TSN의 정의와 등장 배경, 표준화 전망 등
[테크월드=이건한 기자] TSN(Time Sensitive Networking, 시간 민감형 네트워킹)은 표준 이더넷 네트워크에서 확정적 메시지 전송을 구현하기 위한 일련의 표준이다. 여기서 ‘확정적’이란 말은 네트워크 정보 송수신에 대한 예외 없이 무조건적인 완수가 이뤄진다는 의미이며, TSN에서 이는 반드시 목표한 시간 내에 이뤄져야 한다. TSN이 말 그대로 시간에 민감한 네트워크인 이유다.
통신 ‘확정성’이 중요한 산업용 네트워크
TSN은 IEEE 802.1(국제 전기전자 기술자 협회, 네트워크 기술 표준 담당) 내 TSN 태스크 그룹에서 개발하고 있는 실시간 네트워크 표준 규격이기도 하다. 2012년 11월, 기존의 AVB(Audio/Video Bridging) 태스크 그룹이 담당하던 표준화 작업의 영역이 확장됨에 따라 지금의 이름으로 변경됐다.
TSN 표준 개발은 지난 몇 년 사이 크게 증가한 ▲산업용 네트워크의 실시간 처리 성능 ▲네트워크 확장성 강화에 대한 요구를 충족하기 위해 시작됐다. 업종에 따라 조금씩 차이는 있지만, 대부분의 제조산업 현장에서는 각 설비 간 데이터 송수신이 최대한 빠르고 정확하게 이뤄지는 환경을 선호한다.
예를 들어 일반 인터넷 통신은 약간의 지연이 발생해도 잠깐의 버퍼링만 감내하면 되는 수준이다. 반면, 제조설비나 위험 물질을 다루는 제어 시스템 등에서는 사소한 통신 지연도 전체 생산성 하락은 물론이고 큰 사고 발생으로도 이어질 수 있다. 특히 시스템이 멈출 경우 사회 전반에 중대한 영향을 끼칠 수 있는 교통, 에너지 같은 미션 크리티컬(Mission critical)한 기간 산업에서는 더더욱 정교한 통신 처리와 시스템 동기화가 요구되는 이유다.
참조 - 완벽한 IIoT를 구현해내는 TSN (테크월드, 2019.07)
다양한 표준 이더넷을 통합하기 위한 움직임
산업용 통신에는 주로 이더넷 기반 네트워크가 활용된다. 이더넷은 근거리 통신망(LAN)의 일종이다. 널리 사용되는 네트워크 방식이지만 표준 이더넷의 한계는 실시간성과 확정성을 담보하지 않는다는 점에 있다. 어떤 이유로든 통신 지연이 발생할 경우, 혹은 통신이 단절되더라도 이더넷에는 이에 대한 해결법이 정의돼 있지 않다.
이런 이유로 산업계에서는 그동안 이더넷의 실시간성과 확정성 미비를 보완한 전용 네트워크 프로토콜들을 개발해 사용해왔다. 프로피넷(PROFINET), 이더캣(EtherCAT) 같은 것들이 대표적이다. 이들 프로토콜은 그 자체로 꽤 뛰어난 성능을 발휘하며, 지금도 널리 사용되고 있다. 그러나 시간이 지날수록 각 프로토콜은 개별적으로 진화했으며, 그에 따른 진입장벽도 점차 높아지기 시작했다. 표준화되지 않은 시장의 대표적 부작용인 '파편화' 문제가 발생하기 시작한 것이다.
게다가 사물인터넷(IoT) 개념이 널리 확산되며 산업 현장에서는 기존에 단절돼 있던 여러 설비와 시스템을 네트워크로 연결하려는(IIoT, 산업용 사물인터넷) 움직임이 빨라지고 있다. 이때 이들을 유기적으로 연결하려면 서로 호환되는 하나의 프로토콜을 사용해야 하는데 이는 비효율적인 방법이다.
각 시스템이 지닌 성격에 따라 최적화된 프로토콜이 모두 다르기 때문이다. 결국 확장성이 저하되는 문제에 봉착하고 만다. 이를 해결하기 위해 등장한 TSN은 기존의 여러 표준이 조합된 하나의 '패키지'로, 표준 이더넷을 확장한 대부분의 네트워크 적용 사례를 포괄할 수 있는 차세대 산업용 네트워크 표준으로 불린다.
