IoT 기기에서 최소 자원을 사용하는 통신 서브시스템

국문 초록 (Abstract)

Internet of Things(IoT) 기기의 통신 서브시스템은 데스크 탑 컴퓨터나
서버 컴퓨터의 통신 서브시스템과는 달리 매우 제한된 메모리 및 프로세
서 자원을 사용한다. 본 연구에서는 IoT 기기에서 최소의 메모리 및 프로
세서 자원을 사용하는 통신 서브시스템에 관하여 연구하고 설계한다. 본
연구에서 설계하는 통신 서브시스템은 TCP/IP 4 계층 모델을 참조하였으
며, L4(Application), L3(Transport) 및 L2(Link) 계층을 대상으로 설계하였
다.
본 연구에서 설계한 통신 서브시스템은 다음과 같은 특징을 가지고 있
다. 첫째, 메모리 할당량(memory allocation amount)을 최소화하여 메모리
자원을 최소로 사용한다. 둘째, 메모리 복사량(memory copy amount)을 최
소화하여 프로세서 자원을 최소로 사용한다. 셋째, 메모리 풀(memory
pool) 방식의 메모리 할당을 사용하여 통신 서브시스템의 수행 시간이 고
정 시간(deterministic time)에 완료될 수 있다. 넷째, 동적 메모리 할당 및
해제의 장소 및 시간에 대한 규칙을 정하고 이를 사용하여 메모리 누수
(memory leak) 문제가 발생하지 않는다. 본 연구에서 설계한 통신 서브시
스템은 L4 계층이 n 바이트의 데이터를 송신할 때, (n+c) 바이트의 메모
리 할당량 및 n 바이트의 메모리 복사량이 필요하다(여기서 c는 n과 독립
적인 작은 상수임).
본 연구에서 도출된 메모리 할당량 및 복사량에 대한 최소 자원 기준은
기 구현된 다수의 IoT 통신 서브시스템이 효율적으로 구현되었는지를 점
검하기 위해서 유용하게 사용될 수 있다. 현재 리눅스 재단에서 구현하고
있는 IoT 커널인 Zephyr의 통신 서브시스템의 메모리 할당량 및 복사량을
측정한 결과, 우리 연구에서 도출한 최소 자원 기준보다 더 크다는 것을
발견하였으며, 본 연구에서 제안한 설계 방법에 따라 Zephyr 통신 서브시
스템의 소스 코드를 개선 수정하여 메모리 할당량 및 복사량을 측정한 결
과 개선 전 Zephyr 통신 서브시스템에 비하여 각각 약 39% 및 67% 감소
함을 발견하였으며, 이에 따른 수행 시간도 약 28% 감소하였다.
본 연구는 IoT 기기의 통신 서브시스템 설계에 아래와 같은 기여도를
가지고 있다. 첫째, IoT 기기에서 최소 자원을 사용하는 통신 서브시스템
설계 방법을 제안하였다. 둘째, 본 연구에서 설계한 통신 서브시스템은
IoT 기기의 이미 개발된 통신 서브시스템을 평가하는데 활용할 수 있다.
셋째, 최근 개발이 활발한 Zephyr 통신 서브시스템을 개선하여 메모리 및
프로세서 자원 사용량을 줄일 수 있었다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The network subsystem of IoT devices uses very limited memory and
processor resources, unlike the network subsystem of desktop computers
or server computers. In this paper, we study and design a network
subsystem that uses minimum memory and processor resources in IoT
devices. The network subsystem designed in this paper refers to the
TCP/IP 4 layer model, and is designed for L4(Application), L3(Transport),
and L2(Link) layers.
The network subsystem designed in this paper has the following
characteristics. First, memory resources are minimized by minimizing the
memory allocation amount. Second, processor resources are minimized by
minimizing the memory copy amount. Third, the execution time of the
network subsystem can be completed in a deterministic time by using a
memory pool type memory allocation. Fourth, the rules for the place
and time of dynamic memory allocation and deallocation are set and the
memory leak problem does not occur. The network subsystem designed
in this study requires (n+c) bytes of memory allocation and n bytes of
memory copy when the L4 layer transmits n bytes of data(c is a small
constant independent of n).
The minimum resource standard for the memory allocation and copy
amount derived in this paper can be usefully used to check whether a
number of previously implemented IoT network subsystems are
efficiently implemented. As a result of measuring the memory allocation
and copy amount of the network subsystem of Zephyr, which is an IoT
kernel currently being implemented by the Linux Foundation, it was
found that it is larger than the minimum resource standard derived from
our paper, and Zephyr network subsystem according to the design
method proposed in this paper. As a result of measuring the memory
allocation and copy amount by improving and modifying the source code
of Zephyr network subsystem, it was found that the reduction was about
39% and 67%, respectively, compared to the Zephyr network subsystem
before improvement, and the execution time was also reduced by about
28%.
This paper has the following contribution to the design of the network
subsystem of IoT devices. First, we proposed a network subsystem
design method that uses the minimum resources in IoT devices. Second,
the network subsystem designed in this paper can be used to evaluate
the network subsystem already developed for IoT devices. Third, the
Zephyr network subsystem, which has been recently developed, has
been improved to reduce memory and processor resource usage.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 1
• 2. 사전 연구 4
• 2.1 현존하는 IoT 기기의 통신 서브시스템 4
• 2.2 TCP/IP 4계층 모델 6
• 2.3 IoT 기기의 메모리 관리 9
• 2.4 메모리 누수 문제 12
• 2.5 프로그램 수행 사이클 측정 13
• 3. 최소 자원 사용 통신 서브시스템 설계 14
• 3.1 설계 기준 14
• 3.2 설계 내용 16
• 3.3 설계 분석 19
• 3.4 최소 자원 기준 가설 19
• 4. Zephyr 통신 서브시스템 평가 20
• 4.1 평가 방법 20
• 4.2 Zephyr 통신 서브시스템 측정 및 확인 21
• 4.3 Zephyr 통신 서브시스템 코드 분석 및 수정 22
• 4.4 Zephyr 통신 서브시스템 재측정 및 성능 비교 24
• 4.4.1 메모리 할당량 성능 비교 25
• 4.4.2 메모리 복사량 성능 비교 29
• 4.4.3 수행 시간 성능 비교 32
• 5. 결론 35
• 참고문헌 37
• ABSTRACT 40