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Introduction to Gateway Technology

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Gateways, Linking Devices, Switches, Device Servers, Media Converters, Modems, Wireless…Confusing? Well, you are not alone. Communication between two different networks is challenging.

OSI Model
First, let’s start with taking a look on the basic model for all data communication, the OSI model.

The most basic communication is just using sub-sets of the OSI model. Layer 1 represent the lowest level, i.e. the physical communication line and its electrical signals. Layer 7 is the user level where the data model makes it possible for two devices to exchange and understand exchanged data. A common example is that even if we can hear someone speaking, we must understand his language to be able to understand the meaning of the “data”. Devices use a common Layer 7 which speaks the same language and can freely exchange data that both devices understand.

A basic RS-232 interface just defines Layer 1, making sure that two RS-232 devices can be electrically interconnected without electrical conflicts. To be able to communicate and interpret data between two devices, additional protocol software needs to be added in both devices, defining the communication rules and data formats.

The popular CAN protocol, used in most automotive applications nowadays, just communicates on Layer 2. Inside an automobile, the vendor uses CAN as communication link, but the vendor adds their own Layer 7 protocol on top of CAN to make this understandable for all nodes communicating inside the car. Any other CAN node outside the car is not able to participate in the communication if the same Layer 7 protocol isn’t implemented.

In the industrial marketplace devices from several different vendors need to be interconnected and therefore there are several open Layer 7 protocols based on CAN like DeviceNet and CANopen. Two DeviceNet nodes from two different vendors can communicate and exchange data because they use the same Layer 7 protocol.

Ethernet and the TCP/IP protocol covers the Layer 1-4 of the OSI model, which gives more functions and features than the CAN technology. Two Ethernet nodes can be interconnected in order for them to communicate, but TCP/IP only provides a transport mechanism of the data and performing service tasks like establishing connections, handling re-sends if any of the communication bits are corrupted etc.

However, two nodes using Ethernet and TCP/IP can only talk to each other, but they do not understand each other because they do not use the same “language”, i.e. the Layer 7 is not defined by TCP/IP protocol. On top of TCP/IP there must be applications like SNMP, HTTP, FTP etc to be able to exchange and process any data from the network.

All these IT protocols are standardized layer 7 protocols. In the Industrial area there are additional layer 7 protocols that handle real time data exchange. Two examples are EtherNet/IP (IP = Industrial Protocol) and Modbus-TCP that both are used on top of the TCP/IP protocol.

OK, with this information in the back of our minds, let’s take a look into how to convert from one network to another network.

Media Converters & Repeaters
Media converters normally operate in the Layer 1 and Layer 2 area of the OSI model. What they do is that they take the electrical signals from one physical media and converts them to another physical media. One example is a RS-232 < -> RS-422 converter that re-formats the electrical signals between these two networks. Another example is an Ethernet 100Mbit CAT5 Cable < ->100Mbit Fiber converter.

Media converters are very useful in Industrial applications when going from one physical media to another, but they just re-format the signals, they do not provide any additional value to the application.

As signals travel along a network cable, they degrade and become distorted in a process that is called attenuation. If a cable is long enough, the attenuation will finally make a signal unrecognizable. A Repeater enables signals to travel further. It works at the OSI’s Physical layer to regenerate the network signal and then it resends the signal on other segments.

Repeaters are basically used to allow longer distances between the nodes on the network. The repeater takes a weak electrical signal from one segment, regenerates it, and passes it to the next segment. Repeaters do not translate or filter anything. For a repeater to work, both segments that the repeater joins must have the same access method.

For example, a repeater cannot connect a segment using CSMA/CD (Ethernet) to a segment using Token Passing.

Industrial Ethernet Switches
Switches can be viewed as intelligent repeaters. They amplify the signals of the Physical network, but they also provide intelligent analyzes on the bit packages received. An Ethernet Switch with store-and forward technology looks on the entire data frame it receives on any of its ports. It starts with verifying that no communication bits are corrupted, by checking the CRC checksum. If it is not OK, the data frame will be discarded. If CRC check is successful the switch will look at the destination address and forward the data frame to the port where this destination address is located.
Device Servers

Device Servers are also refererred to as Bridges. Bridges operate in the Layer 1-4 of the OSI model. They establish connections, re-transmissions, error handling etc. Data is exchanged easily between bridges, but still the data is just sent as a chunk of anonymous data. Layer 4 has no mechanism of processing the data itself.

For Ethernet it is very popular to use Device Servers to bridge between a serial network, such as RS-232, up to Ethernet. The Device Server has a complete TCP/IP protocol stack included and when it’s connected to a serial port, the data from that port is encapsulated in a TCP/IP frame and can be transported over Ethernet. On the destination side of Ethernet the serial data is just extracted out from the TCP/IP frame. This may sound like a Media Converter but there is complicated timing and protocol processing being performed by the Device Server.

