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리던던트 기가비트 백본망, 산업 네트워크에 속도와 신뢰성를 더하다

산업 애플리케이션에서의 네트워크 구축은 시스템이 구축되고자 하는 환경을 우선적으로 고려해야 한다. 더구나 신뢰성과 정보 및 제어 데이터에 대한 속도가 중요한 시스템에서는 무엇보다도 열악한 산업 환경에 적합하게 제조된 산업용 스위치를 활용한 이중화된 기가비트 백본망의 구성을 적극 고려할 필요가 있다.

기가비트 네트워크 응용은 최근의 네트워크 세계에서 점점 더 인기가 높아 지고 있다. 사실 현재 대부분의 PC 마더보드는 기가비트 이더넷 포트 내장을 표준으로 하고 있다. 더구나 온라인 비디오와 같은 고대역폭 데이터에 대한 요구가 빠르게 성장하면서 많은 네트워크 관리자들은 기가비트 속도 그 이상을 위해 기존의 네트워크 백본을 전환하고 있다.

산업 네트워크 또한 점차적으로 기가비트 네트워크로 옮겨가고 있다. 자동화된 중앙집중식 모니터링과 제어의 이점을 위해서는 음성과 영상을 포함하는 더 많은 양의 데이터를 전송할 필요가 있다. 산업 네트워크 관리자들이 직면한 문제는 거친 산업 환경에서 충분히 신뢰할만한 이중화(Redundant) 네트워크 백본을 어떻게 구축하느냐 하는 것이다. 가능한 해결책을 논의 하기 전에 이중화와 신뢰도가 산업 네트워크에서 왜 그렇게 중요한지에 대해 먼저 살펴볼 필요가 있다.

산업 네트워크에서 이중화의 중요성

이중화는 산업 현장의 네트워크 통신이 중단되지 않도록 하기 때문에 산업 네트워크의 가장 중요한 측면 중 하나이다. 이중화는 지속적인 운영에 필요한 주요 시스템의 기능을 복제하는 백업 시스템을 생성 함으로써 이루어 진다. 이에 우선 백업 시스템이 필요로 하는 요소를 이해하는데 도움을 주기 위해 이중화의 여러 다른 종류들을 알아보기로 하겠다.

전력의 이중화
거친 산업 환경은 전력 라인이 좋지 않게 되거나 단선될 수 있기 때문에 백업 전력 공급이 전력의 이중화를 위해 이용된다. 산업용 제품들은 주요 소스와 백업소스, 운영의 연속성을 보장하는 전력을 받기 위해 최소한 두 개의 전력 입력 포트를 가져야 한다.

미디어의 이중화
산업 네트워크를 위한 기본 요건이 네트워크 접근을 위한 백업 경로의 생성을 포함하는 미디어의 이중화이다. STP (IEEE 802.1D Spanning Tree Protocol) 와 RSTP (IEEE 802.1W Rapid Spanning Tree Protocol) 라는 두 개의 프로토콜이 백업 경로를 이용한 이더넷 링 토폴로지를 위한 표준이다. 이론적으로 처리 과정은 간단하다. 링 토폴로지의 네트워크를 이용한 네트워크 통신이 백업 경로를 이용함으로써 주 경로의 차단으로부터 자동적으로 절체될 것이다.

그러나, 백업 경로를 이용해서 절체하기 위해 네트워크에 걸리는 시간이 STP 와 RSTP에게는 중요하다. 네트워크 중단 시간이 수초 일지라도 시스템 장애가 막대한 손실로 이어지는 산업현장에서 이것은 용인될 수 없는 것이다. 이러한 이유로, 네트워크의 이중화를 지원하는 대부분의 산업용 이더넷 스위치는 거의 즉각적인 절체시간을 제공하기 위해 노력 한다. 예를 들어, MOXA의 Turbo Ring 기술은 네트워크 절체시간이 0.3초 이하이며 Turbo Ring II는 0.03초 이하의 시간으로 절체시간을 줄인다.

