GurumDDS 소개

(주)구름네트웍스

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GurumDDS 제품군

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● DDS는 국제표준화기구 OMG(Object Management Group)에서 제정한데이터-중심 통신을 위한 미들웨어로 정확한시간과 정확한장소에 올바른 데이터를 전송하는 최적화된 데이터 중심 분산처리 솔루션

OMG - GurumDDS

● 1990년 : DDS 기술 개발 (미국 함정전투체계 )

● 2000년 : 민간분야 DDS 적용 추진

● 2005년 : OMG DDS 국제표준으로 제정

● 2015년 : ROS2(로봇운영체제 ) DDS 채택

● 2016년 : 전력분야 OpenFMB에 DDS 표준

● 2017년 : IoT 산업 센서에 DDS XRCE 표준

● 2018년 : 자동차 통신 미들웨어로 DDS 표준

(Autosar 국제 표준)

● 2019년 : 전기자동차 충전 방전시스템에

DDS 채택 논의중 (IEC 국제표준)

● GurumDDS는 국제표준화기구 OMG(Object Management Group)에서 제정한 DDS(Data Distribution Service) 데이터-중심 통신을 위한 미들웨어 프로토콜 및 API 표준을 준수하고, 국내 최초로 OMG의 DDS vender로 등록된 제품

OMG - GurumDDS

출처: https://dds-foundation.org

OMG - GurumDDS

GurumDDS 제품군

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제품명 설명 비고

GurumDDS OMG DDS Vendor

상용화

GurumDDS Gateway WAN 환경 DDS 프로토콜 변환

GurumDDS Tool Monitor, Modeller, Record & Replay

GurumROS2 로봇운영체제 DDS 적용

GurumDDS RS WAN 환경 DDS QoS 보장

GurumDDS Nano GurumDDS의 ⅛ Size

개발중GurumDDS XRCE IoT 센서 등에 적용

GurumDDS Security OMG 표준의 DDS Security 지원

GurumDDS Module HW 형태로 개발, DDS Lite Version

● GurumDDS는OMG의 표준을 준수하는 DDS로 충남대학교에서 개발된 기술을구름네트웍스가 기술이전 받아 상용화에 성공한 순수 국산 DDS로, 타사 제품에 비해 높은 성능을 보일 뿐만아니라 네트워크가 불안정한 상황에서 월등한 성능을 제공

GurumDDS

● Linux, Windows, AIX UNIX등의 다양한 플랫폼 지원

● C, C++, Java, Python 언어를 지원하고 C# 과 같은 다양한 언어를 쉽게 지원할 수 있는 구조로 설계

● GurumDDS는 주요 DDS 제품 군(RTI, ADLINK사의 DDS)와 프로토콜 수준에서 상호호환과 연동이 가능

[ GurumDDS 아키텍처 ] [ 타 DDS와 성능 비교 ]

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GurumDDS

• 프로그래밍 언어, 운영체제, 전송 및 하드웨어에 대한 독립성• 안정적 작동을 위한 이중화(redundancy) 구성가능• 확장 가능한 데이터 전달을 위한 멀티캐스트 지원• 다양한 벤더간의 어플리케이션 상호 운용성을 위한 표준 프로토콜• 네트워크 및 CPU 리소스의 효율적 사용을 위한 데이터 선택 및 필터링• 미션-크리티컬 시스템 구축에 검증된 오퍼레이션• 독점적인 독립실행 형태의 어플리케이션 방식이 아닌 미래지향적 국제표준

<GurumDDS의 추가적인 특징>

<GurumDDS의 성능 차별화>

① Batch processing : 사용자의 사용 패턴을 동적으로 분석해 여러 메시지를 모아 한 번에 전송하여 Latency 성능을 저하 시키지 않으면서 약 2~3배 정도의 Throughput 성능 향상

② Data loss detection과 Fast Nack : RTT(Round Trip Time)를 동적으로 분석해 Data Loss를 확률을 분석해 Nack을 예정보다 빨리 내보내어 설정에 따라 Reliable 통신에서 수십배의Latency 성능 향상과 5~6배의 Throughput 성능 향상

③ AckNack loss detection과 Fast Nack : AckNack RTT를 동적으로 분석해 AckNack loss 확률을 분석해 예정보다 Nack을 빨리 내보내어 최대 3초 정도의 통신 중단 현상을 원천 봉쇄

GurumDDS Gateway (PacketNgin Flow)

