[논문]대규모 자율제어 CPS 소프트웨어 플랫폼 기술

김원태; 전인걸; 이수형; 박정민

대규모 자율제어 CPS 소프트웨어 플랫폼 기술 원문보기

정보과학회지 = Communications of the Korean Institute of Information Scientists and Engineers, v.31 no.12, 2013년, pp.16 - 28

김원태 (한국전자통신연구원) , 전인걸 (한국전자통신연구원) , 이수형 (한국전자통신연구원) , 박정민 (한국전자통신연구원)

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문제 정의

CPS는 기존 임베디드SW 기반 기술에 비해 물리시스템 혹은 물리 프로세스 제어에 대한 기술이 보다 강화되어 있다[2]. 과거의 물리시스템 기술이 기계적 물리적 특성을 제어하는 저수준 제어 SW에 제한되어 있다면, CPS7] 술은 이를 기반으로 보다 상위 수준 혹은 고수준의 SW 를 개발하여 물리시스템의 기능과 성능을 강화시킬 수 있는 지능형 물리시스템으로 진화시키는데 그 목적이 있다. 따라서, CPS 기술은 컴퓨팅 .
가능하여야 한다. 따라서 고성능의 경량화된 EDDS 실행 구조를 설계 개발하였다. EDDS를 구성하는 각종 기능 서비스를 구현할 경우 모듈화 구조를 채택하여 적용함으로써 사용자가 생성한 서비스 플러그인들을 표준화된 방법으로 EDDS에 추가할 수 있는 자료 구조를 제공한다.
본고에서는 ETRI CPS연구실에서 개발한 CPS SW 플랫폼 기술을 상세히 소개하였다. 먼저 다양한 산업도 메인의 대규모 자율제어형의 CPS가 공통적으로 필요로 하는 기술적 요구사항을 정의하였고, 이를 토대로 CPS SW플랫폼을 설계하였다.
제어되는 TA-CPS5 형태로 발전하고 있다. 본고에서는 丄A-CPS, 를 위한 주요 기술들을 제시한다.

