KR102135858B1 - 산업 ＩｏＴ 무선 센서 네트워크의 데이터 패킷 큐 관리 장치 및 방법 - Google Patents

산업 ＩｏＴ 무선 센서 네트워크의 데이터 패킷 큐 관리 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 산업 IoT 무선 센서 네트워크에서 데이터 전송 목적지 및 다음 경로 정보를 바탕으로 데이터 패킷 큐를 적절하게 관리하여 헤더 오버헤드를 크게 경감할 수 있도록 한 산업 IoT 무선 센서 네트워크의 데이터 패킷 큐 관리 장치 및 방법에 관한 것으로, 패킷에 기록된 정보를 바탕으로 압축된 IPv6 패킷을 생성하여 MAC 계층으로 전달하는 6LoWPAN 헤더 생성부;6LoWPAN 헤더 생성부에서 생성된 6LoWPAN 헤더 및 이웃 장치 정보 리스트를 참조하여 6LoWPAN 헤더를 수정/보완하며, 다음 전송 경로에 해당하는 대기열에 패킷을 병합하여 관리하는 패킷 분류/관리부;TSCH 스케줄에 의해 전송 기회가 발생하였을 때, 패킷 대기열의 패킷을 TSCH 구동부로 전달하여 전송을 수행하는 패킷 선택부;를 포함하는 것이다.

Description

산업 ＩｏＴ 무선 센서 네트워크의 데이터 패킷 큐 관리 장치 및 방법{Apparatus and Method for Managing Data Packet Queue in Industrial ＩｏＴ Wireless Sensor Network}
본 발명은 산업 IoT 무선 센서 네트워크에 관한 것으로, 구체적으로 데이터 전송 목적지 및 다음 경로 정보를 바탕으로 데이터 패킷 큐를 적절하게 관리하여 헤더 오버헤드를 크게 경감할 수 있도록 한 산업 IoT 무선 센서 네트워크의 데이터 패킷 큐 관리 장치 및 방법에 관한 것이다.
산업 영역에서도 스마트팩토리, 제조 공정의 지능화 등에 큰 관심을 가지고 있으며, 산업을 위한 IoT 기술인 IIoT(Industrial IoT)라는 기술이 새로운 트렌드로 각광받고 있다.
이러한 IIoT에서는 장치의 온도, 진동을 전송하는 센서 네트워크 장치가 작업자의 움직임 또한 함께 감지하여 보고하는 등의 다양한 역할을 수행할 것으로 기대된다.
즉, 하나의 장치에서 다양한 응용 서비스를 위한 다양한 센서 데이터를 전송하게 된다.
IEEE 802.15.4 TSCH MAC 기술은 산업 IoT 환경에서 시분할 접근과 채널 호핑 특성을 통해 높은 신뢰도와 안정성을 제공할 수 있는 메커니즘을 제공하며, 링크 스케줄링을 통해 장치들 사이의 충돌을 예방하고, 사용 목적에 맞는 네트워크 성능을 확보할 수 있도록 한다.
IEEE 802.15.4기반 통신을 사용하는 임베디드 시스템은 일반적으로 단일 트랜시버만을 사용하며, 한번에 송신 또는 수신의 한 가지 역할만을 수행할 수 있기 때문에, 단위 시간동안 하나의 장치가 처리할 수 있는 데이터의 절대량은 제한적일 수밖에 없다.
산업 IoT 네트워크는 일반적으로 도 1과 같이 트리형태로 구성되어 게이트웨이 또는 루트에 해당하는 장치(A)로 트래픽이 집중된다.
게이트웨이 A 장치는 PLC나 산업 인터넷망에 연결되어 무선 네트워크를 다른 네트워크와 연결해주는 역할을 수행한다. 즉, 네트워크에서 발생하는 모든 트래픽은 A를 거쳐 전달되어야 한다.
도 2는 도1의 네트워크에서 수행된 링크 스케줄링의 예시이다.
해당 예시는 TSCH 슬롯프레임의 길이가 4인 네트워크를 전제하고 있으나, 길이는 네트워크 설정에 따라 변경될 수 있다.
장치 B는 하나의 슬롯프레임 안에서 자식 장치인 D와 E로부터 데이터를 전송받을 수 있는 기회를 가지고 있으며, A에게 전송할 수 있는 2번의 기회를 가지고 있다.
자식 장치 D와 E로부터 전달받은 데이터는 네트워크에서 각각 하나의 IP 데이터 패킷으로 처리되므로, 각각 전송기회를 부여해야 하며 B
Figure 112019029265413-pat00001
A의 통신 기회 1회를 소모해야 게이트웨이 장치 A로 전송될 수 있다.
도 2의 예시를 바탕으로 하나의 타임슬롯이 10ms 라고 가정하면, 하나의 슬롯프레임은 40ms로 구성되며, 모든 타임슬롯을 효율적으로 분배하여 링크 스케줄링을 수행하더라도, 게이트웨이 장치 A가 수신할 수 있는 데이터 패킷은 40ms 당 4개로 제한되며, 네트워크 내에서 40ms 당 4개 초과의 데이터 패킷이 생성된다면 네트워크는 이를 모두 처리할 수 없다.
