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이제, 이더넷 스위치가 솔루션이다

오피스 IT의 표준으로 성장한 이더넷 IEEE 802.3 네트워크를 자동화 IT에서도 사용하고자 하는 많은 노력들을 기울였으며, 리얼타임을 확보한 독자적인 산업용 이더넷 프로토콜들을 탄생시켰다. 그러나 산업용 이더넷 개발자들도 표준 이더넷 자체를 변경할 수 있다는 사실을 간과했다. 결국 신속한 트랙 스위칭 기술이 자동화 IT의 성능을 확고하게 하고 있다.

글_ Andreas Huhmann, HARTING Technology Group
Stefan Korf, HARTING Technology Group

자동화 IT는 가장 중요한 요소인 고객편익에 관한 산업에서의 이더넷 사용에 대한 논의에 중점을 두었기 때문에 시장에 상당한 영향을 미쳤다. 편익은 표준 이더넷 IEEE 802.3 네트워크의 일관된 사용을 통해 발생한다. 자동화를 위해서는 결정론적인 데이터 전송과 같은 현실적인 자동화 성능이 필수적이다. 현재의 표준 이더넷 스위칭 기술로는 이를 달성할 수 없기 때문에, 자동화 IT의 고객편익은 표준 이더넷과 새로운 신속한 스위칭 기술을 결합해야만 실현할 수 있다.

A) 산업 애플리케이션 통신: 이더넷

21세기에 접어들면서 이더넷(Ethernet)이 급속히 부각되면서, 많은 산업분야에서 높은 기대감을 촉발시켰다. 이는 모든 애플리케이션에서 네트워크를 접목하도록 하였다. 그러나, 이더넷이 중심기술로 들어서기는 했지만, 이더넷은 일관된 네트워크 관점에서 보면 산업에서의 자동화 요구를 완전히 충족시키기에는 부족했다. 이러한 결론을 명백하게 내리기까지는 그리 오랜 시간이 걸리지 않았다. 그래서 어떻게 되었을까?

자동화분야에서도 이더넷을 더욱 진보시키고자 하는 노력들을 지속해 왔지만, 자동화에 적용할 경우 이더넷의 성능은 지금까지 사용해 왔던 필드버스(Fieldbus) 시스템을 완전히 대체하기에는 아직 부족하다고 판명되었다. 이를 해결하기 위한 방안으로 호환성이 없는 다수의 산업용 이더넷(Industrial Ethernet) 프로파일이 생겨났다.

표준 이더넷을 사용해서는 자동화 디바이스와 애플리케이션을 호환할 수 없었기 때문에, 이러한 산업용 이더넷 프로파일들은 공통적으로 IEEE 802.3에 부합되지만 개발자 독점적인 솔루션으로 이더넷을 수정하게 되었다. 성능문제는 OSI 2 레이어에서 이더넷을 변경시켜 해결하였다. 이로써 산업용 이더넷 프로파일의 성능은 일반적으로 우수해졌다. 결정론, 속도, 토폴로지 및 설치 측면에서의 성능은 기존의 필드버스 시스템 성능과 유사해졌으며, 이는 이더넷이 자동화 산업분야를 위해 달성해야 하는 벤치마크이기도 하다.

그러나 그 당시에는 이더넷 표준을 변경하는 대안이 있었다는 것을 생각하지 못했다. 결과적으로 현 시점에서는 산업용 이더넷의 수명주기가 표준 이더넷의 수명주기와 달라지기 시작했기 때문에 이러한 사실은 때 맞추어 자동화 IT의 탄생으로 이어졌다. 예지력있는 자동화 IT 접근법은 오피스 IT와 산업 자동화에서의 공통의 통신 플랫폼을 보장하고, 이더넷 표준으로부터 이탈하는 것에 대응하기 위해 2006년에 생겨났다. 통신 플랫폼 표준으로서 하나의 이더넷(One Ethernet)으로 발전하게 된 것이다.