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SVI

TCP

PacketNgin Flow

SVII/O

TCPI/O

MQTTI/O

ModbusI/O

DNP 3.0I/O

GurumDDSI/O

Global Data Space

이종 통신 프로토콜 PacketNgin Flow DDS 프로토콜

● LAN 환경으로 제한되는 DDS의 연동 범위를 WAN 구간으로 확장

● 서로 다른 DDS 도메인 간의 연동 기능 제공

● 다양한 통신 프로토콜들과 DDS 연동 기능 제공

● 다양한 통신 프로토콜들 사이의 연동 기능 제공

● 동종, 이종 프로토콜 사이의 자유로운 데이터 가공, 변환

● 플러그인들 사이의 연결 관계 정의만을 통해 손쉽게 데이터의 흐름 제어 가능

GurumDDS Gateway (PacketNgin NOS)

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x86_64 Platform

CPU Memory NIC Storage

DPDKLinux

PacketNgin

Process #1 NetApp #1 NetApp #2

Thread #0 Thread #0 Thread #0 Thread #1

DPDK 지원네트워크 카드

Poll Mode Driver

DPDK API

PacketNgin NOS API

사용자

친화성

● 기존 시스템(범용 Linux 운영체제)의 네트워크 처리 성능 개선

● 네트워크의 패킷 처리의 실시간성 향상

● 다양한 네트워크 애플리케이션 개발을 위한 라이브러리 제공

● 사용자 친화적인 고 수준 API 제공

● 네트워크 자원 관리를 위한 유틸리티 지원

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1) DPDK: Data Plane Development Kit의 약자. 고속 패킷 처리를 위한 데이터 플레인 라이브러리와 네트워크 인터페이스 컨트롤러 드라이버의 집합

GurumDDS Tool - Modeller

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● GurumDDS 사용자가 DDS 통신에 사용되는 프로토콜 내용 정의 가능● Entities 선택 시 하위 지원 되는 품목 표출, 설정이 용이함

GurumDDS Tool - Monitor

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● GurumDDS를 사용하는 사용자가 DDS통신에 사용하는 데이터를 확인 할 수 있는 프로그램● GurumDDS통신 내용 및 설정 사항 확인 가능

GurumDDS Tool - RnR (Record & Replay)

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● GurumDDS를 사용하는 사용자가 DDS 통신 내용을 record, replay이 가능한 프로그램● Topic단위로 녹화가 가능● record시 내용이 DB에 모두 저장● replay시 DB에 저장된 내용을 모두 출력 ● 패킷 테스트 및 검증에 용이함

GurumROS2 (Robot Operating System)◾ 로봇시장과 로봇운영체제

◾ ROS2 (로봇운영체제)

로봇 산업의 핵심 SW기술인 ROS2(로봇 운영체제)에는 실시간성과 임베디드시스템 지원이 가능하도록 DDS 기술이 표준으로 확정이 되었고, 구름네트웍스는 로봇 ROS2에 필요한 모든 기술을 확보하고 있어서 해당 산업을수행하는 데 가장 적합한 기업임.

- IDC는 글로벌 시장 로봇 시장 규모가 19년 160조원 => 23년 354조원 성장 전망- 한국산업마케팅연구소는 국내 로봇 시장 규모가 19년 9.2조원 => 23년 24.7조원 성장 전망- 로봇 시장의 60%는 Mission Critical 기능이 요구되는 산업용 로봇 시장으로 예측 (통계치) - 로봇 비용 중 20% 정도는 로봇 소프트웨어 비용으로 추정 (로봇 업체 의견) 🡪 국내 로봇 소프트웨어 시장은 2019년 1조원 => 2023년 3조원 성장 예상

● GurumDDS Routing Service(GurumDDS RS)는 DDS를 LAN을 넘어 통신할 수 있도록 하는 DDS 특화 라우팅 솔루션

○ 간편한 설정

○ 기존 DDS 인프라 변경 불필요

○ DDS Vendor 중립적

○ Local Network-Remote Network 연결

○ WAN 구간 DDS 멀티캐스팅 지원

○ WAN 구간 DDS 데이터 압축

○ WAN 구간 DDS 데이터 암호화 (DTLS 적용)

GurumDDS RS(Routing Service)

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DDSDP

DDSDP

DDSDPDDS

DP

DDSDP

GurumDDSRS

GurumDDSRS

GurumDDSRS

GurumDDS RS(Routing Service)

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● GurumDDS RS의 특징○ 스마트 멀티캐스팅 : 데이터의 발간-구독 관계를 자동으로 분석하여 멀티캐스트 트래픽을 전달

