[IEEE-802.1, Avnu, IETF]

ODVA가 EtherNet/IP에 채택을 하기 위해 TSN[Time Sensitive Networks] 표준이 고려되고 있다. 이 글은 다른 표준그룹이 수행하는 TSN 기반작업과 이 작업이 EtherNet/IP에 미치는 잠재적 영향에 대한상태 및 업데이트를 ODVA 커뮤니티에 제공할 것이다.

1. 소개

TSN(Time Sensitive Networking)은 IEEE 802.1에 의해 구동되고 개발되는 일련의 표준을 말한다. 시간에 민감한 네트워킹 작업 그룹이다. 이 작업 그룹은 원래 오디오/비디오 브리징 작업 그룹이라고 불렸으며, 여기서 대기 시간, 위상 이동 또는 패킷 손실 없이 로컬 영역 네트워크를 통해 오디오 및 비디오 정보를 이동하는 데 중점을 두었다. 2012년, 오디오/비디오 브리징 시장 이외의 시장에 대한 이러한 기술과 표준의 광범위한 추진을 반영하여 이름이 변경되었다.

이 그룹은 시간에 민감한 데이터를 결정론적 방식으로 계층 2 네트워크를 통해 이동하는 데 필요한 기술에 초점을 맞춘다. 시간 민감 네트워킹(TSN) 기술의 개발은 많은 산업 부문과 많은 시장에 파문을 일으켰다. 이러한 노력의 초기 추진력은 매우 기술적이었으며 “표준 이더넷”을 통한 데이터 전달의 특정한 문제를 해결하는 것을 목표로 하였다. 그러나 정의된 확장은 기존 기술을 중단시키고 제대로 관리되지 않을 경우 기존 설치가 새 트래픽에 취약해질 수 있는 메커니즘을 만든다.

기본적으로 TSN 기술은 기존 QoS 규칙에서 가장 높은 우선 순위를 부여 받았던 트래픽을 재정의할 수 있는 기능을 가진 새로운 우선 순위 메커니즘을 만든다. 그렇다면 기존 기술과 애플리케이션을 방해하지 않고 새로운 트래픽에 새로운 수준의 기능과 더 높은 수준의 우선 순위를 도입하는 방법은 무엇일까? 이것은 시장대화의 많은 부분을 소비했고 표준 커뮤니티에서 대화의 핵심 포인트가 되어온 질문이다. 이 백서는 TSN 기술, 구현 및 방향을 형성하는 영향력이 있는 기관에 대한 개요를 제공하고 기존 ODVA 기술과 관련된 주요 문제와 우려를 다루게 된다.
 

2. TSN 표준은 무엇인가?

중요한 점은 TSN 표준과 기술이 IEEE-802.1 표준 포트폴리오에 기여하는 약 20개의 새로운 프로젝트를 대표한다는 것이다. 단순히 하나의 표준이 출시되는 것이 아니라 향후 트래픽이 관리될 수 있는 방식에 영향을 미치는 표준이 많이 있다. 다음은 이러한 새로운 표준을 개괄적으로 나열한 것이다.
 

IEEE 802.1 TSN - 완료
[IEEE 802.1 TSN - Completed]

• IEEE 802.1AS-2011 - 타이밍 및 동기화
  - 고 정밀 IP 네트워크에 맞춘 IEEE1588 프로필이다. 피어 투 피어 지연 메커니즘을 사용한다.
• IEEE 802.1Qat-2010 - 스트림[stream] 예약 프로토콜
  - 계층 2 브리지 네트워크를 통해 스트림 예약을 구성하는 분산 방법이다. 주로 MRP에 의존한다. - 802에 포함된다. 1Q-2012
• IEEE 802.1Qav-2009 - 시간에 민감한 스트림을 위한 전달 및 큐잉
  - 지연 시간 제한 및 배달의 변화를 위한 신용기반 쉐이퍼. - 802에 포함된다. 1Q-2012
• IEEE 802.1BA-2011 - 오디오 비디오 브리징 시스템
  - 오디오/비디오 브리징 시스템에서 Qav/Qat를 사용하기 위한 프로필이다.
• IEEE 802.1Qbu & 802.3br - 프레임 선점(P802.3br에서 작업 수행)
  - 우선 순위가 높은 트래픽이 우선 순위가 낮은 트래픽을 인터럽트하여 우선 순위가 낮은 트래픽이 완전히 전송되기를 기다리지 않고 즉시 전송할 수 있다. 우선 순위가 높은 트래픽(선제 트래픽 이라고도 함)이 전송을 완료한 후 우선 순위가 낮은 트래픽을 일시 중지, 조각화 및 재조립할 수 있는 메커니즘을 정의한다.
• P802.1Qbv - 예약된 트래픽에 대한 개선 사항
  - 지연 시간 제한 및 전달 변화를 위한 시간 기반 쉐이퍼이다. IEEE 802.1 TSN - 거의 완료됨(IEEE 스폰서 투표)
• P802.1CB - 안정성을 위한 프레임 복제 및 제거(무해한 이중화)
  - 네트워크를 통해 여러 경로를 식별할 수 있는 스트림 식별 기능과 방법론이 포함되어 있다. 그런 다음 보장된 고유경로에 대한 이중화/신뢰성을 위해 스트림을 복제할 수 있다.

