[논문]이기종 필드 센서 네트워크의 효율적인 통신 환경을 위한 거리벡터 라우팅 프로토콜 기반 CAN 라우팅 프로토콜에 관한 연구

한경헌; 한승조

doi:10.6109/jkiice.2013.17.8.1820

이기종 필드 센서 네트워크의 효율적인 통신 환경을 위한 거리벡터 라우팅 프로토콜 기반 CAN 라우팅 프로토콜에 관한 연구
A Study of CAN Routing Protocol for Efficient Communication Environment Based on Distance Vector Routing Protocol in Heterogeneous Field Sensor Network 원문보기

한국정보통신학회논문지 = Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, v.17 no.8, 2013년, pp.1820 - 1826

한경헌 (Department of Information & Communication Engg., Chosun University) , 한승조 (Department of Information & Communication Engg., Chosun University)

초록
AI-Helper

산업현장에서 가장 많이 사용하고 있는 이기종 필드 센서 네트워크의 경우 센서간 통신은 CAN 통신 방식을 기반으로 버스형 구조로 설계되어 있다. 이러한 네트워크는 버스형 구조 특성상 거리 벡터 라우팅 프로토콜을 지원하고 있으며, 또한 이기종 네트워크를 지원할 경우 별도의 라우팅 테이블을 두어 변환하는 방식을 지원한다. 하지만 이러한 네트워크는 확장의 제한 및 늦은 전송처리속도 문제로 인해 네트워크 효율성 저하에 원인이 되고 있다. 그래서 본 논문에서는 네트워크의 확장성 및 높은 전송 처리속도를 보장하기 위한 새로운 CAN 라우팅 프로토콜을 제안한다. 제안하는 라우팅 프로토콜은 RIPv2 기반으로 설계되었으며, 거리 벡터 라우팅 프로토콜의 단점을 보안하기 위해 우선순위 부여 및 부가 기능을 부여할 수 있는 구간을 두는 방식을 지원하도록 설계하였다. 본 논문에서 제안하는 방식의 효율성 증가를 검증하기 위해 CAN 통신 기반으로 이기종 필드 센서 네트워크를 구축하여 데이터 전송률을 측정하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Heterogeneous field sensor network between sensor to sensor is designed the CAN method to bus type structure in most using at industry. This Network is supporting a distance vector routing protocol on a characteristic structural a bus type. Also This network support to convert as making separate routing table in heterogeneous network. However distance vector routing protocol make a problem of decrease efficiency because of restriction of network expandability and low transmission process. We propose new CAN routing protocol to support network expandability and high transmission process of industry network. New CAN routing protocol structure addition priority and optional function field based on RIPv2. We established heterogeneous field sensor network, we measure data Throughput(bits/sec) for confirm new CAN routing protocol to increase efficient in industry.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

그래서 본 논문에서는 이러한 문제점을 해결할 수 있는 RIP 계열의 새로운 라우팅 프로토콜을 제안한다. 제안하는 라우팅 프로토콜은 클래스리스 라우팅 프로토 콜인 RIPV2 기반으로 사용하지 않고 비어 있는 구간에 우선 순위 부여 및 부가 기능을 부여할 수 있는 기능을 넣어 재설계하였다.
본 논문에서는 산업현장에서 가장 많이 사용되는 이기종 필드 버스 네트워크에 적합한 라우팅 프로토콜을 설계하였다. 제안하는 라우팅 프로토콜은 우선 순위에 입각하여 라우팅 정보를 제공하므로 인해 실시간으로 정보를 확인해야하는 센서 정보와 응급한 메시지에 대한 신속한 전송이 필요한 네트워크에서 효율성을 높일 수 있는 방법이다.

