이더넷은 이미 모든 산업제어 시스템에 널리 사용되고 있다. 많은 산업용 프로토콜은 독점적인 레이어 2 솔루션을 사용하여 이더넷을 통해 결정적인 문제들을 해결하고 있다. 새로운 IEEE 802.1 TSN 표준은 산업 제어에서 직면하는 동일한 부류의 문제들을 목표로 표준기반 접근 방식을 위해 독점적 솔루션들을 대체할 것을 약속하고 있다.

EtherNet/IP는 결정론적인 성능을 제공하기 위해 항상 상업적으로 이용 가능한 표준 이더넷 기술에 의존해 왔으며 새로운 표준을 활용할 수 있는 유리한 위치에 있다. 이 글에서는 특정 사용사례에 대해 논의하고 새로운 TSN 표준을 EtherNet/IP 네트워크에 적용하여 향상된 결정성과 성능제공을 하는 방법을 조사하고자 한다. 또한 TSN 기반 네트워크에서 예상되는 결과를 현재 사용중인 기술의 결과와 대조해 보려고 한다.
 
키워드

Industrial Ethernet, Industrial Control, Motion Control, EtherNet/IP, CIP Motion, CIP Sync, Time-Sensitive Networking, Audio-Video Bridging, AVB, AVB 59Gen2, software-defined networking, SDN, deterministic Ethernet.

용어정의(선택사항)

• 브리지[Bridge]: MAC(Media Access Control) 브리지 또는 VLAN(Virtual Local Area Network) 브리지 구성요소 기능을 포함하고 시스템 동작에 대해 IEEE Std 802.1Q-2014의 5절 준수 항을 지원하는 시스템이다.

• 참고: “브리지”는 종종 TSN 토론에서 “스위치”와 같은 의미로 사용된다.
• 중앙 집중 식 네트워크 구성[CNC]: TSN응용 프로그램(사용자)을 대신하여 네트워크 리소스를 구성하는 중앙집중식 구성 요소이다.
• 신용기반 셰이퍼: 브리지의 하나 이상의 송신 큐에서 작동하고 더 낮은 우선 순위의 트래픽 액세스를 제공하여 회선에 “공정성”을 부여하는 우선 순위 지정 메커니즘입니다. 높은 우선순위의 트래픽이 주어진 시간 동안 상속자를 모두 소진했을 때의 네트워크이다.
• 끝 측점[End station]: LAN 또는 MAN을 통해 전송되는 트래픽의 소스 및 대상 역할을 하는 LAN(Local Area Network) 또는 MAN(Metrophan Area Network).
• 그랜드 마스터[Grandmaster]: 일반화된 정밀시간 프로토콜(gPTP) 도메인에서 최상의 마스터 클럭 알고리즘(BMCA)에 의해 결정되는 최적의 클럭을 포함하는 시간 인식 시스템.
• 수신기: 스트림의 대상, 수신기 또는 소비자가 되는 끝 스테이션.
• 스트림: Talker에서 하나 이상의 Listener로 데이터의 양방향 흐름.
• 동기화된 시간: 이벤트의 동기화된 시간은 그랜드 마스터에 상대적인 이벤트의 시간. 동기화된 시간 인식 시스템: 두 개의 시간 인식 시스템은 동일한 에포크를 가지고 임의의 시간에 단일 사건의 시간에 대한 측정값이 그 불확실성보다 크지 않은 경우 지정된 불확실성에 동기화된다.
• 말하는 사람: 스트림의 소스 또는 생산자인 끝 측점.
• 트래픽 클래스[raffic class]: 중요 서비스 또는 시간에 민감한 서비스에서 생성된 프레임을 신속하게 전송하는 데 사용되는 분류. 트래픽 클래스는 0에서 N-1까지 번호가 매겨진다. 여기서 N은 주어진 브리지 포트와 연결된 아웃바운드 대기열의 수, 1 ＜ = N ＜ = 8이며, 각 트래픽 클래스는 해당 포트에 대한 특정 아웃바운드 대기 열과 일대일 대응 성을 갖는다. 트래픽 클래스 0은 노출되지 않은 트래픽에 해당하고 0이 아닌 트래픽 클래스는 빠른 트래픽 클래스에 해당한다. 프레임과 연결된 지정된 우선 순위와 지정된 트래픽 클래스 수에 대해 고정 매핑은 프레임에 할당될 트래픽 클래스를 결정한다.

