EtherNet/IP의 TSN 적용 - Technical Report

개요

이더넷은 이미 모든 산업제어 시스템에 널리 사용되고 있다. 많은 산업용 프로토콜은 독점적인 레이어 2 솔루션을 사용하여 이더넷을 통해 결정적인 문제들을 해결하고 있다. 새로운 IEEE 802.1 TSN표준은 산업제어에서 직면하는 동일한 부류의 문제들을 목표로 표준기반 접근 방식을 위해 독점적 솔루션들을 대체할 것을 약속하고 있다. EtherNet/IP(이더넷아이피)는 결정론적인 성능을 제공하기 위해 항상 상업적으로 이용 가능한 표준 이더넷 기술에 의존해 왔으며 새로운 표준을 활용할 수 있는 유리한 위치에 있다. 이 백서에서는 특정 사용사례에 대해 논의하고 새로운 TSN표준을 EtherNet/IP 네트워크에 적용하여 향상된 결정성과 성능제공을 하는 방법을 조사하고자 한다. 또한 TSN 기반 네트워크에서 예상되는 결과를 현재 사용중인 기술의 결과와 대조해 보려고 한다.

용어정의

브리지[Bridge:] 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.

참고: ‘브리지’는 종종 TSN 토론에서 ‘스위치’와 같은 의미로 사용된다.

중앙 집중 식 네트워크 구성(CNC): TSN응용 프로그램(사용자)을 대신하여 네트워크 리소스를 구성하는 중앙집중식 구성 요소이다.

신용기반 셰이퍼: 브리지의 하나 이상의 송신 큐에서 작동하고 더 낮은 우선 순위의 트래픽 액세스를 제공하여 회선에 ‘공정성’을 부여하는 우선 순위 지정 메커니즘이다. 높은 우선순위의 트래픽이 주어진 시간 동안 상속자를 모두 소진했을 때의 네트워크이다.

끝 측점End station]: LAN 또는 MAN을 통해 전송되는 트래픽의 소스 및 대상 역할을 하는 LAN(Local Area Network) 또는 MAN(Metrophan Area Network).

그랜드 마스터[Grandmaster]: 일반화된 정밀시간 프로토콜(gPTP) 도메인에서 최상의 마스터 클럭 알고리즘(BMCA)에 의해 결정되는 최적의 클럭을 포함하는 시간 인식 시스템.

수신기: 스트림의 대상, 수신기 또는 소비자가 되는 끝 스테이션.

스트림: Talker에서 하나 이상의 Listener로 데이터의 양방향 흐름.

동기화된 시간: 이벤트의 동기화된 시간은 그랜드 마스터에 상대적인 이벤트의 시간. 동기화된 시간 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 측점.

트래픽 클래스[raffic class]: 중요 서비스 또는 시간에 민감한 서비스에서 생성된 프레임을 신속하게 전송하는 데 사용되는 분류. 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 대기 열과 일대일 대응 성을 갖는다. 트래픽 클래스 0은 노출되지 않은 트래픽에 해당하고 0이 아닌 트래픽 클래스는 빠른 트래픽 클래스에 해당한다. 프레임과 연결된 지정된 우선 순위와 지정된 트래픽 클래스 수에 대해 고정 매핑은 프레임에 할당될 트래픽 클래스를 결정한다.

결정론적 이더넷의 개요[Deterministic Ethernet Overview]

