[논문]Port Locking (PL) 알고리즘을 이용한 HSR (High-availability Seamless Redundancy)의 유니캐스트 트래픽 성능개선

이브라힘; 김세목; 최영윤; 이종명

Port Locking (PL) 알고리즘을 이용한 HSR (High-availability Seamless Redundancy)의 유니캐스트 트래픽 성능개선
Improvement of Unicast Traffic Performance in High-availability Seamless Redundancy (HSR) Using Port Locking (PL) Algorithm 원문보기

통신위성우주산업연구회논문지 = The Journal of Korea Society of Communication and Sapce Technology, v.9 no.1, 2014년, pp.51 - 56

이브라힘 (명지대학교 정보통신공학과 Ubiquitous&Convergence 연구실) , 김세목 (명지대학교 정보통신공학과 Ubiquitous&Convergence 연구실) , 최영윤 (명지대학교 정보통신공학과 Ubiquitous&Convergence 연구실) , 이종명 (명지대학교 정보통신공학과)

초록
AI-Helper

HSR(High-availability seamless redundancy)은 이더넷 네트워크의 고장 극복을 목적으로 표준 제정된 프로토콜로서, 하나의 전송 프레임을 복제하여 두 개의 물리적인 포트로 각각의 프레임을 전송하여 고장 극복 시간을 "0"이 되도록 한다. 따라서 HSR은 실시간 고장 극복이 필요한 이더넷 어플리케이션에 사용할 수 있다. 그러나 HSR은 각 노드마다 프레임을 복제하므로 불필요한 프레임이 다수 생성되어 네트워크에 전달되어 네트워크 전송용량을 상당량 점유하는 단점을 갖고 있다. 본 논문에서는 표준 HSR의 이러한 단점을 보완하기 위해 보편적으로 사용되는 여러 개의 ring이 연결된 복합 링 네트워크에 적합한 MAC (media access control) 주소에 기반을 둔 Port Locking (PL) 이라는 새로운 방식을 제안한다. 제안 방식은 네트워크 제어 프레임과는 별도로 Source 및 Destination 노드의 위치를 점차적으로 학습하며, 학습에 따라 Destination 노드가 없는 소규모 ring 네트워크의 입구 포트를 차단함으로써 해당 ring의 프레임 순환을 방지하도록 한다. 이와 같이 PL 알고리즘은 대형 링 네트워크 구조의 트래픽을 현저히 감소시키며, 이에 따라 네트워크의 성능은 크게 향상된다. 이에 대한 이론적 분석 결과는 제안된 PL 방식의 유효성을 입증한다.

Abstract ▼ AI-Helper

High-availability seamless redundancy (HSR) is a protocol for fault-tolerant Ethernet (FTE) networks. It provides two frame copies and each copy is forwarded on a separate physical path, which provides zero fail-over time. Therefore, the HSR is becoming a potential candidate for various real-time FTE applications. However, the generation and circulation of unnecessary frames due to the duplication of every sending frame is inherent drawback of HSR. Such drawback degrades the performance of the network and may deplete its resources. In this paper, we present a new algorithm called port locking (PL) based on the media access control (MAC) address to solve the abovementioned problem in popular connected-rings network. Our approach makes the network gradually learn the locations of the source and the destination nodes without relying on network control frames. It then prunes all the rings that do not contain the destination node by locking corresponding rings' entrance ports. With the PL algorithm, the traffic can be significantly reduced and therefore the network performance will be greatly enhanced specially in a large scale connected-rings network. Analytical results are provided to validate the PL algorithm.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

성된 트래픽에 비례한다. PL 알고리즘은 HSR 기능을 유지하면서 생성되는 트래픽을 감소시키기 위해 네트워크의 일정 수를 줄이는 것에 목적이 있다.
표준 HSR의 성능을 향상시키기 위해서 최근 여러 연구가 진행되었으나[3-5], 본 논문은 간단하고도 적용성이 높은 방식을 고려하였다. 따라서 본 논문에서는, 여러 개의 ring이 연결된 네트워크 구조에서 추가적인 트래픽을 줄이기 위해 Port Locking (PL) 이라는 새로운 방식을 제안한다. 제안 방식의 기본 개념은 이미 [7]에서 제시되었으나, 여기서는 이를 보다 체계화하여 제시한다.
본 논문은 여러 개의 ring이 연결된 복합 ring 네트워크 구조를 대상으로, 실시간 FTE인 표준 HSR 프로토콜의 단점인 불필요하게 발생되는 unicast 트래픽을 감소시키고자 간단하고도 적용성이 높은 PL 알고리즘을 제안하였다. 제안된 PL 알고리즘은 QuadBox를 두 개의 부분, 즉, DANH side 와 QuadBox side로 분리하여, Destination이 없는 ring으로 연결되는 DANH side의 포트를 차단함으로써, 전체 네트워크의 트래픽 생성을 감소시킨다.
이것은 전송 신호의 잠재적인 충돌이나 전송 지연 등과 같은 네트워크 성능을 저해한다. 표준 HSR의 성능을 향상시키기 위해서 최근 여러 연구가 진행되었으나[3-5], 본 논문은 간단하고도 적용성이 높은 방식을 고려하였다. 따라서 본 논문에서는, 여러 개의 ring이 연결된 네트워크 구조에서 추가적인 트래픽을 줄이기 위해 Port Locking (PL) 이라는 새로운 방식을 제안한다.

