KR20120106313A - 우선순위 큐 기반의 긴급 데이터 전달을 위한 라우팅 방법 및 이를 적용한 네트워크 시스템 - Google Patents

Abstract

우선순위 큐 기반의 긴급 데이터 전달을 위한 라우팅 방법 및 이를 적용한 네트워크 시스템이 제공된다. 본 라우팅 관리 방법은, 다수의 경로들에 대해, 제1 우선순위 데이터를 싱크 노드로 전송하는데 소요되는 큐잉 지연시간들을 산출하는 단계 및 산출된 큐잉 지연시간들을 비교하여 제1 우선순위 데이터를 전송할 경로를 선정하는 단계를 포함한다. 이에 의해, 무선 센서 네트워크를 적용한 안전 필수 분야 및 보안을 위한 감시 정찰 분야의 시스템에서 긴급 데이터를 실시간 또는 일정시간 안에 전송가능하게 되어, 사고 및 재난/재해를 사전에 방지할 수 있게 된다.

Description

우선순위 큐 기반의 긴급 데이터 전달을 위한 라우팅 방법 및 이를 적용한 네트워크 시스템{Routing Method for Transmitting Emergency Data based on Priority Q and Network System using the same}

본 발명은 라우팅 방법 및 이를 적용한 네트워크 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 긴급 데이터 전달이 원활하게 이루어지도록 하기 위한 라우팅 방법 및 이를 적용한 네트워크 시스템에 관한 것이다.

무선 센서 네트워크의 다양한 활용도에 따라 센서 노드로부터 수집되는 데이터는 그 특성에 따라 일반 데이터와 긴급 데이터로 분류될 수 있다.

일반 데이터는 지속적인 모니터링에 따라 전송되는 데이터를 일컬으며, 긴급 데이터는 안전 결함 감지 및 시스템 오류 등과 같은 시스템의 변동 사항에 관한 정보, 안전 경보 정보 등과 같이 실시간적으로 전송되어야 하는 데이터를 말한다.

전송 노드로부터 싱크 노드까지 긴급 데이터를 전달함에 있어, 노드 간의 지연을 최소화하여 전체 네트워크의 지연시간을 최소화하는 것이 매우 중요하다.

노드 간의 지연시간은 전송지연, 전파지연, 처리지연, 큐잉 지연에 의하여 발생되며, 특히 큐잉 지연은 다른 세 가지의 지연(전송지연, 전파지연, 처리지연)과 달리 데이터의 크기 및 도착 비율에 따라 지연시간의 차이가 발생한다.

따라서, 긴급 데이터를 실시간으로 전송하기 위해서는 데이터의 특성에 따른 큐에서의 가중치를 달리하는 우선순위 큐 기반의 라우팅 알고리즘이 요구된다. 또한, 우선순위 큐 기반의 라우팅을 적용하는 경우에도 전송지연을 보다 최소화할 수 있도록 하기 위한 방안의 모색이 요청된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 긴급 데이터 전달이 원활하게 이루어지도록 하기 위한 라우팅 방법 및 이를 적용한 네트워크 시스템을 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른, 라우팅 관리 방법은, 다수의 경로들에 대해, 제1 우선순위 데이터를 싱크 노드로 전송하는데 소요되는 큐잉 지연시간들을 산출하는 단계; 및 상기 산출단계에서 산출된 큐잉 지연시간들을 비교하여, 상기 제1 우선순위 데이터를 전송할 경로를 선정하는 단계;를 포함한다.

상기 선정단계는, 큐잉 지연시간이 허용범위를 만족하는 경로를 선정하는 것이 바람직하다.

특정 경로에 대해, 상기 제1 우선순위 데이터를 싱크 노드로 전송하는데 소요되는 제1 큐잉 지연시간을 산출하는 단계; 및 상기 제1 큐잉 지연시간이 요구되는 기준 시간을 초과하면, 상기 제1 우선순위 데이터에 대한 스케쥴링 웨이트를 증가시키는 단계;를 더 포함할 수 있다.

상기 제1 큐잉 지연시간이 요구되는 기준 시간 이하이면, 제2 우선순위 데이터 및 상기 제3 우선순위 데이터 중 적어도 하나에 대한 스케쥴링 웨이트를 증가시키는 단계;를 더 포함하는 것이 바람직하다.

