코어 네트워크(500) 사이에 자리하고 있는 ICN 라우터(ICN enabled Content Routers)(400)로 전달한다.

ICN 라우터(400)가 Interest 패킷을 수신하면, 자신의 캐시 메모리에서 해당 컨텐츠를 확인한다. 만약 컨텐츠가 발견되면 BS(300)로 해당 컨텐츠를 전송한다. 만약 발견하지 못하면 컨텐츠 요청은 코어 네트워크(Core Network)(500)를 통해 Provider(600)로 전송된다. Provider(600)는 컨텐츠를 제공하는 환경을 총칭하는데, 이 Provider(600)로는 컨텐츠를 보관하는 있는 기존 서버(Origin server)나 인터넷을 통해 컨텐츠를 제공하는 클라우드(Cloud) 등이 될 수 있다. 이러한 Provider(600)는 해당 컨텐츠를 찾아 ICN 라우터(400)로 전송한다. 상기 과정을 통해 컨텐츠를 검색하는 지연시간을 줄이고, 코어 네트워크(500)에 접근하는 빈도수를 줄여 모바일 사용자(100)의 Quality of Experience(QoE)를 향상시킬 수 있게 된다.

한편, 동적인 컨텐츠는 시간에 따라 변화하며 동적인 컨텐츠에 대한 요청은 코어 네트워크(500)를 통해 원래의 서버로 전달되어야 한다. 이에 따라 본 발명에서는 BS(300)와 코어 네트워크(500)에 연결되어 있는 RAN Contents Router(RCR)로 알려져 있는 ICN 라우터(400)에서 이름 기반의 컨텐츠 프리페칭 전략(name-based content prefetching strategy)이 가능하도록 하였다. BS(300)는 모바일 사용자(100)의 요청 횟수를 계속 추적하면서 요청 빈도수를 결정하고, 일정한 빈도수 임계값을 유지한다. 특정 컨텐츠에 대해 요청 횟수가 이 임계값을 초과하게 되면, 도 1의 BS(300) 다음에 표시된 것처럼 Provider(600)에 프리페칭 요청을 보내서 최신 컨텐츠를 미리 다운로드 한다. 이와 같이 본 발명에서는 기존 서버에서 동시에 프리페칭하고 BS(300)에서 캐싱하므로 기존 서버에 요청을 전달하지 않고도 모바일 사용자(100)에게 컨텐츠를 신속하게 제공할 수 있게 된다.

더욱이 5G 네트워크에서는 그 지역의 경향에 따라 여러 개의 BS(300)가 존재할 수 있다. 따라서 본 발명에서는 모든 BS(300)로부터의 트래픽이 ICN 라우터(400)와 코어 네트워크(500)를 통해 서버로 이동함으로써, 코어 네트워크(500)에 직접 연결되는 RCR의 코어 네트워크(500) 전에 컨텐츠를 프리페칭하기 위한 전략을 구현하였다. RCR은 모든 BS(300)의 요청을 추적하고 컨텐츠의 활용 빈도수를 점검한다. 하지만 RCR은 많은 BS(300)로부터 요청을 수신하는 것과 같이 더 많은 트래픽을 수신하기 때문에 RCR의 임계값은 BS(300)보다 높게 측정되었다. 특정 컨텐츠에 대한 요청이 RCR의 임계값을 초과하게 되면, 도 1의 코어 네트워크(500) 앞에 표시된 것처럼 프리페칭 요청이 Provider(600)로 전송되어 컨텐츠를 미리 다운로드한다. 이러한 프리페칭 과정을 통해 최신 컨텐츠가 RCR에서 사전에 설정된다. 이러한 메커니즘은 코어 네트워크(500)에 대한 접근의 필요성을 감소시키고, 결국 5G 네트워크의 지연 시간을 감소시킬 수 있다.

