논문 13-38C-03-04 http://dx.doi.org/10.7840/kics.2013.38c.3.247 선박통합네트워크구조성능분석 이성형, 김재현, 문경덕 *, 이광일 *, 박준희 * Performance Analysis on Integrated Ship Area Network Sung-Hyung Lee, Jae-Hyun Kim, Kyoung-Deuk Moon *, Kwangil Lee *, Jun Hee Park * 요 약 본논문에서는선박통합게이트웨이를이용하여선박내기기를하나의네트워크로연결하는선박네트워크 (Ship Area Network) 에대하여네트워크의구조를분석하고모든기기의연결을담당하는선박통합게이트웨이의망요소적역할및필요최소성능에대해분석한다. 이를위하여선박내네트워크에대한참조망구조및종단간연결에대해분석하고트래픽모델및선박네트워크의요구사항을분석하였다. 그리고이를바탕으로선박통합네트워크구조를반영하는네트워크시뮬레이터를설계하였다. 망요소에대한성능평가결과, 제안한네트워크에서통합게이트웨이가스위치로서동작하고약 30,000 packets/s 이상의성능을보유하였을때, 선박네트워크가선박내부의트래픽을안정적으로전송하였음을확인할수있었다. Key Words : ship area network, performance analysis, network simulation, integrated SAN, integrated gateway ABSTRACT This paper analyzes ship area network(san) with integrated gateway. For the analysis, this paper analyzes reference network architecture, end-to-end connection model, traffic model, and requirement of SAN. Also, the type of network element and minimum performance of integrated gateway is derived by ship area network simulator. The performance evaluation results show that a integrated gateway operating as network switch with performance over than 30,000 packets/sec can provides end-to-end connection with satisfaction of requirement of each end-to-end connection. Ⅰ. 서론 해주는역할을수행한다. 초기의선박네트워크에서는네트워크가존재하지선박네트워크또는선박영역네트워크 (Ship Area 않았던선박에네트워크를설치하여야하는어려움과 Network) 는선박내에구축되어제어명령, 상태정네트워크의속도가빠르지않고회선의신뢰성이낮보, 문서및도면정보등을교환할수있도록제공되다는특성때문에그림 1의좌측과같이통신이필요는백본네트워크를말한다. 선박네트워크는선박내한개별시스템사이에직접적연결을이용하는방식기계장치제어를선원이직접수행할필요없이중앙인점대점 (point-to-point) 연결방식을이용하였다. 그에서가능하게하기때문에선박자동화에반드시필러나이러한연결방식은점대점연결방식을위해서요한요소이며컨테이너선및크루즈선과같은대형선의길이가전체적으로증가하기때문에배선비용선박을약 30여명의선원만으로도운항이가능하도록증가및고장발생시원인탐색과수리에어려움이 본연구는지식경제부의지원을받는정보통신표준화및인증지원사업의연구결과로수행되었음. 주저자 : 아주대학교전자공학부무선인터넷연구실, xaviersr@ajou.ac.kr, 학생회원 교신저자 : 아주대학교전자공학부무선인터넷연구실, jkim@ajou.ac.kr, 종신회원 * 한국전자통신연구원, kdmoon@etri.re.kr, 정회원, leeki@etri.re.kr, juni@etri.re.kr 논문번호 :KICS2013-01-013, 접수일자 :2013년 1월 10일, 최종논문접수일자 :2013년 3월 7일 247
