IEEE 802.1Qbv 기반 차량 내부 네트워크에서 토폴로지 변화에 따른 시간 결정성 분석
Time Determinism Analysis under Topology Variations in IEEE 802.1Qbv-Based In-Vehicle Networks
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초록
최근, 차량 내부 네트워크(In-Vehicle Network, IVN)의 증가하는 센서 데이터와 복잡한 제어 요구를 충족시키기 위해 Time-Sensitive Networking(TSN)의 도입이 주목받고 있다. 특히 IEEE 802.1Qbv의 Time-Aware Shaper(TAS)는 시간 결정성을 확보하기 위한 핵심 기술로 평가된다. 그러나 TSN의 시간 결정성 성능은 네트워크 토폴로지의 영향을 크게 받기 때문에, IVN의 구조적 특성을 고려한 분석이 필요하다. 이에 본 논문은 IEEE 802.1Qbv 기반IVN 환경에서 토폴로지 변화가 시간 결정성에 미치는 영향을 규명하는 데 초점을 둔다. 이를 위해 Zonal Architecture를 고려한 Dumbbell 구조를 기본 토폴로지로 설정하고, 중앙 스위치에 Spoke 링크를 단계적으로 추가한 확장형 토폴로지를 설계한 뒤 OMNeT++ 및 NESTing 시뮬레이션을 수행하였다. 분석 결과, Spoke 링크가 증가할수록 트래픽 분산으로 인한 병목 완화가 발생하였고, 이에 따라 처리량 향상과 지연 및 패킷 지연 편차 감소가 확인되었다. 이를 통해, Zonal Architecture 기반 IVN에서 토폴로지 변화가 TAS의 시간 결정성에 직접적인 영향을 미친다는사실을 확인하였으며, 본 결과는 IVN 설계 시 토폴로지 선택에 참고할 수 있는 참조 데이터를 제공한다.
Abstract
Recently, Time-Sensitive Networking (TSN) has gained increasing attention as a promising solution to handle the growing sensor data and complex control demands in In-Vehicle Networks (IVN). In particular, the Time-Aware Shaper (TAS) defined in IEEE 802.1Qbv is regarded as a key mechanism for ensuring time determinism. However, TSN performance is highly affected by network topology, making topology-aware analysis essential for IVN design. This paper investigates the impact of topology variation on time determinism in an IEEE 802.1Qbv-based IVN environment. To this end, a baseline Dumbbell topology reflecting a Zonal Architecture was designed, and additional Spoke links were incrementally attached to the central switch. OMNeT++ and NESTing simulations were conducted to evaluate performance metrics. The results indicate that increasing the number of Spoke links mitigates central bottlenecks by distributing traffic, leading to higher throughput and reduced delay and packet delay variation. These findings confirm that topology configuration directly affects TAS-based time determinism and provide useful reference data for future IVN design.