TSN 기술 분석: TSNLab 발표 자료 기반

1. TSN 성능 측정 실험 환경 분석 (9-10페이지)

가. 실험 환경 구성 예측 (9페이지)

TSN 성능을 검증하기 위한 실험은 다음과 같은 구성 요소로 이루어짐.

• Talker: TSN 보호를 받아야 할 중요한 데이터(UDP, 소형 패킷)를 주기적으로 생성 및 전송하는 노드.
• Listener: Talker로부터 데이터를 수신하여 전송 지연 시간(Latency) 및 처리량(Throughput)을 측정하고 통계를 산출하는 노드.
• Traffic Generator: 네트워크 혼잡 상황을 인위적으로 만들기 위해 대량의 일반 트래픽(Best-Effort, UDP, 대형 패킷)을 생성하는 노드.
• Load Balancer: Talker와 Traffic Generator의 트래픽을 동시에 받아, 설정된 QoS 정책(BE, CBS, TAS)에 따라 패킷을 처리하고 Listener로 전달하는 핵심 테스트 대상(DUT).

모든 노드는 Intel i210 NIC(1Gbps)가 장착된 동일한 하드웨어이며, DPDK/XDP 프레임워크를 기반으로 동작. 정확한 Latency 측정을 위해 모든 노드는 802.1AS (gPTP) 프로토콜을 통해 나노초 단위로 정밀하게 시간 동기화가 되어 있어야 함.

나. Latency 측정 결과 분석 (10페이지)

• 측정 지표:
  • Latency: 편도 지연 시간 (단위: nanoseconds).
  • w/ load: Traffic Generator에 의해 네트워크 부하가 1Gbps에 가깝게 걸린 상황.
• 결과 해석:
  • BE (Best Effort): 부하가 없을 때는 양호하나, 부하가 발생하자 Latency가 2배 이상 폭증하고 표준편차(Jitter)가 매우 커짐. 일반 이더넷의 한계를 명확히 보여줌.
  • CBS (Credit-Based Shaper, 802.1Qav): 대역폭 기반 제어. 부하 상황에서 BE보다는 훨씬 안정적이지만, 저순위 트래픽의 간섭(Head-of-Line Blocking)으로 인해 TAS보다 높은 Latency를 보임.
  • TAS (Time-Aware Shaper, 802.1Qbv): 시간 기반 제어. 부하 유무에 관계없이 Latency와 표준편차가 거의 동일하게 유지됨. 이는 주변 네트워크 상황과 완벽히 격리되어 예측 가능한 전송(Determinism)을 보장한다는 것을 의미함.

2. TAS (Time-Aware Shaper)의 동작 원리 심층 분석

가. 게이트(Gate) 초과 입력 시 처리 과정

TAS는 정해진 시간표(Gate Control List)에 따라 특정 트래픽 큐의 게이트를 열고 닫는 방식. 만약 게이트가 처리할 수 있는 용량보다 많은 패킷이 입력되면 다음과 같이 동작함.

1. 큐잉 (Queuing): 게이트가 열려있는 동안 처리되지 못한 패킷과, 게이트가 닫힌 동안 도착한 패킷들은 해당 트래픽 클래스 전용 큐(Queue)에 쌓임.
2. 대기 (Waiting): 큐에 쌓인 패킷들은 다음 번에 자신에게 할당된 게이트가 열릴 때까지 대기. 이 대기 시간이 Latency에 포함됨.
3. 폐기 (Dropping): 만약 패킷이 계속해서 쌓여 큐의 버퍼 용량을 초과하면, 새로 도착하는 패킷은 폐기(Drop)됨. 이는 네트워크 설계 시 반드시 피해야 할 상황.

나. Latency 패턴 분석

TAS의 Latency는 ‘톱니 모양(Sawtooth Wave)’ 패턴을 보임.

• 게이트가 막 열렸을 때 (Latency 최대): 이 시점에 전송되는 패킷들은 이전의 ‘닫힌 구간’ 동안 가장 오래 기다렸던 패킷들이므로, 대기 시간이 길어 Latency가 가장 높게 측정됨.
• 게이트가 닫히기 직전 (Latency 최소): 이 시점에 도착한 패킷들은 거의 기다리지 않고 즉시 전송되므로, Latency가 가장 낮게 측정됨.