그림 1. 점대점연결방식의선박네트워크구조 ( 좌측 ) 와선박통합네트워크구조 ( 우측 ) Fig. 1. Ship Area Network with point-to-point connection(left) and integrated ship area network(right) 있고, 최근네트워크의발달에따라이더넷 (Ethernet) 및전력선통신 (Power Line Communication) 의링크속도및신뢰성이증가하여점대점연결방식이더이상필요하지않다는점등다양한이유에의해그림 1의우측과같이각각의시스템을하나의네트워크에물려통신을수행하는방식인선박통합네트워크 (Integrated Ship Area Network) 구조로변경되어가고있다 [1-3]. 이러한네트워크구조에서는각장비들에대한연결을통합게이트웨이 (integrated gateway) 가연결해주어상호간에통신이가능하도록한다. 이러한선박네트워크구조에대한성능분석결과로크루즈선박에서선박내멀티미디어서비스제공을위한네트워크토폴로지별패킷량분석 [4] 및도선 (ferry boat) 에서광통신적용시오류발생률과수리주기등을분석 [5] 한결과가있다. 또한동일한참조망구조에대해세가지네트워크시스템을적용하고비교 [6] 하기도하였다. 그러나이러한연구에서백본네 트워크구성을위한네트워크요소의역할및최소요구성능에대해서는분석이이루어지지않았다. 본논문에서는통합선박네트워크구조의선박영역네트워크에대해성능분석을수행한다. 이를위하여선박통합네트워크에대한참조망구조및종단간연결에대해분석한다. 또한각연결에대한트래픽모델에대해분석하고, 선박네트워크가갖추어야할요구조건들을분석한다. 설계한네트워크의성능검증및통합게이트웨이의망요소적역할, 최소성능을확인하기위하여, 선박네트워크시뮬레이터를개발하여이를활용하였다. 이논문은다음과같이구성된다. 2장에서는선박통합네트워크의설계및이를위한분석에대해제시한다. 3장에서는설계한선박통합네트워크의성능분석을위한시뮬레이터에대해서설명하며 4장에서성능분석결과에대해설명한다. 마지막으로 5장에서결론을맺는다. Ⅱ. 선박통합네트워크구조분석 2.1. 참조망구조및종단간연결분석이절에서는선박통합네트워크에대한참조망구조및종단간연결에대해분석을한다. 선박통합네트워크의참조망구조는그림 2와같다. 선박내에는선박의위치추적을위한 AIS(Automatic Identification System), GPS(Global Positioning System) 관련장비가있으며, 선박내부기기에대한상태측정, 통보, 제어를위한센서및액츄에이터에해당하는 AMS(Alarm Monitoring System), Gauge 248 그림 2. 선박통합네트워크의참조망구조 Fig. 2. Reference network architecture of integrated ship area network
논문 / 선박통합네트워크구조성능분석 NN1 등이있다. 그리고센서로부터전달되어진상태를확인하는웹페이지생성을위한선박내웹서버및항해동안발생한이벤트를기록하는 VDR(Voyage Data Recorder) 이있다. 또한사용자에게각기기를연결시켜함교에서모든기기에대한동작을가능하게하는 IBS(Integrated Bridge System) 및 INS(Integrated Navigation System) 이있다. 그리고선원이개인적및점검용으로사용할수있는 PC 를포함하는선원네트워크 (crew network) 와외부와의통신을위한위성통신시스템이있다. 마지막으로해당기기들을모두연결해주는통합게이트웨이 (integrated gateway) 가네트워크의중앙에위치한다. 상업적컨테이너선에대한종단간연결및해당연결에대한 transport protocol, 트래픽모델은선박및관련표준에따라다르게나타나지만 [7], 기기가가장많을것으로예상되는모든기기가설치된경우에대해서는표 1과같다. AMS의정보는기록및조회를위하여 VDR과웹서버로전송되며, VDR에서수집된정보역시웹서버로전송되어기록상황및수집된선박의상황을확인할수있도록한다. GPS, AIS, INS, Gauge NN1 등에서발생하는정보는다양한곳에서활용되므로정보를모든곳으로전송하기위해브로드캐스팅을사용한다. PC 및 VDR에서도역시주기적인정보요청및상태확인을위해브로드캐스팅이수행된다. 해당종단간연결에서선원네트워크내부에서의트래픽및선원네트워크에서위성통신을이용하는트래픽은포함되지않았는데이는방화벽 (firewall) 을이용해해당트래픽이통합게이트웨이로유입되는것이차단되기때문에통합게이트웨이에영향을주지않기때문이다. 2.2. 네트워크요구사항분석선박에설치된기기및선박네트워크는한번출항하면수개월동안해상에서운용되기때문에기기의오류및오동작으로선박의운항에문제를발생시키지않아야한다 [5]. 따라서선박네트워크를설계함에있어기기의오류에의해네트워크가마비되는현상을방지하기위하여여러환경에서기기를시험하게되며, 기기오류발생시빠른대처를위하여동일한기기를 2개이상설치하여백업네트워크를구성하고기본네트워크의이상발생시백업네트워크로전환하여대처하는구조를일반적으로이용한다. 그림 1의우측의구조를이용할때도평시에는 Ethernet 또는 PLC 중하나의네트워크를이용하다가이용하던네트워크에문제가발생할경우나머지네트워크를활성화하여이용한다. 