시간에 민감한 네트워킹의 기초

시간에 민감한 네트워킹(TSN)의 이점과 엔지니어가 산업 시스템이 미래에 대비할 수 있도록 TSN을 사용하는 방법에 대해 알아보십시오. 이 문서는 TSN 표준 세트의 세 가지 구성원에 초점을 맞춥니다.

서로 다른 기술 영역에는 예측 가능성 및 시간 감도와 관련하여 고유한 요구 사항이 있으므로 공유 연결을 통해 데이터를 전송하려는 시스템 설계자에게 문제가 될 수 있습니다. 공유 네트워크를 사용할 때는 짧은 대기 시간과 감소된 시간 지연을 고려해야 합니다. 다행스럽게도 TSN(Time-Sensitive Networking)이라는 이 문제에 대한 솔루션이 있습니다. TSN은 표준 이더넷 위에 위치하며 시스템 설계자가 이더넷 네트워크를 사용하여 공유 연결을 통해 IT 및 OT 데이터를 전송할 수 있도록 하는 일련의 표준을 정의합니다.

이 기사에서는 시간에 민감한 네트워킹의 이점과 엔지니어가 이를 사용하여 산업 시스템이 미래에 대비할 수 있도록 하는 방법에 대해 알아봅니다. 이 기사에서는 TSN 표준 세트의 세 가지 구성원에 중점을 두고 자세히 설명하고 하드웨어에 시간에 민감한 네트워킹 기능을 통합하는 몇 가지 장치를 언급합니다.

시간에 민감한 네트워킹이란 무엇입니까?

현대 공장과 같이 많은 장치가 있는 분산 시스템에서 연결된 장치는 네트워크의 다른 구성 요소와 통신하기 위해 매우 다른 요구 사항과 잠재적으로 충돌하는 목표를 가질 수 있습니다. 전송된 데이터를 보는 한 가지 방법은 정보 기술(IT) 및 운영 기술(OT) 영역의 맥락에서 보는 것입니다.

기계 제어 데이터 및 센서 값과 같은 운영 기술 트래픽은 일반적으로 네트워크가 예측 가능하게 작동해야 합니다. 이 영역의 통신에는 고정 시간 지연, 짧은 대기 시간 및 낮은 지터가 필요합니다. 반면 정보 기술 트래픽은 예를 들어 이메일 트래픽 및 펌웨어 업데이트와 같은 데이터입니다. 여기에서 타이밍 제약은 가장 중요하지 않으며 통신은 일반적으로 최선입니다.

IT 트래픽에는 일반적으로 더 많은 대역폭이 필요하지만 데이터는 주어진 시간 내에 목적지에 도달할 필요가 없습니다. 대신 일반적으로 전체 처리량이 중요합니다. 반면 OT의 경우 특정 시점에서 데이터가 누락되면 오류가 발생할 수 있으므로 데이터는 특정 하드 실시간 제약 조건 내에서 대상에 도달해야 합니다.

때때로 엔지니어는 OT 트래픽과 IT 인프라를 위한 두 개의 별도 네트워크를 유지 관리하여 이 문제를 해결합니다. TSN(시간에 민감한 네트워킹)은 표준 이더넷을 기반으로 하는 일련의 표준으로, OT와 IT 트래픽이 각 도메인의 개별 요구 사항에 따라 동일한 네트워크를 공유할 수 있도록 합니다. TSN은 네트워크 지연을 줄이고 엔드포인트 간의 대기 시간을 줄여 이더넷에 결정성을 추가하여 개별 패킷이 정시에 목적지에 도달할 수 있도록 합니다.

TSN 표준

언급했듯이 TSN은 이더넷 위에 있는 일련의 표준입니다. 각 표준은 서로 다른 기능을 설명하며 시스템 설계자는 표준을 결합하여 요구 사항에 맞게 네트워크를 조정할 수 있습니다. 다음 표는 TSN 표준에 대한 개요를 제공합니다(이 문서에서는 802.1AS, 802.1CB 및 802.1Qbv에 대해 설명함).

그림 1. 일부 TSN 표준에는 산업용 사용 사례가 있습니다.

802.1AS를 사용한 시간에 민감한 애플리케이션을 위한 타이밍 및 동기화

TSN 표준은 정밀 시간 프로토콜(PTP, IEEE1588®)에서 유래했습니다. PTP의 기본 개념은 네트워크 내에서 분산된 시스템의 시계를 동기화하는 것입니다. PTP는 클록 분배 트리를 사용하며 일반적으로 모든 타이밍의 소스인 그랜드마스터도 있습니다. 이 그랜드마스터는 고정밀 GPS 시계와 같은 고정밀 소스에서 시간을 수신합니다. 네트워크 내의 슬레이브 노드는 점대점 방식으로 자신의 로컬 시간을 마스터 노드의 시간과 동기화합니다.

