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.

7. 모델 대 현실

이 분석에 표시된 것이 이더넷 기반 제어 솔루션에 대한 TSN의 영향을 설명하기 위한 단순한 모델이라는 점은 주목할 가치가 있다. 복잡한 실제 시스템에는 많은 잠재적 최적화 지점이 있다. 여기에서 가정한 사항은 논의의 목적을 위한 것이며, 설계 접근 방식이나 솔루션을 제안하기 위한 것이 아니다.

지도를 뚫고 석유를 칠 일은 절대 없을 것이다! 그러나 어떤 식으로든 지도의 가치를 감소시키지는 않는다! (Solomon Golomb : 수학적 모델 – 용도 및 제한 사항, Aeronautical Journal 1968)
• 출처 : Dr Edward Lee(UC Berkley) TSNA'15 – 중요한 사물의 인터넷

예를 들어, 여기에서 사용된 모델은 “NIC 패킷 처리 지연”에 대해 매우 보수적인 11.5 마이크로초를 가정한다. 시스템 병목 현상이 컨트롤러 패킷 처리가 아니라 네트워크라고 가정하면, 기가 비트 속도가 크게 개선된 결과를 보여준다.

분산 모션 및 시간 동기화 SIG는 모션 문제 모델링을 위해 보다 정교한 모델을 사용한다. 이 도구는 ODVA의 소유이므로 백서의 일부로 포함되지 않지만, 해당 모델의 결과는 여기에 포함된 결과를 검증한다.

유선 속도는 대부분의 처리량과 유선 성능에 기여한다. TSN 기능을 사용하면 주어진 유선 속도에서 데이터를 더 잘 “포장”할 수 있다. 선점은 간섭하는 트래픽 제어시스템의 영향을 제한하는 표준 통합 수단을 제공한다. 또한 분석에 따르면, 예정된 트래픽의 추가 복잡성 없이 많은 제어 애플리케이션이 기가 비트 이더넷 및 선점으로 제공될 수 있다.

8. 네트워크 컨버전스 및 중앙 집중식 구성

이러한 결과를 고려할 때 산업 애플리케이션이 예약된 트래픽을 고려할 필요가 있는지 합리적으로 물을 수 있다. 확실히 이 데이터는 제어 애플리케이션에 대한 예약된 트래픽의 이점이 특히 기가 비트 속도에서 기대만큼 극적이지 않음을 시사한다. 그러나 산업 자동화에 이더넷을 배치하면 산업 네트워크로부터의 데이터 액세스가 더욱 바람직해짐을 기억해야 한다. 엔터프라이즈 및 자동화 네트워크가 더욱 통합됨에 따라 다양한 애플리케이션의 데이터 흐름이 수렴되어야 한다. IEEE802에서 제안된 중앙 집중식 구성 모델. 1Qcc는 이러한 융합의 비전을 달성하기 위한 실용적인 접근 방식을 제공한다. 이러한 융합을 위해서는 서로 다르고 충돌할 가능성이 있는 트래픽 소스로의 네트워크 트래픽 요구사항을 게시해야 한다.

예약된 트래픽은 CNC가 이러한 충돌을 관리하고 해결하는 데 사용할 수 있는 도구 중 하나다. “오류!”에 설명된 사용 사례를 참조하기 바란다. 참조 소스를 찾을 수 없다. 지난 “그림 5. 산업용 사용 사례”에서는 중앙 집중식 네트워크 제어 엔티티를 사용하여 개별 서브시스템을 구성할 수 있으며, CNC 엔티티를 사용하여 이러한 다양한 사전 구성 서브시스템을 통합할 수 있음을 확인한다. 이러한 점에서 TSN은 SDN(소프트웨어 정의 네트워킹) 개념과 밀접한 관련이 있다. SDN(Software Defined Network ing)은 네트워크 관리자가 하위 수준의 기능의 추상화를 통해 네트워크 서비스를 관리할 수 있도록 하는 컴퓨터 네트워킹의 접근 방식이다. 이는 기존의 구성요소 수준 보기와 달리 네트워크 구성 및 관리에 대한 시스템 수준 보기를 제공하는 것으로 해석된다.

이 접근법은 네트워크 커미션 이전에 네트워크 모델링에도 도움이 된다. 알려진 토폴로지 및 트래픽 요구사항/제한조건의 집합이 주어지면 CNC는 네트워크 성능을 정확하게 예측할 수 있다. 결론적으로, TSN 기술은 결정론적 네트워킹에 대한 확장이 가능하고, 예측 가능한 접근 방식을 제공한다. EtherNet/IP 제품은 항상 표준화된 기술에 의존해왔기 때문에 ODVA는 새로운 표준을 활용할 수 있는 탁월한 위치에 있다. 그러나 중요한 과제가 남아 있다. 다양한 PTP 프로파일의 통합과 예정된 TSN 네트워크와의 EtherNet/IP 트래픽의 융합이 이러한 과제 중 으뜸이다.

참고 사항 (선택 사항)

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.