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[스위칭 및 라우팅] Gated 스케줄링 기능이 있는 TSN을 위한 Controlled Delay Active Queue Management방식의 성능 분석 및 구현
손명환(Myeonghwan Son),윤종호(Chongho Yoon),김진욱(Jin-uk Kim),박부식(Pusik Park) 대한전자공학회 2019 전자공학회논문지 Vol.56 No.4
최근 항공, 차량, 제조, 로봇 등과 같은 산업분야에 있어서 실시간 네트워킹 기술의 필요성과 요구사항이 증대되고 있다. 그리고 이에 따라 이더넷을 기반으로 한 시간 민감형 네트워킹 기술인 Time Sensitive Networking (TSN)이 주목받으며 관련 연구와 표준화가 진행되고 있다. 본 논문에서는 TSN의 비동기 트래픽의 대기열에서 발생하는 Bufferbloat를 해결하기 위해서 TSN의 Gated 스케줄링과 CoDel AQM 기법을 결합하여 Gated CoDel AQM을 구성한다. 이어 TSN의 Gated 스케줄링에 의한 Gated CoDel AQM의 문제점을 제시하고, 이를 개선시킨 Gate Adaptive CoDel AQM 기법을 새롭게 제안한다. 제안된 방법은 Gated 스케줄러의 비폐쇄 구간에서만 흐르는 가상 시간 흐름을 사용하여 CoDel AQM의 알고리즘을 동작 시키는 방식을 통해 Gated 스케줄링의 영향을 최소화 한다. 제안된 방법의 성능을 평가하기 위해 네트워크 시뮬레이터를 사용하여 기존의 CoDel AQM과 Gated CoDel AQM, 그리고 Gate Adaptive CoDel AQM에 동일한TCP 혼잡 상황을 적용한 모의 실험을 통해 Goodput, 패킷 폐기율, 링크 사용률 등의 성능을 비교 분석하였다. 또한 TSN을 위한 Gated 스케줄링과 제안된 AQM을 지원하기 위한 3포트 이더넷 스위치 모듈을 XMOS 프로세서 아키텍처 기반으로 설계하고 동작을 검증하였다. Today, there has been a growing demand for real-time network technologies in industrial fields such as automobiles, manufacturing, and robots. Accordingly, Time Sensitive Networking (TSN) technology based on Ethernet technology has attracted attention. In this paper, we analyze the negative effects of using the legacy CoDel AQM scheme to mitigate the problem of asynchronous traffic buffered in the Gated scheduling environment of TSN. next, we point out the problem of Gated CoDel AQM by Gated scheduling of TSN and propose a new Gate Adaptive CoDel AQM method which improves it. The proposed method minimizes the effect of Gated scheduling by operating the CoDel AQM algorithm using the virtual time flow only in the non-blocking period of the Gated scheduler. In order to evaluate the performance of the proposed method, we compare the performance of Goodput, packet dropping rate, link utilization, etc. through simulations using the same TCP congestion situation in the existing CoDel AQM, Gated CoDel AQM and Gate Adaptive CoDel AQM using a network simulator. And Based on XMOS processor architecture, Gated scheduling for TSN and 3-port Ethernet Switch module for supporting AQM are designed and verified.
