그리드 컴퓨팅

그리드 컴퓨팅(grid computing)은 컴퓨터의 연산 능력, 데이터, 첨단 실험 장비 등 여러 장비를 인터넷을 통해 공유하려는 새로운 분산컴퓨팅 모델이다.

그리드 컴퓨팅

개요

그리드 컴퓨팅은 컴퓨터의 처리능력을 한곳으로 모아 가장 중요한 업무에 집중 사용할 수 있게 해주는 기술을 말한다. 고속 네트워크로 연결된 다수의 컴퓨터 시스템이 사용자에게 통합된 가상의 컴퓨팅서비스를 제공하는 개념으로 분산컴퓨팅(Distributed Computing)이라고도 불린다. 그리드 컴퓨팅이란 세계적으로 연구가 진행 중인 차세대 인터넷망으로, 현재의 인터넷 방식인 월드와이드웹(www)과 달리 컴퓨터의 처리능력을 한 곳으로 집중시킬 수 있는 인터넷 망이다. '격자선'이라는 뜻의 '그리드'는 집과 공장에 전력을 공급하는 전기배선(Power Grid)과 흡사하다고 해서 붙여진 이름이다. 즉, 지리적으로 분산된 고성능 컴퓨터, 대용량 데이터베이스, 각종 정보통신 첨단장비 등을 네트워크로 연동하고 상호 공유할 수 있도록 하는 것이다. 분산컴퓨팅(Distributed Computing)이라고 불리는 이 기술을 이용할 때 각 지역의 슈퍼컴퓨터와 일반 컴퓨터를 연결해 기존 컴퓨터 기술로는 불가능했던 고속연산과 대량 데이터처리를 할 수 있게 된다. 기상관측 등의 대규모 연산작업이 필요한 일을 모듈별로 쪼개 가정의 개인 컴퓨터에 시킬 수 있어서 모든 컴퓨터가 네트워크로 연결돼 사용자들과의 연결(P2P) 방식으로 일 처리를 하게 된다. 그리드 컴퓨팅을 하기 위해서는 개별적인 소프트웨어와 하드웨어들을 하나의 통합된 자원으로 연결하는 작업이 필요하다. 이를 위해 대용량 저장장치, 데이터베이스, 전파망원경 등의 고성능 연구 장비가 필요하다. 또한 사용자들에게 하나의 시스템처럼 보이도록 할 수 있는 미들웨어가 구현되어야 한다. 이 기술을 응용한 대표적 사례는 외계의 생명체를 연구하는 미국의 항공우주국(NASA)과 유럽입자물리학연구소에서 세계 최대 핵 입자가속기인 강입자 충돌기에서 발생하는 방대한 정보를 처리하기 위해 이 네트워크를 구축 하였다.

그리드 컴퓨팅의 탄생

1990년대 말 미국 위스콘신 대학교(University of Wisconsin)에서 고가의 워크스테이션이 대체로 놀고 있다는 사실을 발견하고 워크스테이션의 소유자가 사용하고 있지 않을 때 공유해서 쓰는 방법에 대해서 고안하게 되면서 그리드 컴퓨팅이 시작하게 되었다.

그리드 기술 연구 동향

그리드의 미들웨어로서 글로버스 툴키트(Globus Toolkit)류가 업계의 표준이 되어 있지만 툴키드만으로 그리드를 운용할 수 없다. 그 이유는 글로버스 툴키트는 플랫폼에 직결된 자원관리, 자원정보서비스, 데이터관리와 같은 기본적 기능만을 그리드가 제공하기 때문이다. 현재 미국에서는 그리드를 위한 미들웨어를 패키지화하는 프로젝트가 진행되고 있다. 여러 그룹에서 개발한 다양한 도구들을 컴포넌트로 조합하는 경우, 효율적이고 간편한 그리드 환경의 구축과 운용이 가능하게 되는 경우가 많다.

메타 컴퓨팅

그리드 환경에 접속된 컴퓨터는 다수의 사람이 이용하고, 1대의 컴퓨터로 해결할 수 없는 대규모적인 형태의 문제를 해결하는 메타 컴퓨터로서 그리드의 이용 방법이 주목받고 있다. 엠피아이(Message Passing Interface)를 이용하여 다수의 컴퓨터 사이에 병렬처리를 하게 하는 것은 메타 컴퓨팅 활용의 한 방법이다. 이러한 미들웨어 대부분은 컴퓨터내에서 업체들이 제공하는 엠피아이를 이용하고, 컴퓨터 사이에는 TCP/IP에 의한 통신 방법으로 구현한 것이다. 따라서, 엠피아이로 개발된 병렬 프로그램은 컴퓨터에 큰 변화를 주지 않고도 그리드 환경으로 사용할 수 있게 해 준다. 이종 컴퓨터 사이의 병렬 컴퓨팅의 실현을 통하여 문제를 해결하는 환경으로 캑터스(Cactus)가 있다. 원래는 상대성원리의 수치해석 실현을 위하여 개발하였지만, 많은 사용자 그룹과 기업들의 지원으로 일반 컴퓨터에서 슈퍼컴퓨터까지 다양한 플랫폼에서 이용가능하고 적용분야도 확대되고 있다. 글로버스 툴키트는 현재 OGSA에 대응하여 진행되고 있어서 엠피아이를 실현하는 미들웨어도 GT3 또는 OGSA에 대응하게 될 것으로 예상된다. 메타 컴퓨팅 분야에서는 실행성능의 고도화를 추구하기 때문에 성능 면에서GT3과 피드백이 기대된다.

