자동화 네트워크에서 독점 링 토폴로지란 무엇입니까?

작성자: Jody Muelaner

Digi-Key 북미 편집자 제공

산업 자동화와 IoT에서 네트워크 토폴로지란 일반적으로 노드와 장치(예: 센서, 액추에이터, 스마트 모터, 구동 장치, 컨트롤러), 스위치, 허브, 게이트웨이 간에 설정되는 하드와이어 통신 연결의 배열을 말합니다. 기계 또는 대규모 공장 설치에 사용되는 네트워크 토폴로지에 따라 다음 사항이 결정됩니다.

  • 시스템 통신 안정성 및 속도
  • 산업 네트워크에 소요되는 이중화 및 복구 시간의 크기
  • 가장 중요한 연결 복구 기능(네트워크의 일부 링크 장애 후)

이 기사에서는 다양한 링 토폴로지와 일부 독점 토폴로지를 비롯한 여러 네트워크 토폴로지와 해당 토폴로지가 사용되는 위치에 대해 설명합니다.

산업 네트워크 토폴로지의 기본 제품군 구성도그림 1: 이 그림은 산업 네트워크 토폴로지의 기본 제품군을 보여줍니다. (이미지 출처: Design World)

산업 네트워크 토폴로지 유형 자세히 알아보기

산업 자동화 네트워크 토폴로지는 링크(유선 배열의 케이블 연결) 및 노드로 분류되는 네트워크 부품이 상호 간에 다른 부품을 기준으로 배열되는 방식입니다. 노드는 재분배 지점 또는 통신 종단점 역할을 할 수 있는 장치입니다. 반면에 링크는 노드를 연결하는 데 사용되는 수단(유선 또는 무선)입니다. 링크는 다음과 같습니다.

  • 단방향 - 단뱡향 통신만 허용합니다.
  • 양방향 - 양방향 동시 통신을 허용합니다.
  • 반이중 - 양방향 통신이 가능하지만 한 번에 한 방향만 허용됩니다.

네트워크 토폴로지는 링크로 노드를 연결하는 수단입니다. 배열은 다양합니다.

버스 네트워크 토폴로지: 버스 토폴로지가 탑재된 네트워크에는 각 노드가 독립적으로 연결되는 기본 케이블 "트랙"(버스라고도 함)이 있으며, 대부분의 산업 참고 자료에서는 이를 "드롭"이라고 합니다.

방사형 네트워크 토폴로지: 방사형 토폴로지가 탑재된 네트워크는 한 노드를 중심으로 허브 형태로 중앙 집중화됩니다. 그러면 다른 노드는 링크를 통해 허브에 연결됩니다. 또한 방사형 토폴로지를 사용하면 허브에만 지속적으로 전력을 공급하고 간헐적으로 전송하는 개별 장치는 전력을 차단할 수 있으므로 전력이 절감되는 이점이 있습니다.

메시 네트워크 토폴로지: 완전 연결형 토폴로지가 탑재된 네트워크에서는 각 노드를 모든 다른 노드에 연결합니다. 마찬가지로 메시 토폴로지 탑재 네트워크(완전 연결형 배열과 유사)는 분산된 연결에 기반하지만 모든 페어링 중인 노드를 연결할 필요는 없습니다. 모든 노드가 모든 다른 노드에 연결되지 않는 이 설정을 부분 연결 메시 네트워크라고도 합니다.

