완벽한 IIoT를 구현해내는 TSN

[테크월드=선연수 기자] 세상의 모든 일은 우연이 아니라 명확한 인과관계를 갖고 있으며, 모든 사건은 정해진 곳에서 정해진 때에 이뤄진다고 믿는 믿음, 그것이 바로 결정론이다. 완벽한 인과관계와 통제를 바탕으로 하는 이런 결정론은 비단 인문/사회학뿐만 아니라 산업용 커넥티비티 설계에 있어서도 매우 중요하다. 사소한 데이터 손실도 때로는 치명적 결과로 이어질 수 있기 때문에 산업 자동화 애플리케이션은 데이터 송수신의 완결성과 저지연성을 필수적 요소로 꼽는다. 제트 엔진의 오작동이 야기할 인명손실을 생각하면 쉽게 이해할 수 있다.

그러나 전 세계적 엔터프라이즈 네트워킹의 표준으로 자리잡은 IEEE 802.1 이더넷은 이런 결정론적 요구사항을 모두 충족시키진 못했다. 그렇다 보니, 업계에서는 보다 높은 수준의 통제력을 확보하기 위해 주로 이더넷에 초점이 맞춰진 개선들 (예컨대, 이더캣(EtherCAT), 프로피넷(PROFINET)) 등을 통해 산업용 커넥터, 케이블 그리고 컨트롤러 등을 개선해왔다. 그 결과, 현재 산업용 네트워크들은 통일성을 띄지 못하고 제각각의 모습을 갖게 됐다. 이런 파편화된 네트워크들은 낮은 보안과 상호 호환성의 한계를 낳았고 이는 현재 산업용 IoT(Industrial IoT, 이하 IIoT) 네트워크 통합과 4차 산업혁명으로의 전환에 있어 걸림돌이 되고 있다.

그러나, 이제는 상황이 조금 달라졌다. IEEE 802.1 이더넷 표준으로 발전한 TSN(Time-Sensitive Networking)이 등장했기 때문이다. 표준 이더넷으로서의 이점 외에도, TSN은 특유의 저지연성을 바탕으로 보다 높은 수준의 콘트롤을 구현할 수 있게 한다. TSN은 IIoT를 기업들이 도입해야 하는 이유이며, 산업 자동화를 위한 다음 로드맵이 되고 있다.

TSN 표준

과거 수년 동안, IEEE의 TSN 태스크 그룹은 보다 낮은 지연성과 높은 데이터 처리량을 동시에 만족하기 위해 802.1 표준을 지속적으로 보완해 왔다. 그리고 단순화된 표준보다는 특정 사용 상황에 따라 지연성과 처리량에 유연하게 대응하기 위한 노력도 병행해 왔다.

TSN은 시간에 민감한 경우 그리고 데이터 전송량이 중요한 경우에 따라 가이드라인이 달리 적용 된다. 일단 다양한 트래픽 유형을 식별하기 위해, 8개의 VLAN이 활용되는데, 모든 엔드투엔드 패킷 흐름에는 8개의 VLAN 우선 순위 중 하나가 할당되며 가장 높은 우선 순위는 일반적으로 시간에 민감한 트래픽에 할당된다.

예컨대 차량의 차선 이탈 경고나 엔진 결함 데이터는 네비게이션이나 인포테인먼트 시스템에 비해서 훨씬 더 엄격하고 즉시적 데이터 송수신을 필요로 하고 이런 이 유형에는 높은 우선 순위를 배정하는 방식이다.

TSN은 동일한 이더넷 케이블을 통해 모든 흐름을 결합할 수 있기에 각 정보 별 송수신의 교란없이 정보 속성별 대응을 할 수 있다. 이런 TSN의 통합성과 데이터별 통제 가능성 덕분에 우리는 정보 속성별로 다양한 케이블을 각기 따로 설치해야 하는 수고를 덜 수 있게 된 것이다. 예를 들면 TSN을 통해 정보 유형별로 차량의 많은 케이블을 별도로 설치할 때 발생하는 불필요한 비용, 중량, 노동력을 절감할 수 있게 된 것이다.

[표 1] TSN 표준 강화를 위한 노력들로, 강조된 부분은 시간 동기화, 데이터 예약 전송, 소프트웨어 정의 구성과 같은 노력들을 나타낸다.