고출력 컴퓨팅

그리드의 가장 간단한 활용 방법은 다수의 처리를 그리드상의 컴퓨팅 자원을 분산하여 고속으로 실행하는 것이다. 구체적 실현 방법으로는 다수의 업무를 스케줄링하여 복수의 원격 컴퓨팅 자원을 투입하는 방법이다. 글로버스 툴키트에도 지역적 자원에 대한 업무도 수행할 수 있지만 복잡한 에이피아이(API)로 작업 정보를 지정해야만 한다. 또한 복수의 자원을 동시에 확보하는 기능이 있지만, 자원 사이의 작업에 대한 부하분산 스케줄링 기능은 없다. 지역적인 자원에 대한 작업 관리와 자원 사이의 동적 부하분산을 행하는 스케줄러를 글로버스와 조합하는 것이 고출력 컴퓨팅의 간단한 실현 방법이다. 지역적 작업 관리로서는 플랫폼컴퓨팅사의 제품이나 본래 나사(NASA)를 위해 개발하여 상용화한 PBS(Portable Batch System)등이 있다. 한편 글로버스의 상위에 위치하며 자원 사이의 동적 부하분산을 포함한 스케줄러로서, 사용자 요구와 자원의 매칭을 시도하는 미국 워시콘신대학의 콘돌지(Condor-G)와 과금 정보와 작업의 종료 기한 등을 조건으로 하여 자원검색과 스케줄링을 행하는 호주의 모나쉬대학이 개발한 님로드(Nimrod/G) 등이 있다. 이들도 글로버스의 자원관리기능에 접속할 수 있다. 앞으로 다양한 부가가치를 가진 스케줄러가 개발되겠지만 다른 소프트웨어와의 접속이나 타 사이트와의 연동을 위해 표준화를 해야 한다.

그리드 포탈

그리드의 프로그래밍이나 실행방법은 그리드의 환경이나 응용에 따라 다양하다. 단지 시뮬레이션 결과를 원하는 사용자는 그리드 환경이나 응용에 따른 번잡함을 의식하기를 원하지 않는다. 그리드 포탈은 한 번의 로그인으로 복수의 사이트에 접근 가능한 싱글사인온(single signon) 등을 활용하여, 그리드 상의 다양한 자원, 서비스 등을 편리하게 이용할 수 있는 보다 사용자 친화적인 그리드 기술이다. 컴퓨팅 자원에 대한 접근 수단을 제공하는 포탈의 예로는 NPACI의 핫페이지(HotPage)가 있다. 핫페이지는 그룹내의 컴퓨팅 자원의 이용 상태를 파악하여 휴지상태의 컴퓨터를 새로운 작업에 투입한다. 한편, 컴퓨팅 자원뿐만이 아니라 기능에 대한 접속을 제공하는 포탈도 사용자에게 유용하다. 포탈은 단순한 서비스의 접점이 아니라 스케줄링, 서비스에 대한 포탈 관련 기술도 개발 중이다. 그리드가 OGSA기반이 됨에 따라, 그리드 포탈 기술도 장기적으로는 웹서비스 포탈 기술을 활용하게 될 것으로 예상된다. 따라서 그리드의 커뮤니티에서는 웹서비스 포탈 기술 표준화에 보조를 맞추어 그리드 포탈을 구축해 가야 한다.

데이터 그리드

고에너지 물리학이나 천체물리, 바이오 인포메틱스 등의 분야에서는 측정된 데이터의 공유에 대한 요구가 높다. 또한 측정장치의 수는 적은데 측정할 데이터가 대용량인 경우, 장치의 수가 많지만, 측정 대상의 데이터가 아주 많아 대용량 데이터 해석에 많은 연구자의 협력이 필요한 경우 등이 있다. 현재는 인터넷을 통해 데이터를 공유하고, 필요한 경우 데이터를 내려받기도 한다. 하지만 기존 방법으로는 방대한 데이터를 공유하기가 힘들다. 엄청난 크기의 자료를 내려받으려면 엄청나게 많은 시간이 필요하고 대용량 데이터들을 저장할 수 있는 곳이 필요하다. 전 세계의 대표적인 연구소가 입자 가속기를 이용하여 실험한 데이터를 공유하고자 한다면 이 엄청난 데이터를 네트워크를 통해 공유하기 위해 시도되고 있는 것이 데이터 그리드이다.

