분산 TSN 이더넷 기반 측정 시스템 설계하기

TSN은 표준 이더넷, 특히 IEEE 802.1 표준에서 발전한 것입니다. TSN은 이더넷을 통한 패킷 전송을 사용하는 디바이스의 시간 동기화 메커니즘, 동기화된 시간으로 주기적 패킷 전송을 스케줄링하는 기능, 모든 네트워크 요소를 설정하는 표준 파라미터 세트를 제공합니다. 디바이스 주변의 여러 위치에서 상호 연관된 센서 측정이 필요한 TSN 이더넷 기반 측정 시스템은 TSN의 시간 동기화 요소를 사용합니다. TSN 동기화는 IEEE 802.1AS 표준을 통해 제공됩니다.

IEEE 802.1AS는 IEEE 802.1AS 서브넷 내의 모든 노드에서 공통의 시간 개념을 제공하는 IEEE 1588 프로파일입니다. 여러 디바이스의 동기화는 패킷 기반 통신을 사용하며 신호 전파 지연 영향 없이 장거리에서 가능합니다. 이 프로파일을 사용하면 디바이스의 I/O 동기화를 1μs 미만으로 할 수 있지만, 시스템 설정에 따라 수백 나노초 범위로 크게 줄일 수도 있습니다. 두 개의 단말 스테이션이 동기화되려면, IEEE 802.1AS 호환 스위치를 사용하는 사이 경로가 있어야 합니다. 이러한 경로는 존재하는 경우, 자동으로 감지되고 사용됩니다. NI-DAQmx가 설치된 CompactRIO 컨트롤러는 TSN 지원 컨트롤러이며, cDAQ-9185/9189 디바이스에는 IEEE 802.1AS 규격 통합 스위치가 포함되어 있기 때문에 직접 연결되거나 외부 IEEE 802.1AS 규격 네트워크 인프라와 연결되면 동기화할 수 있습니다.

그림 1. NI-DAQmx 지원 CompactRIO 컨트롤러와 cDAQ-9185/9189는 IEEE 802.1AS 규격 네트워크를 통해 사용됩니다.

분산 TSN 이더넷 기반 측정 시스템을 설계할 때 필수적인 단계는 어플리케이션에 어떤 토폴로지를 사용할지 결정하는 것입니다. IEEE 802.1AS 프로파일은 디바이스 사이의 케이블 길이를 보정하므로, 각 토폴로지가 특정 어플리케이션에 제공하는 장단점에 집중하거나 어플리케이션의 필요에 가장 적합한 하이브리드 토폴로지를 생성할 수 있습니다. 측정 시스템의 세 가지 일반적인 토폴로지 종류는 라인, 링, 스타 토폴로지입니다.

라인 토폴로지

데이지 체인이라고도 알려진 라인 토폴로지에서는, 호스트가 하나의 버스 라인을 통해 시스템의 모든 디바이스와 직접 통신합니다. 라인 토폴로지는 가장 간단하고 가장 적은 비용으로 구현할 수 있습니다. 그러나 이 토폴로지는 이더넷 스위치가 통합된 디바이스에서만 사용 가능합니다. 토폴로지의 각 디바이스는 이전 디바이스로부터 최대 100m까지 떨어질 수 있으므로 이 토폴로지는 큰 복잡성 없이 긴 거리를 포괄할 수 있습니다. 홉 길이에 제한이 있는지 디바이스의 스펙 문서에서 꼭 확인하십시오.

그림 2. 라인 토폴로지.

다음은 라인 토폴로지와 관련된 장단점 목록입니다.