결정론적 이더넷의 개요

결정론적 이더넷은 공장자동화, 프로세스 제어, 자동차 네트워크와 같은 크리티컬 한 실시간 응용 프로그램에서 표준 이더넷을 사용할 수 있는 확장된 기능집합을 가리킨다.

이더넷은 “최선의” 네트워크였다. 이더넷이 미션 크리티컬 애플리케이션에 배치될 수 있도록 하려면 시간 동기화, 예약된 트래픽, 수신보안, 원활한 이중화 등을 포함한 특정기능을 추가해야 한다. 이러한 기능을 통해 네트워크 설계자는 전체 네트워크 토폴로지에 걸쳐 특정 클래스의 트래픽이 제 시간에 전송될 수 있도록 보장할 수 있다. 결정론적 이더넷은 공장자동화 시장에서 시작되었는데, 이 시장에서 대형 OEM들은 이더넷에 이러한 기능을 추가하기 위한 자체적인 방법을 정의했으며, 이는 오늘날 산업용 이더넷에서 사용되는 수많은 “오픈 표준”을 낳았다.

ODVA는 수년 동안 중요한 트래픽에 대한 시간동기화와 서비스 품질을 갖춘 결정론적 이더넷 네트워크를 배치해 왔다. IEEE 표준조직은 현재 TSN(시간 민감 네트워킹) 기능을 표준 802.1 및 802.3에 추가하는 작업을 진행하고 있다. 결정론적 성능을 제공하는 이더넷 작업이 완료되면 표준 TCP/IP 이더넷(TSN 확장기능 포함)을 실시간 미션 크리티컬 애플리케이션에 배치하는 것이 실용화될 것이다. 다만 기존의 산업용 프로토콜이 TSN으로 대체될 가능성은 낮다.



TSN이 제공하는 고유한 결정론적 능력을 이용하도록 개조될 가능성이 더 높다. 새로운 TSN 표준의 목표는 모든 종류의 트래픽이 원활하게 공존할 수 있는 진정한 통합 네트워크를 달성하는 것이다. 이를 통해 기존 QoS 우선 트래픽 및 최적 트래픽으로 동일한 2017 ODVA 산업 회의 3 ?2017 ODVA, Inc. 네트워크에 미션 크리티컬 실시간 트래픽이 공존할 수 있다. 이러한 새로운 TSN 표준의 개발 배경에는 떠오르는 자동차 이더넷 시장이 있다.

그러나 인더스트리얼 오토메이션 시장은 자동차 제어 애플리케이션과 많은 공통 요구사항을 공유하므로 표준기술과 대규모 시장에 내재된 규모의 경제를 활용할 수 있다. 중요한 점은 새로운 IEEE 표준이 수년 동안 산업용 이더넷 프로토콜에 사용된 것과 동일한 기본기술 중 일부를 기반으로 한다는 것이다.

그러나 많은 조직들은 결정론을 달성하기 위해 독점계층 2 기술에 의존해 왔다. 반대로 ODVA와 EtherNet/IP는 IEEE 및 기타 조직의 널리 이용 가능한 유비쿼터스 표준에 전적으로 의존해 왔다. 이러한 이유로 ODVA는 새롭게 등장하는 TSN 표준을 성공적으로 활용할 수 있는 유일한 준비가 되어 있다.

TSN 및 분산 모션 및 시간 동기화 SIG

ODVA는 분산 운동 및 시간 동기화 SIG에 이러한 TSN 표준을 기존 CIP 표준에 병합하는 방법을 평가하는 작업을 맡겼다. TSN이 단일 표준이라는 것은 일반적인 오해이다. 실제로 TSN은 기존 표준에 대한 새로운 표준 및 개선 사항의 집합이다. 다시 말해 TSN은 다음과 같은 새로운 이더넷 기능의 바스켓(basket)이다.

