Written by: Paul Wacker, Advantech Corporation, eAutomation Group

이더넷이 기업을 점령하다.

최근 제조업에서 활용되는 이더넷에 관한 많은 글들이 쏟아지고 있다. 사실 이더넷은 컴퓨터 네트워크와 함께 오랜 시간 우리 주변에서 살아 숨 쉬고 있었다고 볼 수 있다. 컴퓨터의 발전은 자연스럽게 그 네트워크를 위한 이더넷 프로토콜의 발전을 불러 왔기 때문이다. 이더넷 프로토콜은 그 문제점들을 개선하며 진화해갔고, 1990년대 중반 이후로 우리는 이더넷 네트워크를 얘기하면서 유비쿼터스 세상을 거론하기 시작했다. 현재 이더넷은 사무실, 가정, 직장, 빌딩자동화에서 사용되고 있으며, 우리는 이제 그 사용 범위에 대한 논의를 넘어 그 지배력이 얼마나 대단한 것인가를 논의하는 시점에 이르렀다.

이더넷이 네트워크 프로토콜을 독점하게 된 가장 큰 이유는 기업 내 IT 부서들이 독점적으로 이더넷 네트워크를 사용하고 있기 때문이다. 1990년 이후 건축된 대부분의 빌딩에는 바로 사용이 가능하도록 이더넷용 멀티플 Cat-5 케이블이 각 사무실에 구축되어 있다. 이더넷이 프로토콜로 널리 사용되고 있기 때문에, 많은 기술진과 프로그래머들이 이더넷 프로토콜의 사용을 당연시 하고 있는 것이다. Microsoft Windows는 기업 내의 이더넷 로컬 네트워크와 쉽게 연동되도록 디자인되어 있다. 인터넷 연결의 유용성을 기반으로 이더넷이 이더넷 상의 TCP/IP로 다른 네트워크에 있는 로컬 네트워크와 연결하는 것이 가능해지자, 바야흐로 범 기업적인 광역 통신망(WAN)이 탄생했다.

Modbus, DeviceNet 또는 Profibus와 같은 폐쇄형 프로토콜(이더넷으로 연결되기 위해서는 모두 변환되어야 함)과는 달리 공장 현장에서의 이더넷은 제조업체에 구애 받지 않고 동일한 케이블을 통해서 수많은 형태의 통신을 전송할 수 있게 되었다.

상용(Commercial off the shelf) 가치의 증진

산업용 네트워킹은 IT 네트워킹보다 사실상 더 오랜 기간 존재해왔다. 최초의 산업용 네트워크는 이미 공급된 컨트롤 시스템을 위한 DCS 제조업체들의 폐쇄형 시스템이었다. 이러한 네트워크는 매우 안정적이기는 하지만, 독점적이었으며 고비용이라는 문제점을 안고있었다. 이와 반대로 이더넷은 ‘상용(Commercial off the shelf)’ 제품이고 공장 작업장에서 기존의 기업 이더넷과 IP 기반 시설 위에 피기백 방식으로 통신할 수 있다는 장점이 있었다. 실제로 무선 이더넷 연결을 가능하게 하는 칩에 IP를 생성해주는 새로운 표준 규격인 Ipv 6로팬(LoWPan)이 있을 정도였으니 말이다.

20년이 넘게 독점적인 네트워크만을 공급했던 제조업자들도, 최소한 컨트롤러에서부터 메인 프로세스에 이르는 부분만이라도 이더넷이 제공되기를 바라는 고객의 니즈(needs)를 읽어야 했다. 이러한 고객의 바람은 기존 업자로 하여금 마침내 기존 제품의 생산을 포기하는 단계까지 이르게 하였다. 즉, 공장 현장에서의 이더넷 사용은  프로그래머블 자동화 컨트롤러 또는 이더넷 네트워킹이 내장된 PAC을 활용한 산업용 어플리케이션에서의 임베디드 컴퓨터의 성장을 주도했다고 해도 과언이 아니다.