제한된 슬롯프레임 길이의 예시를 두었지만, 슬롯프레임의 길이가 제한되는 TSCH 네트워크에서 게이트웨이에 가까이 위치한 장치일수록 더 많은 데이터를 처리해야 하며, 처리를 통신 기회는 제한된다.
도 1과 같이 일반적인 산업 IoT 네트워크는 게이트웨이로 데이터가 집중되는 형태를 가지며, 중간에 위치한 장치(B, C) 들은 자식 장치(D,E,F) 의 데이터를 중계하여 전송하고, 자신의 데이터도 게이트웨이로 전송해야 한다.
이때, 일반적인 단일 센서 데이터는 평균 2byte 정도의 크기를 차지하며, 복합 센서 데이터를 전송하더라도 10여 바이트 정도의 데이터만 발생하게 된다.
6LoWPAN의 헤더 압축 기술을 통해 주소 체계를 위한 헤더를 크게 압축하여도 한번의 전송을 위한 전송 계층 헤더 및 MAC 계층의 헤더를 포함하면, 20~40byte의 헤더 오버헤드는 발생하며, 실질적인 데이터 전송보다 헤더 오버헤드가 더욱 크게 발생하는 문제가 있다.
따라서, 산업 IoT 무선 센서 네트워크에서 데이터 패킷 큐를 적절하게 관리하여 헤더 오버헤드를 크게 경감할 수 있도록 하는 새로운 기술의 개발이 요구되고 있다.
대한민국 공개특허 제10-2014-0091364호 대한민국 등록특허 제10-00937924호 대한민국 공개특허 제10-2012-0074017호
본 발명은 종래 기술의 산업 IoT 무선 센서 네트워크에서의 헤더 오버헤드 발생의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 데이터 전송 목적지 및 다음 경로 정보를 바탕으로 데이터 패킷 큐를 적절하게 관리하여 헤더 오버헤드를 크게 경감할 수 있도록 한 산업 IoT 무선 센서 네트워크의 데이터 패킷 큐 관리 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 6LoWPAN의 Stacked 헤더 개념과 프레임 구조를 활용하여, 데이터 전송 목적지 및 다음 경로 정보를 바탕으로 데이터 패킷 큐를 적절하게 관리하여 데이터 전송 효율을 크게 향상시킬 수 있도록 한 산업 IoT 무선 센서 네트워크의 데이터 패킷 큐 관리 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 데이터 전송을 위한 패킷 큐를 적절하게 관리하여 데이터 전송 시 발생하는 헤더 오버헤드를 경감시켜 네트워크의 에너지 사용량을 감소시킬 수 있도록 한 산업 IoT 무선 센서 네트워크의 데이터 패킷 큐 관리 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 패킷 큐 관리로 인해 실질적으로 전송되는 데이터 량을 감소시켜 네트워크 혼잡도를 낮출 수 있도록 한 산업 IoT 무선 센서 네트워크의 데이터 패킷 큐 관리 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 산업 IoT 무선 센서 네트워크 장치에서 발생하는 작은 크기의 센서 데이터를 전송 목적지 및 다음 경로 정보를 기반으로 취합하여 전송하여 제한적인 통신기회를 가지는 TSCH 네트워크에서 전송효율을 향상시킬 수 있도록 한 산업 IoT 무선 센서 네트워크의 데이터 패킷 큐 관리 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 특정 장치의 전송 전에 처리해야할 수신을 먼저 처리하도록 설계되는 최근의 TSCH 링크 스케줄링 알고리즘에 적용하여 전송 전에 가능한 많은 패킷을 대기열에 병합 관리할 수 있으며, 모든 패킷을 전송하는데 필요한 에너지와 전송기회를 크게 절약할 수 있도록 한 산업 IoT 무선 센서 네트워크의 데이터 패킷 큐 관리 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 산업 IoT 무선 센서 네트워크의 데이터 패킷 큐 관리 장치는 패킷에 기록된 정보를 바탕으로 압축된 IPv6 패킷을 생성하여 MAC 계층으로 전달하는 6LoWPAN 헤더 생성부;6LoWPAN 헤더 생성부에서 생성된 6LoWPAN 헤더 및 이웃 장치 정보 리스트를 참조하여 6LoWPAN 헤더를 수정/보완하며, 다음 전송 경로에 해당하는 대기열에 패킷을 병합하여 관리하는 패킷 분류/관리부;TSCH 스케줄에 의해 전송 기회가 발생하였을 때, 패킷 대기열의 패킷을 TSCH 구동부로 전달하여 전송을 수행하는 패킷 선택부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 데이터 패킷 큐 관리 장치는, 6LoWPAN이 적용되는 네트워크 계층과 TSCH가 동작하는 MAC 계층 사이에서 동작하는 것을 특징으로 한다.
그리고 6LoWPAN 헤더에 기록된 전송 목적지 정보와 라우팅 기법에 의해 관리되는 이웃 장치 정보 리스트를 바탕으로, 목적지까지 전송하기 위한 다음 전송 경로(Next Hop)를 결정하여 대상 장치로 전송하기 위한 MAC 헤더를 작성하여 패킷 대기열에 저장하는 것을 특징으로 한다.