이하에서는 이러한 D2D 통신과 계층적 이름 기반 컨텐츠 프리페칭 전략(name-based content prefetching strategy)에 대하여 상세히 설명하기로 한다. 먼저, D2D 통신에서 한계점과 가정에 대해 각각 설명한 후, 동적 컨텐츠에 대한 이름 기반 프리페칭 메커니즘에 대해 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 D2D 통신 설정 과정을 나타낸 개념도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에서 D2D 통신 기능은 근처의 두 장치가 서로 통신할 수 있도록 ad-hoc 방식을 취하고 있다. 그러나 셀룰러 네트워크에서 D2D 통신은 다음과 같은 몇 가지 기술적인 문제를 갖고 있다.

첫 번째는 셀룰러 통신 기기가 허가된 대역폭에서 BS(300)를 통해 서로 통신할 때, Ad-hoc D2D 통신은 해당 기기가 로컬 연결에 어떻게 청구될지 고려해야 하는 점이다. 초기의 4세대 셀룰러 네트워크에서는 통신이 BS(300)를 통해서만 이루어질 수 있기 때문에 D2D 통신 기능은 고려할 대상이 아니었다. 따라서 본 발명에서는 장치(Device)가 다른 장치의 릴레이 역할을 하는 경우 데이터를 어떻게 보호할 수 있으며, 데이터 개인정보를 보장할 수 있는 방안에 대해서 초점을 맞췄다. 또한, BS(300)가 관여하지 않는 경우엔 연결 설정, 간섭 관리, 자원 할당을 어떻게 수행할지에 대해서도 고려하였다. 이와 같이 기존의 제한사항들은 아래에 후술하기로 한다.

본 발명에서는 5G 네트워크에서 ICN 기반의 D2D 통신 목표를 실현하기 위해 다음과 같은 가정을 세웠다.

가설 : 현재까지 셀룰러 네트워크에서 모바일 기기는 허가된 대역폭 내에서만 작동한다. 첫 번째 가정은 로컬 환경에서 ad-hoc 무선 네트워크를 통한 D2D 통신과 관련된 가정이다. 모든 장치가 인증되기 때문에 다른 장치로 데이터를 전달할 때 프라이버시 문제가 발생하지 않는다. 또한, 이 D2D 통신과 관련된 장치가 데이터를 전달하는 동안 배터리 및 데이터가 통과할 때 대역폭 사용량을 충전하지 않는다고 가정한다. 통신 환경은 전적으로 다른 장치에서 자원을 자유롭게 사용할 수 있게 하는 익숙한 장치에 기반을 두고 있다. 이와 같은 가정은 제안한 구조의 D2D 통신 요소를 뒷받침한다.

모바일 장치/사용자에게 컨텐츠가 필요한 경우, 절차는 다음과 같이 진행된다.

Step 1 : 모바일 사용자(100)가 가장 가까운 모바일 장치(200)로 컨텐츠 요청 메시지(Interest 패킷)를 전송한다.

Step 2 : 컨텐츠 요청을 수신할 때, 가장 가까운 모바일 장치(200)는 평소 ICN 방식에 따라 컨텐츠를 반환한다. 요청된 내용을 발견하면 요청이 충족되고 데이터가 요청된 장치로 전송된다.

Step 3 : 컨텐츠를 D2D 로컬 모바일 장치(200)에서 찾을 수 없는 경우, Consumer 노드(모바일 장치)는 요청을 BS(300)에 있는 MEC 서버로 전송하며, MEC 서버는 1 hop 거리에 있다.

Step 4 : 이 단계에서 Consumer는 BS(300)와 통신을 시작한다.

Consumer가 BS(300)와 통신을 시작하고, BS(300)는 요청이 도착하면 계층적 명명 방식(Hierarchical naming scheme)을 사용하여 컨텐츠 가용성을 점검한다. 단, 엣지 노드인 BS(300)는 실제 장치이기 때문에 ICN 메커니즘이 원활하게 작동하지 않을 것이며, ICN naming 방식을 통해 엣지 노드의 컨텐츠를 확인할 수 없게 된다.

본 발명의 아키텍처는 ICN 기반이기 때문에 BS(300)에서 ICN을 구현하고, ICN naming 체계를 통해 실제 장치의 컨텐츠를 확인하기 위해 엣지 노드의 응용 계층에 ICN 데이터 구조를 구현하였다. 응용 계층에서 ICN을 사용하는 이유는 엣지에서 ICN을 실현하여 엣지 노드에서 매커니즘을 따를 수 있도록 하기 위함이다.