표준화 전략

그리드 계층 모델

그리드 컴퓨팅 환경은 다수의 이기종 컴퓨팅 자원들의 집합이므로 협업을 위한 정보의 호환성 문제, 자원관리의 어려움, 애플리케이션 개발의 어려움, 시스템 개발시 통합의 어려움 등의 여러 문제도 갖고 있다. 각 서비스 간의 정보 서비스나 인터페이스, 프로토콜 등의 표준화가 정립되지 않아 서비스들 간의 상호운용이 어려운 실정이다. 이기종 컴퓨팅 자원의 통합에 필요한 서비스와 소프트웨어의 통합을 가능하게 하기 위해 계층모델을 제시하였다. 계층 그리드 모델의 최하단 계층은 그리드의 근본을 이루는 하드웨어 자원들로 구성되어 있다. 그리드 자원들로 컴퓨터, 네트워크, 데이터 아카이브, 실험 장치, 시각화 장치 등 물리적인 요소들이며, 이들은 이 기종 특성과 네트워크를 통해 분산되어 있으며 각기 서로 다른 성능 지수를 갖고 있다. 새로운 자원의 출현과 기존 자원의 탈퇴로 인한 자원 구성의 동적인 복잡성이 존재하며 협업 유형에 따라서는 자원의 공유 여부, 권한 여부, 다중사용 환경여부 등이 그리드환경을 더욱 복잡하게 만들고 있다. 이런 복잡성은 그리드가 과학기술 분야뿐 아니라 경계 사회 분야에서 현재보다 더 많은 사용층을 확보하면 할수록 더욱 증가할 것으로 예상된다. 다음 계층은 복잡한 그리드 환경을 가상적으로 구체화할 수 있는 공통 인프라구조 계층이다. 이 계층을 위해 대표적으로 NMI(NSF's Middleware Initiative) 및 OGSA 등이 제시되었고, 그리드의 이기종 및 동적 자원 풀에 사용자가 원활하게 접근할 수 있는 표준화 시도로써 글로버스(Globus)가 출현했다. 공통 인프라구조 계층의 주요 먹적은 그리드를 하나의 단일적인 플랫폼으로 구체화하기 위해 각 자원들의 접근성을 미들웨어적인 측면에서 표준화된 접근 방법을 통해 공통의 일치성을 부여하는 것에 있다. 세 번째 계층은 공동 인프라구조를 바탕으로 그리드 소프트웨어 패키지와 관련되는 계층으로써 사용자와 애플리케이션 중심의 그리드 미들웨어, 툴, 서비스 등이 이에 해다ㅐ=ㅇ다. 이러한 소프트웨어 패키지는 인증, 파일전송 등 그리드시스템 내에 포함된 복잡한 기능들을 완화시켜 줌으로써 그리드 애플리케이션에 자원 이용의 효율적 사용과 생산적 사용을 지원한다. 가장 위쪽 계층인 애플리케이션 계층은 [[그리 드]] 애플리케이션과 사용자로 구성되며, 그리드 서비스가 견고하고 안정적이고 유용한 계산과 데이터 관리의 보장이 궁극적으로 이 계층의 목적이다. 현재의 많은 그리드 프로젝트는 보다 견실하고 안정적인 그리드 환경구축을 위해서 이질적이고 분산화된 환경에서 그리드 서비스의 상호운용성과 재사용성을 증진시키기 위해 공통 인프라 구조와 표준의 사용을 추구하고 있다.

클라우드 컴퓨팅과 그리드 컴퓨팅

클라우드 컴퓨팅과 그리드 컴퓨팅은 비슷해 보이지만 각각 다른 방식으로 구축되고 작동한다. 두 시스템은 멀티태스킹 기능을 활용하고 다른 시스템으로 작업을 크게 퍼뜨리지만 클라우드 컴퓨팅은 실제로 네트워크의 여러 컴퓨터가 아닌 인터넷을 통해 이루어진다. 따라서 클라우드 컴퓨팅은 작업을 수행하는 컴퓨터가 실제로 어디에 있는지 모르기 때문에 위치에 독립적이다. 반면 그리드 컴퓨팅은 특정 위치의 물리적 시스템 클러스터에서 발생하며 일부는 클러스터 컴퓨팅이라고 한다. 또한 각 시스템의 비용과 보안은 다양하고 클라우드 컴퓨팅은 일반적으로 비용이 많이 들고 추가 보안 조치가 필요하다. 그리드 및 클라우드 컴퓨팅은 모두 여러 시스템을 사용해 작업을 수행하지만, 더 많은 리소스가 필요할 때 필요에 따라 클라우드 컴퓨팅을 수행할 수 있다. 클라우드 컴퓨팅을 사용하면 기업은 비즈니스 요구에 따라 리소스를 추가하거나 제거할 수 있도록 인터넷을 통해 더 많은 리소스를 요청할 수 있다. 그리드 및 클라우드 컴퓨팅 모두 멀티태스킹이 가능하고 사용자는 필요한 만큼 많은 작업을 수행할 수 있다. 그리드와 클라우드 컴퓨팅은 또 경제성을 다룰 때도 차이점이 있다. 클라우드 컴퓨팅은 네트워크를 통해 실행되므로 데이터 요금이 비쌀 수 있고 필요한 리소스 양이 증가하면 네트워크 요금을 예측할 수 없다. 반면, 그리드 컴퓨팅은 시스템이 리소스를 공유하기 위해 인터넷 연결에 의존할 필요가 없으므로 이런 문제가 발생하지 않는다. 클라우드 서비스 제공업체는 종종 사용되는 리소스 양에 의존하는 가변 요금이 있는 것이다. 처리량이 많은 경우엔 그리드 컴퓨팅이 클라우드 컴퓨팅보다 저렴하다. 그리드와 클라우드 컴퓨팅의 매우 중요한 차이점은 보안 문제에 있다. 클라우드 컴퓨팅은 네트워크에서 리소스와 저장된 데이터를 사용하여 공급 업체에서 서비스 중단이 발생하면 회사에 큰 문제가 발생할 수 있다.

