본 논문에서는 선박 통합 게이트웨이를 이용하여 선박 내 기기를 하나의 네트워크로 연결하는 선박 네트워크(Ship AreaNetwork)에 대하여 네트워크의 구조를 분석하고 모든 기기의 연결을 담당하는 선박 통합 게이트웨이의 망요소적 역할 및 필요 최소 성능에 대해 분석한다. 이를 위하여 선박 내 네트워크에 대한 참조망 구조 및 종단간 연결에 대해 분석하고 트래픽 모델 및 선박 네트워크의 요구사항을 분석하였다. 그리고 이를 바탕으로 선박 통합 네트워크 구조를 반영하는 네트워크 시뮬레이터를 설계하였다. 망요소에 대한 성능 평가 결과, 제안한 네트워크에서 통합 게이트웨이가 스위치로서 동작하고 약 30,000 packets/s 이상의 성능을 보유하였을 때, 선박 네트워크가 선박 내부의 트래픽을 안정적으로 전송하였음을 확인할 수 있었다.
본 논문에서는 선박 통합 게이트웨이를 이용하여 선박 내 기기를 하나의 네트워크로 연결하는 선박 네트워크(Ship Area Network)에 대하여 네트워크의 구조를 분석하고 모든 기기의 연결을 담당하는 선박 통합 게이트웨이의 망요소적 역할 및 필요 최소 성능에 대해 분석한다. 이를 위하여 선박 내 네트워크에 대한 참조망 구조 및 종단간 연결에 대해 분석하고 트래픽 모델 및 선박 네트워크의 요구사항을 분석하였다. 그리고 이를 바탕으로 선박 통합 네트워크 구조를 반영하는 네트워크 시뮬레이터를 설계하였다. 망요소에 대한 성능 평가 결과, 제안한 네트워크에서 통합 게이트웨이가 스위치로서 동작하고 약 30,000 packets/s 이상의 성능을 보유하였을 때, 선박 네트워크가 선박 내부의 트래픽을 안정적으로 전송하였음을 확인할 수 있었다.
This paper analyzes ship area network(SAN) with integrated gateway. For the analysis, this paper analyzes reference network architecture, end-to-end connection model, traffic model, and requirement of SAN. Also, the type of network element and minimum performance of integrated gateway is derived by ...
This paper analyzes ship area network(SAN) with integrated gateway. For the analysis, this paper analyzes reference network architecture, end-to-end connection model, traffic model, and requirement of SAN. Also, the type of network element and minimum performance of integrated gateway is derived by ship area network simulator. The performance evaluation results show that a integrated gateway operating as network switch with performance over than 30,000 packets/sec can provides end-to-end connection with satisfaction of requirement of each end-to-end connection.
This paper analyzes ship area network(SAN) with integrated gateway. For the analysis, this paper analyzes reference network architecture, end-to-end connection model, traffic model, and requirement of SAN. Also, the type of network element and minimum performance of integrated gateway is derived by ship area network simulator. The performance evaluation results show that a integrated gateway operating as network switch with performance over than 30,000 packets/sec can provides end-to-end connection with satisfaction of requirement of each end-to-end connection.
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문제 정의
본 논문에서는 선박 통합 게이트웨이를 이용하여 선박 네트워크를 단일 네트워크로 구성하는 선박 통합 네트워크에 대해 성능 평가를 수행하였다. 특히 망의 중앙에서 전체 기기들을 연결하는 통합 게이트웨이는 망요소적 역할로 스위치가 가장 적합하며, 최소 스위칭 능력은 30,000 packets/s임을 확인하였다.
본 논문에서는 통합 선박 네트워크 구조의 선박 영역 네트워크에 대해 성능 분석을 수행한다. 이를 위하여 선박 통합 네트워크에 대한 참조망 구조 및 종단간 연결에 대해 분석한다.
이 절에서는 선박 통합 네트워크에 대한 참조망 구조 및 종단간 연결에 대해 분석을 한다. 선박 통합 네트워크의 참조망 구조는 그림 2와 같다.
가설 설정
통합 게이트웨이는 Upper Deck의 Wheel House 내부 랙(rack)에 위치하며 웹 서버 및 VDR 역시 Wheel House에 위치한다. INS, IBS 및 선원 네트워크는 Upper Deck의 7~8층에 위치하는 것으로 가정하였다. AMS는 엔진실에 위치하므로 가장 아래 위치하고 있으며 AIS, GPS 역시 실제 설치 거리를 고려하여 위치를 지정하였다.
