20년 전에는 기업(사무실) 네트워크 공간에서 여러 개의 프로토콜들을 사용했다. 현재는 99%의 장소와 모든 기업 네트워크에 하나의 네트워크 프로토콜이 사용되고 있다. 이 네트워크는 이더넷에서 운용되는 TCP/IP다.

이더넷이란 무엇인가?

이더넷은 어디에나 있다. 우리의 모든 컴퓨터 네트워크는 이더넷상에서 운용되고 있으며, 심지어 비디오 게임, 가정용 HD 비디오 디바이스 등도 이더넷에 의해 운용된다. 따라서 이더넷이 무엇이고, 어떻게 작동되며, 이더넷이 할 수 있는 일과 할 수 없는 일이 무엇인가를 이해하는 것이 매우 중요하다. 특히 산업 환경에서는 더욱 중요한데, 그 이유는 이더넷이 공장 설비에 일반적으로 사용되고 있기 때문이다.

이더넷은 IEEE 820.3 표준의 일부인 프레임 기반, 혹은 데이터 패킷 기반 네트워킹 기술이다. 이더넷에는 여러 가지 변형된 형태가 있다. 원래는 과거의 아날로그 케이블 TV의 케이블과 같은 동축 케이블 기반이었지만, 이더넷 케이블은 점점 더 전화기술에서 채택한 트위스티드 페어(Twisted Fair) 기술에 기반을 두게 됐다. 그 이유는 이미 많은 사무실에서 이러한 종류의 케이블을 사용하고 있으며, 대부분의 케이블 설치업체도 이를 사용하고 있기 때문이었다. 이렇듯 10Base-T가 전화와 비슷한 스타 토폴로지로 개발됐고, 10Base-T는 100Base-T 및 다른 스루풋(Throughput) 포맷이 등장할 때까지 계속 사용됐다.

이더넷 네트워크는 노드, 스위치, 라우터와 리피터로 구성돼 있다. 특히 스위치는 스마트형으로서, 거의 무한정의 노드로 구성된 이더넷 네트워크를 가능하게 해주었다.

이더넷 노드는 서로에게 데이터 패킷을 전송한다. 다른 IEEE 802 랜에서와 같이 이더넷 노드 각각에는 MAC(Media Access Control : 매체 접근 제어) 주소가 주어진다. MAC 주소는 각각의 데이터 패킷의 목적지와 소스를 정하는데 사용된다. 모든 패킷은 동보(Broadcast), 즉 모든 노드에 보내진다. 패킷에 있는 데이터는 그 패킷이 어떤 노드를 깨워 데이터를 취하게 할 것인가를 정하는 역할을 한다. 어댑터는 전 세계적으로 동일한 주소로 프로그램돼 나온다. 거의 모든 이더넷 세대가 동일한 프레임 포맷을 사용하고 있으며, 브리지를 이용해 쉽게 서로 연결할 수 있다.

속도와 결정성(Determinism)

하지만 한 가지 문제가 있다. 이더넷은 광보(Broadcast)를 하기 때문에 모든 패킷이 모든 노드로 가게 된다. 어드밴텍 EKI-6558TI와 같은 스위치는 데이터 패킷을 지정된 노드로만 가도록 해주기 때문에 도움이 될 수 있다. 하지만 데이터 패킷 간의 충돌이 심각한 문제로 남는다. 이 데이터 충돌은 대역폭의 감소와 데이터 손실을 유발할 수 있다. 이는 기업(사무실) 환경에서는 통제가 가능하지만, 산업용 공장 환경에서는 그렇지가 못하다.

문제가 되는 것은 데이터가 다양한 경로를 취할 수 있고 따라서 발송 노드에서 수령 노드까지 걸리는 시간이 달라질 수 있다는 점이다. 만일 이것이 이메일이라면 아무도 신경 쓰지 않을 것이다(사실은 아무도 알 수가 없다). 하지만 고속의 CNC 공장을 위한 제어 변수라면, 패킷 손실과 속도 손실은 끔찍한 일이 될 수 있다.

산업 환경에서는 실시간 정보 전송이 필요하다. 특정 패킷이 이더넷 랜상에서 목적지에 도달하는 시간이 정해져 있지 않기 때문에, 이더넷에 대해 실시간 제어 기능을 보장하기가 어렵다. 각 패킷이 목적지에 도달하는 결정해둬야 한다. 즉, 이 프로세스가 결정성이 있어야 한다.

