시간 민감형 네트워킹(TSN)은 어떻게 산업 자동화를 혁신시키는가 ②
Moxa
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.
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•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.
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.
자료 제공: Moxa(www.moxa.com)