스마트 그리드

전력망의 지능화를 추구하기 위해 IT 기술은 필수적인 기술로 인식되고 있으며, IT 기술을 전력망에 적용함으로써 전력망이 더 똑똑하고, 안전하고, 경제적인 시스템으로 발전하고 있다. 강건한 전력망 구성을 위한 전력망 자가 치유(Self-Healing) 기술, 전력의 수요/공급의 균형을 완성하기 위한 수요반응 기술, 침해 방지가 가능한 보안기술, 분산 전원의 활성화를 위한 전력품질 보장 기술 및 양방향 전력의 운용 및 신시장을 창출할 수 있게 하는 전력 거래 기술은 스마트 그리드를 실현하는 필수적인 도구로 평가된다. 스마트 그리드 기술의 특징들은 IT 기술인 센서 네트워크 기술, 양방향의 유무선 통신 네트워크 기술, 알고리즘을 기반으로 한 에너지 관리 기술, 관리를 위한 소프트웨어 프레이무어크 기술, 보안 기술 등의 최신 IT 기술을 기반으로 한다는 것이며, 이러한 기술을 근간으로 하여 전력망의 지능화를 위해 IT 기술이 다양하게 사용될 것이다. 스마트 그리드에서는 일방적인 에너지 흐름이 아니라 에너지가 다양한 곳에서 생산되고 양방향의 흐름이 발생하는 전력망의 형상이다. 기존의 전력망에서 일방적인 전력 수요자에 머물렀던 건물이 자체적으로 전력을 생산하거나 전체적인 수요가 상대적으로 크지 않아 전력 요금이 저렴한 시간대에 전력을 저장했다가 막대한 전력 수요가 발생할 때 역으로 건물에서 전력망으로 전력을 공급할 수 있는 에너지 프로슈머로 동작하는 양방향의 전력망 구조를 가능하게 한다. 이러한 기능은 양방향의 전력 측정 기술 및 모든 전력망 참여자들의 전력 정보 확보 및 양방향 운용으로 가능한 기술이다. 이러한 특징으로 발생하는 스마트 그리드의 흐름은 마치 양방향 흐름의 인터넷망과 유사한 구조이다.