이하에서는 동적인 컨텐츠에 대한 이름 기반 프리페칭 전략(Name-based prefetching strategy)에 대하여 설명하기로 한다.

1) 컨텐츠 프리페칭 (Contents prefetching)

본 발명에서 제안한 컨텐츠 프리페칭 전략은 ICN의 계층적 명명체계(Hierarchical naming scheme)에 기초하고 있으며, 본 발명에서 언급한 동적 컨텐츠의 특정 사례를 넘어 많은 유스케이스(use-case) 사례에 적용될 수 있다. 가령, 동적인 컨텐츠는 트위터 유튜브에서 사용될 수 있다.

본 발명에서는 유스케이스(use-case) 시나리오를 설명하기 위해, 국제 스포츠 네트워크인 ESPN(Entertainment and Sports Programming Network)를 선택하며 설명하기로 한다. 실시간 게임에서 팀 점수는 기존 서버에서 동적으로 업데이트된다. 점수에 대한 모든 요청 메시지는 이 서버로 전달된다. 본 발명에서는 축구, 크리켓, 야구 총 세 가지의 게임에서 실점하는 문제 상황을 고려한다. 사물인터넷 장치들이 클라우드에 연결되어 관련된 컨텐츠를 송수신하는 스마트 캠퍼스 시나리오에도 유사한 문제가 적용된다. 기존 MEC(Multiple-access edge computing, 다중접속 엣지 컴퓨팅) 시스템에서 사용자가 점수를 요청할 때 요청 메시지는 매번 엣지 서버와 코어 네트워크(500)를 통해 기존 서버로 전달되며, 전 세계의 수백만 명 사용자가 동일하게 실시간 점수를 요청할 수 있기 때문에 대기 시간과 오버헤드가 높은 문제가 존재한다. 또한, 모바일 사용자(100)의 경우 MEC 서버에서 검색할 수 있는 정적인 컨텐츠를 요청할 수 있다. 이 같은 경우엔 각 모바일 사용자(100)의 요청 메시지들은 BS(300)까지 도달해야 한다. 기기의 캐싱 기능을 통해 이와 같은 정적인 컨텐츠를 근처 장치에서 검색할 수 있었다. 마지막으로, 동적인 컨텐츠는 프리페칭 전략에 따라 코어 네트워크(500)에 대한 접근을 요청하는 것을 미리 제한하도록 설정할 수 있다.

이하에서는 먼저 naming scheme에 대해 설명한 후 컨텐츠 프리페칭 전략을 설명한다.

1-1) 프리페칭 명명 체계 (Prefetching Naming Scheme)

도 3은 본 발명에서 제안하는 프리페칭 명명 체계 일례를 나타낸 것이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 프리페칭 명명 체계는 여러 가지 요소로 구성되는데, 첫 번째 요소는 ESPN 서버라는 고유한 Provider 이름(Unique Provider Name)을 보여준다. 하위 요소는 Provider(600)에게 요청해야 할 컨텐츠의 이름으로, 첫 번째 서브 요소는 축구, 야구, 크리켓과 같이 게임의 유형(Game Type)이다. 두 번째 하위 구성요소는 실시간 점수, 라이브 스트리밍과 같은 데이터의 특성(Nature of Game)이다. 세 번째 하위 구성요소는 팀(파키스탄, 한국)(Teams)을 보여준다. 최종적인 하위 구성요소는 Interest 패킷이 전송된 시간과 시간대(time zone)를 보여준다. 이 명명 체계는 유연하며 사용자의 요구사항에 따라 변경될 수 있다.

예를 들어, 스마트 빌딩에서는 일반적으로 노드를 각각 배치하여 온도, 압력, 습도 및 공기 품질과 같은 다양한 매개 변수를 제어한다. Provider(600)의 이름은 IoT를 사용하는 스마트 캠퍼스일 수 있으며, 홍익대학교 D동 빌딩의 실내 온도를 보여주는 Hongik/building/Room425/Temperature/GMT와 같이 하위 요소일 수 있다. 이 시스템은 또한 전등을 켜기, 에어컨 켜고 끄기와 같은 단순한 작업을 수행하는 데에도 사용될 수 있다.