또한 선박의 크기가 커지거나 추가적인 기기 관측 장비 및 CCTV와 같은 감시 장비를 추가로 장착 하는 경우 같이 네트워크가 확장되는 경우에도 트래픽이 증가한다. 따라서 다양한 선박에서의 상황을 고려하여 네트워크 요소를 선정하기 위하여 본 논문에서는 해당 원인으로 인해 트래픽이 발생하는 것을 백그라운드 트래픽이 발생하는 것으로 가정하였다. 백그라운드 트래픽은 CCTV가 선박 내부에 추가된 상황을 가정하며, 하나의 노드는 1Mbps의 비디오 트래픽을 발생시키도록 설정하였다.
그림 4는 선박 게이트웨이가 허브 또는 스위치 역할을 수행할 경우에 백그라운드 트래픽에 따라 나타나는 각 트래픽의 패킷 손실율을 나타내며 그림 5는 이 때 각 트래픽의 지연시간을 나타낸다. 링크 용량은 100Mbps로 가정하였으며 시뮬레이션은 1200 초 동안 수행하였다. 이 결과에서 통합 게이트웨이가 허브 역할을 수행할 경우 물리적으로 동일하게 연결시키는 허브의 특성에 의해 MAC 계층에서 충돌이 증가하므로 UDP 프로토콜을 이용하는 트래픽은 패킷 손실, TCP 프로토콜을 이용하는 트래픽은 재전송으로 인한 지연을 겪게 된다.
따라서 다양한 선박에서의 상황을 고려하여 네트워크 요소를 선정하기 위하여 본 논문에서는 해당 원인으로 인해 트래픽이 발생하는 것을 백그라운드 트래픽이 발생하는 것으로 가정하였다. 백그라운드 트래픽은 CCTV가 선박 내부에 추가된 상황을 가정하며, 하나의 노드는 1Mbps의 비디오 트래픽을 발생시키도록 설정하였다. 백그라운드 트래픽의 양에 따라 노드의 수는 점차 증가한다.
제안 방법
시뮬레이터 내부의 송신 노드들에서는 역할에 따라 표 1의 트래픽을 발생하며 수신 노드들에서는 수신한 패킷량, 지연시간 등을 기록하게 된다. 각각의 기록은 네트워크의 성능 평가에 필요한 패킷 손실율, 패킷 지연시간을 분석하는데 이용되었다.
이를 위하여 선박 통합 네트워크에 대한 참조망 구조 및 종단간 연결에 대해 분석한다. 또한 각 연결에 대한 트래픽 모델에 대해 분석하고, 선박 네트워크가 갖추어야할 요구조건들을 분석한다. 설계한 네트워크의 성능 검증 및 통합 게이트웨이의 망요소적 역할, 최소 성능을 확인하기 위하여, 선박 네트워크 시뮬레이터를 개발하여 이를 활용하였다.
선박 통합 네트워크의 성능 평가를 위해 그림 3과 같은 네트워크 성능 평가 시뮬레이터를 개발하였다. 이 시뮬레이터에서는 참조망 구조 및 각 장비에 대한 선박 내 위치를 반영하여 네트워크가 구성되었다.
또한 각 연결에 대한 트래픽 모델에 대해 분석하고, 선박 네트워크가 갖추어야할 요구조건들을 분석한다. 설계한 네트워크의 성능 검증 및 통합 게이트웨이의 망요소적 역할, 최소 성능을 확인하기 위하여, 선박 네트워크 시뮬레이터를 개발하여 이를 활용하였다.
본 논문에서는 통합 선박 네트워크 구조의 선박 영역 네트워크에 대해 성능 분석을 수행한다. 이를 위하여 선박 통합 네트워크에 대한 참조망 구조 및 종단간 연결에 대해 분석한다. 또한 각 연결에 대한 트래픽 모델에 대해 분석하고, 선박 네트워크가 갖추어야할 요구조건들을 분석한다.
이론/모형
초기의 선박 네트워크에서는 네트워크가 존재하지 않았던 선박에 네트워크를 설치하여야 하는 어려움과 네트워크의 속도가 빠르지 않고 회선의 신뢰성이 낮다는 특성 때문에 그림 1의 좌측과 같이 통신이 필요한 개별 시스템 사이에 직접적 연결을 이용하는 방식인 점대점(point-to-point) 연결 방식을 이용하였다. 그러나 이러한 연결 방식은 점대점 연결 방식을 위해서 선의 길이가 전체적으로 증가하기 때문에 배선 비용 증가 및 고장 발생 시 원인 탐색과 수리에 어려움이 있고, 최근 네트워크의 발달에 따라 이더넷(Ethernet) 및 전력선 통신(Power Line Communication)의 링크 속도 및 신뢰성이 증가하여 점대점 연결방식이 더 이상 필요하지 않다는 점 등 다양한 이유에 의해 그림 1의 우측과 같이 각각의 시스템을 하나의 네트워크에 물려 통신을 수행하는 방식인 선박 통합 네트워크(Integrated Ship Area Network) 구조로 변경되어 가고 있다[1-3].