제안 방법

CPS 통신 제어미들웨어로써 OMG DDS 기술을 확장 개발하여 EDDS(ETRI DDS)를 개발하였다. EDDS 는 DDS에서 정의한 기능을 모두 포함할 뿐만 아니라 대규모 시스템을 지원하기 위한 네트워크 시뮬레이션기술, 미들웨어의 확장성을 담보하기 위한 고성능 경량화된 실행 구조, 미들웨어을 활용한 시스템의 개발 및 운용을 지원하기 위한 응용 지원 프레임워크 등을 확장 개발하였다.
EDDS 는 DDS에서 정의한 기능을 모두 포함할 뿐만 아니라 대규모 시스템을 지원하기 위한 네트워크 시뮬레이션기술, 미들웨어의 확장성을 담보하기 위한 고성능 경량화된 실행 구조, 미들웨어을 활용한 시스템의 개발 및 운용을 지원하기 위한 응용 지원 프레임워크 등을 확장 개발하였다.
이를 위해 EDDS는 두 요구사항간의 조화를 이루어 전체적 인 데이터 배포 성능을 향상할 수 있는 새로운 멀티캐스팅 기법을 필요로 한다. EDDS가 지원해야할 각종 응용의 데이터 배포의 신뢰성 정도와 실시간성 요구 정도를 파악하고, 이를 달성하기 위해 데이터의 재전송, 오류 수정 코드의 사전 삽입 네트워크 코딩 방법의 활용 등과 같이 다양한 오류 제어 기법을 복합적으로 선택하여 적용할 수 있는 하이브리드 멀티캐스팅 기법을 설계 구현하였다. 이를 위해서 각 응용 서비스들의 전달 요구 특성을 파악하고 해당 응용의 종단 통신 개체 간에 네트워크에서 지원 가능한 손실 및 지연과 같은 네트워크 QoS와 응용의 요구사항을 충족하기 위해 필요로 하는 비용(네트워크 및 노드 자원 요구량) 을 고려하여 적용할 오류 제어 기법을 결정하도록 설계되 었다.
따라서 고성능의 경량화된 EDDS 실행 구조를 설계 개발하였다. EDDS를 구성하는 각종 기능 서비스를 구현할 경우 모듈화 구조를 채택하여 적용함으로써 사용자가 생성한 서비스 플러그인들을 표준화된 방법으로 EDDS에 추가할 수 있는 자료 구조를 제공한다.
EDDS의기반 구조를 제공하는 DDS가 정해진 크기를 가지는 토픽 형태의 데이터 타입을 기본 전송 단위를 구성하는 특성을 이용하여 메모리 관리를 사용자 영역에서 수행할 수 있는 별도의 메모리 관리기능을 구현하여 적용하였다. 또한 EDDS에서 교환 데이터 및 내부 관리데이터를 저장 관리하기 위해 Lock-Free 자료 구조를 설계하여 적용함으로써 수행 성능의 향상을 이루었다.
EDDS의기반 구조를 제공하는 DDS가 정해진 크기를 가지는 토픽 형태의 데이터 타입을 기본 전송 단위를 구성하는 특성을 이용하여 메모리 관리를 사용자 영역에서 수행할 수 있는 별도의 메모리 관리기능을 구현하여 적용하였다. 또한 EDDS에서 교환 데이터 및 내부 관리데이터를 저장 관리하기 위해 Lock-Free 자료 구조를 설계하여 적용함으로써 수행 성능의 향상을 이루었다.
기술을 상세히 소개하였다. 먼저 다양한 산업도 메인의 대규모 자율제어형의 CPS가 공통적으로 필요로 하는 기술적 요구사항을 정의하였고, 이를 토대로 CPS SW플랫폼을 설계하였다. CPS SW 플랫폼은 대규모 자율제어 CPS를 개발, 연동 및 제어하는데 있어서 핵심적인 기술들인 고신뢰 자율제어 CPS SW 개발환경 (EcoSUITE), LA-CPS 연동 제어 통신 미들웨어 (EDDS) 그리고 LA-CPS 자율제어 플랫폼(EcoACE)을 포함한다.
13에 보이고 있다. 응용이 지정한 QoS 정책으로부터 하이브리드 멀티캐스팅에서 필요로 하는 전송 단계에서의 QoS 수준을 결정하고 멀티캐스팅 과정에서 적용할 오류 제어 기법을 선정하기 위해 QoS 수준을 만족하기 위해 필요로 하는 리소스 사용량을 결정한다. 또한 응용의 데이터를 전송하는 과정에서 지속적으로 변동하게 될 리소스 사용량 및 네트워크 상태를 모니터링하고 이를 반영한다.
이를 기반으로 그림 6과 같이 EcoPOD(ETRI CPS Open Platform Developer)[5-6]를 개발하였다. EcoPOD 는 대규모 CPS 모델링 도구로, 기본적으로 미국의 'University of Arizona의 Bernard P.
EDDS가 지원해야할 각종 응용의 데이터 배포의 신뢰성 정도와 실시간성 요구 정도를 파악하고, 이를 달성하기 위해 데이터의 재전송, 오류 수정 코드의 사전 삽입 네트워크 코딩 방법의 활용 등과 같이 다양한 오류 제어 기법을 복합적으로 선택하여 적용할 수 있는 하이브리드 멀티캐스팅 기법을 설계 구현하였다. 이를 위해서 각 응용 서비스들의 전달 요구 특성을 파악하고 해당 응용의 종단 통신 개체 간에 네트워크에서 지원 가능한 손실 및 지연과 같은 네트워크 QoS와 응용의 요구사항을 충족하기 위해 필요로 하는 비용(네트워크 및 노드 자원 요구량) 을 고려하여 적용할 오류 제어 기법을 결정하도록 설계되 었다.

