로봇 관제 시스템 실시간 통신 기술: WebSocket과 실시간 프로토콜의 역할

로봇 관제 시스템에서 핵심적인 역할을 하는 실시간 통신에 대해 정리해보려한다. 로봇이 데이터를 센서로부터 수집하고, 실시간으로 명령을 수신하고 행동을 수행하려면, 빠르고 신뢰할 수 있는 통신 시스템이 필요한데, 주로 사용되는 WebSocket과 다른 실시간 프로토콜들이 동작하는 방식과 기술의 역할들을 어떻게 될까?

 

 

실시간 통신의 중요성

: 로봇 관제 시스템에서 실시간 통신이 중요한 이유는, 로봇이 끊임없이 데이터를 수집하고, 그 데이터를 빠르게 분석한 후 즉각적인 명령을 받아야 하기 때문이다.

ex) 자율주행 로봇은 지속적으로 장애물과 경로 정보를 주고받으며, 지체 없이 반응해야 함

• 센서 데이터 수집 : 로봇이 수집한 센서 데이터를 실시간으로 관제 시스템에 전송한다.
• 제어 명령 전송 : 로봇 관제 시스템에서 실시간으로 명령을 내려 로봇의 행동을 제어한다.

이 과정에서 지연 시간이 짧고, 끊김 없는 통신이 중요한 역할을 한다.

 

 

 

WebSocket : 실시간 양방향 통신

: WebSocket은 로봇 관제 시스템에서 실시간 양방향 통신을 구현하는 대표적인 기술이다. WebSocket은 HTTP처럼 클라이언트-서버 간 연결을 설정하지만, 연결이 유지된 상태에서 양방향으로 데이터를 주고받을 수 있어 실시간 통신에 매우 유리하다.

 

 

WebSocket의 동작 방식

• 연결 설정 : 클라이언트(로봇)와 서버(관제 시스템)가 한 번 연결을 설정하면, 연결을 유지하며 지속적으로 데이터를 주고받는다.
• 양방향 통신 : WebSocket은 로봇과 관제 서버가 동시에 데이터를 전송할 수 있다.
  ex) 로봇은 관제 시스템에 센서 데이터를 전송하는 동시에, 관제 시스템은 로봇에 즉각적인 제어 명령을 내릴 수 있음
• 지연 시간 감소 : HTTP와 달리 매번 요청을 새로 보내지 않기 때문에 지연 시간이 크게 줄어든다. 이는 로봇이 즉각적으로 반응해야 하는 실시간 환경에서 매우 중요하다.

 

 

WebSocket의 활용 사레

: 로봇이 실시간 명령을 수신하고 데이터 피드백을 보내는 데 WebSocket이 자주 사용된다. 특히 '드론'이나 '자율주행 차량' 같은 빠른 반응이 필요한 시스템에서 WebSocket을 사용해 로봇과 서버 간의 통신을 최적화 한다.

 

 

 

MQTT: 경량 메세제 프로토콜의 실시간 통신

: MQTT(Message Queuing Telemetry Transport)는 경량 메세지 프로토콜로, 로봇 관제 시스템에서 많이 사용된다. MQTT는 네트워크 대역폭이 제한된 환경에서 데이터 전송을 최적화하기 위해 설계됐으며, 퍼블리셔/구독자 모델을 사용한다.

MQTT의 동작 방식

• 퍼블리셔/구독자 모델 : 로봇은 특정 토픽(topic)에 데이터를 발행하고, 관제 시스템은 그 토픽을 구독해 데이터를 수신한다. 반대로, 관제 시스템도 로봇이 구독하는 토픽에 제어 명령을 발행할 수 있다.
• 경량성 : MQTT는 데이터 전송 오버헤드가 매우 적어, 저전력 환경이나 네트워크 연결이 불안정한 상황에서도 안정적인 통신이 가능하다.

 

MQTT의 활용 사례

• 드론 통신 : 드론과 같은 로봇은 종종 배터리 용량이 제한적이기 때문에 경량 프로토콜인 MQTT를 사용해 실시간 데이터를 전송하고 명령을 수신한다.
• 로봇 정찰 : 로봇이 실시간으로 정찰 데이터를 전송하고, 관제 시스템이 로봇의 이동 경로를 제어하는 과정에서 MQTT가 널리 사용된다.

 

다른 실시간 통신 프로토콜

 

ROS2와 DDS(Data Distribution Service)

: ROS2는 DDS라는 미들웨어를 통해 실시간 통신을 처리한다. DDS는 분산 시스템에서 로봇 간의 통신을 효율적으로 관리하며, 특히 여러 기기나 멀티 로봇 시스템에서 강력한 성능을 발휘한다.

• 노드 간 통신 : ROS2는 여러 로봇 노드가 서로 통신할 수 있도록 지원하며, 각 노드는 독립적으로 실시간 데이터를 주고받을 수 있다.
• Qos(Quality of Service) : DDS는 QoS를 설정해 데이터 전송의 신뢰성을 높일 수 있다. 로봇이 중요한 데이터를 주고 받을 때, QoS 설정을 통해 데이터가 손실되지 않도록 보장한다.

 

SSE(Server-Sent Events)

: SSE는 서버에서 클라이언트로 데이터를 일방적으로 전송하는 방식으로, 실시간 통신을 구현할 수 있다. 로봇이 수집한 데이터를 서버에 보내는 상황에서 WebSocket이나 MQTT처럼 양방향 통신이 필요하지 않은 경우 SSE를 사용할 수 있다.

• 장점 : 클라이언트가 계속해서 데이터를 요청하지 않아도, 서버가 자동으로 데이터를 푸시(push)할 수 있어 실시간 데이터 전송에 적합하다.
• 활용 사례 : 로봇이 수집한 모니터링 데이터를 실시간으로 서버에 전송하고, 서버가 관제 시스템에 데이터 피드를 제공하는 데 적합하다.

실시간 통신 기술의 선택 기준

 

통신 방식

• 양방향 통신이 필요한 경우 : WebSocket과 같은 프로토콜이 적합
• 일방향 데이터 전송이 필요한 경우 : SSE나 MQTT같은 경량 프로토콜을 고려할 수 있음

 

네트워크 환경

• 네트워크가 안정적이고 고속 통신이 가능한 환경 : WebSocket이나 ROS2 + DDS 같은 고성능 프로토콜 사용할 수 있음
• 네트워크 대역폭이 제한된 환경 : MQTT같은 경량 프로토콜이 유리

 

실시간성

• 실시간성이 매우 중요한 경우 : 통신 지연이 거의 없는 WebSocket이나 DDS 기반 시스템을 사용하는 것이 바람직

 

 

 

 

로봇 관제 시스템에서의 실시간 통신 기술들에 대해 알아보았다. 지금까지 블로그에 정리해오거나 실제로 사용했던 기술들이었는데, 이렇게 각각의 장단점을 한 눈에 비교해보니 각각의 특성이 더욱 돋보이고 다양하다고 느껴졌다. 각자 특징이 확실한만큼 상황의 요구 사항에 맞는 적절한 통신 기술을 선택하는 것이 관제 시스템을 성공적으로 구현해내는데 핵심이 될것이라는 생각이 든다.