데이터 테스트 및 수집을 위한 Precision Time Protocol

지난 수십 년 동안 다른 기기간의 동기화를 위해 수많은 시간 설정 메커니즘이 개발되었습니다. 네트워크 타임 프로토콜(NTP: Networked Time Protocol)은 최초의 표준 이더넷 기반 시간 동기화 프로토콜 중 하나입니다. 1982년에 개발된 뒤 1994년에 NTP 버전 4로 업데이트 되어 지방 또는 공공 시간 설정의 원천 소스로 사용되고 있습니다.

1956년 연구에 기초한 Inter-Range Instrumentation Group(IRIG) B 타임 코드는 분산 시스템을 동기화하기 위한 또 하나의 대안입니다. 이 경우 정밀 시간 설정을 위한 소스로서 위성 기반 리시버가 사용됩니다. 이때 타이밍 정보는 아날로그 또는 디지털 신호로 직접 전송됩니다.

1985년부터 사용되고 있는 FireWire는 2002년에 IEEE1394b로 표준화되었으며, 이 프로토콜은 자동 시간 동기화 메커니즘을 제공하기에 사용이 편리합니다. 주변장치 분야에서는 소비자 및 전문가 시장 모두 IEEE1394b 표준을 폭넓게 수용하고 있습니다. 예를 들어, 모든 HBM QuantumX modules 에는 FireWire 포트가 2개 달려 있습니다.

NTP, IRIG B, IEEE1494b 등의 표준에서도 이더넷 기반시설을 사용하여 분산 시스템을 동기화할 필요성이 대두되었습니다. 특히 적은 비용으로 Flexible 함 과 동시에 편리성을 높이기 위해서는 새로운 접근법이 필요했습니다. 산업용 기반시설에서부터 소비자 시장인 일반가정에 이르기까지 기기간 통신 또는 인간과 기기간의 통신에서 이더넷이 사실상의 표준으로 자리잡았습니다.


시간 동기화, 얼마나 정확한가?

우리는 회의나 행사 때 시간 맞춰 도착하기 위해 시계를 이용합니다. 스포츠의 경우 몇 분의 1초로 승패가 결정되기도 합니다. 증권거래소의 고속 거래에서는 마이크로초(μs)의 차이가 수천 달러의 매수가와 매도가를 바꿀 수 있습니다. 시험 및 계측 어플리케이션의 경우, 동일 시점에 포착된 물리 프로세스와 정확히 일치하는 초정밀 시간 스탬핑이 이뤄진 신호입력은 실시간 또는 후처리 모드에서 측정 데이터의 적합성을 검토하고 분석하는 데 중요한 역할을 합니다. 물론 위 사례를 비롯한 기타 여러 경우에 시계의 '정확성'이 무엇인가에 대한 정의는 특정 어플리케이션에 따라 달라집니다.

절대 시간(Absolute Time)과 상대시간(Relative Time)의 차이는 무엇일까?

절대 시간(Absolute Time)은 측정 데이터를 어떤 실생활에 대응시켜야 할 때, 또는 둘 이상의 DAQ 시스템이 동일 네트워크상에 있지 않을 때 필요합니다. 절대 시간이 적용되는 예로 교량을 통과하는 열차의 하중 영향을 모니터링하는 과정에 과적 경고 등의 추가 조치를 위해 열차 식별이 요구될 때를 들 수 있습니다. 절대 시간은 시간을 클럭(clock)으로 표시함으로써 분명하게 얻을 수 있습니다.

절대 시간의 소스가 될 수 있는 것은 다음과 같습니다.:

  • Precision Time Protocol(PTP) 그랜드마스터 클럭(Grandmaster Clock)
    • 연구실용은 Meinberg사의 GPS 기준
    • 모바일용은 OMICRON사의 GPS 기준
  • GPS 센서
    • GPS 센서의 정밀측위서비스(PPS)를 직접 사용
    • DAQ 작업을 시작할 때 프로토콜 기반의 절대 시간을 인수
  • 네트워크 타임 프로토콜(NTP) 마스터
    • 예를 들어, NIST(http://tf.nist.gov/tf-cgi/servers.cgi) 등, 인터넷 액세스로 일반이 사용 가능
    • 로컬에서 전송 가능하며 Hopf 또는 Meinberg사 GPS 기준
    • PC상에서 작동하며 운영체제에서 절대 시간 수신
  • 저주파수 지상파에서 송신된 무선신호
    • 예: 독일의 PTB가 운영 중인 DCF-77(원자시계)
  • 심플 네트워크 타임 프로토콜(SNTP) 타임서버

