TSN이 산업용 이더넷에 결정론적 타이밍을 제공하는 방법

시간 민감형 네트워킹(TSN)은 통합된 산업용 이더넷 네트워크 전반에서 예측 가능하고 지연 시간이 짧은 통신을 가능하게 한다

출처: thien/stock.adobe.com; AI로 생성

아비셰크 자다브(Abhishek Jadhav), 마우저 일렉트로닉스

2026년 7월 29일

오늘날의 산업 자동화는 처리량만큼이나 타이밍이 중요한 공유 네트워크 아키텍처 내에서 동기화된 다축 모션 제어와 협동 로봇이 작동해야 하는 초연결 환경이다. 예를 들어, 조율된 다중 로봇 용접에서 로봇 하나에 제어 신호가 단 몇 밀리초만 지연되어도 동기화가 중단되거나, 오류 상태가 발생하거나, 공정 정확도가 떨어질 수 있다.

중요도가 높은 제조 및 모션 제어 애플리케이션에서는 로봇, 센서, 컨트롤러 및 액추에이터 간의 시간 동기화가 필수적이다. 예측할 수 없는 지연은 정렬 불량 및 생산 오류로 이어질 수 있다. 이러한 시스템의 결정론적 통신은 모든 구성 요소가 예측 가능한 시간 창(window) 내에서 작동하고 요구되는 정확도로 프로그래밍된 작업을 실행하도록 보장한다.

이더넷은 산업 자동화를 위한 공통 네트워킹 플랫폼이 되었지만, 기존 이더넷은 중요한 데이터를 위해 제한된 전송 시간을 제공하도록 설계되지 않았다. 공장에서 공유 인프라에 모션 제어, 로봇 공학, 센서, 머신 비전 및 정보 기술(IT) 시스템을 결합하는 경우가 늘어나면서 예측 가능한 통신 타이밍이 필수가 되었다. 시간 민감형 네트워킹(TSN)은 표준 이더넷에 결정론적 기능을 추가하여 이 문제를 해결한다.

산업용 이더넷에 대한 시리즈의 첫 번째 편인 본 글에서는 TSN이 시간 동기화, 트래픽 스케줄링, 프레임 선점 및 신뢰성 메커니즘을 사용하여 최신 산업용 애플리케이션에 필요한 제한된 지연 시간(bounded latency)과 낮은 지터(jitter)를 제공하는 방법을 탐구한다.

시간 민감형 네트워킹(TSN)이란 무엇인가?

TSN은 결정론적 성능을 위한 도구를 사용하여 기존 이더넷을 확장하는 IEEE 802.1 표준 제품군이다.^[1]TSN은 중요한 트래픽을 위한 리소스를 예약하고 고급 큐잉(queuing) 및 셰이핑 기법을 적용함으로써 선택된 트래픽에 대해 제한된 지연 시간, 낮은 패킷 지연 변동(즉, 지터) 및 향상된 신뢰성을 제공하는 것을 목표로 한다.

TSN은 각 트래픽 클래스가 필요한 서비스 품질(QoS)을 받도록 네트워크가 설계된 경우, 동일한 네트워크에서 실시간 모션 제어 트래픽, 비디오 스트림 및 표준 IT 트래픽을 동시에 전송할 수 있게 해준다. TSN은 개방형 시스템 간 상호 접속(OSI) 모델의 레이어 2(데이터 링크 계층)에서 작동하므로, 그 위에 상위 계층 프로토콜을 구축할 수 있는 기반이 된다.

TSN 표준: 시간, 스케줄링, 선점 및 신뢰성

TSN 내에서 결정론적 작동을 위한 기본 요구 사항은 모든 네트워크 참여자가 시간에 대해 공유된 이해를 갖는 것이다. 공통된 시간 기준이 없으면 네트워크 스위치는 전송 창을 조율할 수 없고, 엔드 스테이션(end station)은 시간에 민감한 통신을 정렬할 수 없다. 이러한 네트워크 전반의 시간 동기화를 설정하고 유지하는 작업은 일반화된 정밀 시간 프로토콜(gPTP)이라고도 하는 IEEE 802.1AS 표준에 명시되어 있다.

