i-avb(audio/video bridging) 프로토콜 분석 도구 설계kiise.or.kr/swcs/2013/data/1-2.pdf ·...
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Ethernet
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Ethernet 계층구조
PHY
MAC
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Networking Requirements in Vehicle
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AVB 출발점 1 (‘2003)
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AVB 출발점 2 : IEEE1394/Firewire
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IEEE802.3 Residential Ethernet
NEXT Generation AV Connector
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Networked Audio
-Audio=Low Jitter/Delay -Audio Distribution over Ethernet -방식
-L1 : EtherSound -L2 : CobraNet
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이더넷 기반 Audio분배 기술의 종류 •EtherSound •CobraNet •IEEE802.1 AVB
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Limited Delays in Home Recording Applications
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Need for Time Synchronization
• Left + Right Channels Synchronization
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AVB관련 프로토콜 스택
802.1av Forwarding and Queuing Enhancements for Time-Sensitive
Stream
AV프레임 전송기능 지원 및 남는 대역에서의 일반 프레임 전송 기능을 지원하는 traffic shaper기능
802.1as Timing and Synchronization for Time-
Sensitive Applications in Bridged LAN AV장치간 시간 동기화 기술
802.1at Stream Reservation Protocol 대역 예약 프로토콜
802.1ba AVB 브리지 및 단말이 갖추어야 할 기능 열거
IEEE 1722 AVB Transport Protocol AV스트림 전달을 위한
encapsulation기능
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802.1av : Periodic + Aperiodic Transport
MOST, Ethernet PowerLink, WiFi, Bluetooth, Fieldbus, ...
Ethernet PowerLink for Industrial Ethernet
MOST 기술
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AV용 MAC TX Fifo Scheduler with Traffic Shaper
Shaper using Credit : Limits X bytes in cycle n
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Ieee802.1av Credit based Traffic shaper
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Aircraft Full-duplex Ethernet (참고)
•AFDX •항공용 이더넷 기반 제어 통신망 기술 •A380에 채용됨. •실시간 지원기능
•전송주기를 결정하는Bandwidth Allocation Gap(BAG)에 의한 대역할당 •Token bucket을 사용하는 트래픽 폴리싱 지원
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IEEE802.1at Multiple Stream Reservation Protocol(mSRP)
Admission control을 통한 L2기반 대역예약 프로토콜 참고 : Multiple Registration
Protocol (MRP:802.1ak)
SRP의 구성요소 Multiple Registration Protocol (MRP:802.1ak) 의 응용인 MMRP , MVRP 와 이것의 3번째 응용으로 추가된 MSRP (35.1)로 구성됨.
MRP의 종류
Multiple MAC Registration Protocol (MMRP): • used to control the propagation of Talker registrations
Multiple VLAN Registration Protocol (MVRP) : • declare membership in a VLAN where a Stream is being sourced. This allows the Data Frame Priority (35.2.2.8.5(a)) to be propagated along the path from Talker
to Listener(s) in tagged frames. MSRP will not allow Streams to be established across Bridge Ports that are members of the untagged set (8.8.2) for the related VLAN ID.
Multiple Stream Registration Protocol (MSRP) : • signaling protocol that provides end stations with the ability to reserve network resources.
