[논문]안드로이드 운영체제 상에서 실시간 통신 방법

우상호; 이상길; 이철훈

doi:10.5392/jkca.2021.21.01.475

안드로이드 운영체제 상에서 실시간 통신 방법
Method of Real-time Communication in Android OS 원문보기

한국콘텐츠학회논문지 = The Journal of the Korea Contents Association, v.21 no.1, 2021년, pp.475 - 484

우상호 (충남대학교 컴퓨터공학과) , 이상길 (충남대학교 컴퓨터공학과) , 이철훈 (충남대학교 컴퓨터공학과)

초록
AI-Helper

안드로이드 운영체제는 스마트폰 시장과 함께 빠르게 자리잡으며 네비게이션, 냉장고 패널 등 다양하게 적용하고 있다. 기존 단말은 정확한 수행 시간이 요구되는 RTOS를 사용하면서 높은 정밀도를 요구하는 서비스의 구현이 가능했으나, 안드로이드는 높은 정밀도의 실시간 성능을 제공할 수 없는 단점이 있다. 본 논문에서는 안드로이드 운영체제에서 동작하는 실시간 통신 방법을 제안한다. 실시간 통신은 UDP 프로토콜을 이용하여 부하를 줄이고, 커널 영역에 고정밀 타이머를 통해서 실시간 운영체제의 타임 틱을 구성한다. 안드로이드 응용 레벨의 라이브러리를 작성하여 실시간 통신을 구현하고 실시간 성능 검증을 위해 기존 안드로이드의 라이브러리와 비교하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The Android OS has quickly established itself with the smartphone market and is being applied in a variety of ways such as navigation and refrigerator panels. Existing terminals can implement services that require high precision while using RTOS that requires accurate execution time, but Android OS has a disadvantage in that it cannot provide high-precision real-time performance. In this paper, we propose a real-time communication method that operates in the Android OS. Real-time communication reduces the load using the UDP protocol, and configures the real-time operating system time tick through a high-precision timer in the kernel area. An Android application level library was created to implement real-time communication and compared with the existing Android library for real-time performance verification.

주제어

표/그림 (21)

그림 그림 1. RTiK-Android 스택 구조
그림 그림 2. 실시간 안드로이드 응용 프로그램 동작 과정
그림 그림 3. HRTimer 동작 활성화를 위한 코드
그림 그림 4. HRTimer 동작 시 실행할 함수
그림 그림 5. HRTimer 동작 중지를 위한 함수
표 표 1. HRTimer 제어를 위해 구현된 함수
그림 그림 6. 실시간 태스크 정보 리스트의 구조
그림 그림 7. 안드로이드 Client와 윈도우 Server와의 UDP통신 과정
그림 그림 8. 서버와의 연결 확인을 위한 코드
그림 그림 9. JNI-Protocol을 통한 데이터 전달
그림 그림 10. RTiK-Android에서 구현된 JNI-Protocol의 구조
그림 그림 11. 실시간 통신 성능 측정 환경
그림 그림 12. 10ms 주기를 가지는 실시간 태스크의 측정 결과
표 표 2. Target Board의 하드웨어 환경
표 표 3. Target Board 및 Server의 환경
표 표 4. RTiK-Android에서 10ms 주기를 가지는 실시간 태스크의 측정 결과 분석
그림 그림 13. usleep() 함수를 이용한 10ms 주기의 UDP 통신 측정 결과
그림 그림 14. RTiK-Android를 이용한 10ms 주기의 UDP 통신 측정 결과
그림 그림 15. usleep() 함수를 이용한 10ms 주기의 UDP 통신의 확률 밀도 함수
그림 그림 16. RTiK-Android를 이용한 10ms 주기의 UDP 통신의 확률 밀도 함수
표 표 5. usleep() 함수와 RTiK-Android를 이용한 10ms 주기의 UDP 통신 측정 결과 비교

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

따라서 본 논문에서는 안드로이드에 실시간 성능을 제공하여 기존 점검 장비의 문제점을 해결하고자 하였다. 가상 머신을 사용하는 안드로이드 플랫폼의 문제점을 해결하기 위하여 실시간 성능 지원이 필요한 안드로이드 응용 프로그램을 관리하기 위한 구조를 이중 커널인 RTiK-Android Kernel Extension을 구현하였으며, 리눅스 커널에서 지원하는 HRTimer를 사용하여 실시간 성능을 제공하였다.
본 논문에서는 안드로이드에 실시간 성능을 제공하기 위하여 이중 커널 구조를 구현하여 안드로이드에 실시간 성능을 지원하고, RTOS가 적용된 IoT를 위한 점검 장비로 사용하기 위하여 실시간 통신 방법을 설계 및 구현하였다.