다음으로 동적 컨텐츠에 대해 제안한 이름 기반 프리페칭 메커니즘(name-based prefetching mechanism)이 어떻게 작동하는지 설명한다.

1-2) 컨텐츠 프리페칭 전략 (Content Prefetching Strategy)

도 4는 본 발명에서 제안하는 모바일 장치(200), MEC 서버, ICN 라우터(400), 코어 네트워크(500) 및 Provider(600)를 포함하는 ICN 지원 5G 시스템의 전체 구조도를 나타낸 것이다. 여기서, MEC 서버는 BS(300)의 Edge 단에서 컨텐츠를 처리하는 서버로 분산 Edge Computing을 구현하며, Provider(600)는 인터넷(Internet)을 통하여 컨텐츠를 제공하는 Cloud인 경우를 나타내고 있다.

도 4의 왼쪽은 위에서 설명한 대로 D2D 통신 설정을 보여준다. 모바일 장치(200)는 MEC 서버에 요청을 보낼 때 컨텐츠의 가용성을 확인한다. 컨텐츠가 발견되면 컨텐츠를 요청한 모바일 사용자(100)에게 전송된다. 그러나 동적 컨텐츠에 대한 요청은 코어 네트워크(500)를 통해 Provider(600)인 클라우드로 도달해야 한다. 그러므로 본 발명에서는 코어 네트워크(500)의 접속을 제한하기 위한 컨텐츠 프리페칭 전략을 제안한다. 컨텐츠의 사용 빈도수 만큼 순위를 매기고 서버에서 해당 컨텐츠를 동시에 다운로드하기 위해, BS(300)와 코어 네트워크(500)에 연결되는 RCR 노드인 ICN 라우터(400)에서 컨텐츠 프리페칭 전략을 적용한다. 2개 장소에서 프리페칭을 하는 이유와 각 전략의 세부사항을 다음과 같다.

1-3) BS에서 프리페칭 전략 (Prefetching Strategy at the BS)

먼저, 가장 사용 빈도수가 높은 컨텐츠를 얻기 위해서 본 발명은 BS(300)에서 컨텐츠 프리페칭 전략을 가능하게 한다. 이를 위해 모든 요청의 빈도수를 계산하는 엣지 노드의 표를 이용해서 모바일 사용자(100)로부터 BS(300)로 가는 요청의 수를 추적하였다. 또한, 각 BS(300)에서의 컨텐츠 인기에 기반한 한계점을 유지했다. 예를 들어, 크리켓 관련 컨텐츠에 대한 요청이 특정 임계값을 초과하거나 같을 경우 컨텐츠는 인기 컨텐츠로 분류된다. 본 발명에서 제안된 전략에서 각 BS(300)에서 특정 요청에 대한 1000개의 요청 임계값을 가정했다. 이 임계값은 사용 사례 요건에 따라 변경될 수 있으며 최적화된 값을 사용할 수도 있다.

모바일 사용자(100)로부터 Interest 패킷을 받은 후 BS(300)는 요청 빈도수를 확인한다. 모바일 사용자(100)가 주파수가 임계값과 같거나 초과하는 컨텐츠를 요청하면, BS(300)는 컨텐츠의 이름과 그리니치 표준시(GMT)를 포함한 요청을 전송한다. 예를 들어, 엣지 노드의 GMT가 13:20:48일 경우 최신 컨텐츠 다운로드 요청은 그 시간 이후에 기존 서버(Origin server)로 전송된다. 컨텐츠가 BS(300)에 도착하면 BS(300)의 컨텐츠 저장소(CS)는 가용할 수 있는 공간을 확인한다. 사용 가능한 공간이 충분히 있는 경우 향후 요청에 대한 응답을 하기 위해 컨텐츠를 저장하고, 공간이 충분하지 않을 경우 요청되지 않은 컨텐츠는 CS에서 제거된다.