동적 레인 제어방식을 적용한 에너지 절감형 광 이더넷 시스템의 성능분석
서인수(Insoo Seo),양충열(Choong-reol Yang),윤종호(Chongho Yoon) 대한전자공학회 2012 전자공학회논문지 Vol.49 No.11
본 논문에서는 광 이더넷 시스템에 대하여 상용 광 트랜시버 모듈의 사용이 가능하면서도 에너지 절감기능을 제공할 수 있도록 트래픽 예측모듈을 사용하는 동적 레인제어방식을 제안한다. 40/100Gbps급 상용 광 트랜시버는 4개 또는 10개의 광 트랜시버를 사용하는데 이들 각각은 트래픽 부하와 상관없이 항상 켜져 있어 많은 에너지를 소모한다. 이러한 에너지 소모를 감소시키기 위하여 제안된 동적 레인제어방식은 부하에 따라 일부 레인의 트랜시버를 끄고 나머지 활성화된 레인으로만 프레임을 처리하도록 한다. 이때 레인의 갯수가 변동될 때 발생할 수 있는 바이트 전송순서 어긋남을 보완하기 위하여 새로운 전송율 제어모듈을 xGMII 인터페이스 상위에 위치한 정합부계층에 설치하는 것을 제안하였다. 이것은 비활성화된 레인상으로 가상적인 바이트열을 삽입하는 기능을 수행하는 것으로써 이 바이트열들은 비활성화된 PMD에서 무시된다. 실제 이 모듈의 구현은 PHY모듈과 별개로 동작하므로 상용 PHY모듈의 사용이 가능한 장점을 제공한다. 이러한 시스템에서 변동되는 부하에 적응하여 활성화된 레인의 갯수를 결정하는 것이 중요하므로 구현관점에서 용이한 트래픽 예측기를 제시하였다. 이것은 주기적으로 샘플링된 현재의 송신버퍼크기와 지금까지 사용되었던 버퍼크기 예측값에 서로 다른 가중치를 부여하여 변화하는 트래픽에 적응하도록 한다. 이러한 시스템에 대하여 OMNET++기반의 시뮬레이터를 구현하여 적응정도와 에너지 절감효과를 분석하였다. In this paper, we propose a dynamic lane control scheme with a traffic predictor module and a rate controller for reconciling with commercial optical PHY modules in energy efficient optical Ethernet systems. The commercial high speed optical Ethernet system capable of 40/100Gbps employs 4 or 10 multiple optical transceivers over WDM or multiple optical links. Each of the transceivers is always turned on even if the link is idle. To save energy, we propose the dynamic lane control scheme. It allows that several links may be entirely turned off in a low traffic load and frames are handled on the remaining active links. To preserve the byte order even if the number of active links may be changed, we propose a rate controller to be sat on the reconciliation sublayer. The main role of the controller is to insert null byte streams into the xGMII of inactive lanes. For the PHY module, the null input streams corresponding to inactive lanes will be disregarded on inactive PMDs. It is very handy to implement the rate controller module with MAC in FPGA without any modification of commercial PHYs. It is very crucial to determine the number of active links based on the fluctuated traffic load, we provide a simple traffic predictor based on both the current transmission buffer size and the past one with different weighting factors for adapting to the traffic load fluctuation. Using the OMNET++ simulation framework, we provide several performance results in terms of the energy consumption.
TSN 환경에서 효율적인 F/M 기반 gated adaptive CoDel 알고리즘
김현수(Hyunsoo Kim),이재훈(Jaehwoon Lee),윤종호(Chongho Yoon) 대한전자공학회 2020 전자공학회논문지 Vol.57 No.9
Time-Sensitive Network(TSN)은 시간-동기를 제공하는 이더넷 환경에서 시간-민감 트래픽에 대한 확정정 서비스를 제공하는 기술이다. 이 논문에서는 TSN 환경에서 시간-민감 트래픽이 전송되지 않는 기간에 시간에 민감하지 않은 비동기 트래픽을 포함하는 비동기 패킷을 전송하고, 만일 비동기 패킷을 전송하기에 시간이 부족한 경우에는 비동기 패킷을 단편화하여 전송한 후 단편화된 조각들을 병합하여 전송하는 fragmentation/merge(F/M) 기반 gated adaptive CoDel 기법을 제안한다. 제안된 기법을 OMNet++ 기반의 모의실험기를 이용하여 성능을 분석하였으며, 제안된 기법이 기존 기법에 비해서 좋은 성능을 제공한다는 것을 확인하였다. Time-Sensitive Network (TSN) is the technology that provides the deterministic service for time-sensitive traffic in an Ethernet environment providing time-synchronization. In this paper, we propose an fragmentation/merge (F/M)-based gated adaptive CoDel mechanism in TSN environment. Here, asynchronous packets containing non-time-sensitive asynchronous traffic can be transmitted in a period during which time-sensitive traffic is not transmitted. If there is no enough time to transmit asynchronous packet, then the asynchronous packet is fragmented and merged. The proposed method in this paper is analyzed with the OMNet++ based network simulator and the numerical results show that the proposed method provides the superior performance compared to the existing protocol.