B) 모든 애플리케이션용 플랫폼: 자동화 IT

자동화 IT는 산업 제조업체의 모든 애플리케이션용 통신 플랫폼이다. 원칙은 다음과 같다; 모든 애플리케이션이 공통의 이더넷 네트워크를 통해 상호연결된다. 이로써 ERP 및 MES와 같은 비즈니스 프로세스를 결정하는 다양한 애플리케이션간 직접 통신이 보장된다. 이렇게되면 복잡한 전송 구성을 피할 수 있기 때문에 공정을 가속화할 수 있다. 그 결과 비즈니스 프로세스가 능률적이 된다. 자동화 IT 기반의 네트워크는 비용절감, 설치 간소화와 유용성을 높이는 등의 다양한 고객편익을 제공한다.

C) 자동화 IT 핵심기술: 신속한 트랙 스위칭

통신표준을 선택할 경우, MES와 ERP 통신을 위한 표준이 이미 구축되었기 때문에 다른 대안이 없다. 이더넷은 전세계 오피스 IT에 개설되었다. 오피스 IT 환경에서 통신은 이더넷 사양 IEEE 802.3의 엄격한 준수와 연결된다. 결과적으로 통신 플랫폼은 표준 IEEE 802.3 이더넷 아래에서만 가능하다. 그러나 자동화 네트워크에 알맞는 성능이 필요하기 때문에 이러한 전제하에서 적합한 기술을 항상 연구하고 있다. 하르팅(Harting)이 네트워크 구성요소가 네트워크에 자동화 성능을 제공할 수 있다는 것을 입증한 2008년에 큰 발전이 이루어졌다.

신속한 트랙 스위칭이 핵심기술이다. 이더넷은 실제적으로 이 기술을 이용한 자동화에만 적용할 수 있다. 이는 수정하지 않은 이더넷 프로토콜에서 동작하며, 자동화 프로토콜을 인지하여 이것을 결정적으로 가속화한다.

현 상태: 이더넷과 스위칭 기술

스위칭 기술은 축적전송(store-and-forward) 기술보다는 컷스루(cut-through) 스위칭 기술의 사용으로 성능이 크게 높아진다.(그림 1 참조) 그러나 상기 두 가지 기술이 자동화 분야에서는 충분하지 않다는 결과를 얻었기 때문에 축적전송 기술이나 컷스루 기술로는 자동화에서 요구하는 결정론을 달성할 수 없다. IEEE 802.1q에 따른 프로토콜 우선순위 설정도 동일하거나 높은 우선순위의 모든 프로토콜과 또다시 중복되어 경쟁해야 하기 때문에 자동화 프로토콜로써 적합하지 않다.

이들 기술은 이러한 이유로 통계적이기 때문에 결과적으로 자동화에서 용인할 수 없는 지연이 발생하게 된다. 2가지의 핵심적인 지연 메커니즘이 존재한다.

(1) 입력포트 지연:
입력포트의 큐(메모리)가 자동화 프로토콜과 우선순위가 동일하거나 더 높은 다른 프로토콜의 트래픽으로 과잉상태가 될 경우, 자동화 메시지가 지연된다.(그림 2 참조) 이로 인해 예측하지 못한 자동화 프로토콜의 지연이 초래된다.

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(2) 출력포트 병목:
스위치의 출력포트가 메시지로 가득찰 경우, 우선순위의 자동화 프로토콜까지도 포트해제를 기다려야 한다.(그림 3 참조) 길이 1500 바이트인 낮은 우선순위의 메시지는 출력포트에 남는다. 그러면 높은 우선순위의 자동화 메시지는 포트해제를 위해 125 µsec까지 대기해야만 한다.

