IIoT와 인더스트리 4.0을 위한 CPS(Cyber Physical System)을 구축하기 위해서는 IT와 OT간의 네트워크 컨버전스가 필요하고, TSN으로 이런 네트워크 컨버전스를 구현할 수 있다.

IIoT(Industrial Internet of Things)를 구현하는 데 있어 중요한 주요 과제 중 하나는 IT(Information Technology)와 OT(Operational
Technology) 네트워크의 컨버전스다. 현재 이러한 네트워크는 별도의 도메인으로 존재하며, 전용 게이트웨이를 통해 양방향으로 제한된 통신은 가능하다. 이러한 네트워크 컨버전스는 IIoT를 사용하여 노드 간 상호 작용이 가능한 CPS(Cyber Physical Systems)를 실현하는 핵심 동력이다.

현재 공장 자동화를 제어하기 위한 아키텍처는 계층적이다. 최상위 레벨에 있는 ERP(Enterprise Resource Planning) 애플리케이션은 비즈니스의 핵심 프로세스에 대한 통합 관리 및 자동화를 제공하며, 다음 레벨은 제조공정을 제어하는 MES(Manufacturing Execution Systems)로 이어진다. PLC(Programmable Logic Controller) 시스템은 이 계층의 최하위 레벨에 있는 전기 드라이브나 센서, I/O와 같은 연결된 산업용 장치를 이용해 자동화 작업을 수행한다. 이러한 구조를 흔히 ‘자동화 피라미드(그림 1)’라고 부르는데, 하단에는 다양한 장치들이 있고, 상단에는 고성능 컴퓨터를 볼 수 있다. 이 피라미드 레이어는 계층 구조를 보여준다.


이 피라미드의 각기 다른 레이어는 서로 다른 네트워크 요건을 가지고 있다. 상위 레이어는 높은 대역폭과 유연한 네트워크 토폴로지를 필요로 하지만, 하위 레이어는 패킷 지연시간의 변화가 적은 일정한 간격으로 샘플을 전송할 수 있는 기능과 결정론적 동작이 필요하다. 따라서 여러 네트워크가 병행해서 동작해야 한다.

컨버지드 네트워크(Converged Network)는 오늘날의 다양한 네트워크 아키텍처에 존재하는 여러 과제를 해결할 수 있다.

- 명료성 향상: 모든 계층 구조의 모든 데이터는 상호 간의 변환 없이 공장의 모든 요소와 액세스가 가능하다.
- 네트워크 플래닝 감소: 보다 유연한 토폴로지로 쉽게 변경이 가능하다.
- CapEx 절감: 배선을 줄이고, 서로 다른 프로토콜을 사용하는 네트워크 간의 게이트웨이 감소.
- OpEx 절감: 네트워크 관리 작업을 간소화할 수 있다.
- 더 높은 대역폭: 하나의 네트워크 속도로 제한되지 않는다.
- M2M에 최적화: 공장 전체에서 OPC UA와 같은 공통의 데이터 모델을 사용하는 머신 간의 상호 연동 지원.

이러한 컨버전스는 TSN(Time Sensitive Networking)으로 제공된다. TSN은 IEEE 802의 하위 표준 세트로, 이더넷 네트워크를 통해 결정론적 통신을 가능하게 하며, 동일한 네트워크에서 가장 효과적인 방법으로 통신상의 이점을 유지할 수 있도록 해준다.

TSN은 같은 링크를 공유하는 여러 트래픽 클래스를 가지고 있다. TSN 네트워크는 결정론적 시간 특성을 가진 스트림을 위한 리소스를 통해 구성된다. 따라서 TSN은 여러 통신 표준을 지원하는 하나의 공용 네트워크를 구현할 수 있다.

이는 표준 이더넷보다 몇 가지 개선사항이 반영되었다. 표준 이더넷 통신은 시간을 인식하지 못하며, 전송을 위해 대기 중인 패킷을 사용하여 링크의 전체 대역폭에 걸쳐 데이터를 분배한다. TSN은 주기적 간격으로 구성된 오프셋에서 예정된 트래픽에 따라 시간 인식을 구현하며, 네트워크 구성 컨트롤러로 분배된 스케줄에 따른다. 또한 TSN 기능은 TSN 스트림을 위한 필터링 및 폴리싱(Filtering & Policing)을 도입하고 있으며, 원활한 리던던시 및 주기적 데이터 전송을 지원하는 동시에, 상위 우선순위 패킷에 대한 선취권을 제공한다.

TSN은 IEEE 802.1 표준 세트에 정의되어 구현이 명시되어 있다(표 1 참조). 2017년 9월 기준으로, 이 표준 중 4가지가 채택되었으며, 나머지는 아직 작업 및 워킹 그룹(Task and Working Group) 단계에 있다.


TSN 구현

TSN을 올바르게 구현하려면, TSN 엔드 포인트 및 TSN 브리지에서 낮은 지연시간과 결정론적 응답을 제공할 수 있는 솔루션이 필요하다. 많은 애플리케이션은 PCIe와 같은 고속 링크를 통해 연결된 프로세서와 FPGA를 결합하여 이러한 문제를 해결하고 있다. 하지만 이러한 2-칩 솔루션은 보드의 공간 점유율과 전력 소모, 개발시간 및 비용을 증가시킬 뿐만 아니라 전반적인 통합 솔루션 개발에 장애가 된다. 또한, 두 디바이스로 디자인이 분할되면서 검증의 복잡성도 증가한다.

