제8장 Xenomai를 이용한 실시간 네트워킹

Xenomai의 네트워킹 개요

Xenomai는 실시간 애플리케이션 개발을 위한 프레임워크로, 특히 높은 성능과 정밀한 타이밍 요구사항을 가진 시스템에서 사용된다. 실시간 시스템에서 네트워킹은 매우 중요하며, 다양한 데이터 전송 프로토콜과 네트워킹 인터페이스를 통해 실시간 데이터를 신속하고 정확하게 전달하는 것이 필요하다.

Xenomai의 네트워킹 개요에서는 Xenomai가 네트워킹을 어떤 방식으로 처리하는지, 실시간 네트워킹의 기본 개념, 그리고 Xenomai가 제공하는 네트워킹 관련 기능들을 다룬다.

실시간 네트워킹의 기본 개념

실시간 네트워킹은 데이터 패킷이 예측 가능한 시간 안에 전달되는 것을 요구한다. 네트워크 성능은 대기 시간(latency), 지터(jitter), 패킷 손실(packet loss)과 같은 여러 요인에 의해 영향을 받을 수 있으며, 이런 요소들은 실시간 시스템에서 매우 중요한 성능 지표가 된다.

대기 시간 (Latency): 패킷이 출발지에서 목적지로 전달되는 데 걸리는 시간이다.
지터 (Jitter): 패킷 간의 도착 시간 변동이다. 패킷의 지터가 크면 예측 가능한 시간에 도착하지 않아 실시간 시스템의 성능이 저하될 수 있다.
패킷 손실 (Packet Loss): 전달 과정에서 데이터 패킷이 손실되는 것이다. 실시간 시스템에서는 패킷 손실이 최소화되어야 한다.

Xenomai의 실시간 네트워킹 지원

Xenomai는 실시간 특성을 유지하면서 네트워킹 작업을 수행하기 위해 다양한 기능과 서브시스템을 제공한다. 주요 특징들은 다음과 같다:

Dual-kernel 아키텍처: Linux 커널과 Xenomai의 실시간 커널이 함께 동작하여, 네트워킹 요청이 실시간 트래픽과 비실시간 트래픽으로 분류되고 처리될 수 있다.
RTnet: Xenomai는 RTnet이라는 실시간 네트워킹 스택을 통해 Ethernet 네트워킹을 지원한다. RTnet은 높은 성능과 낮은 지터를 제공하도록 설계되었다.
POSIX API 지원: Xenomai는 POSIX-compliant 네트워킹 API를 제공하여 기존의 네트워킹 코드를 쉽게 통합하고 실시간 환경에서 사용할 수 있도록 한다.

Dual-kernel 아키텍처의 네트워킹

Xenomai의 Dual-kernel 아키텍처는 네트워킹에 있어서도 중요한 역할을 한다. 실시간 커널(Xenomai)이 네트워크 트래픽을 처리하며, 이는 일반적인 비실시간 Linux 커널의 네트워킹 스택과 분리되어 동작한다. 이를 통해 실시간 성능을 보장할 수 있다.

실시간 트래픽 처리: 실시간 커널은 실시간 트래픽을 낮은 지연과 일정한 지터로 처리할 수 있는 자원을 우선적으로 할당받는다.
비실시간 트래픽 처리: 비실시간 트래픽은 일반적인 Linux 커널에서 처리되며, 실시간 트래픽의 영향을 최소화하도록 설계되었다.

RTnet의 역할

RTnet은 Xenomai의 실시간 네트워킹 스택으로, 주로 Ethernet 네트워크에서 실시간 통신을 가능하게 한다. RTnet은 다음과 같은 특징을 가지고 있다:

고성능 패킷 처리: 낮은 지연을 유지하며 높은 패킷 처리량을 보장한다.
정밀한 타이밍: 실시간 네트워크에서 필요한 정확한 타이밍을 제공한다.
다양한 프로토콜 지원: TCP/UDP/IP뿐만 아니라, 실시간 시스템에 최적화된 다양한 프로토콜을 지원한다.

