Kubernetes 기반 IoT 환경에서의 컨트롤러 비교 및 개선방안

Abstract

엔터프라이즈 IoT의 영역에서 컴퓨팅 성능을 활용하는 IoT 기기의 기능은 점점 실시간으로 신속하게 데이터를 분석하는 수단으로서 가치가 높아지고 있으며, 이를 위해 중앙 집중식 데이터 센터의 형태에서 더욱 빠르고 효율적인 데이터 처리와 의사결정을 위한 엣지 컴퓨팅(Edge Computing) 형태로의 패러다임 전환의 필요성이 부각되고 있다. 이러한 엣지 컴퓨팅 형태의 분산된 작은 클라우드 환경을 구축하기 위해 많은 기업들이 컨테이너 기반의 가상화 방식을 도입하고 있다. 시스템을 가상화 하는 것이 아닌 애플리케이션 구동 환경을 가상화 하는 컨테이너 가상화 기술은 인프라 구축 아키텍처 및 운영 방식을 크게 변화시켰다. 기존 호스트 및 하이퍼바이저 위주의 가상화 기술보다 가볍고 성능이 좋을 뿐만 아니라, 동일한 물리적 서버 또는 가상서버에서 더 많은 애플리케이션을 구동할 수 있는 밀집도를 자랑한다. 대규모의 컨테이너들을 배포 및 관리하기 위한 서비스와 기능을 제공하는 다수의 컨테이너 오케스트레이션(Container Orchestration)툴이 있으며, 이들 중 쿠버네티스(Kubernetes)는 베어 메탈, VM환경, 퍼블릭 클라우드 등의 다양한 환경에서 작동할 수 있도록 지원하고 가장 풍부한 기능에 힘입어 널리 사용되고 있다. 본 논문에서는 쿠버네티스 기반 IoT 환경의 가상 시나리오를 구현하여 각 환경에 활용 가능한 쿠버네티스 컨트롤러 (Controller)의 대표적인 두가지인 DaemonSet과 ReplicaSet을 비교하고, 이를 각각 또는 혼합(Hybrid) 사용하여 IoT기반 운영 환경에서 향후 보완해야 할 문제 2가지(컴퓨터 자원과 처리시간을 단축)의 개선방안을 제안한다.

동일한 IoT기반 환경의 클러스터를 구현하여 각각의 컨트롤러를 생성 후 서비스 중단이나 네트워크 장애와 같은 상황을 가상으로 하는 시뮬레이션을 통해 쿠버네티스에서 즉시 자동으로 서비스의 복구가 이루어지는지의 여부를 검토하였고, 자원 사용량에 있어 DaemonSet 컨트롤러로 구성 된 클러스터가 self-healing 메커니즘에 최적화 되어있는 ReplicaSet 환경보다 더 적은 사용량을 나타내는 것을 확인하였다. 하나의 노드에 많은 서비스를 운영하는 클라우드 환경에서 ReplicaSet이 안정성과 신뢰성이 높은 반면, 대부분 사물인터넷 기기 자체에서 한 두가지의 서비스를 실행하는 엣지 컴퓨팅에서는 DaemonSet이 자원 가용성 측면에서 큰 경쟁력을 가지고 있음을 확인하였다. 나아가 IPFS 분산저장소를 활용하여 두 컨트롤러를 혼합한 환경을 구현하며, 쿠버네티스를 활용한 IoT 기반 환경에서 조직 또는 관리자가 자원을 효과적으로 사용하고 안정적인 서비스 운영을 돕는 방안을 제시한다.