무선 네트워크에서는 메시 토폴로지가 종종 사용됩니다. 메시 토폴로지는 강력하고 안전하며 전력 소비를 줄여주어 배터리 구동 노드를 탑재한 네트워크에 유용한 기능입니다. 또한 메시 네트워크는 개별 링크가 전체 네트워크보다 짧을 수 있으므로 주어진 배선에 대해 네트워크 범위를 개선할 수 있습니다. 따라서 많은 저전력 센서를 탑재한 대규모 IoT 네트워크에 유용합니다. 메시 토폴로지 탑재 네트워크는, 특히 완전히 연결된 경우 모든 옵션 중에서 가장 높은 유연성과 이중화를 제공합니다. 하지만 링크 장애 시 시스템에서 메시를 통해 새로운 경로를 찾아야 하므로 복구하는 데 오래 걸리며, 심지어 끊어진 링크에 대한 포트를 재구성해야 할 수도 있습니다. 유선 네트워크의 경우 추가적인 배선과 포트가 필요하며 메시 토폴로지의 비용이 더욱 증가합니다.

링 네트워크 토폴로지: 링 토폴로지 탑재 네트워크는 각 노드를 두 인접 노드에 순차적으로 연결하여 링을 형성합니다. 이 경우 링크 중 하나를 필요할 때까지 비활성화할 수 있으므로 이중화 링이라고도 합니다.

산업 자동화를 위한 링 토폴로지 자세히 알아보기

링 토폴로지 탑재 네트워크는 데이터 전송 속도가 우수하며 링크 장애에서 매우 빠르게 복구됩니다. 또한 케이블 비용이 상대적으로 낮습니다. 링 토폴로지가 유선 산업 자동화 네트워크용으로 가장 많이 선택되는 것은 놀랄 일도 아닙니다. 이중화 링크 중 하나를 비활성화한 상태에서 링이 하나의 회선으로 연결되어 빠르고 효과적인 통신을 제공합니다. 링크 장애가 발생하더라도 복잡한 경로 재지정이 필요하지 않습니다. 대신 이중화 링크가 활성화되어 모든 다른 링크에서 시스템의 기본 포트 경로를 계속 사용합니다.

TCP(Transmission Control Protocol) 및 UDP(User Datagram Protocol)에서 일반 링 토폴로지 변형을 고려하십시오. TCP 및 UDP IP 프로토콜을 사용하면 모든 장치에서 하나의 IP 주소를 사용하므로 인터넷 연결이 가능합니다. IP 주소를 사용하여 데이터 패킷을 다른 주소로 경로 지정할 수 있습니다. 패킷에는 대상 IP 주소를 비롯한 추가 정보가 들어 있는 헤더와 실제 데이터가 포함되어 있습니다.

TCP(TCP/IP라고도 함)는 대상에서 데이터 패킷을 재조립하는 방법을 제어합니다. 이렇게 하려면 발신자와 수신자가 모두 통신 중이어야 합니다. 발신기의 헤더에 시퀀스 번호가 포함되어 있고 수신기에서 메시지 수신 확인 패킷을 반환해야 합니다. 패킷이 확인되지 않으면 재전송됩니다. 또한 장치에서는 각 패킷 헤더에서 체크섬을 사용하여 패킷에 오류가 있는지 확인합니다. 이 TCP 공정은 안정적인 데이터 교환을 보장하지만 송/수신 통신 공정이 상대적으로 느립니다. 반면에 UDP(최신 IP 프로토콜)를 사용하면 IP 주소 간에 데이터를 더 쉽고 빠르게 전송할 수 있습니다. 수신자 장치에서는 패킷 수신을 확인할 필요가 없으므로 속도는 더 빠르고 안정성은 약간 저하됩니다.

이중화 과제 및 보완 솔루션

이더넷 기반 시스템의 네트워크 관리 프로토콜이 이중화 기능을 보완하여 문제를 일으키는 브리지 루프와 그로 인해 유도되는 동보 통신 방사선을 방지하면서 효과적인 데이터를 보장합니다. 기본적으로 브리지 또는 스위칭 루프는 문제가 될 정도로 불필요하게 반복되는 데이터 전송입니다. 이러한 루프는 장치 간 중복 연결을 통해 이동하며, 네트워크에서 통신하는 두 네트워크 노드 사이에 여러 경로가 있는 경우에 발생합니다.