그러나네트워크구조자체에문제가있는경우에는오류발생시백업네트워크로전환을하여도백업네트워크에서동일한오류가발생하게된다. 이러한오류로는선박네트워크에서전달되는정보손실에의한오동작과패킷지연에의한네트워크의오버플로우및네트워크요소의멈춤발생등이있다. 이러한문제는선박운항중에적절한시기에선원들이기기제어를어렵게하고화재, 충돌및기기고장등의긴급상황에서대처를늦게하는원인이된다. 따라서선박네트워크는선박네트워크를이용하여전달되는정보가선박의운행및긴급상황에서통신수행시정보손실이거의없도록 99% 이상의전송률을보장하고갑작스런전송량증가상황에서도네트워크의오버플로우가없도록평균전송주기의 1/10 수준의전송지연을보장하여야한다. 따라서선박네트워크가갖추어야할최소요건은 표 1. 상업적컨테이너선에서종단간연결및트래픽모델 Table 1. End-to-end connection and traffic model of commercial container ship Source Destination Transport Transmission frequency Number of Packet size(kbits) Protocol (messages/period) devices AMS VDR UDP 272 1/1 second 1 AMS Web Server UDP 272 1/1 second 1 VDR(Data) Web Server TCP 20 1/1 second 1 VDR(Image) Web Server TCP 8000 1/7 seconds 1 GPS (Broadcast) UDP 0.632 1.600 1/1 second 2-15 AIS (Broadcast) UDP over than 0.632 50/1 second 2-15 INS (Broadcast) UDP 0.632 50/1 second 2-15 Gauge NN1 (Broadcast) UDP 0.632 1/1 second 5-15 PC (Broadcast) UDP 0.632 1/1 second 5-15 VDR (Broadcast) UDP 0.632 1/1 second 5-15 249
아래와같으며, 해당조건을만족하기위한통합게이트웨이의망요소적역할및최소성능에대해도출할필요가있다. 선박네트워크에서각트래픽에대해종단간패킷손실율이 1% 미만일것 선박네트워크에서종단간평균패킷지연은트래픽발생주기의 1/10 이하일것 Ⅲ. 선박통합네트워크성능평가시뮬레이터 선박통합네트워크의성능평가를위해그림 3과같은네트워크성능평가시뮬레이터를개발하였다. 이시뮬레이터에서는참조망구조및각장비에대한선박내위치를반영하여네트워크가구성되었다. 통합게이트웨이는 Upper Deck의 Wheel House 내부랙 (rack) 에위치하며웹서버및 VDR 역시 Wheel House에위치한다. INS, IBS 및선원네트워크는 Upper Deck의 7~8층에위치하는것으로가정하였다. AMS는엔진실에위치하므로가장아래위치하고있으며 AIS, GPS 역시실제설치거리를고려하여위치를지정하였다. 그림 3. 선박네트워크성능평가시뮬레이터 Fig. 3. Ship area network performance evaluation simulator 이시뮬레이터는 OPNET 14.5로구현되었다. 시뮬레이터내부의송신노드들에서는역할에따라표 1 의트래픽을발생하며수신노드들에서는수신한패킷량, 지연시간등을기록하게된다. 각각의기록은네트워크의성능평가에필요한패킷손실율, 패킷지연시간을분석하는데이용되었다. Ⅳ. 선박통합네트워크성능평가본장에서는선박통합네트워크에대한성능평가를수행한다. 성능평가로는통합게이트웨이의망요소적역할을선택하고통합게이트웨이의최소요구성능을파악한다. 4.1. 통합게이트웨이의망요소적역할선택통합게이트웨이는모든기기를연결해주는역할을수행하기때문에허브 (hub), 스위치 (switch), 브리지 (bridge) 또는라우터 (router) [8] 로동작할수있다. 이중이더넷포트의수가같은종류의장비를연결하고있는지역스위치수보다많지않고, 선박내네트워크의장비수가 255개미만이며, 네트워크에대한게이트웨이의역할및 IP 자동분배등의기능은위성통신게이트웨이에서수행가능하므로통합게이트웨이가라우터의역할을수행하는것은적합하지않다. 브리지는네트워크세그먼트의연결에사용하기위한장비로스위치와같은계층에서동작하나포트의수가적기때문에역시제외하였다. 허브를사용할경우에는비용이절감될수있으나, 1계층장비이기때문에채널에서의충돌발생으로패킷손실이발생할수있다. 반면에스위치는허브보다비용이더많이필요하나물리적으로분리가되므로충돌에의한패킷손실이발생하지않는다. 그러나허브를사용하여도선박네트워크에대한백본네트워크서비스제공이가능하다면스위치를사용할필요가없다. 