시간 민감형 네트워킹은 어떻게 산업 자동화를 혁신시키는가

디지털 트랜스포메이션(Digital transformation)이 산업 자동화와 제조 분야에 새롭고 획기적인 기회를 열어주고 있다. 제조업체가 산업용 사물 이더넷(IIoT)을 도입해 얻을 수 있는 이점은 다양하다. 기계의 다운타임을 줄이는 것부터 완전히 새로운 비즈니스 모델을 채택하는 것에 이르기까지 인더스트리 4.0으로도 불리는 이 디지털 트랜스포메이션은 전례 없는 방식으로 세계 경제를 혁신하는 중이다.

과거에 제조업체는 특정 산업 제어 애플리케이션을 위해 표준 이더넷 기술 대신 특별히 목적에 맞추어 제작된 프로토콜과 시스템을 채택해야 했다. 초기 이더넷 네트워크는 베스트 에퍼트(best-effort) 통신만 가능했지만, 표준 이더넷은 근래에 많은 발전을 이루었다.

시간 민감형 네트워킹(TSN, Time-Sensitive Networking)이 등장하면서 표준 이더넷 네트워크는 이제 확정적 서비스를 제공할 수 있게 되고, 과거에 수많은 목적에 특화된 프로토콜에 의해 분리됐던 “자동화 섬”을 통합할 수 있게 됐다.

스마트 제조의 미래를 위한 진정한 통합 네트워크 인프라를 정의하기 위해 국제 표준 기구나 Moxa와 같은 하드웨어 업체들은 시간 민감형 네트워킹을 기반으로 하는 솔루션을 개발하기 위해 협력하고 있다. TSN이 진정한 IIoT 네트워크를 구현하는 견고한 기반을 형성함에 따라 전 세계 제조업체들은 마침내 인더스트리 4.0이 약속하는 완전한 이점을 실현할 수 있게 됐다.

이 글에서는 주로 다음과 같은 내용에 대한 설명이 이뤄진다.

• 산업용 애플리케이션을 위해 스마트 제조와 IIoT는 고대역폭, 저지연 네트워크에서 확정적 네트워킹과 실시간 통신을 필요로 한다.
• 전통적 베스트 에퍼트 이더넷 네트워크는 표준 이더넷 기술에서 확정적 서비스를 구현하는 시간 민감형 네트워크로 발전하고 있다.
• 국제 표준 기구나 Moxa와 같은 디바이스 업체들은 TSN을 산업 네트워킹의 미래 기반으로 만들기 위해 협력하고 있다.

숫자를 넘어

오늘날 세계는 제조업체들이 기존 사업 모델과 자동화 인프라에 대해 재고하게끔 만드는 디지털 트랜스포메이션의 새로운 가능성과 마주한 것을 바라보고 있다. 오늘날 제조 업체들은 ‘인더스트리 4.0’ 시대에 걸맞은 적합성과 경쟁력을 유지하려면 단순히 디지털 기술을 채택하고 ‘자동화의 섬’이란 말처럼 특정 부분에 사전 정의된 공정을 배치해오던 방식 이상을 수행해야 한다.

산업의 미래는 이런 디지털화의 새로운 물결을 움직이는 요소와 디지털 트랜스포메이션을 달성하는 데 있어 현재의 산업 자동화 모델이 갖는 한계, 그리고 인더스트리 4.0의 이점을 완전히 실현하기 위해 이러한 한계를 극복하는 방법은 무엇인지 이해하는 데 달려 있다.

오늘날 무엇이 디지털 트랜스포메이션을 움직일까?

“인더스트리 4.0” 혹은 “산업용 사물 인터넷”(IIoT)으로 불리는 제조 기술에서 자동화와 데이터 교환의 현재 트렌드 토대는 디지털화다. 디지털화는 아날로그 신호, 소리, 이미지, 텍스트와 기타 정보를 컴퓨터가 읽을 수 있는 형식으로 변환함으로써 지난 수십 년 동안 산업의 특성 자체를 변화시켰다.

이는 전통적인 산업의 효율성과 생산성을 향상했을 뿐만 아니라, 이전에 상상할 수 없던 기회를 활짝 열었다. 또한 전 세계에서 기업이 비즈니스를 수행하는 방식을 혁신하기도 했다. 예측 가능한 미래에 이런 트렌드는 더 강력하게 지속적인 성장을 견인하고, 산업 부문 외에도 전 세계 경제에 많은 이득을 가져다줄 것으로 예상된다.

그러나 산업에서 디지털 트랜스포메이션은 아날로그 정보를 일련의 0과 1로 바꾸는 과정 그 이상을 포함한다. 제조업체가 정보를 구성하는 모든 비트를 이해하려면 데이터는 생산 현장의 수많은 센서와 장비로부터 전송돼, 사람이나 기계가 정확한 정보에 입각한 실시간 결정을 내릴 수 있도록 처리돼야 한다.