결정론적 이더넷은 공장자동화, 프로세스제어, 자동차 네트워크와 같은 크리티컬한 실시간 응용 프로그램에서 표준 이더넷을 사용할 수 있는 확장된 기능집합을 가리킨다. 이더넷은 ‘최선의’ 네트워크였다. 이더넷이 미션 크리티컬 애플리케이션에 배치될 수 있도록 하려면 시간 동기화, 예약된 트래픽, 수신보안, 원활한 이중화 등을 포함한 특정기능을 추가해야 한다. 이러한 기능을 통해 네트워크 설계자는 전체 네트워크 토폴로지에 걸쳐 특정 클래스의 트래픽이 제 시간에 전송될 수 있도록 보장할 수 있다. 결정론적 이더넷은 공장자동화 시장에서 시작되었는데, 이 시장에서 대형 OEM들은 이더넷에 이러한 기능을 추가하기 위한 자체적인 방법을 정의했으며, 이는 오늘날 산업용 이더넷에서 사용되는 수많은 ‘오픈 표준’을 낳았다. ODVA는 수년 동안 중요한 트래픽에 대한 시간동기화와 서비스 품질을 갖춘 결정론적 이더넷 네트워크를 배치해 왔다. IEEE 표준조직은 현재 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 확장기능 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 2017 ODVA 산업 회의 3 ©2017 ODVA, Inc. 네트워크에 미션 크리티컬 실시간 트래픽이 공존할 수 있다. 이러한 새로운 TSN 표준의 개발 배경에는 떠오르는 자동차 이더넷 시장이 있다. 그러나 Industrial Automation 시장은 자동차 제어 애플리케이션과 많은 공통 요구사항을 공유하므로 표준기술과 대규모 시장에 내재된 규모의 경제를 활용할 수 있다. 중요한 점은 새로운 IEEE 표준이 수년 동안 산업용 이더넷 프로토콜에 사용된 것과 동일한 기본기술 중 일부를 기반으로 한다는 것이다. 그러나 많은 조직들은 결정론을 달성하기 위해 독점계층 2 기술에 의존해 왔다. 반대로 ODVA와 EtherNet/IP는 IEEE 및 기타 조직의 널리 이용 가능한 유비쿼터스 표준에 전적으로 의존해 왔다. 이러한 이유로 ODVA는 새롭게 등장하는 TSN 표준을 성공적으로 활용할 수 있는 유일한 준비가 되어 있다.

TSN 및 분산 모션 및 시간 동기화 SIG ODVA는 분산 운동 및 시간 동기화 SIG에 이러한 TSN 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.

• 시간 동기화[Time Synchronization]

TSN의 맥락에서 시간 동기화는 기존 IEEE P802.1에 대한 제안된 수정 사항을 의미한다. 오디오 비디오 브리징에 정의된 AS 표준이다. 제안된 변경사항을 이해하려면 먼저 IEEE 802.1을 설명해야 한다. IEEE802.1AS는 IEEE1588 정밀시간 프로토콜의 오디오-비디오 브리징(AVB) 프로필이다. IEEE802.1AS는 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. AVB프로필(IEEE802.1)AS에는 AVB 구성 요소의 ‘플러그 앤 플레이 요구 사항’에 맞춘 기능이 있다. 투명 시계는 IEEE802 계층화 규약을 위반하기 때문에 브리지 지연 시간을 보상하기 위해 투명시계를 사용하지 않는다. 대신, 각 노드는 가장 좋은 마스터 클럭으로부터 시간정보를 받아 대기 시간을 보상하기 위해 경계 클럭과 유사한 방식으로 슬레이브 클럭을 생성한다. 본질적으로 이 접근법은 동료기반이다. 이 접근방식은 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 브라운필드 설치는 더 큰 TSN 에코 시스템에 포함될 수 있고 TSN이 제공해야 하는 많은 새로운 특징과 기능의 혜택을 받을 수 있다. End-to-End TC 기능은 브라운필드 설치에서 중요한 모든 노드가 시간을 인식해야 하는 것은 아니다. 비시간 인식 노드가 있는 경우 시간 정확도가 저하되지만, 시간인식 노드 간에 시간에 대한 공통 이해가 유지된다. 대조적으로, IEEE802.1에 의해 이용되는 피어 투 피어 메커니즘AS는 모든 노드가 시간을 인식해야 한다. 명백히 이 규정은 브라운필드 사용 사례에 실무적으로 적용할 수는 없다.

