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이더넷의 기본구조와 산업용 애플리케이션을 위한 이더넷 기반 프로토콜, PROFINET(1)

Profinet은 이더넷 기술에 기초하고 있으며 TCP/IP와 같은 표준을 사용한다. Profinet을 좀 더 잘 이해하기 위해서는, 기본 사항을 알고 적용하는 것이 중요하다. 산업용 네트워크 애플리케이션을 위해 필요한 배경 지식을 이해하고 적용할 수 있도록 이더넷과 기본 프로토콜에 관한 정보를 제시하고자 한다.

이더넷의 기본 구조

“고전방식의” 이더넷에서는, 모든 스테이션들은 동일한 권한을 가지며, 각각의 스테이션은 언제든지 다른 스테이션과 양에 관계없이 데이터를 교환할 수 있다. 고전방식의 이더넷은 기본적으로 논리적 버스 시스템으로 설계되어 있으므로, 모든 스테이션은 전송 스테이션으로부터의 데이터를 기다린다. 각각의 이더넷 스테이션은 해당 이더넷 스테이션에 전송될 데이터 패킷 만을 필터링하고, 다른 것들은 무시한다. 그러므로, 모든 스테이션은 전송 매체를 공유하고, 소위 말하는 충돌 도메인(collision domain)에서 결합된다. 네트워크 접근은 CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) 프로시저로 제어된다 만약 스테이션이 데이터를 보내려면, 스테이션은 먼저 네트워크에 장애가 없는지 확인한다(carrier sense). 만약 장애가 없다면 데이터 전송이 시작된다. 동시에, 다른 스테이션이 데이터 전송을 시작했는지 체크한다(collision detection).

만약 다른 스테이션이 데이터 전송을 시작했다면 데이터 충돌이 일어난다. 그 뒤 모든 관련된 스테이션들이 데이터 전송을 멈추고, 무작위로 생성된 시간 동안 대기한다. 대기 시간이 만료되면 데이터 전송이 다시 시도된다. CSMA/CD 절차의 결과로, 데이터 패킷의 전송 시간은 대부분 네트워크 부하에 달려있으며, 미리 결정될 수는 없다. 충돌횟수가 증가함에 따라서 전체 네트워크는 “더 느려진다.” 따라서, 충돌 현상이 일어나는 공유된 이더넷은 “조건부”로 산업용 자동화 기계에 적합할 뿐이다. 실시간 제어가 요구되고 정밀한 동작이 요구되는 산업 애플리케이션에서는 미리 결정되지 않은 네트워크는 꺼려지게 된다. 따라서 결정론적인 실시간 산업용 네트워크가 요구되는 부문이기도 하다.

산업용 어플리케이션에서는, 분할 (충돌 영역 분할), 패스트 이더넷과 기가비트 이더넷과 같은 광대역, 스위칭 기술이 이용된다. 이러한 모든 기술들은 Profinet에 이용되며, 따라서 이더넷은 산업 자동화에서 관심을 끄는 유용한 기술이다.

Profinet 이더넷은 기본적으로 지점간을 연결하는 케이블을 사용한 네트워크 컴포넌트들을 통하여 함께 연결되어 있는 스테이션들의 네트워크이다. NIC(Network Interface Card)를 갖춘 스테이션들- 자동화 시스템의 경우에는 CP (communication processor)- 은 네트워크의 종단 지점이다. 종단 지점간의 데이터를 교환하기 위해서는 허브, 스위치, 라우터와 같은 네트워크 컴포넌트들이 필요하다. 네트워크 컴포넌트들과 스테이션간의 배선에는 대부분 초당 100Mbit(패스트 이더넷) 의 최대 전송 비율을 가지는 꼬임 동선(twisted copper)이 사용된다. 별개의 송/수신 선들을 사용함으로써 (일방향 경로), 스테이션들은 충돌 없이 동시에 데이터를 송/수신할 수 있다. 이러한 유형의 통신을 양방향 통신이라고 부른다. (FDX, 데이터의 동시 송/수신) 양방향 통신은 언제나 두 개의 컴포넌트들이 지점간 연결을 통하여 서로 연결되어 있는 스타 토폴로지에 바탕을 두고 있다. 네트워크는 많은 지점간 연결로 구성되어 있다. 따라서 실제 접근 제어는 지점간 연결의 두 스테이션들의 연결로 축소된다.