TSN의 핵심은 상호운용성
TSN을 구성하는 핵심은 ▲데이터 트래픽 스케줄링(Traffic Scheduling) ▲정밀한 시간 동기화(Synchronization) ▲장비 간 TSN 호환을 위한 하나의 통합 설정(Configuration)이다. 이들 각 요소는 각각의 복잡한 기술적 정의를 내포하고 있으므로 본 글에서는 TSN의 핵심이 상호운용성이란 점만 기억하자.
상호운용성 극대화를 위해 TSN이 적용되는 시스템에서는 서로 다른 실시간 이더넷 프로토콜을 모두 동일한 회선으로 전송할 수 있게 된다. 여기엔 제한된 지연시간 내에 확정성을 담보할 수 있는 모션제어 애플리케이션도 포함된다. 또한 TSN 내 모든 네트워크는 동일한 시간 처리 매커니즘을 공유함으로써 연결성을 극대화할 수 있다.
참조 - IIoT를 지원하는 TSN의 5가지 특징 (테크월드, 2018.05)
이와 관련된 TSN 내부 표준에는 ▲시간 민감형 애플리케이션을 위한 동기화(IEEE 802.1AS-2020) ▲스케쥴링된 트래픽의 증대(이전의 IEEE 802.1Qbv) ▲프레임 선점(이전의 IEEE 802.1Qbu) ▲SRP(Stream Reservation Protocol) 향상과 성능 개선(IEEE 802.1Qcc-2018) 등이 있다. 또 최근에는 TSN과 결합한 OPC UA를 향한 관심도 높아지고 있다. OPC UA 역시 TSN과 비슷하게 스마트 제조 산업 내 상호 운용성을 증대하기 위해 널리 쓰이는 표준 중 하나다.
즉, TSN은 산업용 네트워크를 구성하던 여러 표준 프로토콜을 TSN이라는 하나의 거대한 표준 안에서 유기적으로 융화될 수 있도록 정의하는 하나의 거대한 기술 표준화라고 표현할 수 있겠다.
TSN 조기 상용화를 위한 노력
다만 TSN은 아직 상용화된 표준이 아니다. 앞서 설명했듯 TSN은 여러 표준이 충분히 결합돼야만 완성될 수 있기 때문에, 표준화에 오랜 시간이 걸리고 있다. 이 때문에 현재 여러 글로벌 네트워크 전문 기업들이 TSN 테스트베드에 참여해 TSN 상용화를 앞당기기 위한 노력을 기울이고 있다. 그중 국내엔 독일의 힐셔(Hilcher)가 잘 알려져 있다.
힐셔는 이미 수년 전부터 TSN 시장 선점을 위해 공격적인 행보를 이어온 업체다. 현재 아나로그디바이스, 벨덴(Belden), 시스코(Cisco) 등과 TSN 지원 제품을 평가하기 위한 표준을 개발하고 있으며, 초고속 기가비트(Gigabit) TSN 솔루션 개발에도 집중하고 있다. 또 자사의 멀티 프로토콜 SoC인 netX 시리즈를 통해 TSN 표준 지원 환경을 완성하고 여러 기술 데모를 진행하고 있다. 이 밖에 대만의 Moxa 역시 TSN 솔루션 개발에 지속적인 관심을 드러내고 있는 기업 중 하나다.
2021년 TSN 주요 프로파일 완성 예정
업계 전망에 따르면, TSN 상용화를 위한 IEEE/IEC 60802 프로파일은 2021년 중반에 완성될 예정이다. 추후 해당 프로토콜을 전송 매커니즘으로 정의한 모든 필드버스 협회들이 IEC/IEEE 60808 워킹그룹의 결과를 기본으로 받아들이면 기타 자체 요건을 충족하기 위한 추가 구조들이 이 프로파일 위에 올라가게 된다. 이렇게 정의된 최종 표준안을 기준으로 이르면 2021년 말, 2022년 정도부터는 실제 산업 현장에 TSN이 적용될 수 있을 것으로 전망된다.
테크월드 - 월간<EMBEDDED> 4월호 中
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