시간에 민감한 네트워킹으로 산업용 네트워크 설계 구현

OT(운영 기술) 및 IT(정보 기술)는 실시간 요구 사항이 다를 수 있지만 TSN(시간에 민감한 네트워킹) 이더넷 기반 표준. 산업 네트워크 설계에서 TSN을 구현하는 데 관련된 이론과 하드웨어에 대해 알아보세요.

공장의 장치는 네트워크를 통해 통신할 때 매우 다른 요구 사항과 잠재적으로 충돌하는 목표를 가질 수 있습니다. 기계 제어 데이터 및 센서 값 판독값과 같은 운영 기술(OT) 트래픽에는 일반적으로 고정 시간 지연, 짧은 대기 시간 및 예측 가능한 지터가 필요합니다. 반면 정보 기술(IT) 트래픽은 이메일 트래픽과 같은 데이터입니다.

IT 영역에서 커뮤니케이션은 일반적으로 최선의 노력이며 정확한 응답 시간은 가장 중요하지 않습니다. 대신 일반적으로 전체 처리량이 중요합니다. OT의 경우 특정 시간에 데이터가 누락되면 오류가 발생할 수 있으므로 패킷은 특정 실시간 제약 조건 내에서 목적지에 도달해야 합니다.

오늘날 이 문제를 해결하는 데 사용되는 다양한 산업 프로토콜이 있습니다. 그러나 TSN(Time-Sensitive Networking)은 표준 이더넷을 기반으로 구축되었으며 이더넷을 통한 실시간 통신을 위한 통합 표준을 만드는 것을 목표로 합니다. 단일 네트워킹 케이블에서 OT 및 IT 트래픽을 병합하고 이더넷에 결정성을 추가하여 이를 달성합니다. 목표는 네트워크 지연을 줄이고 엔드포인트 간의 대기 시간을 줄여 특정 패킷이 정시에 목적지에 도달하도록 하는 것입니다.

이 기사에서는 TSN, 세 가지 필수 TSN 표준 및 일반적인 사용 사례에 대해 설명합니다. 또한 임베디드 엔지니어가 산업용 애플리케이션을 위한 최신 연결된 실시간 시스템을 설계할 수 있도록 하는 3개의 NXP 장치(Layerscape LS1028A, i.MX RT1170 크로스오버 MCU 및 새로운 i.MX 8M Plus)를 살펴봅니다.

TSN이란 무엇입니까?

TSN은 단일 표준이 아니라 IEEE에서 정의한 일련의 표준입니다. TSN 표준은 TSN 아키텍처의 기초를 형성합니다.

그림 1. TSN 아키텍처는 3개의 계층으로 구성됩니다. IEEE 표준이 기초를 형성합니다. TSN 프로필은 기반 위에 있으며 프로토콜은 프로필을 사용합니다.

TSN 프로필은 TSN 표준 위에 위치하여 아키텍처의 다음 계층을 형성합니다. 이러한 프로파일은 표준에 정의된 특정 TSN 기능을 매개변수화하는 방법을 구체적으로 지정합니다. 예를 들어, 이러한 프로필에는 애플리케이션에 필요한 클록 틱의 정확도를 설명하는 매개변수가 포함될 수 있습니다.

상대적으로 성숙한 TSN 프로파일은 IEC60802로, 산업용 애플리케이션을 위한 매개변수를 정의합니다. 그러나 자동차 및 의료 애플리케이션과 같은 다른 많은 TSN 프로필은 현재 개발 중입니다. 따라서 아키텍처의 두 번째 수준은 특정 산업 또는 애플리케이션을 염두에 두고 TSN 표준에 정의된 기능을 구성하고 지정합니다. 마지막으로 최상위 계층에는 프로토콜 자체가 포함됩니다.

필수 TSN 표준

타이밍 및 동기화를 위한 802.1AS 표준은 TSN의 기반을 형성합니다. IEEE 802.1AS는 PTP(정밀 시간 프로토콜)를 기반으로 하여 네트워크의 여러 장치가 내부 시계를 동기화할 수 있도록 하여 시간 인식 스케줄링과 같은 고급 기능을 활성화합니다.

802.1Qbv 표준을 통해 TSN 지원 장치는 OT 및 IT 트래픽을 결합하고 단일 이더넷 케이블에서 둘 다 전송할 수 있습니다. 또한 이 하위 표준에는 시간 인식 셰이퍼가 포함되어 있어 특정 패킷이 유선으로 나갈 수 있는 시기를 나타내는 일정을 생성할 수 있습니다. 네트워크 내의 장치는 해당 일정을 준수하는 데 동의하고 특정 패키지에 대한 시간 슬롯을 예약합니다. 이러한 조치는 두 종단 노드 간에 우선 순위가 지정된 메시지를 보낼 때 최소한의 예측 가능한 지터 및 대기 시간으로 이어집니다.