성능/효과

1) CPS 자율 컴퓨팅 프레임워크(CACF): CACF는 목표 모델을 기반으로 자가 적응을 수행하는 전역 자율 컴퓨팅 엔진(Global Autonomic Computing Engine, GACE)과 GACE의 요청에 따라 관리 자원의 상태를점검 및 변경하는 중간 관리자인 시스템 자원 관리자 (System Resource Manager, SRM), 동적 업데이트 관리자{Dynamic Update Manager, DUM) 및 하드웨어 결함 관리자{Hardware Fault Manager, HFM), 그리고 CPS 모델링 단계에서 정의된 목표 모델, 결함 모델, NSC, 치유 코드 등이 저장되어 있는 지식 베이스(Knowledge Base)로 구성된다.
2) CPS 관리 자원과 터치 포인트: CPS의 관리 자원은 크게 CPS 애플리케이션과 CPS 하드웨어로 나뉜다. CPS 애플리케이션은 CPS 개발자가 EcoPOD로 CPS의 구조(CSM), 행위(CBM) 등을 모델링한 후 해당 모델을 실제 구현 및 실행한 프로세스이다.
마지막으로, CPS기술은 새로운 기술이 아니라 세계적으로 추구되는 HW에서 SW로 전환을 요구하는 현시점에서 산업 현장의 산업적 . 경제적 요구사항이 반영되어 탄생한 개념이다.
마지막으로, SW 개발 및 검증단계 이후 시스템에 적용된 운용단계에서 기존의 컴퓨팅 디바이스와는 달리 CPS는 물리시스템을 기반하므로 불확실한 물리적 시스템 상태로 인한 오류로 전체 시스템의 미션에 영향을 끼치게 된다. 이러한 물리적 불확실성을 극복하고 전체 LA-CPS 차원에서 부여받은 미션을 완벽히 수행할 수 있기 위해서는 통합 시스템 단위의 자율제어를통해 미션을 완수할 수 있도록 지원하는 자율제어 SW 프레임워크가 요구된다.
이러한 자율컴퓨팅 시스템과 CPS 개발환경을 통합하기 위해서는 그림 16과 같이 CPS의 지식베이스가 되는 목표모델, 결함모델과 CPS의 상태를 식별할 수 있는 정상상태모델 및 정책모델, 전략 모델들을 개발총H야 한다. 이를 이용하여 CPS 시스템이 다양한 환경 속에서 모니터링-분석-계획-실행(Monitoring-Analyze-Plan-Execute, MAPE-K)프로세스를 기반으로 CPS개발 환경과의 통합이 가능하다.

후속연구

이슈 등이 있다. EDDS 차원에서는 기존 DDS 표준을 대규모 CPS에 맞도록 멀티도메인 확장성 지원, EDDS-Router 개발, 모니터링 프레임워크 및 도메인별 특화된 QoS API 확장 등이 추가될 것이다. EcoACE 차원에서는 특정 LA-CPS 응용에서 요구하는 협업형 목표 모델을 개발하고 다양한 CPS들이 협업하는 시나리오를 발굴하여 적용한다.
경제적 요구사항이 반영되어 탄생한 개념이다. 그러므로, ETRI에서 연구 개발된 CPS SW플랫폼은 다양한 정보통신 융합 산업체들과의 긴밀한 협력을 통해 산업기술경쟁력을 확보하는데 국가차원에서 활용되어져야 할 것이다.
향후 연구과제로 EcoSUITE 차원에서는 모델 DB의 확장, 정형검증엔진(EcoVERIFIER)의 클라우드컴퓨팅 환경 적용, 분산 시뮬레이션 엔진의 EDDS 기반 화와 관련된 이슈 등이 있다. EDDS 차원에서는 기존 DDS 표준을 대규모 CPS에 맞도록 멀티도메인 확장성 지원, EDDS-Router 개발, 모니터링 프레임워크 및 도메인별 특화된 QoS API 확장 등이 추가될 것이다.

참고문헌 (25)

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박정민, 강성주, 전인걸, 김원태, "네트워크 기반 자 율제어 CPS(Cyber-Physical Systems)기술," 한국통신학회지, 제30권, 10호, pp.86-92, 2013.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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