상기 제1 큐잉 지연시간이 요구되는 기준 시간 이하이고, 상기 제1 우선순위 데이터에 대한 스케쥴링 웨이트가 '상기 제2 우선순위 데이터의 스케쥴링 웨이트와 상기 제3 우선순위 데이터의 스케쥴링 웨이트의 합' 보다 크면, 제2 우선순위 데이터 및 상기 제3 우선순위 데이터 중 적어도 하나에 대한 스케쥴링 웨이트를 증가시킬 수 있다.

상기 제1 우선순위 데이터에 대한 스케쥴링 웨이트와 '상기 제2 우선순위 데이터의 스케쥴링 웨이트와 상기 제3 우선순위 데이터의 스케쥴링 웨이트의 합'이 같아질때까지, 상기 제2 우선순위 데이터 및 상기 제3 우선순위 데이터 중 적어도 하나에 대한 스케쥴링 웨이트를 증가시킬 수 있다.

상기 산출단계에서 산출된 큐잉 지연시간들을 비교하여, 상기 제2 우선순위 데이터와 상기 제2 우선순위 데이터를 전송할 경로를 선정하는 단계;를 포함하는 것이 바람직하다.

상기 제1 우선순위 데이터의 우선순위는, 상기 제2 우선순위 데이터의 우선순위 보다 높은 것이 바람직하다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 센서 네트워크에서 실시간성이 요구되는 긴급 데이터 전달이 보다 원활하게 이루어지게 된다. 따라서, 무선 센서 네트워크를 적용한 안전 필수 분야 및 보안을 위한 감시 정찰 분야의 시스템에서 긴급 데이터를 실시간 또는 일정시간 안에 전송가능하게 되어, 사고 및 재난/재해를 사전에 방지할 수 있게 된다.

또한, 큐잉 지연시간을 예측하고 경로를 수립함으로써 기존 무선 센서 네트워크의 큐잉 지연시간으로 인한 전체 성능 감소 문제를 해결 할 수 있게 된다.

도 1은 센서 네트워크를 구성하는 센서 노드에서의 우선순위 큐의 구조를 도시한 도면,
도 2는 우선순위 큐 스케줄링의 개념을 도시한 도면,
도 3은 센서 노드에서의 우선순위 큐 스케줄링을 위한 웨이트 조절방법의 설명에 제공되는 흐름도, 그리고,
도 4는 우선순위 큐 기반의 라우팅 방법의 설명에 제공되는 도면이다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

1. 우선순위 큐 구조

도 1은 센서 네트워크를 구성하는 센서 노드에서의 우선순위 큐의 구조를 도시한 도면이다. 도 1에 도시된 우선순위 큐에서, 우선순위는 데이터의 긴급성에 따라, H(High Priority), M(Middle Priority), L(Low Priority)로 분류하였다.

센서 노드로 수신되는 데이터들은 우선순위에 따라 해당 큐에 저장된다. 즉, 우선순위가 H인 데이터는 Q_H에 저장되고, 우선순위가 M인 데이터는 Q_M에 저장되며, 우선순위가 L인 데이터는 Q_L에 저장된다.

2. 우선순위 큐 스케줄링

우선순위 큐의 스케줄링은 기존의 데이터의 도착순서에 따라 처리하는 FIFO(First Input, First Output), LIFO(Last Input, First Output) 방식과 달리, 스케쥴링 웨이트 기법을 이용한다.

이 기법은, 우선순위에 따라 가중치(ω)를 부여하는 기법으로 높은 우선순위에 큰 가중치가 부여된다. 그리고, 이 기법에서, 스케줄러는, 매 주기 마다 큐들에 데이터 저장 여부를 확인하고, 가중치(ω)가 높은 큐에 저장되어 있는 데이터를 먼저 처리한다.

이에 따라, 우선순위가 H인 긴급 데이터가 우선적으로 처리되게 된다. 도 2에는 우선순위 큐 스케줄링의 개념을 도시한 도면이다. 도 2에 도시된 바에 따르면, 우선순위에 따라 큐들(Q_H, Q_M 및 Q_L)에 가중치(ω_H, ω_M 및 ω_L)가 각기 다르게 부여되어 있음을 확인할 수 있다.