If the serial device is communicating with a PC-based system, the PC normally runs application software that handles the extraction of the serial data from the TCP/IP frame.

This PC software will create a virtual serial port on the PC to be used with current applications on the PC. While this method does not add any new features to the original application, the solution is transparent to the attached equipment and requires few, if any, changes to either the hardware or software. In most cases, the end user is not aware that the direct serial connection is being replaced by a virtual one over an Ethernet (IP) network.

In this application the Device Server allows the serial device to be located far away from the PC using the Ethernet network for data transportation of the serial data.

If using a PLC, which is the predominant solution in Industrial Applications, two Device Servers need to be used. One close to the serial device that encapsulates the serial data in the TCP/IP frame and another one close to the serial port of the PLC extracting back the data to serial format from the TCP/IP frame.

Device Servers work’s well in message based networks where the acyclic data packets can be re-transmitted on another type of network, maintaining its original structure and format.

However, most of the industrial networks have also incorporated I/O data traffic that sends cyclic data for fast updates to achieve real time data communication. All these protocols requires Layer 7 processing to bridge data between two different networks.

Another limitation with Device Servers is lack of web-based data handling. Many device servers have a built in static web server for configuration of the Device Server itself, but the fact that a Layer 4 protocol level can not process data values makes it impossible to display data from a application on a built in web server with SSI scripts or Java applets.

See Anybus Serial Server – RS232-Ethernet Virtual COM port

Industrial Gateways (Layer 7 Gateways)
Gateways makes communication possible between different architectures and protocols. They repackage and convert data going from one network to another network so that it can understand the other’s application data.

A gateway repackages information to match the requirements of the destination system. Gateways can change the format of a message so that it will conform to the application program at the receiving end of the transfer. A gateway links two systems that might not use the same Communication protocols and Data formatting structures.

Gateways incorporate the entire suite of the OSI model from Layer 1 up to Layer 7. This allows true data translation and processing on the two different networks and thus a true liking of data between the networks can be achieved. Using a Gateway to bridge between Ethernet and other protocols such as DeviceNet, Profibus or simple serial protocols also allows the Gateway to serve up data from that network directly to a built in web server, enabling true web based control and monitoring.

The area of converting data from a Device with a serial port to Ethernet, or any other network, deserves a closer explanation. The fact that the serial port may not have a Layer 7 protocol at all, makes the data linking difficult. An example can be a device like a barcode reader just transmitting ASCII data embedded in a device specific serial data frame.

Serial to Fieldbus/Ethernet Gateways
Transporting data between RS232/422/485 & ASCII protocols up to an Fieldbus/Ethernet network is made by a “Serial Gateway” often referred to as a “Protocol Converter”. The Anybus Communicator for example, has solved this conversion with using temporary memory storage inside the gateway. The data from the serial /device is mapped into a local memory in the gateway and via a Configurator software the Gateway can define which data bytes from the serial data stream that is Data and what bytes that are just command and control information. The selected data is mapped into the Layer 7 of the selected Network and thus can be received and understood by the other node using the Layer 7 for its data.

A great benefit with this solution is that the Serial Device will look like it had an embedded network card inside and will act in the way a user would expect for a networked enabled device, i.e. the gateway converts selected data bytes from the serial data stream into a format that is understood by a PLC using a Fieldbus System and the device will look like any other device on that Fieldbus network. An example would be an I/O device with digital and anlog process values.

Advanced modes of for example, the Anybus Communicator can also act as an active gateway controlling and communicating with several serial devices (multi-drop function) using a common protocol such as Modbus RTU and linking selected data to a Industrial network such as Profibus or Ethernet. It can also be used as a web enabler to give serial devices a web based management, monitoring and control function.
See Anybus Communicator – Serial to Ethernet/Fieldbus Gateways

Fieldbus/Ethernet to Fieldbus/Ethernet
The growing need for flexibility and diversity within the factory floor is becoming more and more important. Using Industrial Gateways is a way of linking old/new factories and in particular bridging between different fieldbus or Ethernet networks within the same factory or when out in the field. The Anybus X-gateway product range is an industrial Bridge/Gateway between almost any 2 Fieldbus or Ethernet networks. Take a closer look at how the X-gateway can be used to easily exchange I/O data with two networks thus enabling the old factory network and new factory network to communicate with each other.

See Anybus-X – Ethernet/Fieldbus to Ethernet/Fieldbus Bridge/Gateways

Summary
Transporting data between two different networks is not trivial and it is important to analyze the requirement of the application.

– Media converters work well when overcoming electrical difference in two network technologies. Normally no configuration is necessary.