스마트 그리드 기술

• 강건 전력망 자가 치유 기술 : 사용의 편의성 및 무공해 에너지 청결성 등으로 인해 현대 사회의 에너지 주 공급원이 전력 에너지로 전환된 이후로 많은 생활 및 산업기기, 생활 및 산업시설과 시스템이 전기 에너지에 의해 동작하는 구조로 변경되었다. 이런 변화는 강력한 안전성을 전력 시스템에 요구하고 있다. IT 기술이 도입되기 이전 시스템의 유지와 보수를 전송 선로의 상태를 맨눈으로 확인하는 등의 원시적인 방법으로 운용했지만, IT 기술이 사용됨에 따라 전력망 전 계통을 센서 네트워크를 통해 실시간 감지, 및 센싱, 이를 유무선 통신 인프라를 통해 전송하고 수집된 정보로 예지, 분석 및 정보 모델링, 통합정보관리 및 운영을 통해 손상된 전력망을 실시간 복구하는 기능을 통해 전력 시스템이 보다 강건한 시스템으로 동작하도록 하고 있다. 강건한 전력망은 센서 네트워크 연계 전력망 상태 모니터링, 감시 및 센싱, 유, 무선 통합 통신 인프라를 통한 양방향 정보 전달, 수집 정보를 바탕으로 예지, 분석 및 정보 모델링, 분석 결과 및 모델링 정보 기반의 통합 정보관리 및 운영 등의 IT 기술이 활용되어 전력 시스템의 자가 치유기능을 해야하고, 스마트 그리드는 자가 진단이 가능하고 시스템의 보호와 단독 운전이 가능하고 반자동 또는 자동복구하는 자가 치유기능을 가져야 한다.
• 에너지 고효율화 수요반응 기술 : 전력 에너지 공급자와 소비자 측면에서의 모든 에너지 고효율화를 고려하면 전력 시스템은 시스템 특성상 항상 수요와 공급이 일치하는 것을 요구한다. 필요에 따라서는 수요와 공급을 일치시키기 위해 공급자가 수요자의 전력 소모 상태를 파악하여 외부에서 제어하는 레벨까지의 시스템 운용이 필요한 경우도 발생한다. 소비자 측면에서 스마트 홈/빌딩의 에너지 소비가 효율적으로 이루어지도록 에너지 소비 모니터링 및 지능적으로 에너지를 관리하는 에너지 절감 관리 기술이 필요하다. 에너지 고효율화 및 수요반응을 위해 로컬 및 광역 범위에서의 미러링 및 센서 정보 취함, 마이크로그리드 레벨에서의 광역 범위 수요관리를 위한 제어 정보 전달, 잉여전력 판매를 위한 로컬 전력 정보 송수신 등의 기술들이 사용되며 이를 통해 에너지 소비를 최소화하고 공급 측면에서의 유휴 장비와 시스템의 확보를 최소화할 수 있는 세부적인 기술이 포함되어야 한다.
• 침해 방지 전력망 보안기술 : 전력 시스템은 산업시설, 생활시설 등 총괄적인 국민 생활과 연결되어 실질적으로 국가 안보와 직결된 국가 인프라 시스템이다. 따라서 전력 시스템은 따른 어떤 시스템보다 외부의 물리적으로나 사이버 공격에 대처할 수 있는 시스템 보안 기술이 요구된다. 침해 방지 스마트 보안 기술의 최종 목적은 정보를 바탕으로 자동화된 설비, 기기들을 제어하고 관리하는 것이며, 각각의 콤포넌트들을 제어하기 위해서는 통신이 필요하다.
• 분산 전원 활성화 전력품질/보장 기술 : 얼마 남지 않은 화석연료의 고갈에 대비해 유럽, 일본 등의 신재생 에너지 분야 선진국들은 풍력, 태양광 발전 등 기존의 화석 에너지 사용을 대체하기 위한 기술 개발에 전념하고 있다. 이러한 신재생 에너지원을 이용한 전력의 공급은 그 비용이 저렴하지만. 시스템 및 생산의 불확정성으로 인해 신재생 기술과 다른 기술과 혼합을 통해 내재적인 문제점을 극복하는 방안의 도입이 필요하다. 신재생에너지의 활성화에 따른 전력 시스템의 불안정한 특징을 극복하기 위해 분산전원을 포함한 전력 계통 전반에서 지속적이고 안정적인 전력 품질을 보장해 줄 수 있는 기술이 요구된다. 이런 전력품질 보장 기술을 통해 태양광, 풍력 발전, 연료전지, 전기자동차 같은 분산된 자원들을 통합적으로 결합해 수용기에서 충분히 사용할 수 있는 안정적인 전력이 제공될 수 있도록 해야 한다. 분산 전원의 활성화는 양방향, 실시간 전력망 제어를 가능하게 하는 통신, 제어망 기술과 전력망에 연계된 분산 전원들의 원격 모니터링, 사용 시간에 따른 가격 관리 등을 더 빠르고 정확하게 지원할 수 있는 센싱과 측정 기술 등으로 전력품질을 보장 할 수 있어야 한다.
• 양방향 전력 운용 및 신시장 창출 전력 거래 기술 : 분산 전원의 활성화는 발전소를 통해 생산한 전력을 태양광이나 풍력 등 신재생 에너지를 이용하여 홈, 빌딩 또는 분산된 소규모 지역 발전원에서 직접 전력 생산을 가능하게 한다. 생산된 전력 중 잉여전력은 전력을 필요로 하는 다른 전력 수요자에게 판매할 수 있는 환경 제공을 통해 전력시장이라는 신시장 창출을 가능하게 한다. 전력 거래 시장의 도입을 위해서 실시간 가격 정보 및 전력 정보를 취합하여 처리하고 전력 수요 및 공급에 대한 예측, 전력 시작 운용 등 다양한 시스템의 기술이 도입되어 운용되어야 한다.

네트워킹 효과

스마트그리드에서 통신 인프라의 상호 운용성을 지원하기 위하여 네트워크 계층의 프로토콜은 인터넷 프로토콜(IP)을 이용하여 상호호환성을 제공하고 하위 전달 계층의 통신 네트워크로는 다양한 무선 및 유선 통신 네트워크의 사용을 지지하고 있다. 인터넷 프로토콜 기반의 네트워크는 스마트 그리드 정보 네트워크의 상호 운용성을 위한 핵심 역할을 할 것으로 기대된다. 스마트 그리드에서 사용되는 통신 네트워크 기술은 크게 공중 네트워크와 사설 네트워크 기술로 나눌 수 있다. 공중 네트워크 기술은 전용선, TDM 서비스, 케이블 브로드밴드 기술과 같은 유선 네트워크 기술과 2G/3G 셀룰러와 4G 테크 기술인 무선 네트워크 기술 등이 있다. 사설 네트워크 기술로는 Low Speed PLC, Narrowband PLC, BPLC, Inhome PLC 등과 같은 다양한 PLC기술들과 같은 유선 네트워크 기술과 Proprietary RF Mesh 기술, IEEE 802.11 WiFi 등의 무선 네트워크 기술들이 존재한다. 스마트 그리드에서 구성되는 각 시스템의 연결을 위한 통신 인프라를 보면 이들을 구성하는 전달 네트워크는 사용자 영역, 필드 영역, 주 변전 영역 그리고 기업군 영역으로 분류할 수 있다.