신속한 절체 시간(recovery time)과 함께 고려해야 할 중요한 포인트는 링 토폴로지에 의해 지원되는 스위치의 갯수이다. 빠른 절체시간이 각 링에 단지 몇 개의 스위치에만 선별적으로 가능하다면, 대규모의 산업 네트워크에서는 무의미한 것이 된다.

노드의 이중화
대부분의 산업 네트워크에서, 어떠한 장치들은 항상 이용이 가능해야만 하고 통신은 어떠한 순간에도 방해 받지 말아야 한다. 만약 그렇지 않으면 상당한 손실을 초래하게 된다. 이러한 이유로, 중요 장치들은 장치와 관련된 스위치를 이중화 함으로써 이중 네트워크 노드를 설정, 백업할 수 있다. 양 네트워크 노드는 가장 적합한 호밍 경로를 선택할 수 있는 이중 호밍 제어장치에 연결되어야 한다.

일반적인 네트워크 통신을 지속하기 위해 네트워크상에 큰 장애가 발생했을 때 이중 호밍 제어는 특정한 중요 최종 장치와 연결 되어야만 한다. 이러한 경우, 리던던트 장비의 비용은 네트워크 스위치를 정확히 두 배 구입하는 것 이하가 될 것이다. 그리고 중요 시스템 부분은 여전히 네트워크 장애가 발생할지라도 작동될 것이다.

호밍 스위치의 효율적인 설치는 노드의 이중화를 구성하는데 중요한 문제이다. 스위치는 이동이나 스위치 환경설정 셋팅의 복구가 쉽게 이루어 질 수 있어야만 한다. MOXA의 자동화 백업 컨피큐레이터(ABC-01)와 같은 백업 도구는 새로운 스위치 설치에 필요한 시간을 줄이며 결과적으로 전체 시스템 다운타임 시간을 줄여준다.

네트워크와 시스템의 이중화
몇몇 산업 네트워크는 리던던트 솔루션만큼 두 개의 완성된 시스템 조차 두 개의 물리적 네트워크에 의존 할 수도 있다. 일단 미디어의 이중화와 노드 이중화가 실행되면, 각각 연결된 장비에 두 개의 통신 포트를 가진 두 개의 완전히 독립된 네트워크의 관리를 포함하는, 리던던트 시스템의 진보적인 관리가 이루어져야만 한다. 네트워크와 시스템의 이중화는 좀더 완전한 해결책이지만 상당한 비용이 들고 복잡하다.

구성 요소의 신뢰성

장비와 미디어의 신뢰성은 응용 환경의 결정적인 특성이기 때문에 산업 네트워크에 필수적이다. 네트워크에 이용되는 모든 장비들은 거친 산업현장에 이용되기 위해 설계된 것이다. 응용분야마다 환경이 각각 다를 수 있기 때문에 산업 네트워크에 적합한 제품을 선택할 때 여러 사항들에 대한 평가가 필요하다.

EMI 와 낙뢰 방지
대부분의 산업 환경은 다른 환경보다 좀 더 심각한 전기와 자성 환경에 놓여진다. 강한 EMI 와 낙뢰방지는 산업환경에 있어서 네트워크 장비 보호를 위해 필수적이다.

외장
장비의 외장은 외부 요소들로부터 예기치 않은 손상에 대처해 물리적인 보호효과를 제공해야만 한다. IP(침투방지)등급 표지(EN60529)는 특별한 응용을 위한 외장의 적합성을 판단하기 위해 이용될 수 있는 국제 분류 시스템이다. 외장의 IP 등급은 도구, 먼지나 손가락과 같은 다른 생체의 침입에 대한 전기적,물리적 장비 보호의 효과를 나타낸다. 예를 들어, IP65 등급은 모든 방향으로부터 낮은 습기의 압력과 먼지에 대해 완전히 보호된다는 것을 나타내는 것이다.

