승 의 양 , 병 오 고 , 종근 최 , 회 경 정 
 Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering . 2015 . May , 19 ( 5 ) : 1097 - 1103 
 DOI : http : / / dx . doi . org / 10 . 6109 / jkiice . 2015 . 19 . 5 . 1097 
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 승 의 양 
 병 오 고 
 Department of Computer Education , Gongju National University of Education , Gongju 314 - 711 , Korea 
 Department of Founded Leading , HanNam University , Daejeon 307 - 791 , Korea 
 Ⅲ . 시스템 구성 
 Ⅳ . 구현 및 실험 결과 
 일반 사용 자 , SOHO , 중소기업 의 경우 네트워크 간 VPN 을 도입 하 기 에 는 소요 비용 측면 에서 부담 이 크 다 할 수 있 다 . 따라서 유무 선 공유기 수준 의 저렴 한 가격 과 손쉬운 설정 으로 네트워크 간 VPN 을 구성 하 여 활용 할 수 있 는 장비 에 대한 필요 성 이 대두 되 고 있 다 . 
 본 논문 에서 는 유무 선 공유기 수준 의 저렴 한 비용 으로 네트워크 간 VPN 연동 이 가능 한 장비 를 제안 하 고자 한다 . H / W 플랫 폼 은 공개 된 유무 선 공유기 를 사용 하 고 , S / W 플랫 폼 은 네트워크 전용 공개 임베디드 OS 인 Open WRT 를 기반 으로 OpenVPN , easy - rsa , iproute 등 관련 오픈 소스 들 을 활용 하 여 구현 한다 . 일반 유무 선 공유기 플랫 폼 을 도입 하 여 가격 을 현저히 낮추 고 , 특정 모델 이 단종 되 어도 유사 기종 으로 쉽 게 이전 이 가능 토록 한다 . OpenWRT 플랫 폼 을 도입 하 여 최적 화 시킴 으로써 높 은 수준 의 최신 기술 을 빨리 적용 할 수 있 고 , 다양 한 H / W 플랫폼 에 이 식성 을 높일 수 있 도록 한다 . 여기 에 , 특허 출원 기술 인 다중 큐 잉 실시간 트래픽 쉐이 핑 기술 을 VPN 터널 에 적용 시켜 회선 품질 의 변화 가 빈번 하 더라도 최적 의 네트워크 환경 을 유지 할 수 있 도록 한다 . 
 본 장 에서 는 논문 에서 제안 한 시스템 구현 에 필요 한 관련 기술 3 가지 에 대해 제시 한다 . 
 대표 적 인 네트워크 장비 용 임베디드 OS 로 Linux 커널 을 기반 으로 하 여 안정 적 이 고 이 식성 이 뛰어나 다 . 다양 한 패 키 징 툴 을 지원 하 여 리눅스 관련 대부분 의 오픈 소스 를 활용 할 수 있 으며 , 오픈 소스 간 의 의존 성 문제 를 해결 해 주 어 효율 적 으로 원 하 는 펌웨어 컴파일 이 가능 하 다 . 시스코 , HP 등 네트워크 전문 기업 부터 atheros , broadcom 칩셋 개발 업체 그리고 버팔로 , D - Link , TPLink 등 수많 은 네트워크 써드 파티 기업 에서 기술 지원 에 참여 하 고 있 어 개발자 인프라 가 탄탄 하 고 관련 프로젝트 진행 이 활발 하 다 [ 1 , 2 ] . 
 - 2 . 2 . OpenVPN 
 VPN 기술 을 지원 하 는 대표 적 인 오픈 소스 프로그램 으로 VPN 에 필요 한 요소 인 암호 화 , 인증 , 네트 워킹 , 보안 등 을 모두 지원 하 며 새로운 기술 적용 이 가능 하 도록 확장 성 까지 지원 해 준다 . OpenWRT 를 포함 한 대부분 의 Linux 는 물론 Windows , Unix , iOS , 안드로이드 등 현존 하 는 대부분 의 OS 를 지원 해 준다 . 