대부분의 시험 및 계측 어플리케이션 또는 프로세스, 특히 시험을 재현할 수 있고 복수 신호간 상대 시간이 가장 중요할 때는 상대 시간 시스템을 사용할 수 있습니다. 만약 사용해야 하는 경우에는 절대 시간이 META 데이터의 일부가 되거나 파일명 자체에 포함시켜도 무방합니다(예: 015-08-03_RLDA-test_Viper_No12).

때로는 시간 정확도가 리액션(reaction), 레이턴시(latency) 또는 리얼타임(real-time)과 연관되는 수가 있습니다. 리얼타임 기능은 예를 들어, EtherCAT, ProfiNET, EtherNET/IP또는 기타 여러 제조사의 필드버스와 같은 리얼타임 버스를 통해 이용이 가능합니다.

하나의 DAQ 장비로 Real-time 과 high-speed 분석을 동시에 할 때 고려할 점은 ?

우리는 시험 및 계측 과정에서 매우 다양한 어플리케이션을 처리합니다. 시험 및 계측은 시간 동기화 측정 및 데이터 분석에 중점을 둡니다. 그 예로 구조부하시험, 차량시험, 실차 하중 데이터 수집(RLDA), 교량 모니터링 등이 있습니다. 또한 시험 및 계측은 시뮬레이션, 자극, 제어, 인더루프(in-the-loop)에 중점을 두는 동적 액추에이터 기반의 실험실 시험을 다루기도 합니다. 이 경우 분석을 목적으로 하는 데이터 수집이 큰 역할을 하지 않습니다. 다음은 주요 고려 사항입니다.

  • 일부 어플리케이션은 데이터 분석을 목적으로 채널당 최대 100kS/s 이상의 데이터 전송 속도를 사용합니다. 실시간 응답은 주요 기준이 아니며 일반적인 리얼타임 버스에서는 가능하지도 않습니다. 더 복잡해질 뿐 아니라 자유도가 저하되기 때문입니다.
  • 초정밀 계측기는 24 Bit Sigma Delta AD 변환기 및 필터와 함께 작동하므로 위상편이와 시간지연을 초래합니다. 실시간 어플리케이션은 밀리초 범위의 결정론에 초점을 맞추며 짧은 시간응답 특성을 필요로 합니다.
  •  '분석'과 '제어'는 그 특성, 작업 흐름, 용도 및 책임이 서로 다릅니다. 이 둘을 하나의 솔루션으로 결합할 경우, 즉, 동력계 테스트 스탠드 또는 전기부하를 가동하는 동시에 시험대상 시스템(구동계통)에서 고속의 동적 데이터를 얻을 때는 충돌이 발생할 수 있습니다. 따라서 '제어'와 '분석'을 병행해야 할 때는 책임과 작업흐름을 분할시켜야 합니다.
  • 현재는 고성능 실시간 버스와 관련하여 제정된 국제표준이 없습니다. 다만 ProfiNET RT, EtherCAT, 기타 여러 솔루션이 글로벌 기업에 의해 주로 자체 시장, 특정 어플리케이션에 맞게 독자기술로 개발되었을 뿐입니다. IEEE의 Time-Sensitive Networking(TSN) 태스크 그룹은 IEEE802.1AS의 일부로 실시간 이더넷 버스 표준을 제정하기 위해 현재 작업 중입니다. DAQ 솔루션은 게이트웨이를 사용하면 다양한 실시간 버스와 링크를 이용할 수 있습니다.
  • Real-time 은 실시간으로 작동하는 마스터 어플리케이션을 필요로 합니다. Reconfiguration 을 위해서 이 마스터를 정지시킬 수는 없습니다.

Real-time의 뜻은? Time latency 란?

리얼타임이란 제어 또는 측정 시 센서 -> 앰프 내 알고리즘 -> 응답 및 액추에이터 반응 단계가 짧은 시간 내 일어나는 것을 말합니다.