• 사용자 영역 HAN : 스마트 소비자 분야의 홈, 빌딩, 산업체 영역의 통식 전달 네트워크 기술로 기존의 전력선 통신인 PLC 기술과 WPAN 영역의 대표 기술인 ZigBee 기술, WLAN 기술인 WiFi 기술 등이 있으나 저전력 및 저가격 기반의 안전한 통신 기술 제공을 장점으로 각 기술들 간의 시장 점유를 위한 경쟁이 아주 치열한 영역이다.
• 필드 영역 NAN : 스마트 그리드의 필드 영역을 담당하는 통신 전달 네트워크 기술로, IEEE 802.11s WiFi 메시와 IEEE 802.15.4g 기반의 SUN 등의 무선 메시 네트워크 기술과 전력선 통신인 PLC 기술, WPAN 영역의 대표 기술 ZigBee 기술 등이 NAN 영역의 대표 후보 기술로 사용되고 있다.
• 주 변전 영역 WAN : 전력계통의 송/배전을 담당하는 변전 시스템들을 관리하기 위한 네트워크는 이더넷 기반의 유선 네트워크가 주로 사용되고 있다.
• 기업군 영역 LAN : 기업체들의 영역은 근거리 기반의 유선 네트워크인 이더넷이 사용할 수 있다.

스마트그리드 통신 인프라는 구간별로 사설 및 공중 네트워크로 구성할 수 있지만 이들 인프라를 구축하면서 사전에 반드시 보안을 고려한 설계를 기반으로 구축되어야 한다. 전력 제어 네트워크인 DA-WAN과 미터 데이터를 위한 AMI-WAN은 각 서비스 특성에 따른 네트워크 성능 및 보안이 통신 네트워크의 선정에 중요한 요소가 될 것이다. 이러한 통신 네트워크의 선정은 통신 방식의 특성뿐만 아니라 통신 전력 소비량과 경제성을 고려하여 구축하여야 한다. 스마트그리드에서 NAN과 WAN 네트워크 구성은 사설 네트워크와 공중 네트워크 모두가 이용할 수 있지만, 전력 사업자와 통신 사업자 간의 네트워크 설치 및 임대 비용에 따른 가격 경쟁력과 보안과 관련한 사항에 따라서 자체적으로 사설 네트워크를 구축하여 사용하거나 통신 사업자의 네트워크를 임대하여 사용할 수 있다.

기대효과

• 공급과 수요의 불균형 해소 : 스마트 그리드가 전력산업에서 정보통신 기술을 도입해 에너지를 효율적으로 사용되면 집 안에 설치한 스마트계량기를 보면서 전기요금이 가장 저렴한 때를 실시간으로 확인하여 적당한 시간에 스마트폰 앱으로 스마트 세탁기를 작동해 자신만의 전력 사용 패턴을 만들고 전기요금을 절약한다. 또 에너지저장 장치에 저장해놓은 태양광과 풍력으로 전기차 배터리를 충전한다. 저장하고 남은 전기는 다른 사람에게 판매도 가능하다. 이 모든 것을 가능하게 하려면 전력 네트워크 시스템 스마트 그리드가 필요하다. 전력망에 정보통신 기술을 융, 복합하여 에너지 이용효율을 최적화한 시스템이 스마트 그리드이다. 스마트 그리드를 활용함으로써 소비자가 사용한 전기를 지역별로 실시간 확인하고 예측해서 생산량을 미세하게 조정할 수 있다. 소비자가 능동적으로 전기를 만들 수도, 전기 사용량을 조절할 수도 있게 된다. 스마트 그리드 기술은 발전에서 송전, 배전, 다양한 전력 소비자까지 전력 시스템 전 분야에 걸쳐 분포하고 있다. 광역 모니터링 및 제어 기술로 광범위한 지역에서도 실시간으로 모니터링하고 제어할 수 있다. 컴퓨팅, 시스템을 제어하는 소프트웨어 등과 함께 전력망을 효율적으로 관리하는 정보통신 기술의 통합기술이 이를 가능하게 한다. 신재생 에너지 및 분산발전 통합기술은 에너지저장시스템, 실시간 발전예측 등 스마트 그리드 시스템을 통한 신재생 에너지, 분산발전원의 전력망을 연계 관리하는 기술이 적용됐다.
• 공급 위주에서 수요 중심으로 이동 : 스마트 그리드 사업의 목표는 바로 실시간 전기 변동 요금제로 전력 수급을 조절하는 것이다. 향후 스마트 그리드가 널리 확대되어 안정적으로 정착하게 되면 미래 소비자들의 전기사용 패턴은 지금과 달리 전기 사용량이 많은 시간에는 요금이 올라가고 사용량이 적은 시간에는 요금이 내려가며 전기요금이 수요에 따라 실시간으로 변동하는 방식으로 달라질 수 있다. 그동안 소비자들은 가격이 고정된 전기를 일방적으로 받는 데서 벗어나 직접 전력시장에 참여해 저기 사용량을 능동적으로 조절할 수 있다. 전력 정보를 확인해서 전기가 저렴할 때 전기를 집중적으로 사용하고 전기요금이 비싼 저녁 시간에 집에 보유한 태양광 발전 등으로 생산된 에너지를 사용하는 방식으로 바뀌면 가정에서 생산된 전기 중 쓰고 남은 전기는 되팔 수 있다. 대한민국에는 소비자들이 아낀 전력을 되파는 시장이 현재 운영되고 있다. 2014년 11월부터 절약한 전기를 수요관리사업자라는 중개업체를 통해 한국전력에 판매하는 거래가 이뤄지고 있다. 국내 전력산업이 기존에 '공급'위주에서 점점 '수요 중심'으로 변화하는 양상이다.

