[논문]항공전자 이더넷의 네트워크 성능 향상을 위한 동적 라우팅 기법 및 우선순위기반 데이터 전송 기법

이원진; 김용민

doi:10.12673/jant.2019.23.4.302

항공전자 이더넷의 네트워크 성능 향상을 위한 동적 라우팅 기법 및 우선순위기반 데이터 전송 기법
Dynamic Routing and Priority-based Data Transmission Schemes in Avionic Ethernet for Improving Network QoS 원문보기

한국항행학회논문지 = Journal of advanced navigation technology, v.23 no.4, 2019년, pp.302 - 308

이원진 (국방과학연구소) , 김용민 (국방과학연구소)

초록
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항공 데이터 네트워크 (ADN; aircraft data network)는 항공기 항전장비들 간 신호데이터 송수신을 위한 네트워크로써 항공기 운용 환경을 고려해 MIL-STD-1553B와 같이 고신뢰성 프로토콜이 사용되어왔다. 최근에는 고속통신의 필요성이 증가함에 따라 상용 이더넷이 ADN으로 활용되고 있으며, 적용 범위가 증가하고 있는 추세이다. 이더넷은 MIL-STD-1553B 프로토콜에 비해 고속 데이터 전송이 가능하다는 장점이 있지만, 지연시간이 길다는 낮은 단점이 있다. 본 논문에서는 ADN으로 활용되는 이더넷의 성능 향상을 위한 동적 라우팅 기법과 우선순위 기반 데이터 전송기법을 제시한다. 제시기법은 이더넷 스위치에 적용되어 네트워크 트래픽의 효율적 관리 및 고우선순위 데이터 전송시간 단축시킬 수 있다. 본 논문에서는 이더넷 스위치 기반 항공전자 네트워크 환경에서 시뮬레이션을 통해 제시기법이 기존 이더넷에서 사용되는 스패닝 트리 프로토콜에 비해 데이터 전송시간을 단축시킬 수 있음을 입증한다.

Abstract ▼ AI-Helper

Aircraft data network (ADN) is a data networking for signal transmission among avionic systems in aircraft, and it mostly has been applied MIL-STD-1553B that guarantees high reliability considering its application environments. However, commercial Ethernet has been widely applied for ADN recently, and its range of applications have increased. Ethernet provides high speed of data transmission, however, it could not guarantee quality of service (QoS) so high as MIL-STD-1553B. In this paper, we propose dynamic routing and priority based data transmission schemes in order to improve the QoS of legacy Ethernet. Our propose schemes can be applied to Ethernet switch, and it is able to manage network traffic efficiently, and reduce the time for data transmission. We analyze the packet transmission time for both legacy and proposed schemes in Ethernet environments using simulation, and we show that our proposed scheme can reduce the time for data transmission compare to legacy spanning tree protocol.

주제어

표/그림 (11)

그림 그림 1. 이더넷 스위치를 통한 항전연동 구성도 예시 Fig. 1. Example of block diagram for avionic system with Ethernet switch.
그림 그림 2. 이더넷 프레임 포맷 Fig. 2. Ethernet frame format.
그림 그림 3. 스패닝 트리 프로토콜 Fig. 3. Spanning tree protocol.
그림 그림 4. 부하기반 라우팅 기법 Fig. 4. Load—based routing scheme
그림 그림 5. 부하기반 라우팅 기법의 이더넷 스위치 동작 순서도 Fig. 5. flow chart of Ethernet switch for load—based routing scheme
그림 그림 6. 우선순위기반 데이터 전송을 위한 이더넷 프레임 포맷 Fig. 6. Ethernet frame format for priority based data transmission.
그림 그림 7. 이더넷 스위치 스케줄링 Fig. 7. Scheduling of Ethernet switch.
그림 그림 8. 시뮬레이션 네트워크 토폴로지 Fig. 8. Network topology for simulation
표 표 1. 시뮬레이션 파라미터 Table 1. Simulation parameters.
그림 그림 9. 네트워크 부하에 따른 데이터 평균 전송시간 Fig. 9. Average data transmission time with varying traffic load.
그림 그림 10. 네트워크 부하에 따른 우선순위 데이터 평균 전송시간 (우선순위 : p1 > p2 > p3 > p4) Fig. 10. Average prioritized data transmission time with varying traffic load. (Priority : p1 > p2 > p3 > p4)

