결정적 통신을 보장하기 위해 시간 민감성 네트워킹을 구현하는 방법

결정적 통신은 자율 로봇 공학, 기타 인더스트리 4.0 시스템, 5G 통신, 고급 운전자 지원 시스템(ADAS), 실시간 스트리밍 서비스 등 다양한 응용 분야에서 매우 중요합니다. IEEE 802 이더넷 표준은 시간 민감성 네트워킹(TSN)이라고 불리며 결정적 통신을 지원하도록 확장되었습니다. TSN을 올바르게 구현하면 비 TSN 장치와 상호 운용이 가능하지만 결정적 통신은 TSN 지원 장치 간에만 사용할 수 있습니다. TSN을 구현할 때 결정적 통신과 상호 운용성을 모두 갖추기 위해 여러 가지 IEEE 802 표준을 조정해야 하므로 TSN을 처음부터 네트워킹 장비로 설계하는 것은 복잡하고 시간이 많이 소요됩니다.

대신 네트워크 장비 설계자는 시장 출시 시간을 단축하고 개발 위험을 줄이기 위해 TSN 기능이 내장된 마이크로프로세서 장치(MPU)로 전환할 수 있습니다. 이 기사에서는 TSN 작동과 구현에 대한 기본 사항을 알아보고 TSN 구현을 위한 여러 가지 IEEE 802.1 표준을 소개합니다. 이어서 IEC/IEEE 60802와 TSN의 관계를 따져보고 TSN을 EtherCAT, ProfiNet, EtherNet/IP 등 다른 프로토콜과 비교합니다. 그런 다음 TSN 기능을 포함하는 Texas Instruments, NXP, Renesas의 MCU와 함께 결정적 네트워킹을 인더스트리 4.0 장치에 통합하도록 지원하는 개발 플랫폼을 소개합니다.

TSN이 개발되기 전에는 특수 산업용 필드 버스에서만 실시간 네트워킹을 사용할 수 있었습니다. 흔히 필드 버스를 ‘산업용 이더넷’이라고 합니다. 802.1 TSN 표준은 계층 2 기능과 LAN 수준 스위칭을 정의하고 시간 개념과 동기화 개념을 추가합니다. TSN은 계층 2 이상의 수준에서 프로토콜을 대체하지 않으며 소프트웨어 인터페이스나 하드웨어 구성 및 기능을 정의하지 않으므로 다양한 응용 프로그래밍 인터페이스(API)와 호환됩니다(그림 1).

그림 1: TSN 표준은 계층 2 기능을 정의하며 다양한 API와 공존할 수 있습니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

기존 TSN 트래픽 셰이핑 알고리즘은 표준 이더넷 네트워크 내에서 실시간 트래픽과 일반적인 최선의 트래픽을 공존할 수 있도록 합니다. 시간 결정적 통신을 위해 결정성과 낮은 대기 시간을 보장할 수 있습니다. 이는 산업 환경과 자동차 환경에서 안전에 관련된 시스템 배포를 지원할 수 있습니다. 주요 IEEE 802.1 TSN 하위 표준에는 다음이 포함됩니다(표 1).

• IEEE 802.1 AS – 시간 및 동기화
• IEEE 802.1Qbv – 시간 인식 셰이퍼
• IEEE 802.3Qbr – 분산된 고속 트래픽
• IEEE 802.1Qbu – 프레임 선점
• IEEE 802.1Qca – 경로 제어 및 예약
• IEEE 802.1CB – 이중화
• IEEE 802.1 Qcc – 스트림 예약 향상 및 개선
• IEEE 802.1 Qch – 순환 대기열 및 전달
• IEEE 802.1Qci – 스트림별 필터링 및 보안
• IEEE 802.1CM – 프론트홀을 위한 시간 민감성 네트워크

표 1: TSN은 결정적 성능, 이중화, 기타 기능을 모듈 방식으로 제공하기 위해 여러 가지 하위 표준이 필요합니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

IEEE TSN은 TSN의 작동을 보장하기 위해 필요한 하위 표준을 4가지 종류로 나눠볼 수 있습니다. 시간 동기화는 네트워크 전체에서 클록의 동기화를 보장하기 위한 기반이며, 802.1ASrev라고도 하는 802.1AS는 동기화와 관련된 기본 하위 표준입니다.