802.1AS는 네트워크의 모든 장치가 동기화된 시간 기반을 공유하도록 합니다. 따라서 네트워크 케이블을 통해 어떤 유형의 트래픽을 언제 보낼지 모두 알고 있습니다.

802.1CB는 TSN의 또 다른 중요한 표준입니다. 이 하위 표준을 통해 시스템 설계자는 네트워크를 통해 중복 통신 스트림을 생성하여 내결함성을 높일 수 있습니다. 이 기능을 활성화하면 802.1CB 지원 네트워킹 스위치가 필요할 때 지정된 패키지를 자동으로 복제합니다. 또한 TSN 가능 스위치가 고유한 메시지를 처음 수신하면 나중에 모든 중복 사본을 자동으로 폐기합니다. 이러한 작업을 TSN 지원 하드웨어에 아웃소싱하면 복잡한 소프트웨어에 대한 요구 사항이 제거되고 메인 CPU의 부하가 줄어듭니다.

마지막으로 프레임 선점을 위한 802.Qbu는 산업 자동화를 위한 가장 중요한 표준 중 하나입니다. 본질적으로 산업 네트워크는 매우 엄격한 주기 시간을 준수해야 하는 특정 실시간 접근 방식에 매우 특별한 주의를 기울입니다. 선점은 익스프레스 프레임이 표시되지 않는 한 연속적으로 전송될 여러 조각에서 프레임을 분할할 수 있도록 하여 이러한 타이밍을 유지하는 데 도움이 됩니다.

모든 표준 프레임은 각 메시지의 전송이 보호 대역(802.Qbr)이라고 하는 구성 가능한 기간 내에 완료될 수 있는 한 여러 메시지에서 중단되고 조각화될 수 있습니다. 선점과 함께 사용되는 이러한 시스템은 너무 길거나 비주기적인 메시지가 주기 시간을 연장하는 것을 방지합니다.

시간에 민감한 네트워킹의 기초 TSN 및 여기에서 논의된 일부 표준에 대한 자세한 통찰력을 제공합니다.

NXP 기기로 시간에 민감한 네트워킹 활성화

Layerscape LS1028A, i.MX RT1170 및 i.MX 8M Plus는 다양한 정도로 TSN 기능을 지원합니다. 다음 표에는 TSN 표준과 이를 구현하는 NXP 장치가 요약되어 있습니다.

TSN 지원 하드웨어는 안정적인 TSN 지원 이더넷 네트워크를 만드는 첫 번째 단계입니다. NXP는 제품에 대한 광범위한 소프트웨어 지원과 다양한 기능을 보여주는 SDK 및 소프트웨어 예제 라이브러리를 제공합니다.

Layerscape LS1028A는 일반적으로 OpenIL(Open Industrial Linux) 또는 다른 고급 운영 체제와 같은 실시간 OS를 실행합니다. i.MX 8M Plus도 곧 OpenIL에 대한 지원을 받게 됩니다. NXP는 또한 TSN과 이를 구성하는 도구에 대한 오픈 소스 지원을 제공합니다. OpenIL의 경우 NXP는 PTP에 대한 오픈 소스 드라이버 지원을 제공합니다. 이러한 드라이버를 통해 사용자는 PTP 하드웨어 시계 및 타임 스탬프를 제어할 수 있습니다. NXP의 소프트웨어 제품 외에도 엔지니어는 즉시 사용 가능한 상용 소프트웨어 스택 중에서 선택할 수 있습니다.

오늘날의 TSN 지원 기기

NXP 제품 포트폴리오는 산업 환경에서 시간에 민감한 네트워킹을 위한 하드웨어 지원을 제공하는 몇 가지 장치를 제공합니다. 몇 가지 예는 Layerscape LS1028A, i.MX RT1170 크로스오버 MCU 및 i.MX 8M Plus입니다. 이러한 장치를 사용하면 임베디드 시스템 엔지니어가 까다로운 작업을 처리할 수 있는 광범위한 주변 장치, 보안 기능 및 보조 프로세서 세트와 높은 처리 능력을 결합하여 미래의 산업 장비를 설계할 수 있습니다.

