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산업설비에서의 실시간 데이터 통신을 위한 리던던트 LAN(RLAN)의 이해

산업설비 네트워크에서 요구되는 고성능의 실시간(Real-Time) 네트워크 기능을 확보하기 위한 많은 기술적인 노력들이 제시되고 있다. 이더넷 기반의 산업용 통신 네트워크에서 요구되는 속도가 빨라지고 있다. 오피스용 이더넷으로 잘 알려진 기존의 TCP/IP 이더넷을 통해 산업설비에서의 네트워크를 구축하여 사용하는 많은 애플리케이션이 존재한다. 실시간성과 결정론적 제어가 필요치 않은 단순 모니터링 및 감시제어 분야가 대부분이었다. 최근에는 산업용 이더넷이 산업IT의 핵심기술로 부각되면서 산업용 이더넷을 통한 산업설비에서의 실시간성과 결정론적 제어가 필요한 복잡하고 중요한 애플리케이션 분야에서도 이더넷의 적용이 시도되고 있다.

이러한 기존의 오피스용 이더넷으로는 감히 엄두도 내지 못했던 크리티컬한 산업설비에서의 산업용 이더넷에 대한 활발한 적용은 제어 설비에서의 무정지 운전을 위한 이중화 기능을 제공하는 고기능의 리던던트 기술발전을 통해 가능해졌다. 오히려 이러한 산업설비에서의 이중화 기능들이 빌딩자동화, 방송설비, 도로교통 등의 인프라 설비로 빠르게 전파되고 있는 실정이다.

이에 산업설비에서의 폴트 프리(Fault-free) 안정성과 실시간성 확보를 위한 리던던트 기능이 적극 부각되고 있다. 산업용 이더넷에 대한 보다 안정적인 다양한 애플리케이션 적용을 위해 리던던트 기능은 필수적인 기술이 되고 있다.

글_ 오승모 기자, oseam@icnweb.co.kr

산업통신망 기술은 필드버스(Fieldbus)를 지나, 산업용 이더넷(Industrial Ethernet)으로 변화하고 있다. 산업용 이더넷을 통해 TCP/IP 이더넷을 산업설비에 손쉽게 끌어들임으로써 보다 저렴하고 보다 편리하게 실시간의 산업설비 네트워크 구축이 가능해졌다. 세계적으로 알려져있는 주요 산업용 이더넷으로는 EtherNet/IP, Profinet, SERCOS III, EtherCAT, Ethernet Powerlink 등이 있으며, 이들은 개방형의 국제 표준이다. 최근에는 일본 미쓰비시전기와 국내 LS산전이 산업용 이더넷을 발표하고 국제 표준화 활동에 적극 나서고 있는 등 산업용 이더넷은 이제 산업설비에서의 필수 네트워크로 자리잡아 가고 있는 중이다.

일본 미쓰비시전기는 그 동안 자사 PLC의 이더넷용 네트워크를 체계화하여 2007년말에 산업용 이더넷 CC-Link IE를 발표했다. 미쓰비시전기는 이미 LCD, 자동차 등에서의 활발한 현장적용을 위한 기초작업을 완료한 상태로 조만간 광범위하게 실제적인 현장적용이 이루어질 전망이다. LS산전도 산업용 이더넷 RAPIEnet을 지난 aimex2008 산업자동화전시회에서 공식발표했다. 이미 2008년 1월에 IEC에서 인증하는 임시 국제표준인 IEC/PAS 62573 규격을 획득한 바 있다. 또한 공식적인 국제표준 인증을 위해 기술표준원과 함께 본격적인 활동에 들어갔다.

ISO/IEC 8802-3 실시간 이더넷에 기반한 산업용 이더넷 네트워크는 향후 폴트 프리(Fault-free) 상태에서도 데이터 통신이 가능해야 하며, 실시간 데이터 통신의 결정론적 제어 정보도 유지되어야 할 필요가 있다. 산업설비의 가동중에 일부 특정부분에서 폴트가 발생할 경우, 결정론적인 빠른 복귀시간을 확보하고 정상적인 운전이 유지되는 가운데 이상 부품에 대한 탈부착 작업이 가능해야 한다.

전통적으로 이더넷 통신은 사무실 환경에 최적의 운전 조건을 유지해 왔다. 실시간성에서의 결정론이 중요하지 않은 분야였기 때문이다. 산업설비와 같은 각각의 서로 다른 성능을 가지는 몇몇의 네트워크 솔루션이 필요한 시장에서는 서로 다른 애플리케이션 요구를 동시에 만족시키며 사용할 필요가 발생하고 있다. 이러한 솔루션들은 서로 다른 리던던트 토폴로지와 매커니즘을 요구한다.