 VPN 터널 링 기술 은 L 2 TP , PPTP 등 네트워크 계층 2 에서 구현 하 는 방법 과 IPSec , SSL 등 계층 3 에서 구현 하 는 방법 이 있 다 . 각각 의 방법 에 장단점 이 있 으나 현재 는 커널 수정 없이 구현 이 가능 하 며 , 이 식성 및 확장 성 이 뛰어난 SSL 방법 을 많이 활용 하 고 있 다 . 본 논문 에서 는 SSL 방법 을 적용 한다 [ 3 ] . 
 - 2 . 3 . iproute 2 
 응용 프로그램 영역 인 User - Space 에서 Linux 커널 의 네트워크 프로토콜 에 접근 할 수 있 는 소프트웨어 다 . 네트워크 라우터 , 트래픽 쉐이 핑 , 방화벽 모두 구현 할 수 있 는 툴 이 며 대부분 의 IDS , IPS 기술 의 기반 이 되 고 있 다 . 본 논문 에서 구현 한 다중 큐 잉 실시간 트래픽 쉐이 핑 도 iproute 2 를 기반 으로 구현 하 였 다 . 
 본 장 에서 는 논문 에서 제안 한 시스템 에 대해 구현 절차 와 시스템 구성 을 기술 한다 . 
 - 3 . 1 . OpenWRT 플랫 폼 이식 
 타 겟 H / W 플랫 폼 은 상용 유무 선 공유기 에 가장 많이 사용 되 는 CPU 인 Atheros , Broadcom 을 선택 한다 . 타 겟 개발 용 호스트 PC 는 Linux 기반 에 OpenWRT 개발 환경 을 준비 한다 . 타 겟 CPU 에 맞 도록 커널 설정 을 하 고 OpenVPN , openssl , iproute 2 , libpcap , 큐 잉 등 관련 패키지 들 을 선택 하 여 컴파일 한다 . 이렇게 준비 된 새 이미지 는 tftp 나 부트 로더 에서 펌 업 작업 을 한다 [ 3 ] . 
 - 3 . 2 . 네트워크 간 VPN - 브릿지 구현 
 OpenVPN Server Access Gateway , Client Gateway 를 개발 하 고 그림 1 처럼 원격 지 네트워크 가 VPN 을 통해 브릿지 연결 이 되 도록 구현 한다 . 두 개 의 네트워크 가 브릿지 로 연결 이 되 었 기 때문 에 라우팅 이 필요 없 고 주 소 체계 가 동일 하 고 동일 네트워크 처럼 동작 하 기 때문 에 이더넷 패킷 까지 교환 되 고 모든 장비 에 접근 이 가능 하 다 . DLNA ( Digital Living Network Alliance ) , 인트라넷 등 동일 네트워크 에서 동작 하 는 프로그램 을 그대로 쓸 수 있 는 장점 이 있 고 , 이더넷 패킷 까지 모두 전송 되 어 트래픽 이 과도 하 다는 단점 이 있 다 [ 4 ] . 
 VPN - 브릿지 	 Fig . 1 VPN - Bridge 
 - 3 . 3 . 네트워크 간 VPN - 라우팅 구현 
 그림 2 처럼 원격 지 네트워크 가 VPN 을 통해 라우팅 연결 이 되 도록 구현 한다 . 두 개 의 네트워크 가 라우팅 으로 연결 이 되 었 기 때문 에 주소 체계 가 다르 고 다른 네트워크 처럼 동작 하 기 때문 에 명시 적 으로 라우팅 설정 을 해서 사용 을 해야 한다 . 장단점 은 브릿지 방법 과 반대 라고 할 수 있 다 . 
