다중 CAN 네트워크를 위한 가상화 기술 및 시간 동기화 = Virtualization and Clock Synchronization for Multiple CAN Networks

국문 초록 (Abstract)

가상화 기술은 기존의 컴퓨터 자원을 추상화하여 제공함으로서 하나의 물리적인 머신에서 여러 개의 가상 머신을 운영할 수 있게 해주는 기술이다. 여러 가상 머신을 하나의 물리 머신에서 동작시킴으로써 얻을 수 있는 크기, 무게, 전력 관점에서의 이점으로 인해 분산 임베디드 시스템에서도 가상화를 적용시키려는 노력이 진행 중이다.
이에 본 논문에서는 다중 포트 CAN 디바이스 기반의 임베디드 네트워크 가상화를 위한 기법을 제안한다. 이는 비가상화 환경에서의 네트워크 특성을 온전히 반영하여 다양한 환경의 CAN 임베디드 시스템을 지원할 수 있다. 실험 환경에서 사용한 VirtualBox VMM의 오버헤드를 포함하여 비가상화 환경 대비 약 2.74배 증가된 통신 지연시간을 보인다. 이와 함께 산업 자동화 통합 개발 환경인 Beremiz를 적용하여 CAN 가상화의 실제 적용 가능성을 보인다.
또한 데이터의 손실을 막고 제어의 정확성을 높이기 위해서 가상화 환경에서 적용할 수 있는 CAN 기반의 시간 동기화 기법을 제안한다. 나노초 단위의 시간 동기화를 제공하는 IEEE 1588을 CAN의 네트워크 특성에 맞게 수정하여 적용한다. 이를 통해 정밀 제어 시스템을 가상화 했을 시 보다 정확한 통신을 제공할 수 있다. 추가적으로 가상 머신 간의 시간 동기화를 위한 구조들을 추출하고 시간 동기화 정확도를 비교한다. CAN을 위한 IEEE 1588의 정확도는 시간 동기화 구조에 따라 달라질 수 있음을 알 수 있다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Virtualization technology allows several virtual machines to run on a physical machine by virtualizing computing resources. Many researchers are recently trying to deploy the virtualization technology for distributed embedded systems aiming to reduce size, weight, and power.
In this paper, we provide embedded network I/O virtualization for multi-port CAN devices. It considers characteristics of CAN network in non-virtualization environments. Our experiments show that the overhead of CAN I/O virtualization is 2.74 times higher than that of non-virtualized environment.
In addition, we study the time synchronization over virtualized CAN network. The time synchronization helps more accurate communication in precise control systems. We analyze several feasible time synchronization structures for a CAN-based virtualized environment and compare these quantitatively in terms of accuracy of time synchronization.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서론 1
• 제2장 관련연구 3
• 제1절 가상화 3
• 1. VirtualBox VMM 5
• 2. VirtualBox의 클럭 시스템 6
• 제2절 CAN(Controller Area Network) 7
• 1. CAN 특성 7
• 2. CAN 소프트웨어 스택 8
• 제3절 IEEE 1588(Precision Time Protocol) 9
• 제3장 CAN 버스 가상화 12
• 제1절 단일 포트 CAN 디바이스를 위한 CAN 가상화 12
• 제2절 다중 포트 CAN 디바이스를 위한 CAN 가상화 13
• 제3절 측정 결과 14
• 제4장 가상화 환경을 위한 시간 동기화 18
• 제1절 CAN을 위한 IEEE 1588 18
• 1. PTPd(Precision Time Protocol Daemon) 18
• 2. CAN Adapter 19
• 3. CAN 메시지 처리 20
• 4. 구현 및 적용 21
• 제2절 가상 머신 간의 시간 동기화 구조 비교 23
• 1. 시간 동기화 구조 24
• 2. 실험환경 26
• 3. 게스트 도메인과 호스트 도메인 간의 시간 동기화 27
• 4. 동기화 구조에 따른 정확도 28
• 제5장 결론 31
• 참고문헌 32
• 국문초록 36