[GigE Interface] 패킷 재전송과 TCP 통신 방식의 10GigE 카메라

TCP vs UDP 프로토콜 개요

보통 GigE(Gigabit Ethernet) Vision 카메라는 UDP(User Datagram Protocol) 전송 계층 기술을 사용합니다. UDP는 TCP보다 우수한 스트리밍 성능과 짧은 대기시간, 멀티캐스트 및 전반적으로 단순한 디자인을 제공하기 때문이죠. UDP에 대한 특징을 조금 알아보자면, UDP는 데이터 전송이 시작되기 전에 송수신 장치 간에 핸드쉐이크(handshake)가 필요하지 않은 비연결형(connectionless) 프로토콜입니다. 그리고 흐름 제어(flow control) 또는 패킷 안정성(packet reliability)이 내장되어 있지 않기 때문에 데이터 전송에 대한 보다 'hands-off' 접근 방식을 제공합니다.

연결형이란 연결과 관련된 설정과 종료가 포함되는 것이고, 비연결형은 그러한 작업이 필요 없는 것을 의미합니다.

반면에 TCP는 client-to-host 연결을 설정해야 하는 연결 지향(connection-oriented) 프로토콜입니다. UDP와 다르게 흐름 제어, 패킷 재전송 및 패킷 병합(packet coalescing)과 같은 안정성 기능이 내장되어 있습니다. 일반적으로 UDP는 TCP의 추가 기능 없이 속도와 단순성에 중점을 두도록 설계되었고, TCP는 전송 신뢰성에 더 중점을 두었습니다.

두 통신 방식에 대한 차이점을 요약하면 다음과 같습니다.

	TCP	UDP
설계	연결형	비연결형
Handshake	SYN, SYN-ACK, ACK	없음(PC는 동일한 서브넷의 카메라에 검색 패킷을 보냅니다)
프레임 전달 보장	Yes	No
전송 방식	Stream-oriented	Datagram
데이터 재전송	Yes(하드웨어 계층)	Optional(필터 드라이버)
흐름 제어	Yes(하드웨어 계층)	Optional(Inter packet delay)
점보 프레임	Yes	Yes
멀티캐스트	No	Yes

GigE Vision 표준에 UDP 프로토콜을 사용하는 이유

GigE Vision 표준이 처음 재정되었을 때 카메라 제조사는 효율적인 스트리밍 뿐만 아니라 단순성 때문에 UDP 프로토콜을 선택했습니다. UDP는 표준으로 신속하게 구현될 수 있고, 누락된 안정성 기능은 UDP 위에 추가될 수 있으며 이러한 기능은 애플리케이션 수준에서 실행됩니다(소프트웨어, 카메라 펌웨어 및 호스트 PC의 CPU 리소스 활용).

이러한 안정성 기능은 카메라 제조사의 선택 사항이기도 하므로, 제조사가 이러한 기능을 포기하기로 선택한 경우 훨씬 더 간단해집니다. GigE Vision 표준은 이더넷 장치가 device control, stream, discovery, feature list 메커니즘을 정의하여 UDP를 사용하여 통신할 수 있도록 합니다.

• GigE Vision Control Protocol(GVCP)
  GigE Vision 애플리케이션이 장치에 대한 제어를 구성하고 설정하는 방법을 정의합니다.
  
  
• GigE Vision Stream Protocol (GVSP)
  선택적 패킷 재전송 기능을 포함하여 카메라에서 PC로 이미지 데이터를 전송하는데 사용되는 다양한 데이터 유형과 전송 방법을 지정합니다.
  
  
• Device Discovery Mechanism
  GigE 장치 탐색 메커니즘은 네트워크에서 장치를 찾는 방법을 정의합니다.
  
  
• GenAPI
  XML 파일에는 모든 카메라 기능을 정의하는 GenAPI 설명(description)이 포함되어 있습니다. 이 설명은 GenICam 표준을 기반으로 합니다.

이에 비해 TCP는 카메라에서 구현하기가 더 복잡한 프로토콜이며 패킷 재전송과 같은 필수 기능이 하드웨어 수준에서 구현되어야 하므로, 카메라에 더 많은 하드웨어 리소스(FPGA room, on-board memory)가 필요합니다. 궁극적으로 카메라 제조사는 GigE Vision에 UDP를 선택함으로써 이더넷 카메라 개발에 유연성을 갖게 되었습니다.

UDP를 선택했지만 카메라 제조사와 사용자는 데이터 전송 신뢰성을 완전히 무시할 수 없다는 것을 이해해야 합니다. GigE Vision 표준에는 TCP와 유사한 안정성 기능에 대한 섹션이 포함되어 있으며, 이러한 선택적 기능은 각 데이터 패킷의 헤더에 추가됩니다. GigE Vision 표준에는 시퀀스 정보가 포함된 GVSP 헤더가 포함되어 있어 프레임 패킷이 순서없이 전송되어도 전송 후 재 정렬될 수 있습니다. GVSP 헤더는 또한 패킷이 드랍된(dropped) 경우 패킷 재전송을 용이하게 합니다.