ADAM-5550KW (8 Slot Programmable Automation Computer)

ADAM-4577 (1-port Universal Serial Device Gateway)

그러나 공장 현장에서의 이더넷이 항상 성장 가도를 달렸던 것만은 아니다. 이더넷은 원래 ‘공유(sharing)’ 네트워크로써 디자인되었고 패킷은 네트워크 곳곳을 자유로이 돌아다녔다. 트래픽의 레벨이 높아질수록 패킷의 속도는 느려져서 특수 목적의 패킷일지라도 트래픽이 낮으면 목표 컴퓨터에 매우 짧은 시간 내에 수신되었다. 반대로, 트래픽이 높은 패킷은 수신 받고자 하는 곳에 도착하기까지 상당한 시간이 걸렸다. 이러한 정보 측정력(determinism)에 대한 문제를 해결하기 위해 여러 논의가 이뤄졌다. 정보 측정력은 예측할 수 있는 시간 안에 수신처로 하나의 정보를 보내고 역시 예상했던 시간 내에 응답을 받는 능력이다.

초기의 이더넷은 이러한 정보 측정력에 대한 신뢰성이 충분치 않았다. 많은 산업용 네트워킹 전문가들은 정보 측정력에 대한 신뢰성 부족 때문에 공장 현장에서 이더넷을 컨트롤러 수준으로 사용하는 것은 불가능하다고 믿고 있었고, 대부분의 컨트롤러는 시리얼 I/O가 달린 장치에 불과하였다. 공장 현장에는 DeviceNet, ControlNet 및 Modbus와 같은 여러 가지의 시리얼 통신 프로토콜이 있었고, serial-to-Ethernet 프로토콜 컨버터의 사용을 요구하였다.

컨버터의 사용이 가능해지자 업체들은 이더넷 네트워크를 통해서 운영되는 프로토콜 버전을 공급하기 시작했다.

ModbusTCP/IP 그리고 CIP(Common Industrial Protocol)가 그 예이다. 그래서 산업용 네트워킹 표준 규격인 Profibus와 Foundation Fieldbus 및 HART 역시 Profinet, Fieldbus HSE, Profibus 상에서의 HART, 무선으로 이더넷이 가능한 게이트웨이까지 운용되도록 고안된 신형 WirelessHART와 같은 이더넷 환경 버전에서 유용하게 되었다.

이더넷 네트워크에서 스위치의 역할

브릿지와 허브의 개발이 먼저 이뤄졌고 이어서 새로운 형태의 스위치가 탄생하기 시작했다. 네트워크가 좀 더 지능적이라면, 패킷이 어디로 가야 하는지 그리고 예상된 시간 내에 도달할 수 있는지 결정을 내릴 수 있을 것이란 전제였다. 아울러 네트워크의 트랙픽이 증가했을 때, 그 트래픽을 조절하는 것도 매우 중요한 문제였다.

첫 개발은 허브(Hub)라고 불리는 장치였다. 허브는 단순히 임피던스를 분리하고 동일한 도메인 상에 있는 모든 장치에 데이터를 전송했다. 하지만 이것으로 패킷의 정체를 완화하지는 못했고, 이후 네트워크 엔지니어들은 하나의 랜(LAN-local area network)을 또 다른 랜에 연결을 하는 장치인 브릿지를 개발했다. 이것으로 하나의 네트워크에서 발생한 트래픽이 속하지 않는 또 다른 네트워크로 이동되는 것을 차단할 수 있었다.

그러나 이것만으로 충분치 않다는 것이 곧 드러났다. 아무리 지능적인 브릿지라도 어느 메시지를 전송하고 전송하지 말아야 하는지 확인하는 동안 발생하는 네트워크 내에서의 정체를 줄이기에는 역부족이었기 때문에, 실질적으로 여전히 필요한 것보다 정보 측정력에 대한 요구를 만족시키지 못했다.

