산업용 이더넷을 위한
물리적 계층 설계 애플리케이션 ⑴
설계 시 고려해야 할 또 다른 사항은 바로 네트워크에서 다른 PHY 트랜시버와의 상호 운영성에 관한 점이다. 네트워크 디바이스의 상호 운영성은 멀티벤더 제품 상호 운영성 IEEE802.3u 테스트 템플릿을 완벽한 테스트를 거친 UNH-IOL(University of New Hampshire Interoperability Laboratory)에서 수행한다. 상호 운영성 테스트 승인을 통해 설계자는 제품이 둘 이상의 데이터 링크 레이어 패킷과의 상호 운영이 필요할 때 소프트웨어 상호 운영성 문제에 집중할 수 있다.
글│Jim Y. Wong, Tung Ngo, 내셔널 세미컨덕터
산업용 네트워킹은 사무실이나 가정용 네트워킹 환경과 달리 폭넓은 온도 범위와 같은 열악한 환경 조건에 대비할 수 있는 보다 엄격한 애플리케이션을 요구한다. 이러한 환경에는 특히 고전압 전력선, 모터 구동 EMI 유도 요소, 충격과 진동에서 발생하는 높은 전기 노이즈를 고려하여야 하므로, 공장 자동화 시 내구성 뛰어난 연결과 케이블링이 요구되며, 이와 더불어 표준 네트워킹 자동화 프로토콜과 연중무휴로 가동할 수 있는 네트워크를 유지하는 것이 필수적이다.
기존 이더넷은 충돌 기반 네트워킹 환경의 비결정적 프로토콜을 기반으로 했지만 대부분의 공장과 제어 자동화 애플리케이션은 보다 결정적인 응답 시간에 이더넷을 채택했다. 이로 인해 산업 자동화와 제어 산업에서 과다한 독점 구현이 이뤄졌다. 2002년에 IEEE 1588 정밀 시간 프로토콜 표준은 네트워크로 연결된 측정 및 제어 시스템에 정밀 클럭 동기화 프로토콜을 도입함으로써 결정적 응답 요구를 해결했다. 이 표준은 다양한 실시간 산업 이더넷 네트워킹 프로토콜에서 채택되었다.
LAN 토폴로지:
버스에서 스타 토폴로지까지
지난 20년간 이더넷 자체는 CSMA/CD (Carrier Sense, Multiple Access with Collision Detection)를 지원하는 반이중 프로토콜에서 전이중 이더넷으로 발전해 왔다. LAN(Local Area Network) 토폴로지 이더넷은 공유 미디어 버스 토폴로지에서 스타/허브 토폴로지로 전환되었다.
80년대 초반 원래 상용 매체는 특성 임피던스가 50Ω인 굵은 케이블(Thick Cable)이라고도 하는 노란색 동축 케이블을 기반으로 했으나 이는 Thinnet, 즉 씬 이더넷(Thin Ethernet) 또는 값싼 네트워크(Cheapernet)로 알려진 저렴한 비용의 RG58 동축 케이블로 빠르게 대체되었다.
80년대 중반에는 PC를 상호 연결하는 대중적인 매체로 저비용의 케이블링 매체가 이더넷의 약진에 기여하였다. 각 연결마다 BNC(Bayonet Neill Concelman, 설계자 이름을 따서 명명) T-형 동축 커넥터를 사용함으로써 10Base-2(IEEE-802.3a 표준) 네트워크의 직경 거리가 185m 수준으로 길어졌다. 가는 동축 케이블 버스는 반대쪽이 50Ω 종단 플러그로 종단된 멀티 드롭 토폴로지를 지원했다.
멀티 드롭 노드 사이의 물리 케이블 최소 간격은 50cm 이상이 되어야 한다(그림 1). 물리 레이어의 관점에서 충돌 회로는 동축 DC 수준을 모니터링하는데 사용된다. 수준이 충돌 임계값보다 더 네거티브인 경우 충돌 출력은 동축 PHY 트랜시버에 의해 활성화된다. 동축 기반 버스 토폴로지는 버스 대역폭이 공유 매체에 적합한 PC에서 AT 또는 ISA의 NIC 카드를 상호 연결하는 충분한 성능을 갖춘 10Mbps의 반이중, 공유 매체를 지원했다. 