대기시간이란 제어 알고리즘을 설계할 때, 또는 주어진 최대 시간 이내에 응답이 필요할 때 고려해야 하는 요소입니다. 실시간 제어 어플리케이션은 일반적으로 센서에서 컨트롤러까지 고정적이면서도 대기시간이 매우 짧아야 합니다.  Ethernet TCP/IP, CANbus 또는 PC 기반 등, 비결정적 프로토콜에서는 대기시간이 유동적입니다. 대기시간은 예를 들어, 데이터값과 함께 전송된 타임스탬프를 고려하지 않거나, 또는 고려할 수 없는 상황에서 모니터링 목적으로 데이터가 실시간 컨트롤러로 스트리밍되는 경우에도 역할을 수행합니다.


PTP(Precision Time Protocol) - IEEE 1588:2008 또는 PTPv2란? PTP의 작동 원리는?

PTP는 IEEE1588 및 IEEE1588의 2008년 2차 개정판으로 제정된 국제표준입니다. Precision Time Protocol(PTPv2)는 서로 다른 장치의 클럭을 동기화하여 마이크로초(μs) 이하의 시간 정확도를 달성하는 데 사용되는 네트워크 기반의 시간 동기화 통신 프로토콜입니다. PTPv2는 이더넷 기반의 프로토콜입니다. NTP와 비교하면, PTPv2는 물리계층에 포함되므로 이더넷 네트워크상의 모든 장치에 대한 정밀 시간 동기화를 실현하는 진정한 하드웨어 기반 타임 스탬핑이라고 말할 수 있습니다. PTPv2는 상대적 시간 동기화 메커니즘입니다. 어느 한 장치를 마스터 클럭으로 작동하도록 선택하면 이 마스터 클럭은 모든 슬레이브에 시간 동기화 메시지를 전달합니다. 시간 동기화 텔레그램이 네트워크로 전송되면서 동기화 프로세스는 시작됩니다. 모든 장치(슬레이브)는 자신의 로컬 타임과 마스터 클럭 사이의 시간 차이(지연)를 계산하여 단계적으로 2 µs 이내에 이 시간 차이에 적응합니다. 예를 들어, PTP 소스가 시간 1:00:00 pm을 알리는 PTP 메시지를 보낸다고 가정하겠습니다. 문제는 이 메시지가 행선지에 도달하기까지 시간이 걸리는 것입니다. 만약 PTP 패킷이 소스에 도달하는 데 1초가 걸렸다면, 소스가 1:00:00 pm을 나타내는 PTP 패킷을 받을 때면 1:00:01 pm이 될 것입니다. 따라서 네트워크 레이턴시를 보상해야 하는데, 다음 그림에서 보는 것처럼 이는 마스터와 슬레이브 클럭 사이에 교환된 일련의 메시지를 통해 달성할 수 있습니다.

1. 마스터 클럭이 동기화 메시지를 전송합니다. 동기화 메시지가 마스터를 출발한 시간에는 t1이라는 타임스탬프가 붙습니다. t1은 동기화 메시지 자체에 포함(한 단계 동작)되거나, 아니면 Follow_Up 메시지로 전송될 수 있습니다(두 단계 동작).
2. 슬레이브가 동기화 메시지를 수신합니다. 이 수신 시간이 t2입니다.
3. 슬레이브는 Delay_Req 메시지를 전송합니다. 이 메시지가 슬레이브를 출발할 때의 시간이 t3, 마스터가 이 메시지를 받을 때가 t4입니다.
4. 마스터는 타임스탬프 t4가 포함된 Delay_Resp 메시지로 응답합니다.

예: 초기의 마스터 시간이 100초, 슬레이브 시간은 80초. 시간이 슬레이브에서 조정되는 원리는 다음과 같습니다.

모든 PTP 장치가 PTP를 지원해야 하는데, 여기에는 이더넷 스위치는 포함되나 데이터 수신 장치(즉, DAQ 소프트웨어를 실행하는 PC)는 포함되지 않습니다. DAQ 모듈에 있는 클럭을 보통 클럭(Ordinary Clock)이라 부릅니다. 이더넷 스위치에 있는 클럭은 경계 클럭(Boundary Clock)이라 부릅니다. 절대 시간 정보를 제공하는 그랜드마스터 클럭(Grandmaster Clock)이 없을 경우 마스터가 자동으로 선택됩니다. 이와 같은 메커니즘을 BMC(Best Master Clock) 알고리즘이라고 합니다.