– Device Servers are attractive when using Ethernet based networks and with PC based control.

– Serial Gateways are able to solve all data linking between two networks such as RS232/422/485 to other networks. The drawback is that Gateways are quite complex devices and require set-up during installation to define the data that should be linked between the two networks.

– Bridges/Gateways are able to solve all data linking between two networks. Today this usually means simple exchange of I/O data, but in the future more and more functionality will be encoporated into these products.

– To web-enable data from a serial device with a legacy protocol, you must have a Layer 7 gateway product to interpret the real data and link it to a built in web server.

아이씨엔 매거진 2013년 03월호

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힐셔, 산업용사물인터넷 지원 netIOT 활용방안 제시

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힐셔 netIOT

산업용 통신 솔루션 선두업체인 힐셔(Hilscher Gesellschaft für Systemautomation mbH)는 11월 2일(금), 인터컨티넨탈 서울 코엑스에서 기자 간담회를 개최하여 힐셔의 혁신적인 netIOT 전략 및 netIOT 인터페이스의 다양한 솔루션을 활용한 IoT 기술 활성화 방안에 대해 소개하는 자리를 가졌다.

힐셔 netIOT

netIOT

힐셔 프로덕트 매니저인 크리스토프 훙어(Christof Hunger)는 “IoT 시장이 성장함에 따라 설비 제조업체들은 필드 디바이스의 정보를 기반으로 예방적 유지보수, 상태 모니터링과 같은 새로운 클라우드 기반의 부가가치 서비스를 구현하고자 한다”며 “힐셔는 디바이스 제조업체들이 힐셔의 netIOT 인터페이스 솔루션을 이용해서 산업용 이더넷, 트랜스페어런트 이더넷(Transparent Ethernet)과 함께 OPC UA 서버 및 MQTT 클라이언트 기능을 쉽게 추가할 수 있도록 더욱 집중하였고, 힐셔 솔루션을 통해 고객들이 스마트 팩토리를 구축하는데 도움이 되길 바란다.” 라고 말했다.

인더스트리 4.0과 IIoT는 4차 산업혁명으로 센서에서 클라우드까지 지속적인 통신을 요구한다. 힐셔는 이를 산업용 클라우드 통신이라 칭하고 고객들이 Industry 4.0, 스마트팩토리 및 IoT를 구현하도록 돕기 위해서 힐셔 netIOT 제품군이라는 솔루션을 구축하고, 지속적으로 프로모션을 진행하고 있다. netIOT는 netIOT 서비스(Service), netIOT 엣지(Edge), netIOT 인터페이스(Interface)와 같이 총 3개의 영역으로 구분된다. 특히 netIOT 인터페이스는 IoT 기능을 갖는 netX기반의 통신제품으로 netIC IOT와 같은 모듈형 제품을 생산 및 공급하고 있다.

힐셔 넷프록시

netPROXY

 

netIC IOT는 필드 디바이스용 지능형 멀티 프로토콜 모듈로 하나의 하드웨어만으로 모든 Real-Time Ethernet 슬레이브 프로토콜을 지원한다. OEM 고객들은 엔지니어링 툴을 이용하여 고객 어플리케이션 소프트웨어에서 한번만 개발하면 되는 고객 디바이스용 프로토콜 독립형 객체 모델을 생성한다. 네트워크 프로토콜 변경은 툴 내에서 ‘Build Process’를 통해 전적으로 진행되기 때문에 어플리케이션에 필요한 네트워크 별 조정이 없으며 OEM은 정확히 하나의 하드웨어와 소프트웨어 설계로 진정한 멀티 프로토콜 디바이스를 구현할 수 있다.

힐셔코리아 원일민 지사장은 “스마트 팩토리의 구축에 있어 가장 중요한 포인트는 IT영역과 OT영역의 연결에 있다”고 언급하며, “힐셔는 netIOT를 통해 시스템 설치시 발생할 수 있는 리스크를 최소화시킬 수 있게 하고자 한다. 기존OT영역의 사용자들이 IT영역으로 데이터를 전송하거나 클라우드에 연결함에 있어서 사용자의 실수나 의도치 않은 수고를 덜어줄 수 있는 제품과 서비스를 지원하고 있어 시스템 설계나 설치시 발생할 수 있는 오류나 리스크를 최소화 시켜준다”고 덧붙혔다.

힐셔 netIOT 제품에 대한 자세한 설명은 홈페이지 https://www.hilscher.com/products/product-groups/industrial-internet-industry-40/ 에서 확인할 수 있다.

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[포토] PTC, 3D CAD에 증강현실 접목해 디지털 트윈 현실화

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'2018 코리아 CAD 서밋'에서 증강현실(AR)을 통한 디지털 트윈을 체험하고 있다.