 VPN - 라우팅 	 Fig . 2 VPN – Routing 
 - 3 . 4 . 브릿지 방법 에서 다중 큐 잉 실시간 트래픽 쉐이 핑 기술 구현 
 3 . 2 절 에서 구현 한 브릿지 에 그림 3 처 럼 VPN 터널 링 구간 을 다중 큐 잉 으로 구현 한다 . 다중 큐 잉에 는 밴 드폭 을 조절 하 기 쉬운 htb ( Hierarchical Token Bucket ) 와 우선 순위 조절 이 우수 한 sfq ( Stochastic Fairness Queuing ) 를 혼합 하 여 사용 한다 [ 5 , 6 ] . 큐 잉 은 서비스 포트 별 , IP 주소 별 PREROUTING , POSTROUTING 모두 설정 할 수 있 도록 구현 한다 . 디버깅 및 성능 평가 를 위해서 실시간 패킷 모니터링 이 가능 하 도록 하 고 VPN 터널 링 에 걸리 는 CPU 부하 를 모니터링 할 수 있 도록 준비 한다 . VPN 터널 링 을 통해서 DLNA 동영상 플레이 및 제어 가 되 도록 하 고 , 동시 에 ftp 송수신 과 ssh 접속 을 함께 할 수 있 도 록 하 여 큐 잉 방법 에 따라 그 성능 의 변화 를 모니터링 할 수 있 도록 구현 한다 . 
 VPN - 브릿지 - 다중 큐 잉 	 Fig . 3 VPN - Bridge with Multi - Queuing 
 정적 인 방법 으로 특정 IP , 특정 서비스 포트 별 로 별도 의 큐 를 할당 하 고 밴 드폭 과 우선 순위 를 설정 하 고 테스트 한 결과 는 별도 의 성능 평가 리포트 로 확인 할 수 있 다 . 
 여기 서 는 3 . 4 절 에서 제시 한 방법 대로 현실 의 DLNA 서버 , 플레이어 , 콘트 롤러 그리고 ftp , ssh 서버 , 클라이언트 장비 를 VPN 환경 의 테스트 베드 로 구축 하 였 다 . 이렇게 구축 된 동적 인 테스트 베드 환경 에서 다중 큐 잉 의 성능 을 비교 하 기 위하 여 다음 과 같이 3 가지 종류 의 성능 평가 를 실시 하 였 다 . 실험 데이터 의 우선 순위 는 원 하 는 대로 다양 하 게 적용 할 수 있 지만 , 여기 서 는 동영상 끊김 효과 를 바로 확인 할 수 있 도록 DLNA 스트림 데이터 를 가장 높 은 우선순위 로 지정 하 여 테스트 하 였 다 . 
 • 트래픽 쉐이 핑 없이 VPN 터널 링만 동작 
 • 단일 큐 잉 에서 트래픽 쉐이 핑 동작 
 • 다중 큐 잉 에서 트래픽 쉐이 핑 동작 
 - 4 . 2 . 트래픽 쉐이 핑 없이 VPN 터널 링만 동작 
 그림 의 VPN 터널 만 구성 하 여 연결 하 고 일체 의 트래픽 쉐이 핑 방법 을 적용 하 지 않 았 다 . 
 - 4 . 2 . 1 . 테스트 시나리오 
 ( 가 ) 번호 ⑬ → 번호 ③→ 번호 ⑩ 
 DLNA 콘트롤 러 ⑬ 로 DLNA 서버 ③ 에 있 는 동영상 ( 3 . 5 GB , 1920 x 800 , 4508 Kbps ) 을 DLNA 플레이어 ⑩ 에 플레이 시킨다 . 
 ( 나 ) 번호 ② → 번호 ⑫ 
 FTP 서버 ② 에 있 는 파일 ( 3 . 4 GB ) 을 FTP 클라이언트 ⑫ 에 다운로드 한다 . 
 ( 다 ) 번호 ⑭→ 번호 ① → 번호 ⑪ 
 DLNA 콘트롤 러 ⑭ 로 DLNA 서버 ① 에 있 는 동영상 ( 381 MB , 1280 x 720 , 7062 Kbps ) 을 DLNA 플레이어 ⑪ 에 플레이 시킨다 . 
 VPN - 브릿지 - 다중 큐 잉 - 테스트 베드 	 Fig . 4 VPN - Bridge with Multi - Queuing Testbed 
 - 4 . 2 . 2 . 테스트 결과 
 시나리오 ( 가 ) , ( 나 ) , ( 다 ) 순서 로 동시 실행 한다 . 