[참고] 802.1ak : Multiple Registration Protocol (MRP)
기존 2가지 MRP Applications MVRP : VLAN 등록 MMRP : Group MAC주소 등록 [SRP를 위해, MSRP가 세번째 MRP 응용으로 추가됨)
[참고] 이것은 기존 GVRP 및 GMRP를 대체함. (즉 GARP를 대체한 것이
MRP임)
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MSRP TSpec
Using a simple TSpec (Traffic Specification) Bandwidth in Kbytes/s Frame Rate in
frames/s
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MSRP 절차 1 : Registration Initiated by a Listener
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MSRP 절차 2 : Reservation
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MSRP : ACK
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[참고] 실패시
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IEEE802.1as : Time synchronization
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Jitter/영향
지터
이더넷 허브 출력 예
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Need for Time Syncrhonization
SUBMARINE SALVAGE OPERATION
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동기용 프로토콜 상호 연결된 시스템에서 클럭들 간에 마스터-슬레이브 관계를 정하고, 모든 클럭을 그랜드 마스터 클럭에 동기시키는 기술
IEC61158 Synchronous Ethernet Carrier급
IEEE1588 V1/V2/(V3) Hardware-assisted time sampling기능사용 Frequency 및 Time 동기
IEEE802.1AS • IEEE1588 Capability over multiple MAC(Ethernet,WLAN, EPON,)
RFC1305 Network Timing Protocol (NTP)
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PHY level Timestamping
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Cascaded될 경우 Jitter가 증가됨.
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IEEE1588 Ver.1 Synchronization기능 Symmetric link 가정
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IEEE1588 Ver.1 절차 Sync/FollowUp/DelayReq/DelayResp 메시지 사용
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IEEE1588 v2 추가된 기능
Transparent Clock(TC) 추가 Path Delay(PDelay) 측정기능 추가
이웃간 전파 지연시간 측정 802.1as에서 사용됨.
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구현 예 (1588 PTP v1)
Ethernet Switch경유시 직접 연결시
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[참고]1588 v1 패킷의 예
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IEEE 1722: AVB L2 Transport Protocol(AVB TP)
IEC 61883-1 ~-7[참고] 61883-2 (SD-DVCR) 61883-4 (MPEG2 Compressed Audio/Video) 61883-6 (Uncompressed Audio/Music) 61883-7 (Satellite TV MPEG) 61883-8 (Uncompressed Video) IIDC (Uncompressed Industrial Cameras)
[참고] IEC 61883 Consumer audio/video equipment - Digital interface is a technical standard for a digital interface that is used by IEEE 1394 (FireWire) de
vices for audio and video equipment.
IEEE1722.1 : Device Discover, Enumeration, Connection Management and Control Protocol for AVTP devices
기능 Encapsulation
• Raw, compressed audio format 표시 등
Latency Normalization using timestamp • Timing and Synchronization
Session Management • AVB stream ID 할당
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예: I2S Digital Audio의 수납절차
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P1722 : Latency Normalization기능
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P1722 : Latency Normalization기능
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IEEE802.1ba
AVB 요구사항 규격서 MSRP절차를 이용한 AVB stream설정 AVB domain탐색 (SRP 및 gPTP를 지원하는 영역) Payload size = 1500 byte Energy Efficient Ethernet 기능 지원
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IEEE802.1ba: Architecture of AVB networks
Non-AVB components : 배제함 Domain boundary의 감지방법
MSRP(Multiple Stream Registration Protocol)
gPTP(generalized precision time protocol)
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IEEE802.1ba: Latency Requirements
2가지 요구사항
2 ms for SR Class A : 7 hops of 100 Mb/s Ethernet with maximum
frame size of 1522 octets.