이더넷 스위치는 바로 이러한 문제점을 해결하기 위해 나타났다. 이더넷 스위치는 각각의 장치가 사실상 고유 네트워크 상에 존재하도록 해주는 충분한 대역폭을 제공했고, 부여된 어드레스 장치에만 데이터가 전송되는 것을 허용했다. 기본적으로 스위치는 많은 장치에 의해 공유되는 네트워크를 받아들여서 또 다른 네트워크와 통신 중인 장치로만 구성된 작은 단위로 분할한다. 따라서 하나의 장치 그룹과의 통신은 이러한 정보를 요구하지 않는 또 다른 장치 그룹과의 통신을 중단하거나 방해하지 않는다.

매니지드 스위치의 요구

더 크고, 성능이 좋으며 정보 측정력이 뛰어난 네트워크를 향한 수요는 먼저 고가용성의 네트워크 토폴로지(network topologies)를 만들어냈고, 이어서 스마터 스위치의 개발에 이르렀다. 이러한 스위치를 ‘관리형 이더넷 스위치(managed Ethernet switches)’라고 불렀으며, 초기의 허브와 스위치에는 없었던 하드웨어, 펌웨어 및 소프트웨어 성능을 제공했다.

‘관리형 이더넷 스위치’의 가장 큰 특징은 레이트 리미팅(rate limiting)과 네트워크 관리용 프로비젼을 포함한 빌트인 네트워크 트래픽 관리 펌웨어가 포함되어 있다는 점이다. 이 스위치는 네트워크의 현재 상태를 원격 모니터링 하기 위한 심플 네트워크 관리 프로토콜(SNMP)을 사용하며, 브로드캐스트 스톰(네트워크 기기의 고장이나 브리지에서의 루프 발생 등의 원인으로 네트워크상에 동보 통신용 패킷이 발생하는 현상. 브로드캐스트 스톰이 발생하면 네트워크 전 대역이 사용 중인 상태로 되어, 결국 포화 상태로 되기 때문에 시스템의 시간 경과 상태가 자주 발생해서 네트워크가 동작 불능 상태로 된다. 출처: 네이버 용어사전)을 제거하기 위한 레이트 리미팅을 제공한다.

관리형 스위치는 IGMP snooping 기능을 제공해, 정보를 요구하지 않는 장치로는 보내지 않고 어느 장치가 정보를 받고자 하는 지 결정을 내린다. 이 스위치는 실시간 진단과 통계 기능으로 문제 해결 능력을 제공하며, 엑세스 컨트롤 내장과 MAC 어드레스 필터링 기능,  VLANs 필요 시 생성 기능도 갖추고 있다. 관리형 스위치 일부 모델은 고가용성의 리던던트 X-ring 토폴로지 기능으로 소비자 니즈를 충족시켰다.

관리형 스위치가 가진 강제성(mandatory)이라는 특징은 2006년 8월, 앨라배마주에 있는 원전(Nuclear Power Plant)인 Browns Ferry의 브로드캐스트 스톰으로 인한 수동 긴급정지 사건이 잘 설명해주고 있다. 이더넷은 브로트캐스트 메시지를 이용해 모든 LAN 장치로 보내어질 프레임이라 불리는 메시지를 허용하거나, 멀티캐스트 메시지를 통해 장치의 범위를 허용한다. 정상적으로 네트워크가 운용되는 동안, 브로드캐스트/멀티캐스트 프레임은 소스 포트를 제외한 모든 포트에 포워딩 된다. 만일 브로드캐스트/멀티캐스트 프레임의 수가 지정된 비율(시간당 프레임 수)을 초과한다면, 스위치는 threshold를 초과하는 브로드캐스트 프레임을 버릴 것이며, 시간이 경과한 후에, 스위치는 브로드캐스트 프레임의 포워딩을 다시 시작하게 되는 것이다. 

산업용 이더넷 스위치를 상용 스위치와 비교해보면, 백그라운드, 부품 및 액세서리 측면에서는 비슷하더라도, 디자인 면에서는 큰 차이가 있다는 것을 알 수 있다. 산업용 스위치는 열악한 조건의 공장 현장에서 사용될 수 있도록 좀 더 견고하게 디자인되었다.