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MTBF (평균 고장 간격)
장비의 MTBF는 장애가 일어 나기 전까지 평균적으로 장비가 얼마나 오랫동안 정상적인 작동을 할 수 있는지를 나타내기 때문에 산업 네트워크 환경에서 중요한 의미를 갖는다.

광범위한 작동 온도
작동 온도 범위는 장비에 있어 중요한 문제이다. 몇몇 응용분야들은 -40 에서 85°C 까지(저온 또는 고온)의 환경에서 조작을 필요로 한다. 열 방열을 위한 팬에 의존하는 팬방식의 방열제품은 팬의 높은 고장율과 MTBF의 급격한 감소로 인해 적합하지 않으며 팬리스 방식의 무팬 장비가 산업용 환경에 적합하다 할 수 있다.

리던던트 기가비트 백본 구축 방안

이중화와 신뢰성의 필수 요건을 논의 함으로서 우리는 산업 네트워크에 적합한 제품을 선택하는 방법에 대해 분명한 구상을 설정하였다.

비용보다 시스템의 안정성을 중요시 한다면, 가장 간단한 해결책은 10/100/1000 Mbps를 지원하는 이더넷 포트를 가진 이더넷 스위치를 이용하는 것일 것이다. 저가격으로 시스템을 구성해야 하는 비용이 문제가 되는 응용분야에서는, 각 이더넷 스위치에 필요한 10/100 Mbps 포트와 기가비트 포트의 수를 결정하는 평가과정이 필요하다. 다음의 기본적인 산업 이더넷 인프라를 지침서로서 이용할 수 있다.(그림 1)

코어 스위치 (Information Level)
여러 서버들이나 처리 컴퓨터들은 시스템 제어 센터에서 현장 내 장비의 모니터링과 제어장치를 다루게 된다. 코어 스위치는 제어 센터와 현장 사이의 데이터 전송에 대한 통신 채널을 수립한다. 요구되는 대역폭은 이러한 시스템 서버들이나 컴퓨터들이 얼마나 많은 데이터를 받아 들여야 하느냐에 달려 있다. 필드 스위치 A의 업링크 포트에 연결된 이더넷 포트는 네트워크 병목현상을 방지하기 위해 기가비트 전송 속도를 지원해야 한다.

일반적으로, 코어 스위치는 산업용 등급이 불필요한 직원실이나 좋은 조건의 온도 제어 시설 내에 위치해 있다. 그러나 산업용 스위치를 이용하는 것은 먼지나 미세진동, 고온 또는 저온의 온도조건 등 거친 산업 환경이나 신뢰성을 필요로 하는 응용분야에서는 필수적이다.

필드 스위치 A (Control Level)
필드 스위치는 먼지로 가득한 거친 산업환경, 전자기장, 습기나 극한의 온도에 노출 될 수도 있다. 필드 스위치는 이 같은 조건의 환경에서 안정적으로 작동하기 위해 신뢰성있게 설계되어야만 한다.

산업 네트워크의 기가비트 백본에서는 최소 두 개의 기가비트 이더넷 포트가 리던던트 링을 구축하는데 필요하다. 필드 스위치 A는 코어 스위치에 연결되어 있기 때문에 최소 한 개 이상의 기가비트 이더넷 포트가 업링크에 필요하다.

필드 스위치 B (Device Level)
필드 스위치 B는 최종 장치에 연결되어 있다. 이더넷 포트의 필요조건은 얼마나 많은 장치들이 연결되어 있으며 각 장치에 전송될 데이터가 얼마나 되느냐에 달려 있다. 일반적으로 각 장치에 100Mbps 정도이다.

한 개의 대규모 리던던트 링에 모든 장치들을 연결하기는 어려울 수 도 있다. 특히 장치 중 몇 개가 멀리 떨어져있다면 더 그러하다. 그 대신에, 장치들은 “링 커플링” 기능을 이용하여 서로 연결되는 더 작은 리던던트 링으로 그룹 지어질 수 있다.