이러한 네트워크에서, 통신 케이블은 간단히 스위치라고 불리는 특수 네트워크 컴포넌트에 의해 교환된다. 이러한 개념은“교환된 매체(Switched media)”라고 불린다. Profinet은 항상 교환(switched) 네트워크의 양방향 통신에서 초당 100Mbit의 패스트 이더넷 연결 기능을 가진 이더넷을 사용한다.

표준 이더넷 프레임

이더넷은 소위 패킷 교환 네트워크라고 할 수 있다. 이것은 전송되는 데이터가 패킷이나 프레임이라고 불리는 더 작은 유닛으로 분리된다는 것을 의미한다. (그림 1. 참조)

이러한 각각의 패킷들은 모든 필요한 정보, 예를들어 수신측과 송신측 어드레스, 데이터 및 오류 점검 정보를 포함하고 있다. 패킷은 하나의 유닛형태로 전송되며, 64바이트에서 1526 바이트 사이의 길이로 구성될 수 있다.

이더넷 정의에는 두 가지 프레임 포맷이 존재한다:

(1) DIX 그룹의 초기 표준 (이더넷 II, DIX 또는 BlueBook이라고 불리기도 한다)

(2) IEEE 802.3에 따른 표준
두 가지 패킷 포맷간의 차이점은 헤더 블록 사용에 있다: DIX 이더넷은 유형 블록을 가지고 있으며, IEEE 802.3은 동일한 위치에 길이 블록을 가지고 있다. IEEE 802.3 표준은 좀 더 광범위하게 사용되므로, 아래에서는 이것에 대해서만 살펴보기로 한다.

이더넷 또는 MAC Address

네트워크상의 특정 주소 설정은 각각의 스테이션이 도달될 수 있는 고유한 어드레스를 가져야 한다는 것을 의미한다. 그러므로 각각의 이더넷 인터페이스는 전세계적으로 고정되고 명료한 벤더에 의하여 주소를 할당 받는다. 이러한 주소들은 하드웨어 또는 MAC Address (Media Access Control)라고 불리며, 또는 이더넷, 스테이션, 물리적 또는 네트워크 카드 어드레스라고도 불린다. 이러한 주소는 네트워크 카드에 저장되고, 로컬 네트워크상의 주소를 인식하는 데 사용된다. 벤더들간의 협력덕분에, 전세계적으로 고유한 address를 할당할 수 있게 되었다.

MAC Address는 고정된 48 비트 길이 (6 바이트)를 가지고 있다. 처음 3byte는 장비 벤더를 인식하는 데 사용되며, 나머지 3byte는 벤더가 자유롭게 할당할 수 있다. 하나의 네트워크에서 동일한 주소들이 발생할 수 없게 하기 위하여, 이더넷 주소들은 보통 벤더에 의해서 하드웨어에 코드화되어 있으며 변경이 불가능하다. 분배는 고정키(fixed key)를 통해 이루어진다.

이더넷 장치의 MAC Address를 찾는 방법

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Simatic 이더넷 장치의 경우, 가장 쉬운 방법은 네트워크 카드 또는 통신 프로세서 하우징에 있는 스탬프/라벨을 확인하는 것이다. 붉은 색으로 된 작은 인쇄물이 Siemens가 이러한 장비에 할당한 보증된 고유한 이더넷 주소들을 가진 장비에 동봉되어 있을 수도 있다.

이에 따라, 이 주소는 스텝 7 HW-Config의 이더넷 스테이션에 할당된다.

그러한 스탬프/라벨은 PC 네트워크 카드와 함께 분실될 수 있다. 사용되는 운영 시스템에 따라서, 하드웨어 주소를 결정하고 표시하기 위한 다양한 가능성들이 존재한다. 윈도우 시스템의 경우에는, 시작(Start)>실행(Run)>cmd 의 도스 프롬프트를 시작하고 명령어 ipconfig/all를 입력한다.

이더넷 기능

다음 기능들은 모든 Profinet 장치에서 제공된다. 이해를 돕고자 그러한 기능들에 대하여 간략하게 설명하도록 한다.