시간 동기화 [Time Synchronization]

TSN의 맥락에서 시간 동기화는 기존 IEEE P802.1에 대한 제안된 수정 사항을 의미한다. 오디오 비디오 브리징에 정의된 AS 표준이다.

제안된 변경사항을 이해하려면 먼저 IEEE 802.1을 설명해야 한다. IEEE802.1AS는 IEEE1588 정밀시간 프로토콜의 오디오-비디오 브리징(AVB) 프로필이다. IEEE802.1AS는 마스터 슬레이브 프로토콜을 이용, 네트워크를 사용하여 통신하는 분산 시스템의 노드에서 실시간 클럭을 동기화한다. 간단히 말해서, PTP는 네트워크의 모든 노드가 시간을 알 수 있도록 보장을 한다. 주어진 노드가 시간에 대한 지식으로 무엇을 할지는 명시하지 않는다.

AVB 프로필(IEEE802.1) AS에는 AVB 구성 요소의 “플러그 앤 플레이 요구 사항”에 맞춘 기능이 있다. 투명 시계는 IEEE802 계층화 규약을 위반하기 때문에 브리지 지연 시간을 보상하기 위해 투명시계를 사용하지 않는다. 대신, 각 노드는 가장 좋은 마스터 클럭으로부터 시간정보를 받아 대기 시간을 보상하기 위해 경계 클럭과 유사한 방식으로 슬레이브 클럭을 생성한다. 본질적으로 이 접근법은 동료기반이다.

이 접근방식은 기본 IEEE-158 프로필로 정의되고 CIP 동기화에 사용되는 종단 간 투명 클럭과 호환되지 않는다. 이러한 이유로, 기존 기술과 설치가 Report새로운 TSN 도메인으로 마이그레이션 될 수 있도록 시간 브리징 메커니즘을 개발할 필요가 있다. 타임 게이트웨이를 개발함으로써 브라운필드 설치는 더 큰 TSN 에코 시스템에 포함될 수 있고 TSN이 제공해야 하는 많은 새로운 특징과 기능의 혜택을 받을 수 있다.

End-to-End TC 기능은 브라운필드 설치에서 중요한 모든 노드가 시간을 인식해야 하는 것은 아니다. 비시간 인식 노드가 있는 경우 시간 정확도가 저하되지만, 시간인식 노드 간에 시간에 대한 공통 이해가 유지된다. 대조적으로, IEEE802.1에 의해 이용되는 피어 투 피어 메커니즘 AS는 모든 노드가 시간을 인식해야 한다. 명백히 이 규정은 브라운필드 사용 사례에 실무적으로 적용할 수는 없다.



IEEE802.1AS-REV에는 시간에 민감한 응용프로그램에 필요한 새로운 기능이 도입되었다. 이러한 기능에는 여러 시간영역을 지원하여 신속한 전환을 가능하게 하는 기능, 그랜드 마스터(Grandmaster)가 실패할 경우와 보다 정확한 시간 측정이 포함된다. 시간 동기화가 대부분의 TSN 기능(AVB, 수신 치안 유지, 예약된 트래픽)의 기본구성 요소이지만 이러한 기능 중 어떤 것도 특정 PTP 프로필을 사용할 필요가 없다. 예를 들어, 수신 관리를 위해서는 기본 IEEE1588v2 프로필인 IEEE802.1AS에서 나올 수 있는 시간에 대한 이해가 필요하다.

예약된 트래픽[Scheduled Traffic]

이더넷(공장 자동화, 로봇 공학, 자동차 제어 시스템)을 통해 제어 루프를 구현하는 애플리케이션은 최소의 지연 시간과 지터(jitter)로 정확한 시간에 제어 데이터를 전달해야 한다.