기가비트 이더넷의 기초

이더넷이 작동되도록 하는 여러 가지 요소 중 가장 기본적인 특징은 ‘최고 속도(speed limit)’이다. 오늘날 대부분의 이더넷 네트워크는 10Mbit와 100 Mbit 노드가 혼재되어 있다. 그러나 최근에는 10Mbit 노드의 사용은 점점 줄고 있고, 마치 산업 환경에서의 데스크탑과 같이 스위치와 서버는 점점 더 늘어난 대역폭을 필요로 하게 되면서, 필드 컨트롤러와 공장 현장에서의 일부 장치들은 점차 100 Mbit 노드로 생산되고 있다. 

1998년, IEEE는 여러 표준규격, 특히 ‘최고 속도’를 1000 Mbit 또는 1 Gigabit로 끌어 올린 첫 제품을 생산했다. 원래 기가바이트의 속도는 광섬유 케이블이 필요할 것이라고 생각되었으나, 현재는 표준의 CAT-5e 또는 CAT-6 동 케이블이 기가바이트 이더넷 네트워킹 어플리케이션에서 이용될 수 있다는 것이 일반화 되었다. CAT-6 케이블은 신뢰도 높은 네트워킹을 위해 주로 선택된다. 화이버 옵틱의 가격 하락의 지속과, 더 많은 산업용 공장들의 재구성이 진행 되면서, Fiber(1000Base-SX 또는 -LX)상의 기가바이트 이더넷이 1000Base-CX, 1000Base-T 동선과 함께 상당한 경쟁력을 갖기 시작하였다.

제조업에서의 기가비트 이더뎃

정보 전달 소스를 집중시키기 위해 더 나은 네트워크 성능이 요구되었고, 이에 따라 더 높은 대역폭(bandwidth)에 대한 요구를 수용할 필요가 있었다. 특히 제조 기업 내에 연결된 장치의 수는 매우 방대하기 때문에 더 넓은 대역폭이 반드시 제공되어야 했다. 또한, 공장 현장 자체에 있는 각각의 장치로부터 데이터 량이 점점 더 많아지고 있음은 재고의 여지도 없었다.

Profinet, CIP 및 FF HSE의 성장과 더불어, 센서 레벨로부터 생성되는 각각의 자산 관리 데이터는 공장 이더넷 랜을 통해서 직접 전달되고 조작 가능해졌다. 기가바이트 이더넷을 사용하지 않고서는 VoIP (voice over Internet Protocol)와 보안 카메라, 비젼 모니터링 시스템, 트레이닝 및 품질을 위한 스트리밍 비디오 그리고 기타 부상하고 있는 어플리케이션과 같은 ‘대역폭 욕심꾸러기(bandwidth hogs)’*의 거대한 데이터가 야기할 병목 현상을 피할 수 없기 때문이다.

*대역폭 욕심꾸러기(bandwidth hogs) : 자신에게 할당된 적정 대역폭보다 많이 소모하는 사용자나 프로세스

RFID, 바코드, 현장 특화 트랜스미터와 같은 신기술을 이용하는 공장 현장과 기업 자체의 ERP(또는 MRP) 사이에도 데이터 통합의 필요성이 존재했다. 또한 많은 공장이 무선 통신을 이용한 제조 셀과 센서를 보유하고 있고, VoIP 통신용 대역폭과 시큐리티, 개인 모니터링 및 훈련용의 라이브 비디오를 제공하는 기술을 이용한 시설 보안이 필요했다. 1 Gbit 이더넷이 백본, 고가용성 네트워크 그리고 비디오용으로 제조 기업에 빠르게 보급되면서, 10 Gbit의 기가바이트 이더넷은 점차 핵심 장치로 떠오르기 시작했다.

