싱글 노드와 멀티 노드 차이점

싱글 노드 (Single Node)

싱글 노드는 ROS2에서 하나의 노드로 실행되는 프로그램이다. 일반적으로 노드는 퍼블리셔(Publisher), 서브스크라이버(Subscriber), 서비스(Service), 액션(Action) 등의 통신 메커니즘을 통해 다른 노드와 데이터를 주고받는다.

싱글 노드는 하나의 프로세스 내에서 실행되며, 해당 노드가 여러 작업을 수행할 수 있도록 설계될 수 있다. 싱글 노드는 ROS2에서 독립적으로 동작하고, 하나의 프로세스가 단일 목적을 위한 노드로서 역할을 한다. 이를 통해 시스템을 더 쉽게 디버깅하거나 유지보수할 수 있다.

멀티 노드 (Multi-Node)

멀티 노드는 여러 개의 노드가 동시에 실행되어 서로 협력하는 구조이다. ROS2의 장점 중 하나는 분산 시스템을 지원하며, 여러 노드를 통해 작업을 나누고 병렬로 실행할 수 있다는 것이다.

멀티 노드는 ROS2의 마스터리스 구조에서 각 노드가 독립적으로 실행되며, 필요할 때만 서로 데이터를 교환한다. 이를 통해 각 노드는 개별적인 역할을 수행하면서도 전체 시스템의 일부로 동작할 수 있다.

성능 비교

멀티 노드를 사용하면 싱글 노드와 비교해 병렬 처리 및 분산 처리가 가능해지므로 성능적으로 유리할 수 있다. 예를 들어, 센서 데이터 수집과 제어 명령 전송을 별개의 노드로 처리하면, 작업의 부하를 나눌 수 있다.

다음 수식을 통해 노드 간 데이터 교환을 수학적으로 표현할 수 있다. 노드 $i$ 에서 노드 $j$ 로 데이터를 전송할 때, 데이터 전송 시간 $T_{ij}$ 는 다음과 같이 정의될 수 있다:

$T_{ij} = \frac{L}{B}$

여기서: - $L$ 은 전송할 데이터의 크기 (bits), - $B$ 는 네트워크 대역폭 (bits/sec)이다.

따라서 노드 간 데이터 전송 시간이 짧을수록, 멀티 노드 시스템에서의 효율성이 증가할 수 있다. 이 수식은 노드 간 네트워크 성능에 따라 달라질 수 있으며, ROS2에서는 DDS(Data Distribution Service) 프로토콜을 사용하여 이와 같은 데이터를 관리한다.

노드 간 통신 구조

멀티 노드 환경에서는 노드 간의 통신이 매우 중요하다. ROS2에서는 퍼블리셔-서브스크라이버 모델을 사용하여 노드 간 데이터를 주고받을 수 있으며, 노드는 네트워크 상에서 서로 통신하기 위해 다양한 메커니즘을 활용한다.

퍼블리셔는 특정 토픽(topic)에 메시지를 게시하고, 서브스크라이버는 해당 토픽을 구독하여 데이터를 수신한다. 이러한 방식으로 멀티 노드는 데이터를 비동기적으로 교환하며, 각 노드는 자신이 필요한 데이터를 선택적으로 주고받을 수 있다.

통신 모델의 차이

싱글 노드와 멀티 노드 간에는 통신 모델에서도 차이가 있다.

싱글 노드 통신: 싱글 노드는 외부 노드와의 통신이 없거나 매우 제한된 경우에 사용된다. 노드가 독립적으로 동작하는 경우에는 퍼블리셔와 서브스크라이버의 필요성이 적거나, 로컬에서만 데이터를 처리하는 경우가 많다.
멀티 노드 통신: 멀티 노드는 여러 노드 간의 통신이 핵심이다. 퍼블리셔-서브스크라이버 외에도 서비스나 액션을 통해 동기 및 비동기 작업을 수행할 수 있다. 특히 멀티 노드 환경에서는 네트워크 트래픽 및 데이터 전송 속도가 중요한 성능 요소로 작용한다.

예를 들어, 노드 $\mathbf{A}$ 에서 노드 $\mathbf{B}$ 로 데이터를 전송할 때 발생하는 지연 시간을 수학적으로 표현하면, 네트워크 지연 $D$ 와 처리 지연 $P$ 를 포함한 총 지연 시간 $T$ 는 다음과 같이 나타낼 수 있다:

$T = D + P$

여기서: - $D$ 는 네트워크 레이턴시(지연), - $P$ 는 데이터 처리 시간이 된다.

멀티 노드 시스템에서는 이러한 지연을 최소화하는 것이 시스템 성능 최적화에 매우 중요하다.

리소스 관리

싱글 노드와 멀티 노드는 시스템 자원 관리에서도 차이를 보이다. 싱글 노드는 일반적으로 단일 프로세스 내에서 모든 작업을 처리하기 때문에 CPU와 메모리 자원에 대한 부담이 크지 않을 수 있다. 그러나 멀티 노드는 여러 프로세스를 사용하거나, 각 노드가 독립적으로 자원을 할당받아 처리하는 구조를 갖는다.

