[논문 리뷰] Large-Scale Co-Simulation of Power Grid and Communication Network Models with Software in the Loop

Eric MSP Veith, Jawad Kazmi외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 05. 22.

Distributed and Parallel Computing Systems참고 문헌 23인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 스마트그리드에서 복원성 있는 소프트웨어 롤아웃 프로토콜을 검증하기 위해 전력망, 통신망, 컨테이너화된 소프트웨어 인 더 루프(SIL) 시뮬레이션을 통합한 대규모 공동 시뮬레이션 테스트베드를 제시한다. mosaik를 사용해 공동 시뮬레이션 오케스트레이션을 구현하고, iPerf3를 컨테이너에 배포해 실시간 네트워크 동작을 에뮬레이션함으로써, 시뮬레이션 스택 내 통신 병목 현상으로 인해 지연과 대역폭 제약이 발생하는 바람에 성능이 제한됨을 입증한다. 이는 향후 확장성 향상을 위한 핵심 최적화 필요성을 드러낸다.

ABSTRACT

Power grids are transitioning from an infrastructure model based on reactive electronics towards a smart grid that features complex software stacks with intelligent, pro-active and decentralized control. As the power grid infrastructure becomes a platform for software, so does the need for a reliable roll-out of software updates on a large scale. In order to validate resilient large-scale software roll-out protocols, corresponding test beds are needed, which mirror not only ICT networks, but also include the actual software being deployed, and show the interaction between the power grid and the ICT network during the roll-out, and especially during roll-out failures. In this paper, we describe the design implementation of a large-scale co-simulation test bed that combines ICT and power grid simulators. We pay specific attention to the details of integrating containerized software in the simulation loop.

연구 동기 및 목표

• 스마트그리드에서 소프트웨어 롤아웃을 현실적으로 시뮬레이션할 수 있는 테스트베드의 부족 문제를 해결하기 위해, 완전한 소프트웨어 스택과 전력망 및 통신망 간의 상호작용을 포함한다.
• 실제 컨테이너화된 소프트웨어를 시뮬레이션 루프에 통합함으로써 장애 조건 하에서 복원성 있는 소프트웨어 업데이트 프로토콜의 검증을 가능하게 한다.
• 컨테이너화된 SIL을 통해 실제 소프트웨어 구성 요소를 통합할 때 공동 시뮬레이션 아키텍처에서 발생하는 성능 병목 현상을 규명하고 분석한다.
• open-source 공동 시뮬레이션 프레임워크인 mosaik를 사용해 스마트그리드의 대규모 사이버-물리계통 테스트를 위한 가능성을 탐색한다.
• 사이버-물리계통의 공동 시뮬레이션 환경에서 통신 효율성, 직렬화, 프로세스 관리 향상을 위한 향후 개선 방향을 안내한다.

제안 방법

• 공동 시뮬레이션 프레임워크는 전력망 시뮬레이터(pandapower), ICT 네트워크 시뮬레이터(OMNeT++), 그리고 mosaik 공동 시뮬레이터를 중심 오케스트레이터로 사용해 소프트웨어 인 더 루프(SIL) 구성 요소를 통합한다.
• 컨테이너화된 애플리케이션(iPerf3)은 가상화된 네트워크 인터페이스(vif) 내에서 클라이언트 및 서버로 배포되어 ICT 네트워크 모델을 통해 실제 세계의 데이터 흐름을 시뮬레이션한다.
• 데이터 흐름은 정의된 경로를 따라: vif → vif-sim → mosaik → OMNeT++ → mosaik → vim-sim’ → vif’ 로 이어지며, 네트워크 메트릭의 종단 간 측정이 가능해진다.
• 시스템은 mosaik의 요청-응답 패턴과 압축되지 않은 JSON을 사용해 시뮬레이터 간 통신을 수행하며, 이로 인해 단일 스레드 풀링과 컨텍스트 스위치로 인해 지연이 발생한다.
• 노드 수를 증가시켜(최대 100개) 라운드트립 시간과 TCP 대량 전송 속도를 측정함으로써 성능 병목 현상을 분석한다.
• 현재 스택의 주요 비효율성으로는 컨테이너별 프로세스 생성, 다중 네트워크 스택 순환, 이벤트 기반 신호 전달 부재를 규명하고, 향후 최적화로 다중화 및 ZeroMQ 기반 전송을 제안한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실제 컨테이너화된 소프트웨어를 루프에 포함하면서도 전력망 및 ICT 네트워크 상호작용을 시뮬레이션할 수 있는 대규모 공동 시뮬레이션 테스트베드는 어떻게 설계할 수 있는가?
• RQ2 mosaik와 OMNeT++를 사용해 공동 시뮬레이션 환경에 소프트웨어 인 더 루프를 통합할 경우 발생하는 성능 제약은 무엇인가?
• RQ3 통신 오버헤드, 직렬화, 프로세스 관리가 공동 시뮬레이션된 사이버-물리계통에서 라운드트립 시간과 대역폭에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 스마트그리드에서 확장성 있고 저지연의 소프트웨어 롤아웃 테스트를 지원하기 위해 필요한 아키텍처적 변화는 무엇인가?
• RQ5 컨테이너화된 애플리케이션은 공동 시뮬레이션 환경에서 효과적으로 에뮬레이션될 수 있는가? 이를 통해 소프트웨어 업데이트 및 장애 발생 시 실제 세계의 동작을 평가할 수 있는가?

주요 결과

• 노드 수가 10에서 100으로 증가함에 따라 라운드트립 시간이 약 23 ms에서 447 ms로 증가하여 부하가 증가함에 따라 지연이 증가하는 것으로 나타났지만, 지수적 증가는 아니었다.
• 통신 스택 비효율성으로 인해 TCP 대량 전송 속도가 3654–6102 kB/s로 떨어져 표준 이더넷 성능에 크게 못 미쳤다.
• mosaik 공동 시뮬레이터의 단일 스레드, 요청-응답 통신 모델과 압축되지 않은 JSON은 고주기 풀링 상황에서 특히 심각한 지연을 유발했다.
• 다중 네트워크 스택을 거쳐 데이터 전송 중 커널 및 사용자 영역 간 빈번한 컨텍스트 스위치가 발생해 처리 지연이 발생했다.
• 각 컨테이너마다 vim-sim 프로세스를 별도로 실행하는 방식은 높은 프로세스 및 컨텍스트 스위치 오버헤드를 유발했으며, 이는 다중화 기법이 성능 향상에 기여할 수 있음을 시사한다.
• 연구는 ZeroMQ 통합 및 제로 코피 프리미티브를 향후 공동 시뮬레이션 스택에서 지연 감소 및 대역폭 향상에 유망한 최적화 방향으로 규명했다.