예를 들어, 월드컵 기간 동안 전세계 사용자들로부터 축구 점수를 요청하는 빈도는 상당히 높다. 엣지 노드는 최신 컨텐츠에 대한 요청을 서버에 전송하여 기존 서버(Origin server)에서 필요한 컨텐츠를 일정 시간 이후에 전달하기 위해 사용하는 타이밍 정보와 함께 기존 서버에서 모든 최신 컨텐츠를 미리 다운로드하기 시작한다. 이러한 모든 컨텐츠는 모바일 사용자(100)를 통해 모바일 사용자(100)에게 전달되고 경로를 따라 캐싱되므로 코어 네트워크(500)에 접근할 필요성이 감소하게 되며, 궁극적으로 기존 서버의 지연시간과 트래픽이 감소하여 RAN에서 캐시 적중률이 더 높아지게 된다.

그러나 5G 네트워크에선 여러 개의 BS(300)를 가질 수 있다. 도 4와 같이 MEC 서버는 ICN 라우터(400)를 통해 코어 네트워크(500)와 연결되어 있어, 모든 BS(300)로부터의 요청이 코어 네트워크(500)에 연결된 ICN 라우터(400)를 통과할 수 있다. 각 BS(300)는 사용자 요청 기록을 보관하므로 다른 BS(300)에서의 요청 경향은 다를 수 있다. 이와 같은 경우 ICN 라우터(400)인 RCR 노드는 누적된 인기 컨텐츠를 확인하고 기존 서버에서 미리 가져올 컨텐츠를 결정한다.

다음으로 다양한 BS(300)에서 RCR 노드 및 트래픽 추세를 설명하는 간단한 시나리오에 대해 언급하기로 한다.

1-4) RAN 컨텐츠 라우터에서의 프리페칭 전략 (Prefetching strategy at RAN content router(RCR))

코어 네트워크(500)와 BS(300) 사이에 배치된 ICN 라우터(400)에 데이터를 전송하는 세 개의 BS(300)을 가정해보기로 한다. 코어 네트워크(500)에 직접 연결된 ICN 라우터(400)의 경우 최종 사용자의 사용 빈도가 세 BS(300)에서 다르다고 가정한다. 예를 들어, BS-1에서 요청 주파수는 크리켓 점수 1000점, 축구 500점, 야구 700점이다. 만약 우리가 BS 임계값이 1000이라고 가정한다면, 그 임계값보다 크거나 같은 요청은 인기 컨텐츠로 나타날 것이다. BS-1은 해당 GMT 시간과 함께 인기 컨텐츠(이번 예에선 크리켓)에 대한 프리페칭 요청을 기존 서버로 전송한다.

BS-2의 추세에 따라 요청이 다르게 도착한다고 가정한다(예를 들면, 축구 1000명, 크리켓 800명, 야구 600명). BS-2는 축구 요청에 대한 최신 컨텐츠를 미리 준비해서 컨텐츠 저장소(CS)에 저장한다( 컨텐츠 저장소의 사용 가능한 공간의 용량에 따라 다르다). BS-3에서는 다시 트렌드가 달라진다(예를 들면, 야구 1000, 크리켓 400, 축구 900). 이는 BS-3이 기존 서버에서 최신 야구 컨텐츠를 미리 입수한다는 것을 의미한다. 이와 같은 모든 요청이 ICN 라우터(400)인 RCR 노드를 통과할 때 RCR 노드는 다른 BS(300)로부터 요청을 수신하고 있기 때문에 컨텐츠의 인기도를 확인할 수 있다. 또한, RCR 노드는 여러 BS 서버에 각각 다른 트렌드로 연결될 수 있기 때문에 RCR 노드의 임계값은 BS(300)의 임계값과 다르다.

도 4에서는 여러 개의 MEC 서버가 배치되어 있는 상세한 구조를 보여주며, 모두 모바일 사용자(100)로부터 요청을 받는 것을 나타내고 있다. 그 다음 MEC 서버는 이와 같은 요청을 코어 네트워크(500)와 BS(300) 사이에 배치된 ICN 라우터(400)에 전달한다. 모든 MEC 서버의 트래픽이 RCR 노드를 통과함에 따라 RCR 노드의 트래픽 양은 BS(300)보다 훨씬 높을 것이다. 따라서 RCR 노드는 모든 BS(300)에서 요청된 모든 요청 메시지의 빈도 수를 확인하고 CS에서 저장소에 대한 최신 인기 컨텐츠를 미리 준비한다.