 • 공유기 의 VPN 프로세스 CPU 점유 율 : 90 ~ 98 % 
 • 시나리오 ( 가 ) : 간헐 적 으로 버퍼링 
 • 시나리오 ( 나 ) : 단독 실행 시 13000 Kbps , 동시 실행 시 1000 Kbps ~ 9000 Kbps 가변 적 
 • 시나리오 ( 다 ) : 지속 적 인 버퍼링 
 트래픽 쉐이 핑이 동작 하 지 않 기 때문 에 IP 간 DLNA 간 FTP 간 대역폭 , 우선 순위 가 설정 되 지 않 았 다 . 따라서 FTP 속도 의 변화 폭 이 크 고 , DLNA 플레이 중 나중 에 실행 시킨 “ 다 ” 의 경우 지속 적 인 버퍼링 현상 이 발생 한다 . 
 - 4 . 3 . 단 일 큐 잉 에서 트래픽 쉐이 핑 동작 
 2 개 의 큐 를 가지 고 첫 번 째 큐 에 는 1 종 의 데이터 스트림 만 전송 하 고 두 번 째 큐 에 는 2 종 의 데이터 스트림 을 전송 한다 . 2 개 의 큐 는 모두 동일 한 우선순위 , 대역폭 으 로 구성 한다 . 
 - 4 . 3 . 1 . 테스트 시나리오 
 ( 가 ) 큐 1 : 번호 ⑬ → 번호 ③ → 번호 ⑩ 
 큐 1 을 통해서 DLNA 콘트롤 러 ⑬ 로 DLNA 서버 ③ 에 있 는 동영상 ( 3 . 5 GB , 1920 x 800 , 4508 Kbps ) 을 DLNA 플레이어 ⑩ 에 플레이 시킨다 . 
 ( 나 ) 큐 2 : 번호 ② → 번호 ⑫ 
 큐 2 를 통해 FTP 서버 ② 에 있 는 파일 ( 3 . 4 GB ) 을 FTP 클라이언트 ⑫ 에 다운로드 한다 . 
 ( 다 ) 큐 2 : 번호 ⑭ → 번호 ① → 번호 ⑪ 
 ( 나 ) 에서 함께 사용 하 는 큐 2 를 통해 DLNA 콘트롤 러 ⑭ 로 DLNA 서버 ① 에 있 는 동영상 ( 381 MB , 1280 x 720 , 7062 Kbps ) 을 DLNA 플레이어 ⑪ 에 플레이 시킨다 . 
 - 4 . 3 . 2 . 테스트 결과 
 - 공유기 의 VPN 프로세스 CPU 점유 율 : 70 ~ 80 % 사이 안정 적 
 • 시나리오 ( 가 ) : 전혀 버퍼링 없음 
 • 시나리오 ( 나 ) : 3000 Kbps ~ 4000 KBps 범위 유지 
 • 시나리오 ( 다 ) : 자주 버퍼링 
 트래픽 쉐이 핑이 동작 하 고 큐 1 을 독립 적 으로 사용 하 는 ( 가 ) 의 경우 항상 안정 적 인 속도 가 보장 되 어 원활 한 동영상 디스플레이 가 가능 하 다 . 하지만 , 큐 2 를 같이 쓰 는 ( 나 ) 와 ( 다 ) 는 FTP 속도 의 변화 가 1000 Kbps 정도 의 폭 에서 가변 적 이 고 , 동영상 은 자주 버퍼링 현상 이 발생 한다 ( 4 . 2 절 보 다는 원활 함 ) . 
 - 4 . 4 . 다중 큐 잉 에서 트래픽 쉐이 핑 동작 
 3 개 의 큐 를 가지 고 각 테스트 시나리오 마다 별도 의 큐 를 사용 하 게 한다 . 동영상 스트림 이 통과 하 는 큐 1 과 큐 3 은 우선 순위 와 대역폭 을 동일 하 게 설정 한다 . FTP 스트림 이 통과 하 는 큐 2 는 큐 1 , 3 에 비해 우선 순위 가 낮 고 대역폭 도 좁 게 설정 한다 . 