■ P802.1Qci - 스트림 당 필터링 및 치안 유지 - 구성된 리소스 요구사항에 따라 트래픽을 감시 및 필터링 하여 Qbv(예약) 네트워크의 견고성을 향상시킨다.

■ P802.1Qch(주기적 큐잉 및 전달) - Qbv 네트워크의 스트림 전송을 레이어 2 브리지 및 엔드 포인트를 통해 동기화하는 알고리즘을 제공하여 지연 시간과 지터[jitter]를 최소화한다.
 

2.1 IEEE 802.1QBV: 예약된 네트워킹

위에 나열된 TSN 보완을 구성하는 많은 사양이 있지만 시스템 및 상호 운용성 수준에서 다양한 표준 및 규정 준수 조직이 소비하는 작업의 대부분은 802.1Qbv 표준 또는 예정된 이더넷에 집중되고 있다.

이 특정 기술이 그렇게 끌리는 이유는 예정된 이더넷 기술이 스트림 제어를 위한 최상의 메커니즘과 데이터가 전송되는 시기 및 유선상의 다른 스트림과 조정되는 방법에 대한 절대적인 지식을 제공할 수 있다고 믿기 때문이다. 이 기술은 이전의 개방형 표준 이더넷 기술로는 제공할 수 없었던 수준의 제어를 제공할 수 있다. 네트워크 트래픽의 모델링과 시뮬레이션이 실용화되고 알 수 없는 매개 변수의 수가 해결 가능한 용어로 줄어들 정도로 데이터를 절대적으로 관리할 수 있다.

그러나 IEEE 기반의 새로운 표준 이더넷 기술로서 예약된 이더넷을 도입하는 데는 어려움이 있다. 본질적으로 예약된 이더넷은 유선 트래픽의 가장 높은 우선 순위가 되어야 한다. 이 기술을 기존 설치에 병합할 때는 “이전” 트래픽과 “새” 트래픽을 적절히 혼합할 수 있도록 마이그레이션 메커니즘이 필요하다. ODVA 관점에서 EtherNet/IP는 스케줄링 메커니즘을 지원하지 않기 때문에 EtherNet/IP 트래픽에 특히 해당된다.



그림 1과 2를 참고하기 바란다. 그림 1에서 예약된 트래픽은 이더넷 네트워크에서 가장 우선 순위가 높은 트래픽으로 표시된다. 이전에 존재했던 모든 표준 우선 순위 메커니즘은 “속도 제한”으로 정의되는 반면, 관리되지 않는 트래픽은 “최선의 노력”으로 정의된다. 오늘날 이 모델에서 EtherNet/IP 트래픽은 네트워크 커미셔닝 중에 트래픽을 구성하는 데 사용된 우선순위 메커니즘에 따라 속도 제한 또는 최선의 노력 트래픽 범주에 속한다. 이전에 정의된 모든 우선 순위 지정 메커니즘은 예약된 트래픽보다 낮은 우선 순위로 정의된다.

그림 1의 사용 사례는 예약된 트래픽이 다른 트래픽 유형과의 공존을 보여준다. 여기서 예약된 트래픽은 스케줄 자체의 프레임 내에서 상대적으로 가벼운 듀티 사이클을 가진다. 그러나 그림 2에 제시된 사용 사례는 다르다. 여기서 와이어의 듀티 사이클 또는 로드율은 제한된 속도 또는 최선의 노력 트래픽에 비해 예약된 트래픽에 대해 상당히 높다.

그러나 문제는 이것이 문제가 있는가 하는 것이다. 그것은 실제로 응용 프로그램과 시스템의 요구 사항에 따라 다르다. 예약된 이더넷 트래픽과 예약되지 않은 이더넷 트래픽의 공존은 시스템 수준에서 모든 트래픽 요구 사항을 올바르게 이해하여 관리할 수 있다. 즉, 모든 경로가 정의되고, 페이로드가 알려져 있으며, RPI가 결정되고, 최대 데이터 전송 지연 시간이 제공된다면, 네트워크의 성공적인 운영 여부를 결정하기 위해 모든 스트림의 집계를 계산할 수 있다.