일부 DAQ 토폴로지(topology)는 여러 스위치를 연결한 Line 구조 또는 Ring 구조이며, 따라서 경계 클럭은 고유의 제어 루프를 사용합니다. 그 대안으로서 이른바 투명 클럭(Transparent Clock: TC)은 종단간(End-to-End: E2E) 싱크 제어 및 Follow-up 메시지를 허용합니다. 투명 클럭이 도입됨으로써 가변적인 스위치 레이턴시를 교정할 수 있는 훨씬 간단한 솔루션이 가능해졌습니다. 투명 클럭의 기본 개념은 PTP 이벤트 메시지가 스위치 내에서 소비한 시간(이른바 체류시간)을 측정하는 것입니다. 체류시간은 메시지 그 자체에 의해, 아니면 이후의 Follow_up 또는 Delay_Resp 메시지에 의해 수신자에게 보고됩니다. 이러한 목적을 위해 이른바 정정 필드(Correction Field)라는 새로운 메시지 필드가 추가되었습니다. 정정 필드는 일종의 시간 간격으로, 메시지 경로에 따른 체류시간 집계나 그 외 정정에 사용될 수 있습니다. 주요 이점은 다음과 같습니다.

 

• 설정 불필요: 투명 클럭은 계산이 불필요하며 BMC 알고리즘의 계산에서 고려하지 않아도 되므로 관리 메시지를 송수신할 필요가 없습니다.
• 장애 발생 시 네트워크를 신속히 재구성할 수 있습니다.
• 셋업시간 단축: 초기화 단계 및 토폴로지 변경 후, 투명 클럭은 유효한 동기화 경로의 일부로 간주되지 않는 한, 마스터 클럭과 재동기화할 필요가 없습니다.
• 소규모 구성에 최적.

Peer-to-Peer (P2P)를 사용하는 투명 클럭(Transparent Clocks)은 서브네트에 접속되는 장치의 수에 적절히 대응할 수 있을 뿐 아니라 네트워크 토폴로지 변화에 대응하여 신속한 복구가 가능합니다. 따라서 이 메커니즘은 확장성이 크게 향상되므로 캐스케이드 토폴로지(cascaded topology)(데이지 체인(daisy chain)으로 연결된 스위치를 다수 사용하는 대규모 시스템)에 가장 적합합니다.

PTPv2 의 장점은?

  • PTPv2는 표준화된 프로토콜을 사용하므로 다양한 벤더의 서로 다른 장치 타입 사이에 시간 동기화가 가능
  • DAQ modules 사이의 거리 확대 가능
  • 여러 HBM 제품라인 사이에 상호 동기화 가능.  QuantumX, SomatXR, Genesis High Speed 제품은 PTPv2를 지원하며 다음을 포함하여 모든 상황에서 데이터 수집이 가능:
    o 분산, 모바일, 옥외 가혹한 환경
    o 수백 개의 채널을 보유하거나 매 초 및 채널마다 엄청나게 많은 샘플이 있는 실험실 시험 또는 필드 테스트
  • 고속의 데이터 전송속도로 작업 시 모든 장치 사이에 마이크로초(μs) 미만의 높은 시간정밀도
  • 이더넷을 표준으로 사용
    • 전기: 최대 100m의 표준 이더넷 케이블
    • 광학: 모듈 및 전기절연 사이의 거리 확대(수 마일까지) 가능
    • 추가 싱크 라인이 불필요
  • 관리가 불필요한 간단한 설정o 자동 마스터 선택
    o 마스터 장애에 대한 견고성(스마트 슬레이브)
    o 토폴로지 변경에 대한 견고성
    o 연속적인 시간 척도('점핑' 타임스탬프나 롤 오버가 없음)
  • 필요 시 절대 시간 사용
    • 하나 또는 여러 DAQ systems 이 동일 네트워크에 있지 않지만 데이터를 신속히 분석할 필요가 있을 경우에는 GPS 기반의 그랜드마스터 클럭을 내장하여 절대시간으로 사용 가능

PTP의 이점이 부각되는 대표적인 어플리케이션은 다음과 같습니다.

