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[연재] 산업용 이더넷 스위치 2편

제2편. 산업용 이더넷 스위치의 기능들

이번 회에서는 산업용 스위치의 하드웨어 구조 및 특성과 소프트웨어 기능에 대해 알아보고자 한다.

SW 기능의 경우 세부적 기능보다는 기본 개념과 특징, 용도 위주로 설명함으로써 제품 파악 및 시스템 구성에 도움이 되고자 한다.

먼저 산업용 스위치 제품 외관 구조를 통해 산업용 스위치 제품의 하드웨어적 특징을 살펴보기로 핚다. 각 제조 업체별 제품의 외관 구조는 약간씩 다르지만 기능은 거의 유사하다고 할 수 있는 관계로, 제품의 외관 구조 및 기능 설명은 국내에서 개발핚 산업용 스위치 i-FOS 시리즈를 이용하고자 한다.

하드웨어 외관 구조 및 특징

LED 화면: 네트워크, 전원 상태 등 중요 정보 및 모듈 상태 표시
Console 포트: 모듈 기능 및 네트워크 설정을 위한 시리얼 포트
사용자 포트: 이더넷 통신 기기와의 통신 포트
디지털 I/O: 네트워크 및 이벤트 발생시 사용핛 수 있는 디지털 입출력 전원 에러, 네트워크 단선, 과부하, 로그 에러 등 중대한 에러나, 이벤트 발생시 사용할 수 있다.
이중화 전원부: 안정성을 높이기 위해 2개의 외부 입력 전원을 사용한다. 대부분의 제품은 산업용에서 사용하는 DC(24V)전원을 사용할 수 있도록 되어 있지만, AC도 지원하는 제품도 있다.
링 포트(광/전기): 산업용 네트워크에 적합한 링 토폴로지를 위한 광 포트. (광 링 거리 80Km 연장) 일반적으로 산업 현장에는 광 링 네트워크를 이용해서 시스템 구성을 하나, 비용 측면에서 광 대신 전기선로를 이용해 링 네트워크 구성도 가능하다.
무팬, 원활한 공기 흐름을 위한 방열 설계: 내구성을 위핚 무팬 설계, 방열판 사용 및 공기의 원홗핚 흐름을 위핚 역학적 설계. 제조사에서 보장하는 MTBF가 매우 높고 온도 특성에 따라 일반용 (0~65C)과 산업용(-45 ~ 80C) 온도 특성을 가지는 제품도 출시되고 있다.
방수, 방진, 내 충격 설계: 산업용 제품에 특성에 따라 방수, 짂동 및 충격에도 견딜 수 있는 강인핚 설계 (산업용 규격 획득)
DIN Rail 구조: DIN Rail 구조로 되어 있어서, 산업 현장에서 주로 사용하는 패널(Panel)내 설치가 용이하다.

산업용 이더넷 스위치
산업용 이더넷 스위치의 형태

위와 같이 산업용 스위치 제품은 HW 특성과 외관 구조도 산업 현장에 밀접하게 설계되었다는 것을 알 수 있다.

기존에 이더넷 통신에 사용했던 스위치들은 대부분 특별한 기능이 없는 Unmanaged 스위치가 사용되었다. 하지만 이더넷 통신이 모듞 부분에서 확대 적용되면서, 기본적인 네트워크 장비인 스위치의 중요성이 부각되면서 그에 따른 많은 기능들이 내장되었다.

스위치의 SW 기능

Redundancy Control
모든 산업용 Managed 스위치 제품들이 실시간 통신 및 이중화 네트워크를 구현하는데 가장 핵심적인 역할을 하는 기능이다. 이중화 제어 기능은 각 제조사 고유의 적용 제어 기능과 오픈 프로토콜을 이용한 범용 제어 기능으로 나눌 수 있으며, 이중 젂용 제어 기능이 실시간 통신 및 통신 신뢰성에 더 적합하고, 효과적이라고 강조한다. 또한 성능 비교를 통해 사용자들에게 전용 제어 기능을 사용하도록 유도하고 있다.

제어 기능의 핵심 내용은 네트워크 내 데이터 패스 이중화와 이를 제어하는 방법으로, 제품 기능은 고유의 방법으로 구현되나 개념 설명을 위해 국내 개발 제품에 적용했던 방법을 토대로 설명하고자 한다.

