ETG, Martin Rostan - EtherCAT과 TSN, 서로간의 완벽한 매치 [월간CONTROL 2018/8]

EtherCAT과 TSN, 서로간의 완벽한 매치

같은 환경에서 이음새 없이 존재, 동시 사용에도 서로를 바꾸지 않는다

ETG(EtherCAt Technology Group)협회 한국지사가 지난 7월5일 베스트웨스턴 프리미어 구로호텔에서 제 9회 ETG KOREA 회원사 초정 세미나를 개최했다. ETG 협회는 세미나에 앞서 ‘EtherCAT 및 TSN’이란 주제로 기자 간담회를 개최하고, IoT 및 스마트 팩토리에서 모두가 주목하는 TSN(Time Sensitive Networking) 기술의 궁극적인 기능에 대해 설명하는 자리를 가졌다. 다음은 ETG 그룹의 Martin Rostan 매니저가 설명한 TSN의 기능 및 EtherCAT과 TSN의 관계에 대한 내용을 정리한다.

ETG는 지난해 11월 주요 TSN 글로벌 스위치 제조업체와 EtherCAT 지원을 위한 협약을 체결했다.

지속적으로 발전하는 EtherCAT, 아시아지역에서의 회원수 증가

ETG는 지속적으로 성장하고 있다. 현재 회원사가 4891개로 지난 한달만해도 49개 신규 회원사가 가입했으며, 지난 12개월 이내에 500개 회사가 함께 하게 되었다. 이는 EtherCAT의 성장 속도를 대변한다고 할 수 있다. 대부분의 필드버스 협회는 글로벌 조직이라고 말하지만 해외 회원사가 그리 많지는 않다. ETG 또한 그렇게 출발했지만 지금은 아시아 회원사가 전체 회원사의 1/3을 차지하는 만큼 진정한 의미의 글로벌 조직이라고 할 수 있다. 현재 EtherCAT은 아시아에서 좋은 성과를 올리고 있는데 회원사가 올 연말이 되면 2000개사가 될 것으로 보인다. 이렇게 되면 아시아 내에서는 필드버스 기관으로서 최대 규모를 자랑하게 되며, 아시아 회원수만 가지고도 세계 최대 필드버스 조직이 된다.

무엇보다 중요한 것은 얼마나 많은 사람이 이 기술을 사용하는가이다. ETG는 2000개가 넘는 벤더들이 있으며, 회원사의 1/3 정도는 기술을 사용하는 회원사이지만, 큰 비중은 직접 자신의 제품에 EtherCAT을 적용하는 회원사들이다.

TSN은 여러 기술이 포함된 포트폴리오

TSN은 단일 기술은 아니다. 여러 표준이 있는 하나의 세트로서 여러 기술이 포함되어 있는 포트폴리오이다. IEEE에 의해 TSN이 정의되고 개발되고 있다. 물론 미국의 엔지니어들의 협회이기는 하지만 IEEE의 의미는 전 세계적이다. TSN는 16년째 개발 중에 있다. 현재 굉장히 다양한 IEEE 표준이 개발되고 있는데 소속되어 있는 위원회는 802.1 위원회로 인터넷 위원회가 아니고 브릿지 위원회이다.

브릿지 같은 경우는 인터넷 안에서 사용될 때 흔히 스위치라고 흔히 부르지만 여기에만 적용되는 것이 아니라 다양한 기술, 예를 들어 통신기술에도 사용되고 있다. TSN는 Time-Sensitive Networking의 약자로 여기서는 당연히 시간이 중요하다. 그렇지만 그 외에도 가용성, 케이블의 중복 등 여러 측면을 포함하고 있다. 요컨대 TSN은 여러 표준의 포트폴리오이기 때문에 이 안에 다양한 툴들이 있고, 이 툴들을 동시에 사용하지 않아도 되며, 선택적으로 사용할 수가 있다. IEEE의 경우에는 이 툴들에 대한 매뉴얼을 제공하지 않는다. 결국은 표준을 어떻게 사용하는지 알려주지 않는다. 그렇기 때문에 필요에 따라 자신의 기술에 따른 툴을 선택해 사용할 수 있다.