따라서 스마트 제조를 위한 디지털 트랜스포메이션은 센서부터 인공지능(AI)을 갖춘 정교한 로봇에 이르기까지 모든 종류의 디지털화된 장비 간 단절 없는 통신을 실현하고, 가시성을 높이는 다양한 네트워킹 기술과 프로토콜을 포괄해야 한다.

실제로, 디지털화는 연결된 장치에서 발생하는 데이터의 통합, 생성된 데이터의 수집, 성능을 향상하는 피드백에 기초하기 때문에 많은 제조업체가 최근 IIoT 기술을 채택하고 있다. 그것이 기계의 다운타임을 줄이기 위한 것이든, 성능을 개선해 비즈니스 혁신을 향한 새로운 기회를 열고자 하는 것이든, 또는 제품을 서비스로 제공하는 등 완전히 새로운 비즈니스 모델을 채택하기 위한 것이든 많은 제조업체가 디지털 트랜스포메이션을 향해 속속 나아가고 있다.

산업 자동화의 현재 한계

제조업체들은 산업 혁명 이후 꾸준히 생산성을 증가시키는 방법을 찾아왔다. 이를 위해 기계화 생산과 함께 효율과 이윤을 향상하는 수단으로 디바이스 커넥티비티가 도입됐으며, 1980년대부터는 디지털 디바이스를 채택되기 시작했다. 그 결과 오늘날 우리가 알고 있는 산업 자동화가 등장하게 된 것이다. 아래는 산업 자동화의 구조를 시각화할 때 유용한 퍼듀 모델(Purdue model)이다.

퍼듀 모델에서 산업 자동화는 분리된 목적에 특화된 프로토콜이 개별 계층을 차지하는 피라미드를 구성한다. 그러나 이 모델은 동시에 오늘날 산업 네트워크에 많은 인프라 문제를 발생시킨다. 목적에 특화된 독립 프로토콜은 그것을 위한 작업을 자동화하는 데에는 매우 우수할지 모르지만, 근본적으로 다른 “언어”로 말하기 때문에 실시간 통신이 어렵다.

이 모델에서 전통적인 산업 네트워크는 종종 100Mb/s(또는 이하) 전송 속도로 제한되며 확장이 어렵다. 그뿐 아니라 여러 애플리케이션에 독자적인 하드웨어와 소프트웨어를 사용하는 것은 상호운용성을 저해함과 동시에 유지보수 비용을 증가시킨다. 그 결과 전체 계층에 걸쳐 시스템 통합과 가시성을 달성이 어려워지며, 이는 전체 가치 사슬에 부정적인 영향을 미친다.

이 모델에서 전통적인 산업 네트워크는 종종 100Mb/s(또는 이하) 전송 속도로 제한되며 확장이 어렵다. 또 여러 애플리케이션에 독자적인 하드웨어와 소프트웨어를 사용하는 것은 상호운용성을 저해함과 동시에 유지보수 비용을 증가시킨다. 그 결과 전체 계층에 걸쳐 시스템 통합과 가시성을 달성이 어려워지며, 이는 전체 가치 사슬에 부정적인 영향을 미친다.

기업이 세계적인 경쟁력을 유지하기 위해서는 분명 제조 전략 또한 발전해야 한다. 오늘날 고객의 요구는 점점 다양화되고 있으며, 기업들은 새로운 요구를 만족하면서도 운영 효율을 증가시키기 위한 방법을 찾고 있다. 제조업체가 판매 전망치에만 매달려 생산량을 조절하던 시대는 지나갔다.

이제 제조업체는 빅데이터 분석으로부터 관련 있는 통찰을 확보해 실시간으로 고객의 요구를 만족하며, 낮은 비용으로 생산을 최적화하는 데 도움을 받을 수 있다. 하지만 이는 제조업체가 어떻게 최신 기술을 적용해 “인더스트리 4.0”을 도입하고 앞서 나갈 수 있는지 보여주는 하나의 예에 지나지 않는다.

산업이 디지털화, 자동화, 혁신을 지속함에 따라 복잡하게 전 세계적으로 운영되는 장비와 기기, 사람들이 그 어느 때보다 연결되고 있다. 궁극적으로, 신뢰할 수 있고 확장 가능한 네트워크를 통해 실현되는 효율성, 유연성, 가용성을 보다 높은 기업의 성장과 성과, 종업원, 고객의 만족으로 전환하려면 산업 네트워크는 시장과 산업 발전을 따라가야 한다.

산업 자동화의 미래

“자동화 피라미드”로 표현되는 전통적인 퍼듀 모델은 네트워크 통신의 서로 다른 계층을 나타낸다. 이들 계층은 단편화되고, 잠재적으로 신뢰할 수 없으며, 특히 장기적으로 유지하기 어렵다. 업계 내에서는 시장과 비즈니스 조건에 실시간으로 대응할 수 있는 “자율 피라미드”에 대한 요구가 제기돼 왔다. 이렇게 새롭게 그려지는 구조에서 자동화와 네트워크 데이터 흐름의 분리된 섬은 공통된 의미구조와 통합된 인프라를 통해 서로 통신할 수 있다.