산업 자동화 네트워크 애플리케이션의 특성

산업설비는 자동화 시스템의 정확한 기능 동작에 의해 운영된다. 엄밀하게 보면 산업설비 자동화 시스템들은 지연시간(grace time)이라고 하는 아주 짧은 시간에 대한 자동화 시스템의 다운은 문제가 되지 않는다. 완전한 운전상태로 돌아가기 전에 네트워크 복원시간(Network recovery time)이 그 지연시간보다 짧으면 된다. 지연시간이 20초나 2초든 또는 0.2초나 0.02초든지 간에. 중요한 것은 그러한 허용되는 지연시간을 확보해 주는 자동화 시스템의 성능에 있다. 적절한 지연시간을 확보한 시스템을 최적의 가격으로 최적의 성능을 가지도록 확보하는 것이 필요한 것이다. 각각의 애플리케이션마다 요구되는 지연시간은 천자만별이다.

일부 설비에서는 유지보수와 라인 재구성을 위한 시간에도 설비의 운전이 지속되는 것이 엄격하게 요구된다. 이런 경우 지연시간을 유지하는 것이 무엇보다 중요하다.

자동화 시스템은 언제 찾아올지 모르는 설비 이상(fail)에 적극적으로 대응하기 위한 리던던트 기능이 일반화되어 있다. 이중화, 삼중화, 사중화시스템으로 구성되고 있다.

각각의 시스템마다 리던던트의 구성방안은 다양하다. 그럼에도 모든 시스템에서 핵심적인 것은 데이터 정보 두절이 발생한 이후 운전상태로 복구하는데 소요되는 네트워크 복원시간에 있다. 복원시간이 산업설비 플랜트의 지연시간을 넘어설 경우, 보호 매커니즘에 의해 안전 셧다운(Safe shutdown)이 실행된다. 이는 플랜트의 운전 가용성과 중요한 제품의 손실을 위한 조처이다.

복원시간에서의 중요한 사항은 또한 결정론(Determinism)에 있다. 이는 어떠한 경우에도 시스템에서 복원시간을 보증하는 것을 의미한다. 특히 아주 빠른 실시간성이 요구되고 있는 모션 제어 분야에서 이 결정론이 중시되고 있다.

각각 산업설비에서의 자동화 네트워크는 자신의 설비가 요구하는 기능이 가능한 시스템을 구축하여 운전하면 된다. 그러나 어떠한 경우에도 리던던트와 같은 고기능 네트워크에 대한 요구사항은 점차 늘어날 것이다.

네트워크의 구성

일반적인 네트워크는 다음과 같은 다양한 엘리먼트들의 총합으로 구성된다. 한편 LAN(local area network)은 end nodes와 leaf links를 제외한 모든 네트워크 구성품들로 이루어진다.

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1) 엔드노드(End nodes)
LAN 연결을 위한 하나의 연결라인을 필요로 한다. 엔드노드의 연결포트는 립링크에 의해 ALN상의 스위치에 있는 하나의 에지포트(Edge port)에 연결된다.

2) 립링크(Leaf links)
립링크는 LAN과 엔드노드를 연결한다. 엔드노드와 스위치 또는 LRE(Link Redundancy Entity)과 함께 구성되어 내장된다.

3) 스위치(Switches) – 에지포트와 인터 스위치 포트
스위치는 레이어2 연결 구성품으로 IEEE 8.2.1D에 의해 규정되었다. 스위치는 인터 스위치 링크에 의해 상호 연결된다. 일부 스위치는 에지 포트를 통해 엔드노드와 립링크로 연결된다.

4) 인터 스위치 링크(Inter-switch links)
인터 스위치 링크는 LAN의 스위치간의 연결을 담당한다.

5) 스위칭 엔드노드(Switching end nodes)
스위칭 엔드노드는 엔드노드와 스위치를 동일 부분으로 작동시킨다. 이중화 노드를 구성하며, LRE(Link Redundancy Entity)를 주요임무로 한다.

6) 멀티 엔드노드(End nodes with multiple attachment)
엔드노드는 리던던트를 위해 하나 이상의 연결 포트를 필요로 할 때가 있다. 엔드노드의 연결포트는 동일한 LAN이나 혹은 또다른 LAN에 연결되기도 한다. 이중화 LAN 구성을 위해서 하나의 엔드노드에는 2개 또는 4개의 립링크를 통해서 동일 네트워크상의 하나 또는 복수의 LAN과 연결이 가능하다.

네트워크 토폴로지

스위치와 링크들로 구성되는 리던던트 네트워크는 단순한 운전을 위한 필요성보다는 Fail에 의해서 발생되는 통신의 손실에 대비한 것이다. 이로써 2개의 엔드노드간에 하나이상의 물리적 패스가 가능해진다.