○ 스마트 데이터 압축 : 데이터의 특징을 분석하여 압축 효율이 좋은 데이터를 자동으로 압축○ 데이터 암호화 : 표준 암호화 프로토콜인 DTLS를 사용하여 WAN 환경에서의 공격 방지○ 데이터 우선순위 제어 : 데이터의 우선순위를 지정하여 중요한 데이터를 우선적으로 전달

GurumDDS Nano (in progress)

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● IoT에 최적화된 DDS 개발. IoT 플랫폼은 ROS2, ROS2-Realtime, AutoSAR,

OpenFMB를 대상으로 하며, 서술한 플랫폼에서 발생하는 요구사항을 수용할

수 있는 형태로 개발○ IoT 시장의 방향에 따라 Throughput 향상보다 Latency 최소화에 집중

○ IoT 시장에서 꼭 필요한 QoS 만을 집약

○ IoT 시장에서 요구되는 플랫폼을 빠르게 지원

● 타사 대비 기술적 차별점은 미들웨어 코어 개발 언어로 C/C++이 아닌 Rust를

사용하는 점○ 기본적으로 IoT 시장에서 요구되는 플랫폼이 이미 모두 지원되며, 특수한 플랫폼의 경우에도

사내에서 직접 개발 언어의 코어를 포팅하여 대응할 수 있음

○ Rust 언어를 사용하였기 때문에 C 언어의 특성상 메모리 관리가 어려워, 임시방편으로

해결했던 지점들을 안전하게 바꾸어 성능 향상을 유도하였음

● 저전력 기기(Low-Power Device)를 위한 DDS 기술○ Low-Power Device에서도 Qos가 보장되는 실시간 데이터 통신 미들웨어에 대한 수요 증가○ Mid Power 기기까지 적용되는 Micro DDS 역시 미들웨어 방식으로 DDS 아키텍처를 그대로 사용하여 적용시 기술적 한계가 있음

○ API를 제외한 DDS의 대부분의 기능을 라우터로 옮김으로써 저전력 기기에서도 DDS 사용○ 향후 IoT에 적용하는 100% 기기에 적용 가능

GurumDDS XRCE (in progress)

DDS-XRCE1

18[1] Arduino Nano ~ UNO 급은 표준 XRCE를 경량화한 프로토콜을 사용합니다 .

GurumDDS XRCE AgentGurumDDS XRCE Client

GurumDDS XRCE (in progress)

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GurumDDS XRCE Agent

GurumDDS XRCE Client(LoRa)

GurumDDS XRCE Client(Wi-Fi)

GurumDDS XRCE Client(Bluetooth)

● 다양한 전송 계층 지원○ Bluetooth, Wi-Fi, LoRa 등 다양한 전송 계층 지원

○ 사용 목적, 환경에 따라 다양한 통신 구성 가능 ~5 Km

(도심

), ~15 Km

(비도심

)

약 100 m

1 ~ 100 m

GurumDDS Security (in progress)

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● DDS의 통신객체 생성, 검색, 통신 과정에 인증과 암호화를 제공하기 위한 보안 표준 제품

○ 플러그인 구조를 이용하여 다양한 암/복호화 기법 적용 가능

○ 메시지 전체, 보조메시지 , 사용자 데이터 단위에 따라 별도로 또는 중복으로 암/복호화 가능

<DDS Security 1.1 표준 구조> <GurumDDS Security 적용 성능>

GurumDDS Security (in progress)

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● 미들웨어에 독립적인 DDS Security 제공용 표준 인터페이스 설계○ PluginManager, DAL(DDS Abstraction Layer) 구현 완료

○ 다른 Vendor DDS 제품에도 DAL 추가 구현으로 손쉽게 적용 가능

■ 충남대학교 EchoDDS 적용 진행 중

GurumDDS Module (in progress)

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● 철도 안전 검지 장치와 연동되는 GurumDDS Moudle H/W○ 데이터 특성이 다른 센서에 DDS Moudle를 적용하여 연동

○ 간편한 전원, 입력과 출력 포트지원 (Ethernet, RS232/485, Wi-Fi 등)

○ 안전 검지 센서의 데이터를 처리할 수 있는 용량 (10Mbps 또는 100Mbps)

GurumDDS Module (in progress)

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● GurumDDS Moudle 설정 S/W

○ DDS 모듈 H/W를 노트북 등으로 간편하게 설정할 수 있는 관리자 S/W 툴

○ Firmware update 기능

○ 상태 모니터링 기능

○ 입력/출력 인터페이스 설정 기능

○ 데이터 변환 설정 기능

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GurumDDS 적용 사례

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주요 적용 사례

철도기술연구원

● 실시간 철도안전 통합 감시제어 시스템 DDS 적용 - 안전검지 인터페이스 장치○ 열차 상태 정보와 기존설비 및 안전 검지정보를 데이터분산서비스 (DDS) 프로토콜로 변환○ 실시간 안전관제 종합콘솔을 통해 실시간 감시와 LTE 상용망을 통해 구로 관제실, 현장에 전송

