산업융합 네트워크기술 동향

산업융합네트워크 포럼, 2016.04.29.

기존의 오디오/비디오 디지털 시스템들은 기기별로 다양한 인터페이스(SPI, I2C, UART, HDMI, CAN, LIN, MOST 등) 및 별도의 전용 케이블들(Copper, Coaxial, Optic Fiber, HDMI, LVDS 등)을 통해 연결되어 연동되는 형태로 배선이 복잡하고, 유지 관리에 어려움이 있음. 특히, 고가의 케이블들을 다수의 형태로 사용하여 비용 상승의 문제가 심각하였음. AVB(Audio Video Bridging)는 전통적인 오디오 및 비디어 시스템의 연결 복잡성 문제를 해결하기 위한 방안으로, 네트워크 및 오디오 전문 업체들이 간단한 LAN 케이블(UTP)을 이용하여 AV 신호를 디지털로 전송하는 기술을 개발하였으며, IEEE802 산하에 AVB 작업그룹을 결성하여 국제 표준화를 진행하였고, 최근에는 TSN(Time Sensitive Network)이라는 명칭을 동시에 사용하면서, 각종 산업 시설 디바이스들의 제어 신호도 전송할 수 있도록 전개하고 있음.

현재 자동차에 장착 되고 있는 전자 제어 장치 (ECU)의 수는 차종마다 다르지만, 최소 40 ~ 50개, 많게는 150여개가 사용되고 있으며, 차종에 무관하게 전자 제어 장치수와 사용빈도는 날로 급격히 증가하고 있으며 이로 인해 제한된 공간인 자동차 내부에서의 통신망의 복잡성은 날로 증대되고 있는 상황임. 또한, 첨단 운전 보조 장치 (ADAS)와 Infotainmet등과 같은 새로운 제품군의 등장으로 인하여 대용량의 데이터 전송이 가능한 고 대역폭의 새로운 통신망 기술이 요구되고 있으며, 현재 CAN, LIN, FlexRay, MOST 등과 같은 다양한 자동차 내부 통신 수단이 존재함으로 인해 통신 효율성 측면 및 비용 측면에서 많은 제약이 있어 최근의 선진업체들은 자동차의 Backbone을 이더넷으로 적용하는 기술을 연구하기 시작하였으며, 궁극적으로는 내부 통신망 기술을 이더넷 기술로 단일화하는 개발을 진행하고 있음.

Fly-by-Wire 기술이 항공기에 적용되면서 비행 제어 컴퓨터, 입출력 데이터 장치 및 미션 컴퓨터 등을 연결하기 위한 방법으로 네트워크 기술이 사용되고 있음. 100 Kb/s 속도의 일대일 연결 구조를 갖는 ARINC 429와 버스 형태를 갖는 1Mb/s 속도의 MIL-STD-1553은 현재 널리 사용되는 대표적인 항공/국방 분야의 네트워크 기술임. 항공전자 기술의 발달로 인해 네트워크 대역폭의 수요는 급증하게 되고 이런 문제를 해결하기 위해서 Airbus는 A380 기종을 개발하는데 100Mb/s 양방향 스위치 기반의 이더넷을 도입하였음. 항공기에 적합하도록 예측 가능한(deterministic) QoS 기능을 MAC 계층에 추가하여 항공용 이더넷 기술을 ARINC 664 part 7 으로 표준화하였고 현재는 Airbus 뿐 아니라 Boeing, Sukhoi, Bombardier, AgustaWestland 등의 주요 항공 제조사와 중국의 Comac 그리고 한국의 KAI 가 최신 항공기 개발에 항공용 이더넷 기술을 도입하고 있는 상황임.

전화국과 일반가입자, 비즈니스 가입자 및 이동통신 기지국을 연결하는 광액세스 구간이나 건물 내까지 고속 인터넷서비스를 제공하는 액세스 구간의 트래픽 용량은 매 5년마다 10배씩 증가하고 있으며, 향후 IoT, Cloud, 5G 서비스 등 모든 사물과 사람이 인터넷으로 연결되는 초연결 시대에는 고속 광액세스망에 대한 수요가 크게 증가할 것이되 예측되고 있음. 고속 액세스 구간에서는 수동형 광가입자망 기반의 Ethernet PON(Passive Optical Network), G-PON 뿐만이 아니라 모바일 트래픽의 증대에 따라 클라우드 기지국(C-RAN) 내에 사용되는 새로운 광전송 방식등 다양한 기술들이 주목을 받고 있고, 국내에서도 많은 산업체들이 관심을 가지고 있는 분야임.

