산업용 이더넷을 위한
물리적 계층 설계 애플리케이션 (3)
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
중복 링 설계 고려 사항
산업 자동화 네트워크에 일반적으로 마스터/슬레이브 프로토콜 상호 작용이 있다는 점은 앞서 논의했다. 중복 링 네트워크 구축 시 하나의 링 마스터 노드는 상호 연결된 여러 슬레이브 노드와 하나의 링에서 상호 연결되는데 링 마스터 노드는 논리적으로 포트에서 링을 구분하므로 물리 링에서 "고아" 패킷이 발생하는 것을 방지해준다. 링은 링 마스터 노드로 다시 연결된 최종 데이지 체인 슬레이브 링크와 데이지 체인 방식으로 상호 연결할 수 있으며 두 번째 중복 링은 첫 번째 링에 링크 장애가 있는 경우 중복 백업을 제공한다.
한편 구리에 대한 링크 신호 또는 파이버에 대한 신호 감지의 부재로 결함 발생을 감지할 수 있다. 1차 링은 1차 링에 대한 페일오버 스위치로 교환함으로써 자동으로 "문제를 해결"할 수 있다. 그림 10은 단일 링 연결에서의 일반 링크 동작과 페일오버 스위치 연결을 보여준다. 매체는 파이버(100Base-FX) 또는 구리(100Base-T)가 될 수 있다.
물리 레이어 설계에서 이중 포트 통합 10/100 PHY는 중복 포트 제공을 위한 확실한 솔루션이다. 링에 있는 노드의 총 수는 마이크로초 분해능 및 비트 시간 지연에 응답하는 임계 시간 네트워크의 분해능으로 제한된다. LAN 스위치가 사용되는 경우 저장 및 포워드 지연과 대형 패킷 크기는 결정적 응답에 심각한 영향을 미칠 수 있다.
자체 문제 해결 또는 페일 오버 연결 스왑을 수행하기 위해 내셔널의 DP83849IF는 외부 멀티플렉싱 없이 이 기능을 쉽게 제공하도록 소프트웨어 방식으로 구성할 수 있는 유연한 내부 포트를 가지고 있다. 최소 펌웨어 
코딩을 MDIO 직렬 포트에서 업로드 할 수 있다. 두 번째 중복 링은 1차 링에 링크 장애가 있는 경우 추가 중복 백업 경로를 제공한다.
이 애플리케이션에서 각 엔드 스테이션은 이중포트 PHY쌍을 필요로 하는데, 이 이중 포트 PHY쌍은 링에 대한 페일오버 스왑을 지원하며, 그림 11에서 볼 수 있는 보조 백업 링으로 페일오버 스왑 할 수 있는 옵션도 제공한다.
링 마스터의 책임은 네트워크 중복을 방지하고 적절한 프레임을 목적지로 라우팅하는 것이다. 스패닝 트리 프로토콜(STP)과 같이 각 IEEE802.1D 표준에 대한 상위 레이어 프로토콜은 네트워크 내 모든 스테이션을 언제든지 연결할 수 있는 단일 경로를 생성하기 위해 이용된다. STP는 여러 경로, 서브링 세그먼트 또는 백업 링크에 대해 배포되거나 한 형태의 부하 공유를 제공한다.
IEEE802.1u에 따른 RSTP (Rapid Tree Spanning Protocol)는 빠른 ST의 일종으로 대개 임계 시간 네트워크에 배치된다. 가상 LAN은 LAN 스위치에 구현되는 또 다른 형태의 스패닝 트리 프로토콜 개념이며 LAN 스위치는 네트워크 상의 물리적 위치와 관계없이 나타나는 노드 그룹에 브로드캐스트 도메인을 할당한다.
매체 변환기 및 확장 애플리케이션
대규모 산업용 네트워크의 경우 LAN 스위치 간 거리는 구리 매체에서 100m를 초과할 수도 있다. 이 문제를 해결하기 위해 매체 변환기가 최대 거리를 확장하는 데 사용된다. 구리-파이버 매체 변환기 모듈은 100Mbps에서 100m의 거리를 1km까지 확대할 수 있다. 파이버 변환을 사용하면 근거리 모터 제어 시스템에서 생성되는 높은 EMI와 노이즈에 불침투성 LAN 연결이 가능하다.
이 애플리케이션은 앞서 말한 DP-83849IF 장치 등의 단일 통합 디바이스로 쉽게 구현할 수 있다. 소프트웨어를 사용하지 않고 FX_EN 핀에 하드웨어 풀업 레지스터만을 추가하여, 한 포트는 구리로 구성하고 다른 포트는 파이버로 구성할 수 있다. 그림 12의 예에서 볼 수 있듯이 레지스터 제어를 통해서도 구성할 수 있다.