TSN는 필드버스가 아니다

TSN는 필드버스가 아니다. 최근 TSN이 주목받으면서 여러 오해가 많은데 그중 하나가 TSN이 필드버스를 대체할 것이라고 하는데 그렇게 될 수는 없다. TSN은 필드버스가 아니고, 필드버스가 될 수가 없으며, 필드버스가 되기 위해 만들어진 것도 아니다. 또한 IEEE도 필드버스 조직이 아니다.

ETG는 IEEE와 공식적인 파트너십을 구축했다. 표준화 분야에서는 이러한 파트너십을 Liaison이라고 부른다. 따라서 ETG는 아직 공식화 되지 않은 표준에 대한 표준안을 볼 수 있는 권한이 있다. 표준안에는 여러 개의 목록이 있으며, 이중 아직 퍼블리싱 되지 않은 표준의 경우에는 그 표준을 토대로 제품을 생산할 수 없다. 표준이 변화할 수 있기 때문이다.

지금 TSN에 대해 얼마나 성숙한지, 가용성은 어떤지 많은 이야기가 나오지만 사실 아직까지 미해결 도전과제는 컨피그레이션이다. TSN 환경에서 컨피그레이션은 2가지 측면으로 생각해볼 수 있다. 첫 번째는 패스를 최적화 하는 부분으로 가장 큰 도전과제이다. 스위치에게 어떤 프레임을 언제 통과시킬지에 대해서 수학적으로 계산하는 부분이 있다. 이 부분이 컨피그레이션의 가장 큰 도전 과제이다.

두 번째는 이와 같이 처리된 정보를 분산 디바이스에 어떻게 다운로드 하는지에 대한 과제이다. 현재 IEEE의 경우에는 두 번째 과제만을 다루고 있다.

요약하면 아직까지 이러한 해결 과제가 있기 때문에 TSN의 성공여부를 100% 알기 어려운 시점이지만 간단한 네트워크에 대해서는 이 부분이 해결될 것이라고 생각한다. 하지만 전체 플랜트에 적용되는 TSN과 관련돼서 최적화된 컨피그레이션은 구하기는 어려울 것으로 보이며, 여러 가지 솔루션이 나오겠지만 TSN 기술의 잠재력을 모두 활용할 수 있는 솔루션은 어려울 것으로 생각한다.

EtherCAT과 TSN

ETG는 현재 TSN과 EtherCAT을 사용하는 2가지 시나리오를 마련하고 있다. 이는 현재가 아닌 미래를 위한 시나리오로 EtherCAT Automation Protocol(EAP) 즉, 마스터 대 마스터를 연결하는 실시간 연결이 개선될 것이다. 여기서 명확한 것은 TSN 인프라를 적용함으로써 마스터에서 마스터로 가는 연결이 개선되고 실시간 연결이 가능해진다. 따라서 TSN의 특성을 사용해 EAP를 개선하는 형태가 된다. 이건 이미 많은 사람들이 TSN에 대해 기대하는 바이고, 당연히 가능하다고 본다.

두 번째 시나리오는 TSN를 사용해서 마스터와 슬레이브 세그먼트를 분리하는 것이다. 그렇게 되면 EtherCAT 토플리지에 대한 선택의 폭을 넓힐 수 있고, 또 일부 시나리오에서는 애플리케이션의 성능과 속도를 개선할 수 있다.

지금 현재 사용되고 있는 형태는 EtherCAT이 슬레이브 쪽으로 갔다 다시 올라오면서 인풋 데이터를 가지고 올라온다. 그런데 TSN을 적용한 모델을 보면 슬레이브에 갈 때까지는 TSN을 이용해서 실시간 통신 링크를 연결해주고, 그 밑에 슬레이브를 통과하는 부분은 다시 기존의 방법으로 갔다가, 마스터로 돌아가는 부분은 다시 TSN으로 연결하게 된다. 즉 TSN으로 내려와서 슬레이브를 통과하는 부분은 기존과 같다. 그래서 마스터와 슬레이브를 연결하는 구간은 실시간이 가능해진다. 이러한 시나리오가 가능하기 위해서는 어떠한 디바이스든 TSN 프레임을 기본적인 펄캣 프레임으로 전환해주는 것이 필요하다. 따라서 TSN이 EtherCAT의 터널 역할을 한다고 볼 수 있다.