여기서 최근에 사용한 LRU(Least recently used)가 대체 정책으로 채택되었지만, 최소 사용 빈도 LFU(Least frequency used)와 같은 다른 대체 정책도 채택될 수 있다. 위의 예에서 점수를 기준으로 RCR 노드는 크리켓에 2200개 야구 2300개 축구 2400개의 요청을 수신하게 된다.

RCR 노드(BS의 임계값보다 높음)에서 임계값이 2000이라고 가정한다면, 가장 빈번한 요청(이번 경우 축구에 대한 요청)이 기존 서버로 미리 설정될 것이다. 이는 코어 네트워크(500)에 대한 접근이 최소화될 수 있으며 RCR 노드와 BS(300)에서 컨텐츠가 미리 채워진다는 것을 의미한다. 코어 네트워크(500)에 대한 접근을 제한함으로써 대기시간을 최소화하고 동적 컨텐츠를 모바일 사용자(100)에게 더 가깝게 지원할 수 있게 된다.

이하에서는 BS(300)에 대한 ICN 응용 계층 구현에 대하여 설명하기로 한다.

2) BS에 대한 ICN 응용 계층 구축 (Application layer ICN implementation for BS)

도 5는 본 발명에 따른 BS에 대한 ICN의 응용 계층 구조를 나타낸 것으로, 본 발명에서 제안한 BS(300)에 대한 ICN 응용 계층 구조는 API 계층, CS 구현 계층, PIT Entries 계층, Forwarder 계층 및 Data Access 계층과 같이 여러 하위 계층을 포함하는 응용 계층 ICN 구현으로 구성된다. 모든 하위 계층의 구현 세부사항은 다음과 같다.

2-1) API 계층 (API layer)

BS(300) 장치에서 API(Application Programming Interface) 계층을 제공하고 있으며, 이 API 계층은 모바일 사용자(100)의 요청 처리와 ICN의 기본 데이터 구조를 구현하는 두가지 주요 역할이 있다. 모바일 사용자(100)의 모든 요청(예 : ndnSIM으로부터)은 API 형태로 제공되며, Web API의 RequestHandler Controller에 도달한다. 이와 같은 요청은 먼저 요청 처리 작업 내에서 ICN Interest 포맷으로 변환된 후, ICN Implementation 클래스로 전달된다. ICN Implementation은 ICN의 기본 알고리즘을 구현하는 API 계층 내부의 별도 클래스다. ICN Implementation 클래스는 ICN의 메커니즘을 기반으로 Intereset를 처리한 다음 데이터를 RequestHandler/RequestProcessing Action에 반환하고 그 결과를 모바일 사용자(100)에게 전달한다.

2-2) CS 구현 계층 (CS implementation layer)

CS 구현 계층은 CS 데이터 확인, CS(SQL 데이터베이스)에서 이용 가능한 모든 컨텐츠의 이름을 나열, CS에 새로운 컨텐츠 추가, CS에 컨텐츠 삭제 등 필요한 모든 C# 방법들을 제공하는 역할을 수행한다. 이와 같은 모든 방법들은 SQL 기반의 스토리지와 통신하기 위해 데이터 액세스 계층(DAL ; Data Access Layer)을 호출하는 CSImplementation 클래스에 작성된다.

2-3) PIT Entries 계층 (PIT entries layer)

PIT Entries 계층은 테이블에 새 PIT(Pending Interest Table) 추가, 이벤트 기반의 타이머 설정, PIT 입력과 타이머 연결, 타이머 만료 후 PIT 입력 제거, 데이터 패킷 수신 후 PIT 입력 제거 및 모든 PIT 항목 검색과 같은 필요한 모든 기능을 제공하는 역할을 수행한다. 본 발명에선 C# 목록의 형태로 PIT 항목을 저장하기 위해 캐시를 사용했다.