LAN에서 리던던트가 동작될 때에도 엔드노드는 단일 접속이 가능하다. 그러나 이러한 경우에 하나의 스위치나 립 링크에서 문제가 발생하면 엔드노드는 통신이 불가능해진다. 이러한 경우 링 토폴로지와 메쉬 토폴로지를 통해 리던던트 링크를 수행하는 것이 가능하다.

토포로지별로 리던던트 링크 기능에 따른 분류를 하면 다음과 같다.

1) 리던던트 없는 토폴로지
– 트리(tree) 토폴로지
– 라인(linear) 토폴로지

2) 리던던트 토콜로지
– 링(ring) 토폴로지
– 부분 메쉬(partially mesh) 토폴로지
– 풀 메쉬(full mesh) 토폴로지

결국 산업설비에서 요구되는 환경조건에 따라 LAN에 대한 이중화와 이 이중화 LAN을 엔드노드에 대해서 까지 이중화를 보장하기 위한 추가적인 엔드노드에 대한 이중화까지를 하나의 리던던트 시스템으로 구축이 가능한 것이다. 리던던트 LAN이 구성되었다고 하더라도, 엔드노드들이 LAN에 단일로 접속해 있다면, 스위치나 립링크에서 문제 발생시 엔드노드들은 통신이 불가능해지기 때문에 이러한 시스템이 요구된다 할 것이다.

네트워크 토폴로지 특성

1. 트리 토폴로지
트리 토폴로지는 트리 형태의 토폴로지 구성을 가진다. 트리 토폴로지는 하나의 메인 스위치에 다른 스위치들과 2개 이상의 인터 스위치 링크로 연결된다. 2개의 디바이스간에 오직 한 개의 패스 라인만 연결되어 구성된다. 메인 스위치와 하위 스위치의 단일 링크 형태를 따른다. 스위치와 엔드노드간에도 같은 원리로 단일 라인을 통해 연결된다.

트리 토폴로지에서 엔드 노드 및 스위치는 상위의 메인 스위치와 통신이 이루어지며, 타 디바이스와의 통신도 메인 스위치를 통해서만 가능하다. 동일 통신망내의 타 디바이스와의 직접 통신이 불가능한 토폴로지 구조이다. 대신에 케이블 배선이 상대적으로 쉽고, 케이블이 손상된 경우 쉽게 손상된 디바이스를 찾을 수 있다는 장점이 있다.

2. 라인 토폴로지
라인 토폴로지는 하나의 라인에서 스위치가 연결 구성되며, 리니어 토폴로지라고도 한다. 라인 토폴로지는 모든 스위치가 하나의 라인으로 연결된다. 2개이상의 인터 스위치 링크를 위한 노드가 필요없다. 그러나 2개의 노드가 라인의 끝단에 위치할 경우에도 하나의 인터 스위치 링크만 가능하다.

네트워크 데이터는 라인에 연결된 각각의 스위치를 모두 통과하여 필요한 디바이스를 찾아가게 된다. 이 경우 스위치는 네트워크 데이터에 아무런 영향을 미치지 않는다. 전송 데이터에 관여하지 않는다는 표현이 올바를 것이다. 통과하는 네트워크 데이터에서 자신의 주소와 일치하는 경우에만 데이터를 전달받고 일치하지 않는 경우에는 연결된 다음 스위치 무조건 통화시킨다. 따라서 네트워크상에서 하나의 스위치가 이상이 발생하더라도 전체 네트워크에는 아무런 영향이 없다. 그러나 네트워크 케이블이 손상되는 경우, 전체 네트워크는 무용지물이 되어 버린다.

케이블 연결이 쉽고, 네트워크 구성이 간단하여 확장이 유리하다. 그러나 네트워크 병목현상이 심각하며, 케이블 이상 발생시 이상 지점을 찾는 것이 복잡하다는 단점이 있다.

3. 링 토폴로지
링 토폴로지는 여러대의 스위치 또는 스위치와 엔드노드들이 혼합적으로 고리(Ring)의 형태로 연결된다. 토폴로지상의 모든 스위치는 양쪽면을 위한 2개의 인터 스위치 링크를 가진다. 엔드노드들은 네트워크상의 모든 구성요소들이 동작하는 동안 2개의 전송 패스를 보인다.

링 토폴로지는 지속적으로 데이터를 순환시키는 구조이다. 특히 RSTP(Rapid Spanning Tree Protocol) 및 MRP(Media Redundancy Protocol)과 같은 프로토콜들을 활용하여 시스템의 초기화 및 운전, 재구성중에도 스위치에 대한 유지보수 및 탈부착이 가능하다. 하나의 스위치나 인터 스위치 링크에서 문제가 발생하면, 그 스위치를 링 구조로부터 차단한다. 그러면 전체 네트워크는 라인 토폴로지로 전환된다. 엔드노드가 문제가 발생한(Fail) 스위치에 연결되어 있더라도 엔드노드의 연결성은 유지된다.