IEEE 802.1AS는 레이어 2 타이밍 및 동기화를 제공하며, 적절하게 설계된 TSN 네트워크에서 서브 마이크로초(sub-microsecond) 단위의 클록 정렬을 지원할 수 있다.^[2] TSN 시간 인식 도메인에서 네트워크 브리지와 엔드 스테이션은 로컬 클록을 공유 그랜드마스터(GM) 클록에 동기화한다. 이 프로토콜은 주파수 드리프트를 상쇄하기 위해 로컬 클록과 GM 클록 간의 비율을 계산하는 논리적 동기화(logical syntonization)를 통해 작동한다.

IEEE 802.1AS가 참여하는 모든 장치의 클록을 동기화하여 공통의 네트워크 전체 클록을 생성한 후, TSN은 트래픽 스케줄링을 구현할 수 있다. TSN 트래픽 스케줄링 메커니즘 중에서 하드 실시간 산업용 제어에 가장 중요한 것은 IEEE 802.1Qbv 시간 인식 셰이퍼(TAS)이다.^[3] TAS는 전송 시간을 반복되는 예정된 주기로 나누어 이더넷 스위치에 시분할 다중 접속(TDMA) 개념을 적용한다. TSN 스위치의 각 송신(egress) 포트에는 각 우선순위 큐에 대한 전송 게이트가 장착되어 있다. 게이트 제어 목록(GCL)은 이러한 게이트가 열리거나 닫히는 일정을 정의한다.

예를 들어, 1ms 주기를 별도의 시간 창으로 나눌 수 있다. 첫 번째 창에서는 우선순위가 높은 예약 트래픽을 위한 게이트만 열려 시간이 중요한 모션 제어 패킷을 전송할 수 있다. 두 번째 창에서는 최선 노력(best-effort) 트래픽을 위한 게이트가 열려 일반 IT 또는 진단 데이터가 통과할 수 있도록 한다. 이 보호된 시간 창은 모션 제어 패킷이 우선순위가 낮은 트래픽에 의해 지연되는 것을 방지한다.

TAS는 다른 데이터 스트림으로부터 예약된 트래픽을 보호하지만 여전히 문제가 발생할 수 있다. 우선순위가 높은 중요 프레임이 송신 큐에 도착하기 직전에 우선순위가 낮은 이더넷 프레임이 전송을 시작할 수 있다. 중요 프레임을 위한 TAS 게이트가 열려 있더라도 해당 대용량 프레임의 전송이 완료될 때까지 기다려야 하므로 상당한 차단 지연(blocking delay)이 발생한다. 1Gbps 링크의 경우 전체 크기(full-size) 프레임을 전송하는 데 12μs 이상이 걸리며, 이는 일부 제어 애플리케이션에서는 허용되지 않을 수 있는 지연이다.

이 문제를 해결하기 위해 TSN은 IEEE 802.1Qbu(프레임 선점) 및 IEEE 802.3br(고속 트래픽 삽입)에 정의된 프레임 선점을 사용한다.^[4] 두 표준은 우선순위가 높은 프레임이 전송 중간에 우선순위가 낮고 선점 가능한 프레임을 중단할 수 있도록 허용한다. 중단된 프레임은 조각화되고, 우선순위 프레임이 즉시 전송되며, 우선순위 프레임 전송이 끝나면 나머지 조각들이 전송된다.

기타 적용 가능한 표준은 다음과 같다:

• IEEE 802.1CB(신뢰성을 위한 프레임 복제 및 제거): 중복 경로를 통해 프레임을 복제하고 수신기에서 중복 프레임을 제거하여 복원력을 향상시킨다.^[5]
• IEEE 802.1Qci(스트림별 필터링 및 폴리싱): 잘못 작동하거나 잘못 구성된 스트림이 네트워크 리소스를 독점하거나 다른 트래픽을 저하시키는 것을 방지하는 데 도움을 준다.^[6]
• IEEE 802.1Qcc(스트림 예약 프로토콜): 네트워크 구성 및 리소스 관리를 위한 모델을 제공한다^[7]

산업용 프로토콜에서 TSN을 사용하는 방법

통합되고 결정론적인 레이어 2 이더넷 프레임워크로서 TSN이 지닌 제한된 지연 시간이라는 특징 덕분에 산업 자동화 표준 조직들은 기존 프로토콜을 TSN 지원 네트워크에 맞게 조정하게 되었다. 이러한 접근 방식을 통해 각 조직은 프로토콜의 기능, 진단 및 객체 모델을 유지하면서 TSN을 사용하여 네트워크 계층에서 결정론적 이더넷 동작을 달성할 수 있다.