200m 거리를 지원하기 위해서 그 밖의 다른 기능은 매체 익스텐더를 필요로 한다. DP83849IF의 이중 포트는 마찬가지로 하드웨어나 레지스터 컨트롤에서 간단히 구성될 수 있다. 100Mbps속도의 구리 매체에서 내부 RX 및 TX 쌍은 PHY 사이에서 상호 연결된다. 그림 13에서처럼 두 개의 DP83849IF는 엔드 투 엔드 익스텐더 모드로 구성된다. 거리가 멀리 떨어져 있을 경우에는 전력이 한쪽 끝에 있어야 한다.
LAN 스위치가 트위스트 페어 케이블에 대해 공칭 48V를 출력하는 PSE(Power Sourcing Equipment) 기능을 지원하는 경우 PoE(Power Over Ethernet) 애플리케이션을 추가할 수 있다. PD (Power Detect) 측은 PSE와 핸드쉐이킹 시퀀스를 수행하며 IEEE802.3af 사양에 따라 약 13와트의 조절식 DC 전력을 제공한다.
내셔널 세미컨덕터는 DP83848 PHY 및 LM5072 PoE PD 인터페이스와 PWM 컨트롤러를 모두 포함한 단일 보드 솔루션을 제공할 것이다. 두 부품 모두 해당 기능에서 정보처리 상호 운영성 테스트를 통과했다. LM5072는 Power Over Ethernet Consortium을 통과하고 DP83848 역시 UNH 정보처리 상호 운영성 테스트를 통과했다. IEEE802.3at 표준이 2007년에 승인되는 대로, 향후 PoE Plus 표준이 최대 30와트의 더 높은 와트 용량으로 업그레이드될 것이다.
한편 LM5072 PoE 디바이스는 최고 700mA의 DC 전류를 부하에 전달하도록 지원하는 임시 솔루션을 제공한다. 산업 커뮤니티는 공장 자동화 장비에 더 높은 와트 용량을 지원하도록 하는 최적의 애플리케이션으로 PoE Plus를 사용할 가능성이 높다. 100Mbps에서 2km 파이버 확장의 경우 DP83849IF에 대한 상호 연결은 하드웨어나 레지스터 제어에 구성된 것과 유사한 경로로 연결된다.
실시간 이더넷 솔루션 경로
실시간 이더넷 솔루션을 지원하는 개방 표준으로 EtherNet/IP, EtherCAT, PROFinet 및 Ethernet Powerlink (EPL)의 네 가지 표준이 등장했다. 여기서는 이러한 각 프로토콜과 IEEE1588 Precison Time Protocol(PTP)을 어떻게 충족시키는지에 대해 논의할 것이다.
EtherNet/IP(IP는 산업 프로토콜을 나타냄)은 ControlNet International, OpenDeviceNet Vendors Association 및 IEA Industrial Association에서 개발하고 관리하는 개방형 애플리케이션 레이어 프로토콜이다.
이 프로토콜은 동일한 물리 802.3 레이어를 사용하며 대부분의 산업용 자동화 네트워크와 완벽한 상호 운영성을 지원하는 TCP/UDP/IP 레이어를 지원한다. 이 프로토콜은 객체 지향 CIP(제어 및 정보 프로토콜)를 사용하는 상위 레이어를 사용하며, 이 CIP는 마스터/슬레이브 관계에서 TCP/IP와 UDP에 모두 매핑된다. UDP 패킷은 각 메시지의 승인을 요구하지 않고 일대다 노드 관계 모델을 지원하기 때문에 TCP/IP 패킷보다 더 빠르다.
실시간 이더넷을 해결하기 위해 또 다른 형태의 EtherNet/IP는 100 Mbps 스위치를 사용하는 CIPSync(Control & Information) Sync 또는 고속 동기화 솔루션을 사용한다. 이를 통해 디바이스 간에 500나노초의 범위에서 실시간 분해능을 달성했다. EtherNet/IP의 단점은 TCP와 UDP 패킷 모두 엄격한 실시간 모션 제어에 적합하지 않은 지터와 비결정성을 추가한다는 점이다.