빠른 속도를 지원하고 링크 장애 시 신속한 복구를 제공하는 링 토폴로지의 구성도그림 2: 산업 자동화에서 링 토폴로지는 빠른 속도를 지원하고 링크 장애 시 신속한 복구를 제공합니다. (이미지 출처: Design World)

브리지 루프는 반복된 데이터 재동보 통신을 발생하여 네트워크 과부하와 급격한 네트워크 속도 저하를 일으킬 수 있습니다. 이 문제는 중복이 많은 시스템에서 주로 발생합니다.

링크 집계에서는 병렬 이더넷 케이블과 포트를 사용하여 대역폭을 높이고 복구를 앞당깁니다. 즉, 링크 장애가 발생하더라도 연결이 끊어지지 않지만 대역폭이 감소되고 일부 데이터가 손실될 수 있습니다. 케이블 장애는 일반적으로 기계 손상에 의해 발생하며, 다양한 경로를 따라 병렬 케이블을 연결해야 하므로 설치 비용이 크게 증가합니다. 이 간단한 방식은 링크 집계 제어 프로토콜(IEE 802.1ad)로 표준화되며,

이중화의 장점을 유지하면서 브리지 루프를 방지할 수 있습니다. 여기서 솔루션은 네트워크 관리 프로토콜을 사용하여 링크를 선택적으로 비활성화하는 기능으로 병렬 물리적 루프를 보완하는 토폴로지가 있습니다. 그러면 활성 링크에 장애가 발생할 경우 논리 토폴로지가 이중화 링크 중 하나를 포함하도록 확장되어 실패한 링크 주위를 다시 연결합니다. STP(Spanning Tree Protocol), RSTP(Rapid Spanning Tree Protocol) 및 다양한 독점 링 프로토콜은 모두 이 네트워크 관리 기능을 제공합니다. 스패닝 트리는 이러한 프로토콜에서 생성되는 루프프리 논리 토폴로지의 다른 이름이며, 스패닝 트리에 포함되지 않는 링크는 비활성화됩니다.

STP 및 RSTP는 메시 토폴로지와 링 토폴로지 모두에서 작동하며 대부분의 응용 분야에서 적당히 빠른 복구 시간을 제공합니다. 하지만 가장 까다로운 산업 자동화 응용 분야에서는 독점 링 토폴로지를 통해서만 가능한 매우 빠른 복구 시간을 요구합니다.

독점 링 프로토콜 샘플링

이름에서 알 수 있듯이 독점 링 프로토콜은 네트워크 하드웨어 제조업체별로 다르게 사용해야 합니다. 예를 들어 Red Lion N-Tron switches에서는 N-링 독점 링 프로토콜을 사용합니다. 이러한 독점 프로토콜은 네트워크 루프를 제어하고 링크 장애를 처리하여 STP 또는 RSTP를 대체합니다.

앞서 설명한 대로 링 토폴로지는 짧은 대기 시간, 최상의 신뢰성, 가장 빠른 데이터 전송 속도 및 링크 장애 복구 시간을 지원하는 유선 산업 자동화 네트워크에서 주로 사용됩니다. 이중화는 링크 장애에서 복구하는 데 핵심적인 역할을 합니다. 여기서 중요한 점은 이중화는 문제가 될 정도로 루핑 데이터를 반복하여 문제를 발생할 수 있다는 것입니다. 특히, 다운타임이 용납되지 않는 산업 자동화 운영에서 이 문제를 방지하려면 루프 방지와 신속한 링크 장애 복구를 지원하는 네트워크 프로토콜이 필요합니다. 독점 링 프로토콜은 주로 빠른 장애 복구 시간을 유지해야 하는 응용 분야에 가장 적합합니다.

가장 널리 사용되는 몇 가지 독점 링 프로토콜을 고려하십시오.

