왜, 표준 Ethernet이어야 하는가-아이씨엔매거진

산업용 네트워크를 산업현장에 사용하는 작업은 복잡하다. 표준에 맞추어 작업하는 것은 더욱 어렵다. 이 작업을 통해 이익을 얻는 것은 불가능해 보이기도 하다. 실제로 기대에 미치지 못할 때도 있다. 따라서 어떠한 네트워크를 선택할 것인가에 큰 고민을 해야 한다.

오늘날 많은 사람들에게 잘 알려진 표준 Ethernet 네트워크가 여러분의 플랜트에 적용되어 컨트롤러와 I/O, 드라이브, HMI (Human Machine Interface), 모션 컨트롤러 등이 연결되기를 원하는가? 여기에 여러분의 사업 시스템과 관리 네트워크 그리고 엔지니어링 분야에 연결되어 원활한 통신이 가능하기를 원하는가?

이 요구사항은 현재 실현 가능하다. 또한 표준 Ethernet을 이용한 애플리케이션이 간편하여 여러분에게 큰 이익을 가져다 줄 것이다. 즉 표준적이고 변형되지 않은 Ethernet 802.3, TCP/UDP/IP, 그리고 적절한 실시간 응용 계층의 프로토콜을 사용하는 산업용 네트워크를 세심하게 고르면 된다. 결국 선택의 문제가 있을 뿐이다. 얼마나 자신의 애플리케이션에 최저의 산업용 네트워크를 선택하여 적용하는냐 하는 것이 핵심사항이다.

혹시, 이러한 표준 장비가 무엇이며, 가지는 장점이 무엇인지 모른다면 이 글을 통해 무엇이 표준이고 표준이 아닌지 알게 될 것이다. 그리고 독점적인 네트워크가 제공할 수 없는 표준 Ethernet 네트워크의 이점도 알 수 있다.

Ethernet의 장점

Ethernet은 넓은 대역폭을 통해 다른 모든 제어 네트워크에 비해 더 많은 정보를 더 빠른 속도로 전송할 수 있다. 또한 이 대역폭은 자동화와 관련이 없는 부분에 대해서도 사용할 수 있다. 예를들어 100MB Ethernet 네트워크를 통해 비디오 시스템이나 웹캠 라이브에서 HMI 또는 PC 화면에 비디오 영상을 계속 전송할 수 있어 기계 또는 생산라인을 원격으로 감시할 수 있다. 이를 통해 적은 인원으로 작업을 할 수 있어 안전하게 생산을 할 수 있고 OEM 업체는 원격방식으로 기계를 감시하여 진단 관련 문제를 해결하는 데 도움을 준다.

Ethernet 네트워크를 공장 현장내에서 사용할 경우 공장 작업 인원이 공장 관리자에게 정보를 제공하는 것이 아니라 그 반대로 공장 관리자가 공장 작업 인원에게 정보를 제공할 수 있게 된다. 이러한 방식으로 정비 작업 주문서와 생산 작업 지침서, 전선 연결이 원활해 진다. 또한 다른 문서를 사무실에 있는 컴퓨터에서 인쇄하기 위해 로컬 프린터를 사용할 필요가 없다.

사용자는 공통으로 사용하는 네트워크와 통신 프로토콜을 통해 PC 기반 데이터베이스에서 생산 관련 데이터를 가져오고 데이터 저장 작업을 간단하게 할 수 있다. Ethernet 네트워크를 공장 현장에 있는 기기까지 사용하게 되어 원격 방식의 설정 작업과 고장 수리 작업이 원활하게 이루어진다.