• 장점
  • 이 토폴로지는 간단하고 저렴하게 설치하고, 시스템에 디바이스를 추가하고, 문제를 해결할 수 있습니다.
  • 이 토폴로지에서는 측정 디바이스에 스위치가 포함된 경우 외부 스위치를 통합할 필요가 없습니다.
  • 디바이스가 일렬로 연결하기만 하면 되는 단순한 설계 덕분에 이 토폴로지는 긴 거리를 포괄할 수 있습니다.
• 단점
  • 디바이스의 전원이 끊어지거나 장애가 생기면 토폴로지에서 그 디바이스 아래 방향에 있는 모든 디바이스의 네트워크 통신에 지장을 줍니다.
  • 이더넷 케이블의 장애 및/또는 케이블의 단절은 토폴로지 아래 방향의 모든 디바이스 네트워크 통신을 중지시킵니다.
  • 이 토폴로지에 포함된 디바이스가 많아지면 네트워크 및 동기화 성능에 영향이 발생합니다.

링 토폴로지

링 토폴로지의 경우, 호스트는 가장 효과적인 경로를 통해 모든 노드와 통신합니다. 보다 간단한 라인 토폴로지에서 루프를 완성하려면 링 토폴로지에서 외부 스위치를 사용해야 합니다. 이 중복 연결은 자동으로 데이터 이동 및 동기화를 향상시키기 위해 활용됩니다 (스위치가 IEEE 802.1AS를 준수하는 경우).

그림 3. 링 토폴로지.

이 토폴로지의 장점을 활용하려면, 필수 프로토콜을 준수하는 스위치를 사용하여 네트워크를 올바르게 설정해야 합니다. 스위치는 RSTP (Rapid Spanning Tree Protocol)를 지원하도록 IEEE 802.1Q를 준수하고 TSN 동기화를 지원하도록 IEEE 802.1AS를 준수해야 합니다. 그러나 이 토폴로지를 사용하면 전체 토폴로지가 RSTP 스펙을 지원하도록 하여 데이터에 가장 적합한 경로를 보장하면서, 그림 3과 같이 토폴로지의 일부만 IEEE 802.1AS 프로파일을 지원할 수 있습니다. IEEE 802.1AS를 지원하는 두 디바이스 사이의 연결이 끊어지면, 동기화 데이터 통신이 중단된다는 점을 잊지 마십시오.

다음은 링 토폴로지와 관련된 장단점 목록입니다.

• 장점
  • 이 토폴로지는 설치가 간단합니다.
  • 하나의 이더넷 케이블에 장애가 발생해도 네트워크 통신이 중단되지 않습니다 (그러나 토폴로지의 모든 스위치가 동기화 프로파일과 호환되지 않는 경우, 이는 동기화 통신에 영향을 미칠 수 있습니다).
  • 토폴로지에 디바이스를 추가해도 라인 토폴로지에서만큼 성능에 영향이 가지 않습니다.
• 단점
  • 네트워크 트래픽 패턴 때문에 라인 토폴로지보다 문제 해결이 어려워질 수 있습니다. 데이터가 호스트로 다시 돌아가는 가장 적합한 경로를 찾지 않기 때문입니다.
  • 이 토폴로지는 루프를 완성하려면 라인 토폴로지와 비교하여 스위치가 한 개 더 필요합니다.
  • 이 토폴로지를 사용하려면 네트워크의 모든 디바이스에 스위치가 있어야 합니다.

스타 토폴로지

스타 토폴로지에서는, 호스트가 외부 스위치를 통해 네트워크의 각 디바이스와 직접 통신합니다. 디바이스는 일렬로 서로 연결되지 않아도 되며 개별적으로 스위치에 직접 연결할 수 있습니다. 스타 토폴로지 전체에서 TSN 동기화를 달성하려면, 네트워크의 모든 디바이스와 스위치가 IEEE 802.1AS 프로토콜을 준수해야 합니다. 그러나 네트워크의 모든 디바이스에 스위치가 내장된 경우, 각 디바이스의 중복 연결을 다시 스위치에 추가하여 데이터가 호스트로 가는 가장 적합한 경로를 찾을 수 있습니다. 이 중복 연결을 사용하면 주 추가 스위치에 연결된 각 디바이스에서 단일 케이블 장애로 인해 통신이 중단되는 일이 없습니다. 네트워크가 최상의 경로를 찾을 수 있으려면 모든 디바이스가 802.1Q를 준수하여 RSTP를 지원해야 합니다.

