이더넷은 모든 산업 제어 시스템에 널리 사용된다. 많은 산업용 프로토콜은 독점적인 레이어 2 솔루션을 사용하여 이더넷을 통해 결정적인 문제들을 해결한다. 새로운 IEEE 802.1 TSN 표준은 산업 제어에서 직면하는 동일한 부류의 문제들을 목표로 표준 기반 접근 방식을 위해 독점적 솔루션들을 대체할 것을 약속한다. EtherNet/IP는 결정론적인 성능을 제공하기 위해 항상 상업적으로 이용 가능한 표준 이더넷 기술에 의존해왔으며, 새로운 표준을 활용할 수 있는 유리한 위치에 있다.
본고에서는 특정 사용 사례에 대해 논의하고, 새로운 TSN 표준을 EtherNet/IP 네트워크에 적용하여 향상된 결정성과 성능 제공을 하는 방법을 조사하고, TSN 기반 네트워크에서 예상되는 결과를 사용 중인 기술의 결과와 대조해 보려고 한다.

1. 결정론적 이더넷의 개요

결정론적 이더넷은 공장자동화, 프로세스 제어, 자동차 네트워크와 같은 크리티컬 한 실시간 응용 프로그램에서 표준 이더넷을 사용할 수 있는 확장된 기능 집합을 가리킨다. 이더넷은 “최선의” 네트워크였다. 이더넷이 미션 크리티컬 애플리케이션에 배치될 수 있도록 하려면 시간 동기화, 예약된 트래픽, 수신 보안, 원활한 이중화 등을 포함한 특정 기능을 추가해야 한다. 이러한 기능을 통해 네트워크 설계자는 전체 네트워크 토폴로지에 걸쳐 특정 클래스의 트래픽이 제시간에 전송될 수 있도록 보장할 수 있다. 결정론적 이더넷은 공장자동화 시장에서 시작되었는데, 이 시장에서 대형 OEM들은 이더넷에 이러한 기능을 추가하기 위한 자체적인 방법을 정의했으며, 오늘날 산업용 이더넷에서 사용되는 수많은 “오픈 표준”을 낳았다.

ODVA는 수년 동안 중요한 트래픽에 대한 시간 동기화와 서비스 품질을 갖춘 결정론적 이더넷 네트워크를 배치해왔다. IEEE 표준 조직은 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 확장 기능 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 네트워크에 미션 크리티컬 실시간 트래픽이 공존할 수 있다.

새로운 TSN 표준의 개발 배경에는 떠오르는 자동차 이더넷 시장이 있다. 그러나 Industrial Automation 시장은 자동차 제어 애플리케이션과 많은 공통 요구사항을 공유하므로 표준 기술과 대규모 시장에 내재된 규모의 경제를 활용할 수 있다. 중요한 점은, 새로운 IEEE 표준이 수년 동안 산업용 이더넷 프로토콜에 사용된 것과 동일한 기본 기술 중 일부를 기반으로 한다는 것이다. 그러나 많은 조직들은 결정론을 달성하기 위해 독점 계층 2 기술에 의존해왔다. 반대로 ODVA와 EtherNet/IP는 IEEE 및 기타 조직의 널리 이용 가능한 유비쿼터스 표준에 전적으로 의존해왔다. 이러한 이유로 ODVA는 새롭게 등장한 TSN 표준을 성공적으로 활용할 수 있는 유일한 준비가 되었다.

2. TSN 및 분산 모션 및 시간 동기화 SIG

ODVA는 분산 운동 및 시간 동기화 SIG에 이러한 T SN 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.