제안 방법

가장 하위 계층 CAN 센서에서 게이트웨이까지는 버스형 구조로 CAN 통신으로 전송하며, 게이트웨이에서 서버까지는 Ethernet 기반으로 통신을 하도록 설정하였다. 또한 우선 순위가 높은 센서를 S1 그룹 속하도록 설정하였다.
또한 우선 순위가 높은 센서를 S1 그룹 속하도록 설정하였다. 기존의 RIPv2 과 제안하는 라우팅 프로토콜을 각각 사용하여 10분동안 통신을 하도록 설정하였다.
네트워크 시뮬레이션 툴인 OPNET을 이용하여 CAN QoS Parameter 정보를 참고로 필드 버스 센서 네트워크 환경을 구축하였다. 네트워크 구성은 15개의 CAN 통신 센서 구성된 센서 그룹(S1～S4) 4개, 라우팅을 가지는 라우터 및 게이트웨이(R1～R4) 8개로 구성하였다.
또 다른 기능인 우선 순위 설정에 따른 루핑 현상 발생 여부 및 전송 효율 증가를 확인하기 위해 우선 순위가 부여된 센서가 포함된 그룹(S1)의 전송률을 비교 분석하였다
또한 제안하는 라우팅 프로토콜은 자동 인식 기능을 통해 매 30초마다 라우팅 테이블 업데이트 대신 네트워크에 변동이 있을 경우에 라우팅 테이블을 업데이트를 할 수 있는 Triggered Update와 유사한 기능을 지원한다. 또한 라우팅 테이블 업데이트 시간이 120초가 초과할 경우 네트워크에 이상이 발생되었다는 것을 인식하여 라우팅 테이블을 초기화하는 기능 및 주소설정을 C Class 체계로 설정할 수 있는 기능을 두어 루핑 문제를 방지 할 수 있는 기능을 추가하였다. 또한 부가적인 기능으로 사용자 및 네트워크 관리자가 Reporting 기능을 통해 네트워크 상태를 수시로 체크 할 수 있는 기능을 두었으며, 원격 프로 그램을 통해 라우팅 정보를 수시로 업데이트가 가능하도록 설계하였다.
또한 라우팅 테이블 업데이트 시간이 120초가 초과할 경우 네트워크에 이상이 발생되었다는 것을 인식하여 라우팅 테이블을 초기화하는 기능 및 주소설정을 C Class 체계로 설정할 수 있는 기능을 두어 루핑 문제를 방지 할 수 있는 기능을 추가하였다. 또한 부가적인 기능으로 사용자 및 네트워크 관리자가 Reporting 기능을 통해 네트워크 상태를 수시로 체크 할 수 있는 기능을 두었으며, 원격 프로 그램을 통해 라우팅 정보를 수시로 업데이트가 가능하도록 설계하였다.
우선순위는 데이터의 중요도에 따라 0에서 4까지 표현하도록 하였으며, 숫자가 낮을수록 긴급 메시지로 인식하도록 설계하였다. 이러한 기능으로 인해 제안하는 라우팅 프로토콜은 우선 순위에 입각하여 네트워크를 효율적으로 관리할 수 있게 된다.
제안하는 라우팅 프로토콜은 클래스리스 라우팅 프로토 콜인 RIPV2 기반으로 사용하지 않고 비어 있는 구간에 우선 순위 부여 및 부가 기능을 부여할 수 있는 기능을 넣어 재설계하였다. 이렇게 설계한 제안하는 라우팅 프로토콜의 효율성 증가를 검증하기 위해 네트워크 시뮬레이션 툴인 OPNET을 통해 산업현장에서 가장 많이 사용하고 있는 CAN 통신 기반 이기종 필드 센서 네트워크를 구축하여 네트워크 성능 시험을 하였다. 네트워크 성능 시험 측정 요소는 네트워크 효율성 증가 여부를 확인하기 위해 전체 네트워크와 우선 순위를 가지는 센서측에서 데이터 전송률인 Throughput(bits/sec)를 측정하여 비교 분석하였다.
제안하는 라우팅 프로토콜은 거리 벡터 라우팅 프로토콜 중에서 가장 범용으로 많이 사용하고 있는 RIPv2을 기반으로 빠른 수렴을 지원할 수 있는 우선 전송 순위 선정 기능을 라우팅 프로토콜을 제안한다. 제안하는 라우팅 프로토콜은 RIPV2을 기반으로 설계하였으므로 Classless Routing Protocol이 가지고 있는 Subnet Mask 정보를 포함하며, VLSM(Variable Length Subnet Mask)의 사용을 지원한다.
제안하는 라우팅 프로토콜은 RIPv2 프레임에서 사용하지 않은 16～31번째 비트에 우선순위 및 전송 기능을 넣어 설계를 하였다.
제안하는 라우팅 프로토콜은 거리 벡터 라우팅 프로토콜 중에서 가장 범용으로 많이 사용하고 있는 RIPv2을 기반으로 빠른 수렴을 지원할 수 있는 우선 전송 순위 선정 기능을 라우팅 프로토콜을 제안한다. 제안하는 라우팅 프로토콜은 RIPV2을 기반으로 설계하였으므로 Classless Routing Protocol이 가지고 있는 Subnet Mask 정보를 포함하며, VLSM(Variable Length Subnet Mask)의 사용을 지원한다.
본 논문에서는 산업현장에서 가장 많이 사용되는 이기종 필드 버스 네트워크에 적합한 라우팅 프로토콜을 설계하였다. 제안하는 라우팅 프로토콜은 우선 순위에 입각하여 라우팅 정보를 제공하므로 인해 실시간으로 정보를 확인해야하는 센서 정보와 응급한 메시지에 대한 신속한 전송이 필요한 네트워크에서 효율성을 높일 수 있는 방법이다. 또한 라우팅 테이블 업데이트를 네트워크 변화가 발생할 경우와 사용자 및 네트워크 관리자가 원할 경우 업데이트를 이루어질 수 있도록 하여 불필요한 트래픽을 최소화하였다.
그래서 본 논문에서는 이러한 문제점을 해결할 수 있는 RIP 계열의 새로운 라우팅 프로토콜을 제안한다. 제안하는 라우팅 프로토콜은 클래스리스 라우팅 프로토 콜인 RIPV2 기반으로 사용하지 않고 비어 있는 구간에 우선 순위 부여 및 부가 기능을 부여할 수 있는 기능을 넣어 재설계하였다. 이렇게 설계한 제안하는 라우팅 프로토콜의 효율성 증가를 검증하기 위해 네트워크 시뮬레이션 툴인 OPNET을 통해 산업현장에서 가장 많이 사용하고 있는 CAN 통신 기반 이기종 필드 센서 네트워크를 구축하여 네트워크 성능 시험을 하였다.

