천리안 위성을 활용한 NMM 기반 중심국 이중화 운용에 관한 연구
왕도휘*, 오덕길* 정회원
A Study of Redundant Central Station Operation based on NMM via COMS
Do-Huy Wang*, Deock-Gil oh* Regular Members
요 약
본 논문에서는 링크의 지속적인 안정성을 위해 중심국 모듈을 이중화로 구성하고 이중화로 구성된 모듈을 제어하는 위성 통신 시스 템에 대해 소개하고자 한다. 위성 통신 시스템의 중심국 구성 모듈을 이중화함으로써 불안정한 링크나 중심국의 구성 모듈의 오류 등으로 인한 서비스 중단을 최소화할 수 있다. 이를 통해 차세대 VSAT 서비스 및 방송 서비스에의 효율적인 활용 기술을 확보할 수 있을 것으로 예상해 본다.
Key Words : Redundant, NMM, Test-bed, VSAT, COMS
ABSTRACT
This paper we introduce the satellite communication system consist of redundant central station with management module for increase the stability of the satellite link. Configuration of redundant central station in satellite communication system can minimize the service interruption due to unstable link or some module error. According to this, we expect to ensure efficient use of technology for the next-generation VSAT services and broadcasting services.
※ 본 연구는 미래창조과학부가 지원한 2014년 정보통신·방송(ICT) 연구개발사업의 연구결과로 수행되었음
* 한국전자통신연구원 위성광대역방송통신연구실([email protected], [email protected])
접수일자 : 2014년 5월 8일, 수정완료일자 : 2014년 6월 25일, 최종게재확정일자 : 2014년 6월 25일
I. 서 론
위성 기반 광대역 접속 기술은 DVB-RCS(Digital Video Broadcasting-Return Channel via Satellite)를 중심으로 새 로운 서비스 적용에 맞게 기술이 확대되고 있다.
DVB를 중심으로 본격적으로 진행되고 있는 차세대 VSAT(Very Small Aperture Terminal) 시스템 표준 기술인 DVB-RCS 기반 위성 통신 시스템은 인터넷망과 연결되는 중 심국에서 사용자망을 구성하는 다수의 단말국으로 전송되는 순방향 링크(Forward Link) 전송 기술로 DVB- S2(Digital Video Broadcasting-Satellite Second generation)[1] 기반의 위성 전송 기술을 사용하고, 다수의 단말국에서 중심국으로 전송되는 역방향 링크 전송 기술로 양방향 위성 전송 국제규 격인 DVB-RCS[2] 기술을 사용한다.
그림 1과 같은 DVB-S2/DVB-RCS 기반 위성 통신 시스템 에서 링크가 불안정하거나 중심국의 구성 모듈에 오류가 발생
하면 다수의 단말국으로의 서비스 중단이 발생하게 된다.
그림 1. 위성 통신 시스템 개념도
본 논문은 위성 통신 시스템에서 중심국의 이중화 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 링크의 지속적인 안정성을 위 해 중심국의 적어도 일부 모듈을 이중화로 구성하고 이중화 로 구성된 모듈을 제어하는 위성 통신 시스템의 중심국 및
그의 이중화 방법에 관한 것이다. 위성 통신 시스템의 중심 국 구성 모듈을 이중화함으로써 링크의 안정성을 확보할 수 있으며 따라서 불안정한 링크나 중심국의 구성 모듈의 오류 등으로 인한 서비스 중단을 최소화할 수 있다.
본 논문의 구성은 다음과 같다. 2장에서는 공공 테스트 베 드를 구성하는 중심국 일부 모듈의 이중화 방법과 이를 운용 하기 위한 NMM(Network Management Module)의 이중화 에 대해 기술하고, 3장에서는 NMM의 통신 프로토콜에 대해 기술한다. 4장에서는 이렇게 이중화로 구성된 공공 테스트 베드를 바탕으로 현재 운용중인 공공 시범 서비스에 대해 소 개하고, 마지막으로 5장에서 결론을 맺는다.
Ⅱ. NMM 기반 중심국 이중화
현재 운용중인 공공 테스트베드는 기상청, 소방방재청 등 의 공공기관에 위성 통신용 공공 시범 서비스를 제공하고 있 다. 현재 구축된 공공 테스트베드는 하나의 중심국으로 구성 되어 있기 때문에 중심국 구성 모듈의 이상 동작 시 각 모듈 의 상태를 수동으로 확인 및 조치를 해야 하기 때문에 이로 인한 시스템의 가용율이 저하된다. 향후 공공 서비스의 활용 성이 높아짐에 따라 보다 안정적인 서비스를 제공하기 위해 서는 중심국 일부 모듈의 이중화가 필요하고, 이를 위해 아 래의 그림 2와 같이 이중화 절차에 따라 모듈의 동작 제어를 수행한다.