[그림2]에서 보듯 새로운 “자율 피라미드”는 산업 자동화의 미래를 다음과 같이 매끄럽게 연결된 시스템으로서 그린다.

• 소형, 정적, 분리된 제어 루프는 소프트웨어와 물리적 구성요소를 밀접하게 잇는 가상의 물리적 시스템(CPS, cyber-physical systems)이며, 대형, 동적, 개방 제어 루프 통신으로 발전한다.
• 이전 폐쇄 루프 데이터는 공통 기반에서 이제 개방적인 통신이 가능하므로 지능적으로 상호작용할 수 있는 양방향 데이터 통신 흐름을 생성한다.
• 장비에서부터 재료, 사람에 이르기까지 모든 비즈니스 자산은 통합된 인프라에 지능적으로 연결됨으로써 엔드-투-엔드 “자율” 통신, 협력, 대응, 채택과 최적화를 통해 “적시에” 다양한 고객의 요구를 충족할 수 있다.

제조업체는 자동화, 유지보수, 분석 등을 포함한 수많은 개별 애플리케이션에 통합된 네트워크 인프라를 사용함으로써 다음과 같은 이점을 달성할 수 있다.

1. 다양한 최종 장치들이 서로 실시간 통신이 가능해짐에 따라 실시간 피드백 루프를 구현하도록 시스템, 디바이스, 애플리케이션을 매우 쉽게 구성할 수 있다. 또한 통합된 컨텍스트 기반 네트워크 구조는 머신 러닝을 가능하게 하므로 장기적으로 빅데이터 분석을 활용하고 그에 따라 대응할 수 있어 주문 제작(made-to-order)의 유연성과 효율성을 더욱 증가시킨다.

2. 데이터에 대한 향상된 접근으로 생산 모니터링을 실시간으로 수행할 수 있고, 다양한 시나리오에서 더 높은 품질과 더 상세한 KPI를 달성할 수 있다.

3. 보다 견고한 네트워크 인프라가 생산 현장의 장비에 카운트, 분류, 품질 제어, 비디오 감시를 비롯한 더 많은 애플리케이션을 지원할 수 있다. 시스템에 실시간으로 제공되는 데이터 덕분에 이제 더 이상 기계는 고립돼 동작하지 않고 다른 기계와 함께 작동하므로 생산성이 향상된다.

모션 가이던스, 증강 현실, 머신 비전, 햅틱스 등 로봇공학과 머신 감지의 개발 기술과 결합 공장 자산은 더 낮은 비용으로 최적화된 성능을 제공할 수 있다.

4. 이더넷 표준에 기반한 기술과 같이 표준화된 기술과 확장 가능한 구조는 훨씬 큰 유연성을 제공한다. 네트워크 구성에 많은 문제를 안겨주었던 토폴로지 차이는 인프라 기술과 프로토콜의 표준화를 통해 다른 모듈러 유닛이나 익스텐션과 유사한 방법으로 관리할 수 있다. 계층의 구성, 유지보수나 제거는 더 비용 효율적이 되고 시간을 덜 소모한다.

실제로, 오늘날 퍼듀 모델의 자동화 섬을 분리하는 통합 인프라는 연결된 물리적 산업 객체로 구성된 시스템을 생성하고, 새로운 부가 가치 정보를 만들어내는 데이터를 교환하고 분석할 수 있게 한다. 이를 수행하는 데 있어 산업용 사물 인터넷은 적시에 적절한 위치에서 올바른 결정을 내릴 수 있게 하므로 이전에 사전 정의된 공정을 진정한 동적 공정으로 변화시킨다.

궁극적으로 산업 자동화와 제어 시스템의 미래는 고가용성과 실시간 통신에 대한 요구사항을 만족하면서 새로운 제품과 혁신적 솔루션 개발을 지원하는 인터넷 기술, 그리고 정보의 통합에 달려 있다.

보다 정확하게 말하면, 미래의 통합 네트워크 인프라는 성능과 QoS를 보장하고, 나아가 오늘날 현재의 자동화 섬을 분리하는 목적에 특화된 프로토콜보다 더 우수한 통신 기능을 필요로 한다. 다행히 표준 기구와 독립 벤더들은 인더스트리 4.0의 잠재적 이점을 인식하고 산업 네트워크를 위한 새로운 통합 기반으로 시간 민감형 네트워킹을 개발하기 위해 협력하고 있다.

표준 정의: 시간 민감형 네트워킹

확정적 통합 인프라에 대한 요구에 부응해 개발된 TSN은 표준 이더넷 네트워크에서 확정적 메시지 전송을 구현하는 일련의 표준이다. IEEE가 정의한 TSN은 엔드-투-엔드 전송 지연에 대해 협상 불가능한 시간 프레임을 보장하기 위한 네트워크 트래픽 관리 형식을 포함한다.