그림 4. 스타 토폴로지.

다음은 Star 토폴로지와 관련된 장단점 목록입니다.

• 장점
  • 이 토폴로지는 설치, 디바이스 추가, 문제 해결이 간단합니다.
  • 단말을 통합하여 호스트와 직접 통신할 수 있습니다.
  • 네트워크에 디바이스를 추가하는 것이 다른 토폴로지에서보다 네트워크 성능에 영향을 덜 줍니다.
  • 네트워크 상 다른 디바이스와의 네트워크 통신이 스위치와 연결된 단일 디바이스의 장애 또는 전원 단절 때문에 중단되지 않습니다.
  • 스위치에 연결된 모든 디바이스에서 중복 연결을 사용하면, 단일 이더넷 케이블 장애로 네트워크 통신이 중단되지 않습니다.
• 단점
  • 이 토폴로지에서는 호스트에 외부 스위치가 있어야 네트워크의 각 디바이스와 직접 통신할 수 있습니다.
  • 하나의 스위치가 모든 디바이스를 호스트로 다시 연결하므로, 이 토폴로지는 그 스위치가 모든 디바이스를 연결할 수 있는 거리로 범위가 제한됩니다.

고급/하이브리드 토폴로지

분산 TSN 이더넷 기반 측정 시스템의 세 가지 주요 토폴로지를 결합하여 어플리케이션의 요구사항에 맞게 각각의 장점을 조합하는 하이브리드 토폴로지를 생성할 수 있습니다. 트리 토폴로지는 라인과 스타 토폴로지를 통합하는 흔한 하이브리드입니다. 여러 디바이스 그룹을 더 작은 스타 토폴로지로 나누고 하나의 라인 토폴로지를 따라 호스트에 연결할 수 있습니다. 서로 다른 스타 토폴로지의 섹션을 가짐으로써, 이를 네트워크의 개별 서브시스템으로 관리하여 다른 작업을 수행할 수 있습니다. 예를 들어, IEEE 802.1AS 프로파일을 서브시스템 중 하나에서 실행하여 TSN 동기화를 활용하고 다른 서브시스템은 다른 이더넷 디바이스에 연결하여 측정이 아닌 작업을 수행할 수 있습니다. 이러한 토폴로지를 혼합하면 일부 단점도 따라 혼합됩니다. 트리 토폴로지에서는, 주 라인 토폴로지 연결이 끊어지면, 다운스트림의 모든 스타 서브시스템 네트워크 통신이 중단됩니다.

분산 TSN 이더넷 기반 측정 시스템 토폴로지 선택에는 하나의 정답이 없습니다. 각 토폴로지 타입의 장단점을 고려하여 설계하는 시스템의 어플리케이션 요구사항을 충족시킬 수 있는 토폴로지를 결정해야 합니다.   

네트워크에서 통신하려면, 이더넷 디바이스는 디바이스 식별자로 사용되는 IP 주소를 얻어야 합니다. 이를 달성하는 데에는 세 가지 방법이 주로 사용됩니다. 바로 DHCP, 링크-로컬과 정적 IP 주소의 수동 할당입니다. 대부분의 이더넷 기반 디바이스는 DHCP로 IP 주소를 얻습니다. 디바이스가 DHCP 서버가 있는 네트워크에 연결된 경우, 디바이스는 이 서버로부터 사용 가능한 주소를 받습니다. 네트워크에 DHCP 서버가 없는 경우, 디바이스는 일반적으로 몇 초 이내에 타임아웃되고, 링크-로컬 주소를 얻으려고 시도합니다. 이 과정에서는 사용 가능한 주소가 있는지 네트워크를 스캔해야 하며, 상당한 시간이 소요될 수 있습니다. 단말 스테이션의 IP 주소를 설정하는 가장 빠르고 안정적인 방법은 수동으로 할당하는 것입니다. 이 때, 두 디바이스에 같은 주소를 할당하지 않도록 주의해야 합니다.