LS1028A는 2개의 Cortex A72 처리 코어를 기반으로 하는 잘 정립된 애플리케이션 프로세서입니다. 주로 자동차 및 산업 시장을 대상으로 하며 4개의 이더넷 포트를 통해 다양한 TSN 기능을 지원하는 통합 네트워킹 스위치와 함께 제공됩니다. LS1028A는 또한 풍부한 주변 장치 세트(CAN-FD 인터페이스 등), 다양한 온칩 코프로세서, 전용 GPU 및 LCD 컨트롤러, 수많은 보안 기능을 제공합니다. 대상 애플리케이션에는 네트워킹 장비, 산업용 HID 및 로봇 공학이 포함됩니다.

그림 2. LS1028A 블록 다이어그램. 이미지 출처:NXP 제품 웹사이트

i.MX RT1170 MCU 제품군은 2개의 처리 코어를 사용합니다. 최대 1GHz에서 실행되는 ARM® Cortex®-M7 코어와 최대 400MHz로 클럭되는 두 번째 전용 Cortex®-M4 프로세서는 이러한 장치를 오늘날 시장에서 사용할 수 있는 가장 빠른 마이크로컨트롤러 중 하나로 만듭니다. i.MX RT1170 MCU 제품군은 성능과 풍부한 주변 장치 및 기능 포트폴리오를 통해 광범위한 애플리케이션에 이상적인 선택입니다. 이 장치는 최대 2MB의 SRAM과 최대 3개의 이더넷 인터페이스를 지원합니다.

i.MX RT1170 크로스오버 MCU는 또한 최신 보안 및 암호화 기능 세트를 제공합니다. HMI 애플리케이션의 경우 이 장치에는 전용 2D GPU와 2D 가속기 및 디스플레이 인터페이스가 포함됩니다. i.MX RT1170은 저전력 및 저누설 애플리케이션에 최적화되어 있어 효율적이고 빠르고 작고 비용 효율적인 설계가 가능합니다.

그림 3. i.MX RT1170 블록 다이어그램. 이미지 출처:NXP 제품 웹사이트

i.MX 8M 제품군에는 특정 응용 프로그램의 요구 사항을 충족하기 위해 특정 시장을 대상으로 하는 다양한 응용 프로그램 프로세서가 포함되어 있습니다. i.MX 8M Plus는 제품군의 최신 모델이며 머신 비전 애플리케이션을 위한 전용 하드웨어, 더 빠른 AI 추론을 위한 2.3 TOPS의 NPU 장치, 개선된 LVDS, TSN을 지원하는 CAN 실시간 네트워킹 및 2D/3D를 포함합니다. 그래픽 가속기.

또한 i.MX 8M Plus는 현재 다중 CAN-FD 인터페이스를 제공하는 i.MX 8M 제품군의 유일한 장치입니다. 또한 고신뢰성 산업용 애플리케이션을 위한 인라인 ECC와 같은 신뢰성 기능도 함께 제공됩니다.

그림 4. i.MX 8M Plus 블록 다이어그램. 이미지 출처:NXP 제품 웹사이트

Layerscape LS1028A, i.MX RT1170 및 i.MX 8M Plus는 15년 NXP 수명 프로그램의 일부로, 특히 제품 출시 후 최소 15년 동안 구성 요소를 판매할 수 있도록 보장합니다. 긴 활성화 또는 인증 단계를 거쳐야 하는 디자이너에게 유용합니다.

TSN 기본 솔루션 예

이 예에서 각 구성 요소는 네트워크에서 실행되는 트래픽과 독립적으로 높은 수준의 동기화와 보장된 지연 시간을 유지하기 위해 위에서 설명한 다양한 TSN 표준을 활용하여 서로 통신합니다.

i.MX 8M Plus는 이미지 인식에 사용되며 ISP 및 내장형 NPU(신경 처리 장치)를 활용하여 최적화된 작업을 수행하고 제조 라인의 실시간 작업을 지원합니다.

i.MX RT1170은 i.MX8M Plus에 의해 구동되는 분석에 따라 가상 컨베이어 벨트에서 제품을 픽업하도록 로봇 팔을 안내하는 데 사용됩니다.

그 사이에 Layerscape LS1028은 TSN 네트워크를 실행하고 2개의 다른 장치와 다른 잠재적 노드 간에 프레임을 중계합니다. TSN은 데이터가 i.MX 8M Plus에서 i.MX RT1170으로 안정적으로 전달되도록 하는 데 사용됩니다.

이 예에서는 모든 현장 구현에 존재하는 최선형 트래픽을 시뮬레이션하기 위해 랩톱도 연결됩니다.

이 데모에 대한 자세한 내용은 아래 링크를 확인하세요.

NXP의 i.MX 8M Plus를 사용한 머신 러닝 및 TSN

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