따라서 모든 TSN 장치는 서로 클록을 동기화하고, 공통적인 시간 기준을 사용해 산업 제어 애플리케이션을 위한 실시간 통신을 지원해야 한다. TSN 표준이 초기에는 IEEE에 의해 개발됐지만 TSN은 주 IEEE 표준을 넘어 많은 국제 기구와 기업들이 적극적으로 참여하고 협력하고 있다는 점을 인식할 필요가 있다.

초기 표준 이더넷 네트워크는 데이터 전달을 보장할 수 없었고 높은 지연 시간이 발생했다. 그 결과 높은 네트워크 신뢰성과 가용성이 필요했던 업계는 산업 제어 시스템과 자동화를 위해 자체적인 전문적이고 독자적인 네트워킹 솔루션(수정된 이더넷 네트워크, 필드버스 등)을 개발했다.

전통적인 베스트 에퍼트 이더넷 기술이 제조를 위한 산업용 애플리케이션의 고가용성과 저지연 요구사항을 만족하려면 확정적 특성을 갖추도록 발전해야 했다. TSN은 근본적으로 IIoT 미래의 요구사항을 만족하는 표준 이더넷 기술 발전의 다음 단계이다.

TSN은 이더넷에서 확정적 서비스를 위한 일련의 표준을 제공하는 외에도 인더스트리 4.0의 완전한 잠재력과 디지털화의 약속을 실현하기 위해 많은 다양한 산업 기구와 업계 선도업체들을 공통의 목표 아래 한데 모으고 있다

TSN은 근본적으로 IIoT 미래의 요구사항을 만족하는 표준 이더넷 기술 발전의 다음 단계이다. TSN은 이더넷에서 확정적 서비스를 위한 일련의 표준을 제공하는 외에도 인더스트리 4.0의 완전한 잠재력과 디지털화의 약속을 실현하기 위해 많은 다양한 산업 기구와 업계 선도업체들을 공통의 목표 아래 한데 모으고 있다

발전하는 베스트 에퍼트 네트워크

전통적인 이더넷 네트워킹 기술은 일반적으로 베스트 에퍼트 패킷 전달을 사용하는 허브와 스위치를 포함한다. 대부분 데이터 패킷은 순차적이고 성공적으로 전달되지만, 전달이 항상 보장되는 건 아니다.

웹 브라우징 애플리케이션에서는 베스트 에퍼트 네트워크가 적절히 수행할 수 있지만, 산업 제어 애플리케이션은 더 높은 가용성, 제로 패킷 손실, 더 낮은 지연이 필요하다. 결국 패킷 전달이 보장되지 않는다면, 매우 중요한 제어 데이터가 적시에, 적절한 장소에 전달되지 않을 수 있다.

1980년대 제조업체들이 기계적 또는 아날로그 기술에서 디지털 기술로 옮겨가기 시작했을 때 베스트 에퍼트 방식의 이더넷 네트워크는 전통적인 필드버스에 비해 높은 대역폭을 제공했지만 높은 정밀도와 가용성, 실시간 전송 보장이 필요했던 산업 제어 시스템에 적합한 인프라로 간주하지 않았다.

당시 이더넷 기술의 매우 높은 비용 외에도, 이더넷 재전송 알고리즘과 충돌 검출은 산업 제어 시스템의 성능 요구사항을 만족시킬 수 없었다. 따라서 제조업체들은 확정적 네트워킹을 통한 디지털화를 구현하기 위해 목적에 특화된 시스템과 프로토콜을 개발해야 했다.

베스트 에퍼트 네트워킹과 달리 확정적 네트워크는 다음과 같은 서비스를 지원한다.
• 시간 동기화
• 자원 예약
• 매우 낮은 패킷 손실
• 엔드-투-엔드 지연과 대역폭 보장

초기 이더넷과 산업 자동화 이후 네트워킹 기술은 많은 발전을 거두었다. 실제로 최근의 이더넷 기술은 이전에 독자적 시스템과 프로토콜이 필요했던 많은 산업용 애플리케이션의 요구를 만족하는 확정적 서비스를 제공할 수 있다.

업계 트렌드가 점점 더 통합된 네트워크로 나아가고, 그에 따라 대역폭에 대한 요구가 높아지고 있기 때문에 진정한 의미의 확정적 이더넷 네트워크야말로 목적에 특화된 네트워크보다 더 비용 효율적이고 미래 경쟁력을 갖출 수 있다.

시간 민감형 네트워킹 결정하기

산업 시설에서 오디오/비디오뿐 아니라 실시간 제어를 스트리밍할 수 있는 진정한 통합 네트워크를 구현하기 위해 IEEE 802.1 워킹 그룹의 TSN 태스크 그룹은 이더넷 네트워크에서 확정적 데이터 전송을 위한 표준 세트를 정의한다.