50ms : 802.11에 염두를 둠. 무선구간지연=20msec이므로, 2 hops
of 802.11n WiFi는 가변대역폭을 가지므로, … 6.6절 참조(6.6 Variable data rate LANs)
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IEEE802.1ba : Sync packet송신규격
송신주기: 1/8 ~1s 시간정밀도: 7 hops인 경우, 1usec이내
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관련 evaluation board XMOS - AVB Audio Endpoint Kit
• Stereo analog audio in/out via 3.5mm jack/RCA sockets • Up to 8 channels via I2S headers
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XMOS AVB System Description
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XMOS AVB Software Reference
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AVB Testbed
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Ether Tap의 구성
KSZ8051MLL
KSZ8051MLL KSZ8051MLL
LV244A
LV244A KSZ8051MLL HY
KSZ8051MLL KSZ8051MLL
LV244A
LV244A
KSZ8051MLL KSZ8051MLL
KSZ8051MLL KSZ8051MLL
LV244A
LV244A PHY PHY
PHY PHY
1:2 Fanout
1:2 Fanout
Tapper
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Protocol Analyzer(IEEE P1722)
IEEE 1722 AVBTP
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Protocol Analyzer(IEEE(IEEE802.1at)
IEEE 802.1 Qat
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Protocol Analyzer(IEEE(IEEE802.1as)
IEEE 802.1 AS
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AVB for Automotives
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Automotive Data Bus CAN
‘1987 1Mbps with CSMA/NDBA(Non-destructive bit-wise arbitration
) over 40m~1Km Short Message with 8bytes
LIN 19.2Kbps, Single wire
FlexRay < 10Mbps with TDMA Bus
MOST < 150Mbps with TDMA Ring
Ethernet : Low-cost, Field-Proven On-Board-Diag (OBD) AVB : AVNu Alliance참조 * AFDX (항공기용 데이터버스)
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CAN
messages
CAN_H
application
On-chip CAN
Controller
CPU
Bit stream
transceivertransceiver
CAN_L
2.5V3.5V
1.5V2.5V
0V3.3~5V
Embedded MCU
120R 120R
Terminator Resistor
Stand-alone CAN controller
CPUapplication
sensoractuator
motor
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LIN
Local Interconnect Network 19.2Kbps Single Wire UART format
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Issues Real Time Performance (QoS)
Guaranteed Bandwidth per Virtual Link Low Latency 802.1av can support.
Light-weight cabling BroadR-Reach : One pair cable with 100Mbps, OPEN(One Pair EtherNet) Alliance One pair cable with 1Gbps : Reduced Pair Gigabit Ethernet(RTPGE)
Reliability in Extreme Conditions -40°C to +125°C RSTP with quick recovery => it might need RSTP “quick “version (e.g. better timers). 802.1AS with quick [re-]synchronization 802.1Qat with quick stream [re-]reservation
Topology – Ring or Star? Star
Extended Life Times and Support silicon level life times of 30 years or more
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Ethernet for Automotives 1st phase :
On-board diagnostics (OBD)용
2nd phase : Entertainment/Suround View
3rd phase : Backbone network
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구성
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Gateway의 구성
Bosch/ETAS’s GW
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CAN-GW-Ethernet
계층구조
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Automotive Profile with AVB by AVnU Alliance 32 endpoints 7 switch hop 24m per link, e2e link = 30 m Cycle : 125 usec, 250 usec(classB) E2e delay : 100usec over 3 hops (general AVB=2 msec) Network Recovery < 100ms with Rapid STP Using small frame of 258 bytes
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ACK Frame 추가 사용 CAN은 Link계층 ACK기능이 있으므로, 이를 emulation하기 위하여
IEEE1722헤더에 subtype을 지정하여 사용.
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One Pair EtherNet (OPEN) 100Mbps
• 125Mbaud 66.6Mbaud : UTP사용 가능 10-10 BER over single pair cable with FDX
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AVB Gen 2 for Automotive Control
To be.. Ultra Low latency < 3usec/hop (GbE) ...
How to? Refine SRP(802.1at) and 802.1av Time-aware shaper Preemption Multipath/Redundant SRP Cut-through Time-Triggered...