STP/RSTP 제어: (Spanning Tree Protocol/Rapid STP)
스위치를 이용한 네트워크 구성은 스타, 링, 메쉬(스타+링) 토폴로지를 지원함으로써, 네트워크의 유연성을 최대한 보장하고 네트워크가 무한 루프가 되지 않도록 하는데, 이 기능을 오픈 프로토콜을 사용해서 구현한다. 그러나 오픈 프로토콜을 이용한 기능 구현은 범용성의 장점은 있지만, 네트워크에 문제가 발생할 때 이를 제어하는 시간이 수초 또는 수십 초까지 지연될 수 도 있고, 정상 통신까지의 회복 시간이 일정하지가 못한 단점이 있다. 이런 이유로 실시간통신을 요구하는 산업용 제어 시스템에서는 적용하기에는 문제점이 있다고 볼 수 있다. 하지만 실시간 통신을 요구하지 않는 환경에서는 적용 가능하다.

통신 이더넷 기술이 매우 빠른 속도록 발달함에 따라, 머지 않아 오픈 프로토콜 제어 방식으로 산업용 네트워크 이중화 제어를 하게 될 것이다.

오픈 프로토콜에 의한 기능 구현은 젂원 인가 시 MAC 어드레스로 선정된 루트/마스터 모듈이 루프 방지를 위해 스위치 경로 중 가장 긴 패스 쪽의 포트를 블로킹하여 루프를 방지한다. 정상 통신 중 통신 문제가 발생했을 경우 블로킹한 포트를 연결해서 통신 두절이 없도록 제어하는 방법을 상황에 맞게 반복, 관리한다. 이러한 일련의 과정을 범용성을 위한 알고리즘으로 구현하다 보니 실시간 제어나 일정 시간 내 통신 보장은 뒤떨어진다.

특징과 용도

STP/RSTP를 이용핚 네트워크 제어

전용 링 제어(SmartRing, 전용 RSTP, HiperRing 등)
산업용 스위치의 링 제어 적용 방식은 오픈 프로토콜을 이용할 제어 방식에서 가능한 메쉬 토폴로지는 지원하지 않는 대신에, 실시간 데이터 통신 및 일정 시간내의 통신 보장을 위해 링 토폴로지를 이용한다. 버스 토폴로지로도 통신은 가능하지만 네트워크 이중화를 지원할 수 없는 관계로 이중화 네트워크 구현을 위해서는 링 제어 방식으로만 사용해야 한다.

전용 방식의 스위치는 전원이 인가되면 네트워크에 연결된 스위치 모듈 중 네트워크를 관리하는 마스터 모듈을 선출(스위치 선택)하고, 선출된 마스터 모듈이 네트워크를 관장한다. 마스터 모듈은 2개의 링 포트 중 하나를 블록킹 함으로써 네트워크가 루프 되는 것을 방지한다. 정상 통신시에는 네트워크를 주 네트워크로 사용하다가 네트워크에 문제가 발생했을 경우 블록킹한 링 포트를 빠르게 연결함으로써 전체적으로 데이터 통신은 유지되게 하는 것이 핵심이다.

전용 링 제어 방식은 범용 제어 방식과 유사하지만 실시간 제어를 위한 업체 고유의 방법으로 기능을 구현 했으며, 최대 스위치 모듈 개수 이내에서는 일정 시간 내 통신을 보장한다. 이와 같은 특징으로 전용 링 제어 방식은 실시간 통신을 위한 산업용 통신에 적합힌 기능이라 할 수 있다.

전용 링 제어 방법은 각 메이커들의 고유의 구현 방식과 제품의 HW 특성에 따라 약간의 차이가 있다.

젂용알고리즘을 이용핚 네트워크 제어

VLAN(IEEE802.1Q)
Virtual LAN을 의미하는 것으로, 물리적으로 네트워크를 분리하지 않고도 논리적인 네트워크를 분리를 통해 물리적인 네트워크 분리 효과를 가능하게 하는 기능이다. VLAN은 네트워크를 여러 개의 LAN으로 분리할 수 있으며, 단일 캐스트, 멀티캐스트, 브로드 캐스트의 트래픽을 차단함으로써 구현한다. 따라서 하나의 모듈 또는 전 네트워크 시스템을 여러 개의 LAN으로 분리할 수 있는 것으로 사무용 이더넷 통신으로 인한 네트워크 부하나 바이러스로부터 산업용 이더넷 라인 보호, 모니터 및 제어 라인 분리, 라인/기기간의 영향 최소화 등의 기능이 필요할 때 유용하게 사용할 수 있는 기능이다. VLAN으로 분리된 네트워크는 다른 네트워크에게 부담을 준다.