실시간 철도안전 통합 감시 및 통제 시스템

안전관제 통합 콘솔정보표출

안전상황통보

안전관제통합서버

안전관제웹서버

LTE상용망

위험/사고예측 정보

DDS표준프로토콜

안전장치인터페이스장치

위험/사고예측서버

LTE전용

열차 상태 정보

작업스케줄 및 열차접근정보

현장정보

안전정보, 비상대응절차

안전현황

작업자

기존과제사

감독관/유관기관(국토부 안전감독관 등)

철도전용망

CTC관제SCADA관제

설비 감시

신호 설비

전력 설비안전 설비

신호/분기기 정보전력/전철 정보

선로변 정보

열차운행에서의 안전을 강화하는 관제 시스템

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철도기술연구원

● 안전 검지 인터페이스 장치 구성 및 역할

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패킷 변환 노드

패킷 변환 Runtime

UDPl통신변환기

TCP통신변환기

네트워크 O/S

Serial통신변환기

DDS 미들웨어

데이터 변환 노드

DD

S T

opic

변환

모듈

#2

데이터 변환 Runtime

범용 O/S 또는 실시간 O/S

DD

S T

opic

변환

모듈

#1

DD

S T

opic

변환

모듈

#4

DD

S T

opic

변환

모듈

#3Ethernet

통신

DDSTopic #1

DDSTopic #2

DDSTopic #3

DDSTopic #4

인터페이스 장치

RS-485인터페이스

RS-232인터페이스

RJ-45인터페이스

인터페이스 장치의 구성

● 스니핑 - Tap 장치를 이용해 Legacy 네트워크의 형상을 건들지 않고 데이터를 수합함

● 패킷 변환 노드 - Tap 장치를 이용해 수합된 패킷의 세션을 복구하는 노드

● 데이터 변환 노드 - 데이터를 추출하고 해석(DPI:Deep Packet Inspection)하고, DDS로 변환하여 전송하는 노드

두산중공업(1) - 기장 해수담수화 플랜트

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Data Feed(H/W-두산중공업,

S/W-Softing)

Gateway(H/W-두산중공업, S/W-

구름네트웍스)

Server(H/W-두산중공업, S/W-

구름네트웍스)

관제 UI(H/W-두산중공업, S/W-지란지교. MDS)

담수화 플랜트(부산 기장)

인터넷(두산중공업 내부망)

두산중공업(서울)

IPsec

Data Server(H/W-두산중공업,

S/W-Splunk)

현장 장비(H/W-Honeywell,S/W-Honeywell)

구름네트웍스

두산중공업

한컴

MD

S, 지란지교

두산중공업(2) - 전남 영광 풍력발전기 시험센터

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PLC(두산중공업, WinDS 3000)

Gateway(H/W-두산중공업, S/W-

구름네트웍스)

Server(H/W-두산중공업, S/W-

구름네트웍스)

CMS Client(두산중공업)

SVI

풍력 발전 실증 사이트(전남 영광)

인터넷(두산중공업 내부망)

두산중공업(서울)

IPsec

두산중공업

구름네트웍스

두산중공업(3) - 서남해 해상 풍력발전단지

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PLC(두산중공업, WinDS 3000)

Gateway(H/W-두산중공업, S/W-

구름네트웍스)

Server(H/W-두산중공업, S/W-

구름네트웍스)

CMS Client(두산중공업)

SVI

풍력 발전 실증 사이트(서남해 해상 풍력발전단지)

인터넷(두산중공업 내부망)

두산중공업(서울)

IPsec

풍력 원격운전용 프로그램 UI

풍력 원격운전용 프로그램 UI

인터넷(상용망)

두산중공업

육군정보통신학교 - C4I 체계간 데이터 연동

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교장

DDS G/W DDS G/WK체계

데이터발생기

데이터발생기

데이터발생기

데이터발생기

AT체계 서버(A군단)

KN체계

연동상태모니터링

트래픽분석기

시험평가도구

DDS G/W DDS G/W

DDS G/W DDS G/W

● '17년 국방 u-실험사업

AT체계 서버(B군단)