그리고 각 장치가 유지하는 전송 경로 별로 별도의 패킷 대기열을 생성하며, 6LoWPAN 헤더를 기반으로 결정된 다음 전송 경로와 일치하는 패킷 대기열에서 패킷을 관리하는 것을 특징으로 한다.
그리고 네트워크 패킷은 전송 목적지를 네트워크 계층 헤더에 명시하도록 되어 있으며, 해당 목적지에 도달하기위한 다음 전송 경로를 MAC 헤더에 기록하며, 각 패킷의 다음 전송 경로를 기반으로 패킷 대기열로 분류되는 것을 특징으로 한다.
그리고 상황에 따라서 다음 전송 경로와 최종 목적지가 일치하는 경우는 네트워크 헤더에 패킷의 최종 목적지가 병합되어 기록되고, 다음 전송 경로는 일치하지만, 최종 목적지가 일치하지 않는 경우는 각 패킷 별 목적지를 명시하는 것을 특징으로 한다.
그리고 최종 목적지가 병합된 패킷에 대한 정보는 네트워크 헤더에 포함하여 기록하므로, 최종 목적지가 일치하는 패킷과 그렇지 않은 패킷도 함께 대기열에 포함되는 것을 특징으로 한다.
다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 산업 IoT 무선 센서 네트워크의 데이터 패킷 큐 관리 방법은 패킷에 기록된 정보를 바탕으로 압축된 IPv6 패킷을 생성하여 MAC 계층으로 전달하는 6LoWPAN 헤더 생성 단계;6LoWPAN 헤더 생성 단계에서 생성된 6LoWPAN 헤더 및 이웃 장치 정보 리스트를 참조하여 6LoWPAN 헤더를 수정/보완하며, 다음 전송 경로에 해당하는 대기열에 패킷을 병합하여 관리하는 패킷 분류/관리 단계;TSCH 스케줄에 의해 전송 기회가 발생하였을 때, 패킷 대기열의 패킷을 TSCH 구동부로 전달하여 전송을 수행하는 패킷 선택 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 새로운 패킷을 생성하거나 전달해야 할 패킷이 발생하였을 때, 이웃 장치 정보 리스트를 참조하여 다음 전송 경로를 결정하며, 해당 경로에 대한 패킷 대기열이 존재하는지 확인하여 존재하지 않을 경우 전송 경로를 위한 새로운 패킷 대기열을 생성하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 패킷 분류/관리 단계에서, 패킷 대기열에 포함된 패킷들의 크기와 잔여 공간을 관리하고, 현재 패킷의 최종목적지와 다음 전송 경로 정보를 바탕으로 압축/제거 가능한 헤더공간을 계산하여 적절한 패킷과 병합하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 패킷 분류/관리 단계에서의 데이터 패킷 큐 관리 동작은, 6LoWPAN이 적용되는 네트워크 계층과 TSCH가 동작하는 MAC 계층 사이에서 동작하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 패킷 분류/관리 단계에서, 6LoWPAN 헤더에 기록된 전송 목적지 정보와 라우팅 기법에 의해 관리되는 이웃 장치 정보 리스트를 바탕으로, 목적지까지 전송하기 위한 다음 전송 경로(Next Hop)를 결정하여 대상 장치로 전송하기 위한 MAC 헤더를 작성하여 패킷 대기열에 저장하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 패킷 분류/관리 단계에서의 데이터 패킷 큐 관리 동작 과정에서, 각 장치가 유지하는 전송 경로 별로 별도의 패킷 대기열을 생성하며, 6LoWPAN 헤더를 기반으로 결정된 다음 전송 경로와 일치하는 패킷 대기열에서 패킷을 관리하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 패킷 분류/관리 단계에서, 네트워크 패킷은 전송 목적지를 네트워크 계층 헤더에 명시하도록 되어 있으며, 해당 목적지에 도달하기위한 다음 전송 경로를 MAC 헤더에 기록하며, 각 패킷의 다음 전송 경로를 기반으로 패킷 대기열로 분류되도록 하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상황에 따라서 다음 전송 경로와 최종 목적지가 일치하는 경우는 네트워크 헤더에 패킷의 최종 목적지가 병합되어 기록되고, 다음 전송 경로는 일치하지만, 최종 목적지가 일치하지 않는 경우는 각 패킷 별 목적지를 명시하는 것을 특징으로 한다.
그리고 최종 목적지가 병합된 패킷에 대한 정보는 네트워크 헤더에 포함하여 기록하므로, 최종 목적지가 일치하는 패킷과 그렇지 않은 패킷도 함께 대기열에 포함되는 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 산업 IoT 무선 센서 네트워크의 데이터 패킷 큐 관리 장치 및 방법은 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 데이터 전송 목적지 및 다음 경로 정보를 바탕으로 데이터 패킷 큐를 적절하게 관리하여 헤더 오버헤드를 크게 경감할 수 있도록 한다.
둘째, 6LoWPAN의 Stacked 헤더 개념과 프레임 구조를 활용하여, 데이터 전송 목적지 및 다음 경로 정보를 바탕으로 데이터 패킷 큐를 적절하게 관리하여 데이터 전송 효율을 크게 향상시킬 수 있도록 한다.