기존 우선 순위 메커니즘은 트래픽의 우선순위 지정 또는 대역폭(AVB) 보증을 제공하지만 배달시간은 예측할 수 없다.

IEEE802.1Qbv는 이더넷 트래픽을 여러 클래스로 나누어 특정 시간에 하나의 트래픽 클래스(또는 트래픽 클래스 집합)만 네트워크에 액세스할 수 있도록 함으로써 이 요구된 사항을 지원한다. 이 분할은 사실상 해당 트래픽 클래스에 의해서만 사용되는 보호된 “채널”을 만든다. 보다 명확하게 하기 위해 이 트래픽 클래스는 모든 경우에 스케줄링 된 트래픽이며 스케줄링 된 트래픽은 와이어에서 가장 높은 우선 순위가 지정된다.

IEEE802와 같이. 1Qbv는 시간 인식 “전송 게이트”를 도입함으로써 이 분할을 달성한다. 이러한 게이트는 별도의 전송 대기 열을 활성화하는 데 사용된다. Qbv 셰이퍼[shaper]는 특정 시간에 전송 게이트를 열고 닫는 시간 기반 순환 스케줄을 제공한다. 게이트가 열리면 기존 IEEE802가 열린다. 1Q 전송선택 알고리즘이 정상적으로 작동한다. 주어진 대기 열은 엄격한 우선순위(최선의 노력) 기반으로 작동할 수 있는 반면 다른 대기 열은 AVB 애플리케이션에 대해 정의된 신용기반 셰이퍼를 사용할 수 있다.

그러나 IEEE는 주어진 상황에서 어떤 QoS/트래픽 쉐이핑 메커니즘을 사용해야 하는지에 관한 지침을 제공하지 않는다는 점에 주목할 필요가 있다. 이러한 사용사례는 응용 프로그램마다 다르다. Avnu 및 ODVA와 같은 산업 기관이 이러한 사용 사례에 대한 TSN 프로필을 개발한다.

이 작업은 애플리케이션 간 또는 동일한 애플리케이션 내에서도 일관된 시스템 모델과 동작을 제공하는 데 매우 중요하다. 일관된 모델과 동작 없이 한 CNC는 한 가지 방법으로 네트워크를 구성할 수 있지만 다른 CNC는 다른 방식으로 동일한 네트워크를 구성할 수 있다.

선점[Preemption]

오늘날의 인프라 구성 요소는 초기 패킷이 이미 출구[egress port]에 배치된 경우 다음 패킷이 전송되기 전에 전체 패킷 전송을 완료하도록 설계되었다.

이에 따라 우선 순위가 낮은 1500바이트 패킷 등은 우선 순위가 높은 패킷을 보류[hold off]할 수가 있다. 100Mb/s의 유선 속도에서는 [120]us이다. 선점이란 IEEE802.3br/IEEE802.1큐비유[Qbu]에 따른 인터스퍼싱 익스프레스 트래픽[Interspersing Express Traffic]이라고도 하는데 이것은 더 높은 우선 순위 패킷이 시스템을 통해 이동할 수 있도록 스위치가 중간-스트림[mid-stream]에서 전송을 중지할 수 있도록 하는 메커니즘을 정의한 것이다. 즉 한 가지 수준의 트래픽 만을 선점 형으로 정의하는 것을 의미한다.

끊김 없는 이중화[Seamless Redundancy]

안정성을 위한 프레임 복제 및 제거(IEEE P802.1CB)의 견고하고 안정적인 통신을 보장하려면 제어 시스템이 혼잡, 링크 장애, 케이블 파손 및 기타 결함으로 인한 패킷 손실에 대해서 내성을 가져야 한다.

이러한 고장의 영향을 최소화하기 위해 P802.1CB는 네트워크의 분리된 경로를 통해 중요한 트래픽의 중복 사본을 보내는 것을 목표로 한다. 두 프레임이 모두 대상에 도달하면 중복 복사본이 삭제된다. 2017 ODVA Industry Conference 6 ? 2017 ODVA, Inc.에 대한 복사본 하나가 목적지에 도달하지 못할 경우 중복 메시지가 계속 수신되어 효과적으로 원활한 이중화를 제공한다.