네트워크 트래픽이 매우 느릴 경우에는 이더넷 전송률, 메시지 길이 및 스위치 지연시간만이 메시지 전송 지연을 결정한다. 이 예에서 보면 최소 메시지 전송지연은 약 160µsec가 걸린다. 이더넷 네트워크의 로드가 증가할 경우, 이로 인해 입력포트의 지연이 발생하고 스위치 출력포트에 병목현상이 발생한다. 매우 긴 메시지가 상부 경로의 출력포트에 남아있고 높은 우선순위의 자동화 메시지가 동일한 포트의 스위치에 남아 있을 경우, 자동화 메시지는 포트해제를 기다려야 한다. 통계적으로 이러한 현상은 경로상에서 반복될 수 있으며, 결국 수 msec까지 달할 수 있다. 라인상에서 할 수 있는 것은, 양 메시지가 경로를 따라 이동할 때 하나의 스위치에서만 발생하도록 하는 것이다.

자동화 메시지는 항상 긴 메시지를 따르고 그럴때마다 포트에 남겨질 때까지 기다려야 한다. 왜냐하면 더 이상 경로에서 앞서 갈 수 없기 때문이다. 이러한 바람직하지 못한 현상이 발생할 가능성은 네트워크 로드와 함께 증가한다. 단지 16개의 스위치만으로도 수 msec까지의 메시지 전송지연이 발생한다.
그러므로 자동화에 필요한 결정론은 현재의 스위칭 기술로는 보장받지 못한다. IT 프로토콜은 자동화 프로토콜의 지연을 초래한다. 이와같은 지연은 라인 토폴로지에 누적된다.

신속한 트랙 스위칭을 이용한 결정적 이더넷

신속한 트랙 스위칭의 원칙은 이와 같은 문제에 솔루션을 제공한다. 신속한 트랙 스위치는 다른 모든 프로토콜보다 높은 우선순위를 이용해 프로토콜을 전달하기 위해 자동화 프로토콜을 탐지한다. 이러한 방법으로 신속한 트랙 스위치는 이더넷상의 다른 애플리케이션보다 높은 자동화 우선순위를 제공한다. 또한 통합된 컷스루 방식을 이용해 탐지된 모든 자동화 메시지의 속도를 높여 지연을 방지한다.

더욱이 신속한 트랙 스위칭을 이용하면 자동화 메시지는 다른 메시지가 필요한 포트를 점유하고 있다고 할지라도 다른 메시지를 따라잡을 수 있다. 이것은 ‘대기시간’이 없다는 것을 의미한다. IT 메시지가 전송되고 나서 포트에 자동화 메시지가 도착했을 경우, 앞서있는 IT 메시지 전송은 통제된 방식으로 종결되기 때문에 컷스루 방식에 따라 직접 자동화 메시지를 전송할 수 있다. 그리고 나서 버퍼링된 IT 메시지가 전송된다. 신속한 트랙 스위칭은 현재의 필드버스 시스템보다 높은 성능에서 메시지 전송지연을 보장한다.

스위칭기술 비교

신속한 트랙 스위칭은 또한 기술적인 환경에서도 확고해졌다.

현재 수립된 축적전송(store-and-forward) 스위칭은 보편성의 측면에서 벤치마크 된다. 전세계적으로 이더넷 인터페이스를 이용하는 디바이스는 무수히 많다. 이러한 디바이스들은 모두 축적전송 모드를 통해서 연결할 수 있다. 그러나 모든 디바이스들이 자동화에 적합한 것은 아니다. 그럼에도 자동화에서의 혁신은 일반적으로 새로운 디바이스에 통합되는 새로운 기술을 통해서 발생한다.

따라서 비전이나 RFID와 같은 토픽들은 전통적인 자동화에서 나온 것이 아니다. 디바이스가 자동화에만 한정된 기술을 지원하는 것은 아니지만, 일반적으로 이더넷 인터페이스를 제공한다. 결과적으로 표준 이더넷의 개방성은 혁신에서의 개방성을 의미한다.