정보와 제어 관련 기능을 하나의 다용도 네트워크에 통합할 경우 각종 비용을 절감할 수 있고 설치에 드는 시간을 줄일 수 있다는 것이다. Ethernet를 설치하면 호환이 될 수 있는 모든 종류의 데이터 또는 음성 통신을 할 수 있다. 또한 공장 제어 시스템에 대해 Ethernet을 사용할 경우 특별한 케이블을 사용할 필요 없이 이미 시중에 있는 케이블을 사용할 수 있기 때문에 공장 제어 시스템을 구축하는 데 걸리는 시간을 줄이고 발생하게 되는 모든 오류를 격리시키고 진단이 쉬워진다. 이는 기업에서 중요한 부분을 차지하는 것과 정비를 하는데 필요한 각종 툴을 단순히 사용할 수 있는 것이 아니라 누구나 사용하고 있다는 것 때문이기도 하다. 또한 Ethernet 네트워크를 사용하면 스타 토포로지나 트리 토폴로지로 구성하여 새로운 기기를 추가할 필요가 발생하더라도 이미 설치한 시스템에 대해 아무런 영향을 미치지 않고 쉽게 추가나 변경이 가능하다.

왜 표준 이더넷인가

통신 프로토콜을 이야기할 때 가장 많이 논의되는 것은 아마도 OSI 7계층에 대한 설명일 것이다. 수년간의 적용과정을 통해 이 모델은 통신 프로토콜이 어떻게 만들어져야 하는가를 기술하고 있다. 여기에는 최하위층의 물리적인 미디어에서 시작하여 사용자가 통신을 하면서 인지할 수 있는 최상위 응용 계층까지 모두 포함한다.

Ethernet 및 IEEE 802.3 프로토콜에 관한 이야기를 들을 때 그것은 주로 패킷 형식과 이 패킷들이 언제 네트워크로 전송되는가에 대한 내용이다. 표준 프로토콜은 OSI 7계층 모델의 최하위 두 계층에서 이부분을 기술한다.

Ethernet의 초기 구현에는 10 base5 (굉장히 두껍고, 비싸며 장치를 연결하는 방법과 시점에 대한 규칙이 복잡함)와 10 base2 (종단 저항을 사용하는 COAX 케이블)가 포함되어 있지만 근래에 이러한 방식들은 10 baseT, 100 baseT 및 1000 baseT와 같은 Twisted Pair 방식의 CAT5, CAT6 케이블 또는 광케이블 등으로 대체되었다. 이러한 표준을 수용하면 여러분은 수많은 제조업체들 가운데서 선택을 할 수 있고, 전문가로부터 설치에 관한 많은 조언을 구할 수도 있다.

또한 TCP/IP, 기술적으로는 정확히 TCP/UDP/IP라고 하는 것에 대해 들어 보았을 것이다. 표준 7계층의 중간 계층에 속하는 이 프로토콜들은 인터넷 또는 비즈니스 네트워크에서 주로 사용된다. 지금은 사용되지 않지만 예전에는 같은 목적으로 Novell NetWare, DECnet 등과 같은 다른 비즈니스 프로토콜들이 사용되었다.

표준TCP/UDP/IP 계층을 사용하는 것은 매우 중요하다. 첫째, 이 프로토콜들은 웹페이지용 HTTP, 파일 전송용 FTP, 네트워크 관리용 SNMP, 음성 및 영상 전송용 VoIP, e메일 등의 목적으로 사용되는 SMTP와 같은 수많은 유용한 응용계층 프로토콜에서 사용된다. 둘째, Ethernet의 물리적 형태는 수년간의 노력으로 개발된 특수한 기능들을 갖춘 스위치 (switch)를 통해 구현된다. 이 특별한 기능에는 통신상의 순위를 정하는 QoS (Quality of Service), 사용자가 문제 해결을 위해 트래픽을 모니터링 할 수 있도록 하는 포트 미러링 (port mirroring), 보안기능, 멀티캐스트 트래픽을 처리하는 IGMP 스누핑 (snooping), 그리고 진단 및 상태확인에 필요한 수많은 기능들이 포함된다. 끝으로, 산업용 네트워크는 e메일이나 웹 페이지와 같이, 최상위 응용계층에서 사용하는 응용계층 프로토콜을 필요로 한다.

산업 프로토콜은 실시간 통신 트래픽이 프린터 사용과 같은 다른 일반적인 Ethernet 통신보다 우선적으로 처리될 수 있도록 해야 한다. 이 프로토콜은 또한 장비 설정이나 데이터 수집, P2P 제어기 인터로킹 및 실시간 I/O, 드라이브 제어와 같이 사용자가 산업 네트워크에서 필요로 하는 작업들을 처리할 수 있어야 한다. 자동화 시스템을 구성할 때에는 이러한 요소들이 모두 매우 중요하다.