일련의 표준인 TSN은 올인원 솔루션이라기보다는 툴박스에 가깝다. 따라서 애플리케이션에 적합한 툴을 결정하기 위해서는 어떤 "툴"을 사용할 수 있는지, 각각의 툴이 어떻게 작동하는지 이해할 필요가 있다.

아래 표에 설명된 주요 프로토콜에서 보듯이 시간 민감형 네트워킹 표준은 다음과 같은 주요 영역에 초점을 맞춘다.

1. 시간 동기화
2. 지연
3. 신뢰성
4. 자원 관리

“시간 민감형 네트워킹”이라는 이름에서 짐작할 수 있듯이 TSN은 모든 네트워크 장비가 동기화 표준을 정의하고 있는 IEEE 802.1AS(향후 IEEE 802.1AS-Rev)를 구현하도록 요구한다. 무엇보다 모든 최종 장치와 이더넷 스위치 간에 공유되는 시간 개념이 확정적 네트워킹의 핵심 특징의 하나이다.

또한 IEEE 802.1Qbv는 장치가 타임 크리티컬 프레임을 어떻게 엄격한 스케줄에 따라 전송하는지에 대해서 뿐 아니라 동일한 회선을 공유하는 다른 대량 트래픽에서 어떻게 베스트 에퍼트 통신을 유지하는지에 대해서도 정의한다.

TSN은 네트워크 인프라 자체 외에도 데이터 스트림 처리와 더 복잡한 계산이 필요한 요구사항에 대한 새로운 접근 방법을 필요로 한다. 그 결과 IEEE 802.1Qcc는 네트워크 관리에 새로운 접근방법을 구현할 수 있는 관리 인터페이스, 메커니즘, 그리고 원칙을 정의하고 있다.

예시를 위해 TSN을 열차가 이더넷 데이터 프레임과 유사한 철도 시스템으로 본다면, 이 예에서 이더넷 스위치와 최종 장치는 철도역과 같다. 만약 각 철도역이 전체 시스템에 적용되는 엄격한 시간표를 따르지 않고 서로 다른 로컬 시간을 따른다면 어떤 일이 일어날지 상상할 수 있을 것이다.

열차가 A역에서 출발할 경우 역들이 공통되는 시간 기준을 공유하지 않는다면 승객들은 언제 열차가 B역에 도착할지 어떻게 알 수 있을까? 이러한 문제는 바로 철도가 열차 승객과 열차의 시간을 표준화하기 시작한 이유였으며, 또한 산업 네트워크에 왜 시간 동기화가 필요한지 설명해준다.

네트워크 트래픽 관리

TSN의 필수적인 부분이 관리 모델이다. 관리 모델은 네트워크에서 트래픽 스트림을 관리하고 명령을 내리며, 여러 IEEE 프로토콜이 동일한 네트워크에서 성공적으로 동작하도록 구성할 수 있도록 돕는다.

앞서 철도 시스템 비유에서 네트워크 관리 모델은 열차(데이터) 트래픽을 처리하는 철도 시그널링 시스템과 비슷하므로, 열차(페이로드)는 서로 충돌하지 않고 목적지에 도착한다. IEEE P802.1Qcc 프로토콜에 명시돼 있듯이 세 가지 가능한 관리 모델이 있으며, 여기에는 완전 중앙집중형 모델, 완전 분산형 모델, 부분적 중앙집중형 모델이 포함된다.

• 완전 중앙집중형 모델에서 최종 장치는 스트림 요구사항과 관련해 중앙 관리 엔티티와 통신을 개시한다. 그러면 중앙 관리 엔티티는 이러한 요청을 사용해 요구사항을 만족하도록 네트워크에서 필요한 스트림 스케줄을 작성하고, 그에 따라 스위치와 최종 장치(비유에서 철도역)를 구성한다.
• 완전 분산형 모델에서는 송화자가 수화자(대개 최종 장치)에게 오픈 스트림을 제공하고, 최종 장치의 애플리케이션이 그 과정에서 네트워크 요소에 통지해 특정 스트림에 필요한 자원을 예약한다. 이 방식에서는 어떠한 중앙 관리 엔티티도 필요하지 않다.
• 부분적 중앙집중형 모델에서는 중앙 관리 엔티티가 존재하지만, 최종 장치의 데이터가 중앙 관리 엔티티로 전달되기 전에 표준화된 프로토콜을 통해 가장 가까운 브리지에 전달된다. 즉, 부분적 중앙집중형 모델에서 중앙 관리 엔티티는 개별 네트워크 트래픽 스트림과 자원만 관리하며, 전역 수준에서 모든 최종 장치의 스트림 요구사항이나 페이로드 데이터를 다루지 않는다.

