[논문]SDDC BAS에 적합한 라우팅 알고리즘의 설계

김정욱; 부창진; 이용호; 최윤기; 정진우; 김호찬

doi:10.5302/j.icros.2012.18.11.1045

문제 정의

본 논문에서는 유선 메시 기반 아키텍처에서 경량 RTOS 및 웹서비스(web service)를 지원하는 기계장비와 전기장비, 조명장비를 통합 운영하는 BAS이며, 임베디드 컨트롤러에 이더넷 포트를 4개 장착하여 RS-485의 멀티드롭과 동일한 효과를 가질 수 있다. 또한 웹서비스 기술 및 무선기술을 채택함으로써 BAS 시스템의 운영상 편의성을 높이고자 한다.
본 논문에서는 SDDC BAS에 적합한 라우팅 알고리즘을 찾아내기 위하여, NS-2 시뮬레이터 기반으로 실제 환경과 유사한 실험 환경을 구축하고 각 라우팅 알고리즘을 적용시켜 성능 비교 및 평가를 진행하였다.
본 논문에서는 유선 메시 기반 아키텍처에서 경량 RTOS 및 웹서비스(web service)를 지원하는 기계장비와 전기장비, 조명장비를 통합 운영하는 BAS이며, 임베디드 컨트롤러에 이더넷 포트를 4개 장착하여 RS-485의 멀티드롭과 동일한 효과를 가질 수 있다. 또한 웹서비스 기술 및 무선기술을 채택함으로써 BAS 시스템의 운영상 편의성을 높이고자 한다.
본 논문에서는 클라우드 기반의 구조를 갖는 새로운 BAS인 SDDC (Sangmyung Direct Digital Controller)를 제안한다. NS-2 (Network Simulator version 2) 시뮬레이터를 이용하여 새로운 BAS 시스템에 기존의 IP 라우팅 프로토콜을 적용하여 구성하고, 다양한 라우팅 프로토콜의 성능 비교 및 평가를 통해 구현기술의 유효성을 검증하고자 한다.

가설 설정

또한 각 현장 제어장치는 유선 연결 구조를 가진다. 각 센서 및 현장 제어장치의 통합 제어 및 모니터링을 위한 서버 노드는 지하 1층에 한 개 있다고 가정하고 토폴로지를 구성하였다. 각 관제점에서 발생하는 모든 데이터는 서버 노드로 전송된다.
본 논문에서 사용한 네트워크 토폴로지는 그림 3과 같이 상명대학교 소프트웨어대학 5층 건물을 기반으로 설계하였고, 각 현장 제어장치는 건물 내 방 하나에 한 개가 있다고 가정하였다. 한 개의 현장 제어장치는 총 4가지의 센서 데이터를 주기적으로 전송하도록 설계하였다.