이와 다른 시나리오로 TSN의 스위치를 사용해서 터널 입구 역할을 부여할 수 있다. 그렇게 되면 TSN 스위치가 해야 할 역할 중 하나는 기존에 가지고 있는 TSN과 관련된 공식을 적용해 줄 수 있어야 한다. 그래서 이 스위치 안에는 사용할 - 앞서 TSN이 여러 툴이라고 했는데 - 툴 중에 어떤 것을 사용할지 배합을 만들었을 때, 그 배합을 적용해줄 스위치가 필요하다. EtherCAT의 경우는 이미 앞서 말한 TSN 안의 수백만 개의 툴 중에 어떤 툴을 사용할지 정의해놓았다. EtherCAT 스펙을 통해 미래 TSN을 어떻게 사용할지 정의해두었다는 것이다. ETG는 이를 마련한 최초의 대형 필드버스 기관이라고 할 수 있다. 여기서 중요한 것은 EtherCAT이 TSN을 바꾸려고 하는 것이 아니며, TSN이 EtherCAT을 바꾸는 것도 아니다. 2개를 같이 사용하되 서로를 바꾸지 않고 사용하는 것이다. 표준적인 EtherCAT 세그먼트와 슬레이브로써 TSN과는 전혀 상관없이 그대로 존재하며, 연결되는 부분에만 Stream adaptation을 하면 된다. 앞서 말한 터널 입구를 하나 추가하는 것이다. 이를 ETG가 백서에 명시했으며, 웹사이트를 통해 백서는 다운받을 수 있다. 따라서 새로운 기술 표준의 이점을 사용하면서 동시에 EtherCAT을 안정적으로 유지할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

이와 같은 접근의 성능에 대해 몇가지 살펴보면, ETG는 좀 더 실질적인 비교를 위해 3가지 시나리오를 사용한다.

첫째, 소규모의 기계 네트워크를 사용할 경우 사이클 타임을 기준으로 하고 있는데 여기서 사용하고 있는 사이클 타임 기준을 인풋이 업데이트 되고, 아웃풋도 업데이트 된 시간을 말한다. 여기서 가정하는 TSN은 커플로 스위칭을 사용하는 최적화된 형태를 적용한다. 물론 이와 같은 최적화는 현재 존재하지 않고 표준 외의 것이지만, ETG는 최적화된 형태를 가정해서 정의한다. 또한 통신도 최적화된 방법을 가정한다. 평행으로 이루어진다고 가정하고 있다. 그리고 필드버스에서 물리적 I/O까지의 시간도 같이 감안한다. 왜냐하면 현실에서는 이 시간이 굉장히 중요하기 때문이다. 시나리오는 EtherCAT을 100 메가비트로 기준했는데 시나리오를 100 메가비트로 잡던, 1 기가비트로 잡던 EtherCAT이 훨씬 더 빠르다는 것을 볼 수 있다. TSN 칩은 들어가 있지만 라인 토폴리지를 사용한다. 여러 갈래로 나누어진 토폴로지는 사실 소형 기계 네트워크에서는 비용이 정당화 되지 않기 때문에 EtherCAT이 라인 토폴로지만 가지고 시나리오를 운용한다.

