IEEE 802.1Qbu — TSN 스택의 Frame Preemption 표준. IEEE 802.3br과 쌍을 이루며, Data Link 계층의 큐·우선순위 관리(Qbu)와 MAC/PHY 계층의 조각 전송 메커니즘(802.3br)을 함께 표준화한다. 목표는 시간 임계 스트림의 지연 감소 — 전송 중인 Ethernet 프레임을 중단하고 높은 우선순위 프레임을 먼저 보낸 뒤 이어 전송함으로써 TAS의 Guard Band를 대폭 단축한다.
등장 배경
TAS (802.1Qbv)의 Guard Band 문제:
- Ethernet 최대 프레임 1518 byte 전송 시간만큼의 Guard Band 확보 필요.
- Guard Band 동안 대역폭 낭비 — 실시간 데이터 전송 개시 대기.
Preemption은 전송 중인 비-실시간 프레임을 강제 중단시킬 수 있으므로, Guard Band를 “중단 가능한 최소 단위” 로 축소 가능.
Guard Band 단축 효과
| 항목 | Qbv 단독 | Qbv + Qbu Preemption |
|---|---|---|
| 중단 단위 | 전체 프레임 (1518 byte) 완료 | 최소 128 byte 조각 단위 중단 |
| Guard Band 크기 | 1518 byte 전송 시간 | 128 byte 전송 시간 |
| 비-실시간 활용도 | Guard Band 진입 시점까지만 | Guard Band 직전까지 최대한 활용 |
| 중단 프레임 처리 | 불가 | 재개(Resume) 가능 |
- 중단 가능한 최소 프레임 크기 = 128 byte (Preemption 단위의 하한).
- Preempted 프레임은 고우선순위 프레임 전송 완료 후 이어서 전송.
eMAC / pMAC 구조
Qbu는 MAC 계층에 두 개의 MAC을 도입:
| MAC | 용도 |
|---|---|
| eMAC (express MAC) | 고우선순위(Express) 프레임 처리 — preempting 주체 |
| pMAC (preemptable MAC) | 저우선순위(Preemptable) 프레임 처리 — preempt 대상 |
- eMAC 프레임은 중단 불가, pMAC 프레임은 중단 가능.
- 큐 구조: 기존 단일 MAC → eMAC + pMAC 이중 구조 (Non-Preemption Queue Structure vs Preemption Queue Structure).
Preemption Packet Format
표준 MAC Frame 구조:
| Preamble (7) | SFD (1) | MAC DA (6) | MAC SA (6) | EtherType (2) | Data | FCS (4) |Qbu는 SFD (Start Frame Delimiter) 를 SMD (Start mPacket Delimiter) 로 확장하여 프레임 유형을 구분.
SMD 종류
| 구분 | 의미 |
|---|---|
| SMD-E (Express) | 중단 불가한 Express mPacket |
| SMD-Sx (Start) | 조각화된 프레임의 첫 조각 (Start Fragment) |
| SMD-Cx (Continuation) | 조각화된 프레임의 이어지는 조각 (Continuation Fragment) |
조각 프레임 구조
한 개의 긴 pMAC 프레임이 Preemption을 겪으면:
- Non-fragmented — 중단되지 않은 일반 프레임 (완전 전송).
- Fragmented (첫 조각) — SMD-Sx + Data + MCRC.
- Intermediate — SMD-Cx + Data + MCRC.
- Last Fragment — SMD-Cx + Data + FCS (원본 프레임의 최종 FCS).
MCRC
MCRC = CRC of non-final fragment — 중단된 조각의 무결성을 보장하는 CRC.
- 원본 FCS와 XOR 0xFFFF0000 값이 동일.
- 이 XOR 패턴으로 “이 프레임이 Preempt 되었다” 를 수신측이 식별.
- 마지막 조각에서는 일반 FCS로 복귀 — 원본 프레임 전체의 무결성 확인 가능.
- 각 조각의 Payload(DATA + CRC) 크기는 최소 패킷 크기 이상이어야 함.
Qbv without vs with Preemption
TAS 단독과 TAS + Preemption의 비교:
Qbv without Preemption
- Qbv 표준은 Guard Band 내에 비-실시간 프레임 전송을 허용하되, Guard Band 종료 전에 완료되어야 함.
- 이 제약으로 Guard Band의 활용도가 크게 제한.
Qbv with Preemption
- Guard Band 시작 직전까지 비-실시간 프레임을 최대한 전송 가능.
- Preempt된 프레임은 큐 재개 시 이어서 전송.
- 비-실시간 대역폭 활용 극대화 + 실시간 프레임 결정성 유지.
Cut-Through + Preemption
Bridge의 Store & Forward 지연이 Qbv + Cut-Through에서는 제거됨 (see IEEE 802.1Qbv). Preemption은 여기에 Guard Band 축소를 보태어 전체 End-to-End 지연을 추가로 낮춤.
- Qbv 단독: 프레임 크기 + S&F 지연 (출력 대기 없음 전제)
- Qbv + Preemption: Guard Band 진입 시점까지 비-실시간 프레임이 유지 → 더 높은 링크 이용률
802.3br와의 관계
- IEEE 802.1Qbu — Data Link 계층의 큐·우선순위·스케줄링.
- IEEE 802.3br — MAC/PHY 계층의 프레임 조각 전송·SMD·MCRC 포맷 정의.
- 두 표준은 함께 구현되어야 Preemption이 동작. 차량용 802.3 PHY에서도 802.3br 요건이 반영됨.