PTP의 이점이 부각되는 대표적인 어플리케이션은 다음과 같습니다.

• 아래와 같은 용도로 사용되며 매우 광범위하게 분산되어 있는 데이터 수집 모듈:
   o 대형 지상차량(열차, 건설중장비)의 모바일 테스트: 제동장치, 동력, 구조 등
   o 항공기의 실험실 테스트: 기계(Iron Bird), 구조(내구성)
   o GPS 기반의 절대시간을 이용한 대형 구조물 모니터링: 교량, 타워, 풍력발전소
• 아래와 같은 용도로 사용되는 하이브리드 데이터 수집 장치:
   o 채널당 2 MS/s로 전압, 전류를 수집하는 고속 데이터 수집 장치 Genesis High Speed와 기계 센서, 온도 센서의 데이터를 수집하는 중속의 QuantumX를 결합한 전기자동차 또는 하이브리드자동차 동력계 시험
   o 항공기의 실험실 테스트: 전기(Copper Bird 시험장치)
   o 기계류 또는 발전기의 실험실 테스트: 전기, 기계, 열
   o 카메라, 휠 포스 트랜스듀서(wheel force transducer), 기타 아날로그 또는 디지털 차량 버스 데이터 보조기기를 사용한 동적 차량 시험 또는 모니터링
   o 임의의 용도에 따라 다양한 벤더의 서로 다른 DAQ 시스템을 결합
• 기존 아날로그 데이터 수집 장치에 카메라 또는 기타 정보원을 결합한 혼합 시스템 아키텍처

QuantumX에 기반한 분산 DAQ 시스템 토폴로지  

 

하이브리드 DAQ 시스템 Genesis High Speed와 QuantumX

DAQ 소프트웨어에서 PTP를 ‘매개변수화’하는 절차는?

QuantumX는 다양한 시간 동기화 메커니즘을 지원하므로 처음 네트워크를 설정할 때는 매개변수화 작업이 필요합니다. 디폴트 또는 AUTO 시스템 클럭 타이밍 메커니즘은 FireWire입니다. 추가로 다음과 같은 타이밍 소스 또는 메커니즘을 선택할 수 있습니다.

  • PTPv2
  • NTP
  • IRIG-B
  • EtherCAT

PTPv2를 매개변수화 할 때는 HBM의 catmanEasy, MX Assistant 또는 perception 과 같은 소프트웨어를 사용할 수 있습니다. 스크린샷을 클릭하면 확대됩니다. 

추천할 만한 이더넷 PTP 스위치 및 그랜드마스터 클럭(Grandmaster Clock)은?

PTPv2 스위치 선택 시 고려해야 할 기본 특성은 아래와 같습니다.

  • IEEE1588:2008 (PTPv2) 지원
  • Transparent Clock (TC)
  • 지연 메커니즘: End-To-End  (E2E) or Peer-To-Peer (P2P)
  • 전송 메커니즘: IPv4 or IPv6

추천할 만한 스위치

  • HBM: 아래 파라미터를 갖는 기가비트 이더넷 스위치 EX23-R:
    • 시스템 디자인: 10 포트, DC 10-30 V 전원, IP65/IP67, 내충격 특성의 견고한 옥외용 변형제품
    • Delay Mechanism: E2E
    • Transport Mechanism: IPv4, IPv6.
  • 지멘스: Scalance XR324-12M
    • 시스템 설계: 최대 16 포트(전기식 또는 광학식)의 랙 사이즈 변형제품
    • Delay Mechanism:  E2E
    • Transport Mechanism:  IPv4/UDP
    • Mode: Transparent Clock
  • Hirschmann: RSP 이더넷 스위치
    • System design: DIN rail mounted with 11 ports in total
    • Delay Mechanism: E2E
  • Oregano Systems: syn1588® Gbit 이더넷 스위치
    • System design: Desktop variant with 8 ports
    •  Delay Mechanism: 1-step with E2E
    • Transport Mechanism  :  IP4 (IPv6 has not been tested)
    • Mode: Transparent Clock (no parameterization)
  • B&K: LAN-XI 시리즈 PTPv2 스위치
    • System design: Desktop with 8 ports electrical and 2 optical

기타 스위치(시판되고 있으나 미검증):

  • CISCO: IE 3000 Switch
  • MOXA: PT-7728-PTP Rack Type Switch
  • MOXA: EDS-405A-PTP Series

추천할 만한 이더넷 그랜드마스터 클럭(Clocks)

PTP는 '최상 클럭' 메커니즘을 지원하므로 그랜드마스터 클럭을 네트워크에 내장하는 것이 필수사항은 아니지만, 어플리케이션에 따라 절대 클럭 정보가 필요한 경우도 있습니다.