또 다른 하위 표준 그룹은 낮게 제한된 대기 시간과 관련이 있습니다. 대기 시간이 낮게 제한되도록 지원하는 것은 데이터 전송에서 결정성을 달성하기 위한 필수 조건이며 802.1Qat(크레딧 기반 셰이퍼), 802.3Qbr(분산된 고속 트래픽), 802.1Qbu(프레임 선정), 802.1Qbv(시간 인식 셰이퍼(TAS)), 802.1Qav(순환 대기열 및 전달) 및 802.1Qcr(비동기 트래픽 셰이핑)의 5가지 하위 표준으로 정의됩니다.

결함, 오류를 처리하고 이중화 및 관련 기능을 제공하기 위해서는 뛰어난 신뢰성이 필요합니다. 관련 하위 표준은 802.1CB(프레임 복제 및 제거), 802.1Qca(경로 제어 및 예약), 802.1qci(스트림별 필터링 및 보안), 802.1AS 및 802.1AVB(TSN의 시간 및 동기화 부분에서 시간 동기화에 대한 신뢰성 및 IEEE 오디오 브리징 표준)를 포함합니다.

여기에는 전용 리소스와 API 그리고 이기종 네트워크의 더 상위 수준의 계획 및 구성과 상호 운용성을 포함하여 기타 필요한 ‘오버헤드’ 기능과 관련된 일반적인 하위 표준 그룹이 있습니다. 이러한 일반적인 하위 표준의 예로는 802.1Qat(스트림 예약 프로토콜), P802.1Acc(TSN 구성), YANG(Yet Another Next Generation) 데이터 모델링 언어와의 호환성, 802.1Qdd(리소스 할당 프로토콜)가 있습니다.

TSN의 모듈식 설계를 통해 특정 응용 분야와 사용 사례에 맞게 최적화할 수 있습니다. 모든 기능이 매번 필요한 것은 아닙니다. 예를 들어 802.1AS, 시간 및 동기화는 TSN의 모든 공장 자동화 사용 시 특히 중요하지만 이중화는 자동화 사용 사례의 일부에서만 필요할 수 있습니다.

IEC/IEEE 60802와 TSN의 관련성

이 기사를 작성하는 시점에 산업 자동화용 IEC/IEEE 60802, Draft 1.4, TSN 프로파일은 의견을 받고 있으며 2023년에 승인을 받을 것으로 예상하고 있습니다. IEC SC65C/WG18 및 IEEE 802 프로젝트는 산업 자동화를 위한 TSN 프로파일을 정의합니다. 이 공동 노력에는 산업 자동화 구축을 위한 산업 프로파일 선택 기능, 옵션, 구성, 기본값, 프로토콜, 브리지 절차, 엔드 스테이션, LAN이 포함됩니다. 기존 IEEE 802 TSN 표준과 마찬가지로 60802는 유연성 있는 모듈식이며 다양한 네트워킹 시나리오를 다룰 것입니다.

IEC/IEEE 60802는 IEEE 802 표준을 뛰어넘을 것이며 산업 자동화를 위한 상호 운용이 가능한 브리지된 시간 민감성 네트워크의 사용자와 공급업체가 운영 기술 트래픽 및 기타 트래픽을 동시에 지원하는 통합 네트워크를 효과적으로 배포하기 위해 TSN 관련 표준과 기능을 순서대로 선택하고 사용하기 위한 지침이 필요하다는 점을 인식하여 개발 중입니다. 다양한 필드 버스를 종종 '산업용 이더넷’으로 불렀기 때문에 산업 자동화를 위한 IEC/IEEE 60802 TSN 프로파일이 공개되는 초기에는 혼란이 생길 수도 있습니다.

TSN 및 필드 버스

TSN과 필드 버스의 사용은 양자택일의 문제가 아닙니다. 이 둘은 서로 호환 가능하고 종종 함께 사용되며 모두 시간 동기화와 관련된 개념을 사용합니다. 그러나 PROFINET, EtherNet/IP, EtherCAT 등의 필드 버스는 서로 다른 방식으로 동기화를 구현합니다. PROFINET은 정밀 시간 제어 프로토콜(PTCP)을 사용합니다. EtherCAT은 동기화를 위해 전용 레지스터와 연결된 레지스터를 사용하는 분산 클록을 사용합니다.

