산업용 통신망의 성능평가를 위한 기초지식 및 응용사례
글_ 김동성(dskim@kumoh.ac.kr), 금오공과대학교 전자공학부
산업용 통신망 규약은 다양한 산업현장의 요구를 반영하여 개발되었으며 적용 환경 영역에 따라 상대적인 장단점, 그리고 서로 다른 성능을 가지게 된다(그림 1 참조). 자동화 공장, 원자력 및 화력 발전소, 대형 선박 및 기차, 우주 항공 기기, 군사 기기 등의 내 외부 통신망을 구축할 경우에 이러한 산업용 통신망 규약들 중에 어떤 것들을 적용할 것인지를 사용자는 결정해야 한다. 올바른 선택을 하기 위해서는 각 통신망 규약을 사용자의 입장에서 평가하여 목적에 알맞은 통신망을 선택해야 한다.
본 기고에서는 “산업용 통신망의 성능 평가”란 제목으로 매회에 걸쳐 산업용 통신망의 성능평가를 위한 기초 지식 및 응용 사례들을 소개하고자 한다. 이를 통해 산업용 통신망 규약 및 그 성능을 평가하는 방법을 제시하고 대표적인 결과들을 소개한다. 미약하나마 본 기고가 산업용 통신망 기반의 시스템 성능을 평가하는 것에 있어서 기초적인 참고 자료가 되었으면 한다.
다양한 산업용 통신망
일반적으로 컴퓨터 통신망은 여러 계층으로 이루어지는데 상관된 계층 또는 이들 계층 모두를 합쳐 성능 평가를 하는 경우도 있고, 특정 계층에 대한 성능을 평가하는 경우도 있다. 일반적으로 산업용 통신망에서 관심의 대상이 되는 것은 그림 2와 같은 형태의 비행기, 원자력 발전소의 통신망 시스템 등의 범주에 속하는 분산제어시스템(DCS: Distributed Control System)에 많이 사용되는 통신망들이다.
특히 실시간이 요구되어지는 산업용 환경에서는 3 계층 만을 사용하므로 일반적인 통신망의 네트워크 및 트랜스포트 층의 영향에 해당되는 라우팅 지연 및 혼잡 알고리즘 등이 고려되지 않는다. 대부분의 통신망 전공자들이 산업용 제어망 및 필드버스를 접할 때 발생하는 혼동은 바로 여기에 있을 수 있다. 특히 산업 현장에서 사용되는 대부분의 주기 및 알람 데이터는 4 byte 이하의 소량 데이터이며 신뢰성이 및 경성 실시간성이 더욱 중시됨을 알아야 한다.
전 세계적으로 사용되는 산업용 통신망은 그림 2와 같이 다양하게 사용되어짐을 알 수 있다. 그 중에서 많이 사용되는 몇가지들을 나열하면 다음과 같다.
□ 공장자동화용 필드 네트워크: 필드버스(Fieldbus) 규약들
CAN (Controller Area Network), FIP (Field Instrumentation Protocol), Profibus (Process Fieldbus), ISO/IEC 필드버스 규약, 디바이스넷, LonWorks, 파운데이션 필드버스, 인터버스, SERCOS, CC-link, BITBUS 등
□ 다양한 영역의 산업용 통신망 기술: 선박용 통신망(MiTs), 기차용 통신망(TCN) 등
□ TCP/IP 기반의 산업용 이더넷 망(예. Profinet, EtherNet/IP(Industrial Protocol) 등)
□ 무선랜 또는 저속 근거리 통신망 기반의 유무선 혼합현 제어 네트워크(R-Fieldbus 등)
위의 산업용 통신망 규약들은 작으면 2계층에서 많으면 7계층의 내부적 계층 구조를 가지고 있다. 대부분의 실시간 제어 및 필드 네트워크는 내부 처리 시간을 줄이기 위해서 3계층 구조 만을 많이 사용한다. 그래서 각 계층은 개별적으로 성능 평가의 대상이 될 수 있다.
그 중에서 주로 성능 평가의 대상이 되는 것은 응용 계층과 데이터 링크 계층이다. 성능 평가의 대상이 되는 계층과 대표적인 규약은 다음과 같다.
□ 응용 계층
– 국제생산메세지규약 MMS(Manufacturing Message Specifications), MMS의 부가 표준안으로 분류될 수 있는 필드 버스 응용계층(프로피버스와 파운데이션 필드버스의 FMS, FIP의 응용 메시지 표준), 또 다른 MMS 부가표준인 발전소용 ICCP/TASE.2, 디바이스넷 계열의 CIP(Comom Information Protocol) 등
□ 데이터 링크 계층 – MAC(Medium Access Control)
– IEEE802.3 CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) 규약
– IEEE 802.4 토큰 버스(token bus) 규약
– IEEE 802.5 토큰 링(token ring) 규약
– CAN 규약
산업용 통신망 평가를 위한 성능 지표
동일한 산업용 통신망 규약의 성능을 평가하더라도 목표하는 성능 지표에 따라 방법 및 그 결과가 달라지게 된다. 성능 평가와 관련된 연구들을 성능 지표와 관련해서 분류하면 다음과 같이 나열할 수 있다.