2-4) Forwarder 계층 (Forwarder layer)

Forwarder 계층의 책임은 특정 이름에 대해서 다음에 전달할 노드의 정보를 제공하는 것이다. 이 계층은 JSON 컬렉션에서 새로운 Forwarder 항목 추가, Interest 이름으로 Forwarder 항목 검색, 항목 제거, 기존 항목 업데이트 및 수정 등 다양한 C# 방법을 가진 Forwarder 클래스로 구현했다. Forwarder 항목 저장을 위해 JSON 파일을 스토리지 시스템으로 JSON 파일 저장소와 응용 프로그램 간에 통신을 위해 LINQ-To JSON C# 라이브러리를 사용했다.

2-5) 데이터 접근 계층 (DAL ; Data access layer)

DAL은 데이터를 관리하는 계층이다. 일반적으로 SQL, MySQL, Oracle MongoDB, JSON 파일 등과 같은 데이터베이스를 사용한다. 구현 시 Forwarder 정보 저장을 위해 JSON File을 사용하고 컨텐츠 저장소(CS)로 SQL 데이터베이스를 사용하였다. DAL의 코드 모듈은 SQL 데이터베이스와 통신이 필요한 경우 또는 JSON 파일과 통신할 때 트리거 된다. 이 두 가지 경우 모두 각각의 계층 (CSImplementation 또는 Forwarder)에서 유래되었다. SQL 데이터베이스와 통신하기 위해 Microsoft Entity 프레임워크를 사용했다. Entity 프레임워크는 관련된 라이브러리를 제공하고 데이터베이스에서 관련 쿼리를 실행하여 해당 어플리케이션에 대한 결과를 생성한다. 본 발명에서는 Database First 접근법을 사용했다. 또한, JSON 파일 통신을 위해 LINQ-JSON 라이브러리를 사용했으며 SQL 데이터베이스와 JSON파일을 위한 별도의 데이터 접근 클래스를 만들기 위해 Repository pattern(저장소 패턴)을 사용했다.

이와 같이, 본 발명에서는 BS(300)에서 D2D 또는 ICN 응용 계층을 지원하며, ICN Naming 기법에 기반한 컨텐츠 프리페칭 스키마를 제공함으로써, ICN과 엣지 캐싱 방법을 동적인 컨텐츠에 적용하여 5G 네트워크에서 정보 중심 네트워킹 기반의 엣지 컴퓨팅 활성화를 수행할 수 있게 된다.

이러한 본 발명은 상술한 실시 예에 한정되는 것은 아니며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 갖는 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구 범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다.

100 : 모바일 사용자 (Mobile User)
200 : D2D 로컬 모바일 장치) (Mobile Device)
300 : BS (Base Station)
400 : ICN 라우터 (ICN enabled Content Routers)
500 : 코어 네트워크 (Core Network)
600 : Provider

Claims (9)

1. 5G 네트워크에서 모바일 사용자(Mobile User)(100)가 컨텐츠를 요청하는 Interest 패킷을 로컬 D2D(device to Device) 통신을 수행하는 모바일 장치(200)로 전송하는 단계(a)와; Interest 패킷을 수신한 로컬 모바일 장치(200)에서 해당 컨텐츠를 발견하면 컨텐츠를 요청한 모바일 사용자(100)에게 반환하고, 발견하지 못하면 엣지 컴퓨팅을 수행하는 BS(Base Station)(300)로 Interest 패킷을 전달하는 단계(b)와; BS(300)에서 보유하고 있는 CS(Contents Store)를 검색하여 해당 컨텐츠를 발견하면 모바일 사용자(100)에게 전송하고, 발견하지 못하면 ICN 라우터(400)에 Interest 패킷을 전달하는 단계(c)와; ICN 라우터(400)에서 캐시 메모리를 검색하여 해당 컨텐츠를 발견하면 BS(300)로 전송하고, 발견하지 못하면 코어 네트워크(Core Network)(500)를 통해 Provider(600)에 요청하여 제공받는 단계(d);를 포함하는 정보 중심 네트워킹 기반의 엣지 컴퓨팅 활성화 방법으로서,
   상기 BS(300)는 모바일 사용자(100)의 동적인 컨텐츠 요청 횟수에 따른 요청 빈도수를 추적하고, 특정 컨텐츠에 대한 요청 횟수가 설정된 빈도수 임계값을 초과하는 경우, ICN 라우터(400)를 통해 Provider(600)에 해당 컨텐츠의 프리페칭(prefetching)을 요청하여 해당 컨텐츠를 전달받아 CS에 저장한 후, 모바일 사용자(100)로부터 해당 컨텐츠에 대한 요청이 오는 경우 이를 제공하고,
   상기 ICN 라우터(400)는 복수의 BS(300)로부터 동적인 컨텐츠 요청 횟수에 따른 컨텐츠 활용 빈도수를 추적하고, 특정 컨텐츠에 대한 요청 횟수가 설정된 빈도수 임계값을 초과하는 경우, 코어 네트워크(500)를 통해 Provider(600)에 해당 컨텐츠의 프리페칭(prefetching)을 요청하여 해당 컨텐츠를 전달받아 메모리에 저장한 후, BS(300)로부터 해당 컨텐츠에 대한 요청이 오는 경우 이를 제공하되,
   상기 ICN 라우터(400)에 설정된 빈도수 임계값은 BS(300)에 설정된 빈도수 임계값 보다 높게 설정되는 것을 특징으로 하는 정보 중심 네트워킹 기반의 엣지 컴퓨팅 활성화 방법.
   
