사례 연구 Xenomai를 이용한 분산 시스템

개요

이 사례 연구에서는 Xenomai를 활용한 실제 분산 시스템 구축 사례를 통해 기본 개념, 구성 요소, 구현 방법 및 성능 평가를 다룬다. 구체적으로, 시스템 아키텍처, 네트워크 설정, 실시간 태스크 스케줄링, 그리고 데이터 동기화와 관련된 주요 문제를 어떻게 해결하였는지 살펴본다.

시스템 아키텍처

전체 구조

이 시스템은 여러 개의 실시간 노드로 구성되며, 각 노드는 Xenomai 커널을 실행하여 실시간 태스크들을 관리한다. 이 노드들은 네트워크를 통해 서로 통신하며, 데이터를 교환하고 연산을 분담한다.

진행되는 예제 시스템은 다음과 같은 구성 요소로 이루어져 있다:

노드(Node): Xenomai가 설치된 기기. 각 노드는 하나 이상의 실시간 태스크를 실행.
통신 서버(Communication Server): 노드들 간의 데이터 교환을 조율.
클라이언트 애플리케이션(Client Application): 시스템의 상태를 모니터링하거나 제어.

네트워크 설정

네트워크는 주로 TCP/IP를 사용하여 구성된다. 통신 서버는 각 노드와의 연결을 유지하며 데이터를 효율적으로 전송한다. 네트워크 지연을 최소화하기 위해 네트워크의 대역폭과 라우팅 경로를 최적화한다.

주요 네트워크 설정

고정 IP 할당: 각 노드는 고정 IP를 할당받아 통신의 안정성을 높인다.
QoS (Quality of Service) 설정: 네트워크 트래픽 우선순위를 설정하여 실시간 데이터가 우선적으로 전송될 수 있도록 한다.
주기적 데이터 동기화: 주기적으로 데이터를 동기화하여 각 노드 간의 상태가 일치하도록 한다.

실시간 태스크 스케줄링

태스크 생성 및 관리

Xenomai는 실시간 태스크(RT-태스크)를 생성하고 관리하는 데 있어 우수한 성능을 제공한다. 실시간 태스크는 주로 다음과 같은 작업들을 수행한다:

센서 데이터 수집
데이터 처리 및 분석
액추에이터 구동

태스크 예제

다음은 RT-태스크를 생성하고 실행하는 간단한 예제 코드이다:

#include <native/task.h>
#include <native/timer.h>

void rt_task(void *arg) {
    RT_TASK_INFO info;

    rt_task_inquire(NULL, &info);
    while(1) {
        // 실시간 태스크 작업 수행
        rt_printf("Task %s is running\n", info.name);
        rt_task_sleep(1000000); // 1 ms 휴식
    }
}

int main() {
    RT_TASK task;
    rt_task_create(&task, "MyTask", 0, 50, 0);
    rt_task_start(&task, &rt_task, NULL);

    pause();
    return 0;
}

위 예제에서는 rt_task_create 함수를 사용하여 태스크를 생성하고, rt_task_start를 통해 실행을 시작한다. 태스크는 주기적으로 rt_task_sleep 함수를 호출하여 지정된 시간 동안 대기한다.

태스크 스케줄링

Xenomai는 다양한 스케줄링 정책을 제공한다. 예를 들어, 다음과 같은 정책을 사용할 수 있다:

FIFO: 태스크가 생성된 순서대로 실행
RR (Round Robin): 각 태스크가 동일한 시간 할당을 받아 순환적으로 실행
EDF (Earliest Deadline First): 데드라인이 가장 가까운 태스크를 우선 실행

다음은 FIFO 스케줄링을 사용하는 예제이다:

int main() {
    RT_TASK task1, task2;
    rt_task_create(&task1, "Task1", 0, 50, T_JOINABLE | T_FPU | T_CPU(0));
    rt_task_create(&task2, "Task2", 0, 50, T_JOINABLE | T_FPU | T_CPU(0));

    rt_task_set_mode(0, T_WARNSW, NULL); // 스케줄링 경고를 접수
    rt_task_start(&task1, &rt_task, NULL);
    rt_task_start(&task2, &rt_task, NULL);

    pause();

    rt_task_join(&task1);
    rt_task_join(&task2);
    return 0;
}

데이터 동기화

실시간 분산 시스템에서 데이터의 일관성을 유지하는 것은 매우 중요하다. 이를 위해 다양한 데이터 동기화 기법이 사용된다.

공유 메모리 사용

Xenomai는 서로 다른 태스크 간에 데이터를 공유하기 위해 공유 메모리를 사용할 수 있다.

#include <native/mem.h>

int main() {
    RT_HEAP heap;
    void *shared_data;
    rt_heap_create(&heap, "MyHeap", 1024, H_SINGLE | H_SHARED);

    rt_heap_alloc(&heap, 1024, TM_INFINITE, &shared_data);

    // 데이터 접근 및 수정
    strcpy((char*)shared_data, "Hello, Xenomai!");

    rt_heap_free(&heap, shared_data);
    rt_heap_delete(&heap);
    return 0;
}

위 예제에서는 rt_heap_create 및 rt_heap_alloc 함수를 사용하여 공유 메모리를 생성하고 할당한다.