네트워크 정체를 최소화하기 위해 주소/트래픽 클래스 및 경로 정보를 기반으로 패킷 복제를 선택할 수 있다. 마찬가지로 중복 프레임 제거는 주소/트래픽 클래스 및 타이밍에 기반할 수 있다. 즉, 중요한 트래픽 만 복제하면 된다. 혼잡 손실에 대한 최선의 노력과 기타 트래픽 허용성은 여전히 정상적으로 전송될 수 있다.

수신 보안[Ingress Policing]

안정성을 위한 프레임 복제 및 제거(IEEE P802.1CB)를 위해 견고하고 안정적인 통신을 보장하려면 제어 시스템이 혼잡, 링크 장애, 케이블 파손 및 기타 결함으로 인한 패킷 손실에 대해 내성을 가져야 한다.

이러한 고장의 영향을 최소화하기 위해 P802.1CB는 네트워크의 분리된 경로를 통해 중요한 트래픽의 중복 사본을 보내는 것을 목표로 한다. 두 프레임이 모두 대상에 도달하면 중복 복사본이 삭제된다. 2017 ODVA Industry Conference 6 ? 2017 ODVA, Inc.에 대한 복사본 하나가 목적지에 도달하지 못할 경우 중복 메시지가 계속 수신되어 효과적으로 원활한 이중화를 제공하게 된다.

네트워크 정체를 최소화하기 위해 주소/트래픽 클래스 및 경로 정보를 기반으로 패킷 복제를 선택할 수가 있다. 마찬가지로 중복 프레임 제거는 주소/트래픽 클래스 및 타이밍에 기반할 수 있다. 즉, 중요한 트래픽만 복제하면 된다. 혼잡 손실에 대한 최선의 노력과 기타 트래픽 허용성은 정상적으로 전송될 수가 있다.

중앙 집중식 구성[Centralized Configuration]

IEEE P802.1Qcc[스트림 예약 프로토콜(Stream Reservation Protocol/SRP)] 향상 및 성능 개선 프로그램은 중앙 집중 식 네트워크 구성[centralized network configuration/CNC] 엔티티를 허용하는 사용자 네트워크 인터페이스[User Network Interface/UNI]를 추가하여 기존의 스트림 예약 프로토콜을 향상시킨다. 그런 다음 이 CNC는 NETCONF 또는 RESTCONF와 같은 원격관리 프로토콜을 통해 네트워크 계산, 일정 및 기타 구성을 수행하기 위한 중앙 집중 식 수단을 제공할 수 있다.

CUC[Centralized User Configuration]는 종단 스테이션을 검색하고 종단 스테이션 기능 및 사용자 요구 사항을 검색하며 종단 스테이션에서 TSN 기능을 구성하는 데 사용할 수 있다.



산업제어[Industrial Control]

현대 산업 네트워크는 산업 애플리케이션의 요구 사항을 충족하기 위해 정보 기술(IT)과 운영 기술(OT)의 분야를 결합한다.

산업제어 부문에 의해 제공되는 애플리케이션은 종종 수정과 증강을 필요로 하는 복잡한 모듈화된 설계를 필요로 하는 정교한 프로세스이다. 이러한 애플리케이션에는 고63성능, 결정론과 예측 가능성이 필요하다. 인프라에는 고 가용성(high-availability) 요구사항을 지원하기 위한 하드웨어 내구성 및 복원 기능 모두에서 매우 강력하고 안정적인 설계가 필요하다.

산업제어 시장의 네트워킹 유산은 여러 산업 기술 표준뿐만 아니라 여러 공급 업체별, 독점 기술로 확장되는데 뿌리를 두고 오랫동안 확립되어 왔다. 이들 기술을 기반으로 자리 잡은 산업용 설치기반은 한 세대의 기술에서 다음 세대로 신중하고도 느리게 이동하는 보수적인 제조사 커뮤니티다. 투자하기 전에 솔루션을 검증하고 투자 수익율[ROI/Return On Investigation]를 신중하게 계산해야 한다.