90년대 초에 기본 공유 LAN 토폴로지가 현재와 같은 방식으로 바뀌었다. LAN 토폴로지 변화의 두 주요 반곡점은 다음과 같다.
*비차폐 트위스트 페어(UTP) 케이블링(예: CAT5 케이블링)을 기반으로 하여 중앙 집중식 배선 허브 또는 스타 토폴로지를 사용했던 저비용의 구조적 배선 구현
*이더넷 LAN 스위치의 신속한 개발로 리피터 기반 토폴로지의 제한된 시스템 성능 극복
LAN 스위치 이전에는 허브 또는 리피터가 구조적 비차폐 트위스트 페어, 배선 연결을 지원하는 상호 연결 "집선 장치(Concentrator)"였다. 전형적인 24 포트 리피터는 단일 충돌 도메인에서 24 포트를 지원한다. 배선함에 놓이는 번들형 구조 전화 배선은 50개 와이어의 번들로 제공된다. 따라서 10Mbits/sec에서 전형적인 24 포트 LAN 리피터는 데이터와 음성 환경을 모두 지원하는 사무실 환경의 PABX와 구조적 배선 인프라가 공존하게 된다.
1995년, 자동 협상의 혁신적인 개념을 도입함으로써 100Base-T 또는 패스트 이더넷이 기존 10Mbps로의 원활한 전환이 이루어졌다. 이 자동 협상 개념에서는 10/100 물리 레이어 칩 수준이 데이터 속도를 결정하고 2개의 Cat5 링크 간에 최고 속도를 자동 적용하는 FLP(Fast Link Pulse) 내 16비트 Word 형태로 상태 패킷을 교환한다. 물리 레이어 칩 수준에서 동일한 충돌 유형 회로가 TX와 RX 차동 쌍 모두에 대한 동시 전송과 수신 활동을 감지한다.
따라서 하이브리드 네트워크는 기존의 10Mbits/sec 및 100Mbits/sec 연결을 모두 쉽게 지원했다. 100Mbps 이더넷은 10Mbits/sec인 CSMA/CD의 같은 원리를 기준으로 하고 있지만 공유 매체 아키텍처는 예상되었던 10배의 성능을 제공하지 못했다. 그 이유는 각 사용자가 사용할 수 있는 최대 대역폭이 네트워크 노드 수에 비례하여 감소하고 CSMA/CD 네트워크 액세스 제어 방법으로 인해 네트워크 지연이 항상 변할 수 있기 때문이다.
단일 충돌 도메인 및 리피터 아키텍처
이전에 충돌 도메인은 많은 리피터에 연결된 노드의 수집을 지원하는 공유 매체 아키텍처로 정의되었다. 100Mbits/sec 네트워크를 사용하는 충돌 도메인의 경우 5.12마이크로초인 512 비트 시간(한 슬롯 시간)을 초과해서는 안 된다. 이는 패킷이 네트워크를 통과하고 다른 패킷과 충돌을 일으키며 상태가 원래 소스로 전송되는 데 더 많은 시간이 걸리는 것을 의미하다.
또한 네트워크에 충돌이 발생하는 경우 모든 노드 위치에서 인식할 수 있도록 보증해준다. 이 시간이 512 비트(한 슬롯 시간)를 초과하는 경우 원래 노드는 512 비트를 전송하기 전에 충돌을 감지하지 못한다. 따라서 네트워크 내에서 지연 충돌 장애를 일으킨다. 100 Base-T 네트워크의 경우 네트워크 직경 거리는 210m로 제한된다. 100Mbit 리피터에서는 타이밍 Budget 제약은 지연 충돌이 발생하지 않도록 계산된다. 계산 예는 다음과 같다.
*충돌 제약을 위한 512비트 시간 = 5.12마이크로초
*케이블 지연에 대한 234 비트 시간 = 2.34마이크로초
*리피터에 대한 나머지 Budget, DTE 회로 = 2.78마이크로초
제한된 비트 Budget으로 둘 이상의 리피터가 충돌 도메인에 공존할 수 없다. 2개의 리피터 사이에서 인터리피터 링크는 일반적으로 최대 5m로 제한된다. 유일한 예외는 인터리피터 버스의 내부 백플레인을 통해 상호 연결되는 적재 가능한 리피터로, 이러한 리피터는 모듈형이고 확장이 가능하지만 상호 연결된 모든 포트가 하나의 충돌 도메인 아래에 놓인다. 클래스 1과 클래스 2 리피터는 IEEE802.3u 표준에 정의되어 있어 토폴로지 차이에 영향을 미친다.