계산을 통해 계획된 데이터 스트림을 수용할 수 없는 경우, 사용자는 이 정보를 사용하여 토폴로지에 경로를 추가하거나 회선 속도를 높이거나 RPI를 변경하거나 시스템에 로드하여 네트워크를 수정할 수 있다.
 

3. 더 큰 그림: 시스템 기반 네트워크 구성 및 커미셔닝

TSN 가치 제안의 핵심 교훈은 모든 네트워크 통신을 관리하여 성능과 데이터 전달을 보장한다는 것이다. 이를 위해 모든 장치는 CNC(중앙 집중 식 네트워크 구성 정책 엔진)에 관련 연결에 대한 트래픽 요구 사항을 게시하거나 알림으로써 트래픽 계획에 참여해야 한다. TSN 표준기관이 도입한 새로운 시스템 수준 기능인 CNC는 네트워크 내 모든 연결 간 트래픽 흐름을 모두 수용할 수 있는 최상의 솔루션을 계산한다.

위에 나열된 서비스와 표준의 일부 조합을 고려할 때, 네트워크 내의 인프라 구성요소(즉, 브리지)를 트래픽 흐름을 수용하도록 구성하는 역할을 한다. CNC가 서브넷에 있는 모든 트래픽 스트림의 성능과 로드를 충족할 수 있는 구성에 대해 해결할 수 없는 경우 사용자에게 토폴로지, 성능 요구사항 또는 로드가 수정될 수 있도록 알린다. 이 계획 프로세스에 참여하지 않는 장치 집합은 계획된 트래픽을 방해하거나 응용 프로그램에서 성공적으로 작동하기 위해 자체 트래픽 스트림을 제대로 서비스하지 못할 수 있는 위험이 있다.

TSN 솔루션의 이러한 측면은 네트워크 설계 및 계획 워크-플로우를 크게 변화시킨다. 기존의 네트워크 커미셔닝 방법은 전체론적 솔루션에 실제로 초점을 두지 않고 구성요소 구성에 따라 구성요소에 의존해 왔다. TSN 가치설명 중 하나는 네트워크 계산과 네트워크 계획이 트래픽 관리와 성능 보장을 위한 솔루션의 일부가 된다는 것이다. 이 새로운 패러다임에서는 페이로드, 샘플링 빈도 및 최대 대기 시간이 모두 CNC(Central Network Controller)에 전달되므로 흐름을 계산하고 이러한 요구에 맞게 브리지와 인프라를 구성할 수 있다.

이 새로운 기능은 하드웨어를 구입하거나 케이블을 라우팅 하기 전에 네트워크의 오프라인 시뮬레이션을 가능하게 한다는 점에서 강력하다. 설계가 부적절하거나 시스템 제약 조건 하에서 해결책이 달성되지 않는 경우, 시스템의 요구사항을 수용하도록 네트워크 설계를 수정할 수가 있다. TSN 아키텍처의 주요 구성 요소의 역할과 기능을 보여주는 다음과 같은 상위시스템 다이어그램을 생각해 보기 바란다.



이 다이어그램에서 CNC 기능은 인프라의 모든 브리지 또는 스위치를 구성하는 역할을 한다. 중앙 집중식 사용자 구성 도구(CUC)와 통신하여 네트워크에서 서비스해야 하는 트래픽 흐름에 대한 정보를 수신한다. 애플리케이션의 요구를 반영하기 위해 페이로드 크기, RPI 및 최대 대기 시간에 대한 7가지 정보가 전달되는 CUC와 CNC 사이의 링크이다. CUC와 CNC 사이의 통신을 사용자/네트워크 구성 인터페이스 또는 UNI라고 한다. 올바른 스트림 관리를 위해 이 링크를 통해 공유되는 특성은 802.1 Qcc 규격에 정의되어 있다.

산업 시스템에서 CUC는 오프라인 구성을 위한 PLC 프로그래밍 소프트웨어와 연결되거나 런타임 동안 PLC와 연결된다. 네트워크 정보가 이미 알려진 이러한 구성 요소에서는 산업 애플리케이션의 요구를 충족하기 위해 I/O 연결, 페이로드 및 시스템 대기 시간이 이미 정의되어 있다.

3.1 정책 기반 우선 순위 지정

설계 및 시운전을 위한 시스템 수준 구성 도구의 도입은 애플리케이션뿐만 아니라 네트워크의 진정한 제어 및 관리에 대한 전망을 수반한다. 모든 네트워크들이 그렇듯이, 네트워크 관리자가 설정하는 정책들은 항상 애플리케이션의 요구와 시스템의 요구 사항들의 기능이다. 정책은 응용 프로그램에서 가장 중요한 트래픽에 우선 순위를 제공하고 시스템에서 가장 중요한 트래픽이 경쟁 스트림보다 우선하도록 보장하기 위해 설정된다. 모든 시스템이 동일한 트래픽 유형에 동일한 수준의 우선 순위를 부여하지는 않는다.