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AUTOSAR with AVB
Communication HAL
Microcontroller Abstraction Layer(MCAL)
IO Drivers(ADC,PWM)
transceiverr
IEEE 1722
Socket Adapter
sensor actuator
802.1av, as, at
802.3 MAC
802.3 PHY
UDP, TCP, IP, ICMP
codecCAN LIN FlexRay/MOST
application
CommController
CPU
Eth driver I2s driver
APP
CAN Transport
Can driver Lin driver Fr driver
FlexRay Transport
PDU Router
Runtime Environment (RTE)
AUTOSAR COMDiagnostic
Communication Manager
Communication Manager
Communication Drivers Memory/Microcontoller Drivers
(Memory, WDT,..)I2c driver
Communication HALEth if Can if
Onboard Device/Memory HAL
I/O HAL
System/MemoryServices
Comm Services
One Pair Cable
AVB Gen2
(AUTomotive Open Software ARchitecture)
L o g o AVB 문제점
Recall
AV frame AV frame AV
frameAsync frame Async
frame
동기 구간 비동기 구간
cycle
(c) 가변길이의 AV 트래픽 전달방법
MAChdr Async frame Async
frame
동기 구간 비동기 구간
수퍼프레임 Cycle(125usec)
idleslot
idleslot
Async frame
(b) 고정된 길이의 AV 트래픽 전달방법
MAChdr
Asyn
c fra
me
Asyn
c fra
me
S idleslot S S idle
slot S S A idleslot A
AV fr
ame
(a) Ethernet over TDM slot기반
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A close look
AV frm Async frm AV frm AV frm AV frm Async frm
Cycle (125usec)
S
S
A
S
S
A
Sender Receiver
MAC MAC HOL blocking
Credit-based scheduler with separate buffers
AV frm
Delayed AV frame
sw sw sw S
A S
S A A
S
S
S
A
L o g o 802.1p Jitter:(Simulation Result)
AV 패킷의 시스템 지연 시간
(a)802.1P(ρS=0.1, ρA=0.1)
0 10000 20000 30000 40000 50000
10
12
14
16
18
20
22
24
26
28
30
T A (
usec
)
Time (usec)
0 10000 20000 30000 40000 50000
10
12
14
16
18
20
22
24
26
28
30
TA (
usec
)
Time (usec) 0 10000 20000 30000 40000 50000
10
15
20
25
30
T A (
usec
)
Time (usec)(b)802.1P(ρS=0.5, ρA=0.4) (a)Ideal (Zero Jitter)
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Hold, Fragmentation 방법
Hold
Fragmentation/Reassembly
동기 구간 동기 구간비동기프레임 #1
비동기 프레임 #2
동기 구간 동기 구간비동기 프레임 #1
비동기 프레임 #2
수퍼프레임
수퍼프레임 시작 지연
기존방식
Hold 방식
수퍼프레임
동기 구간비동기 프레임 #1
#2-2
동기 구간 동기 구간비동기 프레임 #1
비동기 프레임 #2
수퍼프레임시작 지연
기존방식
분할 방식
동기 구간#2-1
동기 구간축소
수퍼프레임 수퍼프레임
L o g o
To be ..
(a) Semi-QoS Scheme (b) Full-QoS Scheme with AVB Ethernet (TBD)
IP
GuaranteedDigital Pipe
AVQueue
Sync Ethernet
AsyncQueue
802.1p CoS pipe
IPIP
Expedited Flow
Classifier
802.1p pipe
IP
802.1p Ethernet
Flow Classifier
CoS SchedulerShaper/DropperMarker/ Meter
MPLS over Ethernet encap
Over-Provisioning,RSVP-TE,
Routing Protocols(OSPF, BGP)
Label Switching
Expedited Flow
SchedulerShaper/DropperMarker/ Meter
Link-layer Reservation protocolsSpanning Tree Protocols
MAC/VLANid Switching
Link
Lay
er
MPL
S la
yer
Flow
-bas
ed
IP la
yer
Flow
-bas
ed
IP la
yer
Link
Lay
er
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요약
AVB 기술 소개 Automotive bus 소개 Stay tune... AVNu : AVB Alliance AVB Gen.2 IEEE1588 v3(?) AutoSAR over Ethernet
Remind... 실제 기술 채용 회사는 자동차 조립 및 부품 제조회사임을 명심 자동차 제조사는 IT분야의 전문가 집단이 아님. IT관련 개발도구(IDE)/부품은 이들을 배려하여 개발/제공해야 함.
L o g o
또다른 응용분야 : Industrial Ethernet
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L o g o
FIN Thanks
Danke schön
Merci
Grazie