가설 설정

표준 HSR 프로토콜은 일반적으로 네 가지 유형의 노드 (DANH, RedBox, QuadBox, 그리고 SAN)으로 구성되어 있 으나, 일반화에 문제가 없기에 본 논문에서는 DANH과 QuadBox의 두 가지 노드구성을 가정하고 해석 한다 [3]. DANH은 동일한 MAC과 IP (Internet Protocol) 주소를 공유하는 두 개의 이더넷 포트를 가지고 있으며, QuadBox 는 네 개의 이더넷 포트를 사용하여 각각의 ring을 상호 접속하는 노드이다.

제안 방법

본 장에서는 여러 개의 ring이 연결된 복합 ring 네트워크 구조에서, 불필요한 HSR unicast 트래픽을 제거하여 네트워크 성능을 향상시키는 Port Locking (PL) 방식을 설명한다.
따라서 본 논문에서는, 여러 개의 ring이 연결된 네트워크 구조에서 추가적인 트래픽을 줄이기 위해 Port Locking (PL) 이라는 새로운 방식을 제안한다. 제안 방식의 기본 개념은 이미 [7]에서 제시되었으나, 여기서는 이를 보다 체계화하여 제시한다. PL 방식은 외부 제어 장치나 제어 프레임 없이 노드 구조를 학습하도록 하여, Data의 전송 흐름을 제어한다.
단하고도 적용성이 높은 PL 알고리즘을 제안하였다. 제안된 PL 알고리즘은 QuadBox를 두 개의 부분, 즉, DANH side 와 QuadBox side로 분리하여, Destination이 없는 ring으로 연결되는 DANH side의 포트를 차단함으로써, 전체 네트워크의 트래픽 생성을 감소시킨다. 제안된 방식으로 10개의 DANH ring 또는 QuadBox ring을 사용하였을 경우 표준 HSR 대비 85.

데이터처리

그림 8. DANH ring 3개와 가변인 QuadBox ring 수에 대한 표준 HSR과 PL 알고리즘의 트래픽 비교.
그림 7. QuadBox ring 3개와 가변인 DANH ring 수에 대한 표준 HSR과 PL 알고리즘의 트래픽 비교.

성능/효과

그림 7은 QuadBox ring 수는 3개로 고정하고, 하나의 DANH ring에 DANH이 10개인 DANH ring 수를 1에서 100까지 가변 하였을 때, 표준 HSR과 PL 알고리즘을 비교한 것이다. DANH ring 수가 증가할수록 PL 알고리즘의 성능이 향상됨을 확인할 수 있다. 즉, 20개의 DANH ring이 사용될 때, 표준 HSR에서는 1,437개의 프레임이 생성되지만, PL 알고리즘을 적용하면 161개의 프레임만 생성된다.
다음으로 그림 8은 DANH ring 수를 3개로 고정하고 QuadBox ring 수를 1에서 100까지 가변 하였을 때, 표준 HSR과 PL 알고리즘을 비교한 것이다. QuadBox ring 수가 증가할수록 PL 알고리즘 성능이 향상됨을 알 수 있다. 즉, 30개의 QuadBox ring이 사용될 때, 표준 HSR에서는 2,265개의 프레임이 생성되지만, PL 알고리즘을 적용하면 329개의 프레임만 생성된다.
즉, 20개의 DANH ring이 사용될 때, 표준 HSR에서는 1,437개의 프레임이 생성되지만, PL 알고리즘을 적용하면 161개의 프레임만 생성된다. 또한 60개의 DANH ring이 사용될 때, 표준 HSR에서는 4,317개의 프레임이 생성되지만, PL 알고리즘을 적용하면 401개의 프레임만 생성됨을 확인할 수 있다. 다음으로 그림 8은 DANH ring 수를 3개로 고정하고 QuadBox ring 수를 1에서 100까지 가변 하였을 때, 표준 HSR과 PL 알고리즘을 비교한 것이다.