셋째, 데이터 전송을 위한 패킷 큐를 적절하게 관리하여 데이터 전송 시 발생하는 헤더 오버헤드를 경감시켜 네트워크의 에너지 사용량을 감소시킬 수 있도록 한다.
넷째, 패킷 큐 관리로 인해 실질적으로 전송되는 데이터 량을 감소시켜 네트워크 혼잡도를 낮출 수 있도록 한다.
다섯째, 산업 IoT 무선 센서 네트워크 장치에서 발생하는 작은 크기의 센서 데이터를 전송 목적지 및 다음 경로 정보를 기반으로 취합하여 전송하여 제한적인 통신기회를 가지는 TSCH 네트워크에서 전송효율을 향상시킬 수 있다.
여섯째, 특정 장치의 전송 전에 처리해야할 수신을 먼저 처리하도록 설계되는 최근의 TSCH 링크 스케줄링 알고리즘에 적용하여 전송 전에 가능한 많은 패킷을 대기열에 병합 관리할 수 있으며, 모든 패킷을 전송하는데 필요한 에너지와 전송기회를 크게 절약할 수 있도록 한다.
도 1은 산업 IoT 네트워크의 일 예를 나타낸 구성도
도 2는 산업 IoT 네트워크 TSCH 스케줄링을 나타낸 구성도
도3은 본 발명에 따른 산업 IoT 무선 센서 네트워크의 데이터 패킷 큐 관리 장치
도 4는 다음 전송 경로 별 패킷 대기열 개념을 나타낸 구성도
도 5는 본 발명에 따른 산업 IoT 무선 센서 네트워크의 데이터 패킷 큐 관리 방법을 나타낸 플로우 차트
이하, 본 발명에 따른 산업 IoT 무선 센서 네트워크의 데이터 패킷 큐 관리 장치 및 방법의 바람직한 실시 예에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 산업 IoT 무선 센서 네트워크의 데이터 패킷 큐 관리 장치 및 방법의 특징 및 이점들은 이하에서의 각 실시 예에 대한 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.
도3은 본 발명에 따른 산업 IoT 무선 센서 네트워크의 데이터 패킷 큐 관리 장치이고, 도 4는 다음 전송 경로 별 패킷 대기열 개념을 나타낸 구성도이다.
본 발명에 따른 산업 IoT 무선 센서 네트워크의 데이터 패킷 큐 관리 장치 및 방법은 산업 IoT 무선 센서 네트워크 장치에서 발생하는 작은 크기의 센서 데이터를 전송 목적지 및 다음 경로 정보를 기반으로 취합하여 전송하여 제한적인 통신기회를 가지는 TSCH 네트워크에서 전송효율을 향상시키기 위한 것이다.
이를 위하여 본 발명은 6LoWPAN의 Stacked 헤더 개념과 프레임 구조를 활용하여, 데이터 전송 목적지 및 다음 경로 정보를 바탕으로 데이터 패킷 큐를 적절하게 관리하여 헤더 오버헤드를 크게 경감시켜 데이터 전송 효율을 크게 향상시킬 수 있도록 하는 구성을 포함할 수 있다.
TSCH(Time Slotted Channel Hopping) MAC(Media Access Control) 기술은 IEEE 802.15.4e MAC 개정에 포함된 MAC 기술로서, WirelessHART 및 ISA100.11a와 같은 산업 무선 센서 네트워크를 위한 표준기술로 높은 수준의 신뢰도와 안정성을 제공한다.
TSCH 네트워크에 참여한 장치들은 모두 시각 동기화(Time Synchronized)되며, 타임슬롯(time-slot) 단위의 시간으로 동작하고, 여러 개의 타임슬롯을 묶어 슬롯프레임(Slotframe)을 구성한다.
슬롯프레임의 길이는 이를 구성하는 타임슬롯의 개수를 의미하며, 동작 시간 동안 지속적으로 반복된다. TSCH 네트워크의 장치들은 하나의 타임슬롯에서 슬립(sleep), 전송(transmit), 수신(receive)의 동작 중 하나를 선택하며, 전송과 수신 시 채널호핑(Channel hopping)을 통해 각 타임슬롯마다 사용되는 주파수(frequency)를 지속적으로 변경한다.
이처럼 TSCH MAC은 TDMA(Time Division Multiple Access)기반의 다중 채널(Multi-channel) 활용 기술이며, 전송과 수신을 위해 어느 타임슬롯(시점)에서 어떤 채널을 통해 통신할 것인지 결정해야 한다.
이러한 문제를 TSCH의 링크 스케줄링(Link Scheduling)이라 부르며, TSCH MAC에서 높은 수준의 신뢰성과 안정성을 제공하기 위해 필수적인 기술이다.
링크 스케줄링은 지속적으로 반복되는 슬롯프레임을 단위로 수행되며, 슬롯프레임 내의 상대적 시간인 슬롯-오프셋(slotOffset)과 가용 채널 리스트의 인덱스인 채널-오프셋(channelOffset)을 묶은 링크(Link)를 두 장치 사이에 할당하는 것이다.
