Intel i210/i225v 기반 TSN TAS 성능 평가

초록

이 논문은 Intel i210 및 i225v NIC에서 IEEE 802.1Qbv TAS(Time‑Aware Shaper)를 Linux tc taprio를 통해 적용하고, Payload‑timestamp 방식을 사용하여 실제 지연(latency)을 정밀 측정한 결과를 보고합니다. 2 µs 및 10 µs 사이클에서의 지연 분포와 통계치를 제시하여 TSN 환경에서의 스케줄링 정확도를 검증했습니다.

소개

Time‑Sensitive Networking(TSN)은 산업용, 오디오/비디오, 자율주행 등 실시간성이 중요한 애플리케이션을 위해 Ethernet 상에서 데이터 전송의 지연과 지터를 보장합니다. 802.1Qbv TAS는 하드웨어 큐 레벨에서 전송 슬롯을 제어하여 결정론적 스케줄링을 제공합니다.

본 연구에서는 Intel i210(i82576 기반)과 i225v 칩셋을 이용하여 TAS를 구현하고, 실제 패킷 지연을 Payload‑timestamp 방식으로 측정·분석합니다.

실험 방법

1. 실험 장비 및 설정

     
• 송신기: Intel i210 NIC (네임스페이스 ns1, IP 169.254.59.170/16)
     
• 수신기: Intel i225v NIC (네임스페이스 ns2, IP 169.254.59.100/16)
     
• OS: Ubuntu 22.04, Kernel 5.10+
     
• 툴: iproute2, ethtool, tc (taprio), hping3, tcpdump, Python 3.8+
   

2. TAS 스케줄

두 가지 GCL(Gate Control List)을 사용:

3. 측정 방법

     
1. Payload‑timestamp 송신: Python 스크립트로 time.time_ns()를 UDP 페이로드에 기록
     
2. 수신 시각 – 송신 시각 = 실측 지연
     
3. 3회 반복 토글(각 10초 유지) → 60초간 데이터 수집
     
4. CSV로 저장 후 Python 분석 스크립트 실행
   

결과

     

TAS 성능 분석

     

본 실험에서는 Intel i210 및 i225v NIC에 TAS(Time-Aware Shaper)를 적용하여 지연 분포와 안정성을 분석했습니다. TAS 적용 유무에 따른 성능 차이를 확인하기 위해 No-TAS(FIFO) 모드와도 비교했습니다.

           

1. Scatter Plot (Payload-TS)

     

그림 1. 2 µs 사이클 산점도 / 그림 2. 10 µs 사이클 산점도

           

TAS 스케줄에 따라 열린 슬롯 내에서만 패킷이 전송되었음을 확인할 수 있습니다. 2 µs 사이클에서는 0–2000 ns 구간에, 10 µs 사이클에서는 0–10000 ns 구간에 점들이 집중적으로 분포합니다.

           

2. Latency Histogram & CDF (Idle)

     

그림 3. TAS 모드 무부하 히스토그램 / 그림 4. TAS 모드 무부하 CDF

           

       
• 평균 지연: ≈ 19.7 µs
       
• P95 지연: ≈ 33.9 µs
       
• P99 지연: ≈ 52.2 µs
     

     

슬롯 대기 시간으로 인해 평균 지연은 다소 증가하지만, 슬롯 외 지터는 최소화되었습니다.

           

3. TAS vs No-TAS 요약 통계 (무부하)

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                   

Mode	Count	Mean (ns)	P50 (ns)	P95 (ns)	P99 (ns)	Max (ns)
TAS	20000	20572.2	18994	31535	49808	271800
No-TAS	20000	19525.7	18333	29732	50728	186095

           

무부하 환경에서는 TAS 모드의 평균 지연이 다소 높게 나타났으나, 이는 슬롯 대기 시간 때문입니다.

           

4. TAS vs No-TAS 지연 비교 (포화 부하)

     

iperf3로 UDP 포화 트래픽(≈1 Gbps)을 발생시킨 상태에서 TAS와 No-TAS 모드의 지연을 비교했습니다.

     

그림 5. 포화 트래픽(1 Gbps) 하 TAS vs No-TAS 히스토그램

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               

Mode	Count	Mean (ns)	P50 (ns)	P95 (ns)	P99 (ns)	Max (ns)
TAS	100000	194215	195354	263367	271173	353343
No-TAS	100000	598310	597483	873277	939794	1060900

     

포화 부하 환경에서 TAS 모드는 평균 지연 ≈ 194 µs, P99 ≈ 271 µs로 지연을 안정적으로 제어했습니다. 반면, No-TAS 모드는 평균 지연 ≈ 598 µs, P99 ≈ 940 µs로 큐잉 지연이 급격히 증가했습니다.

   

     

Prio (802.1p) vs No-TAS 우선순위 실험 결과

     

TAS가 아닌, 802.1p 우선순위(Prio) 스케줄러를 적용하여 포화 트래픽 환경에서의 지연을 비교했습니다.

           

1. 지연(latency) 비교

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                   

Mode	Count	Mean (ns)	P50 (ns)	P95 (ns)	P99 (ns)	Max (ns)
Prio	100000	7981.3	6989	10924	15679	89602
No-TAS	100000	598310	597483	873277	939794	1060900

           

포화 부하에서 Prio 모드는 평균 지연 약 7.98 µs, P99 약 15.7 µs를 기록했습니다. 이는 No-TAS 모드의 평균 지연(598.3 µs) 대비 수십 배 낮은 수치입니다.

           

2. 히스토그램

     

그림. 포화 상태에서 Prio(파란) vs No-TAS(주황) 지연 분포 비교

           

Prio 모드는 대부분의 지연이 0–20 µs 구간에 집중되어 매우 안정적인 분포를 보입니다. 반면, No-TAS는 지연 분포가 매우 넓고 극단적인 값이 다수 관찰되었습니다.

   

결론

     
• TAS 적용 시, 슬롯 제어를 통해 지연 분포가 좁고 예측 가능해집니다.
     
• 무부하에서는 슬롯 대기 시간으로 인해 평균 지연이 소폭 증가하지만, 포화 부하 환경에서는 지연 안정성이 크게 향상됩니다.
     
• 802.1p Prio 방식만으로도 포화 트래픽에서 FIFO 대비 응답성을 크게 개선할 수 있어, TAS가 아니더라도 실용적인 대안이 될 수 있습니다.
     
• TSN 기반 실시간 시스템에서 결정론적 보장을 위해 TAS는 필수적인 기능임을 입증합니다.
   

참고문헌

     
1. IEEE Std 802.1Qbv-2015, “Enhancements for Scheduled Traffic,” IEEE.
     
2. “TC taprio: Time-Aware Priority Scheduler,” Linux Foundation Documentation.
     
3. Intel Ethernet Controllers i210, i225 Series Datasheet.