그림 2. 공공 테스트베드 중심국 이중화 순서도
2.1 중심국 모듈 이중화
그림 3은 천리안 위성을 활용한 공공 테스트베드의 중 심국 이중화 구현 형상 및 각 모듈을 위해 연결되는 M&C(Monitoring and Control) 및 TRF(Traffic) 구성도 이다.
IPG(Internet Protocol Gateway) 모듈은 DRM(Dynamic Resource Management module)으로부터 전달 받은 FLS
그림 3. 공공 테스트베드 중심국 이중화 구성도
(Forward Link Signaling), MPEG-TS(Transport Stream) 및 단말로 전달되어야 할 IP 패킷을 후킹(Hooking) 하여 각 단말의 ACM(Adaptive Coding & Modulation) 모드 에 따라 204 바이트의 ACM 시그널링을 포함하는 MPEG2-TS 패킷으로 변환 후, ASI인터페이스를 통해 DVB-S2 ACM 모듈레이터로 전달하는 역할을 한다. IPG는 이중화를 위해 2개가 동시에 운용되며, 각각 Master 또는 Slave 역할을 갖는다. Master는 FLS 신호 처리 및 단말로 전송된 IP 패킷 후킹 및 처리 등의 작업을 수행 하며 Slave는 Master 역할을 획득하기 전까지는 대기 상태로 있다가 Master 동작 이상 시 ASI Switch를 통해 이중화 된 모듈로 절체 된다. IPG의 역할은 각 서버의 장애 상태 또는 운용자 의 제어를 통해 변경 될 수 있다. NMM 서버에서 IPG로의 제어 명령은 직접 전송하고, 변경 수행 내용을 DRM에 전달 한다.
그림 4. 중심국 이중화 cPCI Sub-Rack 구성도
이중화 혹은 그 이상 확장을 위해 구성된 중심국의 모듈 중 CTIM(Clock & Timing Insertion Module), RDP(Rx Data Processing module), RLD(Return Link Demodulator), WIM(Wideband IF Module)(이하 Sub-Rack 모듈)은 그림 4 와 같이 cPCI Sub-Rack을 구성한다. 이 중 Sub-Rack#1은 현재 운용중인 공공 서비스를 위한 활성(Active) 모듈로 구 성되고, Sub-Rack#2는 모듈 동작 이상 시 절체를 위한 휴면
(Sleep) 모듈로 구성된다. Sub-Rack#3 및 그 이후는 향후 추 가 확장을 위한 가능성을 표시한다. IP가 없이 동작하는 CTIM을 제외한 Sub-Rack 구성 모듈은 사전에 모두 서로 다른 IP로 할당하여 구성하고, 모든 자원 할당은 DRM에서 수행한다. 이는 각각의 모듈이 시스템 전체에 등록되어 있어 야 하고, 모듈 절체에 따른 시스템 중단 시간을 최소화하여 시스템 가용율을 증가시키기 위함이다.
2.2 NMM 이중화
이중화 기능이 포함된 공공 TB 시스템의 NMM Server는 이중화를 위해 2개가 동시에 운용 되며, 각 서버는 Master 또는 Slave 역할을 갖는다. Master 서버는 공공 TB 구성 모 듈에 대한 제어 및 모니터링 등의 작업을 수행 하며 Slave 서버는 DB를 공유하면서 Master 역할을 획득하기 전까지는 대기 상태로 동작하다가 Master 장애 시 Master에서 수행하 던 임무를 수행한다. NMM 서버의 역할은 각 서버의 장애 상태 또는 운용자의 제어를 통해 변경 될 수 있다. NMM Client는 NMM 서버와 연동 되어 공공 TB 각 모듈을 제어 및 모니터링 하는 기능을 수행 한다. GUI는 NMM 서버 Master 및 Slave와 TCP 로 연동 되며, GUI의 공공 TB 모듈 제어 등의 모든 명령은 NMM Master 서버와의 TCP 통신을 이용한다.
그림 5. 이중화 된 NMM 구성도
이중화를 위한 NMM 구성도는 그림 5와 같다. NMM은 망운용 및 관리 블록과 중앙 제어 및 감시 블록으로 구성된 다. 망운용 및 관리 블록은 다음과 같이 자원 관리 및 가입자 관리, 운용자 인증, 통계 관리 등으로 이루어진다.