왜 이러한 모든 것들이 산업용 Ethernet에 중요할까? 지난 10년간 대략 10여가지의 Ethernet 기반 산업용 네트워크가 등장했지만 이들 중 단지 몇 개만이 이러한 모든 표준에 부합한다. 예를들어 어떤 네트워크는 ‘표준에 기반을 두었다’라고 한다. 이말은 곧 표준 네트워크에서 시작이 되었지만 수정이 되면서 지금은 독점적인 네트워크가 되었다는 의미로 받아 들여야 한다.

어떤 네트워크는 표준 Ethernet을 사용하지만 TCP/UDP/IP를 지원하지 않는다. 이러한 네트워크는 표준 Ethernet 케이블을 사용하기는 하지만 특수한 스위치를 필요로 하고, 유지보수 및 문제해결 작업 시에도 IT 요원들이 사용하는 표준 관리 및 문제 해결 도구를 사용하지 못할 수 있다. 이러한 네트워크를 운영하기 위해 여러분은 아마도 별도의 교육과 서비스를 받아야 할 것이다. 더구나, 완전한 표준 네트워크 장치가 이러한 네트워크 환경에 설치될 경우 네트워크 전체에 장애가 발생할 수도 있다.

추가적으로 어떤 네트워크는 TCP/UDP/IP와 호환된다. 하지만 실시간 제어를 위해서 중간 계층에 TCP/UDP/IP와 함께 다른 독점적인 프로토콜을 사용한다. e메일이나 웹페이지 같은 몇 가지 응용계층의 프로토콜은 작동할 수 있겠지만 이 네트워크의 TCP/ IP 통신은 그 독점적인 프로토콜과 시간을 공유하기 때문에 제대로 동작하지 않거나 특별한 설정을 필요로 할 수 있다. 또한, 이러한 솔루션에서는 표준 스위치나 라우터 또는 방화벽 등을 함께 사용하는 것이 좋지 않다.

이러한 표준을 모두 만족하지 않은 경우 몇 가지 중요한 장점을 잃어버릴 수 있다. 컴퓨터에 표준 Ethernet 포트를 사용하지 못하고 특수한 독점적 형태의 카드가 필요하게 될 수도 있고, 산업용 트래픽과 사업 또는 상업용 트래픽을 동일 네트워크에서 함께 사용하지 못할 수도 있다. 그리고 인터넷을 관리하는 최고 수준의 업체들이 제공하는 스위치, 방화벽, 보안 장비, 서비스 및 관리 소프트웨어 등을 사용하지 못하게 될 수도 있다. 게다가, ‘표준-기반’네트워크는 공장의 다른 곳에 설치된 Ethernet과 다를 수 있기 때문에 기존의 인력이 가지고 있던 네트워크 지식 및 업무능력이 효과를 발휘하지 못할 수도 있다.

무선 네트워크 제품 및 프로토콜들이 독점적 네트워크 환경에서는 동작하지 않을 수도 있다. 이러한 제품을 선택하시면 여러분들이 얻게 될 것은 결국 자체적인 규칙과 변수를 가지는 전혀 다른 새로운 산업용 네트워크가 될 것이다. EtherNet/IP를 총괄하고 있는 국제 조직인 ODVA(Open Devicenet Vendor Association)는 “대략 10여개의 Ethernet 기반 산업용 네트워크가 존재하는 것이 사실이지만, 이들 중 이 모든 표준을 만족하는 프로토콜은 EtherNet/IP 단 하나 뿐이다.”라고 강조한다.

EtherNet/IP는 변형되지 않은 표준 Ethernet 802.3 및 TCP/UDP/IP를 그대로 사용한다. Ethernet/IP의 응용계층 프로토콜인 Common Industrial protocol(CIP)은 DeviceNet 및 ControlNet 프로토콜에서도 그대로 사용되며, 장치설정, 데이터 수집, Peer-to-Peer 인터로킹, 실시간 I/O 및 드라이브 제어, 그리고 안전 및 모션 제어 등의 기능을 제공한다. EtherNet/IP는 e메일이나 VoIP (Voice-over-IP), Video-over-IP, 웹페이지 등 응용계층 프로토콜과 완벽하게 호환되며, 표준 스위치, 보안, 네트워크 관리 도구, 교육 및 서비스 제공업체 등과 모두 호환되기 때문에 IT 전문가들도 EtherNet/IP를 선호한다.