1) 시간 동기화
TSN의 맥락에서 시간 동기화는 기존 IEEE P802.1에 대한 제안된 수정 사항을 의미한다. 오디오 비디오 브리징에 정의된 AS 표준이다. 제안된 변경 사항을 이해하려면 먼저 IEEE 802.1을 설명해야 한다. IEEE 802.1AS는 IEEE1588 정밀 시간 프로토콜의 오디오-비디오 브리징(AVB) 프로필이다. IEEE 802.1AS는 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(IEEE 802.1)AS에는 AVB 구성요소의 “플러그 앤 플레이 요구사항”에 맞춘 기능이 있다. 투명 시계는 IEEE 802 계층화 규약을 위반하기 때문에 브리지 지연 시간을 보상하기 위해 투명 시계를 사용하지 않는다. 대신, 각 노드는 가장 좋은 마스터 클럭으로부터 시간 정보를 받아 대기 시간을 보상하기 위해 경계 클럭과 유사한 방식으로 슬레이브 클럭을 생성한다. 본질적으로 이 접근법은 동료 기반이다. 접근 방식은 기본 IEEE-158 프로필로 정의되고, CIP 동기화에 사용되는 종단 간 투명 클럭과 호환되지 않는다. 이러한 이유로, 기존 기술과 설치가 새로운 TSN 도메인으로 마이그레이션 될 수 있도록 시간 브리징 메커니즘을 개발할 필요가 있다. 타임 게이트웨이를 개발함으로써 브라운 필드 설치는 더 큰 TSN 에코시스템에 포함될 수 있고, TSN이 제공해야 하는 많은 새로운 특징과 기능의 혜택을 받을 수 있다. End-to-End TC 기능은 브라운 필드 설치에서 중요한 모든 노드가 시간을 인식해야 하는 것은 아니다. 비시간 인식 노드가 있는 경우 시간 정확도가 저하되지만, 시간 인식 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 브라운 필드 사용 사례에 실무적으로 적용할 수가 없다.
IEEE802.1AS-REV에는 시간에 민감한 응용프로그램에 필요한 새로운 기능이 도입되었다. 이러한 기능에는 여러 시간 영역을 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 기본 구성요소이지만, 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.

2) 예약된 트래픽
이더넷(공장자동화, 로봇 공학, 자동차 제어시스템)을 통해 제어 루프를 구현하는 애플리케이션은 최소의 지연 시간과 지터(Jitter)로 정확한 시간에 제어 데이터를 전달해야 한다. 기존 우선순위 메커니즘은 트래픽의 우선순위 지정 또는 대역폭(AVB) 보증을 제공하지만, 배달 시간은 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 요구된 사항을 지원한다. 이 분할은 사실상 해당 트래픽 클래스에 의해서만 사용되는 보호된 “채널”을 만든다. 보다 명확하게 하기 위해 트래픽 클래스는 모든 경우에 스케줄링 된 트래픽이며, 스케줄링 된 트래픽은 와이어에서 가장 높은 우선순위가 지정된다. IEEE802와 같이 1Qbv는 시간 인식 “전송 게이트”를 도입함으로써 이 분할을 달성한다. 이러한 게이트는 별도의 전송 대기열을 활성화하는 데 사용된다. Qbv 셰이퍼(Shaper)는 특정 시간에 전송 게이트를 열고 닫는 시간 기반 순환 스케줄을 제공한다. 게이트가 열리면 기존 IEEE802가 열린다. 1Q 전송 선택 알고리즘이 정상적으로 작동한다. 주어진 대기 열은 엄격한 우선순위(최선의 노력) 기반으로 작동할 수 있는 반면, 다른 대기열은 AVB 애플리케이션에 대해 정의된 신용 기반 셰이퍼를 사용할 수 있다. 그러나 IEEE는 주어진 상황에서 어떤 QoS/트래픽 쉐이핑 메커니즘을 사용해야 하는지에 관한 지침을 제공하지 않는다는 점에 주목할 필요가 있다. 이러한 사용 사례는 응용프로그램마다 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.

3) 선 점
오늘날 인프라의 구성요소는 초기 패킷이 이미 출구(Egress port)에 배치된 경우 다음 패킷이 전송되기 전에 전체 패킷 전송을 완료하도록 설계되었다. 따라서, 우선순위가 낮은 1500바이트 패킷 등은 우선순위가 높은 패킷을 보류(Hold off)할 수가 있다. 100Mb/s의 유선 속도에서는120us이다. 선점이란 IEEE 802.3br/IEEE 802.1Qbu)에 따른 인터스퍼싱 익스프레스 트래픽(Interspersing Express Traffic)이라고도 하며, 더 높은 우선순위 패킷이 시스템을 통해 이동하고, 스위치가 중간-스트림(Mid-stream)에서 전송을 중지할 수 있도록 메커니즘을 정의한 것이다. 즉, 한 가지 수준의 트래픽만을 선점 형으로 정의하는 것을 의미한다.

4) 끊김 없는 이중화
프레임 복제 및 제거(IEEE P802.1CB)와 견고하고 안정적인 통신을 보장하려면 제어시스템이 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. 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 트래픽만 복제하면 된다. 혼잡 손실에 대한 최선의 노력과 기타 트래픽 허용성은 여전히 정상적으로 전송될 수 있다.

5) 수신 보안
프레임 복제 및 제거(IEEE P802.1CB)와 위해 견고하고 안정적인 통신을 보장하려면 제어시스템이 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. 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 수 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 수 있다.