패킷 트랜스포트 기술은 패킷 기술을 기반으로 기존의 회선 수준의 서비스 품질을 제공하기 위한 패킷 기반의 연결 지향성 전달 기술로서, IEEE 802 또는 MEF(Meto Ethernet Forum) 표준 기구를 통해 정의된 이더넷 기술과 ITU-T & IETF 협력 표준 워킹 그룹에서 MPLS-TP 기술을 통해 표준화 중임. 패킷 트랜스포트 기술은 저렴한 비용으로 기존 회선 수준의 서비스 가용성과 관리 기능을 제공을 위해 2010년 초반 국내외 업체를 통해 조기 상용화되었으나 회선 기반에서 패킷 기반 서비스로의 전환에 대한 고객 니즈가 분명 존재하는 상황에서, MPLS-TP 기술 자체가 갖는 기술적 제약(양분화된 표준간 호환성 미제공)으로 확산이 부진한 상황임. 이에 국내 산학연 및 산업체 간 유기적인 협업을 통해 멀티 벤더 기반의 패킷 트랜스포트 환경에서 종단간 서비스를 용이하게 제공할 수 있는 방안이 필요함. 아울러 트랜스포트 망을 중앙 집중적으로 제어 가능한 T-SDN 기술을 통해 기존의 EMS, NMS 등과 같은 패킷전달망과 광전달망의 망관리 및 운용을 단순화가 가능함. T-SDN 기술은 아직 상용화가 확산되지 않은 시장 초기 단계로 ICT 포럼 단체를 기반으로 여러 산업체의 요구사항을 수렴함으로써 국산 T-SDN 컨트롤러 및 연동 장비를 개발하여 국제표준에 반영하고 국내의 관련 장비 산업을 발전시켜 국내산업의 경쟁력을 강화할 필요가 있음.

국내외 기술/산업현황

- 네트워크와 미디어 기반의 고품질 AV 인프라 산업은 해외 선진기업 주도의 폐쇄적인 산업구조를 형성하고 있으며 Harman, Broadcom, Intel, Cisco 등의 업체들은 IEEE 표준 제시 및 OPEN(One-Pair EtherNet) Alliance SIG(Special Interest Group), AVnu Alliance 프로모션 등으로 세계 시장에서 부품 및 제품 사업화를 진행 중임.

- 네트워크, 오디오, 비디오, 반도체 및 자동차 산업체 등이 AVB/TSN 관련하여 AVnu Alliance를 통해 관련 산업의 프로모션 및 Certification을 진행 중에 있음.

- 2-wire를 사용하는 twisted pair 형태의 전달 미디어를 이용하는 기술을 전개하는 OPEN Alliance는 반도체 회사와 자동차 회사들이 주축이 되어 기술 및 산업 전개를 하고 있으며, Broadcom이 제안한  BroadR-Reach 기술을 근간으로 함.