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* 참고 *
MRP(Media Redundancy Protocol)에 대하여

링 토폴로지는 MRP 프로토콜을 적용할 수 있다. MRP 사양은 링 토폴로지상에서의 복원기술이라고 말해진다. 또한 MRP는 ISO/IEC 8802-3과 IEEE 802.1D에 기반하며, 데이터링크 레이어와 어플리케이션 레이어 상이에 위치한다.

MRP는 단일 네트워크상에서 오류(fail)인 경우에도 결정론적인 복원시간을 통해 미디어 매체 리던던트를 구성하는 통합 방식에 대한 사양이다. 네트워크상에서의 인터 스위치 링크 또는 노드의 단일 오류에 대한 결정론적 복원을 위해 고안되었다. (그림 12 – MRP 스택)

MRP의 완벽한 네트워크 구성은 멀티 노드의 링 토폴로지에서 구현된다. 또한 네트워크 오류시 복원을 추진하기 위해 링 토폴로지를 제어하는 하나의 방식이라고 할 수 있다.
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4. 부분 메쉬 토폴로지
그 동안 메쉬 토폴로지는 미국, 호주 등지에서 무료로 제공되는 무선 인터넷 광대역 통신망에서 많은 활용이 이루어져 우리에게 잘 알려졌다. 네트워크 연결을 위한 고정된 라인이 존재하지 않는 애드 혹(ad-hoc) 네트워크에서 사용하는 방식이 메쉬 토폴로지이다. 군사용 부문에서는 아직도 상당한 기술 진보를 보이고 있다고 전해진다.

최근에는 산업통신망에서도 메쉬 토폴로지가 광범위하게 활용되고 있다. 각각의 스위치와 노드들이 중복적으로 복잡하게 연결된 형태를 가지며, 하나의 라인에서 문제가 발생하더라도 다른 라인을 통해 데이터 전송이 이루어진다. 그리고 가장 우수한 라인의 정보를 채택할 수 있다는 장점을 가진다. 또한 백업(Back up) 기능이 우수하다.

부분 메쉬 토폴로지는 적어도 하나 이상의 스위치에 2개 이상의 인터 스위치 링크가 연결되는 구조이다. 링 토폴로지에서 스위치간에 추가적인 별도의 인터 스위치 링크를 두는 방식이라고 이해하면 될 것이다. 따라서 디바이스간에는 1개이상의 통신 패스가 항상 유지된다. 산업자동화를 위한 네트워크에서 많이 활용되고 있는 이중화 링 구조가 대부분 이러한 메쉬 토폴로지에 기반하는 것이다.

5. 풀 메쉬 토폴로지
메쉬 토폴로지는 위의 부분 메쉬 토폴로지에서 간략히 설명하였다. 예전에는 메쉬 토폴로지가 비용부담과 복잡한 네트워크 구성으로 인해 사용이 기피되어 왔으나, 최근들어서 그 활용이 광범위하게 늘어나고 있다.

풀 메쉬 토폴로지는 네트워크상의 모든 스위치가 2개 이상의 인터 스위치 링크로 연결된 상태이다. 매우 복잡한 구성으로 보이지만, 네트워크 안정성면에서 강력한 우수성을 제공한다.

RLAN, 산업설비 네트워크의 핵심기술

산업 설비를 담당하는 산업통신망 엔지니어들은 거친 산업현장에서 얼마나 효율적이고, 안정적으로 네트워크 데이터를 유지시켜 주느냐에 많은 고민을 하게된다. 신뢰성 있는 이중화 시스템, 즉 리던던트 네트워크 구축 방안을 적극 모색하게 된다.

이중화 리던던트는 산업설비의 네트워크 통신이 끊어지지 않도록 하기 때문에 실시간 제어가 필요한 산업통신망에서 가장 중요한 요소로 성장하고 있다.

특히 필드버스에 이어 산업용 이더넷이 광범위하게 산업현장 적용을 하고 있고, 고난이도의 정밀성과 고속성을 요구로하는 모션 제어에 이르기까지도 산업용 이더넷이 무리없이 적용되기 시작했다. 이에 ISO/IEC 8802-3 이더넷을 기반으로 하는 리던던트 LAN(RLAN)에 대한 이해와 접근이 요구되기 시작했다. 고기능 자동화 네트워크로써 RLAN은 산업통신망의 새로운 기술 방향을 제시하고 있는 중이다.

이상에서 RLAN 구성을 위한 기본적인 시장현황과 토폴로지의 종류와 특성에 대해 살펴보았다. 이를 통해 RLAN에 대해 관심을 가지게 되고, RLAN을 조금이나마 이해하는데 도움이 되기를 바란다.

아이씨엔 매거진 2008년 06월호

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