계장기술(PROCON)

특별기고 <제1부>TSN이 ODVA 기술에 미치는 영향 [IEEE-802.1, Avnu, IETF]

페이지 정보

작성자 최고관리자 댓글 0건 조회 123회 작성일 22-02-14 15:41

본문

6f2e5faed57fbae7f08c23e6577b046f_1644820271_1824.png
ODVA가 EtherNet/IP에 채택을 하기 위해 TSN(Time Sensitive Networks) 표준이 고려되고 있다. 이 문서는 다른 표준 그룹이 수행하는 TSN 기반 작업과 이 작업이 EtherNet/IP에 미치는 잠재적 영향에 대한 상태 및 업데이트를 ODVA 커뮤니티에 제공할 것이다.

1) IEEE에서 TSN 표준 상태를 검토하고 있다.
참고로, EtherNet/IP는 IEEE의 802.3을 사용하고 있다.
2) 광역의 결정론적 네트워크를 만들기 위한 IETF DETNET의 작업을 검토하고 있다.
3) 시스템 설계 문서인 TSN 운영 이론을 포함하여 TSN을 위한 상호운용성 및 인증 표준을 개발하는 Avnu의 작업을 검토하고 있다.
4) 새로운 TSN 기술에 대응한 ODVA SIG 활동을 검토하고 있다.

본 문서에서는 IEEE 802.1 TSN을 구성하는 표준 상태 및 콘텐츠도 검토하고 있다.
•IEEE 802.1Qcc 스트림 예약 프로토콜(SRP) 향상 및 성능 개선 
•IEEE 802.1Qbv 예약 트래픽 향상
•IEEE 802.1Qbu 프레임 선점
•정밀도 시간(IEEE1588 및 IEEE802.1 AS)

본 문서는 다음과 같은 TSN 표준에 대한 요약을 제공한다.
•IEEE 802.1Qci 스트림별 필터링 및 치안 유지
•IEEE 802.1 신뢰성을 위한 CB 프레임 복제 및 제거
•IEEE 802.1Qca 경로 제어 및 예약

마지막으로, 본 문서에서는 EtherNet/IP 및 TSN 표준을 결합하여 이전에는 달성할 수 없었던 새로운 차원의 “수정되지 않은 표준 이더넷”을 제공하는 방법에 대해 설명한다.


1. 소 개

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, 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 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 우선순위를 부여받았던 트래픽을 재정의할 수 있는 기능을 가진 새로운 우선순위 메커니즘을 만든다. 그렇다면 기존 기술과 애플리케이션을 방해하지 않고, 새로운 트래픽에 새로운 수준의 기능과 더 높은 수준의 우선순위를 도입하는 방법은 무엇일까? 이것은 시장 대화의 많은 부분을 소비했고, 표준 커뮤니티에서 대화의 핵심 포인트가 되어온 질문이다. 본고에서는 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 802.1AS-2011 – 타이밍 및 동기화 : 고정밀 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 의존하며,
- 802에 포함된다. 1Q-2012
•IEEE 802.1Qav-2009
– 시간에 민감한 스트림을 위한 전달 및 큐잉    : 지연 시간 제한 및 배달의 변화를 위한 신용 기반 쉐이퍼로 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)
   : 우선순위가 높은 트래픽이 우선순위가 낮은 트래픽을 인터럽트하여 우선순위가 낮은 트래픽이 완전히 전송되기를 기다리지 않고 즉시 전송할 수 있다. 우선순위가 높은 트래픽(선제 트래픽 이라고도 함)이 전송을 완료한 후 우선순위가 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 TSN으로 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 – 스트림당 필터링 및 치안 유지 - 구성된 리소스 요구사항에 따라 트래픽을 감시 및 필터링하여 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.

1) IEEE 802.1QBV : 예약된 네트워킹
앞에 나열된 TSN 보완을 구성하는 많은 사양이 있지만, 시스템 및 상호운용성 수준에서 다양한 표준 및 규정 준수 조직이 소비하는 작업의 대부분은 802.1Qbv 표준 또는 예정된 이더넷에 집중되고 있다. 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 매개변수의 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 우선순위가 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. 위의 그림 1과 2를 참고하기 바란다.

6f2e5faed57fbae7f08c23e6577b046f_1644820646_6569.png

그림 1에서 예약된 트래픽은 이더넷 네트워크에서 가장 우선순위가 높은 트래픽으로 표시된다. 이전에 존재했던 모든 표준 우선순위 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 우선순위 지정 메커니즘은 예약된 트래픽보다 낮은 우선순위로 정의된다. 그림 1의 사용 사례는 예약된 트래픽이 다른 트래픽 유형과의 공존을 보여준다. 여기에서 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. 문제는 이것이 문제가 있는가 하는 것이다. 그것은 실제로 응용프로그램과 시스템의 요구사항에 따라 다르다.
예약된 이더넷 트래픽과 예약되지 않은 이더넷 트래픽의 공존은 시스템 수준에서 모든 트래픽 요구사항을 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 집중식 네트워크 구성 정책 엔진)에 관련 연결에 대한 트래픽 요구사항을 게시하거나 알림으로써 트래픽 계획에 참여해야 한다. TSN 표준 기관이 도입한 새로운 시스템 수준 기능인 CNC는 네트워크 내 모든 연결 간 트래픽 흐름을 모두 수용할 수 있는 최상의 솔루션을 계산한다. 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, 응용프로그램에서 성공적으로 작동하기 위해 자체 트래픽 스트림을 제대로 서비스하지 못할 수 있는 위험이 있다. TSN 솔루션의 이러한 측면은 네트워크 설계 및 계획 워크플로우를 크게 변화시킨다. 기존의 네트워크 커미셔닝 방법은 전체론적 솔루션에 실제로 초점을 두지 않고, 구성요소에 의존해왔다. TSN 가치 설명 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 라우팅하기 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 구성요소의 역할과 기능을 보여주는 다음과 같은 상위 시스템 다이어그램을 생각해 보기 바란다.
 6f2e5faed57fbae7f08c23e6577b046f_1644820714_4449.png