이러한 패턴은 TAS가 예측 가능한(Deterministic) 방식으로 동작하고 있다는 증거이며, 지연 시간의 변동 폭(Jitter) 또한 ‘사이클 타임’이라는 명확한 상한선 내에서 제어됨을 의미.

3. CBS와 TAS의 성능 차이 원인

실험에서 TAS가 CBS보다 우수한 성능을 보인 이유는 두 기술의 트래픽 제어 철학이 근본적으로 다르기 때문.

특징	CBS (Credit-Based Shaper)	TAS (Time-Aware Shaper)
비유	우선 탑승권 (새치기 허용)	전용 신호등과 차선 (완벽 통제)
제어 방식	대역폭(Credit) 보장	시간 독점권(Time Slot) 보장
격리 수준	불완전: 이미 전송 중인 저순위 패킷은 막지 못함 (Head-of-Line Blocking 발생).	완벽: 정해진 시간이 되면 저순위 트래픽 전송을 물리적으로 차단.
예측 가능성	상대적: 지연 시간의 상한선이 불명확.	절대적: 최대 지연 시간이 사이클 타임 내로 명확하게 보장됨 (Deterministic).
안정성 (Jitter)	상대적으로 변동 폭이 큼.	변동 폭이 극도로 작고 일정함.

결론적으로 CBS는 Best-Effort보다는 월등히 좋지만, 엄격한 실시간성을 요구하는 제어 시스템에서는 TAS의 완벽한 격리와 예측 가능성이 필수적임.

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차량용 네트워크 기술 심층 분석: KETI 발표 자료 기반

1. 전통적 차량용 네트워크: CAN과 MOST

가. CAN (Controller Area Network)

• 기본 원리: 모든 노드(ECU)가 하나의 버스(Bus)를 공유하는 ‘마을 회관 방송’ 방식.
• 물리 계층: CAN HI와 CAN LO 두 선의 전압 차이를 이용하는 차동 신호 방식을 사용해 노이즈에 매우 강함. 논리적 ‘0’(Dominant)과 ‘1’(Recessive)을 물리적 전압 상태로 표현.
• 중재 방식 (CSMA/CD+AMP): 여러 노드가 동시에 전송을 시작하면, 더 낮은 ID(더 높은 우선순위)를 가진 노드가 버스 점유권을 획득. 우선순위가 낮은 노드는 즉시 전송을 중단하고 수신 모드로 전환하여 충돌 없이 중요한 메시지 전송을 보장.
• CAN FD (Flexible Data-rate): Bosch가 개선한 버전. 중재 구간(Arbitration Phase)은 기존 CAN 속도로 천천히, 데이터 구간(Data Phase)만 매우 빠르게 전송하고, 최대 데이터 길이를 8바이트에서 64바이트로 확장하여 통신 효율을 극대화함.

나. MOST (Media Oriented Systems Transport)

• 기본 원리: 모든 노드가 하나의 고리(Ring) 형태로 연결되어 데이터가 한 방향으로 순환하는 방식.
• 동기화: Timing Master가 기준 클럭(Clock)을 생성하면, 나머지 Timing Slave들이 PLL 회로를 통해 이 클럭에 동기화하여 질서정연한 통신을 유지.
• 전송 방식: 순환하는 거대한 프레임(Super-frame) 내에 각자 할당된 타임슬롯(Time Slot)에 데이터를 싣거나 내리는 방식으로 동작. 주로 인포테인먼트 데이터 전송에 사용됨.

2. 차세대 차량용 이더넷: 10BASE-T1S와 PLCA

가. 10BASE-T1S의 버스 구조

• 토폴로지: 하나의 단일 연선(Single Twisted Pair) 케이블에 여러 노드가 연결되는 멀티드롭 버스(Multi-drop Bus) 구조.
• 장점: 배선 비용과 무게를 획기적으로 줄일 수 있음.
• 단점: 물리적으로 하나의 채널을 공유하므로 신호 충돌(Collision)의 위험이 내재됨.