PROFINET과 EtherNet/IP에는 기본 스위칭 기술로서 IEEE 이더넷 학습 브리지가 포함되어 있습니다. 결과적으로 이제 이러한 프로토콜은 표준 TSN 하드웨어를 사용하기 위해 TAS 및 프레임 선점의 확장을 조정할 수 있습니다. EtherNet/IP는 데이터 교환을 위해 UDP 패킷을 사용하며 TSN 스위칭 계층과 호환됩니다. PROFINET은 프로그래밍 가능 실시간 장치 및 산업용 통신 서브 시스템(PRU-ICSS) TSN 솔루션에서 지원하는 데이터에 대한 직접 계층 2 버퍼 모델을 지원합니다.

TSN은 최소한 EtherCAT, PROFINET, 기타 산업용 이더넷 프로토콜만큼 낮은 주기 시간을 지원하도록 설계되었습니다. 기가비트 이더넷으로 업그레이드하면 TSN이 다른 프로토콜의 성능을 능가할 것으로 예상됩니다. EtherCAT에서 결정적 트래픽에 대한 지원은 특수한 유형의 데이터 패킷으로 제한됩니다. EtherCAT과 TSN을 함께 사용하면 유연성을 향상시킬 수 있습니다. 예를 들어 동기화와 관련하여 TSN은 다중 마스터 기능을 추가합니다. 세 가지 프로토콜 모두 서로 다른 방식으로 이중화를 제공합니다. TSN은 IEC 62439-3에 정의된 대로 병렬 이중화 프로토콜(PRP) 및 고가용성 고신뢰성 이중화(HSR) 프로토콜과 같은 기술을 사용하여 제로 손실 이중화를 구현합니다(표 2).

표 2: EtherCAT, PROFINET, TSN은 유사한 기능을 가지고 있지만 구현 방식이 다릅니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

TSN은 응용 계층을 포함하지 않으며 응용 수준에서 필드 버스에 대한 문제를 제기하지 않습니다. 예를 들어 기계 수준에서 EtherCAT을 계속 사용하면서 기계와 스위치를 상호 연결하면 TSN 기능을 포함하는 산업용 이더넷 네트워크를 구축할 수 있습니다. TSN-EtherCAT 통합 네트워크는 기술을 혼합하지 않고도 두 기술을 모두 사용하며 성능 면에서 각 기술의 최고 성능을 실현하기 위한 완벽한 통합을 정의합니다.

최대 6개의 포트가 탑재된 MCU

TSN 연결이 필요한 인더스트리 4.0 내장형 장치 설계자는 AM6528BACDXEA와 같은 Texas Instruments의 AM652x Sitara 프로세서로 전환할 수 있습니다. 이 MCU는 Arm Cortex-A53 코어 2개를 듀얼 Cortex-R5F와 프로그래밍 가능 실시간 장치 및 산업용 통신 서브 시스템 기가비트(PRU_ICSSG) 서브 시스템 3개를 결합하여 TSN, PROFINET, EtherCAT, 기타 프로토콜을 포함하여 최대 6개의 산업용 이더넷 포트를 제공하거나 표준 기가비트 이더넷 연결에 사용할 수 있습니다(그림 2).

그림 2: AM652x Sitara 프로세서에는 TSN 및 기타 산업용 이더넷 프로토콜에 사용할 수 있는 포트가 6개 탑재되어 있습니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

AM652x 제품군에는 장치 관리 및 보안 제어(DMSC) 서브 시스템에서 관리하는 세분화된 방화벽과 더불어 보안 부팅과 암호화 가속도 포함되어 있습니다. 또한 듀얼 Cortex-R5F MCU 서브 시스템은 2개의 개별 코어를 범용으로 사용하거나 기능 안전 응용 분야에서 같은 방식으로 사용할 수 있습니다.

