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기술정보 (연재)EtherNet/IP에 TSN 적용 <3회>

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작성자 최고관리자 댓글 0건 조회 198회 작성일 22-05-13 18:10

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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.

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6. 제어 애플리케이션에 대한 TSN 기능의 영향

TSN이 제어 응용 프로그램에 미칠 수 있는 영향을 조사하기 위해 아래에 설명된 모델을 고려해 보겠다.

이 모델은 “m” 스위치 홉으로 구성된 인프라를 통해 연결된 컨트롤러와 드라이브로 구성된다. 입력 데이터는 입력 간격이 끝나기 전에 컨트롤러에 도착해야 한다. 계획된 데이터 출력은 플래너 간격이 끝나기 전에 전송되어야 한다. 출력 데이터는 출력 간격이 끝나기 전에 드라이브에 도달해야 한다. 단순화를 위해 간격은 1ms의 업데이트 속도로 3분의 1로 나뉜다. 또한 모델은 다음을 가정한다.
• 모든 네트워크 요소는 시간을 인식한다.
• 전체에 걸쳐 표준 QoS/우선순위
• 컷스루 스위칭[Cut-through switching](컷스루 대기 시간 ~2usec @ 100Mbs; ~1usec @ 1Gbs)
• 트래픽 볼륨 및 네트워크의 간섭 트래픽 크기에 대한 일부 제어
이 분석은 네트워크 성능과 관련된 문제의 일부에 초점 을 맞출 것이다. 이러한 시스템을 설명하는 간단한 수학적 모델은 다음과 같다.

Max xis=1+{1/3*Connection Update Period–(Drive Transmission Delay+(m+1)*Ethernet Transmission Time+m*Switch Latency+NIC Packet Processing Delay+Bus Interface Delay)}/NIC Packet Processing Delay
최대 축=1+{1/3*연결 업데이트 기간–(드라이브 전송 지연+(m+1)*이더넷 전송 시간+m*스위치 대기시간+NIC 패킷 처리 지연+버스 인터페이스 지연)}/NIC 패킷 처리 지연

• (여기서 m = # 홉스/Hops)
• 드라이브 전송 지연 : 모든 드라이브에 전송 전에 대기 중인 출력이 있다고 가정하므로 다른 피연산자에 비해 기여도가 작으며, 사실상 0 usec이다.
• 업데이트 패킷이 상당히 작다고 가정(124바이트), 따라서 이더넷 전송 시간은 (124+20)*80ns/byte = 11.52 usec(10 0Mbs에서)
• 스위치 대기 시간 = (간섭 패킷 크기+20)*80ns/byte
• NIC 패킷 처리 지연 – 네트워크에 병목 현상이 발생하는지 확인하는 기술이 있다(예 : 2사이클 처리) : 10 0Mbs의 경우 11.5usec, 기가비트의 경우 1.15
• 버스 인터페이스 지연 : 전체 시스템 아키텍처와 많은 관련이 있다. 지연은 효과적으로 0으로 갈 수 있다(좋은 버스 구조, DMA/ 등). 우리는 이 분석을 위 해 0을 가정할 것이다. 이상적으로는 모든 드라이브 가 출력 데이터를 동시에 전송하기를 바란다. 이러한 방식으로 컨트롤러와 브리지 간의 링크가 최적으로 활용된다. 그림 7~8과 같이 성능은 간섭 트래픽과 이에 따른 홉 수의 영향을 크게 받는다. 실제로 제어 시스템은 간섭하는 패킷의 크기를 제한하도록 네트워크를 설계한다(아래 예에서는 15 0 0 바이트와 500 바이트의 간섭 트래픽이 있는 10 0Mbs 링크 속도를 가정함).

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선점은 간섭 트래픽의 영향을 제한하는 표준 통합 수단을 제공한다. 최대 조각 크기가 64인 경우 최대 간섭 프레임 크기는 다음과 같다. (2*64바이트)-1 = 127바이트 따라서 선점은 제어 네트워크를 간섭 트래픽으로부터 격리하는 문제를 단순화한다. 네트워크 설계자는 여전히 동일한 우선 순위의 다른 트래픽이 유선에 존재하지 않거나, 대역폭이 그러한 모든 트래픽을 처리하기에 충분한지 확인해야 한다.
회선 토폴로지 및 예약된 트래픽을 활용하면 간섭 트래픽의 영향을 더욱 최소화할 수 있다.
그림 9와 같이 드라이브 전송 지연, 전송 시간 및 스위치 지연을 보상하기 위해 드라이브 일정을 개별적으로 조정 할 수 있다.
따라서 스위치 대기 시간으로 인한 영향이 최소화되고, 간섭 트래픽의 영향은 들어오는 패킷을 처리하는 컨트롤러의 능력보다 덜 고려된다. 이 예에서는 여전히 다소 격리 된 네트워크를 가정한다(즉, 제어 패킷을 방해할 수 있는 동일한 클래스의 다른 트래픽이 없음). 그림 10과 같이 기 가비트 전송 속도는 간섭 트래픽의 영향을 더욱 줄인다. 홉에 걸쳐 예약된 트래픽의 이점은 훨씬 덜 중요하다.

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