오토니고시에이션(Autonegotiation)

이 기능은 통신 파트너의 인터페이스 기능을 자동으로 인식하는 것으로 알려져 있다. 리피터 또는 데이터 터미널은 이러한 기능을 인식하기 위하여 오토니고시에이션 프로시저를 사용하며, 이것을 사용하는 경우 상이한 장치들의 자동 구성이 가능해진다. 오토니고시에이션 프로시저는 링크 세그먼트에 연결되어 있는 두 개의 컴포넌트들이 파라미터를 교환하고, 각각 지원되는 기본 통신 데이터에 대한 조절이 가능하도록 이러한 파라미터들을 적용할 수 있도록 해준다.

명확한 구성을 보장하기 위하여, 오토니고시에이션을 작동하지 않게 하는 것도 가능하다. 오토니고시에이션의 큰 장점은 모든 이더넷 컴포넌트들이 전혀 문제 없이 상호 운용 가능하다는 점이다. 오토니고시에이션을 지원하지 않는 고전방식의 이더넷 컴포넌트들은 이러한 기능을 보유하고 있는 새로운 고속 이더넷 컴포넌트들과 문제를 일으키지 않고 함께 작동할 수 있다. 오토니고시에이션 기능이 없는 장치들은 적어도 100Mbit/half duplex 또는 10Mbit/half 의 고정값으로 설정되어야 한다.

오토센싱(Autosensing)-데이터 속도 자동 인식

오토센싱은 신호의 데이터 속도(초당 10Mbit 또는 초당 100Mbit)를 자동으로 정할 수 있고, 가능하다면 이 속도에 맞게 설정될 수 있는 네트워크 노드 (데이터 터미널, 네트워크 컴포넌트들)의 특성을 말한다. 일반적으로 오토니고시에이션 기능과 동시에 지원된다. 최근 출시되는 모든 Simatic Net Profinet 장치들은 오토니고시에이션/오토센싱 기능성을 보유하고 있다.

MDI/MDI-X 오토크로스오버 (Autocrossover)

이 기능은 외부 크로스 이더넷 케이블을 사용할 필요 없이 연속적인 케이블링이 가능하다는 장점을 제공한다.

이 기능은 잘못 연결된 송/수신 선에 의해서 초래되는 오작동을 방지한다. 사용자는 더욱 쉽게 설치할 수 있다.

Profinet 이더넷 기반 프로토콜

이더넷 프로토콜과 TCP/IP (Transmission Control Protocol / Internet Protocol) 덕분에, 이러한 네트워크에 적합하게 정립된 표준은 산업 어플리케이션에서도 수용 가능하다. 각각의 Profinet 스테이션은 반드시 다양한 프로토콜을 지원하여야 한다. 이러한 것들은 적어도 TCP/IP와 UDP/IP (User Datagram Protocol / Internet Protocol)이다. 이러한 프로토콜의 기본 원리들에 익숙해져야 하는 충분한 이유가 있다.

TCP/IP

TCP/IP는 완벽한 한 쌍의 프로토콜이라 할 수 있으며, 2개 부분으로 구성되어 있다. TCP는 전송 제어 프로토콜을 나타내는 것이다. 이 프로토콜의 TCP 부분은 전송과 실제 데이터 이송을 제어한다. 두 번째 부분인 인터넷 프로토콜(IP)은 네트워크에서 컴퓨터를 명확하게 호출하기 위하여 필요하다.

인터넷 프로토콜 IP
현재 버전 IPv4의 인터넷 프로토콜 (IP)은 여러 개의 네트워크에 걸쳐서 트랜스미터에서 리시버에까지 데이터 패킷을 호출하고 송신하는 것을 가능하게 한다. IP는 TCP/IP의 어드레싱 컴포넌트이다. 서로 통신을 원하는 각각의 스테이션은 고유한 IP 주소에 의해서 식별된다. 이것은 제품의 덮개에 쓰여진 주소와 같은 것이다: 주소를 사용하여, 네트워크는 목적지를 확인하고, 전송 경로와 상관없이 데이터 패킷을 적절한 수신측으로 전송한다. (이더넷, 토큰 링, ISDN)

IP를 보유한 데이터 패킷은 데이터그램이라고 불린다. 인터넷 프로토콜은 비신뢰 데이터그램 서비스 기능을 가진, 즉 데이터 교정이나 시퀀스 감시 기능이 없는 비연결지향형 서비스이며, 데이터그램의 완벽성과 명확성이 IP 레벨에서 점검된다. IP에서는 acknowledgment 메커니즘은 존재하지 않는다. 이와 더불어 신뢰할 수 있는 연결 지향형 서비스가 TCP 레벨에서 구현된다.

