[논문 리뷰] A Simulation Environment and preliminary evaluation for Automotive CAN-Ethernet AVB Networks

Keigo Kawahara, Y. Matsubara외 1명|arXiv (Cornell University)|2014. 09. 03.

Network Time Synchronization Technologies참고 문헌 2인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 자동차 CAN-Ethernet AVB 네트워크를 위한 OMNeT++ 기반 시뮬레이션 환경을 제시하며, AVB 큐에서 CAN 메시지를 우선순위 처리하는 스케줄링 알고리즘을 갖춘 CAN-Ethernet AVB 게이트웨이 모델을 포함한다. 주요 결과는 AVB의 대역폭 보장 메커니즘 덕분에 CAN 메시지의 지연 시간이 최소화되고 경계가 정해지며, 고밀도 트래픽 상황에서 베스트 에프터 큐잉보다 우수한 성능을 보임을 보여준다.

ABSTRACT

Ethernet is being considered as the backbone network protocol for next-generation automotive control networks. In such networks, Controller Area Network (CAN) messages related to automotive control can be sent from a CAN network to other sub-networks via the backbone Ethernet bus and, if the CAN messages have real-time constraints, these have to be guaranteed. This paper presents a simulation environment for CAN--Ethernet Audio Video Bridging (AVB) mixed networks based on OMNeT++. We use Ethernet AVB, which can guarantee network bandwidth, to improve the real-time property of CAN messages through the backbone Ethernet bus. To simulate the networks, we also developed a CAN--Ethernet AVB gateway (GW) model. To verify the efficacy of our model, we measured the latency of CAN messages sent from a CAN bus to an Ethernet AVB node via the backbone Ethernet AVB bus in both bandwidth-guaranteed and best-effort queue scenarios. The results indicate that the latency of Ethernet AVB frames containing CAN messages is minimized and limited by the bandwidth-guaranteed mechanism of Ethernet AVB.

연구 동기 및 목표

• 실시간, 고대역폭 자동차 네트워크의 증가하는 수요를 충족시키기 위해 CAN과 이더넷 AVB 프로토콜을 통합하고자 한다.
• 혼합 CAN-Ethernet AVB 네트워크를 평가하기 위해 실시간 성능을 분석할 수 있는 시뮬레이션 환경을 개발하고자 한다.
• 시간적으로 민감한 CAN 메시지를 우선순위 처리하는 스케줄링 알고리즘을 갖춘 CAN-Ethernet AVB 게이트웨이 모델을 설계하고 구현하고자 한다.
• 보장된 대역폭(AVB) 및 베스트 에프터 큐잉 시나리오에서 CAN 메시지의 지연 시간 성능을 평가하고자 한다.
• AVB의 대역폭 보장 메커니즘이 CAN 메시지 지연 시간을 최소화하고 제한하는 데 효과적인지를 입증하고자 한다.

제안 방법

• CoRE4INET에서 제공하는 이더넷 AVB 스위치 및 노드에 대한 오픈소스 모델을 통합하여, OMNeT++ 및 INET 프레임워크를 사용해 시뮬레이션 환경을 구축하였다.
• CAN 메시지를 FIFO 순서로 큐잉하고 주기적으로 이더넷 프레임에 패킹하는 CAN–이더넷 AVB 게이트웨이 모델을 구현하였다.
• 이더넷 AVB 프레임에 CAN 메시지가 포함된 경우 AVB 큐로 라우팅하고, 비-CAN 이더넷 프레임은 베스트 에프터 큐를 통해 전송하는 스케줄링 알고리즘을 설계하였다.
• 이더넷 AVB의 트래픽 샤피닝 및 우선순위 기반 큐잉을 활용하여 시간적으로 민감한 CAN 메시지의 대역폭 보장을 확보하였다.
• 1-Mbps CAN 버스, 100-Mbps 이더넷 AVB 백본, AVB 기능을 갖춘 스위치 및 노드를 포함한 프로토타입 네트워크를 시뮬레이션하였다.
• 정상 및 교란 네트워크 조건 하에서 CAN 송신기에서 이더넷 AVB 수신기까지의 엔드 투 엔드 지연 시간을 측정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 OMNeT++를 사용하여 혼합 CAN-Ethernet AVB 자동차 네트워크를 위한 시뮬레이션 환경을 효과적으로 구축할 수 있는가?
• RQ2 AVB 큐잉된 이더넷 프레임과 베스트 에프터 큐잉된 이더넷 프레임을 통해 전송된 CAN 메시지의 지연 시간은 어떻게 달라지는가?
• RQ3 AVB의 대역폭 보장 메커니즘이 혼합 네트워크에서 CAN 메시지 지연 시간을 얼마나 효과적으로 제한하고 최소화하는가?
• RQ4 고밀도 트래픽 조건, 예를 들어 교란 프레임이 발생할 경우, 베스트 에프터 큐잉과 AVB 큐잉에서 CAN 메시지의 지연 시간은 어떻게 영향을 받는가?
• RQ5 CAN-Ether넷 AVB 게이트웨이 모델이 지능적인 큐잉을 통해 CAN 메시지에 실시간 제약 조건을 효과적으로 적용할 수 있는가?

주요 결과

• 이더넷 AVB의 대역폭 보장 메커니즘 덕분에 AVB 큐를 통해 전송된 CAN 메시지의 지연 시간은 최소화되고 경계가 정해진다.
• 반면, 베스트 에프터 큐에 들어간 CAN 메시지는 특히 교란 프레임으로 인한 네트워크 혼잡 상황에서 상당히 높고 변동성이 큰 지연 시간을 경험한다.
• 제안된 스케줄링 알고리즘은 효과적으로 CAN 메시지를 AVB 큐에서 분리하여 예측 가능하고 낮은 지연 시간의 전달을 보장한다.
• 정상 조건에서는 AVB 큐를 통한 CAN 메시지가 일관되게 낮은 지연 시간과 최소한의 제트를 보이며, 우선순위 기반 큐잉 전략의 효과성을 확인한다.
• 1.47 KB의 교란 프레임이 1–25 μs 간격으로 전송되는 상황에서, 베스트 에프터 큐를 통한 CAN 메시지는 심각한 지연을 겪지만, AVB 큐를 통한 메시지는 안정적이고 경계가 정해진다.
• 시뮬레이션 결과는 AVB의 트래픽 샤피닝 및 우선순위 큐잉이 혼합 자동차 네트워크에서 CAN 메시지의 실시간 성능을 유지하는 데 필수적임을 확인한다.