CC-Link IE TSN 스택이 탑재된 MCU

NXP의 i.MX RT1170 크로스오버 MCU는 MIMXRT1176DVMAA와 마찬가지로 고성능 Cortex-M7 코어(최대 1GHz로 동작)와 전력 효율이 높은 Cortex-M4 코어(최대 400MHz로 동작)가 탑재된 듀얼 코어 아키텍처를 갖추고 있습니다. 이 듀얼 코어 아키텍처는 응용 제품을 병렬로 실행할 수 있도록 하며 필요에 따라 개별 코어를 꺼서 전력 소비 최적화를 지원합니다. 이 MCU는 전체 CC-Link IE TSN 통신 스택을 제공하며 실시간 연산을 지원하고 12ns 인터럽트 응답 시간을 제공하도록 최적화되어 있습니다.

그림 3: NXP의 i.MX RT1170 MCU에는 전용 TSN 기능 블록(검은색 타원형 내부)이 포함되어 있습니다. (이미지 출처: NXP)

머신 러닝(ML) 응용 분야, 실시간 모터 제어기, 얼굴 인식과 같은 고급 인간 기계 간 인터페이스(HMI), 기타 인더스트리 4.0 응용 제품의 개발 속도를 높이기 위해 NXP는 MIMXRT1170-EVK 평가 키트를 제공합니다(그림 4). 이 평가 키트는 더 나은 전자파 적합성(EMC) 성능을 위한 스루홀 설계가 적용된 6층 인쇄 회로 기판(PCB)에 구축되었으며 TSN 연결 개발을 위한 이더넷 포트 2개가 포함되어 있습니다.

그림 4: NXP의 MIMXRT1170-EVK 평가 키트입니다. (이미지 출처: NXP)

TSN용 MCU 및 시험용 키트

Renesas의 R9A07G084M04GBG#AC0과 같은 RZ/N2L MCU 제품군은 인더스트리 4.0 응용 제품에서 산업용 이더넷 및 TSN의 구현을 단순화하도록 설계되었습니다. TSN, EtherCAT, PROFINET, EtherNet/IP, OPC UA를 지원하는 3포트 기가비트 이더넷 스위치를 통해 결정적 통신을 가능하게 합니다. Renesas는 RTK9RZN2L0S00000BE 시험용 키트+도 제공합니다. 이 시험용 키트에는 산업용 응용 제품에 적합한 광범위한 주변 장치 기능이 포함되어 있으며 산업용 이더넷 및 TSN 평가를 지원합니다(그림 7). 이 키트에는 필요한 모든 하드웨어와 소프트웨어가 포함되어 있습니다.

• 하드웨어
  • RZ/N2L MCU 및 온보드 에뮬레이터가 탑재된 CPU 기판
  • 전원 공급 장치 USB 케이블(C 타입 - C 타입)
  • 온보드 에뮬레이터 연결 USB 케이블(A 타입 - 마이크로 B 타입)
  • PC 터미널 디버깅 USB 케이블(A 타입 - 미니 B 타입)
• 소프트웨어
  • 개발 환경, 샘플 코드, 응용 예제는 웹에서 사용할 수 있으며 여기에는 신속한 평가와 시제품 제작을 위한 주변 장치 드라이버와 다양한 응용 예제가 포함된 소프트웨어 지원 패키지도 포함됩니다.

그림 5: RTK9RZN2L0S00000BE 시험용 키트+에는 결정적 네트워킹 개발을 지원하기 위해 필요한 하드웨어 및 소프트웨어와 응용 예제가 포함되어 있습니다. (이미지 출처: Renesas)

요약

TSN은 결정적 통신 개발을 지원하기 위해 IEEE 802.1 이더넷 표준에 추가되었습니다. TSN은 계층 2 통신 기능을 정의하며 EtherCAT, PROFINET, EtherNet/IP 등과 같은 상위 수준 프로토콜과 호환됩니다. 또한 국제 표준인 IEC/IEEE 60802, 산업 자동화용 TSN 프로파일로 곧 구현될 예정입니다. 제조업체는 이미 MCU 및 관련 개발 플랫폼에 TSN을 통합하기 시작했으며 설계자가 결정적 통신을 차세대 인더스트리 4.0 장치에 신속하게 통합할 수 있도록 지원하고 있습니다.