대상 데이터

네트워크 시뮬레이션 툴인 OPNET을 이용하여 CAN QoS Parameter 정보를 참고로 필드 버스 센서 네트워크 환경을 구축하였다. 네트워크 구성은 15개의 CAN 통신 센서 구성된 센서 그룹(S1～S4) 4개, 라우팅을 가지는 라우터 및 게이트웨이(R1～R4) 8개로 구성하였다.

데이터처리

이렇게 설계한 제안하는 라우팅 프로토콜의 효율성 증가를 검증하기 위해 네트워크 시뮬레이션 툴인 OPNET을 통해 산업현장에서 가장 많이 사용하고 있는 CAN 통신 기반 이기종 필드 센서 네트워크를 구축하여 네트워크 성능 시험을 하였다. 네트워크 성능 시험 측정 요소는 네트워크 효율성 증가 여부를 확인하기 위해 전체 네트워크와 우선 순위를 가지는 센서측에서 데이터 전송률인 Throughput(bits/sec)를 측정하여 비교 분석하였다.
제안하는 라우팅 프로토콜의 효율성 검증을 위해을 위해 우선 순위가 높은 센서를 임의로 선정 및 선택하여 네트워크 효율성 증가 여부를 확인하기 위해 전송률인 Throughput(bits/sec)를 비교 분석하였다.