HiPER 링은 1999년에 Hirschmann and Siemens에 의해 독점 링 프로토콜로 출시되었습니다. 지금은 IEC 62439에서 표준화되어 MRP(Media Redundancy Protocol) 프로토콜이라는 일반 이름으로 사용되고 있습니다. 이 링은 최대 200개 노드를 지원할 수 있습니다. 표준 버전의 복구 시간은 500msec이지만, Fast HiPER 링의 주장된 복구 시간은 60msec로서 훨씬 경쟁력이 뛰어납니다.

REP(Resilient Ethernet Protocol)는 Rockwell Automation 및 Westermo에서도 사용되는 Cisco 독점 프로토콜입니다. REP는 빠르고 예측 가능한 네트워크 동작을 제공하며 주장된 복구 시간은 20msec에 불과합니다. REP는 플러그 앤 플레이가 아니고 루프를 자동으로 방지하지 못하는 등 몇 가지 제한 사항이 있습니다. 대신 REP는 이러한 기능을 제공하도록 적절히 구성되어야 합니다. REP 네트워크 세그먼트라는 순차적으로 결합된 포트 모음을 생성하여 작동합니다.

X-링은 Advantech의 독점 링 기술이며 10msec에 불과한 가장 빠른 복구 시간을 지원합니다. 여기서 X-링은 20개 이하의 노드를 가진 상대적으로 작은 네트워크로 제한됩니다.

앞서 언급한 Red Lion의 독점 N-링 프로토콜은 복구 시간이 30msec이며 최대 250개 노드를 포함하는 대규모 네트워크를 지원할 수 있습니다.

위에 나열된 폭넓은 속도 범위에는 그럴 만한 이유가 있습니다. TCP 네트워크 토폴로지와 UDP 네트워크 토폴로지 간에는 약간의 속도 차이가 있지만, 네트워크 속도에 훨씬 큰 영향을 미치는 것은 산업 네트워크의 토폴로지와 관리 프로토콜입니다. 예를 들어 STP 이중화 링 네트워크의 복구 속도는 TCP에서 30초 ~ 90초이고 UDP에서 10초 ~ 50초이며, RSTP에서는 이 값이 1초 ~ 3초로 낮아집니다. 메시 네트워크의 복구 시간은 훨씬 더 깁니다. 반면에 독점 링 네트워크는 TCP의 경우 0.3초, UDP의 경우 0.2초 이내에 링크 장애에서 복구할 수 있습니다. 실제로 독점 링 네트워크에 대해 제조업체에서 주장하는 복구 시간은 10msec 이내로 훨씬 짧습니다.

산업 자동화 부문의 링 토폴로지에 대한 결론

링 토폴로지는 유선 산업 자동화 네트워크에 일반적으로 사용됩니다. 짧은 대기 시간과 최고의 신뢰성은 기존 STP 또는 RSTP보다 효율적으로 루핑을 방지하고 링크 장애를 처리하는 독점 방식으로 종종 보완됩니다.

면책 조항: 이 웹 사이트에서 여러 작성자 및/또는 포럼 참가자가 명시한 의견, 생각 및 견해는 Digi-Key Electronics의 의견, 생각 및 견해 또는 Digi-Key Electronics의 공식 정책과 관련이 없습니다.

작성자 정보

Jody Muelaner

Dr. Jody Muelaner는 제재소 및 의료용 장치를 설계하고, 항공 우주 제조 시스템의 불확실성을 처리하며, 혁신적인 레이저 기기를 만들어온 엔지니어입니다. 그는 여러 동료 평가 저널과 정부 요약을 발표했으며 Rolls-Royce, SAE International 및 Airbus를 위한 기술 보고서를 작성했습니다. 그는 현재 전기 자동차 개발 프로젝트를 이끌고 있습니다(자세한 내용은 betterbicycles.org 참조). Muelaner는 또한 탈탄소 기술과 관련된 개발도 다룹니다.

게시자 정보

Digi-Key 북미 편집자