우선순위가 H인 큐의 큐잉 지연시간(w_H)은 Q_H에 남아 있는 데이터의 평균 개수

와 데이터 수신 비율 λ을 이용하여 나타낼 수 있다. 그리고, Q_H에 남아 있는 데이터의 평균 개수

는 Q_H에서의 이동 평균(Moving average)를 이용하여 나타낼 수 있다. w_H와 Q_H는 아래의 수학식 1로 나타낼 수 있다.

여기서, τ는 데이터의 평균 개수를 구하기 위한 주기를 나타내며, 주기 내의 P_t, P_{t -1}, ... , P_{t -n+ 1}는, 주기 내의 특정 시점들에서 Q_H에 존재하는 데이터 개수를 나타낸다. Q_H에 남아 있는 데이터의 평균 개수를 이용하여 큐잉 지연시간을 계산하기 때문에 τ값이 높을수록 계산의 신뢰도는 높아진다.

한편, 수학식 1은, w_M과 w_L을 계산하는 경우에도 그대로 적용될 수 있다.

3. 우선순위 큐 스케줄링을 위한 웨이트 조절

우선순위에 따른 스케줄링에서 긴급 데이터가 전송되기까지의 지연시간 허용범위 값을 만족시키고, 발생할 수 있는 기아문제(starvation)를 해결하기 위해, 주기 τ마다 큐들(Q_H, Q_M 및 Q_L)의 가중치(ω_H, ω_M 및 ω_L)를 0 ~ 1 사이에서 동적으로 조절하는바 이하에서, 도 3을 참조하여 상세히 설명한다.

도 3은 센서 노드에서의 우선순위 큐 스케줄링을 위한 웨이트 조절방법의 설명에 제공되는 흐름도이다.

먼저,

를 산출한다(S110). 여기서, w_{H ,i}는 특정 경로를 구성하는 n개의 센서 노드들 중 i번째 센서 노드의 w_H를 의미한다. 그리고,

는 특정 경로를 구성하는 n개의 센서 노드들에 대한 w_H들의 합을 의미한다.

이후,

가 L_B를 초과하는지 판단한다(S120). L_B는 긴급 데이터가 싱크 노드로 전송되기까지의 허용되는 지연시간 허용범위이다.

S120단계에서

가 L_B를 초과하는 것으로 판단되면(S120-Y), ω_H,i를 증가시킨다(S130). 여기서, ω_H,i는 i번째 센서 노드에서의 ω_H를 의미한다. 이는, 긴급 데이터가 지연시간 허용범위 내에 싱크 노드로 전송될 수 있도록 하기 위함이다. S130단계는

가 L_B이하가 될 때까지 계속된다.

한편,

가 L_B를 이하이면(S120-N), ω_H,i와 'ω_M,i+ ω_{L, i}'을 비교한다(S140). 여기서, ω_M,i는 i번째 센서 노드에서의 ω_M를 의미하고, ω_L,i는 i번째 센서 노드에서의 ω_L를 의미한다.

비교결과, ω_{H ,i} ≤ ω_{M ,i}+ ω_{L ,i}이면(S140-Y), ω_{M ,i}+ ω_{L ,i}를 증가시킨다(S150). S150단계는 ω_M,i+ ω_L,i가 ω_H,i와 같아질 때까지 계속된다(S160).

한편, 도 3에 도시된 웨이트 조절방법을 수행함에 있어, "ω_{H ,i} + ω_{M ,i}+ ω_{L ,i} = 1"을 유지시킨다.

4. 우선순위 큐 기반의 라우팅 방법

이하에서는, 우선순위 큐 기반의 라우팅 방법에 대해, 도 4를 참조하여 상세히 설명한다.

본 실시예에 따른 라우팅 방법에서는, 우선순위가 H인 데이터를 싱크 노드로 전송할 수 있는 다수의 경로들에 대해, 소요되는 큐잉 지연시간들을 산출하고, 큐잉 지연시간이 허용범위를 만족하는 경로를 선정하여 긴급 데이터를 전달한다.

즉, 도 4에 도시된 바와 같은 네트워크 환경에서, 전송 노드 i는 싱크 노드 1로 우선순위가 H인 데이터를 전송할 수 있는 경로들 중 큐잉 지연시간이 허용범위를 만족하는 경로들(실선으로 표시된 경로들) 중 하나를 선정하여 우선순위가 H인 데이터를 전송한다.