클래스 1 리피터는 충돌 도메인 내에서 하나의 리피터만 지원하므로 보다 여유 있는 타이밍 Budget을 제공하며 적재 가능한 리피터에 대해 더 많은 Budget 지연을 허용한다(그림 2). 클래스 2 리피터는 보다 엄격한 타이밍 Budget을 가지며 포트 중 하나에서 두 번째 리피터의 다른 포트에 상호 연결된 2개 리피터를 지원할 수 있다(그림 3).
일반적인 리피터는 신호를 증폭하고 재생성하는 물리 레이어 디바이스이면서 반도체 벤더의 기존 구성 요소에 의해 널리 구현되었으며 리피터 엔진은 FPGA 또는 ASIC에서 맞춤식으로 설계될 수 있었다. 그러나 100Mbit 수준에서의 100Mbit 트랜시버 연결은 IC 벤더가 기존 솔루션을 제공해야 했다. 10/100Mbit 리피터는 90년대 중반, 대중적인 상호 연결 디바이스였으며, 현재 eBay에서 이 장치를 구입할 수 있다.
적은 Budget 제한, 비결정적 및 공유 충돌 도메인으로 인해 이런 종류의 허브/리피터는 산업 자동화에는 적합하지 않다. 나중에 이더넷 Powerlink 기술이 데이터 링크 레이어에서 주요 시간 제어 차이가 있는 이런 종류의 토폴로지에서 일부 허브/리피터 요소를 채용하고 있다는 점을 설명할 것이다.
LAN 스위칭 토폴로지
다행히 스위칭 LAN 토폴로지의 발전으로 개별적인 자체 충돌 도메인을 갖고 있는 각 도메인이 다중 세그먼트 포트에 제공되었다. 한 토폴로지 시나리오에서 이더넷 스위치의 하나의 포트는 클래스 2 리피터에 연결할 수 있으므로 리피터 포트를 세그먼트화하여 단일 충돌 도메인을 공유한다(그림 4). 따라서 스위치 세그먼트 당 포트 수를 확장할 수 있다.
이더넷 LAN 스위치(2개의 MAC 주소에서 동작하는 여러 포트를 지원하는 지능형 브리지 디바이스) 토폴로지(그림 5). 각 포트에는 전송기가 전송을 중단했다고 다시 전송할 수 있는 전송 및 충돌 탐지 기능을 지연시키는데 사용되는 캐리어 감지 기능을 비활성화할 수 있는 MAC(매체 액세스 컨트롤러)가 포함되어 있다.
이 고유한 기능을 사용하면 LAN 세그먼트의 디바이스만 연결할 수 있는 네트워크 토폴로지가 만들어진다. 따라서 와이어의 개별 전송 및 수신 쌍을 기반으로 충돌 없는 환경에서 전송과 수신을 동시에 지원할 수 있으므로 처리량이 2배로 증가했다. 네트워크의 개선된 성능으로 스위치와 노드 연결 사이의 대기 시간이 크게 줄어든다.
한 예로 전형적인 24 포트의 경우 10/ 100 이더넷 스위치가 별도의 24개 전이중 충돌 도메인을 지원한다. 사무실 환경에서 더욱 빠른 PC와 서버의 상호 연결로 성능 요구가 계속 증가하면서 이더넷 표준 자체가 10배 정도씩 여러 차례 속도를 업그레이드 했지만 산업 부문에서는 10/100Mbit 이더넷을 폭넓게 채택하고 1/1000초의 대기 시간을 달성하는데 중점을 두었다.
하지만 네트워크에서 이더넷 속도 증가를 통해 대기 시간을 줄이는 것이 결정적 지연 응답을 실현할 수 있는 만능 솔루션은 아니다. 오히려 주요 관심 분야는 반복 가능한 지연 간격을 갖는 계산된 결정적 응답을 얻는 것이다.