AI 본문요약
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문제 정의

기존 이더넷 스위치의 라우팅 프로토콜로 사용되는 STP 는 네트워크의 루프를 방지하는 목적으로 운용되는 한계를 가지나, 부하기반의 동적 라우팅 기법을 적용 시 네트워크 전체의 트래픽 부하를 균형적으로 조절해 효율적인 네트워크 망 관리할 수 있는 장점이 있다. 또한, 본 논문에서는 이더넷 데이터의 우선순위를 설정하여 고우선순위 데이터 전송의 지연시간을 단축시킬 수 있는 방안을 제시하였다. 제시하는 우선순위기반 데이터 전송 기법을 통해 항공기의 다양한 항전장비가 생성하는 데이터 신호 중 우선순위가 높은 데이터의 전송시간을 단축시킬 수 있는 장점이 있다.
그러나 상용으로 사용되었던 이더넷은 데이터 전송 지연시간이 길고 네트워크의 QoS보장이 어려운 단점이 있으며, 민간 및 군용 항공기로 적용된 사례가 MIL-STD-1553B에 비해 적기 때문에 네트워크 적용적합성에 대한 이슈가 끊임없이 제기되었다 [11-13]. 본 논문에서는 ADN으로 적용되는 상용 이더넷의 QoS를 증가시킬 수 있는 기법으로써 이더넷 스위치의 기존 라우팅 프로토콜인 스패닝 트리 프로토콜 (STP; spanning tree protocol)의 한계를 보완한 동적 라우팅 기법을 제시한다. 또한, 이더넷 스위치의 우선순위 기반 스케줄링을 제시하여 우선순위가 높은 데이터를 선별적으로 처리하여 고우선순위 데이터의 전송지연시간을 낮추는 방안을 제시한다.
본 논문에서는 항공기에서 활용되는 이더넷 기반 ADN 환경에서 이더넷의 QoS를 향상시기 위해 방안을 제시하였다. 이를 위해 본 논문에서는 부하기반 라우팅 방안과 우선순위기반 데이터 전송방안을 제시하였다.
이러한 네트워크 트래픽 문제를 해결하기 위해 본 논문에서는 스위치의 부하기반 라우팅 기법을 제시한다. 제시 기법의 이더넷 스위치는 그림 4와 같이 목적지 E/S로 전달 가능한 다수의 경로가 존재할 경우, 경로간 거리와 해당 경로의 부하를 동시에 고려하여 라우팅을 수행한다.

가설 설정

E/S가 생성하는 데이터는 트래픽 부하조건에 따라 평균 주기를 가지나 설정된 평균주기 동안랜덤으로 생성된다. 기존 기법은 모든 데이터 데이터가 동일한 우선순위를 가지며, 제시 기법은 1부터 4까지 4 종류의 우선순위 데이터가 모든 장비에서 랜덤으로 발생된다고 가정하였다. 또한, 기존기법의 경우 스위치 간 다중홉 데이터 전송 시 next-hop 스위치가 랜덤으로 선택된다고 가정하였으며, 제시 기법의 경우 next-hop 스위치의 부하가 적은 쪽을 선택하는 것으로 설정하였다.
성능평가에 적용된 네트워크 환경은 ADN의 환경의 고정된 토폴로지에서 스위치간 거리는 모두 동일하다고 가정하였다. 또한, 각 이더넷 스위치는 2 개의 항공장비(E/S)가 연결되었다고 가정하였고, 각 E/S는 자신을 제외한 임의의 E/S를 목적지로 하는 데이터를 생성하는 것으로 설정하였다. E/S가 생성하는 데이터는 트래픽 부하조건에 따라 평균 주기를 가지나 설정된 평균주기 동안랜덤으로 생성된다.
기존 기법은 모든 데이터 데이터가 동일한 우선순위를 가지며, 제시 기법은 1부터 4까지 4 종류의 우선순위 데이터가 모든 장비에서 랜덤으로 발생된다고 가정하였다. 또한, 기존기법의 경우 스위치 간 다중홉 데이터 전송 시 next-hop 스위치가 랜덤으로 선택된다고 가정하였으며, 제시 기법의 경우 next-hop 스위치의 부하가 적은 쪽을 선택하는 것으로 설정하였다. 각 이더넷 스위치의 처리율은 1 G bit/sec로 설정하였으며, 이더넷 데이터 크기는 12,000 byte로 설정하였다.
본 논문의 성능평가는 그림 8과 같은 네트워크 토폴로지 환경에서 네트워크 부하에 따른 기존 기법과 제시 기법의 데이터 전송 시간을 비교하였다. 성능평가에 적용된 네트워크 환경은 ADN의 환경의 고정된 토폴로지에서 스위치간 거리는 모두 동일하다고 가정하였다. 또한, 각 이더넷 스위치는 2 개의 항공장비(E/S)가 연결되었다고 가정하였고, 각 E/S는 자신을 제외한 임의의 E/S를 목적지로 하는 데이터를 생성하는 것으로 설정하였다.