두 장치는 할당된 링크(slotOffset, channelOffset)에서 약속된 시간과 채널을 사용하여 안정적으로 통신을 수행할 수 있다.
하지만, TSCH 메커니즘을 정의한 IEEE 802.15.4e 표준은 스케줄링 방식에 대해 정의하지 않고 있다.
TSCH의 링크 스케줄링은 각 장치가 이웃 장치와 조율하여 분산적으로 수행하거나, 네트워크 전역의 정보를 수집하여 중앙의 모듈에서 중앙집중식으로 수행할 수 있다.
이는 네트워크 관리 정책에 관련된 요소이며, 네트워크 관리자가 채택한 스케줄링 기술에 의해 결정되지만, 공통적인 목적은 장치 사이의 통신을 조율하여 네트워크 내의 충돌을 예방하여 신뢰도를 높이고 통신 성능을 향상시키는 것이다.
6LoWPAN 기술은 저전력 임베디드 시스템상에서 IPv6 주소체계를 활용하기 위해, 2007년 IETF 6LoWPAN Working Group에 의해 표준화되었으나, 당시에는 여전히 높은 헤더 오버헤드와 IPv6 주소체계의 효용성에 대한 논란으로 크게 주목 받지 못하였다.
하지만, 최근 IoT가 주목받으며 저전력 임베디드 시스템의 IP 기반 통신의 필요성이 대두되고 RPL과 같은 네트워크 계층 기술의 개발로 IoT 실현을 위한 핵심기술로 재조명 받았다.
IPv6는 IPv4 프로토콜의 제한된 주소 공간 문제와 활용가능한 주소 범위의 소진 문제 등을 해결하기 위해 제안되었고, 128비트 주소 공간을 활용하여 거의 무한한 할당이 가능하므로, IoT 환경의 수많은 사물들에도 IP 주소 할당이 가능할 것으로 예상되었다.
하지만, 실제로 이를 활용하기 위해서는 네트워크 계층 헤더에만 약 40바이트 이상이 사용되어야 하므로, 한번에 최대 127바이트 전송이 가능한 IEEE 802.15.4e PHY 프레임에서 지나치게 큰 오버헤드를 발생시는 문제가 있다.
6LoWPAN은 이러한 문제를 해결하기 위한 기술로서 헤더의 길이를 압축하기 위한 헤더 압축(Header Compression) 기술과 IP 계층에서 필요한 기능만 선별적으로 채택하는 Stacked header 기술을 정의하고 있다.
또한, IPv6는 최소 1280바이트의 MTU를 지원해야 하므로, 이를 위한 Fragmentation 기능을 제시하고 있다.
이는 6LoWPAN 기반 저전력 네트워크에서 최대 프레임 크기는 127바이트 이므로, 더 큰 IPv6 패킷을 전송하기 위해 분할 전송하고 재조립하기 위한 기능을 말한다.
본 발명에 따른 산업 IoT 무선 센서 네트워크의 데이터 패킷 큐 관리 장치는 도 3에서와 같이, 패킷에 기록된 정보를 바탕으로 압축된 IPv6 패킷을 생성하여 MAC 계층으로 전달하는 6LoWPAN 헤더 생성부(100)와, 6LoWPAN 헤더 생성부(100)에서 생성된 6LoWPAN 헤더 및 이웃 장치 정보 리스트를 참조하여 6LoWPAN 헤더를 수정/보완하며, 다음 전송 경로에 해당하는 대기열에 패킷을 병합하여 관리하는 패킷 분류/관리부(200)와, TSCH 스케줄에 의해 전송 기회가 발생하였을 때, 패킷 대기열의 패킷을 TSCH 구동부(400)로 전달하여 전송을 수행하는 패킷 선택부(300)를 포함한다.
TCP/IP 네트워크 모델에 기반하여 응용 계층, 전송 계층(TCP/UDP)은 상위 계층에 해당하며, 6LoWPAN 헤더 생성부(100)는 패킷에 기록된 정보를 바탕으로 압축된 IPv6 패킷을 생성하여 MAC 계층으로 전달하게 된다.
본 발명은 6LoWPAN이 적용되는 네트워크 계층과 TSCH가 동작하는 MAC 계층 사이에서 동작한다.
일반적인 네트워크 스택의 동작은 6LoWPAN 헤더에 기록된 전송 목적지 정보와 라우팅 기법에 의해 관리되는 이웃 장치 정보 리스트를 바탕으로, 목적지까지 전송하기 위한 다음 전송 경로(Next Hop)를 결정하여 대상 장치로 전송하기 위한 MAC 헤더를 작성하여 패킷 대기열에 저장하게 된다.
TSCH 스케줄에 의해 전송 기회가 발생하였을 때, 패킷 대기열의 패킷을 TSCH 구동부(300)로 전달하여 전송을 수행하게 된다.
본 발명에서는 패킷 분류/관리부(200)에서 6LoWPAN 헤더 및 이웃 장치 정보 리스트를 참조하여 6LoWPAN 헤더를 수정/보완하며, 다음 전송 경로에 해당하는 대기열에 패킷을 병합하여 관리한다.
다음 전송 경로 별 패킷 대기열에 대한 개념은 도 4에서와 같다.