그리드 가상 조직(VO)

그리드 가상 조직(Virtual Organization VO)은 공통의 목적을 가지고 자발적으로 컴퓨팅 자원을 공유하는 조직이다. 그리드 가상 조직은 내부 규정과 정책의 집합에 의하여 제어되는 기존의 VO(Virtual Organization) 개념에서 벗어나 그리드 환경의 특성을 반영하고 임시적, 동적 기반의 자원 공유와 협업을 지원하기 위해서 개인 또는 기관, 시스템 자원이 모이도록 규격화된 임시적인 가상 조직이다. 그리드 환경을 구축하기 위해 사용되는 시스템 자원은 매우 동적인 특성이 있는데, 하나의 그리드 가상 조직을 형성할 경우에는 단순히 사용자와 기관, 시스템을 묶은 기존의 시스템에 비해서 많은 보안 문제점들이 있다. 이런 보안 문제점으로는 자원의 통합, 상호호환성, 신뢰관계, 위임 및 정책 구성, 그리드 가상 조직 인증 등이 있다. VO는 그리드 자원과 사용자 인증, 권한 부여 등의 관리가 편리하고 로컬 자원에 수천명의 계정을 만들 필요가 없는 장점이 있다.

그리드 가상 조직 인증 시스템

그리드 가상 조식 인증 시스템은 서로 다른 보안 메커니즘을 가질 수 있는 자원들로 구성된 그리드 가상 조직에 대하여 각 자원에 공통의 인증서를 부여함으로써 그리드 가상 조직에 대한 사용자 인증 서비스를 제공한다. 자원들 간에 오가는 데이터와 사용자의 작업 요구에 대하여 안전한 보안 서비스를 제공할 수 있다. 그리드 가상 조직 인증 시스템은 그리드 사용자의 요청에 의하여 가상 조직을 구성할 경우 가상 조직에 대한 인증 서비스를 제공하기 위한 시스템이다. 첫째, 그리드 환경에서 작업을 수행하려는 자신이 부여받은 인증서를 통해 각 자원에 접근한다. 둘째, 사용자의 작업 요청을 받은 그리드 자원 정보 시스템은 현재 유효한 자원의 규모를 파악하고, 이를 묶어 하나의 그리드 가상 조직을 형성한다. 셋째, 구성된 그리드 가상조직은 자신에 대한 인증서를 발급받기 위해 가상 조직을 구성하고 있는 자원에 대한 정보, 가상 조직 구성을 요청한 사용자의 인증서를 포함한 문서를 생성하여 그리드 가상조직 인증 모듈에 전송한다. 넷째, 문서를 수신한 그리드 가상 조직 인증 모듈은 요청된 그리드 가상 조직 정보를 추출하여 인증서 그리드에 요청한다. 마지막으로 발급된 임시 그리드 가상 조직 인증서와 키에 대한 정보를 해당 가상 조직에 전송하게 된다.

사례

삼성전자가 개발한 그리드 컴퓨팅 앱 '파워슬립(Power sleep)'은 잠들기 전에 켜두면 스마트폰 중앙처리장치(CPU)의 연산 능력이 인터넷을 타고 토마스 라타이(Thomas Rathai) 오스트리아 빈대 생명정보학부 교수 연구팀의 클라우드 슈퍼컴퓨터를 가동하는 데 쓰인다. 그리드 컴퓨팅이 본격 시작된 것은 암호 기술로 유명한 보안기업 알에스에이(RSA) 시큐리티가 낸 암호문(RC5)를 해독하기 위해 여러 사람들ㄹ이 그리드 컴퓨팅을 활용하여 모든 경우의 수를 하나씩 넣어 무차별 대입으로 풀게 되었다. 과학연구 분야에서 유럽입자물리연구소(CERN)에서 세계 34개 국가에서 20만 대의 컴퓨터를 연구작업에 동원하여 연구를 진행했다. 또한 그리드 컴퓨팅은 비트코인 등의 가상화폐의 생태계에서도 중요한 역할을 했는데 비트코인 거래 시 시스템이 자체적으로 화폐의 위조 여부를 검증하는 과정에서 그리드 컴퓨팅의 기술이 이용되고 검증과정에 참여한 컴퓨터에 보상으로 비트코인을 받는다.

단점

그리드 컴퓨팅에는 중앙처리장치의 연산 능력을 훔쳐 사익을 추구하는 악성 프로그램도 넘쳐나고 있다. 다른 사람의 컴퓨터를 감염시켜 비트코인 채굴에 동원하는 악성 프로그램이 등장했다. 디도스 공격 역시 불특정 다수의 컴퓨터 연산 능력을 훔쳐 동시에 특정 컴퓨터를 공격하는 방식이다. 일부 국내 웹하드 업체에서는 자신의 서버 비용을 줄이기 위해 고객의 컴퓨터를 일종의 서버로 이용하는 프로그램을 강제로 설치하게 한 사례도 있다. 다른 웹하드 이용자가 같은 파일을 찾으면 웹하드 서버 대신 이용자가 컴퓨터를 통해 파일을 전송해주는 방식이다. 이 경우 자신의 의사와 상관없이 컴퓨터가 느려지며 먹통이 되기도 한다. 인터넷 포털 네이버가 웹툰 서비스에 적용했다가 사용자들의 불만으로 기술 적용을 중단한 사례도 있다.

