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임베디드 시스템상에서 Lightweight TCP/IP를 이용한 TCP/IP Offload Engine의 구현
윤인수(In-Su Yoon),정상화(Sang-Hwa Chung),최봉식(Bong-Sik Choi),전용태(Yong-Tae Jun) 한국정보과학회 2006 정보과학회논문지 : 시스템 및 이론 Vol.33 No.7
현재 네트워크 기술이 기가비트급의 속도를 넘어 급속히 발전하고 있다. 그러나 호스트에서 TCP/IP를 처리하는 기존의 방식은 고속 네트워크 환경에서 호스트 CPU에 많은 부하를 야기한다. 이러한 문제를 해결하기 위해 네트워크 어댑터에서 TCP/IP를 처리하는 TCP/IP Offload Engine(TOE)에 대한 연구가 최근 활발히 진행되고 있다. 본 논문에서는 두 가지의 소프트웨어 기반 TOE를 기가비트 이더넷 환경 하에서 개발하였다. 하나는 임베디드 리눅스를 사용하여 구현한 TOE이고, 다른 하나는 Lightweight TCP/IP(lwIP)를 사용하여 구현한 TOE이다. 임베디드 리눅스를 사용한 TOE는 문맥 전환(context switch), 프로세스 대기 및 활성화 그리고 운영체제 자체의 부하로 인하여 62Mbps의 낮은 대역폭을 보였다. 본 논문에서는 임베디드 리눅스를 사용한 TOE의 성능을 개선하기 위하여 운영체제 없이 lwIP를 이용하여 TOE를 구현하였다. 그리고 이러한 lwIP를 이용한 TOE의 성능을 높이기 위하여 lwIP의 메모리 복사를 제거하고, 지연 ACK 기능과 TCP Segmentation Offload(TSO)기능을 추가하였으며, lwIP가 큰 데이타를 전송할 수 있도록 수정하였다. 그 결과, lwIP를 이용한 TOE는 194Mbps의 대역폭을 보였다. The speed of present-day network technology exceeds a gigabit and is developing rapidly. When using TCP/IP in these high-speed networks, a high load is incurred in processing TCP/IP protocol in a host CPU. To solve this problem, research has been carried out into TCP/IP Offload Engine (TOE). The TOE processes TCP/IP on a network adapter instead of using a host CPU; this reduces the processing burden on the host CPU. In this paper, we developed two software-based TOEs. One is the TOE implementation using an embedded Linux. The other is the TOE implementation using Lightweight TCP/IP (lwIP). The TOE using an embedded Linux did not have the bandwidth more than 62Mbps. To overcome the poor performance of the TOE using an embedded Linux, we ported the lwIP to the embedded system and enhanced the lwIP for the high performance. We eliminated the memory copy overhead of the lwIP. We added a delayed ACK and a TCP Segmentation Offload (TSO) features to the lwIP and modified the default parameters of the lwIP for large data transfer. With the aid of these modifications, the TOE using the modified lwIP shows a bandwidth of 194 Mbps.
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이병권,전영숙,전중남,Lee Byung-Kwon,Chon Young-Suk,Jeon Joong-Nam 한국정보처리학회 2006 정보처리학회논문지D Vol.13 No.3
구형 산업용 계측 장비들은 대부분 직렬 통신 기능만 갖추고 있다. 이러한 장비들을 인터넷으로 연결하기 위한 임베디드 통신 변환기를 구현하였다. 이 장비는 입출력 장치로 한 개의 WAN 포트, 두 개의 LAN 포트, 두 개의 직렬 포트를 갖고 있으며, 소프트웨어에 의하여 직렬 통신과 네트워크 통신 간의 상호 변환 기능을 수행하고, 기존의 직렬-이더넷 변환기와 구별되는 웹 모니터링 기능을 지원한다. ARM922T를 프로세서 코어를 사용하는 MICREL 사의 KS8695 네트워크 전용 칩셋을 사용하여 하드웨어를 구현하였고, 인터넷 기반 원격 제어를 위하여 웹 서버인 boa와 CGI 기능을 활용하였으며, 사설 IP 주소를 갖는 네트워크에서도 인터넷 접속이 가능하도록 IP 공유 기능을 추가하였으며, 통신 변환기의 역할을 수행하는 직렬-이더넷 변환 프로그램을 개발하였다. 그리고 개발된 통신 변환기를 태양열 에너지 전력 생산시스템의 원격 감시 장치로 활용하는 예를 제시하였다. Almost of industrial measuring instruments usually are equipped only with serial communication devices. In order to connect these instruments to internet, we implement an embedded translator. This device has the hardware components composed of one WAN port, two LAN ports, and two UARTs, and functions as a communication translator between serial and internet communication. it also provides web-based monitoring function that is absent from existing serial-to-ethernet converter. The hardware is implemented using the KS8695 network processor which s an ARM922T as processor core. We have installed the boa web server and utilized the CGI function for internet-based remote control, added the IP sharing function which allows the network with private IP addresses to access the internet, and developed a serial-to-ethernet translation program. Finally, we show an application example of the developed translator that remotely monitors the solar energy production system.