따라서허브와스위치에대한선택은시뮬레이션등을활용하여성능을확인할필요가있다. 이는선박종류와선박이운용되고있는상황에따라네트워크의트래픽이변화하기때문이다. 일시적으로긴급상황이발생하여각장비에서트래픽발생주기가줄어들면네트워크에발생하는트래픽의양이변화한다. 또한선박의크기가커지거나추가적인기기관측장비및 CCTV와같은감시장비를추가로장착하는경우같이네트워크가확장되는경우에도트래픽이증가한다. 따라서다양한선박에서의상황을고려하여네트워크요소를선정하기위하여본논문에서는해당원인으로인해트래픽이발생하는것을백그라운드트래픽이발생하는것으로가정하였다. 백그라운드트래픽은 CCTV가선박내부에추가된상황을가정하며, 하나의노드는 1Mbps의비디오트래픽을발생시키도록설정하였다. 백그라운드트래픽의양에따라노드의수는점차증가한다. 그림 4는선박게이트웨이가허브또는스위치역 250
논문 / 선박통합네트워크구조성능분석 그림 4. 통합게이트웨이의망요소적역할및백그라운드트래픽별패킷손실율 Fig. 4. Packet loss ratio with respect to background traffic and role of integrated gateway 그림 6은통합게이트웨이의패킷스위칭능력에따라각트래픽별패킷손실률의변화를나타낸그래프이며그림 7은평균지연시간을나타낸그래프이다. 이결과에서네트워크의지연시간은설정한요구조건을모두만족하고있으나패킷손실율의경우에는통합게이트웨이의성능이약 30,000 packets/s 미만인경우에요구조건을벗어나고있음을확인할수있다. 따라서통합게이트웨이가 30,000 packets/s 이상의패킷스위칭능력을보유하면선박네트워크의요구조건을만족하면서네트워크가원활하게동작가능함을확인할수있다. 참고로해당성능은중급네트워크스위치의성능인약 10Mpackets/s [9] 에비해 0.3% 정도에해당하는성능이기때문에통합게이트웨이가일반상업용스위치보다특별히뛰어난성능을보유할필요가없음을확인할수있으므로장비의내구성이나고장발생빈도등성능분석외적의요구사항만만족된다면상용장비를선박네트워크에충분히적용가능함을확인할수있다. 다만장비의별도개발이필요할경우에는본논문의성능제한을참고할필요가있다. 그림 5. 통합게이트웨이의망요소적역할및백그라운드트래픽별지연시간 Fig. 5. End-to-end delay with respect to background traffic and role of integrated gateway 할을수행할경우에백그라운드트래픽에따라나타나는각트래픽의패킷손실율을나타내며그림 5는이때각트래픽의지연시간을나타낸다. 링크용량은 100Mbps로가정하였으며시뮬레이션은 1200 초동안수행하였다. 이결과에서통합게이트웨이가허브역할을수행할경우물리적으로동일하게연결시키는허브의특성에의해 MAC 계층에서충돌이증가하므로 UDP 프로토콜을이용하는트래픽은패킷손실, TCP 프로토콜을이용하는트래픽은재전송으로인한지연을겪게된다. 반면스위치를이용할경우에는물리적으로분리가되므로충돌이발생하지않아손실이발생하지않고재전송에의한지연시간이나타나지않는다. 따라서통합게이트웨이는스위치역할을수행하는것이가장적합함을확인할수있다. 그림 6. 스위치성능별패킷손실율 Fig. 6. End-to-end packet loss ratio with respect to switching performance of integrated gateway 그림 7. 스위치성능별지연시간 Fig. 7. End-to-end delay with respect to switching performance of integrated gateway 251
Ⅴ. 결론본논문에서는선박통합게이트웨이를이용하여선박네트워크를단일네트워크로구성하는선박통합네트워크에대해성능평가를수행하였다. 특히망의중앙에서전체기기들을연결하는통합게이트웨이는망요소적역할로스위치가가장적합하며, 최소스위칭능력은 30,000 packets/s임을확인하였다. 도출한성능요구조건은추후선박통합네트워크관련장비선정또는개발에활용가능할것으로기대한다. 참고문헌 [1] B. K. Park, Hyundai Heavy Industuries and Maersk begin new era of smart ship, Monthly Maritime Korea, Apr. 27, 2011. from http://www.monthlymaritimekorea.com/news/ar ticleview.html?idxno=7962 [2] Lee A. Luft, Larry Anderson, Frank Cassidy, NMEA 2000 A Digital Interface for the 21st Century, Institute of Navigation s 2002 National