성능/효과

그리고 라우팅 테이블 업데이트 시간이 120초가 초과할 경우 네트워크에 이상이 발생되었다는 것을 인식하여 라우팅 테이블을 초기화하는 기능 및 주소설정을 C Class 체계로 설정할 수 있는 기능을 두어 루핑 문제를 방지할 수 있다는 시뮬레이션 결과를 얻었다.
제안하는 라우팅 프로토콜은 우선 순위에 입각하여 라우팅 정보를 제공하므로 인해 실시간으로 정보를 확인해야하는 센서 정보와 응급한 메시지에 대한 신속한 전송이 필요한 네트워크에서 효율성을 높일 수 있는 방법이다. 또한 라우팅 테이블 업데이트를 네트워크 변화가 발생할 경우와 사용자 및 네트워크 관리자가 원할 경우 업데이트를 이루어질 수 있도록 하여 불필요한 트래픽을 최소화하였다. 그리고 라우팅 테이블 업데이트 시간이 120초가 초과할 경우 네트워크에 이상이 발생되었다는 것을 인식하여 라우팅 테이블을 초기화하는 기능 및 주소설정을 C Class 체계로 설정할 수 있는 기능을 두어 루핑 문제를 방지할 수 있다는 시뮬레이션 결과를 얻었다.
센서 그룹(S1)에 속해 있는 우선순위가 가장 높은 센서의 데이터 전송 관련된 평균 전송률은 그림 7에서 볼 수 있듯이 기존 RIPv2를 사용할 경우 평균 1,075bits/sec가 측정되었으며, 제안하는 라우팅 프로토콜을 사용할 경우 1,320bits/sec가 측정되었다. 제안하는 라우팅 프로토콜을 사용하여 약 246bits/sec의 이득을 얻었으며, 23%성능이 개선되었다.
제안하는 라우팅 프로토콜을 사용하여 약 246bits/sec의 이득을 얻었으며, 23%성능이 개선되었다. 이 수치는 제안하는 라우팅 프로토콜의 우선 순위 선정 기능으로 인해 우선 순위가 높은 센서의 데이터가 우선적으로 라우팅 되므로 인해 데이터 전송률이 증가하였다는 것을 측정된 결과이다.
전체 네트워크 및 우선 순위 센서의 전송률에 대한 결과를 비교해보면 제안하는 라우팅 프로토콜이 기존 RIPv2에 비해 좀 더 효율적이라는 것을 검증 하였다.
전체 네트워크의 45개 센서에서 초당 전송하는 데이터가 라우팅되는 전송량은 RIPv2를 사용하였을 경우 2,239bits/sec의 전송률이 측정되었으며, 제안하는 라우팅 프로토콜을 사용하였을 경우 2,866bits/sec의 전송률이 측정되었다. 제안하는 라우팅 프로토콜을 사용하여 약 627bits/sec의 이득을 얻었으며, 전체 네트워크의 28% 성능이 개선되었다.
제안하는 라우팅 프로토콜을 사용하여 약 627bits/sec의 이득을 얻었으며, 전체 네트워크의 28% 성능이 개선되었다. 제안하는 라우팅 프로토콜은 라우팅 테이블 업데이트를 네트워크 변화가 발생할 경우에만 업데이트를 진행하므로 30초마다 교환하는 라우팅 테이블 정보 대신 센서 데이터를 전송이 가능하게 되어 전송률이 증가하였다는 것을 측정된 수치로 알 수 있다.
센서 그룹(S1)에 속해 있는 우선순위가 가장 높은 센서의 데이터 전송 관련된 평균 전송률은 그림 7에서 볼 수 있듯이 기존 RIPv2를 사용할 경우 평균 1,075bits/sec가 측정되었으며, 제안하는 라우팅 프로토콜을 사용할 경우 1,320bits/sec가 측정되었다. 제안하는 라우팅 프로토콜을 사용하여 약 246bits/sec의 이득을 얻었으며, 23%성능이 개선되었다. 이 수치는 제안하는 라우팅 프로토콜의 우선 순위 선정 기능으로 인해 우선 순위가 높은 센서의 데이터가 우선적으로 라우팅 되므로 인해 데이터 전송률이 증가하였다는 것을 측정된 결과이다.
전체 네트워크의 45개 센서에서 초당 전송하는 데이터가 라우팅되는 전송량은 RIPv2를 사용하였을 경우 2,239bits/sec의 전송률이 측정되었으며, 제안하는 라우팅 프로토콜을 사용하였을 경우 2,866bits/sec의 전송률이 측정되었다. 제안하는 라우팅 프로토콜을 사용하여 약 627bits/sec의 이득을 얻었으며, 전체 네트워크의 28% 성능이 개선되었다. 제안하는 라우팅 프로토콜은 라우팅 테이블 업데이트를 네트워크 변화가 발생할 경우에만 업데이트를 진행하므로 30초마다 교환하는 라우팅 테이블 정보 대신 센서 데이터를 전송이 가능하게 되어 전송률이 증가하였다는 것을 측정된 수치로 알 수 있다.

