기술자료

산업 자동화를 위한 시간 민감형 네트워킹(TSN)


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글/페카 바리스(Pekka Varis), 카탈로그 프로세서 부문 수석 기술자
     토마스 레이어(Thomas Leyrer),  DMTS,  텍사스 인스트루먼트


시간 민감형 네트워킹(TSN)은 IEEE에서 정의한 이더넷 확장 기능으로, 이더넷 기반 네트워크를 좀더 확정적으로 동작하게 하기 위한 것이다. 자동차, 산업용, 고성능 오디오와 같은 산업 분야는 다양한 네트워크 디바이스들과 실시간 통신을 필요로 하며, TSN 표준을 사용하는 것이 유익하다.
소비자 및 기업의 이더넷 및 무선 이더넷 통신은 대역폭 지향적이다. 예를 들어 인터넷에서 동영상을 재생하기 위해서 걸리는 지연시간은 좀 편차가 있더라도 허용될 수 있다. 되도록 빠르게 상호작용할 수 있으면 더 좋겠지만, 일반 사용자들의 경우 100번의 클릭 중 한 번 정도 잘 실행되지 않는 것은 참을 만하다. 물론 동영상 품질이 나쁘거나 중간에 끊긴다면 대부분의 사용자들은 짜증나게 될 것이다.
자동차, 생산 라인, 콘서트 홀 같은 곳에서 사용되는 제어 시스템은 어쩌다 한 번의 지체도 허용될 수 없다. 이러한 시스템에서 가장 중요한 것은 네트워크를 통해서 전달되는 데이터의 지연시간과 지터로, 지터는 지연시간에 있어서의 편차를 말한다. 데이터 패킷이 시스템 내의 목적지까지 도달하는 데 걸리는 최대 시간에 따라 네트워크 상의 통신 사이클 또는 제어 주파수로 결정된다.
표 1은 애플리케이션 유형에 따른 네트워크 파라미터를 보여준다. 네트워크의 규모와 토폴로지는 특정 애플리케이션에 따라 고정적이거나 가변적일 수 있다. 인터넷은 노드 수에 있어서나 패킷이 네트워크를 통해 전달되기 위해서 거쳐야 하는 경로에 있어서나 가장 불리한 경우이다. 인터넷을 통해 패킷 전송을 반복할 경우에는 지연시간이 수 초까지 이르고 지터가 매우 높다.
이와 비교해서, 실시간 확정적 이더넷 통신은 일반적으로 네트워크에 연결되는 디바이스 수를 제한한다. 임베디드 제품을 예를 든 기계 설비의 경우에는 이더넷을 사용해서 하나의 제어 하드웨어로 연결되는 모터 수를 100개 미만으로 제한할 수 있다. 새로운 모터 제어 파라미터는 250μs마다 교환한다. 이러한 고정적이며 사전 셋업을 충족하기 위해서는 확정적 실시간 이더넷을 필요로 하며, 짧은 사이클 시간과 고정밀 클록 분배를 사용해야 한다.

오늘날 첨단 공장의 생산 시스템은 실시간 이더넷을 사용해서 완벽하게 연결된다. 그림 1은 하나의 생산 셀의 다양한 제어 시스템을 보여준다. 시간 민감형 네트워크는 이러한 다양한 제어 시스템을 실시간으로 연결하기 위해서 꼭 필요한 기술이다.
제어 시스템마다 규모, 사이클 시간, 정확도 같은 면에서 요구가 각각 다를 수 있겠지만, 동일한 통신 인터페이스를 사용해서 연결하고 데이터를 확정적으로 전달할 수 있다. 이러한 제어 시스템은 다수의 센서와 액추에이터를 포함한다. 이들 장치를 실시간 이더넷에 직접 연결하거나, 직렬 점-대-점 연결을 사용해 실시간 이더넷 네트워크 상에서 집중화기로 연결할 수 있다. 바로 이럴 때 확정적 네트워킹 성능을 제공하는 TSN을 사용하는 것이 좋다.