예를 들어, 전화 시스템은 VOIP에 가장 높은 우선 순위를 부여할 가능성이 높은 반면, 산업제어 시스템은 동작제어 트래픽에 가장 높은 우선 순위를 부여할 수 있다. 정책기반 관리의 이러한 요소는 네트워크 또는 시스템을 관리하는 모든 사람에게 완전한 제어권한을 부여한다. 더욱이, CNC와 직접 접속하는 시스템 레벨 소프트웨어를 통해 이러한 관리가 가능한 경우, 네트워크 관리자는 시스템과 상호작용할 수 있는 매우 강력한 도구를 제공받는다.

앞에서 논의한 바와 같이, CNC는 페이로드 크기, RPI 및 최대 대기 시간이 주어진 미리 정의된 스트림에 대한 모든 요구 사항이 제공된다. 정책정보가 CNC에 대한 입력으로도 제공되면 시스템은 가장 우선 순위가 높은 트래픽에 와이어에 대한 액세스 권한을 부여하는 데 필요한 모든 정보를 갖게 된다. 이는 데이터를 네트워크에 배치하는 데 사용되는 메커니즘과 무관하다. 예약된 트래픽과 예약되지 않은 트래픽이 있는 경우 단순히 정책에서 지시한다는 이유만으로 예약되지 않은 트래픽에 대해 여전히 가장 높은 우선 순위를 부여할 수 있다.

예를 들어 ODVA의 CIP 모션 트래픽은 802.1 Qbv 관점에서 예약된 트래픽이 아니지만 예약될 수 있는 비디오 카메라의 트래픽과 동일한 네트워크를 공유할 수 있다. 사용되는 네트워크 액세스 방법에 관계없이 사용자 정책에서 CIP Motion 트래픽이 비디오 트래픽보다 더 중요하다고 지시하는 경우 CNC와 해당 시스템 소프트웨어는 CIP Motion 그래픽이 와이어에 액세스할 수 있도록 네트워킹 리소스를 계산하고 할당해야 한다.



CNC가 모든 제약 조건을 고려하여 이 결과를 성공적으로 해결할 수 없는 경우, 네트워크 또는 네트워크 매개변수의 리엔지니어링을 수행할 수 있도록 네트워크 관리자에게 오류가 반환된다. 따라서 정책 기반 우선 순위는 TSN 표준 또는 이전에 정의된 이더넷 표준에 정의된 모든 네트워크 액세스 방법에 대한 역균형이 된다. 정책의 정보를 네트워크에 대한 액세스를 제공하는 데 사용되는 도구와 결합함으로써 진정한 “유선상의 공정성”을 달성하여 모든 이더넷 네트워크에서 트래픽의 균형 있는 수렴을 가능하게 할 수 있다.

3.2 예약 및 예약되지 않은 트래픽 구성을 위한 CNC

중앙 집중식 네트워크 구성 정책 엔진은 제공된 정책과 구성 중인 인프라의 기능 및 제약 조건을 기반으로 네트워크 리소스를 구성해야 한다. CNC에 잠재적으로 포함된 두 가지 광범위한 계산 엔진이 있다. 하나는 네트워크 구성 정책의 예약된 부분을 해결하기 위한 스케줄링 엔진(SE)이다.

다른 엔진은 네트워크 구성 정책의 속도제한(전통적인 QoS) 부분을 해결하는 데 사용되는 네트워크 미적분 엔진(NCE)이다. CNC 정책 엔진은 일반적으로 주어진 모든 매개변수에 대한 최선의 해결책을 찾기 위해 SE와 NCE를 모두 포함한다. CNC 정책 엔진은 예약된 트래픽 또는 속도 제한 트래픽 중 하나를 관리하거나 둘 다 성공적으로 관리되는 네트워크를 만들 수 있다.
 

4. AVNU 얼라이언스

Avnu Alliance 조직은 TSN 표준을 위한 상호 운용성 규격을 개발하는 인증 기관이다. 아브누 조직은 다양한 산업과 시장 부문의 회사들로 구성되어 있다. 이들은 전문적인 오디오/비디오 시장, 자동차 시장, 소비자 시장, 그리고 산업 시장이다. 오디오/비디오 시장에서 시작된 최초의 아브누 규격은 오디오/비디오 제품을 인증하기 위해 작성되었으며, 아브누 인증 마크를 받은 많은 제품들이 있다. 산업 시장 부문은 아브누 동맹에 상대적으로 생소하다.

