[논문]사물인터넷지원 스마트게이트웨이의 VPN 터널링 실시간 속도제어 방법

양승의; 강인식; 고병오; 정회경

doi:10.6109/jkiice.2017.21.6.1121

사물인터넷지원 스마트게이트웨이의 VPN 터널링 실시간 속도제어 방법
A Realtime Traffic Shaping Method for VPN Tunneling on Smart Gateway Supporting IoT 원문보기

한국정보통신학회논문지 = Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, v.21 no.6, 2017년, pp.1121 - 1126

양승의 (Department of Computer Engineering, Paichai University) , 강인식 (Korea University of Media Arts) , 고병오 (Department of Computer Education, Gongju National University of Education) , 정회경 (Department of Computer Engineering, Paichai University)

초록
AI-Helper

최근 스마트 게이트웨이의 중요성이 커지고 있다. 유무선 공유기와 라우터 같은 네트워크 기능이 복합 내재되어 있다. 사물인터넷 시장이 확대되면서 네트워크 안정성과 보안문제가 발생했고 이러한 보안 문제를 해결할 방법 중 하나로 VPN 기술이 제시 되었다. 회선품질이 나쁜 SOHO 환경에서 VPN 구현을 위해서는 효율적인 설계가 필요하다. 본 논문에서는 OpenWRT기반으로 개발한 사물인터넷 지원 스마트 게이트웨이에서 VPN 터널링의 구현방법과 인터넷 회선 상황에 따른 실시간 트래픽 쉐이핑 방법에 대해 개념 및 원리를 제시하며 이에 대한 구현 및 측정한 성능지표를 제시한다.

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, the importance of smart gateways that link these with the big data and the development of the Internet of things is getting bigger. The smart gateway includes a network function such as a router and a router, and a sensor network function that links various objects such as a sensor. As the internet market has expanded, network stability and security problems have arisen and VPN technology has been proposed as one of the ways to solve these security problems. Efficient design is needed to implement VPN in low-end smart gateway and SOHO-level Internet environment with poor line quality. In this paper, we propose the concept and principle of VPN tunneling implementation and real - time traffic shaping method according to internet line condition in the Smart Gateway that supports IOT developed based on OpenWRT, the implementation and measured performance indicators are presented.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 OpenWRT기반의 사물인터넷 지원 스마트 게이트웨이를 개발하여 원격지에서 좀 더 안전 하고 편리하게 접근할 수 있도록 하였다. 첫째로, 10종 이상의 다양한 센서 제어 모듈을 구현하여 사물인터넷 구현 사례를 다양화 하였다.
본 논문에서는 센서 제어 모듈의 표준 플랫폼과 이를 연동시킬 수 있는 네트워크 장비인 스마트 게이트웨이의 표준 플랫폼을 각각 아두이노와 OpenWRT를 기반으로 구현하였다. 센서 제어 부분은 유무선 통신지원을 위해서 블루투스, RF433, 지그비, LoRa를 구현하였고, 스마트게이트웨이는 이러한 센서 제어 연동과 네트워크 기술 그리고 원격지에서 안전하게 접근할 수 있도록 VPN 기술을 적용하여 구현하였다.
본 연구는 참고문헌 6의 후속 연구로 VPN터널링에 대한 실시간 트래픽 쉐이핑 알고리즘을 발전시킨 것이다.
이에 대한 성능 비교는 이미 이전 연구에서 제시 되었다[7]. 여기서는 사물인터넷을 지원하는 스마트 게이트웨이에서 어떤 방법으로 실시간에 트래픽 부하를 계산할 것인가와 계산된 식에 의거 어떻게 트래픽 쉐이핑을 적용할 것인가 하는 방안을 제시하고자 한다.
센서 제어 부분은 유무선 통신지원을 위해서 블루투스, RF433, 지그비, LoRa를 구현하였고, 스마트게이트웨이는 이러한 센서 제어 연동과 네트워크 기술 그리고 원격지에서 안전하게 접근할 수 있도록 VPN 기술을 적용하여 구현하였다. 여기에 본 논문에서 강조하는 공유기 수준의 저사양의 타겟에 효율적인 VPN 터널링 기술과 인터넷 회선품질의 변화가 심한 환경에서 실시간에 트래픽을 제어하는 방법을 제시하여 원격지에서 VPN을 통해 안전하게 댁내의 센서 제어가 가능하도록 한다.