산업용 제어 시스템의 연결된 많은 수의 센서 및 액추에이터는 TSN 네트워크를 구성할 때의 어려운 점 중 하나이다. TSN은 스트림을 분류하고 이러한 분류에 따라 네트워크를 통해 확정적으로 전달되도록 한다. 이상적으로는 융합적인 네트워크가 하나의 TSN 도메인에서 다양한 스트림 등급을 취급할 수 있어야 한다. 하지만 네트워킹 엔지니어링에 대해 논의하기 앞서 먼저 TSN의 기본적인 기능부터 이해하는 것이 필요하다.


TSN의 원리


다른 기술 산업에서처럼 인터넷 프로토콜(IP)과 결합된 IEEE 802 이더넷은 큰 성공을 거두고 있다. 여기에 도전장을 내밀 수 있는 것은, 비동기 전송 모드(Asynchronous Transfer Mode, ATM), 토큰 링, RapidIO® 같이 확정성이나 서비스 품질 면에서 좀더 정교한 기술들뿐이다. TSN은 대략 12개의 IEEE 802 표준 규격의 모음으로, 상호운용성과 같은 이더넷의 강점을 손상시키지 않으면서 확정성과 서비스 품질 요구를 충족하는 것이 목표이다.
TSN은 근거리 통신망(LAN) 차원의 솔루션으로, TSN이 아닌 네트워크하고도 동작할 수 있지만 시간을 지키는 것은 TSN LAN 내부에서만 보장된다. 공통적인 시간 개념, 최대 지연시간 보장, 백그라운드 또는 다른 트래픽과의 공존 등, 이들 TSN 표준을 담당하는 기능 별로 그룹화할 수 있다.
일반적인 표준과 마찬가지로 TSN의 기능도 계속해서 진화하고 있다. 802.1AS-Revision은 아직 승인을 받지 않았으며, 새로운 대안적인 쉐이퍼가 도입되고 있다. 이처럼 계속해서 표준 규격이 진화하고 있으므로, 솔루션을 선택할 때는 새로운 또는 변경된 표준에 따라 업그레이드가 가능한지를 따져보아야 할 것이다.
그림 2에서 보듯이, TSN 기능을 포함한 IEEE 802 이더넷은 레이어 2 또는 데이터 링크 층 기술이다. 애플리케이션을 위해서는 TSN 상위에 UDP/IP나 PROFINET 같은 상위 층 프로토콜이 필요하다(그림 4).


802.1AS-Revision - 시간 민감형 애플리케이션의 타이밍 및 동기화


확정적 패킷 전송을 위해서 네트워크의 모든 디바이스는 공통적인 시간 개념을 필요로 한다. 하나 또는 다수의 클록 마스터는 BCMA(Best Master Clock Algorithm)을 실행하는 네트워크의 모든 디바이스에 이더넷 패킷을 통해 시간을 분배한다.

802.1AS-Rev는 1588v2 정밀 타이밍 프로토콜을 좀더 엄밀하게 한 것이다. 802.1AS로 802.1AS-Rev에 추가함으로써 하나 이상의 시간 도메인 지원과 2스텝에 더한 1스텝 지원을 추가하게 되었다. 기본 하드웨어는 송수신 패킷들에 대해 정확한 타임 스탬프를 부여할 수 있어야 한다. 1스텝 지연 보고의 경우, 이 하드웨어는 패킷에 타임 스탬프를 삽입할 수도 있어야 한다. 2스텝 지연 보고의 경우에는, 전송 시간 스탬프가 후속 패킷에 포함되므로 패킷을 통한 시간 동기화로 인해 패킷 부하를 줄일 수 있다.
802.1AS-Rev는 피어-투-피어 지연시간 측정과 브리지 지연시간 계산 기능을 포함한다. 타임 스탬프 이외에도 802.1AS-Rev의 나머지 기능들은 대부분 소프트웨어로 구현된다. TI의 Sitara™ 프로세서의 TSN 구현은 802.1AS-Rev와 1스텝 및 2스텝 지연시간 보고 기능을 모두 지원한다...(중략)

기사입력 : 2018-05-08



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