호스트 PC가 디바이스와 통신하려면, PC의 네트워크 연결을 올바르게 설정하고 타겟 디바이스의 IP 주소를 알아야 합니다. PC와 디바이스가 모두 DHCP로 설정된 경우, 이는 일반적으로 자동으로 설정됩니다. 디바이스가 링크-로컬 또는 수동으로 할당된 주소를 사용하는 경우, PC를 디바이스에 제대로 연결하려면 추가적인 설정을 거쳐야 합니다.

다른 어플리케이션과 마찬가지로 분산 어플리케이션도 디바이스나 연결의 예상치 못한 오류를 처리할 수 있도록 하는 것이 좋습니다. 분산 시스템을 구현할 때, 측정 디바이스는 일반적으로 측정 중인 디바이스와 동일한 테스트 환경 내에서 센서에 최대한 가까운 곳에 위치합니다. 이는 측정 디바이스가 일반적인 데스크탑 장비라면 정확하지 않은 데이터가 출력되거나 완전히 실패할 수 있는 까다로운 환경에 노출되는 것을 의미합니다. 테스트 환경을 견딜 수 있는 신호 컨디셔닝 및 DAQ 장비를 구비하게 되면 테스트를 한 번 실행하여 정확한 데이터를 얻을 수 있고 테스트를 다시 반복하여 비용을 낭비할 필요가 없습니다. 시스템의 요구사항에는 제품 검증 테스트를 위한 극한 온도 범위, 충격 및 진동 생존성 (시스템이 기계에 직접 장착되어야 하는 경우), 해양 또는 폭발 위험 환경에서 시스템이 안전하게 작동하는 것을 보장하는 위험 장소 인증이 포함될 수 있습니다.

다양한 견고성 요구사항을 충족하는 DAQ 시스템 케이스를 설계할 수도 있지만, 이미 테스트되고 인증된 시스템을 구매하는 것이 더 경제적인 경우가 많습니다. 고유의 견고성 솔루션을 개발하고 통합하려면 설계, 재료, 테스트 및 규정 준수와 이러한 단계를 적절히 완료하는 시간과 비용이 빠르게 증가할 수 있습니다. 솔루션 공급업체는 이러한 비용을 수천 대의 장비로 분산하고 동일한 혜택을 보다 낮은 가격으로 제공할 수 있습니다.

견고성에 대해 자세히 알아보고 현재 환경에 적합한 시스템을 선택하는 방법을 알아보십시오.

연결 신뢰성

측정 디바이스가 설치된 테스트 환경을 견딜 수 있는지 확인하는 것도 문제이지만, 이러한 디바이스 사이의 연결이 끊어지거나 손상되면 어떤 일이 발생하는지도 다른 고려사항입니다. 측정 시스템 토폴로지에 중복 연결을 추가하면 네트워크가 데이터 흐름에 가장 적합한 경로를 결정할 수 있습니다. 네트워크의 모든 디바이스가 IEEE 802.1AS와 IEEE 802.1Q를 준수하고 두 프로토콜을 구현하도록 설정된 링 또는 스타 토폴로지에서 중복 연결을 구현하면, 네트워크는 하나의 연결이 손상되거나 끊어지면 네트워크에서 다음 사용 가능한 경로를 통해 자동으로 데이터를 다시 연결합니다. 

이 과정은 일반적으로 깨졌거나 복구된 연결에 따라 2–15초가 소요됩니다 (그러나 정확한 시간은 네트워크 설정에 따라 다릅니다). 어플리케이션은 발신자에 충분한 버퍼를 할당하고 수신자가 데이터의 일시적 중단을 허용하고 이러한 중단과 관련된 어플리케이션 레벨 영역을 적절히 처리할 수 있도록 하여 이 시간을 허용해야 합니다.