그 기구는 산업 통제 분야의 인증 표준을 개발하는 작업을 시작했다. 산업 분야에 TSN 기술을 적용할 때 어려운 점 중 하나는 이미 오래 전부터 확립돼 있고 설치 기반이 큰 기존 기술과 표준이 다수 존재한다는 점이다. 예를 들어, 오늘날 ODVA는 이더넷에서 예약된 트래픽에 대한 개념이 없으며(TSN 사양 802.1Qbv 참조), Avnu가 지정한 802.1과 다른 표준을 사용한다. 시계 동기화를 위한 AS 메커니즘이다.

Avnu 내의 주요 논의 영역은 TSN 기반산업 프로파일과 적합성 규격을 정의하여 사전 정의된 기술의 공존과 기존 설치의 보호를 허용하는 것이다. 이를 위해 노력하는 아브누 회원사도 많다. 이 작업은 작은 작업이 아니다. 마이그레이션 및 네트워크 융합을 위해 이러한 기술의 매핑 및 병합에 성실하고 엄격한 주의가 필요하다.

4.1 산업별 운영이론 문서

오늘날, 아브누 얼라이언스는 TSN의 기본, 기초, 기술을 설명하는 “운영 이론” 문서의 첫 번째 개정판을 발표했다. 이 문서는 ODVA 기반 기술에 향후 마이그레이션 경로를 제공하는 요소를 포함하도록 계속 수정 및 보강될 예정이다. 이 문서가 발전함에 따라 향후 산업 적합성 기준을 정의하는 데 도움이 되는 문서가 될 것이다.
 

5. 산업 제어 개요

현대 산업 네트워크는 정보기술(IT)과 운영 기술(OT)의 분야를 결합하여 산업용 애플리케이션의 요구 사항을 충족한다. 산업 제어 부문이 제공하는 애플리케이션은 종종 수정 및 보강 기간을 필요로 하는 복잡하고 모듈화된 설계가 필요한 정교한 프로세스이다. 이러한 애플리케이션에는 고성능, 결정론 및 예측 가능성이 필요하다.

인프라에는 고 가용성(HA) 요구사항을 지원하기 위한 하드웨어 내구성 및 복원 기능 모두에서 매우 강력하고 안정적인 설계가 필요하다. 산업 통제 시장의 네트워킹 유산은 여러 산업 기술 표준뿐만 아니라 여러 공급업체별, 독점 기술로 확장에 뿌리를 두고 오랫동안 확립되어 왔다.

이들 기술을 기반으로 자리 잡은 산업용 설치 기반은 한 세대의 기술에서 다음 세대로 신중하고 느리게 이동하는 보수적인 제조사 커뮤니티다. 투자하기 전에 솔루션을 검증하고 ROI를 신중하게 계산해야 한다. 현재 위치에서 이동은 항상 설치된 자산을 보호하고 주어진 아키텍처 변화에 대한 수익성을 극대화하기 위해 마이그레이션과 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 시스템 관점이 요구될 것이라는 인식이 확산되었다. 미래 네트워크는 모든 요소(기반시설과 엔드 스테이션 모두)를 포함하는 포괄적인 답변을 최종 솔루션에 포함해야 한다.

더욱이, 완전한 산업 사물 인터넷(IIoT) 문제의 진술을 해결하기 위해, 이 포괄적인 솔루션은 기존의 서로 다른 기술과 표준이 새로운 에코 시스템에 포함될 수 있는 솔루션을 향해 변형되도록 협업해야 한다. 특정기술, 공급업체 또는 제품이 이 새로운 패러다임에 참여하지 않으면 “시스템”이 이러한 제품에서 또는 제품으로부터 관리되어야 하는 트래픽을 수용하거나 계획할 수 있는 방법이 없다. 결과적으로 이 제품들은 전체적인 디자인에서 제대로 서비스되지 않을 것이다.
 

6. 산업용 사용 사례

산업 제어 응용프로그램의 다음과 같은 대표적인 아키텍처 및 관련 네트워크 설계를 고려해 보기 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 제조 시설에 있는 다른 기계와 동일하며, 이는 다른 시설의 주소 지정 체계와 일치한다. 또한 각 기계 섹션은 10개의 고유한 VLAN을 가진 서브넷으로 장비를 모듈 식으로 구성하고 기능적인 조직을 달성할 수가 있다. 기계의 모든 섹션이 동기화 및 조정되어 최종 제품을 생산하며 제조 현장의 데이터가 MES 시스템의 데이터와 공급 망의 데이터와 상호 연관될 수 있도록 관련 이벤트가 타임스탬프된다.