성능/효과
이 결과에서 네트워크의 지연시간은 설정한 요구 조건을 모두 만족하고 있으나 패킷 손실율의 경우에는 통합 게이트웨이의 성능이 약 30,000 packets/s 미만인 경우에 요구 조건을 벗어나고 있음을 확인할 수 있다. 따라서 통합 게이트웨이가 30,000 packets/s 이상의 패킷 스위칭 능력을 보유하면 선박 네트워크의 요구조건을 만족하면서 네트워크가 원활하게 동작 가능함을 확인할 수 있다. 참고로 해당 성능은 중급 네트워크 스위치의 성능인 약 10Mpackets/s[9]에 비해 0.
반면 스위치를 이용할 경우에는 물리적으로 분리가 되므로 충돌이 발생하지 않아 손실이 발생하지 않고 재전송에 의한 지연시간이 나타나지 않는다. 따라서 통합 게이트웨이는 스위치 역할을 수행하는 것이 가장 적합함을 확인할 수 있다.
그림 6은 통합 게이트웨이의 패킷 스위칭 능력에 따라 각 트래픽 별 패킷 손실률의 변화를 나타낸 그래프이며 그림 7은 평균 지연시간을 나타낸 그래프이다. 이 결과에서 네트워크의 지연시간은 설정한 요구 조건을 모두 만족하고 있으나 패킷 손실율의 경우에는 통합 게이트웨이의 성능이 약 30,000 packets/s 미만인 경우에 요구 조건을 벗어나고 있음을 확인할 수 있다. 따라서 통합 게이트웨이가 30,000 packets/s 이상의 패킷 스위칭 능력을 보유하면 선박 네트워크의 요구조건을 만족하면서 네트워크가 원활하게 동작 가능함을 확인할 수 있다.
따라서 통합 게이트웨이가 30,000 packets/s 이상의 패킷 스위칭 능력을 보유하면 선박 네트워크의 요구조건을 만족하면서 네트워크가 원활하게 동작 가능함을 확인할 수 있다. 참고로 해당 성능은 중급 네트워크 스위치의 성능인 약 10Mpackets/s[9]에 비해 0.3% 정도에 해당하는 성능이기 때문에 통합 게이트웨이가 일반 상업용 스위치보다 특별히 뛰어난 성능을 보유할 필요가 없음을 확인할 수 있으므로 장비의 내구성이나 고장 발생 빈도 등 성능 분석 외적의 요구사항만 만족된다면 상용 장비를 선박 네트워크에 충분히 적용 가능함을 확인할 수 있다. 다만 장비의 별도 개발이 필요할 경우에는 본 논문의 성능 제한을 참고할 필요가 있다.
본 논문에서는 선박 통합 게이트웨이를 이용하여 선박 네트워크를 단일 네트워크로 구성하는 선박 통합 네트워크에 대해 성능 평가를 수행하였다. 특히 망의 중앙에서 전체 기기들을 연결하는 통합 게이트웨이는 망요소적 역할로 스위치가 가장 적합하며, 최소 스위칭 능력은 30,000 packets/s임을 확인하였다. 도출한 성능 요구 조건은 추후 선박 통합 네트워크 관련 장비 선정 또는 개발에 활용 가능할 것으로 기대한다.
후속연구
3% 정도에 해당하는 성능이기 때문에 통합 게이트웨이가 일반 상업용 스위치보다 특별히 뛰어난 성능을 보유할 필요가 없음을 확인할 수 있으므로 장비의 내구성이나 고장 발생 빈도 등 성능 분석 외적의 요구사항만 만족된다면 상용 장비를 선박 네트워크에 충분히 적용 가능함을 확인할 수 있다. 다만 장비의 별도 개발이 필요할 경우에는 본 논문의 성능 제한을 참고할 필요가 있다.
특히 망의 중앙에서 전체 기기들을 연결하는 통합 게이트웨이는 망요소적 역할로 스위치가 가장 적합하며, 최소 스위칭 능력은 30,000 packets/s임을 확인하였다. 도출한 성능 요구 조건은 추후 선박 통합 네트워크 관련 장비 선정 또는 개발에 활용 가능할 것으로 기대한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
선박 네트워크는 어떤 역할을 하는가?
