분산 이동컴퓨팅 연구실

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DDS 기반 통신 성능 분석
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■ 대용량 데이터 전송을 위한 DDS QoS 설정 연구

개요

대용량 데이터를 빠르고 안정적으로 송수신하는 것은 다양한 산업 분야에서 필수적이다. 특히, 실시간 데이터 처리가 요구되는 환경에서는 통신 지연을 최소화하고 데이터 손실을 방지하는 것이 핵심 과제이다. 기존의 TCP/IP 기반 클라이언트-서버 방식은 대규모 데이터 전송 시 네트워크 병목 현상과 확장성의 한계를 보인다. 본 연구에서는 DDS(Data Distribution Service)를 활용하여 대용량 데이터 전송 성능을 최적화하는 QoS 설정을 분석하였다.

주요 연구 내용

● RTI Connext DDS를 활용한 대용량 데이터 송수신 실험
● 다양한 QoS 설정이 전송 성능에 미치는 영향 분석
● 최적의 QoS 조합 도출을 위한 실험 및 성능 비교

실험 환경

● 송신자(Publisher): Intel Core i7-12700F, 32GB RAM, Windows 11 Pro
● 수신자(Subscriber): Intel Core i5-1135G7, 32GB RAM, Windows 11 Pro
● 네트워크 환경: 동일 네트워크(LAN) 내 유선 이더넷 연결(1Gbps), 별도의 네트워크 트래픽이 존재하지 않는 독립적인 네트워크

영상 크기

● 해상도: 1920×1080 (Full HD)
● 프레임 속도: 30fps (초당 30 프레임)
● 비디오 포맷: MP4 (H.264 코덱 사용)
● 영상 크기: 400MB , 500MB

연구 결과

본 연구에서는 DDS 기반 통신에서 QoS 설정이 대용량 데이터 송수신 성능에 미치는 영향을 실험적으로 분석하였다. 첫 번째 실험은 다양한 QoS 설정을 적용한 결과 통신 속도에 유의미한 영향을 미치는 주요 QoS 파라미터 5개를 도출하였다.

1. QoS 파라미터별 성능 비교

각 QoS 설정이 DDS 통신 성능에 미치는 영향을 분석한 결과, 다음과 같은 특성이 확인되었다.

● History 설정

송신자가 저장하는 데이터 샘플의 개수를 의미하며, 값이 증가할수록 메모리 사용량과 네트워크 부하가 증가함. History = 1: 최소한의 데이터만 저장하여 불필요한 버퍼링이 발생하지 않고 빠른 데이터 전송 가능. History = 5: 추가적인 메시지 저장이 필요하여 오히려 전송 지연이 발생. History = keep_all: 모든 메시지를 저장하지만, 예상보다 큰 지연이 발생하지 않음.

● Deadline 설정

데이터가 수신자에게 전달될 수 있는 최대 지연 시간을 설정하는 값으로, 네트워크 지연과 직접적인 연관이 있음.
Deadline = 50ms: 전반적으로 짧은 전송 시간을 유지하며, 네트워크 지연이 최소화됨.
Deadline = 100ms: 일부 전송 구간에서 지연 시간이 증가하는 경향을 보였으며, 데이터 전달 속도 변동성이 커짐.

결론: 낮은 지연시간이 실시간 데이터 전송 환경에서 유리함.

● NACK Delay 설정

패킷 손실 발생 시 송신자가 재전송 요청을 받을 때까지의 대기 시간을 설정하는 값.
NACK Delay = 0s: 즉각적인 재전송이 이루어져 패킷 손실을 빠르게 보완하고 전송 속도가 단축됨.
NACK Delay = 1s: 손실된 패킷의 복구가 지연되며, 결과적으로 데이터 전송 속도가 낮아짐.

결론: 실시간성 보장을 위해 NACK Delay는 낮은 값으로 설정하는 것이 바람직함.

● Socket Buffer Size 설정

네트워크에서 송신 및 수신되는 데이터가 버퍼링되는 크기를 설정하는 값으로, 데이터 전송의 안정성과 직접적으로 연관됨.
Socket Buffer Size = 1MB: 소규모 패킷 전송 시에는 적절하지만, 대용량 데이터 전송에서는 병목 현상이 발생하여 속도가 저하됨.
Socket Buffer Size = 2MB: 데이터 전송 속도가 안정적으로 유지되며, 네트워크 병목 현상이 완화됨.

결론: 대용량 데이터 전송 환경에서는 최소 2MB 이상의 Socket Buffer Size 설정이 필요함.

[Qos 정책 옵션별 전송 시간 비교]

2. QoS 파라미터 조합별 성능 비교

각 QoS 설정을 조합하여 실험을 수행한 결과, History=1, Deadline=50ms, NACK Delay=0s, Socket Buffer Size=2MB로 설정했을 때 가장 높은 전송 성능을 기록하였다.

아래 히트맵은 색상이 연할수록(파란색) 전송 시간이 길며, 색상이 진할수록(붉은색) 전송 시간이 짧음을 의미한다. 각 행은 History 및 NACK Delay 설정을, 각 열은 Deadline과 Socket Buffer Size 설정을 나타낸다.

● History 설정이 클수록 전송 시간 증가

History = 5: 메시지 저장량이 증가하여 불필요한 데이터 저장 비용이 발생 → 전송 속도가 평균 0.64초 증가
History = keep_all: 예상보다 큰 지연은 없었지만, History = 1에 비해 약간의 성능 저하 발생

결론: History 값이 클수록 전송 속도가 감소하며, 필요 이상의 설정은 피하는 것이 바람직함.

● Deadline 설정이 클수록 전송 지연 증가

Deadline = 50ms: 가장 빠른 데이터 전송 성능을 보였음.
Deadline = 100ms: 데이터 패킷 전송 지연이 발생하여 평균 0.49초 추가 지연 발생.

결론: 실시간성 보장이 필요한 환경에서는 낮은 Deadline 설정이 유리함.

● NACK Delay 값이 클수록 패킷 손실 복구 속도 감소

NACK Delay = 0s: 패킷 손실이 즉각 복구되며 가장 빠른 전송 속도 유지.
NACK Delay = 1s: 손실된 패킷의 재전송 요청이 지연되면서 전송 속도 0.59초 증가.

결론: NACK Delay 값을 낮게 설정하는 것이 실시간 데이터 전송에 유리함.

● Socket Buffer Size 증가 시 네트워크 병목 현상 감소

Socket Buffer Size = 1MB: 버퍼 크기가 작아 네트워크 병목이 발생하여 400MB 파일 전송 시간 평균 3.10초 증가.
Socket Buffer Size = 2MB: 패킷 전송이 원활해지면서 속도가 안정화됨.

결론: 대용량 데이터 전송 환경에서는 최소 2MB 이상의 Socket Buffer Size 설정이 필요함.

활용 분야

● ITS(Intelligent Transportation System) 기반 실시간 도로 감시
● 대규모 IoT 센서 네트워크 통신 최적화
● 자율주행 차량 간 V2X 통신