피어 투 피어 및 엔드 투 엔드 시계 시스템

IEEE802.1AS-REV에는 시간에 민감한 응용프로그램에 필요한 새로운 기능이 도입되었다. 이러한 기능에는 여러 시간영역을 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 기본구성 요소이지만 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.

•예약된 트래픽[Scheduled Traffic]

이더넷(공장 자동화, 로봇 공학, 자동차 제어 시스템)을 통해 제어 루프를 구현하는 애플리케이션은 최소의 지연 시간과 지터[jitter]로 정확한 시간에 제어 데이터를 전달해야 한다. 기존 우선 순위 메커니즘은 트래픽의 우선순위 지정 또는 대역폭(AVB) 보증을 제공하지만 배달시간은 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 이 요구된 사항을 지원한다. 이 분할은 사실상 해당 트래픽 클래스에 의해서만 사용되는 보호된 ‘채널’을 만든다. 보다 명확하게 하기 위해 이 트래픽 클래스는 모든 경우에 스케줄링 된 트래픽이며 스케줄링 된 트래픽은 와이어에서 가장 높은 우선 순위가 지정된다. IEEE802와 같이. 1Qbv는 시간 인식 "전송 게이트"를 도입함으로써 이 분할을 달성한다. 이러한 게이트는 별도의 전송 대기 열을 활성화하는 데 사용된다. Qbv 셰이퍼[shaper]는 특정 시간에 전송 게이트를 열고 닫는 시간 기반 순환 스케줄을 제공한다. 게이트가 열리면 기존 IEEE802가 열린다. 1Q 전송선택 알고리즘이 정상적으로 작동한다. 주어진 대기 열은 엄격한 우선순위(최선의 노력) 기반으로 작동할 수 있는 반면 다른 대기 열은 AVB 애플리케이션에 대해 정의된 신용기반 셰이퍼를 사용할 수 있다. 그러나 IEEE는 주어진 상황에서 어떤 QoS/트래픽 쉐이핑 메커니즘을 사용해야 하는지에 관한 지침을 제공하지 않는다는 점에 주목할 필요가 있다. 이러한 사용사례는 응용 프로그램마다 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.

IEEE8021Qbv 큐 구조

•선점[Preemption]

오늘날의 인프라 구성 요소는 초기 패킷이 이미 출구[egress port]에 배치된 경우 다음 패킷이 전송되기 전에 전체 패킷 전송을 완료하도록 설계되었다. 따라서 우선 순위가 낮은 1500바이트 패킷 등은 우선 순위가 높은 패킷을 보류[hold off]할 수가 있다. 100Mb/s의 유선 속도에서는[120]us이다. 선점이란 IEEE802.3br/IEEE802.1큐비유[Qbu]에 따른 인터스퍼싱 익스프레스 트래픽[Interspersing Express Traffic]이라고도 하는데 이것은 더 높은 우선 순위 패킷이 시스템을 통해 이동할 수 있도록 스위치가 중간-스트림[mid-stream]에서 전송을 중지할 수 있도록 하는 메커니즘을 정의한 것이다. 즉 한 가지 수준의 트래픽 만을 선점 형으로 정의하는 것을 의미한다.

선점

•끊김 없는 이중화[Seamless Redundancy]

안정성을 위한 프레임 복제 및 제거(IEEE P802.1CB)의 견고하고 안정적인 통신을 보장하려면 제어 시스템이 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. 2017 ODVA Industry Conference 6 © 2017 ODVA, Inc.에 대한 복사본 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 트래픽 만 복제하면 된다. 혼잡 손실에 대한 최선의 노력과 기타 트래픽 허용성은 여전히 정상적으로 전송될 수 있다.

• 수신 보안[Ingress Policing]

안정성을 위한 프레임 복제 및 제거(IEEE P802.1CB)를 위해 견고하고 안정적인 통신을 보장하려면 제어 시스템이 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. 2017 ODVA Industry Conference 6 © 2017 ODVA, Inc.에 대한 복사본 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 수가 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 수가 있다.