시스템 신뢰성

또한 손상으로 인한 하드웨어나 연결의 물리적 장애는 아니지만 측정 어플리케이션의 장애를 초래할 수 있는 몇 가지가 있습니다. 이러한 장애에는 네트워크에서 실행 중인 디바이스의 전원 사이클 또는 소프트웨어 리셋이나 측정 어플리케이션이 실행 중인 동안 물리적으로 제거되거나 네트워크에 추가된 디바이스가 포함됩니다. 다음은 측정 어플리케이션이 이러한 장애를 고려하여 조정할 수 있는 몇 가지 방법입니다.

에러의 원인 중 하나는 네트워크 동기화 손실입니다. IEEE 802.1AS에서 그랜드 마스터 (GM) 클럭이라 불리는 참조 클럭은 선출 알고리즘을 통해 자동으로 선택됩니다. 선출은 클럭 품질, 추적 가능성, 우선순위 및 필요한 경우 디바이스의 MAC 주소에 따라 결정됩니다 (동일한 디바이스들에 대해서는 MAC 주소가 항상 GM을 결정합니다). 이 선출은 리셋될 때와 같이 IEEE 802.1AS 연결된 디바이스 세트에 디바이스가 추가되거나 제거될 때마다 반복됩니다. GM이 리셋되거나 GM에 대한 경로가 끊어진 경우, 새 GM이 선택됩니다. 동작 중에 GM이 변경되는 경우, 작업이 여전히 의도된 대로 동기화되었다고 가정할 수 없으므로 NI-DAQmx는 "동기화 잠금 장치 손실" 에러를 발생시킵니다.

또 다른 에러 원인은 동기화 경로의 손실입니다. RSTP와 IEEE 802.1AS 메커니즘은 독립적으로 작동하며 서로 다른 연결을 사용할 수 있습니다. 이는 데이터 전송을 중단하지 않고도 동기화를 끊을 수 있다는 뜻입니다.  

NI-DAQmx에는 어플리케이션이 이러한 에러 및 기타 에러를 처리할 수 있도록 하는 기능이 있습니다. 일시적인 동기화 손실에 민감하지 않는 어플리케이션은 “동기화 손실 시 정지” 프로퍼티를 거짓으로 설정해야 합니다. 이러한 어플리케이션은 “동기화 손실” 프로퍼티를 확인하여 동기화 손실을 감지할 수 있습니다. 일반적으로 신뢰성 요구사항이 높은 어플리케이션은 섀시 당 하나의 작업을 사용해야 합니다. 이렇게 하면 디바이스 장애가 최대한 격리되고 시스템의 노드에서 장애가 발생하거나 일시적으로 제거되는 경우 영향을 받는 채널의 개수를 최소화할 수 있습니다.

측정 어플리케이션에서 시스템 장애를 복구할 수 없거나 네트워크의 연결이 끊어지거나 손상되어 네트워크가 데이터의 경로를 찾을 수 없는 경우, 시스템을 알려진 안전한 상태로 놓도록 비상 계획을 갖추고 있는 것이 좋습니다. 하드웨어 워치독 타이머를 사용하는 것은 시스템에 장애 방지 메커니즘을 제공하는 한 가지 방법입니다. 하드웨어 워치독 타이머는 시스템이 올바르게 작동하는지 모니터하고 식별하는데 사용됩니다. 시스템이 의도대로 작동하지 않는 경우, 시스템은 안전 상태로 변경됩니다. 측정 디바이스에 하드웨어 워치독 타이머가 포함된 경우, 시스템의 손상을 방지하기 위해 원하지 않는 이벤트가 발생하면 출력 채널을 인수하도록 설정할 수 있습니다.

하드웨어 워치독 타이머와 NI-DAQmx에서 구현하는 방법에 대해 자세히 알아보십시오.

NI는 분산 TSN 이더넷 기반 측정 시스템을 구축하는데 사용할 수 있는 다양한 플랫폼과 제품을 제공합니다. TSN 지원 제품 범위에는 다음이 포함됩니다.