IEEE 802.1CB 프로토콜 “로컬·메트로폴리탄 영역 네트워크를 위한 표준 - 신뢰성을 위한 프레임 복제·제거”에 정의돼 있듯이, TSN 스트림 식별은 스트림을 식별하는 여러 방법을 제공한다.

이런 방법에는 목적지 MAC 주소와VLAN 식별자, 소스 MAC 주소, VLAN 식별자 등이 포함된다. 이 밖에 스트림 식별은 네트워크를 통한 특정 스트림에 대한 데이터 흐름을 계산하고 내고장성을 위한 이중 경로를 처리하는 데 사용된다.

완전 중앙집중형 모델 자세히 알아보기

완전 중앙집중형 네트워크 관리 모델은 시간 민감형 네트워킹에서 트래픽을 처리하는 유일한 방법은 아니지만, 이 모델은 예시를 위한 세 가지 방법 중 가장 간단하다. 앞서 설명했듯이 완전 중앙집중형 네트워크 관리 모델은 두 가지 주요 역할을 수행하는 중앙 관리 엔티티를 갖는다. 다음 그림에서 이 기능은 중앙 사용자 구성(CUC, Centralized User Configuration)과 중앙 네트워크 구성(CNC, Centralized Network Configuration)으로 표시된다.

[그림5]에서 보듯 완전 중앙집중형 TSN 모델은 다음과 같은 5가지 구성요소를 포함한다.

•  최종 스테이션(송화자와 수화자):
이들 최종 장치는 타임 크리티컬 확정적 통신을 필요로 하는 애플리케이션을 실행하고, TSN 시스템을 통해 전송되는 이더넷 프레임의 소스(송화자)와 목적지(수화자)로서 기능한다.
•  브리지(이더넷 스위치):
TSN 브리지는 타임 크리티컬 통신 스트림을 구성하는 이더넷 프레임을 송신하고 수신하는 이더넷 스위치이다. 하드웨어는 어느 벤더에 의해서도 개발될 수 있으나 엄격히 동기화되는 스케줄에 따라 메시지를 전송할 수 있어야 한다.
•  중앙 사용자 구성(CUC):
중앙 사용자 구성은 CNC나 최종 장치와 통신하는 벤더에 특정한 애플리케이션이다. CUC는 제어 애플리케이션과 최종 스테이션을 나타내며, CNC와 확정적 통신을 요구한다.
•  중앙 네트워크 구성(CNC):
중앙 네트워크 컨트롤러는 네트워크에서 제어 애플리케이션을 위한 확정적 메시지 전송을 용이하게 하는 벤더에 특정한 애플리케이션으로, 모든 타임 크리티컬 정보 스트림을 전송하고, 그런 다음 TSN 지원 브리지(이더넷 스위치)에 배치하는 스케줄을 정의한다.
•  타임 크리티컬 정보 스트림

TSN 모델에서 송화자와 수화자 사이에 전송되는 정보는 타임 크리티컬 “스트림”을 구성한다. TSN 모델에서 송화자와 수화자 간의 각 타임 크리티컬 정보 스트림은 최종 장치에 의해 고유하게 식별되며, 확정적 메시지 전송을 위해 존중해야 하는 엄격한 시간 요구사항을 갖는다.

단지 개별적 요구사항이나 네트워크 기능을 분리해 처리하는 완전 분산형 또는 부분적 중앙집중형 모델과 반대로, 완전 중앙집중형 TSN 모델은 전체 시스템을 통해 모든 구성요소를 자동으로 통합하기 위해 중앙집중 방법을 사용해 “사용자 요구사항”과 “네트워크 기능”을 모두 나타낸다.

완전 중앙집중형 모델은 향상된 통합을 제공하지만, 보다 향상된 네트워크 이용을 보장하려면 더 복잡한 계산이 필요하다. 결국 어떤 TSN 모델을 선택하느냐는 애플리케이션의 특정 요구사항에 따라 달라지며, TSN 태스크 그룹에서 개발한 IEEE 표준 범위를 벗어난다.

하지만 각 모델과 애플리케이션에 배치되는 특정 기술과 프로토콜은 근본적으로 어느 벤더에서나 제공할 수 있기 때문에 이러한 간극을 채워줄 독립적인 벤더와 다른 산업 기구에 대한 명백한 필요가 존재한다.

인더스트리 4.0을 위한 협력

TSN 기술은 표준 이더넷에서 확정적 네트워킹에 대한 확장 가능하고 예측 가능한 접근 방법을 제공한다. 그러나 TSN은 단일의 종합 솔루션이라기보다 툴박스에 더 가까우므로 시스템 통합자는 각각의 산업 애플리케이션의 특정 요구를 만족하기 위해 결국 독립적인 벤더와 여러 프로토콜에 의존해야 한다.

이러한 어려움은 왜 상호운용성이 TSN 채택의 성공을 보장하는 열쇠인지를 설명해 준다. 궁극적으로 TSN 기반의 통합 인프라는 기본적으로 다음과 같은 두 가지 핵심 측면에서 상호운용성이 필요하다.