업체	국가	주요기술	주요 제품	특징
자일링스	미국	단말 칩셋 IP	LogiCORE	AVB 엔드포인트 IP 솔루션 공급
Marvell	미국	스위치 칩셋	Link Street 88E6350	AVB 지원 7 port 기가 스위치 칩셋
Intel	미국	단말 칩셋	i210	PC 사용 가능한 PCIe 기반 NIC 칩셋
BROADCOM	미국	단말 칩셋, 스위치 칩셋	BCM89200, BroadSync HD	AVB 지원 스위치 칩셋 솔루션 제공
Extreme Networks	미국	스위치	X440, X460	AVnu Certified AVB/TSN 스위치 장비
BSS (HARMAN)	미국	스위치	GS724T	NETGEAR 사와 개발한 24 port 스위치장비
CROWN (HARMAN)	미국	미디어 프로세서	PIP-USP4	DSP 기반 프로그래머블 미디어 입력 프로세서 장비
dbx (HARMAN)	미국	미디어 프로세서, 카드	SC 64, SC AVB Card	미디어 매트릭스 장비, 네트워크 카드
HiQnet (HARMAN)	미국	관리 소프트웨어	System Architect 3.0	AVB 라우트 설정 및 장비 세팅, 모니터링 프로그램
XMOS	영국	단말 및 전송 칩셋	XS1-G4, XC-3 Ethernet Kit	AVB기기개발용 칩셋IP, 레퍼런스 및 소프트웨어 공급
UMAN	독일	소프트웨어 솔루션	UNOS Core, UNOS Creator	드라이버 및 미들웨어 코어, 그래픽 UI 개발 프로그램
BIAMP	미국	미디어 서버, 카드, S/W	TESIRA System (Servers AVB-1 card, Expander I/O card, Controller software)	3미디어 매트릭스(420x420) 32채널 CobraNet 대응 컨트롤 브리지

<국외 AVB 관련 주요 업체별 기술 현황>

- 네트워크 기반 AV 전송관련 시장은 2015년 약 565억 달러에서 2019년 653억 달러로 성장할 것으로 전망.

- 차량용 이더넷의 규격은 복수 애플리케이션에 채용될 확률이 높아서 시장이 성장할 토대도 뛰어남. 오토모티브리포트(2014.2)에 따르면 차량용 이더넷의 세계 시장 규모는 2016년에 5천만 노드, 2020년 2억 1천만 노드로 확대 예측함.

(단위 : 1000노드)

애플리케이션별 차량용 이더넷 시장 규모
구분	2012년	2013년	2014년	2015년	2016년	2017년	2018년	2019년	2020년
OBD	3,854	3,755	3,767	4,280	4,384	6,033	6,199	6,318	6,340
카메라시스템	0	-	8,125	19,410	44,320	56,323	92,000	120,980	150,111
인포테인먼트	0	0	0	-	2,457	4,345	18,574	23,810	51,949
백본	0	0	0	0	0	0	-	1,152	3,464
합계	3,854	3,755	11,892	23,690	51,161	66,701	116,773	152,260	211,864

자료 : 오토모티브리포트(2014.2)

- 일부 리서치 기관에서는 Automotive Ethernet 기술을 적용한 차량의 증가를 차량 Ethernet port 수로 규정하기도 하는데 리서치 기관 프로스트 셜리반의 경우에는 2020년에 3억 포트수에 달할 것으로 전망하고 있다. 글로벌 리서치의 경우에는 약 4.5억 포트수로 예상함.

- Strategy Ananytics에서는 2020년 약 1.8억 포트수로 추정하고 있으며, 주요 응용 분야로써는 Diagnostics와 같은 진단 장치와 Infotainment와 같은 차량내 정보 기능 및 엔터테인먼트 기능이 포함된 디스플레이 장치, 그리고 카메라 응용제품인 SVM(Surround View Monitoring)으로 예상됨.

- 또한 Strategy Ananytics에서는 차량 내에서 적용가능한 Ethernet Port수를 예상하고 있는데, 2012년부터 해마다 날로 예상되는 수치가 증가함.

- Automotive Ethernet을 응용한 적용차종이 2013년에 1종에 불과했던 것이 2015년에는 11종으로 증가하였으며, 2016년 말 또는 2017년까지는 최소 25종 이상으로 증가할 것으로 보임. 따라서, 프리미엄 및 중형 제품까지 시장증가가 예상됨.

- Airbus는 A380을 시작으로 A350, A400M 과 같이 최신 항공기 개발에 항공용 이더넷을 항공전자 장비들 간의 주요 네트워크 기술로 채택하고 있으며, Boeing 역시 B-787 dreamliner에 Airbus에서 사용한 항공용 이더넷 기술을 일부 수정해 적용하였음.