네트워크를 통한 데이터 동기화

네트워크를 통해 데이터를 실시간으로 동기화하는 것도 매우 중요하다. 이를 위해 주로 TCP/IP 또는 UDP 프로토콜을 사용한다. TCP는 데이터 전송의 신뢰성을 보장하며, UDP는 낮은 지연과 높은 속도를 제공한다.

예제: TCP를 이용한 데이터 전송

다음은 TCP 소켓을 사용하여 데이터를 전송하는 간단한 예제이다:

서버측 코드:

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>

int main() {
    int server_fd, new_socket;
    struct sockaddr_in address;
    int opt = 1;
    int addrlen = sizeof(address);
    char buffer[1024] = {0};

    // 소켓 파일 서술자 생성
    if ((server_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == 0) {
        perror("socket failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 소켓 옵션 설정
    if (setsockopt(server_fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR | SO_REUSEPORT, &opt, sizeof(opt))) {
        perror("setsockopt");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    address.sin_family = AF_INET;
    address.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
    address.sin_port = htons(8080);

    // 소켓에 바인드
    if (bind(server_fd, (struct sockaddr *)&address, sizeof(address))<0) {
        perror("bind failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 들어오는 연결을 대기
    if (listen(server_fd, 3) < 0) {
        perror("listen");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 새로운 연결 수락
    if ((new_socket = accept(server_fd, (struct sockaddr *)&address, (socklen_t*)&addrlen))<0) {
        perror("accept");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 데이터 수신
    read(new_socket, buffer, 1024);
    printf("Received: %s\n", buffer);

    // 데이터 전송
    char *hello = "Hello from server";
    send(new_socket, hello, strlen(hello), 0);
    printf("Hello message sent\n");

    return 0;
}

클라이언트측 코드:

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>

int main() {
    struct sockaddr_in address;
    int sock = 0;
    struct sockaddr_in serv_addr;
    char *hello = "Hello from client";
    char buffer[1024] = {0};

    // 소켓 파일 서술자 생성
    if ((sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0) {
        printf("\n Socket creation error \n");
        return -1;
    }

    serv_addr.sin_family = AF_INET;
    serv_addr.sin_port = htons(8080);

    // IPv4 주소 변환
    if(inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &serv_addr.sin_addr)<=0) {
        printf("\nInvalid address/ Address not supported \n");
        return -1;
    }

    // 서버에 연결
    if (connect(sock, (struct sockaddr *)&serv_addr, sizeof(serv_addr)) < 0) {
        printf("\nConnection Failed \n");
        return -1;
    }

    // 데이터 전송
    send(sock, hello, strlen(hello), 0);
    printf("Hello message sent\n");

    // 데이터 수신
    read(sock, buffer, 1024);
    printf("Received: %s\n", buffer);

    return 0;
}

성능 최적화

태스크 우선순위 조정

실시간 시스템에서 태스크의 우선순위를 조정하여 중요한 작업이 지연 없이 실행될 수 있도록 한다. Xenomai는 우선순위 기반 스케줄링을 지원하므로, 주요 태스크에 높은 우선순위를 할당할 수 있다.

예제: 태스크 우선순위 설정

int main() {
    RT_TASK task_high, task_low;

    // 높은 우선순위 태스크 생성
    rt_task_create(&task_high, "HighPriorityTask", 0, 80, 0);
    rt_task_start(&task_high, &rt_task, NULL);

    // 낮은 우선순위 태스크 생성
    rt_task_create(&task_low, "LowPriorityTask", 0, 20, 0);
    rt_task_start(&task_low, &rt_task, NULL);

    pause();
    return 0;
}

시스템 모니터링

시스템의 성능을 모니터링하여 병목 현상을 파악하고 최적화할 수 있다. Xenomai는 다양한 모니터링 도구와 인터페이스를 제공한다.

예제: 시스템 모니터링

#include <native/timer.h>
#include <native/task.h>
#include <native/sem.h>
#include <rtdk.h>

void monitor_task() {
    RT_TASK_INFO info;
    while(1) {
        rt_task_inquire(NULL, &info);
        rt_printf("Task: %s, Priority: %d, State: %d\n", info.name, info.cprio, info.status);
        rt_task_sleep(1000000); // 1ms 주기
    }
}

int main() {
    RT_TASK mon_task;
    rt_task_create(&mon_task, "MonitorTask", 0, 99, 0);
    rt_task_start(&mon_task, &monitor_task, NULL);

    pause();
    return 0;
}

위 예제에서는 rt_task_inquire 함수를 사용하여 현재 실행 중인 태스크의 정보를 출력한다. 이 정보를 통해 시스템의 상태를 파악하고 성능을 최적화할 수 있다.

이 사례 연구에서는 Xenomai를 이용한 분산 시스템의 구축, 관리, 최적화 방법을 자세히 다뤘다. Xenomai는 고성능 실시간 응용 프로그램을 개발하는 데 신뢰할 수 있는 프레임워크를 제공하며, 다양한 기능과 도구를 활용하여 시스템의 효율성을 극대화할 수 있다. 실제 구현 사례를 통해 이러한 개념들을 실무에 적용할 수 있는 방법을 배웠다.