산업 IoT 무선 네트워크의 경우 주변 매체 환경이나 각 장치의 부하 정도에 따라 네트워크 전송 경로 및 토폴로지를 유연하게 구성할 수 있으며, 하나의 장치가 다수의 전송 경로를 가질 수 있다.
본 발명은 각 장치가 유지하는 전송 경로 별로 별도의 패킷 대기열을 생성하며, 6LoWPAN 헤더를 기반으로 결정된 다음 전송 경로와 일치하는 패킷 대기열에서 패킷을 관리하게 된다.
네트워크 패킷은 전송 목적지를 네트워크 계층 헤더에 명시하도록 되어 있으며, 해당 목적지에 도달하기위한 다음 전송 경로를 MAC 헤더에 기록하며, 각 패킷의 다음 전송 경로를 기반으로 패킷 대기열로 분류된다.
산업 IoT 무선 네트워크와 같이 다중 홉(Multi-Hop)으로 구성되는 네트워크에서 도 1의 장치 B는 자식 장치(D, E)가 전송한 패킷이 목적지까지 도달할 수 있도록 중계해야 할 의무가 있다.
장치 B의 자식이 전송한 패킷은 목적지 주소가 별개로 명시되어 있을 것이며, 다음 전송 경로는 B로 기록되어 있다. 장치 B는 목적지까지 패킷을 전달하기 위해 이웃 장치 정보 리스트를 참조하여 다음 전송경로를 결정하여 다시 패킷 대기열로 삽입하게 된다.
상황에 따라서 다음 전송 경로와 최종 목적지가 일치하는 경우는 패킷 대기열 1과 같이 네트워크 헤더에 패킷의 최종 목적지가 병합되어 기록될 수 있으며, 다음 전송 경로는 일치하지만, 최종 목적지가 일치하지 않는 경우는 패킷 대기열 2와 같이 각 패킷 별 목적지를 명시한다.
최종 목적지가 병합된 패킷에 대한 정보는 네트워크 헤더에 포함하여 기록하므로, 최종 목적지가 일치하는 패킷과 그렇지 않은 패킷도 함께 대기열에 포함될 수 있다.
IEEE 802.15.4 표준은 물리 계층의 전송 프레임을 최대 127바이트로 정하고 있으므로, 병합된 패킷의 크기가 127바이트를 넘어갈 경우, 새로운 패킷으로 대기열에 삽입된다.
패킷 분류/관리부(200)는 현재 대기열에 삽입된 패킷들의 크기를 기록하며, 각 패킷의 여유공간을 바탕으로 추가적으로 삽입되는 패킷을 적절하게 병합하도록 동작한다.
본 발명에 따른 산업 IoT 무선 센서 네트워크의 데이터 패킷 큐 관리 방법은 다음과 같다.
도 5는 본 발명에 따른 산업 IoT 무선 센서 네트워크의 데이터 패킷 큐 관리 방법을 나타낸 플로우 차트이다.
본 발명에 따른 산업 IoT 무선 센서 네트워크의 데이터 패킷 큐 관리 방법은 크게, 6LoWPAN 헤더 생성 단계, 및 6LoWPAN 헤더 및 이웃 장치 정보 리스트를 참조하여 6LoWPAN 헤더를 수정/보완하며, 다음 전송 경로에 해당하는 대기열에 패킷을 병합하여 관리하는 패킷 분류/관리 단계, 패킷 선택 단계를 포함한다.
여기서, 패킷 분류/관리 단계에서 새로운 패킷을 생성하거나 전달해야 할 패킷이 발생하였을 때, 이웃 장치 정보 리스트를 참조하여 다음 전송 경로를 결정하며, 해당 경로에 대한 패킷 대기열이 존재하는지 확인한다.
존재하지 않을 경우 전송 경로를 위한 새로운 패킷 대기열을 생성한다.
패킷 분류/관리부(200)는 패킷 대기열에 포함된 패킷들의 크기와 잔여 공간을 관리하고 있으며, 현재 패킷의 최종목적지와 다음 전송 경로 정보를 바탕으로 압축/제거 가능한 헤더공간을 계산하여 적절한 패킷과 병합한다.
구체적으로, 도 5에서와 같이, 먼저 패킷에 기록된 정보를 바탕으로 압축된 IPv6 패킷을 생성하여 MAC 계층으로 전달하는 6LoWPAN 헤더 생성을 한다.(S501)
이어, 새로운 패킷을 생성하거나 전달해야 할 패킷이 발생하였는지 확인한다.(S502)
그리고 6LoWPAN 헤더 및 이웃 장치 정보 리스트를 참조하여 다음 전송 경로를 결정한다.(S503)
이어, 해당 경로에 대한 패킷 대기열이 존재하는지 확인하여 존재하지 않을 경우 전송 경로를 위한 새로운 패킷 대기열을 생성한다.(S504)
그리고 TSCH 스케줄에 의해 전송 기회가 발생하였을 때, 패킷 대기열의 패킷을 TSCH 구동부로 전송한다.(S505)
여기서, 이와 같은 데이터 패킷 큐 관리 동작은 6LoWPAN이 적용되는 네트워크 계층과 TSCH가 동작하는 MAC 계층 사이에서 동작하는 것이다.