- Bomardier, Irkuk, Sukhoi, AugustaWestland 와 같은 주요 항공 제조사 뿐 아니라 중국의 Comac이 선보인 첫 번째 중형 민항기인 ARJ-21에도 항공 이더넷이 적용되었음. 또한, 2015년에 시작한 한국의 경량 공격형 헬기 사업 역시 항공 이더넷 기술이 적용되었음. 최신예 항공기에 항공 이더넷의 적용이 점차 일반화되어 가는 추세임.

- Transparency Market Research의 2016년 2월 보고서에 따르면 세계 민수용 항공전자 시스템 시장은 2015년에 245억 달러에서 2021년에 292억 달러로 연평균 3.10% 성장할 것으로 예측하고 있음. 항공 이더넷은 항공전자 시스템의 백본으로서 실시간 데이터와 IFE (In-Flight Entertainment) 서비스에 대한 요구의 증가로 인하여 함께 꾸준히 성장할 것으로 기대됨.

[항공용 이더넷이 적용된 주요 항공기]

- 국내에서 고속 액세스 네트워킹 기술 분야에서는 ETRI 및 산업체가 함께 하향 40Gb/s (10Gb/s x 4채널), 상향 10Gb/s(2.5Gb/s×4채널) TWDM- PON  개발 진행 중이고, KT는 2005년부터 1G-EPON 기술을 상용화하여 350만 가입자들에게 서비스 중에 있음.  KT는  2014년도에 기가 인터넷 선도 시범사업을 통해 10G-EPON 기술을 세계 최초로 액세스 망에 적용하여 본격적으로 10G-EPON 기술을 시장에 적용할 계획이고, SKT는 2016년 이후에 양방향 10Gb/s 전송 속도를 제공하는 XG-PON2 기술 도입 예정임. Ubiquoss는 2013년 10G-EPON OLT/ONU 시스템을 상용화하였으며, KT의 Giga인터넷 서비스 망에 도입될 전망임.

- 모바일 신호를 수용하는 프론트홀 기술 분야의 국내 현황은 현재 20 MHz 의 LTE 대역폭을 수용하는 2.5Gb/s급 CPRI 기술이 상용화 되어 있고, sector 와 주파수 대역이 늘어남에 따라 압축 기술이 개발 중에 있으며, 향후 5G 시대를 대비한 Radio over Fiber 기술, DU-RU 분리형 미드홀 기술 등이 연구 중에 있음.

- 고속 액세스 네트워킹 기술 분야의 국외 현황으로는 2010년 10월 Verizon이 Pre-standard XG-PON2 기술로 필드 시험을 진행하고, 현재 40Gb/s NG-PON2 상용 서비스를 계획 중임. 2012년 11월 영국의 BT는 Cornwal 지역에 기업 가입자를 대상으로 10Gb/s XG-PON 광대역 시범서비스를 제공함. 현재 일본은 NTT (74.4% 점유)와 KDDI를 통해 총 2,140만 가입자들에게 1Gb/s EPON 서비스를 제공하고 있으며, 주로 100Mb/s ~ 200Mb/s 전송 대역을 제공하고 있음. China Telecom은 6,000만 가입자를 대상으로 1G-EPON 서비스를 제공하고 있으며, 현재 Residential서비스 가입자를 대상으로 10G/1G-EPON 기술이 적용되고 있음

- 2012년부터 ETRI에서 MPLS-TP 기술을 테라급 광-회선-패킷 통합 스위칭 시스템에 적용하는 작업을 진행하여 2014년 ITU-T 기반의 MPLS-TP 운용관리 유지보수(OAM) 및 보호절체 기술을 구현한 MPLS-TP 장비의 상용화를 완료 및 IETF 기반의 MPLS-TP 운용관리 유지보수 및 보호절체 기술을 추가적으로 개발 중. MPLS-TP 기반의 장비는 코위버, 텔레필드, 우리넷, SNH 등 국내 모든 전송 장비 업체로부터 상용화가 완료되었으며, ITU-T Y.1731 기반의 G.8113.1 표준을 참조하여 구현 및 추가적으로 표준화된 기술(선형 보호절체 등)들을 중심으로 개발이 진행 중.