전체제조 시설은 절대 시간에 대한 동일한 이해를 사용하며 모든 사건은 “벽시계 시간”이라는 일반적인 개념과 관련이 있다. 또한 이 사용 사례는 다른 1588 기반 솔루션을 활용하는 제품과 기술의 선재성을 인정한다. 이 경우 기계섹션 A의 구성 요소 A는 기계섹션 C의 구성 요소 A'와 통신할 수 있으며, A의 구성 요소 B는 기계섹션 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 타임브리지 또는 타임 게이트웨이 메커니즘의 구현은 더 넓은 TSN 가치 제안에 포함되는 기존 제품과 기술의 확장된 커뮤니티를 위한 마이그레이션 경로를 제공한다. 이 사용 사례에서 구성요소 A와 A' 및 B와 B'는 타임 게이트웨이 변환을 필요로 한다.

6.1 TSN 가치 제안, 마이그레이션 메커니즘 및 경로 전달

기술은 아키텍처에 대한 시스템 전체 뷰를 위한 경로를 제공한다. 그들은 처음으로 네트워크 전체의 구성과 시운전을 위한 표준화된 방법을 허용한다.

TSN 기술은 네트워크 및 아키텍처의 오프라인 시뮬레이션과 모델링을 위한 길을 만든다. 그러나 TSN 기술은 통일된 표준과 기법의 집합을 향한 기존 이더넷 기술의 융합을 요구한다. 이와는 대조적으로, 그림 5의 사용 사례는 오늘날의 산업 상황을 매우 사실적으로 묘사한 것이다. 산업 지형을 구성하는 기존 표준과 기술이 매우 다양하다.



더 중요한 것은 이러한 기존의 서로 다른 기술을 활용하고 전 세계 수많은 제조 회사를 위한 제품을 생산하는 매우 큰 설치장비 기반이 있다는 것이다. 이러한 설비가 TSN 에코 시스템으로 ‘점프’하거나 산업통제 공급업체가 불행하게도 이러한 새로운 솔루션으로 전환하는 것은 불가능하다. 따라서 TSN 기반 기술을 채택하는 조직뿐만 아니라 TSN 기반 기술을 주도하는 조직 모두에게 동기 부여 조치가 필요하다는 것을 시사한다.

앞으로 나아가기 위해서는 TSN 기반 시스템에 대한 기존 기술의 병합을 허용하는 마이그레이션 경로와 메커니즘을 정의하는 것이 필수적이다. 이러한 마이그레이션 메커니즘이 없으면 기존 설치 및 제품은 참여할 방법이 없으며 기술적으로 고립되어 있다. 이는 채택이 저해되기 때문에 TSN 기반 기술의 발전을 저해한다. 또한 시장이 수년간 요구해온 기능을 제공하는 경로를 차단하기 때문에 채택 커뮤니티의 발전을 저해한다.

다양한 표준 기구에서 논의된 마이그레이션 메커니즘의 몇 가지 예가 있다. 그러한 메커니즘 중 하나는 ‘시간다리’이다. 타임 브리지(Time Bridge)는 여러 시간 영역에 걸쳐 시간을 변환하는 메커니즘이다. 오늘날 아브누 얼라이언스는 802.1로 표준화 되었다.

TSN 시스템에서 시간 동기화를 위한 AS 프로필이다. ODVA의 CIP Sync time 객체에 의해 이용되는 IEEE-158 기본 프로파일을 포함하여 많은 다른 시간 프로파일이 존재한다. 이 두 도메인 간의 시간을 동기화하는 타임 브리지는 기존 시스템과 장치가 하드웨어를 변경하지 않고도 더 넓은 TSN 기반 아키텍처에 참여할 수 있도록 한다. 다른 마이그레이션 메커니즘으로는 최상의 노력 및 속도제한 트래픽을 스케줄링 된 트래픽과 혼합할 수 있는 “TSN 어댑터” 또는 스위치가 포함될 수 있다.
 

7. 범위 및 타이밍

위의 그림 5에 제시된 산업 활용 사례는 매우 광범위한 산업 적용에 대한 전형적인 사례이다. 이 사용 사례는 계층 2(스위칭), 계층 3(라우팅) 및 시간 브리징 기능의 솔루션의 필요성을 보여준다.

오늘날 IEEE-802.1 TSN 작업 그룹은 아키텍처의 계층 2에 초점을 맞추고 있으며, 여기서 대부분의 TSN 작업이 정의되고 있다. 여기에는 시스템 또는 제품에서 11 구현을 시작할 수 있을 만큼 완전한 작업이 있다. 또한 Avnu는 일부 제품의 경우 이 수준의 작동을 인증할 수 있을 만큼 규정준수[compliance] 사양을 정의했다.