제어 자동화를 위한 EtherCAT 또는 Ethernet은 Beckhoff의 실시간 솔루션이다. IEC 조직에 의해 표준화되었으며 200개 이상의 회원사가 이를 지원했다. 이 프로토콜은 또한 TCP/IP 기반 네트워크와 상호 작용할 수 있는 마스터/슬레이브 원리를 기반으로 한다. EtherCat 프레임은 EtherCAT 헤더와 하나 이상의 EtherCAT 명령으로 구성되는 데이터 필드인 EtherCAT 프레임 내에서 캡슐화된다. 각 EtherCAT 프레임은 그림 14에 나온 것처럼 더 큰 이더넷 데이터 필드의 효율적인 사용을 완벽하게 활용하는 여러 EtherCAT 명령(Header, Data, Working Counter)을 포함할 수 있다.
마스터 제어는 모든 전송을 시작함으로써 트래픽을 제어하며 슬레이브는 전송을 시작하지 않는다. EtherCAT 슬레이브 노드는 지능형 노드로 구현할 수 있다. 개방형 링 토폴로지의 경우 EtherCAT 프레임을 수신하는 슬레이브는 하드웨어에서 텔레그램 메시지를 처리한 후 링에서 다음 슬레이브로 포워드한다. 처리 지연은 나노초 단위로 발생할 수 있다. 링의 마지막 슬레이브는 완료된 텔레그램을 다시 마스터로 반환한다.
반환 경로에서 각 슬레이브는 신호를 증폭하고 재생성하는 리피터 역할을 한다. 각 슬레이브에는 양방향 데이터 통신이 경쟁 없이 발생할 수 있는 물리 레이어 포트가 있다. 슬레이브가 주소 지정된 EtherCAT 패킷을 처리하면 Working Counter가 증가한다. 마스터는 각 주소 지정된 슬레이브가 데이터를 교환하는지 여부를 확인하다. EtherCAT은 스타, 버스 또는 라인 토폴로지도 지원한다.
EtherCAT은 IEEE1588의 단순 버전인 분산 클럭 알고리즘에 의해 동기화된다. EtherCAT은 마스터나 슬레이브 사이에 스위치나 라우터를 채용하지 않는 결정적 품질을 가진 빠른 실시간 이더넷이다. IEEE1588의 PTP에 적용함으로써 마스터 클럭은 개별 슬레이브 클럭에 대한 전파 지연 오프셋을 결정할 수 있으며 지연 오프셋 값을 기준으로 조정된다. 그 결과 지터 값이 1마이크로초 미만으로 낮아져 IEEE 1588 요구 사항을 준수한다.
LAN 스위치를 사용하지 않고 슬레이브 노드를 설계하는 예로, 알테라의 FPGA(알테라의 제품 제공)를 사용한 EtherCAT은 EtherCAT MAC 슬레이브 컨트롤러로 설계할 수 있으며 DP83849IF를 사용하는 이중 포트 PHY 쌍은 한 포트 리피터 솔루션을 구현하는 반면 두 번째 이중 포트 PHY는 링 토폴로지에서 데이지 체인이 될 수 있다. 그림 15는 이더넷 링에서 4 노드의 한 예이다. 
이 예는 LAN 스위치에 고유한 저장/포워드 지연에 비해 최소한으로 작아지도록 대기 시간 및/또는 지터 전파를 줄이는 데 도움이 된다.
PROFinet은 또 다른 개방형 통신으로, 많은 멀티벤더가 이 통신 방식을 지원하고 있다. 이는 원래 분산 자동화 시스템을 위한 전세계 Fieldbus 표준이었다. PROFinet은 필드 디바이스의 일반적인 I/O 데이터를 사용하며 PLC의 프로세스 이미지로 주기적으로 전송된다. ProFinet V1 역시 전용 소프트웨어 채널을 사용하여 10~100마이크로초의 순서로 실시간 결정적 응답을 달성했으며 5~10마이크로초 사이의 중요하지 않은 공장 자동화 사이클 시간에 적용이 가능하다.
PROFinet-IRT(등시적 실시간)의 하드웨어 기반 버전은 동기적 이더넷 노드를 사용한다. 전이중 LAN 스위치를 사용하여 결정적 IRT 채널과 일반 TCP/IP 채널에 여러 개의 시간 슬롯을 할당한다. 각 시간 슬롯마다 IRT 채널과 일반 TCP/IP 채널의 비율은 총 합계가 1마이크로초 미만일 경우 가변적이다. 분해능을 IEEE 1588 PTP 당 1마이크로초 미만으로 유지하기 위해 각 PROFinet-IRT 디바이스는 IRT 채널과 비결정적 TCP/IP를 위해 시간 동기화와 변수 채널 슬롯 구간을 처리하는 맞춤형 FPGA/ASIC를 갖게 된다.