IIoT 솔루션 공급업체들은 자사 솔루션을 구현하기 위해 갈수록 올 프로그래머블(All Programmable) 징크-7000(Zynq-7000) 및 징크 울트라스케일+(UltraScale+) MPSoC 디바이스를 사용하고 있다. 이러한 디바이스는 PS(Processing System)와 PL(Programmable Logic)을 통합하고 있으며, 다음과 같은 기능을 가진 PS 및 PL 사용을 최적화하여 수집, 제어, 프로세싱 애플리케이션을 구현할 수 있다:

1. 광범위한 센서, 액추에이터, 모터 및 애플리케이션에 특화된 다른 인터페이스들을 제어하고 인터페이스 하는 기능
2. 머신러닝, 센서 융합, 이미지 프로세싱, 실시간 분석과 같은 복잡한 프로세싱을 에지에 구현할 수 있는 기능
3. 네트워크 인터페이스 수에 대한 확장성
4. 정보보호, 위조방지, 트러스트 측면에서 디바이스와 시스템을 안전하게 구현할 수 있는 보안 기능

징크-7000 울트라스케일+ MPSoC 디바이스는 Any-to-Any 인터페이스 지원 및 프로세싱 시스템과 프로그래머블 로직을 결합할 수 있는 기능을 갖추고 있어 사용자 애플리케이션에 TSN을 구현하는데 이상적이다.

자일링스의 1G/100M TSN 서브시스템 LogiCORE IP는 MAC, TSN 브리지, TSN 엔드포인트를 위한 FPGA 로직으로 구성되어 있다. 전용 로직 리소스를 갖춘 이러한 TSN 디자인은 타이밍 동작을 엄격하게 결정론적으로 보장한다. 이 SoC의 프로세싱 시스템에서 실행되는 소프트웨어는 네트워크 동기화 및 초기화, 스트림 예약을 위한 네트워크 구성 컨트롤러를 갖춘 인터페이스를 위한 것이다. 이 소프트웨어는 Petalinux에서 실행되도록 설계되었으며, Yocto 빌드용도 발표될 예정이다.

또한, LogiCORE IP는 외부 TSN 스위치에 다른 포트를 할당하지 않고도 대부분의 산업용 애플리케이션에서 요구되는 체인이나 트리 토폴로지를 생성하는 통합 시간-인식 L2 스위치(옵션)가 함께 제공된다. 원활한 리던던시(P802.1CB)를 위해서는 추가 포트가 필요하다. (그림 2)에 모든 IP가 예시되어 있으며, 사용자는 스위치를 통합해야 하는지 아닌지를 합성 전에 자유롭게 구성해 볼 수 있다.


일단 인스턴스가 완료되면, TSN IP 코어는 각 트래픽 클래스를 위한 개별 AXI 스트리밍 포트를 제공한다. 예정된 트래픽, 예약된 트래픽, 최상의 트래픽이 지원된다. AXI 스트리밍 포트는 자일링스의 비바도 디자인 수트(Vivado Design Suite)로 생성된 인프라와 연결된다. AXI Lite는 TSN 블록을 구성하는 데 사용된다.

자일링스는 각 트래픽 클래스를 위한 DMA(Direct Memory Access)를 별도로 포함하고 있는 즉시 사용 가능한 평가용 구현을 제공한다. 이 평가 시스템은 자일링스 구성요소 간의 동작을 테스트하는데 사용할 수 있을 뿐만 아니라 협력업체의 장비나 프로토콜 분석기와 함께 사용할 수 있다. (그림 3)는 이 평가 시스템의 블록 다이어그램을 나타낸 것이다.


프로그래머블 로직의 유연성 때문에, TSN 표준 및 마켓 분야별 적합성 테스트를 진행할 때 IP 코어를 업데이트할 수 있다. 반면 고정형 하드웨어 구현(커스텀 ASIC 및 ASSP(Application Specific Standard Product와 같은) 방식의 디바이스는 TSN 진화에 따른 기능적 변화를 도입할 수 있는 옵션이 없다.

자일링스는 실제로 TSN IP 코어를 시연하기 위해 각각 징크 울트라스케일+ MPSoC 및 징크-7000 제품군을 갖춘 ZCU102 및 ZC702 개발 보드를 위한 데모 애플리케이션을 개발했다. 이러한 두 보드를 연결하면(그림 4 참조), 네트워크 트래픽을 전송 및 수신할 수 있고, TSN 네트워킹 성능을 검증할 수 있다.


자일링스는 TSN 구축 및 애플리케이션을 더욱 긴밀히 지원하기 위해 IIC(the Industrial Internet Consortium)의 TSN(Time Sensitive Networking) 테스트베드 회원사로 활동하고 있다. 이 테스트베드에 참여하면 고성능 및 대기시간에 민감한 애플리케이션의 테스트는 물론, 공급업체의 상호운용성 테스트를 수행할 수 있다. 이러한 테스트는 미국이나 유럽에 위치한 두 개의 영구 테스트베드 중 하나에서 공식적으로 모두 진행될 수 있다.

인더스트리 4.0(Industry 4.0) 및 IIoT를 위한 CPS(Cyber Physical Systems)를 구축하기 위해서는 IT와 OT 네트워크 간의 컨버전스가 필요하다. TSN은 이러한 네트워크 간의 컨버전스를 구현할 수 있으며, 네트워크 연결 및 확장성, 구축 및 소유비용에 있어 상당한 혜택을 제공한다. 올 프로그래머블 징크-7000 또는 징크 울트라스케일+ MPSoC 디바이스 상에 TSN를 구현하면, 사용자에게 단일 칩 솔루션을 제공할 수 있으며, IIoT 애플리케이션을 에지에서 수행할 수 있는 프로세싱 성능을 PS 및 PL로 구현할 수 있다.

자일링스의 TSN은 1G/100M TSN 서브시스템 LogiCORE IP라는 이름으로 2017년 5월에 선도 액세스 고객들에게 제공되었으며, 2017년 4분기에 공식 출시될 예정이다.