Avnu의 “운영이론” 문서는 아키텍처의 이 부분에 있는 기술에 초점을 맞추고 있으며 향후 버전에서는 해당 기술이 정의됨에 따라 다른 영역을 포함하도록 범위를 확장할 예정이다. 앞에서 설명한 것처럼 시간 브리징은 계층 2 스위치에 표시되며, 기존시간 영역 및 PTP 프로파일을 TSN 시스템으로 마이그레이션하는 메커니즘을 제공한다. 타임 게이트웨이 기능은 아직 표준 커뮤니티에 필요한 작업 항목으로 식별되지 않았다. 개별 공급자는 이러한 교량 기능을 시장에 대한 해결책으로 개발할 수가 있다.

8. 인터넷 엔지니어링 태스크포스

레이어 3(라우팅) 기능은 현재 인터넷 엔지니어링 태스크포스(IETF)에 의해 설계되고 있으며 기본적으로 802.1 TSN 사양의 기능을 레이어 3으로 확장한다. 종종 “Detnet”(결정론적 네트워크)이라고 불리는 이 작업은 아직 완성되지 않았다.
 

9. ODVA 분산 모션 및 시간 동기화 신호

2015년 11월, ODVA Distributed Motion SIG는 시간에 민감한 네트워킹 기술을 지향하는 시장의 움직임에 대응하기 위해 이름을 분산 모션 및 시간 동기화 SIG(DM & TS SIG)로 변경하였다. 이 전환 과정에서, SIG는 시간 민감 네트워킹[TSN] 기술을 ODVA 표준에 통합하는 것에 초점을 맞추도록 헌장을 확장하였다.

DM & TS SIG의 주요초점 및 우선순위는 TSN 통합이 현재 제품설계 및 기존 설치에 미치는 영향을 최소화하는 접근방식과 마이그레이션 메커니즘을 개발하는 것이다. 이 목표를 용이하게 하기 위해 SIG는 출발점으로서 다음과 같은 분야에 초점을 맞추도록 요청 받았다.

• 프레임 선점(IEEE 802.1)Qbu & 802.3br)
•기가비트 이더넷
• 스트림 예약 프로토콜(IEEE.802.1 Qcc) 및 관련 기술

이러한 특정 기술들은 초기 분석에서 기가비트 이더넷과 결합된 프레임 선점의 조합이 스케줄링에 비해 시스템 성능, 결정론, 처리량에 극적으로 기여했다는 사실이 밝혀졌기 때문에 대상이 되었다. 이 분석을 통해 모션 제어와 같은 고성능 응용 프로그램이 대역폭을 위한 기가비트 이더넷과 대용량 패킷의 지연시간 감소를 위한 선점으로부터 큰 이점을 얻을 수 있다는 것이 입증되었다.

9.1 응용 프로그램 분석

높은 수준에서 수행된 분석은 단일 컨트롤러와 스위치를 통해 연결된 여러 축이 세그먼트당 25개 축으로 팬 아웃되는 여러 DLR 세그먼트에 대한 분배 메커니즘으로 작동하는 CIP Motion 애플리케이션으로 구성되었다. 시스템은 100 Mbit/s 및 1 Gbit/s 와이어 속도로 분석되었다. 또한, 프레임 선점과 스케줄링 모델은 아키텍처에서 이러한 변수 각각이 수정됨에 따라 지원될 수 있는 축의 수의 비교 차이를 확인하기 위해 도입되었다.

원시 성능 관점에서 지원 가능한 총 축 수로 측정한 결과는 표 1에 나와 있다. 단순히 원시 성능 관점에서 유선 속도의 효과가 선취 또는 스케줄링만으로 얻을 수 있는 기여보다 훨씬 크다는 것을 보여준다.



그러나 선점과 예약은 CIP Motion 트래픽보다 우선순위가 낮은 큰 패킷이 네트워크에 도입될 때 트래픽을 관리할 수 있는 이점이 있다. 선점과 스케줄링 트래픽을 모두 사용하면 회선에서 대용량 패킷의 대기 시간이 크게 줄어든다. 표 2는 유선 속도, 선점, 스케줄링의 함수로써 네트워크에 도입된 큰 1518 바이트 패킷의 영향을 보여준다(선점 기능이 활성화되면 더 높은 우선순위 패킷이 통과하기 전에 더 낮은 우선순위 프레임의 최대 124바이트가 버퍼를 통과한다).

9.2 예정교통과의 공존과 802.1 QCC의 통합

이 분석에 나타난 성능 이점에도 불구하고, 시장은 여러 가지 이유로 IEEE-802.1 Qbv(예약형 이더넷) 기술을 채택하는 방향으로 서서히 이동하고 있다.