GVSP 패킷 정보

패킷 재전송(Packet retransmission)과 패킷 드랍(Packet drop)

현재 구현된 GigE Vision을 위한 UDP는 1 GigE 대역폭을 염두에 두고 사용되었습니다. 앞서 언급했듯이, UDP에서 안정성 기능은 애플리케이션 계층의 GigE Vision 표준에 내장되어 있으며, 이는 호스트의 사용 가능한 CPU 리소스 양, 카메라 소프트웨어 및 필터 드라이버의 품질, 외부 처리 시 카메라의 펌웨어가 얼마나 견고(robust)한 지에 의해 제한된다는 것을 의미합니다.

예를 들어, 많은 카메라 제조사에서 GigE Vision에서 패킷 재전송은 누락된 패킷(missing packet)을 모니터링하기 위해 필터 드라이버(filter driver)라고 불리는 호스트 PC의 특수 소프트웨어 드라이버가 필요합니다. 누락된 패킷이 PC에 의해 감지되면 카메라에 재전송 요청을 보내게 됩니다. 그런 다음 카메라는 카메라의 펌웨어에서 발생하는 패킷을 구문 분석(parse) 해야 하며, 카메라의 이미지 버퍼에서 패킷을 가져오게 됩니다.

카메라는 정상적인 전송을 임시 중지하고 요청된 패킷을 재전송하게 됩니다. 프레임 전체에 여러 개의 누락된 패킷이 있는 경우 PC와 카메라에 부담을 줄 수 있습니다. 그러나 1 Gigabit 속도에서는 손실된 패킷을 모니터링하고 재전송하는데 필요한 CPU 및 카메라 리소스를 쉽게 사용할 수 있습니다.

비순차적 패킷 및 누락된 패킷을 처리하는 호스트 PC의 예

UDP는 내장된 안정성 기능을 제공하지 않기 때문에 데이터 전송은 카메라 제조사에서 제공하는 필터 드라이버에 의해 모니터링 됩니다. 이 드라이버는 각 패킷의 GVSP 헤더를 읽습니다.

만약, 하나의 PC에서 연결하는 카메라의 수가 많거나 적절한 네트워크 설정이 되어 있지 않은 경우, 그리고 제조사에서 제공하는 필터 드라이버를 사용하지 않는 경우에도 누락된 패킷이 발생할 수 있습니다. 패킷 재전송이 발생하여 CPU가 데이터 스트림을 처리할 수 없을 때 패킷을 삭제해야 하는 경우 호스트 PC와 카메라가 전송에 어려움을 겪을 수 있습니다. 이로 인해 이미지가 손상되거나 부분적으로 손상될 수 있습니다.

이미지 전송 대역폭이 더 많은 패킷을 삭제할 가능성이 커지면서 카메라에서 패킷을 계속 요청하게 되고, CPU 활용도가 계속 높아지는 악순환이 발생하게 됩니다. GigE Vision 표준은 UDP 위에 안정성 기능을 추가했지만, 현재 UDP와 패킷 재전송을 사용하면 CPU 리소스 부족으로 인해 손상된 이미지에 도미노 효과를 일으킬 수 있습니다.

UDP 전송 시 손상된 이미지의 예

10 GigE를 위한 TCP GigE Vision 카메라

지금까지 UDP에서의 GigE Vision만 설명했는데요. TCP에서 GigE Vision 카메라는 없는 것일까요? 사실 지금까지 TCP 프로토콜의 GigE Vision 카메라는 본 적이 없었습니다. 하지만 최근 LUCID에서 TCP 10 GigE 카메라가 새로 출시되었더군요. 제품을 홍보하는 것은 아니고, UDP와 비교하여 TCP에서 어떤 특징이 있는지 간단히 알아보겠습니다.

LUCID에서 출시한 Atlas10 10GigE 카메라는 UDP와 TCP 모두 지원합니다(SDK에서 전송 방식을 선택할 수 있습니다).
해당 카메라는 Full Frame Rate를 보장하는 것이 아니라, 전체 프레임에서 모든 패킷 전송에 대한 보장을 하는 것입니다.

TCP는 UDP와 달리 호스트 PC에 필터 드라이버를 설치할 필요가 없으며, NIC와 카메라의 FPGA를 활용하여 하드웨어 수준에서 추가 신뢰성 기능과 함께 패킷 재전송을 관리합니다. 신뢰할 수 있는 데이터 전송의 토대는 TCP의 three-way handshake로 시작합니다. three-way handshake에 대한 동작은 아래 애니메이션을 참고하세요.

three-way handshake 동작

카메라와 호스트 PC간에 TCP 연결이 설정되면, 응용 프로그램에서 보다 안정적인 패킷 전달, 높은 프레임 속도 및 지속적으로 낮은 CPU 사용률을 활용할 수 있습니다.

해당 카메라에 대한 정보가 궁금하다면 아래 링크를 참고하세요.

https://thinklucid.com/atlas10-10gige-poe-pregius-s/

Atlas10, 10GigE + PoE Featuring 4th Gen Pregius S Sensors | LUCID Vision Labs

자료 출처:

LUCID Vision Labs : 링크(https://thinklucid.com/)