• CompactDAQ - 쉽게 배포하고 작동할 수 있도록 설계된 모듈형 섀시 
• CompactRIO - Real-Time OS와 FPGA가 통합된 유연성 높은 임베디드 컨트롤러

이러한 플랫폼과 제품을 아우르며 광범위한 기능을 갖춘 NI 솔루션은 고객이 어떤 분산 측정 분야의 요구사항도 충족할 수 있도록 지원합니다.

CompactDAQ

CompactDAQ은 내장된 신호 컨디셔닝과 다양한 I/O 옵션을 갖춘 혼합 신호 측정을 위한 모듈형 플랫폼입니다. 불필요한 기능을 구매하지 않고도 분산 측정 요구사항에 최적화된 시스템을 구축할 수 있으며, 시간이 지나면 변화하는 요구사항에 적응할 수 있는 유연성을 제공합니다. cDAQ-9185 및 cDAQ-9189 섀시에는 TSN 동기화용 IEEE 802.1AS와 RSTP용의 IEEE 802.1Q 모두를 준수하는 통합 스위치가 있습니다. 이를 활용하면 어플리케이션에 이상적인 토폴로지에 섀시를 통합할 수 있습니다. 이 섀시는 까다로운 테스트 환경의 요구사항을 충족하도록 견고하게 제작되었습니다. -40°C – 70°C의 작동 온도 범위, 최대 50g의 충격, 다양한 안전 및 환경 인증, 장애 방지 기능을 제공하는 통합 하드웨어 워치독 타이머를 제공하여 어플리케이션에 비상 계획을 포함시킬 수 있습니다.

그림 5. CompactDAQ는 연결과 신호 컨디셔닝을 모듈형 I/O에 통합하여 모든 센서나 신호와 직접 통신하는 견고한 휴대용 데이터 수집 플랫폼입니다.

CompactRIO

CompactRIO 하드웨어에는 NI-DAQmx 또는 LabVIEW FPGA Module을 사용하여 프로그래밍할 수 있는 광범위한 I/O 옵션, 임베디드 리얼타임 프로세서 및 고성능 FPGA가 결합되어 있습니다. 각 I/O 모듈은 FPGA에 직접 연결되어 타이밍 및 I/O 신호 처리의 하위 레벨 사용자 정의를 제공하거나 직관적인 측정 및 제어를 제공하는 DAQmx API를 사용하여 리얼타임 프로세서로 라우팅됩니다. CompactRIO 컨트롤러는 TSN을 지원하여 임베디드 리얼타임 컨트롤러에 TSN 기술을 제공합니다. 이 컨트롤러는 IEEE 802.1AS 프로파일을 사용하는 CompactDAQ과 동일한 C 시리즈 모듈로 분산 동기화 측정을 수행할 수 있을 뿐만 아니라 NI Linux Real-Time OS를 실행하는 분산 측정 시스템 호스트 역할도 할 수 있습니다.

그림 6. NI-DAQmx가 설치된 CompactRIO는 NI Linux Real-Time, NI-DAQmx 및 LabVIEW FPGA를 결합하여 통합된 소프트웨어 경험을 제공합니다.

분산 측정을 위해 구축된 하드웨어

분산형 TSN 이더넷 기반 측정 시스템을 설계하고 구현할 때는 응용 분야의 요구사항을 충족하는 효율적이고 신뢰성 있는 시스템을 확보할 수 있는 여러 가지 방법이 있습니다. 살펴봐야 할 몇 가지 더 넓은 주제에는 응용 분야에 이상적인 토폴로지를 선택하는 것과 이상적인 토폴로지의 요구사항을 충족할 뿐만 아니라 테스트 환경을 견디고 필요할 때 추가적 안정성을 제공하는 하드웨어를 선택하는 것이 포함됩니다. 이러한 요인을 충족하는 하드웨어를 선택한 경우 고품질 분산 측정 시스템을 구축하는 데 사용되는 CompactDAQ, CompactRIO, FieldDAQ 등과 같은 하드웨어를 사용하면 시간, 비용과 문제를 줄일 수 있습니다.

• CompactDAQ에 대해 자세히 알아보기
• CompactRIO에 대해 자세히 알아보기

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