실시간 네트워킹 프로토콜

실시간 네트워킹 환경에서는 TCP와 UDP와 같은 표준 네트워크 프로토콜 외에도, 일정한 시간 내에 데이터를 전달하기 위해 특수한 프로토콜이 사용된다. RTnet은 이를 지원하며, 실시간 애플리케이션의 요구사항에 맞는 네트워크 통신을 가능하게 한다.

TCP (Transmission Control Protocol): 연결 지향 프로토콜로, 높은 신뢰성과 순서 보장을 제공하지만, 실시간 성능에는 제한적일 수 있다.
UDP (User Datagram Protocol): 비연결형 프로토콜로, 낮은 지연을 제공하지만 패킷 손실에 대한 보장이 없다.
RTnet 프로토콜: 실시간 성능을 극대화하기 위한 특수 프로토콜로, 높은 정밀도와 낮은 지터를 제공한다.

RTnet의 설치와 설정

RTnet 설치

Xenomai와 함께 RTnet을 설치하려면, 먼저 Xenomai를 설치하고 설정하는 과정에서 RTnet 모듈을 포함해야 한다. 설치 과정은 다음과 같다:

Xenomai 다운로드: Xenomai의 최신 버전을 다운로드한다.
Xenomai 빌드 구성: configure 스크립트를 실행하여 Xenomai를 구성할 때, RTnet 모듈을 활성화한다. sh ./configure --enable-driver=rtnet
Xenomai 빌드 및 설치: make와 make install 명령을 사용하여 Xenomai를 빌드하고 설치한다. sh make sudo make install

RTnet 설정

RTnet을 설정하려면, 시스템이 RTnet 모듈을 로드하고 네트워크 인터페이스를 구성하도록 해야 한다. 다음은 기본적인 설정 과정이다:

RTnet 모듈 로드: RTnet 모듈을 로드한다. sh sudo modprobe rtnet
네트워크 인터페이스 구성: RTnet 인터페이스를 구성한다. 이는 일반적으로 Ethernet 네트워크 인터페이스를 실시간으로 설정하는 과정을 포함한다. 예를 들어, rtnet이라는 인터페이스를 설정하려면 다음과 같은 명령을 사용한다. sh sudo rtifconfig rteth0 addr <IP_ADDRESS>
네트워크 테스트: 설정이 완료되면 네트워크를 테스트한다. 간단한 핑 테스트를 통해 RTnet이 제대로 설정되었는지 확인할 수 있다. sh rtping <TARGET_IP>

실시간 애플리케이션에서의 RTnet 사용

이제 RTnet이 성공적으로 설치되고 설정되었으므로, 이를 이용한 실시간 애플리케이션을 개발할 수 있다. RTnet API를 사용하여 네트워크 통신을 수행하는 방법에 대한 예제를 살펴보겠다.

실시간 UDP 서버 예제

다음은 RTnet을 사용하여 간단한 UDP 서버를 구현하는 예제이다.

#include <stdio.h>
#include <errno.h>
#include <native/task.h>
#include <native/timer.h>
#include <rtdm/rtipc.h>
#include <rtnet.h>
#include <bsp.h>

#define PORT 12345

void udp_server(void *arg)
{
    int sock, ret;
    struct sockaddr_in server_addr, client_addr;
    char buffer[1024];
    socklen_t addr_len = sizeof(client_addr);

    // 소켓 생성
    sock = rt_dev_socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    if (sock < 0) {
        perror("rt_dev_socket");
        return;
    }

    // 서버 주소 설정
    memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));
    server_addr.sin_family = AF_INET;
    server_addr.sin_port = htons(PORT);
    server_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;

    // 소켓 바인딩
    ret = rt_dev_bind(sock, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr));
    if (ret < 0) {
        perror("rt_dev_bind");
        rt_dev_close(sock);
        return;
    }

    printf("UDP Server is listening on port %d\n", PORT);

    while (1) {
        // 데이터 수신
        ret = rt_dev_recvfrom(sock, buffer, sizeof(buffer), 0, (struct sockaddr *)&client_addr, &addr_len);
        if (ret < 0) {
            perror("rt_dev_recvfrom");
            break;
        }

        buffer[ret] = '\0';
        printf("Received: %s\n", buffer);