자원 정보 View 기능
가입자 관리 기능
운용자 인증 기능
통계 정보 관리 기능
사용자 인터페이스 기능
모듈 인터페이스 기능
DB 관리
중앙 제어 및 감시 블록은 다음의 기능으로 구성되며, 시 스템 전반에 걸쳐 구성 모듈을 실시간으로 제어하고, 운용중 인 모듈에 대한 상태를 감시하여 이들 상태 감시 결과를 사 용자에게 제공 및 이중화를 위한 장비 절체를 위한 정보로 활용 된다.
시스템 장애 및 경보 기능
시스템 형상 및 상태 관리 기능
이처럼 망운용 및 관리, 중앙 제어 및 감시 역할을 수행하 는 NMM 모듈은 다음의 그림 6과 같은 GUI를 제공한다.
그림 6. NMM GUI 종합상황도
다양한 기능을 수행하기 위해 구성관리, 성능관리, 장애관 리, 이력관리, 운용자관리, 이중화관리 등 각기 다른 메뉴 탭 으로 구성하여 필요에 따른 항목을 포함하고 있다. 중심국 모듈 탐색기와 VSAT 단말 탐색기는 NMM에서 관리되는 중심국, VSAT 단말 모듈을 Tree View를 이용하여 상태를 표시한다. Rack 형상 관리에서는 현재 구성된 중심국 장비 의 모듈 명칭 및 모습을 그대로 보여주면서 각 모듈의 상태 를 도시한다. 성능 그래프와 실시간 장애, 제어, 컨트롤 메뉴 를 통해서는 현재 운용중인 공공 테스트 베드의 링크 상태나 각 VSAT 단말의 성능 등을 그래프 및 텍스트로 표기한다.
Ⅲ. 통신 인터페이스
그림 7. NMM 내부 구조
NMM은 네트워크 구성요소를 관리하며, 매니지드 모듈 (managed module)라고도 불린다. 모듈 관리는 고장, 구성, 회계, 성능 및 보안 관리를 포함한다. 그리고 관리 작업에는 네트워크 인벤토리의 발견, 모듈 상태 모니터링, 시스템 성능 에 영향을 미치는 상태에 대한 경고, 문제의 식별 및 출처의 파악과 함께 가능한 솔루션의 제공 등이 있다.
NMM에서는 이러한 작업을 수행하기 위해 다양한 프로 토콜을 사용한다. 예를 들어, SNMP 프로토콜은 네트워크 계층의 모듈로부터 정보를 수집하는데 사용된다[3]. 또한 일 부 모듈은 통신의 효율성을 위해 SNMP 통신이 아닌 일반 UDP 통신을 통해 수행된다.
3.1 SNMP
NMM 에서 타 모듈 간 통신을 위해서 필요한 인터페이스 는 SNMP(Simple Network Management Protocol)를 통한 통신 방식을 사용하는데, 이는 다음과 같은 특성을 갖는다.
NMM은 DRM, RLD, RDP 및 기타 장비, 단말국으로부터 SNMP 프로토콜을 통해 상태 정보, 형상 정보, 기타 관리 정 보를 SNMP PDU(Protocol Data Unit)를 통해서 전달받고, 이에 대한 요구 및 제어 정보를 SNMP PDU를 통해서 해당 모듈로 전달한다. 또한, 일반적인 망 관리 기능인 장애, 성능, 구성, 통계 등과 같은 기본적인 기능과 더불어 운용자 정합 기능 및 운용에 편의 기능을 부가적으로 제공한다.
SNMP는 그림 8과 같이 관리 객체를 대신해 주는 Managed System(Agent)과 이러한 Agent를 관리하는 Management System(Manager)로 이루어져 있다. NMM 내 부에 설치된 SNMP Manager는 주기적 또는 운용자에 의해 서 발생되는 명령에 따라 해당 정보를 각 모듈의 SNMP Agent를 통해 수집하고, 모듈의 초기화를 위한 정보를 전송 한다. SNMP Agent는 해당 모듈에 설치되어 SNMP Manager가 요청한 정보를 수집하여 응답하고, 모듈 내 오류 정보를 전송한다.
그림 8. SNMP 프로토콜 구조
Manager와 Agent간의 통신은 PDU을 통해서 이루어지며 PDU는 그림 9와 같이 GetRequest, GetNetxtRequest,
SetRequest, GetResponse, Trap등이 RFC(Request For Comment)에 정의되어 있다.
한편, Agent가 설치된 모듈 내 오류나 경고가 발생한 경 우 이에 대한 보고를 Trap 메시지를 이용하여 Manager로 송신한다.
그림 9. SNMP PDU 구조
3.2 MIB
NMM과 각 모듈은 형상 정보, 자원관리 정보, 장애관리 정보, 경보 정보, 통계 정보의 데이터들을 송수신한다. 형상/
상태 정보는 NMM에서 주기적인 polling을 통해 수집되며, 경보 정보는 SNMP Trap을 통해 NMM으로 통지된다.