즉, 30개의 QuadBox ring이 사용될 때, 표 준 HSR에서는 2,265개의 프레임이 생성되지만, PL 알고리즘을 적용하면 329개의 프레임만 생성된다. 또한 60개의 QuadBox ring이 사용될 때 표준 HSR에서는 4,545개의 프레임이 생성되지만 PL 알고리즘을 적용하면 629개의 프레임만 생성됨을 확인할 수 있다.
8%가 감소되지만, 100개의 DANH ring을 사용하면 표준 HSR 대비 트래픽은 91%가 감소됨을 알 수 있다. 또한 DANH ring이 3개로 고정된 경우, 10개의 QuadBox ring을 사용하면 표준 HSR 대비 트래픽은 82.6% 감소하지만, 100개의 QuadBox ring을 사용하면 표준 HSR 대비 트래픽은 86.4% 감소함을 확인할 수 있다. 이는 PL 알고리즘을 적용하였을 때, 표준 HSR 대비 획기적인 트래픽 감소량을 나타낸다.
제안된 PL 알고리즘은 QuadBox를 두 개의 부분, 즉, DANH side 와 QuadBox side로 분리하여, Destination이 없는 ring으로 연결되는 DANH side의 포트를 차단함으로써, 전체 네트워크의 트래픽 생성을 감소시킨다. 제안된 방식으로 10개의 DANH ring 또는 QuadBox ring을 사용하였을 경우 표준 HSR 대비 85.8%와 82.6%의 트래픽 감소를 나타내었고, 100개의 DANH ring 또는 QuadBox ring을 사용하였을 경우 표준 HSR 대비 91%와 86.4%의 트래픽이 감소됨을 확인하였다. 즉 ring 수가 증가될수록 트래픽성능이 획기적으로 개선됨을 보인다.
두 경우 모두에서 네트워크 ring 수가 클수록 PL 알고리즘을 적용한 네트워크의 트래픽 감소 성능이 더욱 향상됨을 알 수 있다. 즉, PL 알고리즘에서 QuadBox가 3개로 고정된 경우, 10개의 DANH ring을 사용하면 표준 HSR 대비 트래픽은 85.8%가 감소되지만, 100개의 DANH ring을 사용하면 표준 HSR 대비 트래픽은 91%가 감소됨을 알 수 있다. 또한 DANH ring이 3개로 고정된 경우, 10개의 QuadBox ring을 사용하면 표준 HSR 대비 트래픽은 82.

후속연구

향후 연구 방향으로는 PL 알고리즘 성능을 더욱 향상시키기 위해서 QuadBox ring 수와 DANH ring 수를 감소시키는 경로를 자동 선택하는 연구 등을 들 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	HSR은 무엇인가?	HSR (High-availability seamless redundancy)은 International Electrotechnical Commission (IEC)에 의해 IEC 62439-3 으로 본래 스마트 전력용으로 표준 제정된 고장 극복용 프로토콜이다 [1]. HSR은 일반적인 Ring 네트워크에서 고장 극복시간이 “0”이 되는 것을 목표로 개발 되었다.
	DANH는 복제한 두 개의 프레임을 어떤 방향으로 전송하는가?	DANH에서는 그림 1에서와 같이 상위 계층에서 생성된 non-HSR 프레임을 두 개로 복제하여 (Copy A, Copy B), HSR 태그를 추가하고 두 개의 포트를 통해 각각의 프레임을 전송 한다. 즉, 하나의 프레임 (Copy A)은 시계 방향으로 다른 프레임 (Copy B)은 반시계방향으로 전송 한다. Ring 구조에서 전송된 두 개의 Broadcast 프레임은 다시 전송한 노드에 돌아와서야 제거되어진다.
	HSR은 어떤 것을 목표로 개발되었는가?	HSR (High-availability seamless redundancy)은 International Electrotechnical Commission (IEC)에 의해 IEC 62439-3 으로 본래 스마트 전력용으로 표준 제정된 고장 극복용 프로토콜이다 [1]. HSR은 일반적인 Ring 네트워크에서 고장 극복시간이 “0”이 되는 것을 목표로 개발 되었다. 고장 극복 시간이 “0”이 된다는 것은, 노드 또는 링크 장애에서 네트워크 동작의 어떠한 중단도 없음을 의미 하는 것이다.

참고문헌 (7)

IEC 62439-3 International Electrotechnical Commission. Industrial Communication Networks - High - available Automation Networks, Part: 3 Parallel Redundancy Protocol and High-availability Seamless Redundancy (HSR), 2010.
Hubert Kirrmann. HSR - High Availability Seamless Redundancy, Fault-tolerance in Ethernet networks IEC 62439, Presentation slides, ABB Switzerland Ltd, Corporate Research, Baden, 2010.
S. A. Nsaif and J. M. Rhee, "Improvement of High-Availability Seamless Redundancy HSR Traffic Performance for Smart Grid Communications," Journal of Communications and Networks, Vol. 14, no. 6, pp. 653-661, Dec. 2012.

원문보기 상세보기
M. Shin and I. Joe, "Performance Improvement for the HSR Ring Protocol with Traffic Control in Smart Grid," Springer-Verlag Berlin Heidelberg, CCIS 351, pp. 48-55, 2012.
S. Hong and I. Joe, "A Novel Packet Transmission Scheme with Different Periods According to the HSR Ring Direction in Smart Grid," Springer-Verlag Berlin Heidelberg, LNCS 7709, pp. 95-102, 2012.
Hubert Kirrmann and Oliver Kleineberg,"Seamless and Low-Cost Redundancy for Substation Automation Systems (High availability Seamless Redundancy, HSR)," IEEE-Power and Energy Society General Meeting, pp.1-7, 2011.
Ibraheem Read Abdulsalam and Jong Myung Rhee, "Improvement of High-availability Seamless Redundancy (HSR) Unicast Traffic Performance Using Port Locking," 2013 fourth World Congress on Software Engineering (WCSE 2013), pp. 246-250, HongKong, China, Dec. 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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