제안 방법

이에 시뮬레이션을 원활히 진행하기 위하여 관제점의 패킷 발생주기와 시뮬레이션 시간을 같은 비율로 축소하여 진행하였다. 4개의 라우팅 알고리즘을 비교하기 위해 동일한 파라미터에서 라우팅 알고리즘 파라미터만을 변환하며 시뮬레이션을 진행하였다.
본 논문에서는 클라우드 기반의 구조를 갖는 새로운 BAS인 SDDC (Sangmyung Direct Digital Controller)를 제안한다. NS-2 (Network Simulator version 2) 시뮬레이터를 이용하여 새로운 BAS 시스템에 기존의 IP 라우팅 프로토콜을 적용하여 구성하고, 다양한 라우팅 프로토콜의 성능 비교 및 평가를 통해 구현기술의 유효성을 검증하고자 한다.
라우팅 오버헤드는 전송되는 모든 패킷 바이트에 대한 제어 패킷(control packet) 바이트의 비율로 나타내었다. Static 알고리즘은 제어 패킷 발생이 없으므로 라우팅 오버헤드는 발생하지 않고 Session 알고리즘 역시 거의 Static 알고리즘과 유사하기 때문에 DV 알고리즘과 LS 알고리즘만을 비교하였다.
이 알고리즘은 한 노드에서 다른 모든 노드로의 최단경로를 구하는 알고리즘이다. 각 노드는 토폴로지에 있는 모든 링크에 대한 인접 매트릭스(adjacent matrix)와 링크코스트(link cost)를 이용하여 경로를 계산한다. NS-2에서 Static 알고리즘의 경로 계산은 시뮬레이션이 시작할 때 오직 한번만 계산한다.
시뮬레이션에 사용한 파라미터들을 정리하면 표 1과 같다. 관제점 패킷 발생 시간과 시뮬레이션 시간을 제외한 토폴로지와 파라미터들을 실제 SDDC BAS에 맞게 구성하였으며, 관제점에서 발생하는 패킷의 주기는 응용에 따라 다를 수 있다. 이에 시뮬레이션을 원활히 진행하기 위하여 관제점의 패킷 발생주기와 시뮬레이션 시간을 같은 비율로 축소하여 진행하였다.
성능 평가 요소로 단대단 지연(end to end delay), 처리율(throughput) 그리고 라우팅 오버헤드(routing overhead)를 사용하였다. 그리고 데이터 전송 프로토콜을 TCP 프로토콜과 UDP 프로토콜을 적용시켜, 비교를 진행하였다.
본 논문에서 언급하는 평균 단대단 지연은 각 관제점에서 발생한 패킷이 서버 노드로 전송되어 처리된 시간의 평균이다. 데이터 전송 프로토콜은 TCP로 설정하여 실험을 진행하였다. 실험 결과 LS 알고리즘이 0.
기존 RS-485 기반 빌딩 자동화 시스템의 문제점을 극복하기 위하여 SDDC BAS에서는 각 현장 제어장치는 메쉬 네트워크(mesh network) 기반 구조를 가지며, RS-485가 아닌 이더넷 배선 사용을 제안한다. 또한 임베디드 컨트롤러(embedded controller)로 구현된 현장 제어장치는 이더넷 포트(ethernet-port)를 4개 장착하여 RS-485의 멀티드롭(multi-drop) 방식과 동일한 효과를 가질 수 있게 하였다. 이렇게 제안된 빌딩 자동화 시스템의 구조는 기존 시스템보다 배관 및 배선을 30% 이상 절감할 수 있으며 확장성 또한 용이하다.
본 장에서는 NS-2로 구현한 시뮬레이션 환경을 통해 각 라우팅 알고리즘의 성능을 평가하였다. 성능 평가 요소로 단대단 지연(end to end delay), 처리율(throughput) 그리고 라우팅 오버헤드(routing overhead)를 사용하였다.
본 장에서는 NS-2로 구현한 시뮬레이션 환경을 통해 각 라우팅 알고리즘의 성능을 평가하였다. 성능 평가 요소로 단대단 지연(end to end delay), 처리율(throughput) 그리고 라우팅 오버헤드(routing overhead)를 사용하였다. 그리고 데이터 전송 프로토콜을 TCP 프로토콜과 UDP 프로토콜을 적용시켜, 비교를 진행하였다.
시뮬레이션은 NS-2를 사용하여 실제 시스템에 적용시킬 수 있는 토폴로지를 구성 후 테스트를 진행하였다.
관제점 패킷 발생 시간과 시뮬레이션 시간을 제외한 토폴로지와 파라미터들을 실제 SDDC BAS에 맞게 구성하였으며, 관제점에서 발생하는 패킷의 주기는 응용에 따라 다를 수 있다. 이에 시뮬레이션을 원활히 진행하기 위하여 관제점의 패킷 발생주기와 시뮬레이션 시간을 같은 비율로 축소하여 진행하였다. 4개의 라우팅 알고리즘을 비교하기 위해 동일한 파라미터에서 라우팅 알고리즘 파라미터만을 변환하며 시뮬레이션을 진행하였다.
본 논문에서 사용한 네트워크 토폴로지는 그림 3과 같이 상명대학교 소프트웨어대학 5층 건물을 기반으로 설계하였고, 각 현장 제어장치는 건물 내 방 하나에 한 개가 있다고 가정하였다. 한 개의 현장 제어장치는 총 4가지의 센서 데이터를 주기적으로 전송하도록 설계하였다. 또한 각 현장 제어장치는 유선 연결 구조를 가진다.
그림 4는 현장 제어장치의 구조이며, 토폴로지 구조 상 하나의 노드가 된다. 한 개의 현장 제어장치에서 사용하는 센서 및 관제점은 총 4개이므로, 시뮬레이션에서의 현장 제어장치는 CBR (Constant Bit Rate) 트래픽 4개를 주기적(0.5s 마다)으로 발생하도록 설정하였다. 네트워크 대역은 1초에 10메가의 비트를 처리할 수 있는 10Mbps로 설정하였으며 물리적인 통신선로를 통하여 데이터 신호가 송신자로부터 수신자로까지 도달하는 전파지연은 100ms로 설정하였다.

대상 데이터

그림3. 시뮬레이션에서 사용한 네트워크 토폴로지.