예

• SETI@home : SETI@home(Search for Extra-Terrestrial Intelligence)은 SETI 프로그램의 일환으로 분산 컴퓨팅 기술을 활용하여 인터넷에 연결된 컴퓨터들을 이용해 외계 지적 생명체를 탐구하는 프로젝트이다. 미국의 캘리포니아 대학교 버클리에서 1999년 5월 17일 일반에 공개하였고, 버클리 네트워크 컴퓨팅을 위한 공개 기반(BOINC) 플랫폼에 속해 있다. SETI는 지적인 생명체가 존재할 가능성이 높은 행성의 주파수 대역의 신호를 분석하여 특정한 반복 패턴을 보이는 인공적으로 만들어진 전파 신호를 가려내는 것이다. SETI는 천문학자 칼 세이건 원작의 영화 '콘택트' 를 통해 널리 알려졌다. 1960년대부터 시작되었지만 50년 가까이 아무런 외계 지성의 흔적을 찾지 못하고 있다. 외계로부터의 신호는 전파망원경으로 수신한다. 전파망원경이 수신한 전파 신호 속에는 별의 탄생이나 블랙홀에서 나오는 호킹 복사 등 온갖 자연의 전파가 포함돼 있다. 여기서 인공적인 전파를 가려내기 위해서는 높은 연산 능력의 슈퍼컴퓨터가 필요하게 된다. SETI@home은 전 세계에 연결된 개인용 컴퓨터가 구성하는 네트워크가 슈퍼컴퓨터의 역할을 하여 신호를 분석하는 것이다.

• BOINC : 네트워크 컴퓨팅을 위한 버클리 공개 인프라스트럭처(Berkeley Open Infrastructure for Network Computing, BOINC)은 캘리포니아 대학교 버클리에서 개발한 대한민국의 코리아앳홈과 같은 자원봉사자들을 대상으로 한 분산컴퓨팅을 이용해서 정보를 처리하는 미들웨어이다. 이 프로그램은 같은 대학교의 프로젝트인 SETI@home개발에서 나왔으나, SETI@home을 비롯한 수학, 의학, 분자 생물학, 기후학, 천체물리학같은 주제들에 대해서도 사용할 수 있다. BOINC은 SETI@home 프로젝트를 이끌어가는 버클리 대학교 우주과학 연구소의 데이비드 P. 안드레센(David P. Andreessen)이 주축인 팀에서 개발되었다. 유사 슈퍼컴퓨팅 플랫폼인 BOINC는 2008년 11월 23일 기준으로 전 세계적으로 500,000개 이상의 가동중인 컴퓨터(호스트)를 가지고 있으며, 평균 4.2 페타플롭스의 연산능력을 가지고 있다. BOINC 프로젝트는 2010년 11월 기준으로 누적 사용자 206만명, 누적 컴퓨터 581만 대가 넘으며, 2008년 1월 기준으로 BOINC 프로젝트 중 하나인 SETI@Home은 340만 년의 컴퓨터 시간 동안 가동되었다. BOINC은 누구든지 분산 컴퓨팅 프로젝트를 시작할 수 있게 하는 자유 구조로 설계되었고, 대부분의 BOINC 프로젝트들은 수익도 없고 자원자가 없으면 프로젝트를 돌릴 힘도 없을 정도이다. BOINC은 서버 시스템과 클라이언트시스템으로 이루어져 있으면, 분산, 작업, 일한 유닛을 보내는 것등을 서로 상호 소통하는 구조로 디자인되었다.

참고자료

• 〈그리드 컴퓨팅〉, 《네이버 지식백과》
• 〈그리드 컴퓨팅〉, 《Indico》, 2016-02-01
• 김완석, 김정국, 〈그리드 기술 연구 동향〉, 《ITFIND》
• 허의남, 〈그리 드 기술 동향과 표준화 전략〉, 《KoreaScience》, 2006
• 〈그리드와 클라우드 컴퓨팅의 차이점은 무엇입니까?〉, 《Netinbag》
• 박완기 외3명, 〈IT 기반 스마트 그리드 기술〉, 《ITFIND》, 2009-12-23
• 박창민, 조평동, 〈스마트그리드 네트워킹 기술 동향〉, 《한국전자통신연구원》, 2011
• 김명화 기자, 〈스마트 그리드가 에너지 공유시대 앞당긴다〉, 《환경미디어》, 2021-04-06
• 이원구, 이재광, 〈그리드 VO 상에서의 자동화된 자원 인증 시스템 연구〉, 《KoreaScience》, 2004-05-01
• 박병종 기자, 〈당신이 잠든 사이... 스마트폰, 슈퍼컴 된다〉, 《한국경제》, 2014-03-25
• 〈SETI@home〉, 《위키백과》
• 〈BOINC〉, 《위키백과》

같이 보기

• 그리드
• 컴퓨팅
• 컴퓨터
• 분산컴퓨팅

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