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 802.1Qcc 규격에 정의되어 있다. 산업 시스템에서 CUC는 오프라인 구성을 위한 PLC 프로그래밍 소프트웨어와 연결되거나 런타임 동안 PLC와 연결된다. 네트워크 정보가 이미 알려진 구성요소에서는 산업 애플리케이션의 요구를 충족하기 위해 I/O 연결, 페이로드 및 시스템 대기 시간이 정의되어 있다.

1) 정책 기반 우선순위 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 요구사항들의 기능이다. 정책은 응용프로그램에서 가장 중요한 트래픽에 우선순위를 제공하고, 시스템에서 가장 중요한 트래픽이 경쟁 스트림보다 우선하도록 보장하기 위해 설정된다. 모든 시스템이 동일한 트래픽 유형에 동일한 수준의 우선순위를 부여하지는 않는다. 예를 들어 전화 시스템은 VOIP에 가장 높은 우선순위를 부여할 가능성이 높은 반면, 산업 제어시스템은 동작제어 트래픽에 가장 높은 우선순위를 부여할 수 있다. 정책 기반 관리의 이러한 요소는 네트워크 또는 시스템을 관리하는 모든 사람에게 완전한 제어 권한을 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 요구사항이 제공된다. 정책 정보가 CNC에 대한 입력으로도 제공되면, 시스템은 가장 우선순위가 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 우선순위를 부여할 수 있다. 예를 들어 ODVA의 CIP 모션 트래픽은 802.1Qbv 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 트래픽이 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 우선순위는 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 한다.

6f2e5faed57fbae7f08c23e6577b046f_1644820785_3109.png

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 속도 제한(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 수가 있다.


4. AVNU 얼라이언스

Avnu Alliance 조직은 TSN 표준을 위한 상호운용성 규격을 개발하는 인증 기관이다. Avnu Alliance 조직은 다양한 산업과 시장 부문의 회사들로 구성되어 있다. 이것들은 전문적인 오디오/비디오 시장, 자동차 시장, 소비자 시장 그리고 산업 시장이다. 오디오/비디오 시장에서 시작된 최초의 Avnu 규격은 오디오/비디오 제품을 인증하기 위해 작성되었으며, 아브누 인증 마크를 받은 많은 제품들이 있다. 산업 시장 부문은 Avnu 동맹에 상대적으로 생소하다. 그 기구는 산업 통제 분야의 인증 표준을 개발하는 작업을 시작했다. 산업 분야에 TSN 기술을 적용할 때 어려운 점 중 하나는 오래 전부터 확립돼 있고, 설치 기반이 큰 기존 기술과 표준이 다수 존재한다는 것이다. 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 기반 산업 프로파일과 적합성 규격을 정의하여 사전 정의된 기술의 공존과 기존 설치의 보호를 허용하는 것이다. 이를 위해 노력하는 Avnu 회원사도 많다. 이 작업은 작은 작업이 아니다. 마이그레이션 및 네트워크 융합을 위해 이러한 기술의 매핑 및 병합에 성실하고 엄격한 주의가 필요하다.

1) 산업별 운영 이론 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 될 것이다.
odva@odva.or.kr


<용어의 정의>
• CUC : 중앙 집중식 사용자 구성 엔진. 산업 시스템에서 CUC는 오프라인 구성을 위한 PLC 프로그래밍 소프트웨어와 연결되거나 런타임 동안 PLC와 연결된다. 네트워크 정보가 이미 알려진 곳은 이러한 구성 요소들이다.
•CNC : 중앙 집중식 네트워크 구성 정책 엔진. 모든 네트워크 및 정책 요구사항을 수신하고, 네트워크 계산과 네트워크 일정을 모두 계산하는 컨트롤러이다.
•예약된 트래픽 : 802를 통해 관리되는 트래픽이다. Qbv 사양은 데이터 전달의 지연 시간과 변동을 모두 제한하는 시간 기반 쉐이퍼(Shaper)를 정의한다.
•속도 제한 트래픽 : 기존의 QoS(서비스 품질) 우선 순위 지정 방법을 사용하고, 예약된 트래픽이 아닌 모든 트래픽이다.
•최선의 노력 트래픽 : 데이터 전달이 보장되지 않거나 QoS 수준 또는 특정 우선순위가 지정되지 않은 트래픽이다.
•네트워크 계산 : 네트워크 로드를 계산하고 주어진 페이로드, 스트림당 최대 지연 시간 및 요청된 패킷 간격을 모델링하기 위한 수학이다.
•RPI : 요청된 패킷 간격이다. 연결 간 데이터 교환을 위해 요청된 샘플링 주파수이다.