 - 4 . 4 . 1 . 테스트 시나리오 
 ( 가 ) 큐 1 : 번호 ⑬ → 번호 ③ → 번호 ⑩ 
 ( 나 ) 큐 2 : 번호 ②-→ 번호 ⑫ 
 큐 2 를 통해서 FTP 서버 ② 에 있 는 파일 ( 3 . 4 GB ) 을 FTP 클라이언트 ⑫ 에 다운로드 한다 . 
 ( 다 ) 큐 3 : 번호 ⑭→ 번호 ①→ 번호 ⑪ 
 큐 3 을 통해서 DLNA 콘트롤 러 ⑭ 로 DLNA 서버 ① 에 있 는 동영상 ( 381 MB , 1280 x 720 , 7062 Kbps ) 을 DLNA 플레이어 ⑪ 에 플레이 시킨다 . 
 - 4 . 4 . 2 . 테스트 결과 
 - 공유기 의 VPN 프로세스 CPU 점유 율 : 86 ~ 93 % 사이 안정 적 
 • 시나리오 ( 가 ) : 전혀 버퍼링 없음 . 
 • 시나리오 ( 나 ) : 900 Kbps ~ 4000 Kbps 가변 적 . 우선 순 위 가 낮 아 전체 트래픽 이 올라가 면 낮 아 짐 . 시나리오 ( 다 ) : 속도 체크 를 위한 1 ~ 2 번 의 버퍼링 만 발생 . 
 트래픽 쉐이 핑이 동작 하 고 큐 1 , 큐 3 을 사용 하 는 동영상 은 모두 안정 적 으로 플레이 된다 . 큐 3 의 경우 동영상 플레이 중 한 번 이나 두 번 버퍼링 이 발생 하 는데 이 는 버퍼링 용량 을 계산 하 기 위한 동작 이 기 때문 에 원활히 플레이 된다고 볼 수 있 다 . 
 FTP 스트림 이 사용 하 는 큐 2 는 우선 순위 가 낮 고 대역 폭 이 작 기 때문 에 큐 1 , 3 에 영향 을 주 지 않 는다 . 큐 2 의 경우 우선 순위 가 가장 낮 기 때문 에 큐 1 , 3 이 우선 대역폭 을 사용 하 고 남 은 용량 을 사용 하 기 때문 에 속도 의 하한 치가 낮 아 지 고 속도 변화 량 이 증가 함 을 알 수 있 다 . 실험 데이터 의 결과 는 표 1 과 같 다 . 
 실험 데이터 비교 Table . 1 The Comparison of Test Results 
 실험 데이터 비교 	 Table . 1 The Comparison of Test Results 
 CPU 부 하 는 VPN 터널 링 알고리즘 에 소요 되 는 비용 이 다 . 큐 잉 을 사용 함 에 따라 안정 적 으로 CPU 부하 를 제어 할 수 있 음 을 알 수 있 다 . 본 실험 에서 사용 한 Atheros 싱글 코어 400 Mhz CPU 는 Blowfish 알고리즘 사용 시 최대 속도 가 약 13 , 000 kbps 로 측정 되 었 다 . CPU 속도 만 700 Mhz 로 올려도 20 , 000 kbps 성능 은 충분히 보장 할 수 있 고 , 이후 다양 한 CPU 에 다양 한 알고리즘 테스트 를 진행할 계획 이 다 . 
 ssh 반응 은 트래픽 쉐이 핑 을 통해 바로 효과 가 나타남 을 알 수 있 다 . ftp 전송 은 우선 순위 를 낮추 어서 스트림 데 이타 에 지장 을 주 지 않 도록 적용 을 하 였 다 . 따라서 멀티 큐 에서 의 ftp 전송 속도 가 가장 늦 고 변화 폭 이 큰 것 을 알 수 있 다 . 이 에 대한 이득 은 모두 동영상 스트림 데 이타 의 우선 순위 로 갖 게 된다 . 