결정성은 속도를 규정하지 않는다. 결정성과 속도는 매우 다른 개념이다. 결정성과 속도의 차이를 이해하는데 도움이 될 수 있는 예를 하나 들어보도록 하자. 직장에서 1마일 정도 떨어진 곳에서 살고 있고, 오후 4시에 여러분의 아내에게 한 시간 후에 집에 도착할 것이라고 말했다면, 여러분은 집을 향해 출발하는 시간 프레임을 결정해 놓은 것이다. 여러분의 속도는 시간당 1마일이 될 것이다. 이 시간 목표를 달성하는데 그리 오랜 시간이 걸리지는 않는다. 하지만 직장에서 일이 생겨 6시까지는 집에 가지 못한다고 가정하면, 어떤 일이 일어날까? 물론 아내에게 말을 하고 시간을 확인한 다음 시속 100마일의 속도로 집을 향해 달려갈 것이다(1마일 밖에 있는 집). 이는 속도의 문제가 아니다. 이는 결정성의 문제인 것이다. 원하는 결과를 지정된 시간 프레임 내에서 얻어내지 못한 것이다.

일반적으로 산업용 공장 설비를 제어하는 것에 있어서는 속도와 결정성 둘 모두가 필요하다. 속도는 최대한의 스루풋을 위해 필요하고, 결정성은 스루풋의 질을 결정하는데 필요하다. 즉, 사용 가능한 최고의 속도를 지닌 스루풋을 위해 결정성이 필요한 것이다.

Modbus 및 Modbus TCP

원래 공장 설비에서의 데이터 전송은 본질적으로 결정성을 지니고 있는 독점적인 트위스티드 페어 시리얼 커뮤니케이션 프로토콜(RS-232와 RS-485 등)을 이용해 이뤄졌다. 그 이유는 이러한 프로토콜은 반양방향(Half-duplex)이기 때문이었다. 마스터에서 메시지를 전송하고 난 뒤 반응을 기다리는 시간은 정해져 있다. 시간은 예측 가능했지만(왜냐하면 결정성을 지니고 있기 때문) 매우 느렸다.

최초는 아니더라도 초기 산업용 데이터 네트워크 중의 하나인 Modbus는 Hung Yu가 1979년 Modicom PLC를 위해 고안한(이 때문에 이름이 MODiconBUS가 됨) 반양방향 시리얼 프로토콜이었다. 이 프로토콜의 결정성은 매우 높았지만, 시리얼이었기 때문에 상당히 느려서 데이터 전송률이 300보드 정도에 불과했다(통상적으로는 2.4baud).

COTS 혁신

이더넷에서는 커뮤니케이션율(속도)은 훨씬 빠르지만, 반응 시간폭(결정성)은 예측할 수 없다. 이더넷은 또한 이더넷과 기업 환경용으로 만들어진 매우 크고 상대적으로 저렴한 상용 규격품인 COTS 제품에 대한 게이트웨이로서 사용될 수도 있다. 공장 설비와 기업 네트워킹 둘 모두를 제어하는 많은 IT 부서에 있어, 심지어 공장 설비 환경에서도 COTS 네트워크 노드와 스위치를 사용해야 한다는 압력이 상당히 크다. 그 논리는 이더넷은 이미 어디에나 있기 때문에, COTS가 최적의 솔루션이 아니라 하더라도 이를 사용하자는 것이었다.

공장 설비를 더 잘 운용하기 위해 이더넷 기술을 채택하려는 수많은 시도들이 있어왔다. 최근에 계산한 것에 따르면 산업 환경용으로 설계된 프로토콜이 30개 이상이나 된다. Foundation Fieldbus, Modbus, DeviceNet 및 ControlNet과 같이 이들 중 상당수는 공개 표준 기반이다.

이 프로토콜 중 3개의 프로토콜(Ether Net/IP, Modbus, PROFIBUS 및 PROFINET)은 디스크리트 오토메이션과 프로세스 오토메이션 모두에서 상당한 수의 추종자들을 지니고 있다.

EtherNet/IP와 산업 공통 프로토콜

EtherNet/IP는 이더넷, IP와 쉽게 혼동할 수 있다. EtherNet/IP의 ‘IP’는 실제로 산업용 프로토콜(Industrial Protocol)을 의미한다. EtherNet/IP는 이더넷상에서 운용되는 산업용 프로토콜로서, 산업 공통 프로토콜(CIP : Common Industrial Protocol)인 ControlNet과 DeviceNet 등을 사용한다. EtherNet/IP는 애플리케이션 층에 해당하는 프로토콜이며, 네트워크상의 모든 디바이스를 대상(Object)으로 간주한다. 여기서 혼동이 발생한다. EtherNet/IP는 표준 TCP/IP에서 설치돼 PLC나 PAC와 같은 디바이스로부터의 공장 설비 데이터를 이더넷 TCP/IP를 운용하는 기업 서버와 쉽게 접속시킬 수 있게 해준다. 이는 또한 데이터 전송을 인터넷상에서 손쉽게 할 수 있게 해주며, 심지어 클라우드 컴퓨팅 서버에 저장하는 것을 가능하게 해주기도 한다.