후속연구

하지만 제안하는 라우팅 프로토콜은 산업현장에서 가장 많이 사용하고 있는 CAN 통신 기반 필드 버스형 네트워크를 위해 설계가 되어 있어 다른 형태의 센서 네트워크 구조에는 적합하지 않다. 이러한 한계점을 극복하기 위해 앞으로 안전성 및 효율성을 우선 고려한 유무선 네트워크 구축 방법에 대한 지속적인 연구가 이루어져야 할 것이며, 그에 적합한 라우팅 프로토콜에 대한 연구 또한 지속적으로 이루어져야 할 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	산업현장에서 사용되는 필드 센서 네트워크의 특징은 무엇인가?	산업현장에서 사용되는 필드 센서 네트워크의 경우 센서간 통신은 CAN 통신을 이용한 버스형 네트워크 타입이 주를 이루며 라우터 및 게이트웨이간 통신은 100BaseT을 이용한 스타형 및 메쉬형 네트워크 타입이 주를 이루고 있다. 이와 같은 구조로 설계된 산업현장용 버스형 이기종 필드 센서 네트워크에서는 네트워크 계층별로 같은 대역대의 링크를 일괄적으로 사용하고 있으므로 거리 벡터 라우팅 프로토콜을 가장 많이 사용하고 있다.
	거리 벡터 라우팅 프로토콜의 특징은 무엇인가?	거리 벡터 라우팅 프로토콜은 라우팅 테이블 정보 (Smallest Hopping Account)를 가지고 수시로 환경 정보를 자동으로 교환하며, 각 라우터가 인접한 라우터에게 네트워크의 모든 라우터까지 연결 비용을 알려준다. 장거리 벡터 라우팅 프로토콜은 장거리 벡터 라우팅 프로토콜은 루프 라우팅을 하게 되는 경향이 있지만, 계산 측면에서는 링크 상태 라우팅 프로토콜보다 더 단순하다[3].
	RIP 계열의 라우팅 프로토콜의 문제점은 무엇이 있는가?	하지만 RIP 계열의 라우팅 프로토콜은 우선순위 없이 데이터 처리를 FIFO(First In First Out) 타입으로 처리하며, 네트워크 고유 특성이 반영되지 않는다는 단점이 있다. 또한 네트워크 구조 및 통신 방식이 변화가 없더라도 안전한 통신을 위해 매 30초마다 라우팅 테이블을 업그레이드를 하지만 이는 불필요한 통신으로 네트워크 효율성을 떨어뜨린다는 문제점이 있다. 또한 네트워크가 거대해지면 라우팅 테이블 업데이트 시간으로 인해 발생하는 저속 수렴 문제로 인해 루핑 현상이 발생하는 문제점을 가지고 있다[3].

참고문헌 (9)

K.H.Han, H.Y.Choi, "A Study of Best Routing Protocol Using Distance Vector Routing Protocol.", The 23rd JCCI, May. 2013.
K.H.Han, "A Study on the Efficient CAN to Ethernet Protocol Converter based on Heterogenous Field Sensor Network", 2013 Summer Conference of KICS, Jun. 2013.
M.H. Hwang, "A Study on Link-efficiency and Traffic Analysis for Packet-switching using the Link State Algorithm.", Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, VOL.6, NO.1, pp.30-35, Feb. 2002.
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Y.S. Hong, "Energy-aware Routing Protocol using Multiroute Information in Wireless Ad-hoc Networks with Low Mobility", The Korea Contents Association VOL.10 No.4, 2001.
Zuhairi Megat, "Dynamic Reverse Route for One-Demand Routing Protocol in MANET", TIIS, VOL.6, NO.5, May 2012.
H.Zafar, Y.Khawaja, "Performance Evaluation of Shortest Multipath Source Routing Scheme", IET Comm., VOL.3, NO.5, May. 2009.
Y.Ko, S.Lee and J.Lee, "Ad-hoc Routing with Early Unidirectionality Detection and Avoidance", Personal Wireless Communication, 2004.
T.Pop, "Timing Analysis of the FlexRay Communication Protocol" Proc. of 18th ECRTS'06, pp. 203-216, July 2006.

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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