6) 중앙 집중식 구성
IEEE P802.1Qcc[스트림 예약 프로토콜(Stream Re servation Protocol/SRP)] 향상 및 성능 개선 프로그램은 중앙 집중식 네트워크 구성(Centralized Network Confi guration/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 집중식 수단을 제공할 수 있다. 또 CUC(Centralized User Configuration)는 종단 스테이션을 검색하고, 종단 스테이션 기능 및 사용자 요구사항을 검색하며, 종단 스테이션에서 TSN 기능을 구성하는 데 사용할 수 있다.

참고사항(선택사항)
1. 브라운, B. Hotchkiss, M. Weingartner, T. “현장 장치에서 산업용 이더넷의 실시간 성능” 2011년 11월 7일,
http://www.innovasic.com/technology/PriorityChannel
2. Alsup, D. Weingartner, T. “PriorityChannel™이란 무엇입니까?” 2012년 5월 14일
http://www.innovasic.com/technology/PriorityChannel
3. Chaffee, Mark. “CIP 모션 구현 고려 사항” 미국 플로리다주 Howey-in-the-Hills에서 열린 ODVA 2009 콘퍼런스 & 제13차 연례 회의
4. Frithjoh Klasen, Jürgen Jaskolla, “VW 데 멕시코 프로피넷”, 프로피넷 인터내셔널 – 2011년 10월, 애리조나 스코츠데일 북미 총회 발표회
5. Lee, Edward A. “절대 정시에 전적으로 긍정적입니다.” 컴퓨터 38.1(2005) : 85-87
6. Lee, Edward A. “중요한 것들의 인터넷?” 미국 샌타클라라, TSNA 2015
7. Prettyjohns, Keith, and Alsup, David. “데이비드 ‘결정론, 내결함성 및 안정성 향상 EtherNet/IP 시스템’” ODVA 2009 컨퍼런스 & 13차 연례 회의, Howey-in-the Hills, 미국 플로리다
8. Woods, Jordon. “CIP 모션 및 기타 실시간 제어 애플리케이션에서 NIC 패킷 처리로 인한 시스템 지연에 대한 기여 최소화” 미국 아즈 주 피닉스 ODVA 2011 콘퍼런스 & 제14차 연례 회의

용어의 정의(선택사항)
• 브리지 : 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. “브리지”는 종종 TSN 토론에서 “스위치”와 같은 의미로 사용된다.
• 중앙 집중식 네트워크 구성(CNC) : TSN 응용프로그램(사용자)을 대신하여 네트워크 리소스를 구성하는 중앙 집중식 구성요소이다.
• 신용 기반 셰이퍼 : 브리지의 하나 이상의 송신 큐에서 작동하고, 더 낮은 우선순위의 트래픽 액세스를 제공하여 회선에 “공정성”을 부여하는 우선순위 지정 메커니즘이다. 높은 우선순위의 트래픽이 주어진 시간 동안 상속자를 모두 소진했을 때의 네트워크다.
• 끝 측점 : LAN 또는 MAN을 통해 전송되는 트래픽의 소스 및 대상 역할을 하는 LAN(Local Area Network) 또는 MAN(Metrophan Area Network)이다.
• 그랜드 마스터 : 일반화된 정밀 시간 프로토콜(gPTP) 도메인에서 최상의 마스터 클럭 알고리즘(BMCA)에 의해 결정되는 최적의 클럭을 포함하는 시간 인식 시스템이다.
• 수신기 : 스트림의 대상, 수신기 또는 소비자가 되는 끝 스테이션이다.
• 스트림 : Talker에서 하나 이상의 Listener로 데이터의 양방향 흐름이다.
• 동기화된 시간 : 이벤트의 동기화된 시간은 그랜드 마스터에 상대적인 이벤트의 시간. 동기화된 시간이다.
• 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 측점이다.
• 트래픽 클래스 : 중요 서비스 또는 시간에 민감한 서비스에서 생성된 프레임을 신속하게 전송하는 데 사용되는 분류이다. 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 대기열과 일대일 대응성을 갖는다. 트래픽 클래스 0은 노출되지 않은 트래픽에 해당하고, 0이 아닌 트래픽 클래스는 빠른 트래픽 클래스에 해당한다. 프레임과 연결된 지정된 우선순위와 지정된 트래픽 클래스 수에 대해 고정 매핑은 프레임에 할당될 트래픽 클래스를 결정한다.