이론/모형

1) Static 알고리즘: NS-2의 디폴트 라우팅 알고리즘으로써 다익스트라의 ‘All-Pair SPF (Shortest Path First) Algorithm’을 이용한다.
경로 계산 알고리즘은 Static, Session 알고리즘과 마찬가지로 다익스트라의 ‘All-Pair SPF Algorithm’을 사용한다.
네트워크 대역은 1초에 10메가의 비트를 처리할 수 있는 10Mbps로 설정하였으며 물리적인 통신선로를 통하여 데이터 신호가 송신자로부터 수신자로까지 도달하는 전파지연은 100ms로 설정하였다. 또한 각 노드는 큐가 꽉 차게 되면 패킷을 드랍시키는 DropTail 큐 관리 기법을 사용하였다. 시뮬레이션에 사용한 파라미터들을 정리하면 표 1과 같다.

성능/효과

3) DV (Distance Vector) 알고리즘: NS-2의 DV 알고리즘은 ‘Distributed Bellman-Ford’ 라우팅 혹은 ‘Distance Vector’ 라우팅이라 부른다.
4) LS (Link State) 알고리즘: LS 알고리즘에서 네트워크 내의 모든 노드들은 전체 네트워크 토폴로지와 모든 링크 코스트를 알고 있다. 모든 노드들은 주기적으로 링크 상태를 네트워크 내의 모든 노드들로 방송하게 되므로 모든 노드가 동일한 네트워크 토폴로지와 링크 코스트의 정보를 공통으로 가지고 있고, 이를 바탕으로 경로를 계산한다.
또한 라우팅 오버헤드는 Distance Vector 알고리즘이 Link State 알고리즘보다 매우 적게 발생함을 확인하였다. 따라서 빌딩 자동화 시스템이 소규모 네트워크라는 것을 고려하였을 때 Distance Vector 알고리즘이 효율적임을 확인할 수 있었다.
하지만 처리율 결과에서 노드 고장이 발생하였을 때, Distance Vector 알고리즘과 Link State 알고리즘을 적용 시에 처리율이 전체적으로 상승하는 것을 확인할 수 있었다. 또한 라우팅 오버헤드는 Distance Vector 알고리즘이 Link State 알고리즘보다 매우 적게 발생함을 확인하였다. 따라서 빌딩 자동화 시스템이 소규모 네트워크라는 것을 고려하였을 때 Distance Vector 알고리즘이 효율적임을 확인할 수 있었다.
그림 11에서 Static 알고리즘은 TCP 전송 프로토콜을 사용했을 때와 마찬가지로 네트워크의 상태변화에 적절히 대응하지 못하는 현상이 나타났다. 또한 최선형(best effort) 서비스를 제공하는 UDP 프로토콜의 특성 상 노드가 끊긴 직후 패킷이 드롭된 것을 관찰할 수 있다. 이와 반대로 나머지 알고리즘에서는 대역폭에 비해 관제점들에서 전송되는 데이터의 크기가 작기 때문에 링크의 손실이 없으면 패킷이 드롭(drop)되지 않는다.
이와 반대로 나머지 알고리즘에서는 대역폭에 비해 관제점들에서 전송되는 데이터의 크기가 작기 때문에 링크의 손실이 없으면 패킷이 드롭(drop)되지 않는다. 서버로 들어오는 바이트의 수가 약 200,000 바이트에 달하는 TCP 프로토콜에 비하여 0.3 %의 비율로 패킷이 발생되는 것을 확인할 수 있다.
데이터 전송 프로토콜은 TCP로 설정하여 실험을 진행하였다. 실험 결과 LS 알고리즘이 0.9705초로 가장 적었으며, DV 알고리즘 적용 시 평균 단대단 지연 시간은 0.9708초로 LS 알고리즘과 큰 차이가 없음을 보여주고 있다.
실험 결과로서 라우팅 알고리즘에 따른 단대단 지연은 각 알고리즘 간 큰 차이가 발생하지 않는다는 점을 확인할 수 있었다. 하지만 처리율 결과에서 노드 고장이 발생하였을 때, Distance Vector 알고리즘과 Link State 알고리즘을 적용 시에 처리율이 전체적으로 상승하는 것을 확인할 수 있었다.
실험 결과로서 측정 시간이 증가 할수록 DV 알고리즘의 경우 라우팅 오버헤드가 LS 알고리즘 보다 오버헤드가 줄어드는 비율이 큰 것을 확인할 수 있었다. 이는 DV 알고리즘이 새로운 상태변화 정보가 없을 때 까지, 같은 네트워크 안에 있는 노드와 링크의 상태정보를 인접한 노드끼리 교환하기 때문이다.
또한 임베디드 컨트롤러(embedded controller)로 구현된 현장 제어장치는 이더넷 포트(ethernet-port)를 4개 장착하여 RS-485의 멀티드롭(multi-drop) 방식과 동일한 효과를 가질 수 있게 하였다. 이렇게 제안된 빌딩 자동화 시스템의 구조는 기존 시스템보다 배관 및 배선을 30% 이상 절감할 수 있으며 확장성 또한 용이하다.
