TSN에서 시간을 맞추는 방법 (802.1AS gPTP)
TSN에서 gPTP(generalized Precision Time Protocol)는 네트워크에 연결된 여러 노드 간에 서로 정확한 시각을 맞추고 동기화하기 위해 사용하는 핵심 기술입니다. IEEE 802.1AS gPTP 표준은 기존 IEEE 1588 PTP 표준을 더욱 간소화하고 일반화한 버전입니다. 복잡한 프로토콜 구조 때문에 서로 다른 제조사의 장비 간에 상호운용성을 확보하기 어려웠던 문제를 개선하여 프로토콜을 한층 단순하게 다듬었습니다.
802.1AS와 1588의 가장 큰 차이는 동기화 방식에 있습니다. 기존 1588이 네트워크상에서 멀리 떨어진 말단 노드 간의 동기화를 다룬다면, 802.1AS는 바로 인접한 노드 간의 시각을 정밀하게 맞추는
데 초점을 맞추고 있습니다. 이러한 특성 덕분에 802.1AS gPTP는 자율주행, 로보틱스, 산업용 자동화 네트워크처럼 높은 실시간성이 필요한 환경에 매우 적합한 시각 동기화 표준으로 자리 잡고 있습니다.
위의 그림은 gPTP가 실제 네트워크에서 어떻게 작동하는지 그 기본 원리를 보여줍니다. gPTP 구조는 시각의 기준 역할을 하는 마스터(Master)와, 그 마스터의 시각 정보에 맞춰 자신의 시계를 계속 업데이트하는 슬레이브(Slave)로 나뉩니다. 이 방식은 마스터에서 슬레이브로 가는 지연 시간과 슬레이브에서 마스터로 돌아오는 지연 시간이 서로 같다고 가정합니다. 일반적인 이더넷이나 TSN은 물리 계층(PHY) 수준에서 데이터를 송신하고 수신하는 시간이 일정하므로 이는 매우 합리적인 전제입니다.
여기서 T1-T2 구간은 마스터에서 슬레이브로 향하는 지연 시간을 나타내며, T3-T4 구간은 슬레이브에서 마스터로 전송될 때의 지연 시간을 나타냅니다.
따라서 두 구간의 값을 평균 내어 계산하면, 슬레이브 노드가 자신의 시각을 얼마나 보정해야 하는지 정확하게 산출할 수 있습니다. 그렇다면 실제 현장에서 gPTP는 얼마나 정밀하게 시각을 맞춰줄 수 있을까요?
위 그래프는 TSN Lab의 TSN IP(engineered by Fraunhofer)를 적용하여 총 3개 노드 간의 시각을 동기화한 파형 측정 결과입니다. 1초에 한 번씩 발생시키는 펄스(1 PPS) 신호가 물리적 수준에서 얼마나 미세하게 차이 나는지 직접 오실로스코프 파형으로 관측할 수 있습니다. 온도와 습도가 일정하고 진동이나 전자파 장애가 없는 이상적인 환경이라면, 클록 1주기 이내인 ±4ns 수준까지 매우 정밀하게 시각을 동기화할 수 있습니다.
하지만 실제 현장에는 다양한 변수가 존재합니다. 저가형 오실레이터를 사용하거나 노드마다 서로 다른 성능의 부품을 쓸 때, 혹은 전압 변동, 온도·습도 변화, 외부 전자기파 또는 진동 등이 발생하면 각 노드의 시계는 조금씩 다른 속도로 흘러가게 됩니다. 이로 인해 실제 운영 환경에서는 2홉(hop) 기준 50ns 정도까지 동기화 오차가 늘어나기도 합니다. 일반적인 피지컬 AI의 실시간 제어 기준(밀리초 단위)에 비하면 50ns는 2만 분의 1 수준에 불과할 정도로 극히 짧은 시간이지만, TSN은 이 미세한 오차조차 줄이기 위해 여러 H/W와 S/W적인 기법들을 사용합니다.
네트워크 전체의 시각 기준이 되는 마스터는 어떻게 결정될까요? 802.1AS 표준에서는 BMCA(Best Master Clock Algorithm)라는 투표 알고리즘을 사용해 가장 정확도가 높은 노드를 Grandmaster(GM)로 자동 선출합니다. 그리고 이 Grandmaster를 중심으로 이웃 노드들이 순차적으로 시각을 맞추게 됩니다. 자연스럽게 Grandmaster 노드와 거리가 멀어질수록 전달 과정에서 시각 동기화 오차도 조금씩 누적됩니다. 일반적으로 시각 동기 오차는 정규분포(Gaussian) 형태를 띠며, 홉 수가 늘어나 기준 노드에서 멀어질수록 오차 폭이 정비례하여 커집니다. 이에 따라 TSN 표준에서는 지나친 오차 누적을 막기 위해 최대 6홉까지만 거치도록 권장하고 있습니다. 6홉 정도면 하나의 도시 구역을 커버할 수 있는 범위이므로, 일반적인 건물이나 공장 단위 시스템을 구성하는 데에는 충분한 수준입니다.
한편, 기존 BMCA 알고리즘에서 사용하던 마스터(Master)와 슬레이브(Slave)라는 용어는 차별적인 어조를 담고 있다는 지적을 받아왔습니다. 이를 개선하고자 802.1AS 2024 개정 표준에서는 마스터와 슬레이브를 각각 'Clock Time Transmitter'와 'Clock Time Receiver'라는 중립적인 표현으로 개정하였습니다. 알고리즘 명칭 역시 BMCA에서 BTCA(Best Time Transmitter Clock Algorithm)로 변경되었습니다. 용어 변경 외에도 2024년 표준의 가장 중요한 변화는 이중화 네트워크에서의 시각 동기화 지원입니다. 기준점이 되는 Grandmaster를 예비용까지 2중으로 구성하여, 메인 GM 노드에 장애가 발생하더라도 지연 없이 다음 GM이 즉시 역할을 이어받아 동기화를 유지하도록 설계되었습니다. 이처럼 2024년 개정된 gPTP는 물리적 수준의 초정밀 시각 동기화 성능을 제공함과 동시에, 네트워크 장애 시에도 끊김 없는 이중화 동기화 메커니즘을 명확하게 제시하고 있습니다.
gPTP는 미션 크리티컬한 실시간 시스템을 위한 필수 표준 기술입니다. 나노초 단위의 정밀한 동기화는 정해진 시점에 데이터를 오차 없이 주고받아야 하는 고신뢰성 시스템 구현의 핵심 기반입니다. TSN Lab에서는 자사에서 제공하는 TSN IP 제품군에 대한 정밀 시각 동기 성능 자료와 기술 지원을 제공하고 있으니, 관련 문의 사항이 있으시면 언제든 연락해 주시기 바랍니다.
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