PTP는 TSN 표준의 기반이 되었으며 gPTP는 802.1AS 표준의 일부입니다. PTP와 gPTP는 많은 공통 용어를 공유하지만 몇 가지 주요 차이점도 있습니다. 이러한 차이점 중 하나는 PTP가 OSI 계층 모델의 전송 계층에 있으므로 다양한 기본 전송 방법을 허용한다는 것입니다. gPTP와 PTP의 다른 차이점은 아래 다이어그램에 요약되어 있습니다. 최신 버전의 gPTP는 원스텝 타임스탬프를 사용하는 기능을 다시 제공합니다. 마지막으로, gPTP는 P2P 지연 메커니즘이 필요하며 모든 장치가 동기화될 것으로 예상합니다. 즉, 표준 주파수 기반이 있고 모든 클록이 동일한 속도로 실행됩니다.

그림 2. PTP와 gPTP의 차이점.

엔지니어는 802.1AS 표준을 사용하여 기계 또는 산업 네트워크에서 작업을 동기화할 수 있습니다. 이 기사는 나중에 802.1AS를 사용하는 동기화된 모터 제어 예제를 소개합니다.

802.1CB로 중복 네트워크 생성

802.1CB 표준을 통해 시스템 설계자는 네트워크를 통해 중복 통신 스트림을 생성할 수 있습니다. 일반적인 응용 프로그램은 여러 장치가 있는 링 토폴로지 네트워크에 있습니다. 장치 간의 통신은 복제되어 링의 각 방향으로 전송됩니다. 링에 중단이 있는 경우 모든 장치는 패킷 손실 및 재전송 알고리즘으로 인한 지연 없이 여전히 서로 통신할 수 있습니다.

그림 3. 메시지 중복성이 있는 링 토폴로지 다이어그램.

장치(발화자)가 링의 다른 장치(수신자)와 통신하기를 원할 때마다 다른 방향으로 중복 메시지를 보냅니다. 이 기능은 하드웨어에서 구현되어 TSN 활성화 스위치가 패킷을 복제하고 복제된 스트림을 식별하는 헤더가 포함된 중복 태그를 삽입하고 수신기가 수신한 중복 항목을 삭제할 수 있도록 시퀀스 ID를 포함합니다. 수신기의 TSN 가능 하드웨어는 링의 양방향에서 패킷을 수신하고 첫 번째 고유 패킷을 감지합니다. 그런 다음 동일한 시퀀스 ID를 사용하여 나중에 도착하는 중복 패킷을 자동으로 버립니다.

이러한 작업을 TSN 지원 하드웨어로 오프로드하면 복잡한 재전송 알고리즘이 필요하지 않으므로 소프트웨어 개발이 간소화됩니다.

802.1CB를 사용하려면 시스템 설계자가 TSN 가능 스위치를 통해 복제할 트래픽 스트림을 식별해야 합니다. 몇 가지 다른 방법이 있지만 각각의 핵심에서 네트워크 스위치는 미리 결정된 패턴과 일치하는 메시지를 복제합니다(예:특정 MAC 주소를 가진 장치로 가는 모든 메시지).

802.1Qbv가 있는 단일 네트워크에서 OT 및 IT 트래픽 결합

802.1Qbv 표준은 SoC 내의 이더넷 스위치 또는 독립형 이더넷 컨트롤러의 송신 포트(발신 포트)에서 구현되는 시간 인식 셰이퍼를 활용합니다. 시간 인식 셰이퍼는 트래픽이 와이어로 나갈 수 있는 시기를 결정합니다. 이 표준은 서로 다른 트래픽 스트림에 대해 8개의 대기열을 정의하고 소프트웨어는 게이트 제어 목록을 사용하여 이러한 대기열을 구성합니다.

그림 4. 802.1Qbv 일정의 개략도. 일정에는 OT 및 IT 데이터를 별도로 전송하기 위한 두 개의 개별 시간 영역(회색 및 파란색)이 포함됩니다.

게이트 제어 목록은 대기열에서 트래픽을 배출하기 위해 게이트가 열리는 일정을 설정합니다. 이 목록은 다목적이며 여러 게이트를 동시에 열거나 닫을 수 있습니다. 일정의 각 단계에 대해 고유한 시간 간격을 설정할 수도 있습니다.