선박 네트워크 또는 선박 영역 네트워크(Ship Area Network)는 선박 내에 구축되어 제어 명령, 상태 정보, 문서 및 도면 정보 등을 교환할 수 있도록 제공되는 백본 네트워크를 말한다. 선박 네트워크는 선박 내 기계장치 제어를 선원이 직접 수행할 필요 없이 중앙에서 가능하게 하기 때문에 선박 자동화에 반드시 필요한 요소이며 컨테이너선 및 크루즈선과 같은 대형 선박을 약 30여명의 선원만으로도 운항이 가능하도록 해주는 역할을 수행한다.
선박 네트워크 또는 선박 영역 네트워크란?
선박 네트워크 또는 선박 영역 네트워크(Ship Area Network)는 선박 내에 구축되어 제어 명령, 상태 정보, 문서 및 도면 정보 등을 교환할 수 있도록 제공되는 백본 네트워크를 말한다. 선박 네트워크는 선박 내 기계장치 제어를 선원이 직접 수행할 필요 없이 중앙에서 가능하게 하기 때문에 선박 자동화에 반드시 필요한 요소이며 컨테이너선 및 크루즈선과 같은 대형 선박을 약 30여명의 선원만으로도 운항이 가능하도록 해주는 역할을 수행한다.
선박 네트워크에서 점대점(point-to-point) 연결 방식을 이용할 때 발생하는 한계점은 무엇인가?
초기의 선박 네트워크에서는 네트워크가 존재하지 않았던 선박에 네트워크를 설치하여야 하는 어려움과 네트워크의 속도가 빠르지 않고 회선의 신뢰성이 낮다는 특성 때문에 그림 1의 좌측과 같이 통신이 필요한 개별 시스템 사이에 직접적 연결을 이용하는 방식인 점대점(point-to-point) 연결 방식을 이용하였다. 그러나 이러한 연결 방식은 점대점 연결 방식을 위해서 선의 길이가 전체적으로 증가하기 때문에 배선 비용 증가 및 고장 발생 시 원인 탐색과 수리에 어려움이 있고, 최근 네트워크의 발달에 따라 이더넷(Ethernet) 및 전력선 통신(Power Line Communication)의 링크 속도 및 신뢰성이 증가하여 점대점 연결방식이 더 이상 필요하지 않다는 점 등 다양한 이유에 의해 그림 1의 우측과 같이 각각의 시스템을 하나의 네트워크에 물려 통신을 수행하는 방식인 선박 통합 네트워크(Integrated Ship Area Network) 구조로 변경되어 가고 있다[1-3]. 이러한 네트워크 구조에서는 각 장비들에 대한 연결을 통합 게이트웨이(integrated gateway)가 연결해주어 상호간에 통신이 가능하도록 한다.
참고문헌 (9)
B. K. Park, "Hyundai Heavy Industuries and Maersk begin new era of smart ship," Monthly Maritime Korea, Apr. 27, 2011. from http://www.monthlymaritimekorea.com/news/ar ticleView.html?idxno7962
Lee A. Luft, Larry Anderson, Frank Cassidy, "NMEA 2000 A Digital Interface for the 21st Century," Institute of Navigation's 2002 National Technical Meeting, San Diego, California, Jan. 30, 2002.
J. H. Hwang, "Methods for advance of maritime, ship-building, and steel industuries," Monthly Oceans and Fisheries, vol. 257, Feb. 2006.
M. J. Kim and J. W. Jang, "A comparative study on packet by network design in in-ship," in Proc. 4th Int. Conf. Interaction Sci. (ICIS) 2011, pp.194-199, Shanghai, China, Aug. 2011.
I. Jurdana, V. Tomas, and R. Ivce, "Availability model of optical communication network for ship's engines control," in Proc. 3rd Int. Congr. Ultra Modern Telecommun. Control Syst. and Workshops (ICUMT) 2011, pp.1-6, Budapest, Hungary, Oct. 2011.
D. Chen, L. Xia, and H. Wang, "Modeling and simulation of monitor-control network in ship power station," Workshop on Power Electronics and Intelligent Transportation System (PEITS) 2008, pp.384-388, Guangzhou, China, Aug. 2008
S. H. Lee, J. H. Kim, K. D. Moon, K. Lee, and J. H. Park, "Backbone network architecture planning of ship area network," in Proc. APWCS 2010, pp. 1-5, Taiwan, May 2010.
T. Lammie, Cisco Certified Network Associate Study Guide, Sybex, Mar. 2007.
Cisco, Cisco Switch Guide(2012), Retrieved Mar. 19, 2012, from http://www.cisco.com
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