i-AVB(Audio/Video Bridging) 프로토콜 분석 도구 설계kiise.or.kr/swcs/2013/data/1-2.pdf ·...

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윤종호 한국항공대 한국이더넷포럼 yoonch@kau.ac.kr

IEEE802.1 AVB: 차량용 AV Bridging기술

2013.1.17

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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

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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.

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또다른 응용분야 : Industrial Ethernet

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FIN Thanks

Danke schön

Merci

Grazie