나. PLCA (Physical Layer Collision Avoidance)

PLCA는 10BASE-T1S 버스 구조의 ‘충돌’ 문제를 해결하기 위한 교통정리 프로토콜.

• 동작 원리:
  1. 코디네이터 (노드 0): 버스의 마스터 역할을 하는 노드 0이 일정한 주기로 BEACON 신호를 전송하여 통신 사이클의 시작을 알림.
  2. 전송 기회 (Transmit Opportunity, TO): BEACON을 수신한 모든 노드는 약속된 순서(Round-robin)에 따라 자신의 전송 차례를 인지하고, 해당 TO 동안 데이터를 전송함.
  3. 충돌 회피: 모든 노드가 정해진 자기 차례에만 전송하므로, 두 노드가 동시에 전송하는 상황이 원천적으로 발생하지 않아 충돌이 ‘회피’됨.

다. PLCA 관련 심층 논의

• 노드 0의 부재: 만약 코디네이터인 노드 0이 고장 나면 BEACON이 생성되지 않으므로, 전체 버스 통신이 중단됨. 이는 PLCA의 단일 장애점(Single Point of Failure)이며, 시스템 레벨의 이중화 설계로 보완해야 함.
• ‘기다림’ vs ‘빈 데이터 전송’: 노드가 자신의 차례(TO)에 보낼 데이터가 없을 때, ‘빈 프레임(Null Frame)’을 보내는 대신 ‘침묵(Silence)’하는 방식을 사용. 이는 아래와 같은 명백한 이점을 가짐.

구분	빈 프레임 전송	침묵 (Silence)
물리적 행위	신호 전송 (Active)	신호 없음 (Idle)
에너지 소모	높음 (전력 소모)	매우 낮음 (저전력)
버스 상태	점유 (Busy)	비점유 (Idle)
하드웨어 부하	모든 노드에서 불필요한 송/수신 처리 발생	부하 없음

• 최대 8개 노드 제약: 10BASE-T1S가 최대 8개 노드를 권장하는 이유는 다음과 같음.
  1. 물리적 한계: 노드 수가 늘어날수록 연결 지점에서의 신호 반사 및 감쇠가 심해져 통신 품질이 저하됨.
  2. 성능 한계: 노드 수가 많아지면 한 사이클을 도는 데 걸리는 시간이 길어져 최대 지연 시간(Latency)이 증가하고, 실시간성을 만족하기 어려워짐.

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기술적 아이디어 및 특허 가능성 탐구

PoDL 환경에서의 Keep-Alive를 위한 빈 프레임 전송

• 아이디어: PoDL(Power over Data Lines)로 전력을 공급받는 저전력 센서의 안정적인 전력 공급 및 연결 상태 확인을 위해, 버스가 오랫동안 유휴(Idle) 상태일 때 주기적으로 ‘빈 프레임(Null Frame)’을 전송하는 기술.
• 특허 가능성:
  • 신규성/진보성: 단순히 ‘빈 프레임을 보낸다’는 것만으로는 부족할 수 있으나, “PoDL 환경에서”, “저전력 장치의 안정성을 위해”, “특정 조건 하에서(예: 유휴 시간 임계값 초과 시)”, “미리 정의된 형식의 프레임을 전송” 하는 구체적인 방법 및 시스템으로 구성하면 기존 기술과 차별화되어 특허 요건을 만족할 가능성이 있음. 기존 기술의 단점(대역폭 낭비)을 특정 목적(전력 유지)을 위해 역발상으로 활용했다는 점에서 진보성을 주장할 수 있음.
• 기술적 고려사항:
  • 장점: 전력 공급 안정화, 연결 상태 확인(Keep-alive).
  • 단점: 에너지 효율 저하, 대역폭 낭비, PLCA와 같은 스케줄링 프로토콜과의 충돌 문제.
  • 구체화: 누가(마스터/슬레이브), 언제(주기/이벤트 기반), 어떤 프레임을 보낼지에 대한 정교한 제어 로직 설계가 필요함.