또한, 전송 노드 i는 싱크 노드 2로 우선순위가 H인 데이터를 전송할 수 있는 경로들 중 큐잉 지연시간이 허용범위를 만족하는 경로들(실선으로 표시된 경로들) 중 하나를 선정하여 우선순위가 H인 데이터를 전송한다.

i번째 센서 노드에서 다중 싱크 노드들로 연결된 모든 경로의 집합을 R_i={r₁, r₂, ... , r_n}으로 상정하면, r_j에서 우선순위가 H인 데이터에 대한 전체 큐잉 지연시간 W_{H , rj}는 아래의 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.

여기서, k는 r_j에 존재하는 센서 노드들을 의미하며, w_{H ,k}는 k번째 센서 노드에서의 w_H를 의미한다.

한편, 큐잉 지연시간이 허용범위를 만족하는 경로들의 집합은 아래의 수학식 3으로 나타낼 수 있다.

센서 노드는 R_{H , i} ^S에 속하는 경로들 중 일부를 선정하여 우선순위가 H인 긴급 데이터를 싱크 노드로 전달할 수 있다. 또한, 센서 노드는 R_{H , i} ^S에 속하지 않는 경로들 중 일부를 선정하여 우선순위가 M 또는 L인 데이터를 싱크 노드로 전달할 수 있다.

또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.

Q : 큐
ω : 스케줄링 웨이트
w : 지연시간
r : 경로

Claims (8)

1. 다수의 경로들에 대해, 제1 우선순위 데이터를 싱크 노드로 전송하는데 소요되는 큐잉 지연시간들을 산출하는 단계; 및
   상기 산출단계에서 산출된 큐잉 지연시간들을 비교하여, 상기 제1 우선순위 데이터를 전송할 경로를 선정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 라우팅 관리 방법.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 선정단계는,
   큐잉 지연시간이 허용범위를 만족하는 경로를 선정하는 것을 특징으로 하는 라우팅 관리 방법.
   
3. 제 1항에 있어서,
   특정 경로에 대해, 상기 제1 우선순위 데이터를 싱크 노드로 전송하는데 소요되는 제1 큐잉 지연시간을 산출하는 단계; 및
   상기 제1 큐잉 지연시간이 요구되는 기준 시간을 초과하면, 상기 제1 우선순위 데이터에 대한 스케쥴링 웨이트를 증가시키는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 라우팅 관리 방법.
   
4. 제 3항에 있어서,
   상기 제1 큐잉 지연시간이 요구되는 기준 시간 이하이면, 제2 우선순위 데이터 및 상기 제3 우선순위 데이터 중 적어도 하나에 대한 스케쥴링 웨이트를 증가시키는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 라우팅 관리 방법.
   
5. 제 4항에 있어서,
   상기 제1 큐잉 지연시간이 요구되는 기준 시간 이하이고, 상기 제1 우선순위 데이터에 대한 스케쥴링 웨이트가 '상기 제2 우선순위 데이터의 스케쥴링 웨이트와 상기 제3 우선순위 데이터의 스케쥴링 웨이트의 합' 보다 크면, 제2 우선순위 데이터 및 상기 제3 우선순위 데이터 중 적어도 하나에 대한 스케쥴링 웨이트를 증가시키는 것을 특징으로 하는 라우팅 관리 방법.
   
6. 제 5항에 있어서,
   상기 제1 우선순위 데이터에 대한 스케쥴링 웨이트와 '상기 제2 우선순위 데이터의 스케쥴링 웨이트와 상기 제3 우선순위 데이터의 스케쥴링 웨이트의 합'이 같아질때까지, 상기 제2 우선순위 데이터 및 상기 제3 우선순위 데이터 중 적어도 하나에 대한 스케쥴링 웨이트를 증가시키는 것을 특징으로 하는 라우팅 관리 방법.
   
7. 제 1항에 있어서,
   상기 산출단계에서 산출된 큐잉 지연시간들을 비교하여, 상기 제2 우선순위 데이터와 상기 제2 우선순위 데이터를 전송할 경로를 선정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 라우팅 관리 방법.
   
8. 제 7항에 있어서,
   상기 제1 우선순위 데이터의 우선순위는,
   상기 제2 우선순위 데이터의 우선순위 보다 높은 것을 특징으로 하는 라우팅 관리 방법.
   

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