시간 동기화

IEEE 802.1AS는 TSN에서 시간을 동기화 시켜 통신 장치 간의 공통 시간을 설정한다. IEEE 1588 PTP(Precise Time Protocol: 정밀 시간 프로토콜) 표준은 네트워크 상의 장치와 스위치 간에 정확한 타이밍 기준을 적용하는데 사용된다. IEEE 1588ASrev는 TSN을 위한 IEEE 1588 프로파일을 제공한다. 또한 이 표준은 GPS와 같은 외부 기준을 사용해 시간을 동기화할 수 있도록 한다. 이런 노력들을 통해 TSN의 파일럿 테스트에서 100 나노초 미만의 정확도로 시간 동기화에 성공했다.

트래픽 스케쥴링

IEEE 802.1Qbv는 TSN 인프라에서 트래픽 우선순위를 결정하는데 도움이 되는 TAS(Time-aware Shaper)를 정의한다. TAS는 데이터들을 일정한 길이와 반복 사이클을 기준으로 분리하고 피어들은 이 사이클들을 타임 슬롯으로 나누기 위해 TSN 통신에 동의한다. 각 타임 슬롯에는 8개 VLAN 우선 순위 중 하나 이상이 할당될 수 있다. TSN은 트래픽 유형을 다음의 3가지로 구분한다.

▲스케쥴드(Scheduled) 트래픽: 산업 자동화 등이 대표적인 예로 저지연성과 데이터 송수신의 제로 손실을 요구하는 경우가 이에 속한다.

▲베스트-에포트(Best-effort) 트래픽: 특정한 QoS(Quality of Service)가 정의되지 않은 일반적 이더넷 통신이 이에 속한다.

▲리저브드(Reserved) 트래픽: 특정 대역폭을 갖는 타임 슬롯들에 할당된 프레임으로 구성된다.

네트워크와 시스템 컨피규레이션

IEEE 802.1Qcc는 TSN의 시스템 컨피규레이션을 정의한다. TSN은 기기와 네트워크 장비의 컨피규레이션과 자동화 된 셋업을 위해 SDN(Software-defined Network)을 사용한다. 피어들은 QoS, 타이밍, 스케쥴링에 대해 사전에 TSN 컨피규레이션에 동의한다. 이후 이런 컨피규레이션들은 다양한 TSN의 엔드포인트와 스위치 상에 프로비저닝된다. 자동화는 네트워크의 안정성과 확장성을 향상시키고 프로비저닝과 관리를 용이하게 한다.

산업용 TSN의 구축

TSN은 퍼듀(Purdue) 콘트롤 위계 상에서 레벨 0~2까지의 산업과 생산 자동화에 주로 관여한다. TSN은 현재 활용되고 있는 표준 이더넷이나 그 고유 모델이 적용되고 있는 컨트롤러, I/O 장치, 센서와 액츄에이터 등에도 광범위하게 적용돼야 한다. 견고한 산업용 케이블과 커넥터 등도 TSN과 함께 업그레이드 돼야 할 수 있다.

TSN은 현재는 초기 적용 단계이다. 이상적 수준으로 TSN의 장점을 극대화하기 위해서는 새로운 이더넷 스위치와 TSN 케이블 엔드 포인트가 필요하다. 그러나 TSN은 한편으로는 역호환성을 염두에 두고 설계되기도 했기 때문에 어떤 이더넷 디바이스들도 TSN 상에서 정상적으로 작동할 수 있다. 더불어 브라운필드 시나리오를 위해서는, TSN을 지원하는 프로토콜 번역기와 게이트웨이가 필요하다.

표준 이더넷에 대한 TSN 개선은 TCP/IP 스택 상에서 2계층에 집중된다. 상위 계층의 통신 표준은큰 영향을 받지 않지만, 현재는 OPC-UA와 같은 많은 프레임워크와 애플리케이션 계층 프로토콜도 TSN을 채택하고 있다.

주요 산업, 임베디드와 자동차 공급업체들은 다양한 산업 수요에 최적화된 TSN 요구사항을 정립하고 TSN 기반 무선 네트워크 확장을 위해 현재 협력을 강화해 나가고 있다.

결론

TSN은 산업제어 영역에서 보다 긴밀하게 연동되는 IIoT를 구현하고 그 장점을 극대화 하기 위한 이더넷 표준의 의미있는 진일보라고 할 수 있다. 여전히 검증 중인 기술이기 때문에 TSN은 여전히 많은 테스트 베드에서 파일럿 테스트를 거쳐 거쳐야만 하는 것은 사실이지만, TSN 표준의 제품들이 업계의 기준점이 되는 날이 그리 멀지 많은 않았다.

글: 스라바니 바타차지(Sravani Bhattacharjee)

자료 제공: 마우저 일렉트로닉스