□ 성능 지표
– 처리율(throughput) 평가
– 메시지 실시간 전송에서의 지연시간 평가
– 우선순위 기능의 평가
– 비연결형(connectionless) 전송과 연결형(connection-oriented) 전송의 평가 및 비교
– 산업용 통신망 관리(network management) 규약 평가
– 실제 시스템에의 산업용 통신망 규약 적용 결과 평가
– 산업용 통신망에서 발생하는 각종 문제 분석 및 해결 방법 제시
각 산업용 통신망 규약의 성능을 평가하고 비교하는 것이 전부는 아니다. 각 산업용 통신망 규약은 많은 매개 변수를 필요로 한다. 특히 시간과 관련된 매개 변수가 많다. 이러한 매개 변수들은 산업용 통신망의 성능에 지대한 영향을 미친다.
여기서 주목할 점은 매개 변수의 값을 결정하는 것은 통신망 구성자 및 사용자의 몫이다. 보통 통신망 구성자는 이러한 매개 변수의 값을 별 기준 없이 정하게 된다. 그러나 산업용 통신망을 보다 효율적으로 사용하기 위해서는 각 매개 변수가 산업용 통신망의 성능에 미치는 영향에 대해 파악할 수 있어야 하며 필요한 성능을 만족시키기 위해 매개 변수의 값을 정하는 방법도 가지고 있어야 한다. 다음과 같은 규약에서 매개 변수의 값을 알맞게 정하는 일은 매우 중요하다.
□ 데이터 링크 계층 – LLC
– IEEE 802.2 LLC(Logical Link Control) 규약의 매개 변수
□ 데이터 링크 계층 – MAC
– IEEE 802.4 토큰 버스(token bus) 규약의 매개 변수
– IEEE 802.5 토큰 링(token ring) 규약의 매개 변수
– FDDI(Fiber Distributed Data Interface) 규약의 매개 변수
대상이 되는 산업용 통신망 규약들은 일반적으로 매우 복잡하다. 따라서 가장 일반적인 경우를 가정하여 성능 평가를 하는 것은 대단히 어렵고 복잡한 작업이 된다. 따라서 여러 가지 가정을 사용하여 규약을 단순화하여 성능 평가를 하게 된다.
산업용 통신망의 성능 평가에서 많이 사용되는 가정들 중 하나가 버퍼의 수와 관련된 가정이다. 특히 위에서 나열한 IEEE 802.4 토큰 버스, IEEE 802.5 토큰 링, FDDI 등의 MAC 규약과 관련하여 버퍼의 수와 관련된 가정이 많이 사용된다. 산업용 통신망에 관련된 각 노드들이 가지는 버퍼는 일반적으로는 제한된 특정 수이다. 그런데 이렇게 되면 성능 평가가 어려워지므로 버퍼가 하나 만이라고 가정하거나 아니면 버퍼가 무한하여 프레임(frame)이 거절(reject)되는 현상이 발생하지 않는다고 가정하는 경우가 많다. 성능 평가와 관련하여 버퍼의 수에 대한 가정으로는 다음과 같은 것들이 있다.
□ 버퍼의 수에 대한 가정
– 하나의 버퍼(single buffer)
– 무한한 수의 버퍼(infinite buffers)
– 제한된 수의 버퍼(finite buffers)
하나의 버퍼 또는 무한한 수의 버퍼를 가진다는 가정은 성능 해석을 보다 단순하게 하기 위한 것이다. 앞에서 말한 대로 버퍼의 수가 무한하다고 가정하는 것은 비어 있는 버퍼가 없어서 프레임이 거절되는 현상이 없다고 가정하는 것이 된다. 이러한 가정은 물론 실제 상황과는 다르므로 때에 따라서는 위의 가정을 사용한 성능 해석 결과가 실제와 많이 다를 수 있으나 일반적으로 데이터 전송량이 아주 많지 않은 경우에는 프레임이 거절되는 현상이 많이 발생하지 않기 때문에 결과가 실제와 비슷하게 된다.
위에서 나열된 IEEE 802.4 토큰 버스, IEEE 802.5 토큰 링, FDDI 등과 같이 토큰 전달 방식의 MAC 규약의 성능 해석 시 많이 사용되는 또 하나의 가정은 프레임의 전송과 관련한 것이다. 위와 같은 MAC 규약이 사용되면 통신망에 연결된 노드들은 자신이 전송할 수 있는 한계 시간을 가지게 되며 따라서 전송할 프레임이 많은 경우에는 다 전송하지 못한 채 전송 권한을 다른 노드로 넘겨주어야 하는 경우가 발생한다. 이러한 것을 비완전소비 서비스(nonexhaustive service)라고 한다. 이렇게 되면 역시 성능 평가가 어려워진다. 따라서 전송할 프레임을 모두 전송한 후 전송 권한을 넘겨주는 완전소비 서비스(exhaustive service) 가정이 많이 사용된다. 또한 한 번 전송 권한을 가진 후에는 일정한 수의 프레임만을 전송하게 되는 게이트 서비스(gated service) 가정도 많이 사용된다.