제안 방법

본 논문에서는 ADN으로 적용되는 상용 이더넷의 QoS를 증가시킬 수 있는 기법으로써 이더넷 스위치의 기존 라우팅 프로토콜인 스패닝 트리 프로토콜 (STP; spanning tree protocol)의 한계를 보완한 동적 라우팅 기법을 제시한다. 또한, 이더넷 스위치의 우선순위 기반 스케줄링을 제시하여 우선순위가 높은 데이터를 선별적으로 처리하여 고우선순위 데이터의 전송지연시간을 낮추는 방안을 제시한다. 본 논문은 2절에서 이더넷의 발전과 이더넷 프레임 포맷 및 스패닝 트리 알고리즘에 대해 자세히 설명하고, 3절에서는 본 논문의 제시기법에 대해 소개한다.
본 논문의 성능평가는 그림 8과 같은 네트워크 토폴로지 환경에서 네트워크 부하에 따른 기존 기법과 제시 기법의 데이터 전송 시간을 비교하였다. 성능평가에 적용된 네트워크 환경은 ADN의 환경의 고정된 토폴로지에서 스위치간 거리는 모두 동일하다고 가정하였다.
본 절에서 제시하는 우선순위기반 데이터 전송기법은 기존과 동일한 이더넷 프레임 포맷을 유지하면서 우순순위를 식별할 수 있는 비트를 추가하는 방식으로 우선순위에 기반을 둔 데이터 전송기법을 제시한다. 비트의 수는 우선순위를 구분하는 종류에 따라 결정된다.
E/S의 데이터 전송 간 충돌이 발생한 경우, E/S는 해당 데이터를 재전송하는 절차를 수행하는데 이러한 과정에서 데이터 전송시간이 증가하는 문제가 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 이더넷은 스위치를 적용한 full-duplex 통신방식으로 발전하였고, full-duplex가 적용된 환경에서 E/S는 전용 전송선로를 할당받아 데이터 전송 환경이 개선되었다. 또한, 이더넷의 전송속도는 급격히 증가해 초당 기가비트 이상의 데이터 전송속도를 제공할 수 있는 장점이 있다.
본 논문에서는 항공기에서 활용되는 이더넷 기반 ADN 환경에서 이더넷의 QoS를 향상시기 위해 방안을 제시하였다. 이를 위해 본 논문에서는 부하기반 라우팅 방안과 우선순위기반 데이터 전송방안을 제시하였다. 기존 이더넷 스위치의 라우팅 프로토콜로 사용되는 STP 는 네트워크의 루프를 방지하는 목적으로 운용되는 한계를 가지나, 부하기반의 동적 라우팅 기법을 적용 시 네트워크 전체의 트래픽 부하를 균형적으로 조절해 효율적인 네트워크 망 관리할 수 있는 장점이 있다.

이론/모형

항공 데이터 네트워크 (ADN; aircraft data network)는 항공기 운용 및 조종사 임무수행을 위한 다양한 항공전자 장비들 간의 네트워크를 의미한다 [1]-[3]. 기존에는 주로 고신뢰성을 보장하는 MIL-STD-1553B 프로토콜이 적용되었다 [4],[5]. 그러나 항공전자 장비들의 증가하는 데이터 요구에 따라 최근 상용으로 주로 사용되었던 이더넷의ADN 사용이 증가하고 있는 추세이다[6]-[9].