• 중앙 집중식 구성[Centralized Configuration]

IEEE P802.1Qcc[스트림 예약 프로토콜(Stream Reservation Protocol/SRP)]향상 및 성능 개선프로그램은 중앙 집중 식 네트워크 구성[centralized network configuration/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 집중 식 수단을 제공할 수 있다. CUC[Centralized User Configuration]는 종단 스테이션을 검색하고 종단 스테이션 기능 및 사용자 요구 사항을 검색하며 종단 스테이션에서 TSN 기능을 구성하는 데 사용할 수 있다.

중앙 집중 식 구성의 네트워크 활용률

산업제어[Industrial Control]

개요

현대 산업 네트워크는 산업 애플리케이션의 요구 사항을 충족하기 위해 정보 기술(IT)과 운영 기술(OT)의 분야를 결합한다. 산업제어 부문에 의해 제공되는 애플리케이션은 종종 수정과 증강을 필요로 하는 복잡한 모듈화된 설계를 필요로 하는 정교한 프로세스이다. 이러한 애플리케이션에는 고성능, 결정론과 예측 가능성이 필요하다. 인프라에는 고가용성(high-availability) 요구사항을 지원하기 위한 하드웨어 내구성 및 복원 기능 모두에서 매우 강력하고 안정적인 설계가 필요하다. 산업제어 시장의 네트워킹 유산은 여러 산업 기술 표준뿐만 아니라 여러 공급 업체별, 독점 기술로 확장되는데 뿌리를 두고 오랫동안 확립되어 왔다. 이들 기술을 기반으로 자리 잡은 산업용 설치기반은 한 세대의 기술에서 다음 세대로 신중하고도 느리게 이동하는 보수적인 제조사 커뮤니티다. 투자하기 전에 솔루션을 검증하고 투자 수익율[ROI/Return On Investigation]를 신중하게 계산해야 한다. 현재 위치에서 이동은 항상 설치된 자산을 보호하고 주어진 아키텍처 변화에 대한 수익성을 극대화하기 위해 마이그레이션[Migration]과 진화를 통해 이루어진다. TSN기술이 등장하기 전에는 이러한 다양한 산업 솔루션을 보다 통합된 접근 방식으로 이끌 동기가 많지 않았다. 그러나 TSN과의 대화로 인해 향후 네트워킹 솔루션에는 전체적인 접근방식과 진정한 시스템관점이 요구될 것이라는 인식이 확산되었다. 미래 네트워크는 모든 요소(기반시설과 엔드 스테이션 모두)를 포함하는 포괄적인 답변을 최종 솔루션에 포함해야 한다. 더욱이, 완전한 산업사물 인터넷(IIoT)의 문제 진술을 해결하기 위해, 이 포괄적인 솔루션은 기존의 서로 다른 기술과 표준이 새로운 에코 시스템[생태계/Ecosystem]에 포함될 수 있는 솔루션을 향해 변형되도록 협업을 해야 한다. 특정기술, 공급업체 또는 제품이 이 새로운 패러다임에 참여하지 않을 경우 "시스템"이 이러한 구성 요소에서 전송되거나 전송이 되는 트래픽을 수용하거나 계획할 방법이 없다. 그 때문에, 이러한 구성요소가 전체 설계에서 제대로 제공되지 않거나 비생산적인 방식으로 전체 설계를 방해하게 된다.

산업용 사용 사례[Industrial Use Case]

산업제어 애플리케이션 및 관련 네트워크 설계에는 다음의 대표적인 아키텍처를 고려하기 바란다.