또다른 효과는 신속한 트랙 스위칭이 표준 이더넷 통신을 지원하는 모든 자동화 프로파일에도 사용할 수 있다는 것이다. 예를들면 EtherNet/IP와 PROFINET RT가 있다. 이것은 장치 디바이스 설계를 용이하게 할 뿐 아니라 다른 자동화 프로파일을 지원해야 하는 기계 엔지니어와 같은 사용자도 트래픽 분석요소를 이용하고 네트워크를 형성하기 위한 설계를 통일할 수도 있다.

또한 축적전송(store-and-forward) 스위칭은 QoS(Quality of Service)가 높은 우선순위 메시지가 낮은 우선순위 메시지를 따라 잡을 수 있다는 것을 보장할 수 없기 때문에 일반 오피스 계층에서만 높은 성능을 제공한다. 그러나 이 효과는 기본적으로 라인 토폴로지의 성능에 영향을 미치고 네트워크 용량 설비에 의해 상당한 영향을 받는다. 이 효과는 신속한 트랙 스위칭을 사용하여 해결할 수 있다. 단지 특수한 공정에서 정확한 성능을 확인할 수 있다.

따라서 신속한 트랙 스위칭은 특수공정에 오늘날 IT 방식에서의 장점들을 결합하였다. 산업용 이더넷 자동화 솔루션의 독립된 기술 수명주기는 통합된 이더넷 수명주기에 다시 연결되어 추가적인 장점을 제공한다.

이더넷 기술의 역동적 개발과 함께 자동화 애플리케이션은 대역폭이나 보안 분야와 같은 다양한 새로운 개발 분야에 참여할 수 있다. 수명주기가 다시 바뀌게 되면 새로운 레벨이라고 할지라도 (이더넷 스위치와 같은) 필드버스 시스템의 대용품에 대한 논의가 5-10년후에는 다시 일어날 것이다.

자동화 IT 시스템 개관

자동화 IT는 네트워크 융합과 직접적인 관련이 있다. IT 네트워크 및 현재의 자동화 네트워크는 각각이 할당된 구조를 갖는 독립된 네트워크이다. 이 2개의 네트워크는 상호연결된다. 결과적으로 플랫폼 개념은 네트워크 자체구조와 일치한다. 불필요한 중복성이 없다.

그림 4는 자동화 IT 시스템의 개관을 나타낸 것으로, 표준 이더넷 기술을 이용해 모든 네트워크 레벨에서 운용된다. 따라서 이더넷 인터페이스를 제공하는 모든 디바이스는 통합이 가능하다. 신속한 트랙 스위칭은 이더넷과 필적할만한 자동화 프로파일의 성능을 상당히 향상시킨다. 이제 자동화 IT 이더넷 통신 플랫폼은 안전으로부터 래피드 I/O 통신에 이르기까지 필드레벨에서의 모든 애플리케이션에서 사용할 수 있게 되었다.

신속한 트랙 스위칭을 이용하면 IT 통신 및 라인 토폴로지가 자동화 성능에 미치는 부정적 영향이 사라진다. 따라서 사용자는 각각의 애플리케이션에 적응된 토폴로지를 활용할 경우 최대의 자유로움을 통해 이익을 얻는다. 분리된 네트워크 구역에 대한 엄격한 규정 및 전송성능에 대한 전용 계획은 더 이상 필요하지 않게 되었다.

이더넷 통신은 현재 신속한 트랙 스위칭이 결정론을 보장하기 때문에 필드레벨까지 효율적으로 사용할 수 있다. 자동화 및 IT 애플리케이션은 상호 결합된 통신 플랫폼을 사용하고 이로인해 동일한 네트워크 구조를 사용한다.
자동화 IT는 현실이다.

저자소개
ANDREAS HUHMANN
Inhouse Consultant Strategy CN, HARTING Technology Group
andreas.huhmann@HARTING.com

Stefan Korf
Product Manager, HARTING Technology Group
stefan.korf@HARTING.com

아이씨엔 매거진 2010년 06월호

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