VLAN 통신

IGMP Snooping
이더넷 통신이 확대되면서 현장에서 발생된 여러 가지 문제점 중 하나는 브로드캐스트 패킷과 그룹별 통신을 위한 멀티캐스트 패킷으로 인한 네트워크 과부하 현상이다. 두 종류의 패킷은 네트워크에 연결된 모든 기기 및 시스템에 직접적인 영향을 끼칠 수 있기 때문에, 계속적인 이더넷 통신 기술 개발을 통해 이런 문제점을 해결해 왔다. 이런 통신기술 발전 과정으로, 멀티캐스트 통신을 사용하는 장비들은 그룹별 통신을 위해 IGMP 프로토콜을 사용해서 통신하고, 스위치에서는 멀티캐스트 패킷에 대한 IGMP 프로토콜을 제어함으로써, 멀티캐스트 패킷을 필터링 할 수 기능들을 도입해 적용하고 있다. 이와 같이 IGMP 프로토콜을 해석하고, 멀티 캐스트 패킷을 필터링함으로써 네트워크 부하를 관리하는 기능을 IGMP Snooping 이라 한다.

IGMP Snooping은 고정/동적으로 설정함으로써 멀티 캐스트 트래픽의 범람을 제한하고, 멀티캐스트 패킷은 특정 그룹과 관련한 포트에만 전달된다. 이러한 특성 때문에 이더넷 기반의 산업용 프로토콜인 Ethernet/IP, ProfiNet, HSE 에도 멀티캐스트 방식의 통신이 적용되어 사용되고 있다. 따라서 이더넷 기반의 산업용 프로토콜을 사용하는 자동화 기기를 이용한 시스템 구성 시 반드시 IGMP Snooping 기능을 지원하는 스위치를 사용해야 한다.

그러나 대부분의 사용자들이 이러한 문제점을 인식하지 못하고 멀티캐스트 통신을 사용하는 제어기기 통신에 Unmanaged 스위치를 사용하고 있어 현장에서 여러 가지 문제점이 발생하고 있다. 멀티캐스트 패킷을 필터링하지 못하면 브로드캐스트 패킷처럼 네트워크 과부하가 발생하고, 이로 인해 네트워크상에 연결된 저성능 장비/기기들의 성능 저하 및 시스템 불안정을 초래하므로 반드시 IGMP Snooping 기능이 제공되는 Managed 스위치를 사용해서 제어 해야 한다.

아래 그림은 다른 포트로 수신되는 멀티캐스트 패킷이 스위치에서 필터링됨에 따라 필요한 포트로만 전달되는 상황을 나타내고 있다. 즉, 다른 그룹의 멀티 패킷들은 스위치의 기능에 따라 필터링 되고 필요한 포트로만 전달된다.

IGMP Snooping 통싞

QoS/CoS/ToS
다양한 이더넷 응용 서비스는 각기 다른 특성을 가지고 있는데 사용자가 그 특성에 맞게 프레임 처리 우선 순위를 설정함으로써, 프레임의 트래픽을 제어하고 서비스의 질을 보장할 수 있다. 예를 들어 중요한 데이터 통신과 음성 데이터는 우선 순위를 높게 설정하고, 일반 데이터 프레임은 우선 순위를 낮게 설정하면, 수신 프레임의 순서에 상관없이 우선 순위가 높게 설정된 프레임을 먼저 처리함으로써 시간 지연을 최소화 한다.

이와 같이 프레임의 종류 별로 각 프레임이 가지고 있는 특성을 만족시킬 수 있도록 목적지로 전달하는 일련의 과정을 QoS (Quality of Service)라고 합니다. QoS를 지원하기 위해 스위치는 서로 다른 우선 순위를 갖는 4개의 Queue를 제공하고, 이러한 기능은 IP 계층에서 ToS (Type of Service) 필드와 L2(MAC) 계층의 CoS(Class of Service) 필드를 동시에 사용해서 제어할 수 있다.