그리고 패킷 분류/관리 단계에서, 6LoWPAN 헤더에 기록된 전송 목적지 정보와 라우팅 기법에 의해 관리되는 이웃 장치 정보 리스트를 바탕으로, 목적지까지 전송하기 위한 다음 전송 경로(Next Hop)를 결정하여 대상 장치로 전송하기 위한 MAC 헤더를 작성하여 패킷 대기열에 저장한다.
그리고 데이터 패킷 큐 관리 동작 과정에서, 각 장치가 유지하는 전송 경로 별로 별도의 패킷 대기열을 생성하며, 6LoWPAN 헤더를 기반으로 결정된 다음 전송 경로와 일치하는 패킷 대기열에서 패킷을 관리하는 것이 바람직하다.
그리고 네트워크 패킷은 전송 목적지를 네트워크 계층 헤더에 명시하도록 되어 있으며, 해당 목적지에 도달하기위한 다음 전송 경로를 MAC 헤더에 기록하며, 각 패킷의 다음 전송 경로를 기반으로 패킷 대기열로 분류되도록 한다.
그리고 상황에 따라서 다음 전송 경로와 최종 목적지가 일치하는 경우는 네트워크 헤더에 패킷의 최종 목적지가 병합되어 기록되고, 다음 전송 경로는 일치하지만, 최종 목적지가 일치하지 않는 경우는 각 패킷 별 목적지를 명시하는 것이 바람직하다.
그리고 최종 목적지가 병합된 패킷에 대한 정보는 네트워크 헤더에 포함하여 기록하므로, 최종 목적지가 일치하는 패킷과 그렇지 않은 패킷도 함께 대기열에 포함될 수 있다.
최근의 TSCH 링크 스케줄링 알고리즘들은 특정 장치의 전송 전에 처리해야할 수신을 먼저 처리하도록 설계되는 추세이며, 이러한 방식의 링크 스케줄링과 본 발명에 따른 데이터 패킷 큐 관리 방법이 적용되어 함께 동작할 경우, 전송 전에 가능한 많은 패킷을 대기열에 병합 관리할 수 있으며, 모든 패킷을 전송하는데 필요한 에너지와 전송기회를 크게 절약할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명에 따른 산업 IoT 무선 센서 네트워크의 데이터 패킷 큐 관리 장치 및 방법은 6LoWPAN의 Stacked 헤더 개념과 프레임 구조를 활용하여, 데이터 전송 목적지 및 다음 경로 정보를 바탕으로 데이터 패킷 큐를 적절하게 관리하여 헤더 오버헤드를 크게 경감시켜 데이터 전송 효율을 크게 향상시킬 수 있도록 한 것이다.
이상에서의 설명에서와 같이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 본 발명이 구현되어 있음을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 명시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 하고, 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구 범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
100. 6LoWPAN 헤더 생성부
200. 패킷 분류/관리부
300. 패킷 선택부
400. TSCH 구동부

Claims (16)

  1. 패킷에 기록된 정보를 바탕으로 압축된 IPv6 패킷을 생성하여 MAC 계층으로 전달하는 6LoWPAN 헤더 생성부;
    6LoWPAN 헤더 생성부에서 생성된 6LoWPAN 헤더 및 이웃 장치 정보 리스트를 참조하여 6LoWPAN 헤더를 수정/보완하며, 다음 전송 경로에 해당하는 대기열에 패킷을 병합하여 관리하는 패킷 분류/관리부;
    TSCH 스케줄에 의해 전송 기회가 발생하였을 때, 패킷 대기열의 패킷을 TSCH 구동부로 전달하여 전송을 수행하는 패킷 선택부;를 포함하고,
    네트워크 패킷은 전송 목적지를 네트워크 계층 헤더에 명시하도록 되어 있으며, 해당 목적지에 도달하기위한 다음 전송 경로를 MAC 헤더에 기록하며, 각 패킷의 다음 전송 경로를 기반으로 패킷 대기열로 분류되고, 상황에 따라서 다음 전송 경로와 최종 목적지가 일치하는 경우는 네트워크 헤더에 패킷의 최종 목적지가 병합되어 기록되고, 다음 전송 경로는 일치하지만, 최종 목적지가 일치하지 않는 경우는 각 패킷 별 목적지를 명시하는 것을 특징으로 하는 산업 IoT 무선 센서 네트워크의 데이터 패킷 큐 관리 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 데이터 패킷 큐 관리 장치는,
    6LoWPAN이 적용되는 네트워크 계층과 TSCH가 동작하는 MAC 계층 사이에서 동작하는 것을 특징으로 하는 산업 IoT 무선 센서 네트워크의 데이터 패킷 큐 관리 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 6LoWPAN 헤더에 기록된 전송 목적지 정보와 라우팅 기법에 의해 관리되는 이웃 장치 정보 리스트를 바탕으로, 목적지까지 전송하기 위한 다음 전송 경로(Next Hop)를 결정하여 대상 장치로 전송하기 위한 MAC 헤더를 작성하여 패킷 대기열에 저장하는 것을 특징으로 하는 산업 IoT 무선 센서 네트워크의 데이터 패킷 큐 관리 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 각 장치가 유지하는 전송 경로 별로 별도의 패킷 대기열을 생성하며, 6LoWPAN 헤더를 기반으로 결정된 다음 전송 경로와 일치하는 패킷 대기열에서 패킷을 관리하는 것을 특징으로 하는 산업 IoT 무선 센서 네트워크의 데이터 패킷 큐 관리 장치.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서, 최종 목적지가 병합된 패킷에 대한 정보는 네트워크 헤더에 포함하여 기록하므로, 최종 목적지가 일치하는 패킷과 그렇지 않은 패킷도 함께 대기열에 포함되는 것을 특징으로 하는 산업 IoT 무선 센서 네트워크의 데이터 패킷 큐 관리 장치.