  • Meinberg: LANTIME M600 - IEEE 1588-2008 Grandmaster Clock (GPS based)
    • System design: rack mounted solution, 110 – 230 V AC supply
    • Ports: 6 in total (RJ45)
  • Omicron: OTMC 100 (integrated GPS)
    • System design: small, for outdoor installations (IP67, 24 V DC supply, -40°C … +70°C / -40°F ... +158°F)
    • Ports: 1 in total, support of Power over Ethernet (PoE) according to IEEE 802.3af with < 2 W.
  • Your PC can be used as Grandmaster Clock as well 
    • We then recommend using a network adapter with Intel i210 chip. 

PTPv2의 PTPv1에 대한 하향 호환성?

PTP 버전1은 주로 시험, 계측 및 산업자동화가 그 대상으로, NTP 기능을 초과하는 성능의 LAN에서 사용하기 위한 멀티캐스트 프로토콜(multicast protocol)입니다.

PTP 버전2, 즉 IEEE-1588-2008은 버전1을 강화한 것입니다. 양 버전은 서로 호환되지 않습니다. PTPv2 표준의 주요 기능은 다음과 같습니다.

 

     • 멀티캐스트 메시지
     • 2스텝 클럭
     • 피어투피어(P2P) 또는 종단간(E2E) 지연 메커니즘
     • 동기화 간격: 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64 또는 128 패킷/초
     • 지연 요청 간격: 1, 2, 4, 8 또는 16 초
     • 전송 프로토콜 지원: IPv4 및 최신 IPv6

 

 

PTPv2 사용 시 정확도는?

시간 정확도는 네트워크 및 장치의 종류에 따라 큰 차이가 있습니다. 네트워크상의 모든 장치를 PTPv2를 100% 지원하는 사설 LAN으로 설정할 것을 추천합니다. 사설 LAN 구성의 경우, 장치 대 장치 및 그 채널의 시간 정확도는 100 나노초까지 낮출 수 있습니다. 다만, 서로 다른 데이터 전송속도와 필터가 타이밍 지터(timing jitter) 및 위상 지연(phase delay)을 초래할 수 있다는 점을 고려해야 합니다.

하드웨어 타임 스탬핑과 소프트웨어 타임 스탬핑의 차이?

가장 큰 차이는 달성 가능한 동기화 정확도입니다. 예컨대 NTP에서 사용되는 소프트웨어 기반 타임 스탬핑이라면 소규모 네트워크의 경우 슬레이브 동기화 정확도를 100마이크로초(μs)까지 높일 수 있지만 일반적으로 1ms까지 가능합니다. 하드웨어 기반 타임 스탬핑에서는 동기화 시간 정확도를 100 나노초까지 달성할 수 있습니다. 다만, 이 정도의 정확도를 얻기 위해서는 스위치, 슬레이브 하드웨어(slave hardware) 등의 네트워크 토폴로지가 하드웨어 타임 스탬핑을 지원해야 합니다.

표준 스위치를 사용해도 되는지, 그럴 경우 어떤 영향이 있는지?

PTP를 지원하지 않는 스위치를 사용하면 리스크가 있습니다. PTP 메시지 전송은 트래픽에 영향을 받습니다. 따라서 전반적인 시간 설정에 있어서 트래픽이 결정적으로 중요합니다. 스위치가 QoS를 지원할 경우, PTP 패키지의 우선순위 상향조정 원칙에 따라 이 문제는 해결할 수 있습니다. 일반적으로 PTPv2가 지원되지 않는 스위치 사용은 권장되지 않습니다. 최악의 경우에는 PTP 패킷이 유실되고 그로 인해 필수 데이터의 신뢰도를 보장할 수 없게 됩니다. 

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