분산 실시간 시스템에서의 Xenomai 활용

Xenomai 기반 네트워크 실시간 시스템

개요

Xenomai는 리눅스 커널 위에서 동작하는 실시간 확장 레이어로, 실시간성을 보장해야 하는 임베디드 시스템에서 주로 사용된다. 이 장에서는 Xenomai를 활용한 네트워크 기반 실시간 시스템을 구축하는 방법을 자세히 설명한다. 이러한 시스템은 산업 자동화, 로봇 공학, 통신 장비 등 다양한 분야에서 사용된다.

Xenomai 네트워크 통신 구조

Xenomai 기반 네트워크 실시간 시스템에서는 주로 RTnet와 같은 실시간 네트워크 스택을 사용하여 실시간 패킷 전송을 보장한다. RTnet은 실시간 Ethernet 프로토콜 스택으로, UDP, TCP, ICMP 등의 프로토콜을 지원한다.

RTnet 구성 요소

RTnet Core: 실시간 네트워크 운영을 담당한다.
RTUDP: 실시간 UDP 프로토콜을 제공한다.
RTTCP: 실시간 TCP 프로토콜을 제공한다.
RTMAC: 실시간 MAC (Media Access Control) 계층을 처리한다.

네트워크 설정과 구성

Xenomai 기반 네트워크 시스템을 구성하려면 시스템 설정과 네트워크 설정이 필요하다.

시스템 설정

Xenomai 커널을 빌드하고 설치하는 과정은 다음과 같다:

patch -p1 < /path/to/xenomai/patch

make menuconfig

make -j$(nproc)
make modules_install
make install

네트워크 설정

다음은 RTnet을 설치 및 설정하는 과정이다:

RTnet 설치

sh git clone http://git.xenomai.org/rtnet.git cd rtnet ./autogen.sh ./configure --with-xenomai=/path/to/xenomai make make install
실시간 네트워크 인터페이스 설정 sh modprobe rtnet rtifconfig rteth0 hwaddr xx:xx:xx:xx:xx:xx rtifconfig rteth0 up

실시간 통신 구현

실시간 UDP 통신

다음은 Xenomai에서 실시간 UDP 서버와 클라이언트를 구현하는 예제이다:

UDP 서버:

#include <rtdm/rtdm.h>
#include <rtdm/udd.h>

int main() {
    struct sockaddr_in server_addr, client_addr;
    int sockfd, len;
    char buffer[1024];

    sockfd = rt_dev_socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, IPPROTO_UDP);

    server_addr.sin_family = AF_INET;
    server_addr.sin_port = htons(12345);
    server_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;

    rt_dev_bind(sockfd, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr));

    while (1) {
        len = sizeof(client_addr);
        rt_dev_recvfrom(sockfd, buffer, sizeof(buffer), 0, (struct sockaddr *)&client_addr, &len);
        rt_dev_sendto(sockfd, buffer, sizeof(buffer), 0, (struct sockaddr *)&client_addr, len);
    }

    rt_dev_close(sockfd);
    return 0;
}

UDP 클라이언트:

#include <rtdm/rtdm.h>

int main() {
    struct sockaddr_in server_addr;
    int sockfd;
    char buffer[1024] = "Hello, Xenomai!";

    sockfd = rt_dev_socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, IPPROTO_UDP);

    server_addr.sin_family = AF_INET;
    server_addr.sin_port = htons(12345);
    server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.1.100");

    rt_dev_sendto(sockfd, buffer, sizeof(buffer), 0, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr));

    rt_dev_close(sockfd);
    return 0;
}

실시간 TCP 통신

실시간 TCP 통신은 UDP 통신과 유사하지만 연결 지향적이기 때문에 설정과 데이터 전송 부분이 조금 다르다.

실시간 TCP 서버

#include <rtdm/rtdm.h>

int main() {
    struct sockaddr_in server_addr, client_addr;
    int server_fd, client_fd;
    char buffer[1024];
    socklen_t len = sizeof(client_addr);

    server_fd = rt_dev_socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);

    server_addr.sin_family = AF_INET;
    server_addr.sin_port = htons(12345);
    server_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;

    rt_dev_bind(server_fd, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr));
    rt_dev_listen(server_fd, 1);

    client_fd = rt_dev_accept(server_fd, (struct sockaddr *)&client_addr, &len);
    if (client_fd < 0) {
        perror("rt_dev_accept");
        return 1;
    }

    while (1) {
        int bytes = rt_dev_recv(client_fd, buffer, sizeof(buffer), 0);
        if (bytes <= 0) {
            break;
        }
        rt_dev_send(client_fd, buffer, bytes, 0);
    }

    rt_dev_close(client_fd);
    rt_dev_close(server_fd);
    return 0;
}

실시간 TCP 클라이언트

#include <rtdm/rtdm.h>

int main() {
    struct sockaddr_in server_addr;
    int sockfd;
    char buffer[1024] = "Hello, Xenomai TCP!";

    sockfd = rt_dev_socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);

    server_addr.sin_family = AF_INET;
    server_addr.sin_port = htons(12345);
    server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.1.100");

    rt_dev_connect(sockfd, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr));
    rt_dev_send(sockfd, buffer, sizeof(buffer), 0);

    int bytes = rt_dev_recv(sockfd, buffer, sizeof(buffer), 0);
    if (bytes > 0) {
        printf("Received from server: %s\n", buffer);
    }

    rt_dev_close(sockfd);
    return 0;
}

네트워크 성능 최적화

실시간 네트워크 성능을 최적화하려면 다음 사항들을 고려해야 한다:

패킷 처리 우선순위: 중요한 패킷은 높은 우선순위로 전송한다.
네트워크 인터페이스 카드(NIC): 실시간 지원이 가능한 NIC를 선택한다.
큐 관리: 패킷 큐 크기와 관리 정책을 적절히 설정한다.

예제 적용 프로젝트

산업 자동화 시스템

산업 자동화 시스템에서 다양한 센서와 액추에이터는 실시간 데이터를 교환해야 한다. Xenomai 기반 네트워크는 이러한 실시간 데이터 전송 및 처리에 적합한다.

예를 들어, 제조 공정에서 여러 센서로부터 데이터를 수집하고, 이를 바탕으로 실시간으로 공정을 조정하는 시스템을 구현할 수 있다.

로봇 네트워크

로봇 공학에서는 여러 로봇들이 협력하기 위해 실시간 네트워크로 연결되곤 한다. Xenomai 기반 네트워크를 통해 로봇 간의 통신 지연을 최소화하고, 동기화 문제를 해결할 수 있다.

--- 및 결론 본 장에서는 Xenomai를 활용한 분산 실시간 시스템의 설계와 구현 방법에 대해 다루었다. RTnet을 이용한 실시간 네트워크 설정, 실시간 UDP 및 TCP 통신 구현, 그리고 네트워크 성능 최적화를 통해 고성능 실시간 시스템을 구축할 수 있다. 이러한 시스템은 산업 자동화, 로봇 공학 등 다양한 분야에서 활용될 수 있다.