- LGU+는 2014년도부터 차세대 전송망으로 국산 PTN 장비를 도입하였으며, KT는 2014년 MPLS-TP 기간망 구축을 완료 후 현재 서비스 중이며, 2015년 4월 B2B망 용으로 외산 1종과 국산 PTN 2종을 선정하여 수주형 사업에 국산 장비를 제안할 수 있는 기반이 마련됨. 이외에 공공기관에서 발주하는 통신망 사업은 국산 PTN 장비를 중심으로 확산이 되고 있음. 2010년 SKT에서 전국 모바일 백홀망에 T-MPLS 기반의 캐리어 이더넷 장비를 도입하였고, 2013년 SK브로드밴드의 경우 기업용 B2B 전용회선을 위해 캐리어 이더넷 장비를 통해 전국망 캐리어 이더넷 망을 2013년 3월 구축 완료, 2013년 7월부터 상용화하여 서비스 중임. 2014년 KT는 OXC, MSPP, PTN망에 대해 T-SDN 기술을 적용하여 중앙 집중 제어, 종단간 On-Demand 프로비져닝을 제공하기 위한 기술을 개발하여 2015년 하반기 상용 서비스를 제공 중임. 2015년 중소기업청은 한국전자통신연구원, 한국네트워크산업협회, 한국방송통신산업협동조합 등과 협력하여 PTN 장비를 중소기업간경쟁제품으로 지정하였음.

국내외 표준화 현황

- 일반적인 네트워크 분야가 아닌 여러 산업 분야(제조업, 자동차, 가전 등)에 이더넷 기술을 적용하기 위해 기존 오디오/비디오 브리징(AVB) 기술(타임 동기, 자원 예약, 큐잉 및 포워딩)을 개선 및 확장하기 위한 2계층 및 3계층에서의 시간 민감형 네트워킹 기술에 대한 논의가 IEEE 802, IETF에서 활발히 진행 중.

- 시간 민감형 네트워킹 기술은 IEEE 802.1 AVB의 타임 동기, 자원 예약, 큐잉 및 포워딩 기술을 개선 및 확장하기 위한 세부 기술 표준화를 진행 중.

타임 동기 기술은 IEEE 802.1AS-2011 gPTP(generalized Precision Time Protocol)의 성능 및 유용성을 개선하기 위한 IEEE P802.1-AS-Rev(주. 802.1ASbt에서 변경) 표준화를 진행 중.

자원 예약 기술은 IEEE 802.1Qat-2010 SRP(Stream Reservation Protocol)의 제어 프로토콜 연동 및 예약 메시지 개선을 위한 IEEE P802.1Qcc Stream Reservation Protocol (SRP) enhancement and performance improvement 표준화를 진행 중.

큐잉 및 포워딩 기술은 IEEE 802.1Qav-2009 FQTSS(Forwarding and Queuing of Time-Sensitive Streams)의 크레딧 기반 쉐이퍼를 개선하기 위한 P802.1Qbu Frame Preemption, P802.1Qbv Enhancements for Scheduled Traffic, P802.1Qci Per-Stream Filtering and Policing, P802.1Qch Cyclic Queuing and Forwarding, P802.1CB Frame Replication and Elimination for Reliability 등의 표준화를 진행 중.

IEEE 802.3에서는 P802.1Qbu과 연동하여 프레임 Preemption을 수행하기 위한 802.3br Interspersing Express Traffic 표준화를 진행 중.

IETF에서는 시간 민감형 네트워킹 기술을 3계층으로 확장하여 연동하기 위한 Derterministic Networking(DetNet) 기술에 대한 표준화를 진행 중.

- 자동차 및 전자 산업 제조사와 공급자로 구성된 비영리 단체인 OPEN Alliance의 주요목표는 BroadR-Reach 100Mb/S 이더넷 물리적 계층 사양을 자동차 네트워크 위한 사실상의 표준으로 사용할 것을 촉진하고 있으며, IEEE project 802와 같은 표준화 기구에 의해 공식화된 BroadR-Reach 또는 유사한 고속, 한쌍의 이더넷 물리 계층의 솔루션을 갖추도록 노력한다. BroadR-Reach 기술을 사용해 구성 요소와 상호운용을 위해 필요한 사항들을 결정하고, 장치 간 호환성을 보장할 수 있는 시험을 수행하기 위한 독립적인 기구를 채택하고, 차량용 이더넷과 관련된 공식적 표준화 과정에서 발생하는 모든 쟁점을 파악하고 처리하는 것에 있음.