  8. 패킷에 기록된 정보를 바탕으로 압축된 IPv6 패킷을 생성하여 MAC 계층으로 전달하는 6LoWPAN 헤더 생성 단계;
    6LoWPAN 헤더 생성 단계에서 생성된 6LoWPAN 헤더 및 이웃 장치 정보 리스트를 참조하여 6LoWPAN 헤더를 수정/보완하며, 다음 전송 경로에 해당하는 대기열에 패킷을 병합하여 관리하는 패킷 분류/관리 단계;
    TSCH 스케줄에 의해 전송 기회가 발생하였을 때, 패킷 대기열의 패킷을 TSCH 구동부로 전달하여 전송을 수행하는 패킷 선택 단계;를 포함하고,
    상기 패킷 분류/관리 단계에서, 네트워크 패킷은 전송 목적지를 네트워크 계층 헤더에 명시하도록 되어 있으며, 해당 목적지에 도달하기위한 다음 전송 경로를 MAC 헤더에 기록하며, 각 패킷의 다음 전송 경로를 기반으로 패킷 대기열로 분류되도록 하고, 상황에 따라서 다음 전송 경로와 최종 목적지가 일치하는 경우는 네트워크 헤더에 패킷의 최종 목적지가 병합되어 기록되고, 다음 전송 경로는 일치하지만, 최종 목적지가 일치하지 않는 경우는 각 패킷 별 목적지를 명시하는 것을 특징으로 하는 산업 IoT 무선 센서 네트워크의 데이터 패킷 큐 관리 방법.
  9. 제 8 항에 있어서, 새로운 패킷을 생성하거나 전달해야 할 패킷이 발생하였을 때, 이웃 장치 정보 리스트를 참조하여 다음 전송 경로를 결정하며,
    해당 경로에 대한 패킷 대기열이 존재하는지 확인하여 존재하지 않을 경우 전송 경로를 위한 새로운 패킷 대기열을 생성하는 것을 특징으로 하는 산업 IoT 무선 센서 네트워크의 데이터 패킷 큐 관리 방법.
  10. 제 8 항에 있어서, 상기 패킷 분류/관리 단계에서,
    패킷 대기열에 포함된 패킷들의 크기와 잔여 공간을 관리하고, 현재 패킷의 최종목적지와 다음 전송 경로 정보를 바탕으로 압축/제거 가능한 헤더공간을 계산하여 적절한 패킷과 병합하는 것을 특징으로 하는 산업 IoT 무선 센서 네트워크의 데이터 패킷 큐 관리 방법.
  11. 제 8 항에 있어서, 상기 패킷 분류/관리 단계에서의 데이터 패킷 큐 관리 동작은,
    6LoWPAN이 적용되는 네트워크 계층과 TSCH가 동작하는 MAC 계층 사이에서 동작하는 것을 특징으로 하는 산업 IoT 무선 센서 네트워크의 데이터 패킷 큐 관리 방법.
  12. 제 8 항에 있어서, 상기 패킷 분류/관리 단계에서,
    6LoWPAN 헤더에 기록된 전송 목적지 정보와 라우팅 기법에 의해 관리되는 이웃 장치 정보 리스트를 바탕으로, 목적지까지 전송하기 위한 다음 전송 경로(Next Hop)를 결정하여 대상 장치로 전송하기 위한 MAC 헤더를 작성하여 패킷 대기열에 저장하는 것을 특징으로 하는 산업 IoT 무선 센서 네트워크의 데이터 패킷 큐 관리 방법.
  13. 제 8 항에 있어서, 상기 패킷 분류/관리 단계에서의 데이터 패킷 큐 관리 동작 과정에서,
    각 장치가 유지하는 전송 경로 별로 별도의 패킷 대기열을 생성하며, 6LoWPAN 헤더를 기반으로 결정된 다음 전송 경로와 일치하는 패킷 대기열에서 패킷을 관리하는 것을 특징으로 하는 산업 IoT 무선 센서 네트워크의 데이터 패킷 큐 관리 방법.
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 제 8 항에 있어서, 최종 목적지가 병합된 패킷에 대한 정보는 네트워크 헤더에 포함하여 기록하므로, 최종 목적지가 일치하는 패킷과 그렇지 않은 패킷도 함께 대기열에 포함되는 것을 특징으로 하는 산업 IoT 무선 센서 네트워크의 데이터 패킷 큐 관리 방법.
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