제안 방법

안드로이드 응용 프로그램에서 RTiK-Android Kernel Extension을 사용할 수 있도록 JNI-Protocal을 사용한 인터페이스를 적용한 RTiK-Android를 구현하였다. RTiK-Android를 군용점검 장비에 사용하기 위한 요구 사항을 만족하기 위해 실시간 통신 프로그램을 구현하였다.
RTiK-Android의 성능을 측정하기 위하여 HRTimer의 인터럽트 발생 주기를 측정하였으며, 안드로이드 응용프로그램의 동작주기와 통신 프로그램의 동작 주기를 측정하였다. 리눅스 커널에서 발생하는 HRTimer의 인터럽트 지터에 비해 안드로이드 응용 프로그램의 지터가 매우 큰 것을 확인할 수 있었지만, 안드로이드 응용프로그램에서 10ms 주기에 맞추어 실시간 통신이 가능한 것을 확인하였다.
따라서 본 논문에서는 안드로이드에 실시간 성능을 제공하여 기존 점검 장비의 문제점을 해결하고자 하였다. 가상 머신을 사용하는 안드로이드 플랫폼의 문제점을 해결하기 위하여 실시간 성능 지원이 필요한 안드로이드 응용 프로그램을 관리하기 위한 구조를 이중 커널인 RTiK-Android Kernel Extension을 구현하였으며, 리눅스 커널에서 지원하는 HRTimer를 사용하여 실시간 성능을 제공하였다. 안드로이드 응용 프로그램에서 RTiK-Android Kernel Extension을 사용할 수 있도록 JNI-Protocal을 사용한 인터페이스를 적용한 RTiK-Android를 구현하였다.
이러한 자바 응용 프로그램은 실제 하드웨어 위에서 동작하는 것이 아니라 자바 가상 머신위에서 동작하기 때문에, 리눅스 커널에서 제공하는 기능을 직접 호출할 수 없다. 그러므로 기존 안드로이드에서 제공하는 JNI(Java Native Interface)를 통하여 C++언어로 작성되어 커널에 접근할 수 있는 인터페이스인 libRTiK에 접근할 수 있도록 하였다.
본 장에서는 RTiK-Android Kernel Extension에서 사용하는 타이머의 주기 보장 여부와 실시간 태스크의 실시간 성능 보장 여부를 확인하기 위하여 설정된 주기와 실제 동작 주기를 비교한다. 또한 RTiK-Android 사용 유무에 따른 비실시간 태스크와 실시간 태스크의 작동 주기를 비교한다.
실시간 UDP통신을 하면 손실되는 패킷이 존재하기 때문에 정확한 데이터의 측정이 되지 않을 수 있다. 안드로이드 디바이스에서 통신 태스크의 발생 주기를 기록하기 위해 실시간 통신이 끝난 뒤 발생한 통신 데이터를 파일에 저장하는 saveResult 함수를 통해 UDP 통신에서 손실되는 패킷이 여부와 손실된 데이터의 파악이 가능하도록 하였다.
가상 머신을 사용하는 안드로이드 플랫폼의 문제점을 해결하기 위하여 실시간 성능 지원이 필요한 안드로이드 응용 프로그램을 관리하기 위한 구조를 이중 커널인 RTiK-Android Kernel Extension을 구현하였으며, 리눅스 커널에서 지원하는 HRTimer를 사용하여 실시간 성능을 제공하였다. 안드로이드 응용 프로그램에서 RTiK-Android Kernel Extension을 사용할 수 있도록 JNI-Protocal을 사용한 인터페이스를 적용한 RTiK-Android를 구현하였다. RTiK-Android를 군용점검 장비에 사용하기 위한 요구 사항을 만족하기 위해 실시간 통신 프로그램을 구현하였다.
안드로이드에 실시간 성능을 제공하기 위하여 안드로이드 스택 하단에 존재하는 Linux 커널 영역에 이중 커널인 RTiK-Android Kernel Extension을 구현하였다.

데이터처리

본 장에서는 RTiK-Android Kernel Extension에서 사용하는 타이머의 주기 보장 여부와 실시간 태스크의 실시간 성능 보장 여부를 확인하기 위하여 설정된 주기와 실제 동작 주기를 비교한다. 또한 RTiK-Android 사용 유무에 따른 비실시간 태스크와 실시간 태스크의 작동 주기를 비교한다.

이론/모형

libRTiK은 실시간 안드로이드 응용 프로그램에서 RTiK-Android를 제어하고, 실시간 성능을 제공 받기 위해 만들어진 라이브러리이다. libRTiK은 RTiK-Android Kernel Extension으로 접근하기 위하여 IOCTL을 사용한다.

성능/효과

RTiK-Android의 성능을 측정하기 위하여 HRTimer의 인터럽트 발생 주기를 측정하였으며, 안드로이드 응용프로그램의 동작주기와 통신 프로그램의 동작 주기를 측정하였다. 리눅스 커널에서 발생하는 HRTimer의 인터럽트 지터에 비해 안드로이드 응용 프로그램의 지터가 매우 큰 것을 확인할 수 있었지만, 안드로이드 응용프로그램에서 10ms 주기에 맞추어 실시간 통신이 가능한 것을 확인하였다.

후속연구

최근 IoT 기반의 디바이스의 수가 증가하고 있으며, IoT 기반 디바이스에서 발생하는 문제를 해결하는데 RTOS가 도움을 주고 있다. 또한 이를 활용하는 모바일 단말의 활용이 높아지면서, 기존의 VxWorks와 같은 상용 실시간 운영체제가 사용된 군용 무기점검 장비를 대체할 수 있도록 휴대용 단말에서 실시간 성능이 요구된다.
향후 연구로는 안드로이드 응용프로그램에서 발생하는 지터를 HRTimer 인터럽트가 발생하는 지터와 같을 수 있도록 RTiK-Android의 성능을 개선하는 연구와 RTiK-Android 외의 실시간 안드로이드 OS와의 성능 비교평가를 수행하는 연구가 필요하다.

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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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