중요 트래픽에 예약된 시간이 제공되면 스트림을 제어하고 전체 네트워크를 모델링 및 시뮬레이션하는 기능이 간소화된다. 철도 시스템 열차와 마찬가지로, 동일한 선로에 걸쳐 여러 열차가 다양한 목적지를 오가는 빡빡한 스케줄링을 제어하여 충돌을 피하면서 처리량을 최적화할 수 있다. 승객이 알려진 시작 시간과 종료 시간을 기준으로 여정을 계획할 수 있는 것과 마찬가지로, 네트워크 시뮬레이션 도구는 이제 네트워크 설계자가 시스템의 성공 여부를 시운전 전에 잘 알 수 있는 예측 가능한 모델을 제공할 수 있다.

IEEE-802.1 Qbv에 대한 시장의 이러한 움직임은 기존 제품들이 CNC에 네트워킹 요구 사항을 게시하고 모든 트래픽의 성공적인 관리를 위한 인프라를 관리하고 설정함으로써 이러한 새로운 환경에 참여해야 함을 의미한다.

어떤 장치가 13개의 동일한 와이어를 다른 TSN 지원 장치와 공유하도록 제안한다면, 다른 트래픽 스트림에 의해 “오버”되는 것을 방지하기 위해 CNC에 대한 요구사항의 공표는 필수적이다. 즉, CIP 아키텍처의 일부로 일정을 채택하거나 채택하지 않기로 결정하더라도 스트림 요구사항의 공표를 허용하는 새로운 서비스는 예약된 트래픽과의 공존을 위한 기본 ‘필수’이다.

802.1 Qcc 표준은 제품이 CNC에 요구 사항을 게시할 수 있도록 ODVA 내에서 채택해야 하는 스트림 예약 프로토콜이다. 이 정보의 출판은 CUC에 의해 CNC에 제공될 것이다. 산업 애플리케이션에서 CUC는 오프라인 상황에서 제어기를 위한 애플리케이션 프로그래밍 소프트웨어이거나 온라인 상황에서 PLC일 가능성이 높다.

이러한 구성 요소에는 스트림 요구사항이 이미 정의되어 있다. 이더넷/IP 제품이 TSN 도메인으로 이동함에 따라 802가 포함된다. 1QCC 서비스는 공존을 위한 기본 요건이 되며 DM & TS SIG는 이러한 표준이 IEEE 내에서 굳어짐에 따라 ODVA 규격 내에서 이러한 서비스의 정의를 시작할 것이다.

9.3 현황

ODVA 분산 모션 및 시간 동기화 SIG는 ODVA 사양에 통합되어야 하는 TSN 표준을 식별했으며, 또한 ODVA 기술과 TSN 기술의 융합을 촉진하기 위해 추가 개발이 필요한 기술 영역을 식별했다.

다음 목록은 해당 영역에 대해 자세히 설명한다.

• Gbit Ethernet의 지속적인 개발 및 홍보
• 프레임 선점을 위한 IEEE 802.1 Qbu 및 802.3br 포함
• IEEE 802.1 Qcc 및 CNC에 네트워크 요구 사항 게시를 위한 기타 스트림 예약 서비스 통합
• 다양한 시간 도메인 및 시간 프로필(예: 802.1AS에서 CIP Sync의 IEEE-1588 기본 프로필)의 브리징을 허용하는 시간 게이트웨이의 정의, 개발 및 승격

9.4 기존 QOS를 사용한 CNC 통합을 위한 고유한 위치에 있는 EtherNet /IP

위의 섹션 3.2에서 논의한 바와 같이 EtherNet/IP는 CNC의 네트워크 미적분 엔진 부분을 활용할 수 있도록 고유하게 배치되어 있다는 점에 유의해야 한다. EtherNet/IP는 항상 “수정되지 않은 표준 이더넷” 플랫폼에서 설계되었기 때문에 표준화된 우선 순위 지정 메커니즘을 사용하면 다른 기술이 예정된 솔루션을 준비하거나 스케줄링 엔을 관리할 수 있는 제품을 개발하기 훨씬 전에 CNC에 요구사항을 전달할 수 있다. CNC의 Gine 부분. 이는 ODVA 회원이 이미 ODVA ‘스위트 스팟’에 있는 솔루션을 제공함으로써 초기 TSN 참여로부터 이익을 얻을 수 있음을 의미한다.

여기에 표현된 아이디어, 의견 및 권고는 ODVA 기술의 가능한 사용을 위한 저자의 개념을 설명하기 위한 것이며 ODVA 자체의 아이디어, 의견 및 권고를 반영하지 않는다. ODVA 기술은 여러 공급업체의 제품 및 시스템과 연계하여 다양한 상황에서 적용될 수 있기 때문에, 독자 및 ODVA 네트워크 지정 담당자들은 의도된 사용을 위해 여기에 표현된 아이디어, 의견 및 권고사항의 적합성과 적합성을 스스로 결정해야 한다.


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