멀티 노드에서 각 노드가 독립적으로 자원을 사용하기 때문에 전체 시스템 자원을 효율적으로 사용하는 것이 중요하다. 특히 멀티 노드는 다음과 같은 문제를 고려해야 한다:

프로세스 간의 자원 경합: 여러 노드가 동시에 실행될 때 CPU, 메모리, 네트워크 자원에 대한 경합이 발생할 수 있다.
네트워크 대역폭 관리: 각 노드가 퍼블리셔와 서브스크라이버 간의 데이터를 전송할 때 네트워크 대역폭을 고려해야 한다.

자원 경합을 수학적으로 모델링하면, 각 노드의 자원 사용량 $R$ 은 전체 시스템 자원 $R_{total}$ 과 개별 노드 수 $N$ 에 따라 다음과 같이 표현된다:

$R = \frac{R_\text{total}}{N}$

따라서 노드 수가 증가할수록, 각 노드가 사용할 수 있는 자원은 줄어들기 때문에 자원의 효율적 분배가 중요하다.

확장성 (Scalability)

멀티 노드의 가장 큰 장점 중 하나는 확장성이다. 시스템이 커지거나 더 많은 기능을 추가해야 할 때, 노드를 추가하여 시스템을 확장할 수 있다. 각 노드는 특정 역할을 맡아 분리되어 있기 때문에, 시스템의 복잡도가 증가하더라도 효율적으로 관리할 수 있다.

멀티 노드 시스템의 확장성을 수학적으로 설명할 때, 시스템 내의 노드 수를 $N$ , 각 노드가 수행하는 작업량을 $W$ 라고 하면, 전체 작업량 $W_{total}$ 은 다음과 같이 표현될 수 있다:

$W_{total} = N \times W$

따라서 노드 수가 증가하면 전체 시스템의 작업량도 증가하지만, 이를 노드 간에 적절히 분산시켜야 성능 저하 없이 확장이 가능한다. 그러나 너무 많은 노드가 존재할 경우에는 오히려 통신 및 자원 관리에 있어서 병목현상이 발생할 수 있다.

네트워크 병목

노드 수가 증가하면 각 노드 간의 데이터 전송 요구가 많아지기 때문에, 네트워크 병목이 발생할 가능성이 있다. 특히 많은 양의 데이터를 전송하는 퍼블리셔-서브스크라이버 구조에서는 대역폭을 효율적으로 관리하는 것이 중요하다.

네트워크 병목을 수식으로 표현하면, 네트워크 대역폭 $B$ 와 각 노드가 전송하는 데이터의 양 $D_i$ 가 있을 때, 노드 간의 총 전송 데이터 양이 대역폭을 초과하는 상황은 다음과 같이 나타낼 수 있다:

$\sum_{i=1}^{N} D_i > B$

이 경우, 멀티 노드 환경에서는 QoS(품질 서비스) 설정을 통해 각 노드 간의 통신 우선순위를 관리하거나, 대역폭을 조절하여 병목 현상을 완화할 수 있다.

멀티 노드의 이점

멀티 노드는 특히 다음과 같은 이점을 제공한다:

병렬 처리: 멀티 노드는 여러 작업을 병렬로 처리할 수 있기 때문에, 시스템의 처리 속도가 크게 향상된다. 예를 들어, 하나의 노드가 센서 데이터를 수집하는 동안 다른 노드가 제어 명령을 처리할 수 있다.
모듈화: 각 노드를 독립적으로 개발하고 유지할 수 있으므로, 시스템을 모듈화하여 관리할 수 있다. 이는 시스템의 유지보수를 쉽게 만들고, 코드 재사용성을 높이는 데 기여한다.
유연성: 시스템의 요구사항에 따라 노드를 추가하거나 제거하여 시스템을 유연하게 확장할 수 있다. 이는 특히 로봇이나 IoT 시스템과 같이 동적으로 변하는 환경에서 유리한다.

멀티 노드를 사용하여 시스템을 설계할 때는 네트워크 성능, 자원 사용, 통신 구조 등 여러 요소를 고려하여 설계해야 하며, 확장성 및 유지보수 측면에서 큰 이점을 얻을 수 있다.

멀티 노드 시스템 구조 예시 (다이어그램)

graph TD; A[Sensor Node 1] --> B[Central Node]; A2[Sensor Node 2] --> B[Central Node]; C[Control Node] --> B[Central Node]; D[Actuator Node] --> B[Central Node]; B --> E[Data Processing Node]; B --> F[User Interface Node];

이 다이어그램은 센서 노드, 제어 노드, 액추에이터 노드 등이 모두 중앙 노드로 데이터를 전송하고, 그 데이터를 처리하여 사용자 인터페이스와 연결하는 전형적인 멀티 노드 시스템 구조를 보여준다.