서버리스5GC 비용 효율적인 프라이빗 5G 코어 구현

본 논문은 프라이빗 및 에지 환경에서 5G 코어 네트워크가 간헐적인 트래픽 때문에 발생하는 자원 낭비 문제를 해결하기 위해, 3GPP 제어‑평면 절차를 각각 독립적인 Function‑as‑a‑Service(FaaS) 호출로 변환하는 “Serverless5GC” 아키텍처를 제안한다. 기존 오픈소스 5G 코어 구현(Open5GS, free5GC)은 네트워크 기능(NF)을 항상‑온 프로세스로 배포해, 사용량이 적을 때도 CPU·메모리를 지속적으로 점유한다. 이러한 비효율성을 극복하고자 저자는 절차‑기반 NF 분해 원칙을 서버리스 실행 모델에 적용하였다. 구조적으로는 12개의 5G 코어 NF(AMF, SMF, UDM, UDR, AUSF, NRF, PCF, NSSF 등)와 Release 17에 추가된 CHF, BSF, NSACF, NWDAF 등을 포함해 총 31개의 절차‑단위 함수를 정의한다. 각 함수는 Go 언어와 OpenFaaS의 go‑http 템플릿을 이용해 경량 Docker 이미지로 패키징되며, 필요 시 자동으로 인스턴스가 생성·소멸한다. 상태는 Redis(UE·세션·인증 등)와 etcd(NRF 레지스트리)라는 외부 KV 스토어에 저장해 함수 자체는 무상태(stateless)로 유지한다. 이는 3GPP TS 29.598이 정의한 UDSF(Unstructured Data Storage Function)와 동일한 역할을 수행한다. 핵심 인터페이스인 N2(SCTP/NGAP)를 유지하기 위해, 논문은 SCTP/NGAP 프록시를 도입한다. 프록시는 gNB와의 SCTP 연결을 수신하고 NGAP·NAS 메시지를 디코딩한 뒤, HTTP/JSON 형태로 OpenFaaS 게이트웨이에 전달한다. 함수의 응답은 다시 NGAP/NAS 형식으로 인코딩되어 UE에 전송된다. 이 과정에서 프로토콜 변환 오버헤드가 발생하지만, 실험 결과 전체 등록 지연에 미치는 영향은 미미했다. 프록시는 멀티‑호밍·헤드‑오브‑라인 스트리밍을 지원하지 않으며, 가용성을 위해 복제된 프록시와 SCTP‑aware 로드밸런서를 사용한다. 평가 환경은 4 vCPU/8 GB VM 3대(서버리스, Open5GS, free5GC)와 별도 로드 제너레이터 VM으로 구성했으며, 동일 네트워크 토폴로지와 동일한 UERANSIM gNB·UE 설정을 사용했다. 다섯 가지 트래픽 시나리오(Idle, Low 100 UE·1 reg/s, Medium 500 UE·5 reg/s, High 1000 UE·20 reg/s, Burst 500 UE·50 reg/s)에서 각각 3회 반복 측정하였다. 성능 결과는 다음과 같다. 등록 절차(p50) 지연은 Serverless5GC가 406‑522 ms, Open5GS가 403‑606 ms, free5GC가 3 s 수준으로 크게 차이났다. PDU 세션 설정 지연도 Serverless5GC가 163‑195 ms로 Open5GS(109‑146 ms)와 비슷했으며, free5GC는 1.8‑2.7 s 수준으로 뒤처졌다. 고부하 상황(p95, p99)에서는 모든 시스템에서 큐잉 지연이 증가했지만, 서버리스 구조가 추가적인 오버헤드를 거의 발생시키지 않았다. 비용 측면에서는 함수당 0.002 GB‑seconds(레지스터당)라는 자원‑시간 모델을 적용해, 클러스터 사용률이 65 % 이하이거나 다중 테넌트가 2명 이상일 경우 서버리스 배포가 항상‑온 대비 비용 효율적임을 입증했다. 관리형 FaaS(AWS Lambda 등)에서는 초당 609 registrations까지 비용 우위를 유지한다. 최악의 콜드‑스타트(31개 함수 모두 동시에 evict) 상황에서도 4‑5 초 내에 워밍‑업이 완료되어 서비스 중단 없이 정상 지연으로 복귀했다. 결론적으로, Serverless5GC는 5G 코어를 절차‑단위로 분해하고 서버리스 실행 모델에 매핑함으로써, 기존 “항상‑온” 아키텍처가 갖는 자원 비효율성을 크게 감소시킨다. 또한 N2 인터페이스를 그대로 지원하면서 오픈소스 기반(K3s + OpenFaaS)으로 구현 가능하므로, 프라이빗·에지 5G 네트워크의 비용 효율적 운영과 빠른 배포에 실질적인 기여를 할 수 있다.