기가비트 이더넷의 견고성

부품이 동일할지라도, 기업 내에서는 제 기능을 하던 COTS(기성품)가 공장 현장에서는 견디지 못 하는 경우가 종종 있다. 산업현장에서 사용하기 위해서 이러한 장치를 더 견고하게 하기 위해서 외함을 재작업 할 필요가 있는 것이다. 외함 작업에서의 다른 점은 산업 환경용으로 평가된 외함의 DIN 레일 마운팅, 패널 마운팅이 고려돼야 하는 것이다. 산업용으로 다시 디자인된 이더넷 스위치는 상용 디자인처럼 AC 파워를 포함하기 보다는 외부의 터미널 블록을 통해서 저전압(24V) DC power를 제공하며, 추가의 파워 서플라이 필터링과 서지 프로텍션, 이더넷상의 ESD 프로텍션 기능도 있다.

산업 등급의 스위치는 아크(arcs), 고전압 과도전류 및 dirty power supplies 등과 같은 일반 사무실이나 가정에서는 발생하지 않는 EMI 및 RFI에 대한 프로텍션 기능이 요구된다. 또한, 산업등급의 관리형 스위치의 온도 사양은 기성품(COTS) 표준 보다 훨씬 더 범위가 넓어야 한다. 온도 범위와 그에 따른 운용온도는 -10 ~ 60 ℃와 -40 ~ 75℃ 로 광범위하다.

EKI-2525 (5-port Industrial Unmanaged Ethernet Switch)EKI-7659C (8-port/2-port 기가비트 산업용

매니지드 리던던트 이더넷 스위치)

보드룸에서부터 센서에 이르는 이더넷

상시성(常時性)과 유용성의 측면에서, 어떤 네트워크도 100M/1G 이더넷의 장점을 따라올 수 없다. 이제는 센서 그 자체 네트워크를 제외한 모든 공장 현장에서의 네트워크가 이더넷 기반이라 해도 과언이 아니다. 더구나, 센서조차도 CIP, Profinet & Foundation Fieldbus HSE 그리고 기타 프로토콜을 통해서 이더넷 네트워크에 바로 연결되고 있다.

임베디드 컴퓨터의 확산은 오퍼레이터용 워크스테이션, 캘리브레이션 장치, 필드 트랜스미터 등에도 100M급 이더넷 또는 기가바이트 이더넷을 장착을 유도한다. 이제 우리는 이더넷의 발전을 통해 센서로부터의 데이터에 바로 응답하고 그 데이터를 활용할 수 있는 미래를 예견할 수 있다.

미 식약청(FDA)은 PAT(공정 분석 기술-Process Analyzer Technology; 이전의 실험실 장치를 공장 프로세스와 생산라인에서 구별하여 배제하는 기술) 추진을 의무화했다. 공정 분석기는 전형적으로 비트나 바이트 혹은 아날로그 값이 아닌 높은 대역폭의 데이터 흐름을 보고한다. 이러한 분석기의 다수는 COTS 임베디드 컴퓨터를 사용하여 조립되었기 때문에, 기업 내에 보급되어 있는 이더넷이 곧 공장 현장의 공정상에 이더넷을 보급 시킬 것이라 쉽게 예측할 수 있다. 비전 장치 어플리케이션과 더불어, RFID 센서, 공장 현장에 산재한 공동의 엔지니어링 소프트웨어가 미래의 경제적인 경쟁력 확보를 위해 기가바이트 이더넷의 설치를 필수적으로 만들게 된 것이다.

무선 이더넷도 산업 현장에 곧 보급될 것이다. 센서 디자인의 패키지는 보드 상에 임베디드된 무선 802.15.4 LowPAN과 무선 상에 펌웨어처럼 설치된 IPv6 Ethernet 스택으로 유용하게 되었다.
기가바이트 이더넷 스위치는 기존의 10M/100M 장치와의 후방 호환성을 제공할 뿐 아니라, 미래의 성장과 확대를 위한 기회도 제공한다. 제조 기업의 미래는 분명하게 이더넷을 중심으로 이동하고 있고, 기가바이트 이더넷은 네트워크의 미래라 단언할 수 있다.

기가바이트 이더넷은 지금, 무한한 발전을 통해 우리의 미래를 확장하고 있다.

UNO-2171 (Intel Pentium
M Embedded Automation Computer)

번역 및 담당자

김정연 과장(Tel:02-3660-9408)