제안 방법

openvpn 터널링 디바이스(tap0)의 패킷정보를 일정 시간 (1초 ~ 10초) 간격으로 계산하여 패킷 DROP율을 계산한다.
다중큐잉에서 큐잉 별로 패킷량, DROP량을 계산하여 트래픽 유발 큐잉을 찾아서 해당 트래픽에 대하여 우선순위, 속도를 최적화 할 수 있도록 한다. queue_load=select_queue_load_prio(&sfq, &cbq, &htb);
또한 무선통신 방법도 Bluetooth부터 RF433, Zigbee, LoRa 까지 대부분의 센서 네트워크를 지원하도록 하였다.
실시간 트래픽 쉐이핑은 다음과 같다. 별도의 쓰레드로 동작하며 매(1~10초) 마다 CPU 부하량과 패킷 DROP 그리고 부하가 발생하는 큐를 계산하여 상황에 맞는 트래픽 쉐이핑 알고리즘을 적용한다.
아두이노 기반에 각종 센서모듈을 구현하고 이를 BLE, RF433, Zigbee, LoRa 등의 무선통신으로 연동이 가능하도록 하였다. 센서 제어 모듈은 댁내에 존재할 수 있는 다양한 가전 제품 및 센서 제어를 모의하기 위해서 10여종의 센서 제어 기능을 아두이노 UNO, NANO, MEGA 그리고 라즈베리파이 플랫폼 까지 다양하게 적용하였다. 또한 무선통신 방법도 Bluetooth부터 RF433, Zigbee, LoRa 까지 대부분의 센서 네트워크를 지원하도록 하였다.
본 논문에서는 센서 제어 모듈의 표준 플랫폼과 이를 연동시킬 수 있는 네트워크 장비인 스마트 게이트웨이의 표준 플랫폼을 각각 아두이노와 OpenWRT를 기반으로 구현하였다. 센서 제어 부분은 유무선 통신지원을 위해서 블루투스, RF433, 지그비, LoRa를 구현하였고, 스마트게이트웨이는 이러한 센서 제어 연동과 네트워크 기술 그리고 원격지에서 안전하게 접근할 수 있도록 VPN 기술을 적용하여 구현하였다. 여기에 본 논문에서 강조하는 공유기 수준의 저사양의 타겟에 효율적인 VPN 터널링 기술과 인터넷 회선품질의 변화가 심한 환경에서 실시간에 트래픽을 제어하는 방법을 제시하여 원격지에서 VPN을 통해 안전하게 댁내의 센서 제어가 가능하도록 한다.
아두이노 기반에 각종 센서모듈을 구현하고 이를 BLE, RF433, Zigbee, LoRa 등의 무선통신으로 연동이 가능하도록 하였다. 센서 제어 모듈은 댁내에 존재할 수 있는 다양한 가전 제품 및 센서 제어를 모의하기 위해서 10여종의 센서 제어 기능을 아두이노 UNO, NANO, MEGA 그리고 라즈베리파이 플랫폼 까지 다양하게 적용하였다.
상기 OpenWRT 커널설정에서 다중큐잉 커널설정과 VPN을 위한 터널링 구현이 우선되어야 한다. 여기에 OpenWRT에서 컴파일이 가능한 VPN패키지 중에서 가장 많이 알려진 OpenVPN으로 구현하였다. OpenVPN 은 VPN기술을 지원하는 대표적인 오픈소스 프로그램으로 VPN에 필요한 요소인 암호화, 인증, 네트워킹, 보안 등을 모두 지원하며 새로운 기술 적용이 가능하도록 확장성까지 지원해 준다.
인터넷을 통해 연결된 VPN 터널은 멀티 홉 라우팅 경로 상에 시시각각 빠르게 변화하는 트래픽 상황 때문에 다양한 문제가 발생하고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해서 일차적으로 앞서 제안한 다중큐잉 기술과 더불어 실시간에 트래픽 부하를 계산하여 반영할 수 있도록 한다. 트래픽 부하 계산에는 다음의 요소가 반영 된다.
셋째로는 이를 모두 원격지에서 접근할 수 있도록 VPN지원 스마트게이트웨이 플랫폼을 개발하여 인터넷을 통하여 안전하게 제어가 가능하도록 하였다. 이를 바탕으로 VPN터널링의 실시간 트래픽 쉐이핑 알고리즘을 CPU부하, 패킷 DROP율 그리고 큐 잉 우선순위를 적용하여 구현함으로 해서 저품질의 인터넷상황에서도 안정적이고 원활한 사물인터넷연동을 지원하도록 구현하였다. 이렇게 개발된 시제품은 교육용 장비로 1차 양산을 하였으며 이를 바탕으로 커스터 마이징 튜닝을 통해 향후 다양한 응용 분야의 상용 및 개발 장비로 활용될 수 있도록 할 것이다.
본 논문에서는 OpenWRT기반의 사물인터넷 지원 스마트 게이트웨이를 개발하여 원격지에서 좀 더 안전 하고 편리하게 접근할 수 있도록 하였다. 첫째로, 10종 이상의 다양한 센서 제어 모듈을 구현하여 사물인터넷 구현 사례를 다양화 하였다. 둘째로, 무선 센서 네트워크는 BLE, Zigbee, RF433에서 LoRa까지 지원하여 확장성을 확보하였다.