표준 이더넷 기반의 EtherNet/IP

산업 현장 내의 네트워크에 Ethernet을 사용하는 것은 단지 Ethernet이 공장 현장에서 작동할 수 있기 때문만이 아니다. 현재 시스템 구조 내에서 이루어지고 있는 여러 서비스를 자동화할 수 있고 이 시스템 구조와 이 시스템이 가지고 있는 정보를 생산 현장에서도 사용할 수 있다는 장점 때문이다.

EtherNet/IP를 사용하여 표준 Ethernet 네트워크의 개방 방식과 다양한 기능을 소화할 수 있는 점 때문에 특별 방식의 산업 제어 네트워크에 있어서 최적의 작동 효과를 얻을 수 있다. 다른 점은 Ethernet에 IP(Industrial Protocol)가 추가된 EtherNet/IP라는 것이다. 다른 많은 산업용 Ethernet과 달리, EtherNet/IP는 애플리케이션 단계에서 누구나 일반적으로 사용할 수 있는 Ethernet 통신 칩과 실제 미디어와 함께 개방형 프로토콜을 사용한다. 제어 관련 애플리케이션에 대해 Ethernet 네트워크를 사용하는 수요가 많아짐에 따라 EtherNet/IP 기술이 생기게 되었다.

EtherNet/IP는 2001년 처음 소개되었으며, 공장 자동화를 위해 이용할 수 있는 가장 발전된 산업용 이더넷 네트워크 솔루션이라고 할 수 있다.

EtherNet/IP는 그 상위 계층에 있는 CIP(Common Industrial Protocol)를 실행하는 네트워크의 한 조직이며, 전 세계 수백 개의 벤더(Vendor)들이 지지하는 미디어 독립형 프로토콜로 사용자들에게 통합 커뮤니케이션 아키텍처(Unified Communication Architecture)를 제공하고 있다.
이 프로토콜은 제어(Control), 안전(Safety), 동기화(Synchronization), 모션(Motion), 환경설정(Configuration) 정보를 포함한 다양한 공장 자동화 애플리케이션을 위해 종합적인 메시지와 서비스를 제공하고 있으며, 사용자는 각각의 애플리케이션에 가장 적합한 CIP 네트워크를 선택할 수 있다. 이러한 선택 사항들 중 하나가 EtherNet/IP이며, CIP를 이더넷 기술에 적용시킨 것이다.

이더넷과 TCP/IP는 전 세계적으로 편재한 인터넷 기술 채택으로 인해서 서로 긴밀히 연결되어 있으며, 전 세계의 상업적 내부 애플리케이션과 관련된 대부분의 LAN(근거리 통신망)과 WAN(원거리 통신망) 아키텍처에서 사용되는 동일한 네트워크 기술이라고 할 수 있다. 아키텍처는 컴퓨터와 컴퓨터를, 컴퓨터와 주변 장치를 연결시킬 수 있으며, 기업에 운용 방식을 연계하거나 사용자들에게 웹 기반 애플리케이션의 접속을 제공하고 있다.

부연하지만, Ethernet/IP는 또한 이미 완성된 프로토콜로 2001 출시 이후 150개 이상의 업체가 만든 350개 이상의 장치에 백만 노드 이상이 설치되었다. 이 모든 것들이 바로 오늘 사용 가능하다.

Ethernet/IP는 그 자체가 표준이기 때문에 사용하기가 쉽다. EtherNet/IP의 가치는 현실적이며, 이미 설치된 백만 개 이상의 노드들이 세계 곳곳의 회사들에게 이익을 주고 있다. 오늘날 여러분들이 기대하실 것은 바로 표준이며 가격이 싸고 기반이 잘 갖추어진 Ethernet 네트워크이다.

아이씨엔 매거진 2007년 09월호