성능/효과

이러한 기법을 통해 항공기에서 운용하는 항법장비 및 센서 등의 다양한 항전장비 데이터 중에서 우선순위가 높은 데이터에 대해 스위치 버퍼에 저장되는 시간을 최소화할 수 있다. 결과적으로 이는 고우선순위 데이터의 전송 지연시간을 단축시킬 수 있기 때문에 기존 기법과 비교했을 때 네트워크의 QoS를 증가시킬 수 있는 장점이 있다.
부하가 적은 경우, 기존 기법과 제시기법의 평균 데이터 전송 시간은 거의 유사하게 나타났다. 그러나 네트워크의 부하가 증가할수록 제시기법의 평균 데이터 전송 지연시간은 기존 기법에 비해 단축되는 것을 확인할 수 있다. 네트워크의 부하가 가장 높은 경우, 제시기법은 기존 기법에 비해 약 10.
이러한 효과는 그림 10에서 보여주듯 네트워크의 부하가 높을 경우, 더욱 확연히 나타난다. 네트워크의 부하가 가장 높은 환경에서 우선순위가 높은 데이터의 평균 처리시간이 우선순위가 낮은 데이터의 평균 처리시간에 비해 약 28.5 % 낮게 나타나는 것을 확인할 수 있다.
제시하는 우선순위기반 데이터 전송 기법을 통해 항공기의 다양한 항전장비가 생성하는 데이터 신호 중 우선순위가 높은 데이터의 전송시간을 단축시킬 수 있는 장점이 있다. 본 논문에서 제시하는 부하기반 라우팅 방안과 우선순위기반 데이터 전송 방안이 기존 방안에 비해 데이터 전송시간을 단축시킬 수 있다는 것을 시뮬레이션 결과를 통해 입증하였다.
본 논문에서 제시하는 부하기반 라우팅은 트래픽 부하를 고려하지 않고 기 설정된 경로로만 데이터를 전달하는 기존 기법에 비해 유동적으로 전체 네트워크의 부하를 조절할 수 있다. 네트워크 부하를 유동적으로 조절함으로써 네트워크 특정 링크의 트래픽 과부하 발생 시 데이터 전송의 지연시간을 단축시킬 수 있다.
또한, 본 논문에서는 이더넷 데이터의 우선순위를 설정하여 고우선순위 데이터 전송의 지연시간을 단축시킬 수 있는 방안을 제시하였다. 제시하는 우선순위기반 데이터 전송 기법을 통해 항공기의 다양한 항전장비가 생성하는 데이터 신호 중 우선순위가 높은 데이터의 전송시간을 단축시킬 수 있는 장점이 있다. 본 논문에서 제시하는 부하기반 라우팅 방안과 우선순위기반 데이터 전송 방안이 기존 방안에 비해 데이터 전송시간을 단축시킬 수 있다는 것을 시뮬레이션 결과를 통해 입증하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	스위치의 부하기반 라우팅 기법의 장점은?	제시 기법의 이더넷 스위치는 그림 4와 같이 목적지 E/S로 전달 가능한 다수의 경로가 존재할 경우, 경로간 거리와 해당 경로의 부하를 동시에 고려하여 라우팅을 수행한다. 이를 통해 스위치는 현재 네트워크의 트래픽 상태에 따라 동적으로 라우팅을 수행하여 네트워크 부하를 효율적으로 관리할 수 있다.
	항공 데이터 네트워크란 무엇인가?	항공 데이터 네트워크 (ADN; aircraft data network)는 항공기 항전장비들 간 신호데이터 송수신을 위한 네트워크로써 항공기 운용 환경을 고려해 MIL-STD-1553B와 같이 고신뢰성 프로토콜이 사용되어왔다. 최근에는 고속통신의 필요성이 증가함에 따라 상용 이더넷이 ADN으로 활용되고 있으며, 적용 범위가 증가하고 있는 추세이다.
	이더넷의 장단점은?	최근에는 고속통신의 필요성이 증가함에 따라 상용 이더넷이 ADN으로 활용되고 있으며, 적용 범위가 증가하고 있는 추세이다. 이더넷은 MIL-STD-1553B 프로토콜에 비해 고속 데이터 전송이 가능하다는 장점이 있지만, 지연시간이 길다는 낮은 단점이 있다. 본 논문에서는 ADN으로 활용되는 이더넷의 성능 향상을 위한 동적 라우팅 기법과 우선순위 기반 데이터 전송기법을 제시한다.

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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