다음은 중간 규모의 네트워크를 가장한 시나리오이다. 소형 규모의 시나리오 보다는 디바이스 숫자 자체가 많지만 여기에서도 EtherCAT과 TSN이 비슷한 것을 알 수 있다. 따라서 소형 시나리오와 비슷한 결과로 EtherCAT의 속도가 훨씬 빠른 것을 볼 수 있다. 대형 네트워크를 보면 더 흥미롭다. TSN 인프라가 사용 가능하기 때문이다. EtherCAT의 경우는 표준적인 라인 토폴로지를 사용한다. 사실 이 토폴로지가 EtherCAT에 있어서는 크게 중요하지 않다. TSN의 경우에는 이 정도 규모가 되면 스위치를 사용할 수 있기 때문에 병행으로 여러 갈래의 통신이 같이 이루어 질 수 있는 형태가 된다. 그런데 스위치 가격은 감안이 되어야 한다.

현재 시중에 나와 있는 프로토타입을 보면 400 달러인데, 디바이스 당 400 달러가 아닌 포트 당 400 달러이다. 이 정도 규모의 디바이스는 수천 달러에 달할 수 있을 것으로 예상할 수 있다. 앞서 말했던 향후 함께 사용할 수 있는 방법 즉, 마스터에서 TSN으로 연결해 그 나머지 부분에 입각해 사용하는 방법도 생각할 수 있다. 이 정도 규모면 TSN 디바이스를 생각해 볼 수 있는 규모이기 때문이다.

성능을 비교해보면 100 메가비트 EtherCAT이 1 기가비트 TSN 보다 빠르다는 것을 볼 수 있다. 100 메가비트 당 100 메가비트를 비교해보면 그 차이는 훨씬 벌어진다. 그런데 EtherCAT과 기가비트 기관의 TSN을 사용하면 훨씬 더 빨라진다는 것을 알 수 있다.

ETG가 백서에서 미래의 TSN을 이렇게 활용할 것이라고 예상한 시나리오가 바로 이 시나리오이다.

이러한 성능의 차이뿐만 아니라 기가비트 카메라 같은 좀 더 큰 광대역을 필요로 하는 디바이스를 이렇게 하면 포함할 수 있다.

한가지 중요한 점은 TSN이 가능한 필드버스를 사용하면 속도가 느리다는 것이 아니다. 미래의 TSN 기반 필드버스 기술은 성능이 아주 좋을 것이다. 하지만 EtherCAT이 더 빠를 뿐 아니라 성능도 더 좋다. 이는 스위치 컨피그레이션도 필요없고, IP 어드레스나 맥 어드레스, 최적화를 위한 알고리즘, 컨피그레이션 다운로드 이런 것들이 다 필요없기 때문이다. EtherCAT은 비용도 더 낮다. 미래의 TSN 칩과 비교해도 비용이 훨씬 낮다. 또한 진정한 의미의 오픈 애플리케이션이다. TSN도 오픈이 아니냐고 생각할 수 있다. TSN의 스위치를 컨피그레이션 하는 단일안 즉 표준안은 만들어지지 않을 것이라고 생각한다. 각 사마다 자신만의 방법이 있기 때문이다 . 또한 EtherCAT은 신뢰 가능하며, 여전히 100 메가비트를 사용할 수 있다. 그리고 실제 현장에서 100 메가비트보다 1 기가비트 보다 훨씬 안정적으로 사용할 수 있다. 버전이 하나뿐이고, 계속 버전이 바뀌는 것이 아니다. TSN은 아직까지 안정적인 버전 하나를 내놓지 못하고 있다. 또한 버전은 계속 바뀔 것이다. 그리고 EtherCAT은 이미 사용되고 있으며, 입증되어 있다.

Stream adaptation이 스위치로 가능하다고 했는데 ETG가 작년 11월에 이와 관련된 내용을 공개했는데 주요 스위치 제조업체에서 이와 같은 기능을 제조하겠다는 의지를 표명한 것이다.

이는 주요 TSN 분야 회사들이 EtherCAT이 선택한 형태의 TSN을 지원하겠다는 것으로 미래에는 EtherCAT을 아무 변화없이 TSN과 연결할 수 있다는 것을 의미하기도 한다. 이것은 출발점에 불과하다. 이 회사들이 함께 하면 나머지 회사들도 함께 할 수밖에 없다.