이러한 변화의 가장 중요한 예 중 하나는 TSN 상에서의 개방형 플랫폼 통신 통합 아키텍처(OPC UA) 통합이다. 이 통합은 컨트롤러, 장치 및 상위 수준 시스템 전반에서 공급업체에 구애받지 않는 상호 운용 가능한 통신을 지원한다. 이 접근 방식에서 OPC UA는 기존의 클라이언트/서버 모델 대신 게시/구독(Pub/Sub) 모델을 사용한다. 단일 게시자가 여러 구독자에게 효율적으로 데이터를 배포할 수 있기 때문에 Pub/Sub는 제어 및 자동화 트래픽에 더 적합하다. 메시지는 UA 데이터그램 프로토콜(UADP)을 사용하여 인코딩되며 사용자 데이터그램 프로토콜/인터넷 프로토콜(UDP/IP)을 통해 전송된다.

그런 다음 TSN은 기본 이더넷 타이밍 및 트래픽 제어 작업을 제공한다. IEEE 802.1AS는 시간 인식 장치 전반에 걸쳐 공유된 시간 기준을 제공하며, IEEE 802.1Qbv는 특정 트래픽 클래스가 전송할 수 있는 시점을 스케줄링한다. 이와 같이 OPC UA는 정보 모델과 통신 의미론(semantics)을 정의하는 반면, TSN은 시간에 민감한 산업용 통신을 위해 예측 가능한 전송 동작을 제공하도록 돕는다.

PROFINET, 공통 산업 프로토콜(CIP)을 사용하는 EtherNet/IP, 그리고 CC-Link IE TSN을 비롯한 다른 산업용 이더넷 생태계도 자사의 프로토콜을 TSN 지원 이더넷에 맞게 조정했다.

맺음말

시간 민감형 네트워킹(TSN)은 결정론적 이더넷 기능의 집합으로, 산업용 네트워크를 설계할 때 더 예측 가능한 타이밍을 구현하고 중요한 트래픽과 그렇지 않은 트래픽이 더 잘 공존할 수 있도록 해준다. 산업 자동화에서 이는 중요한 의미를 갖는데, 공장 통신은 서보(servo) 조정, 분산형 감지, 비전, 에지 분석, 그리고 공유 인프라에서의 운영 기술(OT)과 IT의 융합과 관련이 있기 때문이다.

산업 자동화의 미래는 네트워크가 혼합된 트래픽을 얼마나 잘 처리할 수 있는지에 계속해서 좌우될 것이다. 지금까지 이러한 미래에 TSN이 어떻게 작용하는지 살펴보았으며, 다음번에는 자동화 시스템에서 효율적인 통신을 가능하게 하는 단일 쌍 이더넷(SPE)의 역할에 대해 탐구할 것이다.

[1]https://1.ieee802.org/tsn/
[2]http://standards.ieee.org/ieee/802.1AS/11968/
[3]http://standards.ieee.org/ieee/802.1Qbv/6068/
[4]http://standards.ieee.org/ieee/802.1Qbu/5464/; https://standards.ieee.org/ieee/802.3br/5814/
[5]https://standards.ieee.org/ieee/802.1CB/5703/
[6]https://standards.ieee.org/ieee/802.1Qci/6159/
[7]https://standards.ieee.org/ieee/802.1Qcc/5784/

저자 소개

아비셰크 자다브(Abhishek Jadhav)는 전기 컴퓨터 공학 석사 학위를 취득한 후 테크니컬 라이터로 경력을 시작했다. 그는 전력 전자 및 임베디드 시스템을 주요 관심 분야로 삼고 있으며, 프리랜서 테크니컬 라이터로서 5년 이상의 경력을 보유하고 있다. 그의 기고문은 EE Times, embedded.com, Power Electronics News를 비롯한 여러 매체에 게재되었다.