Technical Meeting, San Diego, California, Jan. 30, 2002. [3] J. H. Hwang, Methods for advance of maritime, ship-building, and steel industuries, Monthly Oceans and Fisheries, vol. 257, Feb. 2006. [4] M. J. Kim and J. W. Jang, A comparative study on packet by network design in in-ship, in Proc. 4th Int. Conf. Interaction Sci. (ICIS) 2011, pp.194-199, Shanghai, China, Aug. 2011. [5] I. Jurdana, V. Tomas, and R. Ivce, Availability model of optical communication network for ship's engines control, in Proc. 3rd Int. Congr. Ultra Modern Telecommun. Control Syst. and Workshops (ICUMT) 2011, pp.1-6, Budapest, Hungary, Oct. 2011. [6] D. Chen, L. Xia, and H. Wang, Modeling and simulation of monitor-control network in ship power station, Workshop on Power Electronics and Intelligent Transportation System (PEITS) 2008, pp.384-388, Guangzhou, China, Aug. 2008 [7] S. H. Lee, J. H. Kim, K. D. Moon, K. Lee, and J. H. Park, Backbone network architecture planning of ship area network, in Proc. APWCS 2010, pp. 1-5, Taiwan, May 2010. [8] T. Lammie, Cisco Certified Network Associate Study Guide, Sybex, Mar. 2007. [9] Cisco, Cisco Switch Guide(2012), Retrieved Mar. 19, 2012, from http://www.cisco.com 이성형 (Sung-Hyung Lee) 2007년 2월아주대학교전자공학부졸업 2009년 2월아주대학교전자공학과석사졸업 2009년 3월~현재아주대학교전자공학과박사과정 < 관심분야 > MAC 프로토콜, QoS, 네트워크성능분석, 국방전술네트워크등김재현 (Jae-Hyun Kim) 1987년 1996년한양대학교전산과학 / 석 / 박사졸업 1997년 1998년미국 UCLA 전기전자과박사후연수 1998년 2003년 Bell Labs, Performance Modeling and QoS Management Group, 연구원 2003년 현재아주대학교전자공학부교수 < 관심분야 > 무선인터넷, QoE/QoS, MAC 프로토콜, IEEE 802.11/15/16, B4G/5G, 국방전술네트워크, 위성시스템등 252
논문 / 선박통합네트워크구조성능분석 문경덕 (Kyoung-Deuk Moon) 1990년한양대학교전자계산학과 ( 학사 ) 1992년한양대학교대학원전자계산학과 ( 이학석사 ) 2005년 KAIST 대학원정보통신공학부 ( 공학박사 ) 졸업 1992년 1996년시스템공학연구소연구원 1997년 1999년한국전자통신연구원선임연구원 2000년 2009년한국전자통신연구원그린컴퓨팅미들웨어연구팀장 2010년 2010년한국전자통신연구원그린컴퓨팅연구부장 2011년 현재한국전자통신연구원책임연구원 < 관심분야 > 홈네트워크, u-컴퓨팅, Green ICT, IT 조선융합 이광일 (Kwangil Lee) 2001년충남대학교전산학 ( 박사 ) 2000년미국국립표준과학연구원연구원 2002년미국메릴랜드대학교연구원 2004년미국텍사스주립대학교연구원 2006년 현재한국전자통신연구원자율제어미들웨어연구실선임연구원 < 관심분야 > 스마트선박, 해양플랜트, 라우팅 / 스위칭, 보안, 스마트홈 박준희 (Jun Hee Park) 1997년한국전자통신연구원연구원 2005년충남대학교전산학 ( 박사 ) 현재한국전자통신연구원자율제어미들웨어연구실실장 < 관심분야 > 스마트선박, 해양플랜트, 스마트홈 253