1. Layer 2 네트워킹과 메시지 전송을 위한 TSN 표준을 따르는 공통 아키텍처
2. 전체 네트워크에서 여러 프로토콜 간 통신을 위한 공통된 의미구조

국제 표준 기구와 워킹 그룹, 독립 벤더들은 인더스트리 4.0의 이점과 스마트 제조의 미래를 인식하고 기계 간 협력, 셀에서 데이터 액세스, 그리고 더 많은 애플리케이션을 실현하기 위해 공통 인프라를 구축하고 상호운용성을 구현하는 데 “최선의 노력”을 기울이고 있다.

공통 아키텍처: Layer 2 상호운용성

이더넷 표준으로서 TSN은 컴퓨터 네트워킹의 OSI(Open Systems Interconnection) 모델 내 Layer 2 기술이다. 데이터 링크 계층으로 불리는 Layer 2는 이더넷 프레임을 전달하도록 프로그래밍된 기술을 포괄한다. 저지연 네트워크, 높은 네트워크 부하에도 유지되는 견고성, 정보기술(IT)과 운영기술(OT)에 모두 적용되는 통합된 데이터 전송을 통해 실시간 통신 기반의 인더스트리 4.0의 요구사항을 만족하기 위해 많은 이더넷 스위치 제조업체와 산업 기구들은 IEEE에서 개발한 오픈 TSN 표준을 채택하고 있다.

Moxa는 다른 유수 이더넷 스위치 제공업체와 협력해 IEEE 802.1 TSN 표준을 준수하는 미래형 솔루션에 확정적 이더넷 통신을 구현함으로써 Layer 2 기술 개발에 직접적으로 기여하고 있다. Moxa와 같은 제조업체의 TSN 지원 이더넷 스위치를 사용할 경우 시스템 통합자는 기존의 애플리케이션 프로그램을 변경하지 않고도 인더스트리 4.0의 고대역폭 실시간 요구사항을 만족할 수 있다.

더불어 간단히 표준 IEEE 이더넷 스위치를 사용해 이러한 모든 것을 수행할 수 있을 뿐 아니라 통합 네트워크에 “플러그 앤 프로듀스(plug-and-produce)” 장치를 추가할 수 있다. 실제로 TSN 지원 이더넷 스위치는 전통적인 독자적 시스템보다 더 우수하지 않더라도 충분히 잘 수행하는 IIoT와 인더스트리 4.0 애플리케이션을 위한 고도로 확정적인 네트워크를 구현할 수 있다.

확장성, 유연성, 고대역폭, 고가용성을 제공하는 외에도 TSN 이더넷 스위치는 비용 효율적으로 배치하고 유지할 수 있다.

Moxa는 TSN 표준을 준수하는 통합 인프라를 구성하는 데 필요한 표준 이더넷 하드웨어를 제공하는 것 외에도, 전 세계 여러 벤더가 참여하는 TSN 플러그테스트(전자 장비 설계자들이 다른 제조업체의 제품으로 기술 표준에 대해 제품의 상호운용성을 테스트하는 자리)와 테스트베드에 적극적으로 참여하고 있다.

또한 독일의 엣지 컴퓨팅 컨소시엄(Edge Computing Consortium, ECC), 미국의 산업 인터넷 컨소시엄(Industrial Internet Consortium, IIC), 독일의 LNI 4.0(Labs Network Industrie 4.0), 중국의 산업 인터넷 연맹(Alliance of Industrial Internet, AII)이 주관하는 4개 플러그페스트/테스트베드에도 참여해 왔다.

이러한 노력 덕분에 Moxa는 다른 벤더의 제품으로 TSN 상호운용성을 엄격히 테스트하고, 시장 출시 전 구현 개발을 안정적이고 신뢰할 수 있도록 보장하고 있다.

공통된 의미구조: Layer 2를 넘어 프로토콜 상호운용성 달성해야

미래의 “자율 피라미드” 내부 장치들은 독립 벤더들이 개발할 수 있지만, 산업용 사물 인터넷의 완전한 이점을 실현하려면 각 장비가 Layer 2 장치뿐 아니라 시스템의 다른 모든 구성요소와 통신할 수 있어야 한다.

성공적인 TSN 구현은 Layer 2 레벨에서 자동화 섬을 분리하는 장벽의 제거 외에도, 산업용 애플리케이션에 더 유연한 토폴로지를 제공하고 새로운 기회를 열어줄 수 있도록 계층 전체에 걸친 프로토콜 상호운용성이 필요하다.