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서,
   상기 BS(300)는 ICN 라우터(400)를 통해 동적인 컨텐츠를 요청할 때 요청하는 컨텐츠 이름과 함께 요청 시간을 나타내는 그리니치 표준시(GMT) 정보를 전송하며,
   Provider(600)로부터 요청한 컨텐츠가 수신되면 CS의 가용 공간에 따라 컨텐츠를 저장 또는 폐기하는 것을 특징으로 하는 정보 중심 네트워킹 기반의 엣지 컴퓨팅 활성화 방법.
   
4. 삭제
5. 제 1항에 있어서,
   상기 ICN 라우터(400)는 요청 컨텐츠 중 가장 최근에 사용한(LRU ; Least recently used) 컨텐츠를 Provider(600)로부터 제공받아 메모리에 저장하는 것을 특징으로 하는 정보 중심 네트워킹 기반의 엣지 컴퓨팅 활성화 방법.
   
6. 삭제
7. 제 1항에 있어서,
   상기 D2D 통신을 수행하는 모바일 장치(200)는 다른 모바일 장치와 ICN 기반으로 ad-hoc 방식의 통신을 수행하여, 모바일 사용자(100)로부터 전송되는 컨텐츠 요청 정보를 브로드캐스팅(Broadcasting) 하여 전달하는 것을 특징으로 하는 정보 중심 네트워킹 기반의 엣지 컴퓨팅 활성화 방법.
   
8. 제 1항에 있어서,
   상기 BS(300)는 ICN naming 체계를 통해 컨텐츠를 확인할 수 있도록 ICN 응용 계층을 구축하여, 모바일 장치(200)로부터 컨텐츠 요청이 수신되면 계층적 명명 방식(Hierarchical naming scheme)을 사용하여 컨텐츠 가용성을 점검하도록 하는 것을 특징으로 하는 정보 중심 네트워킹 기반의 엣지 컴퓨팅 활성화 방법.
   
9. 제 7항에 있어서,
   상기 BS(300)의 ICN 응응 계층은
   모바일 사용자(100)로부터 컨텐츠를 요청받아 처리하는 API 계층(API layer)과,
   CS에 컨텐츠를 등록하고 관리하는 CS 구현 계층(CS implementation layer)과,
   테이블에 PIT(Pending Interest Table)를 추가, 이벤트 기반 타이머 설정, PIT 입력과 타이머 연결, PIT 제거, PIT 항목 검색을 수행하는 PIT Entriries 계층(PIT entries layer)과,
   특정 이름에 대해 다음에 전달한 노드(Forwarder)의 정보를 제공하는 Forwarder 계층(Forwarder layer)과,
   Forwarder 정보 저장 및 CS 저장되는 데이터를 관리하는 데이터 접근 계층(Data access layer)을 포함하는 것을 특징으로 하는 정보 중심 네트워킹 기반의 엣지 컴퓨팅 활성화 방법.

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