- 항공 이더넷 기술은 ARINC 664 Part 7 으로 Airbus에서 특허권을 갖는 2계층의 핵심 내용이 표준화되어 있음. Boeing 사의 경우 이 규격을 기반으로 자사의 고유한 데이터 무결성 기술을 첨가해 사용하지만 별도의 표준 활동은 없고 특허권만 확보한 상태임.

- TTTech 은 SAE AS6802 규격으로 항공 이더넷을 표준화하였음. ARINC 664 Part 7 기술을 Rate-constraint traffic을 위한 기술로 참조하고 동기식 방식의 Time-Triggered Ethernet 기술을 표준화하고 있음.

- 현재 항공 이더넷 기술은 100Mb/s 속도를 지원하고 있지만, 향후 1Gb/s 와 10Gb/s 속도의 이더넷을 적용한 기술로 발전할 것으로 예상됨.

- 수동형 광액세스망 분야에서는 ITU-T를 주축으로 채널당 10G 급을 사용하는 NG-PON2 기술이 2015년도에 표준화가 완료되고, 향후 2~3년 내에 NG-PON2의 업그레이드 기술 및 NG-PON3를 위한 후보 기술 논의가 시작 될 것으로 예상됨. 한편, 상향 2.5G급을 사용하는 XG-PON의 상향신호를 10G급으로 업그레이드하기 위한 XGS-PON 표준화를 2015년 하반기부터 시작함. IEEE 에서는 10G급 10G-EPON 표준화 완료 후 2015년 7월에 100G-EPON 표준화 그룹이 결성 되었고, 2016년 11월에 전체적인 100G-EPON 구조에 대한 사항이 결정될 것으로 예상되며, 2019년 표준화 완료 예정임.

- 모바일 신호를 수용하는 프론트홀 표준으로서는 현재 최대 25Gb/s를 수용할 수 있는 CPRI 표준이 ORI에서 제정되었음. ITU-T 에서는 최근 아날로그 형태의 모바일 신호를 광섬유를 통해 그대로 전송할 수 있는 RoF 기술 표준에 대한 논의를 SG15/Q2에서 진행되고 있고, ETRI 가 Co-editor 를 맡아 표준화를 주도하고 있음.

- ITU-T SG15의 Q3, Q9, Q10, Q12, Q14은 IETF의 MPLS WG 및 PWE3 WG과 공동으로 MPLS-TP 표준화 작업을 시작하여 MPLS-TP 기술의 요구 사항 및 구조에 대한 표준화를 완료하였으며, MPLS-TP 기술의 핵심인 OAM 및 보호절체 분야에서는 ITU-T 와 IETF 사이의 이견으로 상당 기간 충돌해 오다가 2012년 WTSA-12 회의에서 OAM 분야 국제 표준이 ITU-T 기반 솔루션을 담은 G.8113.1와 IETF 기반 솔루션을 담은 G.8113.2로 각자 독자적인 솔루션으로 표준화 완료하였음. IETF, ITU-T는 2014년 6월 RFC6378 MPLS-TP 선형 보호절체 (PSC 프로토콜)의 기술적인 문제점을 보완하고 ITU-T에서 제시하는 전달망 요구사항에 부합하는 RFC7271/G.8131 MPLS-TP 선형 보호절체 (APC 프로토콜) 표준화를 완료함. ITU-T는 MPLS-TP 선형 및 링 보호절체 표준을 제개정한 후, 서로 다른 보호절체 방식 간의 연동에 대한 논의를 시작하였고 멀티포인트 보호절체에 대한 표준화 추진 여부를 논의 중임. IETF는 MPLS-TP 점대다점 패킷 전달 기술에 대한 프레임워크 표준화를 2014년 4월 완료하였으며 이에 따라 점대다점 연결에 대한 운용관리 유지보수 및 보호절체에 대한 논의가 진행될 것으로 예상됨.