QoS(품질 서비스) 정책 이해

QoS 개요

ROS2에서는 노드 간의 통신이 토픽, 서비스, 액션을 통해 이루어지며, 이러한 통신의 신뢰성과 성능을 관리하기 위해 QoS(Quality of Service) 정책을 사용한다. QoS는 주로 퍼블리셔와 서브스크라이버 간 메시지 전달의 신뢰성과 일관성을 보장하는 역할을 한다. 각 메시지의 특성과 통신 환경에 따라 적절한 QoS 설정이 필요하다.

QoS 프로파일

QoS 정책은 여러 프로파일로 구성되며, 각 프로파일은 특정 통신 요구 사항에 맞게 설정할 수 있다. ROS2에서 제공하는 기본 QoS 프로파일은 다음과 같다:

Default: 기본 설정으로, 대부분의 경우 적절한 성능을 제공한다.
Reliable: 메시지 손실을 허용하지 않고 반드시 모든 메시지를 전달하도록 설정한다.
Best Effort: 네트워크 상태에 따라 메시지 손실을 허용하지만 성능을 우선한다.

QoS 정책 요소

Reliability (신뢰성)

QoS 정책에서 Reliability는 메시지 전달의 신뢰성을 설정하는 중요한 요소이다. 이 옵션은 퍼블리셔가 전송한 메시지가 서브스크라이버에게 어떻게 전달되는지 결정한다.

Reliable: 메시지가 반드시 전달되도록 보장한다. 이는 데이터 손실이 허용되지 않는 상황에 적합하며, 네트워크 지연이나 재전송을 통해 메시지 손실을 방지한다.

예를 들어, 노드 $A$ 가 퍼블리셔로, 노드 $B$ 가 서브스크라이버일 때, Reliable 설정을 사용하면, 네트워크 지연이 발생하더라도 노드 $B$ 는 결국 모든 메시지를 수신하게 된다. 이를 수식으로 나타내면 다음과 같다:

$\text{Received Message} = \text{Sent Message}, \quad \forall t \in [t_0, t_1]$

Best Effort: 네트워크 상태에 따라 메시지가 손실될 수 있지만 가능한 한 빠르게 전달한다. 성능이 중요한 상황에서 적합하다.

이 경우 메시지 손실이 발생할 확률 $P_{\text{loss}}$ 는 네트워크 상태 $N$ 에 따라 달라지며, 성능 최적화를 위해서 $P_{\text{loss}}$ 를 최소화하는 방향으로 네트워크를 설계해야 한다.

$P_{\text{loss}} \propto f(N)$

Durability (내구성)

Durability는 메시지가 퍼블리셔가 중단되었거나 서브스크라이버가 나중에 연결되었을 때도 여전히 유효한지를 결정한다.

Volatile: 퍼블리셔가 중단되면 이전에 발행된 메시지는 사라지고, 새로 연결된 서브스크라이버는 이전 메시지를 받지 못한다.
Transient Local: 퍼블리셔가 중단되더라도 마지막 메시지가 메모리에 저장되고, 새로 연결된 서브스크라이버는 이 메시지를 수신할 수 있다.

$\mathbf{M}_{\text{last}} = \mathbf{M}_{t-1}, \quad \text{if Publisher stopped at } t$

Deadline (데드라인)

Deadline 정책은 특정 시간 내에 서브스크라이버가 퍼블리셔로부터 메시지를 수신해야 하는지 여부를 정의한다. 만약 주어진 시간 내에 메시지를 수신하지 못하면, 서브스크라이버는 '데드라인 미준수' 상태로 간주된다.

정의: 데드라인 시간 $\tau$ 내에 퍼블리셔로부터 메시지가 전달되지 않을 경우, 서브스크라이버는 이를 위반으로 처리한다.

수식으로 나타내면, 주어진 시간 $t$ 에서 서브스크라이버가 메시지를 수신했는지를 판단하는 기준은 다음과 같다:

$\text{Deadline Violation} = \begin{cases} 1, & \text{if } t_{\text{received}} > t_{\text{sent}} + \tau \\ 0, & \text{if } t_{\text{received}} \leq t_{\text{sent}} + \tau \end{cases}$

여기서 $t_{\text{received}}$ 는 서브스크라이버가 메시지를 수신한 시간, $t_{\text{sent}}$ 는 퍼블리셔가 메시지를 전송한 시간, 그리고 $\tau$ 는 데드라인 시간이다.

실사용 예제

데드라인을 사용하면, 주기적으로 데이터를 수집하고 전달하는 센서 노드에서 특정 시간 간격마다 데이터가 수신되었는지 확인할 수 있다. 예를 들어, 환경 센서 노드가 100ms마다 데이터를 전송하도록 설정했다면, 서브스크라이버는 데드라인이 100ms로 설정된 상태에서 데이터를 수신해야 한다.

Liveliness (생존성)

Liveliness 정책은 퍼블리셔가 여전히 활성 상태인지 확인하는 방법을 제공한다. 이는 시스템이 노드 간의 연결 상태를 모니터링하고, 특정 노드가 활성 상태인지 확인하는 데 유용하다.

Automatic: 퍼블리셔가 자동으로 생존 신호를 보낸다.
Manual: 퍼블리셔가 수동으로 생존 신호를 보내는 방법을 결정한다.