'2018 코리아 CAD 서밋'에서 증강현실(AR)을 통한 디지털 트윈을 체험하고 있다.

(사진. PTC 코리아)


PTC코리아가 10월 18일 개최한 ‘2018 코리아 CAD 서밋’에서 증강현실(AR)을 통한 디지털 트윈을 체험하고 있다. PTC의 3D CAD 소프트웨어 크레오(Creo®) 5.0은 디지털 트윈 솔루션을 현실화한 세계 최초이자 유일한 기술로 제품의 면면에 증강현실을 적용하여 물리적 세계와 디지털 세계를 연결한다. (사진. PTC 코리아)

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2016 스마트테크쇼, 6월 8~10일 코엑스서 개최

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인공지능 시대를 전망하고 사람을 위한 스마트 기술을 소개하는 ‘2016 스마트테크쇼(Smart Tech Show 2016)’가 6월 8일부터 10일까지 코엑스에서 개최된다. 

본 행사는 ‘Smart Tech for Human’라는 슬로건 아래, ▲드론/로봇 ▲가상/증강현실 ▲에듀테크 ▲스마트 모빌리티 ▲리테일테크 ▲3D프린팅 등 주요 이슈를 선정하여 국내 대표 스마트 기술 컨퍼런스 및 전시회를 개최하며, 관련 산업 간의 시너지를 창출할 수 있는 비즈니스의 장을 마련한다. KT, LG전자, ADT 시큐리티, 프로차일드, 한국과학기술원, 경북대학교 산학협력단 등 각 분야별 주요 기업·기관 125개사 400부스 규모로 이루어질 예정이다. 

유통과 IT산업의 융합을 위한 자리로 스마트 기기 체험과 첨단 리테일 솔루션을 접목한 리테일&테크 특별관이 구성되어 IT/유통산업 관계자를 대상으로 앞으로의 IT 리테일샵이 나아갈 방향을 제시한다. 더불어 한국마이크로소프트와 SGA임베디드 주최로 ‘스마트 리테일에 최적화된 MS IoT 솔루션 세미나’를 개최하여 리테일에 스마트한 혁신을 가져올 솔루션을 소개하는 자리를 마련한다. 

◇인공지능 시대, 일자리 전망 콘퍼런스 개최 

본 전시회와 더불어 ‘인공지능 시대의 일자리 창출과 직업능력 개발’을 주제로 분야별 전문가를 초빙하는 전문 콘퍼런스가 6월 8일과 9일 이틀간 열린다. 

첫째 날은 IBM 김연주 상무와 국내 대표 뇌공학자인 카이스트 정재승 교수의 기조강연과 핀란드 미래학자 마르쿠 윌레니우스(Markku wilenius) 교수의 특별강연을 시작으로 스마트기술의 산업과 일자리에 대해 블록체인OS 박창기 대표와 한국직업능력개발원 김영생 박사의 강연이 이어질 예정이다. 

둘째 날은 ‘새로운 일자리 창출 엔진으로서의 VR 그리고 교육훈련 플랫폼으로서의 가능성’에 대한 한국VR산업협회 현대원 회장의 발표와 ‘에듀테크가 가져올 교육의 혁명적 변화를 주제’로 휴넷 조영탁 대표의 기조연설 후에 스타트업 케이스 스터디를 통해 스마트시대에서 일하기 위한 우리의 성공 전략을 짚어볼 예정이다. 

◇드론에 스마트 기술의 미래를 담다 

드론 관련 신기술 촉진과 국내 드론산업 활성화를 목적으로 6월 대규모 드론 이벤트가 열린다. 드론톤은 우수한 엔지니어와 창의적인 메이커들이 드론 관련 기술을 뽐내는 자리로, 4인 1조로 팀을 꾸려 드론을 직접 제작하고 완성된 기체로 드론 게임을 진행하여 완성도와 비행능력을 종합하여 우승자를 가리게 된다. 

드론 조작에 능숙한 유저라면 도전해 볼 만한 대회도 있다. 다양한 장애물 통과 미션을 통해 드론 실력자를 가리는 ‘드론챌린지’가 9일 개최된다. 우승자에게는 최신 스마트 모빌리티가 수여되며, 참가를 원하는 이는 한국FPV협회 홈페이지를 통해 신청 가능하다. 

그밖에 스마트카, O2O, 핀테크 등 분야별로 이루어지는 테크니컬 세미나와 국내 대표 엑셀러레이터간 의 공동 데모데이를 통해 참가기업과 바이어 간의 비즈니스 기회를 마련한다. 

본 행사는 홈페이지에서 온라인 사전등록 시 무료로 관람할 수 있다.

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