IEEE 802.1Qbv — TSN 스택의 Time Aware Shaper(TAS) 표준. 네트워크 경로상 모든 스위치에 시간 예약을 걸어, 정해진 주기마다 실시간 프레임이 간섭 없이 즉시 전송되도록 보장한다. AVB Gen1 CBS가 확률적 셰이핑이었다면 Qbv는 결정론적 스케줄링.
주요 개념
Time-Gated Queues
각 출력 포트의 큐마다 Gate(G)를 배치. Gate는 Open / Closed 두 상태를 가지며 시간 스케줄에 따라 전환.
- 주기적으로 반복되는 시간 스케줄을 사전 프로그래밍.
- 시간 동기화 필수 — 네트워크 전체가 IEEE 802.1AS gPTP로 동기.
- Gate가 Open인 큐만 송출 대상으로 Transmission Selection에 참여.
Bridge Queue 시간 기반 제어
- Bridge 내부의 큐를 시간 기반으로 제어·프로그래밍.
- 정해진 주기마다 실시간 데이터 전송 보장.
- 실시간 데이터 전송 구간에서는 다른(비실시간) 데이터 전송을 허용하지 않음.
- 예약된 시간에 실시간 데이터가 즉시 전송 가능하도록 큐를 비워둠.
산업용 네트워크 전통
동일한 접근이 EtherCAT, PROFINET 등 산업용 실시간 Ethernet에서 이미 활용되던 패턴. 주기적 제어 데이터를 위해 특정 시간대에는 타 데이터 전송 금지.
Guard Band 문제
Ethernet은 전송 중 프레임을 중단할 수 없으므로, Qbv 가드 구간 직전에 들어온 비-실시간 프레임이 예약된 시간까지 겹칠 위험이 있음.
- Ethernet 최대 프레임: 1518 bytes.
- 이전에 전송 중인 비-실시간 프레임이 있으면 완료 후에야 실시간 프레임 전송 가능.
- 이를 방지하려면 실시간 통신 시작 전, Ethernet 최대 프레임 전송 시간만큼의 Guard Band(전송 금지 구간) 확보.
Guard Band는 실시간 프레임의 지연을 확실히 막는 대신 대역폭 낭비를 초래 → Frame Preemption으로 단축하는 방향이 후속 표준화의 동기.
CBS (Qav) vs TAS (Qbv)
| 특성 | CBS (802.1Qav) | TAS (802.1Qbv) |
|---|---|---|
| 목표 | 멀티미디어 프레임을 정해진 시간 내 송수신 | 실시간 프레임의 결정론적 전송 보장 |
| 전송 보장 방식 | Credit 기반 확률적 셰이핑 | 시간 예약 + Gate Open/Closed |
| 실시간 데이터 보장 | 불가 | 가능 |
| 비-실시간 간섭 | 큰 비-AVB 프레임이 Class A 지연 유발 가능 | 예약 시간대에는 비-실시간 전송 금지 |
| 대기 시 동작 | Credit 증가 (idleSlope) | Gate Open 시점까지 대기 — 즉시 송출 |
| 주요 용도 | Infotainment (오디오·영상) | ADAS, Control application |
Qav는 AVB에, Qbv는 TSN에 속한다.
Timing Diagram 해석
두 셰이퍼의 타이밍 차이:
CBS (Qav) 동작
- AVB Credit이 증가·감소를 반복.
- BE (Best Effort) Frame과 AVB Frame의 전송을 Credit 값이 결정.
- 큰 BE 프레임이 전송 중이면 AVB Class A는 대기 → Credit은 idleSlope로 증가.
TAS (Qbv) 동작
- TT window 기간 동안 Time-Triggered Frame 전송.
- TT window 외부에서는 BE/AVB 프레임이 Credit 규칙에 따라 전송.
- TT window 진입 전 Time-Aware Shaper가 switch off되어 TT 외 데이터는 전송 금지.
- TT 프레임은 지연되지 않음.
- AVB 프레임은 TT window 동안 지연될 수 있으나, Credit이 증가해 이후 연속 전송으로 보상.
스케줄 예시
t_{0-rb} = 0.00 # 시간 기준 시작점
t_0 = 1000 # 사이클당 주기
t_oud = 0111 # 출력 마스크 (큐 개방 패턴)사이클마다 반복:
- Block non-Time Critical Data — 비-실시간 큐 Gate Closed.
- Time Critical Queue is Open — 실시간 큐 Gate Open, TT 프레임 송출.
- Time Critical Data is Done — 전송 완료 후 비-실시간 큐 Gate 복귀.
Cut-Through + Qbv (Synchronous Cut-Through)
Qbv 단독만으로는 Store & Forward 지연이 남아있다. Bridge가 프레임을 완전히 수신한 후에야 다음 홉으로 송출하기 때문.
Store & Forward 지연 vs Cut-Through
| 방식 | 동작 | 지연 |
|---|---|---|
| Store & Forward | 프레임 전체 수신 → CRC 검사 → 송출 | 프레임 크기 + S&F 처리 지연 |
| Cut-Through | 목적 MAC 주소만 읽어 즉시 송출 시작 (전체 수신 전) | Cut-Through 지연만 |
Cut-Through + Qbv
Qbv가 출력 포트의 Idle 상태를 보장하므로, Cut-Through와 결합 시:
- Bridge에서 최저 지연 달성 (first bit in → first bit out).
- Qbv로 간섭 프레임 없음 보장 → Cut-Through의 주요 제약(출력 포트가 비어 있어야 함)이 항상 충족.
- 한계: CRC 검사 생략 — 상위 계층에서 무결성 확보 필요.
- 한계: 프레임 크기를 증가시키는 변형 불가 (VLAN tag 추가 등).
산업용 Ethernet에서 스위치 간 고속 전달을 위해 널리 사용되는 기술을 TSN에 결합한 형태.
결정론 보장의 효과
- Deterministic arrival of packets — 시간 임계 데이터가 규칙적 주기 간격으로 전송.
- 네트워크의 모든 egress 포트가 스케줄되어 반복 사이클을 따름.
- 각 포트의 큐에 시간 게이트 배치, 사전 프로그래밍된 시점에 개폐.
- 저우선순위 큐를 차단하여 고우선순위 트래픽 통과 보장.
- 스트림의 최저 가능 지연을 항시 제공.