대상 데이터

스마트 게이트웨이는 앞에서 구현한 센서 제어 모듈을 연동하고 이에 대해 VPN을 통해 원격지에서 접근 가능하도록 하는 네트워크 및 보안 기능을 구현해야 한다. 타겟 하드웨어 플랫폼은 가격대비 성능이 우수한 3 종(MT7621, MT7628AN, QCA9558+9880)을 선택하였고, 여기에 OpenWRT 기반의 최신 소프트웨어 플랫폼을 각 타겟에 포팅하여 기종 간 상호 운용이 가능하도록 하였다.

이론/모형

각각의 방법에 장단점이 있으나 현재는 커널 수정 없이 구현이 가능하며, 이식성 및 확장성이 뛰어난 SSL 방법을 많이 활용하고 있다. 본 논문에서는 이전 논문에서 구현경험이 있는 SSL방법을 적용하였다. 하지만 Chaos Calmer로 업그레이드 되면서 관련 기술도 모두 다시 구현을 하였으며, 성능도 튜닝업 하였다[3,4].
원격지에 있는 서로 다른 네트워크를 가상화하여 VPN으로 연결하는 방법은 라우팅 방법, 브릿지 방법이 있는데 여기서는 모두 구현을 하였다. 따라서 원하는 네트워크 구성 방식으로 구축이 가능하다.

성능/효과

첫째로, 10종 이상의 다양한 센서 제어 모듈을 구현하여 사물인터넷 구현 사례를 다양화 하였다. 둘째로, 무선 센서 네트워크는 BLE, Zigbee, RF433에서 LoRa까지 지원하여 확장성을 확보하였다. 셋째로는 이를 모두 원격지에서 접근할 수 있도록 VPN지원 스마트게이트웨이 플랫폼을 개발하여 인터넷을 통하여 안전하게 제어가 가능하도록 하였다.
둘째로, 무선 센서 네트워크는 BLE, Zigbee, RF433에서 LoRa까지 지원하여 확장성을 확보하였다. 셋째로는 이를 모두 원격지에서 접근할 수 있도록 VPN지원 스마트게이트웨이 플랫폼을 개발하여 인터넷을 통하여 안전하게 제어가 가능하도록 하였다. 이를 바탕으로 VPN터널링의 실시간 트래픽 쉐이핑 알고리즘을 CPU부하, 패킷 DROP율 그리고 큐 잉 우선순위를 적용하여 구현함으로 해서 저품질의 인터넷상황에서도 안정적이고 원활한 사물인터넷연동을 지원하도록 구현하였다.
본 연구의 성능은 2가지로 생각해 볼 수 있다. 우선 정량적인 성능 향상으로 커널 튜닝 및 VPN 터널링 알고리즘 최적화를 통해서 표 1과 같이 동급 H/W에 비교하여 3배 이상의 성능 향상을 확인할 수 있다. 두 번째로는 정성적인 성능 향상이다.