그림 2는 링 커플링을 링 A 와 링 B로 연결된 두개의 라인으로 설명하고 있다. 한 라인은 주 경로이고 다른 라인은 리던던트 백업 경로이다. 필드 스위치 C는 코어 스위치를 이용한 추가적인 업링크 포트가 필요하다면 4개의 기가비트 포트나 링 커플링을 위한 총 3개의 기가비트 포트가 이 두 경로를 구축하기 위해 추가적인 기가비트 포트를 필요로 한다.

응용 사례: 사막의 고속도로를 위한 교통 모니터링 시스템

다음의 응용 사례는 거친 환경에서 이중화와 신뢰성 있는 기가비트 백본 솔루션을 세우는 방법을 더 잘 이해하는데 도움을 줄 수 있다.

시나리오
300km나 되는 장거리 고속도로가 사막에 건설되고 있는 중이며 교통과 환경 양쪽의 모니터링이 필요하다. 비디오 카메라, 차량 검지기와 기상 관측소가 고속도로를 따라 설치된다. 이들 장비로부터 얻어진 데이터들은 즉시 기록하고 분석하기 위해 제어 센터로 전송되어야 한다. 이더넷 인프라는 상당히 튼튼하고 신뢰성을 가져야만 한다.

필요 사항
1. 필드 스위치는 거친 사막 환경에서 견딜 수 있기 위해 튼튼한 구조로 이루어 져야 한다. 온도 범위는 -40°C 에서 75°C로 가정할 수 있다.

2. 대역폭은 다중 비디오 스트림과 다른 데이터에도 필요하기 때문에 기가비트 이더넷 네트워크 백본을 요구한다. 네트워크와 시스템 이중화는 최대한의 신뢰도를 유지하기 위해 필요하다.

광섬유는 긴 전송 거리를 가능하게 하기 때문에 네트워크 백본의 미디어로 적합하다.

해결책
1. 네트워크 구조: 제어 센터가 고속도로의 중간에 위치해 있기 때문에 이중화를 이용한 두 개의 분리된 리던던트 기가비트 링이 이용된다.

2. 코어 스위치: 코어 스위치는 제어 센터에 위치해 있기 때문에, 특별한 산업용 등급은 필요하지 않다. 일반적인 26 포트 기가비트 이더넷 스위치가 이용된다.

3. 필드 스위치: 두 개의 기가비트 이더넷 포트가 이중화 링 방식을 지원하기 위해 각 스위치에 필요하다. 16개의 10/100Mbps 포트와 두 개의 기가비트 포트를 이용한 산업용 이더넷 스위치는 대부분의 필드 스위치에 이용된다. 특정 필드 스위치는 코어 스위치에 연결되기 위해 추가적인 기가비트 포트를 필요로 한다. 이러한 스위치들을 위해 7개의 10/100M 포트와 3개의 1000M 포트를 가진 산업용 이더넷 스위치가 필요하다. 두 가지 유형의 스위치는 거친 환경에서 필요한 산업용 등급과 신뢰도에 대한 요구를 만족시킨다.

마치며

신뢰도와 이중화는 산업 이더넷 네트워크를 구축할 때 중요한 두가지 요소이다. 게다가 올바른 산업용 이더넷 스위치를 선택하는 것은 효율적이고 경제적인 네트워크 인프라를 수립하는데 상당히 중요한 요소로 작용한다. 시스템 기획자는 대역폭, 포트 집적폭, 네트워크 구조등과 같은 시스템의 특정 요구조건들을 분명하게 결정해야만 한다.

잘못된 설계나 부정확한 설명들은 인력과 비용을 낭비하는 결과를 낳게 된다. 따라서 산업용 이더넷 네트워크 구축을 위해서는 산업용 이더넷 스위치를 개발 공급하는 공급자나 산업 자동화 분야의 시스템 엔지니어들과의 유기적인 정보교류와 함께 최적의 시스템 구축을 위한 공동노력이 필요하다.

아이씨엔 매거진 2007년 07월호

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