그림 10과 같이 NMM에서는 SNMP Get Message를 통해 각 모듈의 필요한 정보를 주기적 또는 운용자의 요청 시 비 주기적으로 요청하고, 각 모듈에서는 SNMP Response Message 형태로 데이터를 송신한다.
RDP, RLD 모듈에 대한 NMM 서버 연동은 DRM을 통해 간접적으로 수행 된다. 이는 DRM은 FLS 기능 수행을 위해 공공 TB에서 운용 되고 있는 모든 RLD 및 RDP의 운영 파 라미터를 참조하여 자원 할당을 수행해야하기 때문이다.
그림 10. 각 모듈과의 SNMP 인터페이스
Ⅳ. 공공 시범 서비스 운용
지난 2010년 6월 27일 발사에 성공한 천리안 위성은 하나 의 위성으로 통신, 기상관측, 해양관측의 3가지 임무를 수행 하는 정지궤도 복합 위성(Communication, Ocean and Meteorological Satellite : COMS)으로 국내 기술로 제작된 Ka 대역 통신 방송 탑재체를 통해 Ka 대역의 위성 통신 및 방송 기술 검증 시험을 수행하고 있다. 그림 11과 같이 2011 년 위성 통신 및 방송용 공공 테스트베드를 최초 구축한 이 후, 지난 2013년 불안정한 링크나 중심국의 구성 모듈의 오 류 등으로 인한 서비스 중단을 최소화기 위하여 NMM 기반 중심국 이중화를 구성하여 현재까지 공공기관을 대상으로 시범 서비스를 제공하고 있다[4].
위성 양방향 광대역 통신 서비스의 경우 기상청 백령기상 대, 소방방재청 정부서울청사 및 남양주 중앙119구조단에 각 각 VSAT 단말을 설치하여 위성 광대역 인터넷 서비스 및 VoIP 기반의 음성/화상 전화, 재난 시 긴급 통신 서비스와 같은 시범 서비스를 제공하고 있다. 또한, 한국방송공사 (KBS)에서 홍도에 설치한 파노라마 카메라를 통해 현지의 기상 상황을 관측하고 재난에 대비할 수 있도록 하는 HD 생 방송이 가능한 실험 방송을 진행하고 있으며, 현재 독도에 설치된 VSAT을 통한 데이터 전송 시험은 향후 해양데이터 전송 시험을 위한 기반이 될 것이다.
그림 11. 공공 시범 서비스 운용
Ⅴ. 결 론
본 논문에서는 위성 통신 시스템에서 중심국의 이중화 장 치 및 방법에 대해 소개하였다. NMM을 중심으로 중심국 일
부 모듈을 이중화함으로써 링크의 안정성 증가를 확보할 수 있어 불안정한 링크나 중심국 구성 모듈의 오류 등으로 인한 서비스 중단을 최소화할 수 있다. 이를 통해 공공 서비스 및 방송 서비스에의 효율적인 활용 기술을 확보할 수 있다. 특 히 향후 초광대역 멀티미디어 서비스가 가능한 초고속 인터 넷 등의 차세대 VSAT 서비스 제공 및 UHDTV와 같은 방 송서비스의 보편적 접근성 향상을 예상해 본다.
참 고 문 헌
[1] ETSI EN 302 307, "Digital Video Broadcasting(DVB);
Second generation", Jun. 2004.
[2] ETSI EN 301 790 v1.5.1, "Digital Video Broadcasting(DVB);
Interaction channel for satellite distribution systems," May.
2009.
[3] G. Maral, “VSAT Network 2nd edition”, John Wiley & sons, 2003.
[4] 왕도휘, 오덕길, "천리안 위성을 활용한 위성 통신용 공공 테스 트베드 운용에 관한 연구," 통신위성우주산업연구회 논문지 제8권 4호, 2013.
저자
왕 도 휘 (Do-Huy Wang) 정회원
․2007년 2월：건국대학교 전자공학과 학사
․2009년 2월：건국대학교 대학원 정보 통신공학과 석사
․2010년∼현재：한국전자통신연구원 연구원
<관심분야> : 위성방송 및 통신 시스템
오 덕 길 (Deock-Gil Oh) 정회원
․1984년 2월：서울대학교 대학원 전자 공학과 석사
․1996년 2월：서울대학교 대학원 전자 공학과 박사
․1982년∼현재：한국전자통신연구원 위성광대역방송통신연구실 실장 <관심분야> : 위성방송 및 통신 시스템