이더넷 LAN 스위치를 추가 분석하면 포트에서 수신한 많은 프레임이 대역폭을 초과할 수 있어 혼잡을 유발하고 비결정적 지연을 일으키게 된다. 빠른 해결을 위해 LAN 스위치는 상위 프로토콜 층에서 손실된 프레임을 처리할 수 있는 지능형 MAC를 사용한다. 이러한 기술 중 하나는 다양한 수준의 우선순위 대기열로 패킷 우선순위를 지정하는 작업을 포함한다.
따라서 대기열에서 높은 우선순위를 갖는 포트를 선택한 경우에 어느 정도의 결정적 응답을 얻을 수 있다. 불행히도 우선순위가 낮은 다른 포트에서 비결정적 지연이 발생할 수 있다. 다른 기법으로는 MAC가 전이중, 스위칭 네트워크에 사용되는 암시적인 일시 중단 프레임을 보낼 수 있는 흐름 제어를 들 수 있다(그림 6). 추가 분석 후 제어 프레임은 메모리가 부족한 시스템에 대한 과부하 혼잡을 일시적으로 경감시켜준다. 수신하는 쪽은 일시 중단 프레임을 수신하고 프레임의 컨텍스트 내에 일정 시간 동안 정지 상태로 대기한다.
표준 이더넷 MAC와 마찬가지로 일시 중단 프레임은 오류에 의해 중단되고 수신기는 전송한 각 프레임을 인식하지 못하기 때문에 수신기에 프레임이 전달되는 것을 보증하지 못한다. 또한 일시 중단 프레임은 메모리 수준 임계값이 초과되었는지 여부에 따라 일시 중단 프레임을 전송하므로 하이 워터마크와 같은 버퍼 메모리 임계값과 함께 보다 높은 프로토콜 제어 정책이 필요하게 한다. 반대로 일시 중단 프레임은 메모리 임계값이 로우 워터마크 이하로 떨어지는 경우 취소된다. 이러한 가능한 시나리오는 많은 시간 지연 변수로 인해 실시간의 결정적 응답을 추가하지 않는다.
버퍼 과부하를 제어하는 세 번째 기법은 MAC가 들어오는 프레임과 강제로 충돌시키는 백프레셔를 사용한다. 이렇게 하면 버퍼 오버플로우를 방지할 수 있지만 기하 급수적으로 증가하는 백오프 알고리즘을 엔드 스테이션이 계산해야 한다는 부작용이 있다. 즉, 패스트 이더넷과 계속되는 충돌에 대해 5.12 마이크로초의 각 간격 시간 슬롯이 급격히 두 배로 늘어난다. 결과적으로 이 기법은 일정한 비결정적 시간 지연까지 초래한다.
파이버 매체 및 링 토폴로지
구리 매체 외에 탁월한 노이즈 저항력을 제공하는 광섬유 백본이 보다 먼 거리를 요구하는 산업용 이더넷 시스템에 배포되었다. 그 외에 고전압 발생기와 모터 제어에 의해 생성되는 모든 EMI 방출은 파이버 전송을 통과하지 않는다. 이들은 이더넷 서브 네트워크를 상호 연결하며 90년대 초 중반에 배포되었던 FDDI(광섬유 분산 데이터 인터페이스) 기술과 비슷한 자체 치유 능력을 갖춘 이중 링 토폴로지를 기반으로 하고 있다(그림 7).
광섬유 케이블링은 LAN 스위치의 백본 쪽에 있으면 광섬유 링크 장애로 인해 네트워크가 여러 세그먼트로 나뉘므로 통신 링크가 생기지 않는다. 단지 단일 스위치 장애로 인해, 서로 통신할 수 없는 개별 세그먼트
로 네트워크가 나뉠 수도 있다. 광섬유 매체 장애를 해결하려면 이중 파이버 매체가 중복 및 장애 조치 네트워크를 제공하는 링 토폴로지 설치에서 LAN 스위치를 구성할 수 있다. 마찬가지로 산업용 이더넷은 단일 장애 지점을 줄이고 네트워크에 중복 기능을 추가하는 링 토폴로지도 채택했다.
<자료제공: 월간 반도체네트워크 2007년 05월호>