□ 프레임 전송 방법 – 토큰 전달 방식의 MAC
– 완전소비 서비스(exhaustive service)
– 게이트 서비스(gated service)
– 비완전소비 서비스(nonexhaustive service)
성능 평가와 관련된 연구에서 산업용 통신망은 그 통신망에 연결된 각 노드들의 특성과 관련하여 다음과 같이 나뉘게 된다. 위에서 설명한 버퍼의 수나 전송 방법도 노드들의 특성에 포함된다. 그 통신망에 연결된 각 노드들의 특성이 동일하다고 가정하면 그 통신망은 대칭형(symmetric)이 된다. 각 노드들의 특성이 다르면 그 통신망은 비대칭형(asymmetric)이다. 비대칭형 통신망이 일반적인 경우이나 성능 평가가 매우 어려워지므로 실제로는 비대칭형이라고 해도 노드들이 두세 가지로 분류되고 부분적으로(partially) 대칭형인 통신망이 사용되는 경우가 많다.
□ 산업용 통신망의 형태
– 대칭형 통신망
– 부분대칭형 통신망
– 비대칭형 통신망
산업용 통신망 규약은 일반적으로 우선순위(priority) 기능을 가지고 있다. 전송할 메시지를 긴급성에 따라 분류하기 위한 것이다. 우선순위는 적게는 2가지, 많게는 8가지까지 가지고 있는 산업용 통신망 규약도 있다. 우선순위의 수가 많을수록 성능 평가는 복잡해지게 된다. 따라서 성능 평가의 연구 중에는 각 메시지에 우선순위가 존재하지 않는다고 가정하는 것들도 있다. 일반적으로 3가지의 우선 순위(높음, 중간, 낮음)로 전송형태를 분류하는 경우가 많다.
□ 우선순위 기능 유무
– 우선순위 기능 없음
– 우선순위 기능 있음
산업용 통신망의 모델링 방법 및 성능 평가 방법
산업용 통신망 규약에 대한 성능 평가는 위와 같은 여러 가지 조건들을 조합하여 이루어지게 된다. 산업용 통신망 규약의 성능을 평가하는 방법도 분류할 수 있는데 가장 대표적인 것은 모의 실험(simulation)을 통한 방법과 수학적 해석(mathematical analysis)을 통한 방법이다. 또한 산업용 통신망도 하나의 시스템이므로 대기 모형(queueing model)이나 페트리 네트(Petri-net)와 같은 특정 모델링 기법을 이용하여 모델링할 수 있다. 이러한 모델링은 특히 산업용 통신망을 이용하는 자동화 공정 시스템과 같은 대규모 분산 제어 시스템을 다룰 때 많이 사용된다.
산업용 통신망 시스템을 모델링하는데 많이 사용되는 모델 중 하나는 그림 4와 같은 페트리 네트이다. 대기 모형이 전체 통신망을 단순하게 모델링하는데 주로 사용되고 있는데 반하여 페트리 네트는 통신망에 연결되어 있는 노드의 내부 동작을 보다 상세하게 모델링하는데 사용된다.
대기(queueing) 이론이나 페트리 네트(Petri-net)와 같은 기존의 이산 현상 시스템(discrete event system) 이론을 사용하여 통신망 시스템을 모델링하고 성능을 해석할 수도 있다.
그림 5와 같은 모의 실험을 통한 방법은 컴퓨터를 이용한 모의 실험을 통하여 통신망 규약의 성능을 평가하는 방법이다. 수학적 해석이 들어가지 않기 때문에 정확성을 보장하기 어렵다는 단점이 있으나 여러 가지 가정을 사용하지 않고 가장 일반적인 경우에 대해 성능 평가를 할 수 있다는 장점을 가지게 된다. 수학적 해석에 의한 방법은 성능 지표를 수학적인 식으로 유도하여 나타내는 방법이다. 식으로 표현되기 때문에 정확하다는 장점을 가지게 된다. 그러나 해석 과정이 매우 복잡하므로 일반적인 경우에 대해서는 하기가 어렵고 여러 가지 가정을 사용해야만 가능하다는 단점을 가지게 된다
– OPnet modeler 또는 매트 랩, 셈툴을 이용한 모의 실험(simulation) 방법
– 수학적 해석(mathematical analysis)에 의한 방법
참고문헌
1) 산업용 필드버스 통신망(권욱현, 김형석, 김동성 / 성안당, 2004)
2) MMS의 이해와 응용(권욱현, 김동성 / 오옴사, 2007)
3) Willig, A, Matheus, K. and Wolisz, A. “Wireless technology in industrial network” Proceedings of the IEEE, Vol. 93, Issue 6, 2005.
아이씨엔 매거진 2008년 05월호