장치에서 실행되는 각 소프트웨어 응용 프로그램은 해당 응용 프로그램 또는 전송 중인 데이터의 우선 순위 수준에 따라 트래픽을 다른 대기열에 할당합니다. 매핑은 프로토콜, 대상 포트 및 특정 트래픽 유형(예:UDP를 통한 PTP)별로 발생할 수 있습니다. 네트워크의 모든 장치는 동기화 및 관리되어 중요한 데이터 스트림이 네트워크에서 충돌하지 않고 실시간 요구 사항을 충족하도록 합니다.

TSN 하드웨어는 또한 각 타임슬롯 전에 자동으로 보호 대역을 시행합니다. 이렇게 하면 게이트 전환 직전에 대용량 패킷의 전송이 시작되지 않습니다. 그렇지 않으면 낮은 우선 순위의 패킷 전송이 높은 우선 순위의 타임슬롯을 통해 실행될 수 있습니다. 하드웨어는 전송하기 전에 각 패킷을 검사하고 현재 타임슬롯 동안 패킷을 완료할 수 없으면 하드웨어는 이 트래픽 클래스에 대한 다음 타임슬롯을 사용할 수 있을 때까지 패킷을 보류합니다.

시간에 민감한 네트워킹을 위한 소프트웨어 지원

NXP는 Layerscape® LS1028A 및 기타 마이크로프로세서에서 TSN 기능을 활용하기 위한 여러 소프트웨어 도구를 제공합니다.

오픈 소스 소프트웨어

오픈 소스 개발 플랫폼을 선호하는 사람들을 위해 NXP는 tsntool을 제공하여 LS1028A의 모든 TSN 기능을 구성하거나 개발자가 Linux iproute2 유틸리티 제품군의 일부인 tc 명령을 사용할 수 있습니다. Tc는 시간 인식 셰이퍼를 구성하고 애플리케이션 트래픽을 다른 트래픽 대기열로 조정할 수 있습니다. gPTP는 ptp4l 패키지를 통해 지원됩니다.

오디오 비디오 브리징(AVB) 및 시간에 민감한 네트워킹(TSN) 스택

NXP는 또한 마이크로프로세서와 마이크로컨트롤러 모두에서 실행할 수 있는 휴대용 AVB/TSN 스택을 제공하여 확장 가능한 플랫폼 세트에 TSN을 배포해야 하는 개발자를 위한 옵션을 제공합니다.

위의 802.1Qbv 논의에서는 TSN 지원 이더넷 컨트롤러에 게이트 제어 목록을 업로드하는 한 가지 방법으로 Layerscape LS1028A 소프트웨어 개발 키트(SDK)를 언급했습니다. LS1028A는 일반적으로 Linux® OS 또는 다른 고급 OS 또는 실시간 운영 체제를 실행하는 2개의 Arm® Cortex®-A72 코어를 기반으로 하는 애플리케이션 프로세서입니다.

LS1028A에는 TSN 지원 이더넷 컨트롤러와 TSN을 지원하는 통합 네트워크 스위치가 포함되어 있습니다. 또한 LS1028A 애플리케이션 프로세서는 암호화 엔진 및 신뢰 아키텍처와 같은 다양한 보안 기능을 지원합니다. 또한 이 장치는 3D 그래픽 가속 및 DisplayPort(DP)를 통한 모니터 지원을 통합합니다.

LS1028A는 산업용 사용 사례에 특화된 개방형 산업용 Linux를 실행할 수 있습니다. 이를 통해 장치가 실시간 환경에서 작동하고 짧은 대기 시간 처리를 실행할 수 있습니다(xenomai Linux 사용). 또한 장치는 예를 들어 한 코어와 Linux에서 베어메탈 코드를 실행할 수 있습니다.

또한 NXP는 TSN에 대한 오픈 소스 지원과 이를 구성하는 도구를 제공합니다. 개방형 산업용 Linux 내에서 NXP는 PTP에 대한 오픈 소스 드라이버 지원을 제공합니다. 이러한 드라이버를 통해 사용자는 PTP 하드웨어 시계 및 타임 스탬프를 제어할 수 있습니다.

다가오는 동기식 모터 제어 예제의 일부는 논의된 표준 중 일부의 초기 버전인 상용 NXP AVB 스택을 활용합니다. NXP는 향후 TSN 지원을 추가할 예정입니다.

Layerscape LS1028A의 대안으로, i.MX RT1170 크로스오버 MCU는 TSN을 지원하는 또 다른 NXP 장치입니다. 이 듀얼 코어 크로스오버 MCU는 최대 1GHz를 실행할 수 있는 Cortex-M7 코어와 400MHz에서 클럭되는 임베디드 Arm Cortex-M4 코어가 특징입니다.

이 크로스오버 MCU는 많은 일반 MPU IO를 고성능 마이크로컨트롤러 코어, 디스플레이 기능, 고급 보안과 결합하고 TSN 지원 이더넷 컨트롤러를 갖추고 있습니다.