산업용 사용 사례

이 시스템에서 산업공정은 4개의 다른 기계로 구성된 단일 기계에 의해 제어된다. 기계의 각 섹션은 각기 다른 OEM을 통해 공정에 전달되며, 각 OEM은 공정의 제어 부분에서 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 제조시설에 있는 다른 기계와 동일하며, 이는 다른 시설의 주소 지정 체계와 일치한다. 또한 각 기계 섹션은 고유 VLAN을 가진 서브 넷이므로 장비가 모듈 식으로 구성되고 기능적인 조직을 이룰 수가 있다. 기계의 모든 섹션이 동기화 및 조정이 되어 최종제품을 생산하며 제조현장의 데이터가 MES 시스템의 데이터와 공급 망의 데이터와 상호 연관될 수 있도록 관련 이벤트가 타임스탬프[Timestamp]된다. 전체 제조시설은 절대시간에 대한 동일한 이해를 사용하며 모든 사건은 벽시계 시간[‘wall clock time.’/컴퓨터용어/벽 시간]이라는 일반적인 개념과 관련이 있다. 또한 이 사용 사례는 다른 1588 기반 솔루션을 활용하는 제품과 기술의 선재 성을 인정한다. 이 경우 기계 섹션 A의 구성 요소 A는 기계 섹션 C의 구성 요소 A'와 통신할 수 있으며, A의 구성 요소 B는 기계 섹션 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 타임 브리지 또는 타임 게이트웨이 메커니즘의 구현은 더 넓은 TSN 가치 제안에 포함되는 기존 제품과 기술의 확장된 커뮤니티를 위한 마이그레이션 경로를 제공한다. 이 사용사례에서 구성 요소 A와 A' 및 B와 B'는 타임 게이트웨이 변환을 필요로 한다.

범위 및 시기[Scope and timing,]

위에서 설명한 사용사례는 매우 광범위한 산업응용 분야에서 일반적인 사용 사례이다. 이 사용사례는 레이어 2(switching), 레이어 3(routing) 및 시간 브리징 기능에 대한 솔루션의 필요성을 보여준다. 2017 ODVA Industry Conference 9 © 2017 ODVA, Inc. 오늘날 IEEE-802.1 TSN 작업 그룹은 아키텍처의 계층 2에 초점을 맞추고 있으며, 여기서 대부분의 TSN 작업이 정의되고 있다. 여기에는 시스템 또는 제품에서 구현을 시작할 수 있을 만큼 완전한 작업이 있다. 또한 AVnu는 일부 제품의 이러한 작동수준을 인증하기에 충분한 준수사양[compliance specifications] 을 정의했다. 이 버전의 운영이론[Theory of Operation] 문서는 아키텍처의 이 부분에 있는 기술에 초점을 맞추고 있으며 향후 버전에서는 해당 기술이 정의됨에 따라 다른 영역을 포함하도록 범위를 확장할 예정이다. 레이어 3 기능은 현재 인터넷 엔지니어링 태스크포스(IETF)에 의해 설계되고 있으며 기본적으로 802.1 TSN 사양의 기능을 레이어 3으로 확장한다. 종종 결정론적Detnet[deterministic network]이라고 불리는 이 작업은 집필 당시 아직 완성되지 않았다. 타임 게이트웨이 기능이라고도 하는 타임 브리징은 계층 2 스위치에 표시되며 레거시 기술을 TSN 시스템으로 마이그레이션하는 메커니즘을 제공한다. 이 기능은 어떤 표준 커뮤니티에서도 필수 작업 항목으로 식별되지 않았다. 개별 공급자는 이러한 교량 기능을 시장에 대한 해결책으로 개발할 수 있다. 마지막으로, CNC 장치가 이 다이어그램에 네트워크를 관리하고 이 애플리케이션에 대한 네트워킹 트래픽과 스트림을 적절하게 관리하는 데 사용되는 중앙 집중 식 구성 도구로 표시되어 있다는 사실을 간과해서는 안 된다. 이것은 CNC와 CUC 관계가 설명된 그림 4 주변에서 논의된 개념과 일치한다.

제어 애플리케이션에 대한 TSN 기능의 영향[Effect of TSN features on Control Applications]

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

단순 제어 모델

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 이러한 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 초점을 맞출 것이다. 이러한 시스템을 설명하는 간단한 수학적 모델은 다음과 같다.