AF체계

AK체계

● 원격 로봇 제어 및 관제○ ROS2(Crystal, Dashing)을 사용하는 ARM 프로세서 기반의 로봇○ RMW(ROS2 MiddleWare)로 GurumDDS를 적용○ GurumDDS RS(Routing Service)를 이용하여 WAN 구간 DDS 연동○ DTLS(Datagram Transport Layer Security)를 이용한 WAN 구간 데이터 보호

Robotis - ROS2 적용 원격 로봇 제어

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ISP

Topic APub

Topic BSub

Topic APub

Topic BSub

Topic APub

Topic BSubTopic B

Pub

Topic ASub

Topic BPub

Topic ASub

WA

NLA

N

DTLSDTLS

DTLS DTLS

LTE LTE LTE

GurumDDSRS GurumDDS

RSGurumDDS

RSGurumDDS

RS

ISP

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GurumDDS 성능

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시험 환경

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PC-1 PC-2

OS Ubuntu18.04(4.15.0-91-generic) Ubuntu18.04(4.15.0-91-generic)

Processor Intel i7-3770 3.4GHz Intel i7-3770 3.4GHz

Memory 15G 15G

NIC Realteck Gigabit Ethernet Realteck Gigabit Ethernet

Switch Netgear GS724T

PC-1 PC-2

GurumDDS 성능 - 지연시간

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PC-2

PC-1

● Round-Trip-Time 측정 ○ BestEffort QoS 사용 시 A 제품 대비 71% 더 낮은 지연시간 제공○ Reliable QoS 사용 시 C 제품 대비 76% 더 낮은 지연시간 제공

GurumDDS 성능 - 전송량

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PC-2

PC-1

● 단방향 전송량 측정○ BestEffort QoS 사용 시 B 제품 대비 100.6% 더 높은 전송량 지원○ Reliable QoS 사용 시 B 제품 대비 115% 더 높은 전송량 지원

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GurumDDS for ROS2

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ROS2 개요

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● ROS(Robot Operating System)는 로봇 응용 프로그램 개발에 필요한 도구와

기능을 제공하는 플랫폼

● ROS는 2007년 Willow Garage사와 Stanford 대학교에 의해 처음 시작

● 2010년에 ROS 1.0이 발표되었으며, 2015년 ROS 2 Alpha가 발표됨

● ROS2는○ 기존 ROS1 플랫폼과 호환

○ Near Real-Time 목표

○ 다수의 로봇이 포함된 시스템 지원

○ 자원이 한정된 임베디드 플랫폼 지원

○ Wi-Fi 통신과 같은 불안정한 네트워크에 대한 대응

○ ROS1 대비 더 적어진 어플리케이션 개발 비용

○ C++/Python3 언어 지원

ROS2 통신 API 구조

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● Abstraction DDS API 부분은 ROS2에서 .so 파일 형태로 제공● 별도의 컴파일 과정 없이 DDS 미들웨어 치환 가능(대신 버전이 일치해야 함)● 툴 사용법 등 CMake 형태로 추상화 되어있어서 동일한 방법으로 사용 가능● 기타 DDS 미들웨어 별로 특이사항이 있는 부분은 ROS2의 기본 DDS인

FastRTPS 방식을 따름

Source: https://design.ros2.org/articles/ros_on_dds.html

GurumDDS

.so 파일 형태

Userland Code

ROS client library API

Abstract DDS API

RTI Connext ADLINKOpenSplice

eProsimaFastRTPS

GurumNetworksGurumDDS

optionalaccessto DDSspecific API

ROS2 응용프로그램 통신 수행 과정

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UserApp

rclcpp

rclpy

ROS2 Client Library

rcl

RCL Interface

rmw_connext

rmw_fastrtps

rmw_opensplice

RMW Interface

rmw

RMW Implementation

User Application

rmw_gurumdds

그밖의 관련 패키지

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유틸리티

● rosidl_generator○ 사용자가 작성한 message, service 파일에서 구조체가 정의된 헤더 파일(.h) 생성

● rosidl_parser○ 각 vendor 별로 작성된 typesupport 패키지의 템플릿 파일을 사용해 코드(.cpp) 생성

라이브러리

● rosidl_typesupport○ RMW 구현 라이브러리와 대응하는 typesupport 라이브러리를 연결하는 역할

○ rosidl_typesupport_introspection

■ Dynamic type을 위한 typesupport

■ RMW에서 각 field의 type, 크기, 기본값 등 메타데이터에 접근할 수 있도록 API 제공

● rmw_implementation○ 환경 변수로 지정된 RMW 구현 라이브러리를 찾는 역할

Thank you!

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