실용적인 예:TSN을 사용한 동기 모터 제어

다음 실제 예에서 두 개의 모터에는 잘려진 슬롯이 부착된 플라스틱 디스크가 있습니다. 이 디스크는 디스크가 서로 충돌하지 않도록 동시에 작동해야 합니다. 이를 달성하기 위해 i.MX RT1170 MCU는 802.1AS 지원 이더넷 컨트롤러를 사용하여 전체 시스템을 조정하는 작업을 실행합니다.

그림 5. 동기 모터 제어 예제의 상위 수준 개요입니다. i.MX RT1170 MCU는 모터의 동기 작동을 보장하고 LS1028A 전원 네트워크 브리지는 시간이 중요한 데이터가 다른 시간 프레임에 전송되도록 합니다.

모터는 메인 코디네이터로부터 패킷을 수신하는 별도의 컨트롤러에 연결됩니다. 이 데이터는 모터가 움직일 시기를 알려줍니다.

네트워크 브리지는 구성 요소 간의 트래픽을 전달합니다. 이 예에서 브리지는 Layerscape LS1028A 애플리케이션 프로세서를 사용합니다. 이러한 장치는 TSN 802.1Qbv 표준을 사용하여 OT 및 IT 트래픽을 결합할 수 있습니다. 이 접근 방식을 사용하면 모터 제어 데이터가 이 예에서 무작위로 생성된 데이터인 IT 데이터와 비교하여 다른 시간 프레임으로 전송됩니다.

앞서 언급했듯이 TSN 표준을 결합하여 특정 애플리케이션의 요구 사항을 충족할 수 있습니다. 이 예는 정확히 그것을 보여줍니다. 주 컨트롤러는 802.1AS를 사용하여 동기화된 시간 기반을 설정하는 반면 스위치는 802.1Qbv를 구현하여 네트워크 트래픽을 구성하여 시간이 중요한 데이터가 주어진 제약 내에서 전송되도록 합니다. 이렇게 하면 모터가 동기식으로 최대한 빨리 작동할 수 있습니다.

공유 연결을 위한 시간에 민감한 네트워킹

IT 데이터와 OT 데이터에는 상충되는 요구 사항이 있습니다. IT 트래픽은 일반적으로 OT 트래픽보다 더 많은 데이터로 구성되며 일반적으로 최선형 커뮤니케이션으로 충분합니다. 반면 OT 트래픽은 시간이 중요합니다. 일반적으로 엄격한 타이밍, 지연 및 대기 시간 제약이 적용됩니다. TSN을 통해 시스템 설계자는 이더넷 네트워크를 사용하여 공유 연결을 통해 IT 및 OT 데이터를 전송할 수 있습니다.

802.1AS는 네트워크 내의 여러 장치를 나노초 이내의 정확도로 동기화합니다. 이 기능은 많은 Layerscape, i.MX 및 i.MX RT 크로스오버 MCU에서 사용할 수 있으며 오픈 소스 및 턴키 상용 소프트웨어는 TSN을 지원하기 위해 즉시 사용할 수 있습니다.

802.1CB를 통해 시스템 설계자는 이더넷 네트워크에 이중화를 추가하여 시스템에 내결함성을 도입할 수 있습니다. TSN 지원 하드웨어를 사용하면 중복 기능이 하드웨어로 오프로드됩니다. 그렇게 하면 응용 프로그램 소프트웨어의 오버헤드가 줄어듭니다. 이 기능은 Layerscape LS1028A에서 사용할 수 있으며 오픈 소스 소프트웨어 및 드라이버도 사용할 수 있습니다.

802.1Qbv는 표준 이더넷 네트워크에 시간 인식 셰이핑을 도입했습니다. 시간에 민감한 이더넷 트래픽 스트림을 위해 낮은 대기 시간과 낮은 지터 전송을 제공하고 특정 애플리케이션을 위한 대역폭을 예약합니다. OT 및 IT 트래픽은 단일 네트워크를 공유합니다. 이 기능은 여러 NXP 프로세서에서도 사용할 수 있으며 오픈 소스 및 턴키 상용 소프트웨어를 사용할 수 있습니다.

모터 제어 예제에서 볼 수 있듯이 특정 애플리케이션의 요구 사항에 맞게 다양한 표준을 결합할 수 있습니다.

NXP의 커뮤니티 페이지는 공유 데이터 연결을 허용하는 시간에 민감한 네트워킹을 활성화할 수 있는 NXP 프로세서에 대한 다양한 포럼, 예제, 애플리케이션 노트 및 기타 정보를 제공합니다.

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