Max Axis = 1 + /NIC Packet Processing Delay

최대 축 = 1 + /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(100Mbs에서)

• 스위치 대기 시간 = (간섭 패킷 크기+20)*80ns/byte

• NIC 패킷 처리 지연 – 네트워크에 병목 현상이 발생하는지 확인하는 기술이 있다(예: 2사이클 처리): 100Mbs의 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 위해 0을 가정할 것이다. 이상적으로는 모든 드라이브가 출력 데이터를 동시에 전송하기를 바람. 이러한 방식으로 컨트롤러와 브리지 간의 링크가 최적으로 활용된다. 아래 그림과 같이 성능은 간섭 트래픽과 이에 따른 홉 수의 영향을 크게 받는다. 실제로 제어 시스템은 간섭하는 패킷의 크기를 제한하도록 네트워크를 설계한다(아래 예에서는 1500바이트와 500바이트의 간섭 트래픽이 있는 100Mbs 링크 속도를 가정함).

100Mbs 기준선

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.

선점이 없는 100Mbs

회선 토폴로지 및 예약된 트래픽을 활용하면 간섭 트래픽의 영향을 더욱 최소화할 수 있다.

아래와 같이 드라이브 전송 지연, 전송 시간 및 스위치 지연을 보상하기 위해 드라이브 일정을 개별적으로 조정할 수 있다.

스위치 지연 시간의 영향을 최소화하기 위한 라인 토폴로지 사용

따라서 스위치 대기 시간으로 인한 영향이 최소화되고 간섭 트래픽의 영향은 들어오는 패킷을 처리하는 컨트롤러의 능력보다 덜 고려된다. 이 예에서는 여전히 다소 격리된 네트워크를 가정한다(즉, 제어 패킷을 방해할 수 있는 동일한 클래스의 다른 트래픽이 없음). 아래와 같이 기가비트 전송 속도는 간섭 트래픽의 영향을 더욱 줄인다. 홉에 걸쳐 예약된 트래픽의 이점은 훨씬 덜 중요하다.

기가 비트 링크 속도의 영향

모델 대 현실[Models vs. Reality]

이 분석에 표시된 것이 이더넷 기반 제어 솔루션에 대한 TSN의 영향을 설명하기 위한 단순한 모델이라는 점은 주목할 가치가 있습니다. 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 이것은 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 11.5마이크로초를 가정한다 .시스템 병목 현상이 컨트롤러 패킷 처리가 아니라 네트워크라고 가정하면 기가 비트 속도가 크게 개선된 결과를 보여준다.

향상된 기가비트 성능

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

와이어 속도의 영향 대 CIP 모션 모델 별 TSN 기능(분산 선형 세그먼트 토폴로지)

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

네트워크 컨버전스 및 중앙 집중식 구성[Network Convergence and Centralized Configuration]

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 기가비트 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 집중 식 구성 모델. 1Qcc는 이러한 융합의 비전을 달성하기 위한 실용적인 접근 방식을 제공한다. 이러한 융합을 위해서는 서로 다르고 충돌할 가능성이 있는 트래픽 소스로의 네트워크 트래픽 요구 사항을 게시해야 한다. 예약된 트래픽은 CNC가 이러한 충돌을 관리하고 해결하는 데 사용할 수 있는 도구 중 하나이다. "오류!"에 설명된 사용 사례를 참조하기바란다. 참조 소스를 찾을 수 없다. 그림 5 – 산업용 사용 사례"에서는 중앙 집중 식 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 Networking)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.

미래의 구성 뷰 개념

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 확장 가능하고 예측 가능한 접근 방식을 제공한다. 이더넷/IP 제품은 항상 표준화된 기술에 의존해왔기 때문에 ODVA는 이러한 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.

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. “PriorityChannel이란 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 컨퍼런스 & 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. “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 컨퍼런스 & 제14차 연례 회의.