        // 클라이언트에게 응답
        const char *response = "Hello from RTnet server!";
        ret = rt_dev_sendto(sock, response, strlen(response), 0, (struct sockaddr *)&client_addr, addr_len);
        if (ret < 0) {
            perror("rt_dev_sendto");
            break;
        }
    }

    rt_dev_close(sock);
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    RT_TASK task;
    rt_task_create(&task, "udp_server", 0, 99, 0);
    rt_task_start(&task, &udp_server, NULL);

    // Wait for task to complete
    pause();
    return 0;
}

소켓 관련 신호의 처리

실시간 애플리케이션에서 신호 처리는 중요한 부분이다. 소켓 관련 작업 중 신호가 발생할 수 있으며, 이러한 신호는 적절히 처리하여 애플리케이션의 신뢰성을 높여야 한다.

void signal_handler(int signum)
{
    printf("Received signal %d\n", signum);
}

void setup_signal_handling()
{
    struct sigaction sa;
    sa.sa_handler = signal_handler;
    sigemptyset(&sa.sa_mask);
    sa.sa_flags = 0;

    if (sigaction(SIGINT, &sa, NULL) == -1) {
        perror("sigaction");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
}

UDP 클라이언트 예제

UDP 클라이언트는 서버와 통신하기 위해 다음과 같이 구현할 수 있다:

#include <stdio.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <native/task.h>
#include <native/timer.h>
#include <rtdm/rtipc.h>
#include <rtnet.h>
#include <bsp.h>

#define SERVER_IP "<SERVER_IP>"
#define PORT 12345

void udp_client(void *arg)
{
    int sock, ret;
    struct sockaddr_in server_addr;
    char buffer[1024] = "Hello from RTnet client!";

    // 소켓 생성
    sock = rt_dev_socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    if (sock < 0) {
        perror("rt_dev_socket");
        return;
    }

    // 서버 주소 설정
    memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));
    server_addr.sin_family = AF_INET;
    server_addr.sin_port = htons(PORT);
    server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(SERVER_IP);

    // 데이터 전송
    ret = rt_dev_sendto(sock, buffer, strlen(buffer), 0, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr));
    if (ret < 0) {
        perror("rt_dev_sendto");
        rt_dev_close(sock);
        return;
    }

    // 서버 응답 수신
    ret = rt_dev_recvfrom(sock, buffer, sizeof(buffer), 0, NULL, NULL);
    if (ret < 0) {
        perror("rt_dev_recvfrom");
    } else {
        buffer[ret] = '\0';
        printf("Received from server: %s\n", buffer);
    }

    rt_dev_close(sock);
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    RT_TASK task;
    rt_task_create(&task, "udp_client", 0, 99, 0);
    rt_task_start(&task, &udp_client, NULL);

    // Wait for task to complete
    pause();
    return 0;
}

결과 검증 및 성능 조정

네트워크 성능 측정 도구

RTnet을 사용하여 애플리케이션을 개발한 후, 성능을 검증하고 최적화해야 한다. 네트워크 성능을 측정하기 위한 다양한 도구와 방법이 있다:

rtping: 네트워크 대기 시간과 패킷 손실을 확인하는 데 사용한다.
iperf: 네트워크 대역폭과 전송 속도를 측정하는 데 사용하는 일반적인 도구이다.

rtping <IP_ADDRESS>

iperf -s -u -i 1

iperf -c <SERVER_IP> -u -b 10M -t 10

성능 조정

패킷 크기 조정: 네트워크 패킷 크기를 성능 목표에 맞게 조정하라. 작은 패킷은 지터를 줄이는 반면, 큰 패킷은 대역폭 효율을 높인다.
네트워크 인터페이스 설정: 네트워크 인터페이스의 큐 길이와 우선순위를 조정하여 실시간 성능을 최적화한다.
RTnet 파라미터 조정: RTnet의 파라미터를 튜닝하여 대기 시간과 지터를 최적화할 수 있다. 이는 주로 rtcfg 명령을 통해 이루어진다.

sudo rtcfg rteth0 setup
sudo rtcfg rteth0 timeout 1000000

이로써 Xenomai와 RTnet을 사용해 실시간 네트워킹을 설정하고 활용하는 방법을 다루어 보았다. 이러한 기법들을 통해 실시간 시스템의 성능을 극대화하고, 네트워크 통신을 최적화할 수 있다.