생존 신호가 특정 시간 $\lambda$ 안에 도달해야 하며, 이를 수식으로 표현하면 다음과 같다:

$\text{Liveliness Violation} = \begin{cases} 1, & \text{if } t_{\text{last heartbeat}} > t_0 + \lambda \\ 0, & \text{if } t_{\text{last heartbeat}} \leq t_0 + \lambda \end{cases}$

여기서 $t_{\text{last heartbeat}}$ 는 마지막 생존 신호가 도달한 시간, $\lambda$ 는 생존 신호 주기이다.

History (히스토리)

History 정책은 퍼블리셔가 전송한 메시지의 기록을 관리하는 방법을 설정한다. 이는 서브스크라이버가 과거 메시지를 어떻게 처리할지 결정하는 중요한 요소이다.

Keep Last: 마지막으로 전송된 $\mathbf{k}$ 개의 메시지만 유지한다. 과거 메시지 중 마지막 $k$ 개의 메시지를 저장하는 방식으로, $k$ 는 사용자가 설정할 수 있다.

이를 수식으로 나타내면, $\mathbf{M}_{\text{history}}$ 는 마지막 $k$ 개의 메시지로 구성된다:

$\mathbf{M}_{\text{history}} = \{ \mathbf{M}_{t-1}, \mathbf{M}_{t-2}, \dots, \mathbf{M}_{t-k} \}$

Keep All: 모든 메시지를 유지하며, 이는 메모리 자원을 많이 소모할 수 있다.

Depth (깊이)

Depth는 History 정책의 세부 설정으로, 특정 시점에서 저장할 수 있는 메시지의 최대 개수를 의미한다. 이는 주로 Keep Last 설정과 함께 사용된다. 퍼블리셔는 설정된 깊이만큼 메시지를 유지하며, 이를 초과하는 메시지는 삭제된다.

예를 들어, $k = 10$ 으로 설정된 경우, 퍼블리셔는 최근 10개의 메시지만 유지한다. 메시지가 새로 들어올 때마다 가장 오래된 메시지는 삭제되고 새로운 메시지가 추가된다. 이를 수식으로 표현하면 다음과 같다:

$\mathbf{M}_{\text{history}} = \{ \mathbf{M}_{t-1}, \mathbf{M}_{t-2}, \dots, \mathbf{M}_{t-k} \}, \quad k = 10$

메시지 $\mathbf{M}_t$ 가 새로 수신되면, 다음과 같이 업데이트된다:

$\mathbf{M}_{\text{history}} = \{ \mathbf{M}_t, \mathbf{M}_{t-1}, \dots, \mathbf{M}_{t-k+1} \}$

따라서 깊이는 데이터의 손실을 방지하면서 메모리 사용량을 제어하는 데 중요한 역할을 한다.

Deadline과 Liveliness 간의 상호작용

QoS 정책에서 Deadline과 Liveliness는 종종 함께 사용된다. 노드 간의 메시지 통신에서 퍼블리셔의 상태가 중요할 때, 데드라인과 생존성 정책을 결합하면 메시지가 일정한 시간 간격으로 전달되고 퍼블리셔의 상태가 유지되는지 확인할 수 있다.

예를 들어, 특정 시간 $\tau$ 이내에 메시지를 수신하지 못하거나 생존 신호가 오지 않으면 시스템은 퍼블리셔가 비활성 상태에 있거나 문제가 발생했다고 판단할 수 있다.

두 개의 조건을 결합한 수식은 다음과 같다:

$\text{System Status} = \begin{cases} \text{Alive}, & \text{if } t_{\text{received}} \leq t_{\text{sent}} + \tau \text{ and } t_{\text{last heartbeat}} \leq t_0 + \lambda \\ \text{Failed}, & \text{otherwise} \end{cases}$

QoS 설정에 따른 성능 영향

각 QoS 정책은 시스템의 성능과 자원 사용에 영향을 미친다. 예를 들어, Reliable 설정은 메시지 손실을 방지하지만 네트워크 트래픽이 증가하고, Best Effort 설정은 성능을 우선시하나 메시지 손실이 발생할 수 있다. 따라서, 애플리케이션의 특성에 따라 적절한 QoS 설정이 필요하다.

네트워크 환경과의 상호작용

QoS 정책은 네트워크 환경의 상태와 밀접하게 연결되어 있다. 높은 네트워크 트래픽이나 지연 시간이 발생할 수 있는 환경에서는 Reliable 설정을 사용할 때 메시지 재전송이 빈번하게 발생할 수 있으며, 이로 인해 통신 지연이 커질 수 있다. 반대로, Best Effort 설정을 사용하면 네트워크 상태에 따라 일부 메시지가 손실될 수 있지만, 메시지가 빠르게 전달된다.

최적의 QoS 설정

애플리케이션의 요구 사항에 맞게 적절한 QoS 설정을 선택하는 것이 중요하다. 예를 들어, 로봇의 제어 시스템에서는 Reliable과 Deadline 정책을 조정하여 정확한 데이터 전달을 보장하고, 퍼블리셔의 생존성을 모니터링하는 것이 유리할 수 있다. 반면, 센서 데이터의 경우 일부 손실을 허용하고 성능을 우선시하는 Best Effort와 Volatile 설정이 적합할 수 있다.