그림 9에서 Session 알고리즘의 경우 노드의 변화 시 경로를 재계산하는 과정을 거치기 때문에 성능저하가 나타난 후 다시 원래와 같은 처리율을 유지하지만 링크가 단절되는 순간 재계산하는 과정이 있기 때문에 처리율이 LS나 DV보다 큰 폭으로 저하된 것을 볼 수 있다. 이를 통해 DV 알고리즘과 LS 알고리즘을 적용하였을 때, 전체적인 처리율이 상승함을 확인할 수 있다. 하지만 Static 알고리즘을 제외한 나머지 알고리즘들은 네트워크 상태변화를 체크하기 위한 부하인 라우팅 오버헤드가 생기게 된다.
하지만 각 알고리즘 당 차이가 거의 발생 하지 않음을 확인할 수 있다. 측정 결과로 각 알고리즘 당 최대 홉 수는 18 홉으로 모두 동일하였다. 하지만 DV 알고리즘과 LS 알고리즘을 적용 시 15홉 이상부터 최대 홉 카운트인 18 홉을 통과하는 패킷들의 수가 총 1,177개에서 1,111개로 감소하는 것을 확인할 수 있었다.
측정 결과로 각 알고리즘 당 최대 홉 수는 18 홉으로 모두 동일하였다. 하지만 DV 알고리즘과 LS 알고리즘을 적용 시 15홉 이상부터 최대 홉 카운트인 18 홉을 통과하는 패킷들의 수가 총 1,177개에서 1,111개로 감소하는 것을 확인할 수 있었다.
실험 결과로서 라우팅 알고리즘에 따른 단대단 지연은 각 알고리즘 간 큰 차이가 발생하지 않는다는 점을 확인할 수 있었다. 하지만 처리율 결과에서 노드 고장이 발생하였을 때, Distance Vector 알고리즘과 Link State 알고리즘을 적용 시에 처리율이 전체적으로 상승하는 것을 확인할 수 있었다. 또한 라우팅 오버헤드는 Distance Vector 알고리즘이 Link State 알고리즘보다 매우 적게 발생함을 확인하였다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	빌딩 자동화 시스템 BAS의 도입 목적은?	최근 신축되고 있는 많은 대형 건물들은 쾌적한 사무 환경을 제공하는 동시에 업무 능률을 향상시키고 효과적으로 건물의 운용을 도모할 목적으로 빌딩 자동화 시스템 BAS (Building Automation Systems)를 도입하고 있다. 빌딩 자동화 시스템은 고도의 기술이 집적된 제어기술과 다양한 기능의 수행을 위하여 분산화 및 모듈화가 이루어지고 있으므로, 이에 따라 네트워크의 역할이 중요해지고 있다.
	빌딩 자동화 시스템이 분산화 및 모듈화를 이루고 있는 이유는?	최근 신축되고 있는 많은 대형 건물들은 쾌적한 사무 환경을 제공하는 동시에 업무 능률을 향상시키고 효과적으로 건물의 운용을 도모할 목적으로 빌딩 자동화 시스템 BAS (Building Automation Systems)를 도입하고 있다. 빌딩 자동화 시스템은 고도의 기술이 집적된 제어기술과 다양한 기능의 수행을 위하여 분산화 및 모듈화가 이루어지고 있으므로, 이에 따라 네트워크의 역할이 중요해지고 있다. 고도의 안전성과 실시간성을 요구하는 빌딩 자동화 시스템에서 네트워크의 실시간성은 전체 제어시스템의 성능과 직결되며, 네트워크 프로토콜의 성능분석은 빌딩 내 네트워크 설계에 필수적인 요소이다.
	현재 다양한 제조업체들이 자체적으로 보유한 독자적인 프로토콜을 상호 연계하는 경우가 많이 발생하고 있는데, 이때 이점은?	초기의 BAS는 DDC (Direct Digital Controller) 기술을 도입하여 건물 내의 다양한 장비를 한 회사가 제어하였으나 현재는 다양한 제조업체들이 자체적으로 보유한 독자적인 프로토콜을 상호 연계하는 경우가 많이 발생하고 있다. 이는 BAS의 확장과 기술발전 및 개선을 가로막는 중요한 장벽이 되어 왔다. 이를 해결하고자 개발된 통신 프로토콜이 BACnet (Building Automation and Control Network)이다. BACnet은 Ethernet, ARCNet, MS/TP (Master Slave/Token Passing), PTP (Point to Point), LonTalk 등의 LAN 표준에 기반을 두고 있으므로 제공업체 및 사용자 모두에게 이점을 준다[3,4].

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