예를 들어 CLPA(CC-Link Partner Association ), ETG(EtherCAT Technology Group), EPSG(Ethernet Powerlink Standardization Group ), VDMA(Mechanical Engineering Industry Association), ODVA(Open DeviceNet Vendors Association ), PI(PROFIBUS & PROFINET International) 등 전 세계 산업 기구는 다양한 벤더와 표준 사이의 공통된 의미구조 달성을 위해 OPC UA(OPC Unified Architecture) 동반 규격을 중심으로 협력하고 있다.

중계 솔루션: OPC UA 동반 규격

OPC UA 동반 규격은 기존의 다양한 프로토콜을 통해 통신하는 기계를 사용하는 기업들이 IIoT 통신을 구현하는 OPC UA에 매핑할 수 있게 한다. 실제로 EtherCAT, MTConnect, PROFINET, Sercos, Powerlink 등은 OPC UA 동반 규격으로 매핑하였다. OPC UA 동반 규격은 일반적으로 정보가 서로 다른 포맷으로 구성되는 다양한 산업 프로토콜을, 공유되는 범용 언어(OPC UA)로 나타내는 방법을 제공한다. 이를 통해 다양한 벤더의 기계들은 기존 시스템과 프로토콜을 즉시 폐기하지 않아도 상호운용성을 유지할 수 있다.

범용 언어: OPC UA

OPC UA 동반 규격은 기계의 상호운용성을 위한 중계 솔루션을 제공하지만, OPC UA를 현장에서부터 클라우드까지 수평이나 수직과 관계없이 모든 레벨의 애플리케이션을 위한 공통 플랫폼으로 활용하는 방안도 새롭게 추진되고 있다. 또 OPC UA는 복잡한 시스템과 의미 구조를 완벽히 설명하는 데 사용할 수 있으므로 산업 자동화 애플리케이션은 TSN 기술 지원과 결합해 “고유의” 프로토콜 상호운용성을 위해 OPC UA를 이용할 수 있다.

예를 들어 만약 전 세계 모든 사람이 동일한 언어를 사용한다면 아무도 다른 사람과 소통하기 위해 사전을 찾지 않을 것이다. 실제로 서로 다른 프로토콜 간 번역이 필요 없는 매끄러운 상호운용성의 이점은 산업 기구와 독립 벤더들이 산업 자동화의 미래를 위해 공통 언어(OPC UA)를 지원하도록 움직이고 있다.

단일한 통합 네트워크 인프라를 도입할 경우 생산 현장의 센서, 액추에이터, 기계, 컨트롤러에서부터 클라우드까지 산업 제어/자동화의 성능을 저하시키지 않으면서 양방향 IIoT 데이터 통신을 구현할 수 있다.

하지만 통합과 상호연결이 확대될수록 산업 시스템이 사이버 보안 위험에 노출될 가능성도 커진다. 그러나 단지 위험이 존재하기 때문에 제조업체가 IIoT 기술 채택과 표준 이더넷에서 시간 민감형 네트워킹의 이점을 구현하는 것을 포기할 수는 없다.

다행히 국제전기기술위원회(IEC, International Electrotechnical Commission)는 IEC 62443 같은 산업 네트워크와 시스템 보안을 위한 글로벌 표준을 개발하고 있으므로 이런 첨단 기술의 선택은 미래의 IIoT 네트워크의 통합 아키텍처를 지원하고, 나아가 인더스트리 4.0과 디지털 트랜스포메이션에서 제공하는 기회를 활용하는 데 수반되는 위험을 완화해준다.

성공을 위한 통합 기반

기업은 자산 이용률을 개선하려고 하거나, 제품을 서비스로 제공해 새로운 비즈니스 기회를 창출하고자 하고, 현재의 디지털 트랜스포메이션 물결은 다가오는 미래에 제조 분야의 혁신을 약속한다. 하지만 산업용 사물 인터넷을 완전히 활용하려면 산업 제어 시스템에서 실시간 통신을 가능하게 하는 고대역폭, 저지연, 확정적 네트워킹이 필수적이다.

오늘날 시간 민감형 네트워킹의 등장은 표준 이더넷 기술이 확정적 서비스를 제공할 수 있다는 것을 의미한다. 나아가 베스트 에퍼트 통신의 기존 한계를 넘어선다는 것을 의미하기도 한다. TSN을 사용하면 제조업체는 더 이상 목적에 특화된 프로토콜과 제조 시스템으로 분리된 자동화 섬으로 애플리케이션을 제한할 필요가 없다.

대신, 산업용 애플리케이션은 전통적인 퍼듀 모델의 수평적, 수직적 계층을 뛰어넘는 새로운 양방향 통신 흐름으로 통합된 미래를 기대할 수 있다. 실제로, 국제 표준 기구와 Moxa와 같은 디바이스 업체들은 TSN을 중심으로 지속해서 협력하고 있으며, 이에 따라 표준 이더넷 기술은 IIoT 시대에 산업 네트워킹의 미래 기반으로 확실한 위치를 차지하고 있다.

글 | 산업 자동화/네트워크 전문 기업 Moxa
홈페이지 | www.moxa.com

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