Ethernet Powerlink(EPL)는 100Base -TX를 기반으로 하며 FPGA/ASIC를 필요로 하지 않고 표준 패스트 이더넷 하드웨어 디바이스를 사용한다. EtherCAT처럼 표준 이더넷은 데이터 필드 내에 Powerlink 프레임을 캡슐화한다. 다른 프로토콜처럼 EPL은 마스터/슬레이브 모델을 사용하며 EtherCAT 및 PROFinet -IRT와 비슷하게 시간 슬롯 할당 및 동기적, 비동기적 채널을 채용한다. Powerlink 사이클은 아래의 그림 16에 나타난 것처럼 4개의 시간 슬롯 기간으로 구성된다.
시작 기간이 개시되면 EPL 마스터는 슬레이브 노드를 동기화하는 SoC(Start of Cyclic) 프레임을 브로드캐스트한다. 이 프레임의 타이밍은 네트워크 동기화를 위한 중요한 시간 기반을 제공하며 다른 모든 프레임은 이벤트 중심이다. SoC 프레임을 전송한 후에 사이클 기간은 마스터가 폴 요청 프레임으로 각 노드를 폴링할 때 시작된다.
이 이벤트에 따라 슬레이브는 데이터가 포함된 폴 응답 프레임으로 응답하므로 충돌이 방지된다. 뿐만 아니라 슬레이브가 모든 디바이스로 응답을 브로드캐스트하므로 슬레이브 간 통신이 발생할 수 있다.
마스터가 모든 슬레이브를 성공적으로 폴링한 후에 마스터는 사이클 프레임의 끝을 전송한다. 그러면 사이클 트래픽이 성공적으로 완료되었음을 알리는 사이클 프레임이 슬레이브 노드에 브로드캐스트된다. 비동기 기간 동안에는 마스터 제어 하에 비사이클 데이터 전송이 허용된다. 이 기간 동안 전송을 하려면 슬레이브는 사이클 기간 동안 폴 응답에서 이전에 마스터의 통보를 받았어야 한다.
마스터는 오랜 지연 없이 각 슬레이브의 요청을 스케줄 및 수신한다. 이 기간 동안 표준 IP 데이터그램도 전송될 수 있다.
하드웨어 디바이스의 경우 ProFiNet과 달리 EPL은 LAN 스위치를 사용하지 않는다. EPL 기반 네트워크는 표준 허브나 리피터를 사용하여 앞서 설명한 저장/포워드 대기 시간으로 야기되는 추가 지터를 방지해준다. EPL 네트워크는 본질적으로 시간 제어 버스 액세스를 통해 충돌을 방지한다.
이 설정을 사용할 경우 클래스 2 리피터로 제한되는 충돌 도메인 규칙은 적용되지 않다. 이 한도를 올리면 최대 10개의 허브/리피터를 EPL 네트워크에 단계별로 연결할 수 있다. RT 통신이 필요한 EPL 디바이스는 비 RT 이더넷 장치와 공존할 수 없다.
결론
앞에서 설명한 것처럼 현재는 100Mbit 리피터를 찾기 힘들며 대부분의 100Mbit 리피터 칩은 무용지물이 되었다. DP-83849IF 이중 포트 PHY가 마스터 링크에 대해 단방향 리피터 기능을 제공할 수 있다. 다중 DP83849IF에서 이중 포트를 브로드캐스트 모드로 설정하면 같은 MAC 레이어 또는 FPGA/ASIC 기반 MAC를 공유하므로 마스터가 프레임을 두 노드로 전송할 수 있다.
슬레이브 노드는 마스터의 수신 링크 전용인 한 포트가 있는 끝에 전용 이중 포트 PHY도 있으며 두 번째 포트는 마스터로 다시 전송하는 전용 링크로 설정된다. 이때 슬레이브를 전이중 링크로 고유하게 설정한다.
마스터 쪽에는 슬레이브의 전송 링크에서 전용 수신 포트로 구성되는 일련의 DP83849 PHY가 있다. 마스터는 각 PHY 인터페이스 링크에 액세스할 수 있는 FPGA 지원 MAC가 될 수 있다. 리피터와 브로드캐스트 동작 모드 조합으로 DP83849IF는 여러 단방향 리피터 홉을 단계적으로 연결할 수 있다. 최대 리피터 홉 제한이 10인 단계적 연결 시나리오가 다양하게 존재한다.
<자료제공: 월간 반도체네트워크 2007년 07월호>