현재 위치에서 이동은 항상 설치된 자산을 보호하고 주어진 아키텍처 변화에 대한 수익성을 극대화하기 위해 마이그레이션[Migration]과 진화를 통해 이루어진다. TSN 기술이 등장하기 전에는 이러한 다양한 산업 솔루션을 보다 통합된 접근 방식으로 이끌 동기가 많지 않았다. 그러나 TSN과의 대화로 인해 향후 네트워킹 솔루션에는 전체적인 접근방식과 진정한 시스템관점이 요구될 것이라는 인식이 확산되었다. 미래 네트워크는 모든 요소(기반시설과 엔드 스테이션 모두)를 포함하는 포괄적인 답변을 최종 솔루션에 포함해야 한다.



더욱이, 완전한 산업사물 인터넷(IIoT)의 문제 진술을 해결하기 위해, 이 포괄적인 솔루션은 기존의 서로 다른 기술과 표준이 새로운 에코 시스템[생태계/Ecosystem]에 포함될 수 있는 솔루션을 향해 변형되도록 협업을 해야 한다. 특정기술, 공급업체 또는 제품이 이 새로운 패러다임에 참여하지 않을 경우 “시스템”이 이러한 구성 요소에서 전송되거나 전송이 되는 트래픽을 수용하거나 계획할 방법이 없다. 그 때문에, 이러한 구성요소가 전체 설계에서 제대로 제공되지 않거나 비생산적인 방식으로 전체 설계를 방해하게 된다.

산업용 사용 사례[Industrial Use Case]

산업제어 애플리케이션 및 관련 네트워크 설계에는 다음의 대표적인 아키텍처를 고려하기 바란다. 이 시스템에서 산업공정은 4개의 다른 기계로 구성된 단일 기계에 의해 제어된다.

기계의 각 섹션은 각기 다른 OEM을 통해 공정에 전달되며, 각 OEM은 공정의 제어부분에서 각기 다른 전문성을 가지고 있다. 최종 사용자는 전 세계에 7개의 제조 현장을 보유하고 있다. 사이트당 15대의 기계가 있으며, 각 기계 IP 주소 지정 체계는 동일한 제조시설에 있는 다른 기계와 동일하며, 이는 다른 시설의 주소 지정 체계와 일치한다. 또한 각 기계 섹션은 고유 VLAN을 가진 서브 넷이므로 장비가 모듈 식으로 구성되고 기능적인 조직을 이룰 수가 있다.

기계의 모든 섹션이 동기화 및 조정이 되어 최종제품을 생산하며 제조현장의 데이터가 MES 시스템의 데이터와 공급 망의 데이터와 상호 연관될 수 있도록 관련 이벤트가 타임스탬프[Timestamp]된다. 전체 제조시설은 절대시간에 대한 동일한 이해를 사용하며 모든 사건은 벽시계 시간[“wall clock time.”/컴퓨터용어/벽 시간]이라는 일반적인 개념과 관련이 있다. 또한 이 사용 사례는 다른 1588 기반 솔루션을 활용하는 제품과 기술의 선재성을 인정한다.

이 경우 기계 섹션 A의 구성 요소 A는 기계 섹션 C의 구성 요소 A'와 통신할 수 있으며, A의 구성 요소 B는 기계 섹션 D의 구성 요소 B'와 통신할 수 있다. 마지막으로 시스템 섹션 A의 구성요소 C는 섹션 B, C 및 D의 C' 구성요소가 소비할 데이터를 생성한다. 스위치를 통한 타임 브리지 또는 타임 게이트웨이 메커니즘의 구현은 더 넓은 TSN 가치 제안에 포함되는 기존 제품과 기술의 확장된 커뮤니티를 위한 마이그레이션 경로를 제공한다. 이 사용 사례에서 구성 요소 A와 A' 및 B와 B'는 타임 게이트웨이 변환을 필요로 한다. 

<다음호에 계속>