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고성능 경량 TCP/IP를 이용한 소프트웨어 기반 TCP/IP 오프로드 엔진 구현
전용태(Yong-Tae Jun),정상화(Sang-Hwa Chung),윤인수(In-Su Yoon) 한국정보과학회 2008 정보과학회 컴퓨팅의 실제 논문지 Vol.14 No.4
최근 이더넷 기술은 기가비트급의 대역폭을 넘어서 10 기가비트급으로 빠른 속도로 발전하고있다. 이러한 고속 네트워크 환경에서는 호스트 CPU가 운영체제내의 TCP/IP를 처리하는 기존의 방식은 호스트 CPU에 많은 부하를 야기하며, 그 결과 실제 수행되어야 할 사용자 응용 프로그램에 충분한 컴퓨팅 파워를 제공하지 못한다. 이러한 문제점의 해결을 위해 네트워크 어댑터에서 TCP/IP를 처리하도록 하는 TCP/IP Offload Engine (TOE)이 연구되고 있다. 본 논문에서는 TOE를 위한 고성능의 경량 TCP/IP를 구현하였으며, 이를 임베디드 시스템에 실제 적용하여 검증 및 실험을 수행하였다. 본 논문에서 구현한 고성능의 경량 TCP/IP는 기존 TCP/IP의 기본적인 기능들인 흐름제어, 혼잡제어, 재전송, 지연 ACK, Outof-Order 패킷처리 등을 지원한다. 또한 본 논문에서 구현한 고성능의 경량 TCP/IP는 기가비트 이더넷 MAC에서 하드웨어적으로 지원하는 TCP segmentation offload(TSO), Checksum offload(CSO), 인터럽트 coalescing 기능 등을 이용하도록 구현하였다. 그리고 데이타를 전송할 때, 호스트 사용자 메모리에서 네트워크 어댑터의 메모리로 데이타를 복사하는 부하를 제거하였다. 또한 재전송해야 할 경우를 대비해 전송한 데이타에 대한 복사본을 네트워크 어댑터의 메모리에 저장하는 방법을 개선하여 지연시간 및 대역폭 성능을 향상시켰다. 본 논문에서 구현한 고성능의 경량 TCP/IP를 이용한 소프트웨어 기반 TOE는 6% 이하의 호스트 CPU 사용률과 453Mbps의 최대 대역폭을 보인다. Today, Ethernet technology is rapidly developing to have a bandwidth of 10Gbps beyond 1Gbps. In such high-speed networks, the existing method that host CPU processes TCP/IP in the operating system causes numerous overheads. As a result of the overheads, user applications cannot get the enough computing power from the host CPU. To solve this problem, the TCP/IP Offload Engine (TOE) technology was emerged. TOE is a specialized NIC which processes the TCP/IP instead of the host CPU. In this paper, we implemented a high-performance, lightweight TCP/IP (HL-TCP) for the TOE and applied it to an embedded system. The HL-TCP supports existing fundamental TCP/IP functions; flow control, congestion control, retransmission, delayed ACK, processing out-oforder packets. And it was implemented to utilize Ethernet MAC’s hardware features such as TCP segmentation offload (TSO), checksum offload (CSO) and interrupt coalescing. Also we eliminated the copy overhead from the host memory to the NIC memory when sending data and we implemented an efficient DMA mechanism for the TCP retransmission. The TOE using the HL-TCP has the CPU utilization of less than 6% and the bandwidth of 453Mbps.
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홈 네트워크를 위한 Embedded Ethernet Module 설계 및 구현
김판규,황태문,이종혁,Kim Pan-kyu,Hoan Tae-Moon,Lee Jong-hyeok 한국정보통신학회 2005 한국정보통신학회논문지 Vol.9 No.5
초고속 인터넷의 보급, 디지털 정보장비의 확산 및 생활 패턴의 변화에 따라 홈 네트워크의 필요성이 점차 확대되고 있다. 이에 따라 본 연구에서는 홈 네트워크화를 위해서 8051 MCU, Hardware TCP/IP를 이용하여 임베디드 이더넷 모듈을 설계, 개발하였다. 타겟 머신에 간단한 웹 서버를 구축하고 이를 이용한 원격제어 프로그램을 포팅하여 원격지에서도 인터넷으로 가전기기를 제어할 수 있도록 하였다. 본 연구에서 개발한 모듈을 이용하므로 저가격으로 홈 오토메이션을 구현할 수 있으리라 생각한다. The necessity of the home network have been enlarged gradually according to the distribution of ultra-high speed internet, the expansion of a digital information equipment and the change of a life pattern. In this paper, we proposed the embedded ethernet module that could be operate on eight bit system, but it could control home appliance with full ethernet speed. The embedded ethernet module consists of 8051 MCU and Hardware TCP/IP. In this module, we construct simple web server and port remote control program for I/O device control. We verified through internet that the developed embedded ethernet module could control and check home appliances anywhere and anytime. We expect the developed ethernet module can build up niche market at home network. And it will be helpful to activate home network market.
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