 마지막 으로 DLNA 스트림 버퍼링 은 트래픽 쉐이 핑 의 적용 여부 와 멀티 큐 를 사용 함 에 따라 그 효과 가 다르 게 나타남 을 알 수 있 다 . 
 본 논문 에서 는 2 가지 를 구현 하 였 다 . 첫째 로 , 개방 형 유무 선 공유기 H / W 플랫폼 에 개방 형 OpenWRT 플랫 폼 을 기반 으로 네트워크 간 VPN 을 터널 링 을 지원 하 도록 구현 하 여 저렴 한 가격 에 VPN 구성 이 가능 하 도록 하 였 다 . 둘째 로 , 특허 출원 기술 인 다중 큐 잉 실시간 트래픽 쉐이 핑 기술 을 VPN 터널 에 적용 시켜 회선 품질 의 변화 가 발생 하 더라도 최적 의 네트워크 환경 을 유지 할 수 있 도록 하 여 저렴 한 장비 지만 회선 품질 성능 은 상용 제품 보다 우수 하 도록 하 였 다 . 
 특히 실험 결과 와 같이 , 전용 VPN 장비 에 비해 상대 적 으로 부족 한 유무 선 공유기 의 CPU 성능 을 실시간 다중 큐 잉 트래픽 쉐이 핑 기술 로 네트워크 상황 과 CPU 상황 그리고 우선 순위 에 따라 대역폭 을 조절 함 으로서 실제 운용 성능 을 최대 로 끌어올린 것 에 본 논문 의 의미 가 있 다고 할 수 있 다 . 
 향후 과제 로 는 다중 큐 잉 방법 과 병행 하 여 가중치 가 다른 다중 터널 링 으로 확장 하 여 더욱 효율 적 인 성능 을 끌어낼 수 있 는 방법 에 대한 연구 가 필요 하 다 . 또한 , 응용 과제 로 는 IoT 센서 를 본 논문 에서 개발 한 플랫폼 에 “ 센서 - DLNA ” 가상 화 기술 과 접목 시켜 VPN 을 통한 댁내 센서 에 안전 한 접근 이 가능 한 연구 로 발전 시킬 수 있 다 . 
 본 논문 은 중소기업청 에서 지원 하 는 2014 년 도 산학연 협력 기술 개발 사업 ( No . C 0212853 ) 의 연구 수행 으로 인한 결과물 임 을 밝힙니다 . 
 양승의 ( Seung Eui Yang ) 
 1989 년 홍익 대학교 전자 계산 학과 ( 이 학사 ) 
 1991 년 홍익 대학교 전자 계산 학과 ( 이학 석사 ) 
 1991 년 ~ 1996 년 국방과학연구소 연구원 
 1996 년 ~ 2003 년 ( 주 ) 인터 미디어 대표 
 2007 년 ~ 2009 년 ( 주 ) 코아 트리 이사 
 2010 년 ~ 2014 년 CEWIT Korea 연구 위원 
 2013 년 ~ 현재 유 넷 ( 주 ) 이사 , 배재 대학교 컴퓨터 공학 과 박사 과정 
 ※ 관심 분야 : OpenWRT , Embedded Linux , VPN , UPnP , DLNA , OLSR , USN , IPROUTE , 서버 보안 
 고병오 ( Byung Oh Goh ) 
 1986 년 충남 대학교 계산 통계학 과 ( 이 학사 ) 
 1989 년 홍익 대학교 전자 계산 학과 ( 이학 석사 ) 
 1996 년 홍익 대학교 전자 계산 학과 ( 이학 박사 ) 
 1997 년 ~ 현재 공주 교육 대학교 컴퓨터 교육 과 교수 
 ※ 관심 분야 : Embedded System , 컴퓨터 교육 , STEAM 교육 
 2013 ~ 한남 대학교 창업 선도 대학 교수 
 Kye Min - seok , Min Joon - Ki , Yang Seung - Eui , Park Sang - No , Jung Hoe - kung 2014 " iOS - based Fitness Management System utilizing OpenWrt Server " Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering 18 ( 2 ) 
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