EtherNet/IP는 로크웰 오토메이션이 Allen-Bradley 컨트롤 라인을 위해 개발한 것이지만, 현재는 공개 표준으로 여겨지고 있으며, ODVA(www.odva.org)에 의해 관리되고 있다. 과거 Open Device Net Vendors Association으로 알려진 ODVA는 현재는 ‘DeviceNet, EtherNet/IP, CompoNet 및 ControlNet 등의 산업 공통 프로토콜(CIP)의 네트워크 기술을 지원하기 위한 단체’로 스스로를 지칭하고 있다. EtherNet/IP는 비결정성 데이터 전송(Non-deterministic Data Transfer)을 위해 고안된 것이지만, 표준 이더넷이나 TCP/IP보다 훨씬 안정적이고 결정성이 있는 것으로 알려져 있다.

PROFIBUS 및 PROFINET 기술

PROFIBUS 및 PROFINET은 원래는 지멘스가 만든 것이지만 현재는 공개 표준으로 PI(PROFIBUS & PROFINET International)가 관리하고 있다.

PROFIBUS는 다른 CIP 프로토콜(DeviceNet과 ControlNet)과 같이 EtherNet/IP보다 훨씬 더 결정성이 있다. PROFINET은 EtherNet/IP와 유사하게 이더넷상에서 운용되는 산업용 프로토콜로 설계돼 있다. ODVA가 CIP 프로토콜들을 함께 작동될 수 있게 개조한 것과 같이 PROFIBUS와 PROFINET은 함께 작동하도록 설계돼 있다. 디스크리트 오토메이션이나 프로세스 오토메이션 둘 모두에 설치돼 있는 무수히 많은 PROFIBUS 노드가 있다.

PI에 따르면 PROFINET은 실시간 이더넷으로 설계된 공개 이더넷 표준이다. PROFINET에는 2개의 모델이 있다. 즉, 컴포넌트 모델 혹은 PROFINET CBA와 주변 기기 모델(Peripherals Model) 혹은 PROFIBUS IO가 그것이다. 하지만 전송 시간은 서로 다르다. 속도가 가장 중요한 것이다. PROFINET에는 3개의 서로 다른 프로토콜 수준이 있으며, 이들 수준은 속도에 의해 구분된다. 반응 시간이 100ms의 범위인 공장 설비용 PROFI NET CBA는 TCP/IP를 사용한다. 최대 10ms의 사이클 시간의 PROFINET CBA와 IO는 RT(실시간) 프로토콜을 사용한다. 동작 제어를 위한 드라이브 시스템에서의 PROFINET IO 애플리케이션은 1ms 이하의 사이클 시간에 IRT(동시성 실시간) 프로토콜을 사용한다.

EtherNet/IP와 PROFINET이 그동안 보여준 것은 결정성은 양자택일(All or Nothing) 식이 아니라는 것이다. 만일 1ms 미만의 속도에서 작동할 것으로 기대할 수 있다면, 결정성 실패의 가능성은 매우 낮다. 특히 10ms나 100ms에서 작업을 하는 경우에는 더욱 그렇다.

미래에는 어떻게 될 것인가?

ODVA, CIP, PI 등을 통해 안정적이고 비결정형의 다양한 프로토콜들이 유용하고 광범위하게 사용되고 있다. 이들 각 표준 기관의 목표는 최고의 속도 솔루션을 제공하는 것이다. 이는 가장 많이 사용하는 속도 조건에서 높은 수준의 결정성을 지니게 될 것이다.

30개 이상의 필드버스 프로토콜 각각은 각자의 장단점을 지니고 있다. 많은 경우 필드버스 프로토콜의 선택은 사용자의 제품 선택이나 판매자의 컴포넌트에 달려 있다. 제어 디바이스의 호환성도 고려해야 할 점일 것이다. 최종 사용자, 기계 개발자 및 통합자들(Integrators)은 구매자가 판매자에 편안함을 느끼는 수준에 기초해 혹은 선호되는 프로토콜 유형에 기초해 프로토콜을 선택한다. 때로 사용자들은 성능에 기초해 프로토콜과 부스 유형을 선택하기도 한다. 만일 1ms의 속도가 필요하다면 이 느린 버스의 판매자를 아무리 좋아한다 하더라도 250ms 반응 버스를 선택하지는 않을 것이다.

필드버스 프로토콜을 놓고 벌이는 전쟁은 계속될 것이다. 30개 이상의 필드버스 중에 아직 분명한 승자는 나타나지 않고 있다. 안정적이고 빠르며 결정성을 지닌 제어를 할 수 있는 프로토콜이 승자가 될 것이다. 결정성은 극복해야 할 제약 요인이다.

안타깝게도 이더넷에는 제약 요인이 아직 남아 있고, 앞으로도 계속 남아있게 될 것이다. 이더넷이 IT에서 선택할 수 있는 프로토콜이고, 심지어 산업용으로 개발된 이더넷 스위치와 I/O 가격이 낮은 한, 이더넷은 선택 1순위의 커뮤니케이션 프로토콜로 남게 될 것이다.

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