이러한 기능은 스위치에서의 기능만으로 사용할 수 있는 것이 아니고 응용 서비스에서 이러한 기능을 사용할 수 있도록 각 프레임의 필드에 프레임의 특성을 설정해야 가능하다.

아래 그림은 각 포트 별로 여러 종류의 프레임이 수신될 경우 수신 순서에 상관없이 처리 우선 순위에 의해 처리되는 과정을 나타내고 있다.

QoS 통신

포트 미러링
일반적인 Unmanaged 스위치는 스위치의 특성상 포트의 프레임을 다른 포트로 모니터 할 방법이 없지만, Managed 스위치에서는 선택 포트의 모든 프레임을 원하는 다른 포트로도 모니터 할 수 있는 기능을 제공합니다.(리다이렉션) 일반적으로 프레임을 모니터 하거나 디버깅을 위해 반드시 기능으로 시스템 엔지니어나 개발자들에게는 반드시 필요한 기능이다. 그러나 Managed 스위치 이하의 대부분의 스위치에서는 이 기능을 제공하지 않지만, 국내에서 개발한 저기능 스위치 제품(i-fos50 시리즈)에 이 기능을 제공하고 있어서 보다 저렴한 비용으로 사용할 수 있다.

포트 미러링 통신

포트 미러링 통신

Rate Limiting
이더넷 네트워크에 연결된 기기들은 네트워크 패킷 부하량에 따라 영향을 많이 받는다. 특히 저 성능의 기기들은 일정 이상의 네트워크 부하에 의한 심각한 영향을 받을 수 있다. 또한 바이러스 등에 의해 오염된 PC등에 의해 네트워크에 과부하가 발생하면 기기들 포함한 네트워크에 심각한 문제가 생길 수 있다. 이와 같이 네트워크 패킷 부하량을 제한 할 수 있는 기능을 제공한다. 네트워크 부하에 큰 문제를 일으킬 수 있는 브로드캐스트, 멀티캐스트 위주로 제한하고 필요하면 유니캐스트 패킷도 제한 할 수도 있다. 시스템을 구성한 뒤 네트워크에 연결된 제어 기기들의 특성과 성능을 고려해서 설정하게 하면 문제가 발생해도 최악의 상태는 미연에 방지 할 수도 있고 안정된 네트워크를 운영할 수 있다.

특히 저성능의 이더넷 기기들이 네트워크에 연결되었을 경우 유용하게 사용 할 수 있다. 이런 상황을 반영해서 산업용 Unmanaged 스위치 제품 중에 이런 기능만 추가할 제품도 출시되고 있다.

포트 Truck(Link Aggregation)
이더넷 네트워크 대역폭을 늘리기 위해 2개 이상의 포트를 묶어 마치 하나의 포트처럼 사용할 수 있습니다. 즉 100Mbps 이상의 대역폭이 필요할 경우, Trunk 기능으로 손쉽게 대역폭을 확보할 수 있습니다. 즉 스위치간에 많은 양의 데이터를 송수신하기 위해 사용하는 기능이다. 스위치간 데이터가 너무 많아 100Mbps 대역폭 사용으로는 문제 발생이 예상되면 스위치간 대역폭을 확장해서 사용할 수 있도록 하면 이러한 데이터 병목 현상을 없앨 수 있다. 멀티 캐스트 필터링, IGMP Snooping, VLAN 등의 기능을 사용해서 부하를 일정 수준으로 낮추는 것이 좋은 방향이지만 그러한 기능을 사용하고도 문제가 발생할 소지가 있는 경우 본 기능 사용이 효과를 볼 수 있다.

포트 Truck

이번 회에서는 Managed 스위치의 HW 외관 구조 및 특징, 그리고 사용 가능한 기본/핵심 기능에 대해 살펴보았다. 여기에서는 스위치 기능에 대한 생소한 분들에 맞게 개념과 특징, 용도 위주로 설명했다. 다은 회에서 스위치의 진단 기능과 진단 툴 그리고 응용 분야에 대해서 살펴 보고자 한다.

글_ 정탁희 연구소장 /  AC&T씨스템


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