IP 데이터그램은 예를 들어 이더넷 프레임에 번갈아 채워지는 데이터 블록이 그 뒤를 따르는 패킷 헤더로 구성되어 있다. 이 기능을 수행하기 위하여, IP는 최소 20 바이트 길이를 가지는 고유의 패킷 포맷을 정한다. IP 패킷에서 중요 블록들은 그림 2.에서 볼 수 있다.

IP 주소 포맷
IP 어드레싱은 TCP/IP 프로토콜 수트에 맞는 논리적 네트워크 주소를 정의한다. IP 주소는 인터넷 프로토콜 (IP)의 고정 요소이며, 사용되는 하드웨어, 사용되는 벤더 또는 네트워크 매체와는 독립적인 것이다. 이러한 IP 주소들은 IP 프로토콜을 가지고 전송되는 각각의 데이터 패킷에서 “목적지(Destination) = 리시버 주소” 그리고 “소스(Source) = 트랜스미터 주소”로써 사용된다. 패킷의 명확한 수신을 보장하기 위하여, 각각의 스테이션은 명확한 고유 주소를 필요로 한다.

이더넷과 연결된 각각의 Profinet 스테이션은 반드시 IP 주소를 가져야 한다. ISO/OSI 표준 모델의 레이어 3 프로토콜로써, IP 프로토콜은 하드웨어에 의존하지 않으며, 탄력적인 주소 할당이 가능하다.

레벨 2 통신과는 대조적으로, 고정 MAC Address가 장치에 할당되는 경우에, 이더넷에는 주소를 장치에 명백하게 할당할 필요성이 있다.

IP 주소는 4개의 바이트로 구성되어 있다. 각각의 바이트는 십진 기수법을 사용하며, 점을 찍어서 앞의 숫자와 분리된다. 이것은 다음과 같은 구조로 이루어져 있는데, 0과 255 사이의 숫자는 XXX.XXX.XXX.XXX형태로 설정되어야 한다. 예를 들어서 192.168.147.112와 같이 설정될 수 있다.

IP 주소는 언제나 2개의 부분으로 구성되어 있다: 그것은 네트워크 ID 와 스테이션 (호스트) ID 이며, 둘이 결합하여 하나의 IP 주소를 만들어낸다. 네트워크 ID는 네트워크에 주소를 부여하기 위하여 사용되며, 호스트 ID는 네트워크 내에서 스테이션에 주소를 부여하기 위하여 사용된다. (그림 3. 참조) 이것은 많은 컴퓨터들이 그룹으로 결합될 수 있는 장점을 제공하며, 실제 컴퓨터를 찾는 것을 더욱 용이하게 할 수 있다. 전화번호도 지역 코드와 개별 가입자 변호로 구성되어 있는 것처럼 유사한 구조를 가지고 있다.

서브넷 마스크는 IP 주소를 네트워크 요소와 실제 스테이션 요소로 구분하기 위하여 도입되었다. 이것은 IP 주소와 동일한 구조를 가지고 있으며, 단지 네트워크 번호 (네트워크 요소)에 의해서 표시된 IP 주소만을 나타낸다는 것이다. 표 1에 제시된 표준 서브넷 마스크는 네트워크 및 스테이션 부분과 일치하게 네트워크 등급 A, B, C에 적용된다.

참고: 스위치를 통하여 연결되어 있는 모든 장치들은 동일한 서브넷에 위치한다. 서브넷은 모든 가능한 어드레스를 부분적 네트워크로 분할함으로써 만들어진다. 네트워크를 서브넷으로 논리 분할하는 것은 대개의 경우 로컬 부분 네트워크를 물리적으로 분할하는 것과 같다. 네트워크 마스크를 사용하여 네트워크 등급을 추가적 서브네트로 분할하는 것은 서브네팅이라고 불린다. 서브넷 상의 모든 장치들은 서로 직접 통신을 할 수 있다. 같은 서브넷 상의 모든 장치의 서브넷 마스크는 동일하며, 라우터에 의해서 물리적으로 제한된다.

아이씨엔 매거진 2008년 04월호

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