후속연구

이를 바탕으로 VPN터널링의 실시간 트래픽 쉐이핑 알고리즘을 CPU부하, 패킷 DROP율 그리고 큐 잉 우선순위를 적용하여 구현함으로 해서 저품질의 인터넷상황에서도 안정적이고 원활한 사물인터넷연동을 지원하도록 구현하였다. 이렇게 개발된 시제품은 교육용 장비로 1차 양산을 하였으며 이를 바탕으로 커스터 마이징 튜닝을 통해 향후 다양한 응용 분야의 상용 및 개발 장비로 활용될 수 있도록 할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	본 논문에서 센서 제어 부분이 유무선 통신지원을 위해 구현한 기술은?	본 논문에서는 센서 제어 모듈의 표준 플랫폼과 이를 연동시킬 수 있는 네트워크 장비인 스마트 게이트웨이의 표준 플랫폼을 각각 아두이노와 OpenWRT를 기반으로 구현하였다. 센서 제어 부분은 유무선 통신지원을 위해서 블루투스, RF433, 지그비, LoRa를 구현하였고, 스마트게이트웨이는 이러한 센서 제어 연동과 네트워크 기술 그리고 원격지에서 안전하게 접근할 수 있도록 VPN 기술을 적용하여 구현하였다. 여기에 본 논문에서 강조하는 공유기 수준의 저사양의 타겟에 효율적인 VPN 터널링 기술과 인터넷 회선품질의 변화가 심한 환경에서 실시간에 트래픽을 제어하는 방법을 제시하여 원격지에서 VPN을 통해 안전하게 댁내의 센서 제어가 가능하도록 한다.
	OpenWRT기반의 사물인터넷 지원 스마트 게이트웨이 개발을 통해 향후 어떻게 활용될 수 있는가?	이를 바탕으로 VPN터널링의 실시간 트래픽 쉐이핑 알고리즘을 CPU부하, 패킷 DROP율 그리고 큐 잉 우선순위를 적용하여 구현함으로 해서 저품질의 인터넷상황에서도 안정적이고 원활한 사물인터넷연동을 지원하도록 구현하였다. 이렇게 개발된 시제품은 교육용 장비로 1차 양산을 하였으며 이를 바탕으로 커스터 마이징 튜닝을 통해 향후 다양한 응용 분야의 상용 및 개발 장비로 활용될 수 있도록 할 것이다.
	본 논문에서 스마트게이트웨이는 어떤 기술을 적용하였는가?	본 논문에서는 센서 제어 모듈의 표준 플랫폼과 이를 연동시킬 수 있는 네트워크 장비인 스마트 게이트웨이의 표준 플랫폼을 각각 아두이노와 OpenWRT를 기반으로 구현하였다. 센서 제어 부분은 유무선 통신지원을 위해서 블루투스, RF433, 지그비, LoRa를 구현하였고, 스마트게이트웨이는 이러한 센서 제어 연동과 네트워크 기술 그리고 원격지에서 안전하게 접근할 수 있도록 VPN 기술을 적용하여 구현하였다. 여기에 본 논문에서 강조하는 공유기 수준의 저사양의 타겟에 효율적인 VPN 터널링 기술과 인터넷 회선품질의 변화가 심한 환경에서 실시간에 트래픽을 제어하는 방법을 제시하여 원격지에서 VPN을 통해 안전하게 댁내의 센서 제어가 가능하도록 한다.

참고문헌 (7)

T. Jin. OpenWrt Development Guide, Wireless Networks Lab, CCIS, NEU. Retrieved, 2013.
OpenVPN Web site [Internet]. Available: http://openvpn.net/.
Introduction to iproute2, The Linux Foundation [Internet]. Available: http://www.linuxfoundation.org/collaborate/workgroups/networking/iproute2.
B. Hubert, Linux Advanced Routing & Traffic Control HOWTO, DocBook Edition, 2012.
S. E. Yang, B. O. Goh, J. K. Choi, H. K. Jung, "Wired/Wireless Gateway System Supporting LAN-to-LAN VPN with Multi-Queuing Realtime Traffic Shaping," Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, vol. 19, no. 5, pp. 1097-1103, May 2015.

원문보기 상세보기
IoT-I consortium, The Internet of Things Initiative ? IoT-i: Internet of Things Initiative [Online]. Available: http://www.iot-i.eu/public.
S. E. Yang, C. S. Kim, H. K. Jung, "A Study on Multi-Queuing Real-Time Traffic Shaping for VPN Tunneling VPN," Far East Journal of Electronics and Communications, vol. 16, no. 4, pp. 823-830, Dec. 2016.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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