링 토폴로지, 제어 레벨 네트워크의 장애 복구력 제공

고객의 어플리케이션 요구사항 및 설치 환경에 적합한 네트워크의 선택

로크웰 오토메이션

대부분의 이더넷 어플리케이션은 중요 작동 또는 취약한 케이블 시스템 설치 등에 대해 일정 수준의 네트워크 장애 대응력을 필요로 한다. STP(Spanning Tree 프로토콜), Link Aggregation 및 로크웰 고유의 링 프로토콜은 이더넷상에 고장 없는 네트워크를 구축하는데 사용되는 기술이다. 각 솔루션은 서로 다른 수준의 fault-tolerant 기능을 제공한다. 어떤 솔루션을 사용할 것인지는 어플리케이션 요구사항 및 설치 환경에 따라 달라진다.

장애 복구력이 높은 링 네트워크
링 솔루션은 설치 간편성과 신속한 네트워크 복구성능으로 인해 제어 레벨 네트워크 복구력 향상을 위해 가장 흔히 사용되고 있는 방법이다. 로크웰 오토메이션의 제품 매니저인 Joseph C. Lee와 제품 전문가인 Jessica Forguites에 의하면 이중화 스타와 같은 복잡한 장애 대응 토폴로지와는 달리 링 토폴로지는 네트워크 설계가 간단하고 케이블 작업이 줄어든다. 따라서 배선 작업이 적고 설치비용 절감이 가능하다. 또한, 상대적으로 빠른 네트워크 복구 시간은 시스템 가동 중단 시간을 줄여준다.

일반적인 링 네트워크에서는 링 토폴로지를 형성하기 위해서 전용 포트를 통해 이더넷 스위치가 서로 연결되어 있고 네트워크상의 통신을 위해 자동화 장치가 각 스위치에 연결된다.(그림 1 참조) 이 토폴로지는 링 내 한 링크의 연결이 끊어져도 장치 간 통신이 유지되는 고장 없는 네트워크를 보장한다. 예를 들어, 링크 X의 케이블이 끊어지더라도 장치 A는 장치 B와 통신이 가능하다.

DLR(Device-Level Ring) 프로토콜
산업용 어플리케이션이 점점 더 복잡해지고 데이터의 중요성이 커짐에 따라 신뢰할 수 있는 견실한 네트워크 인프라에 대한 필요성 또한 증가하고 있다. 이로 인해 제어 엔지니어는 구현 비용은 낮추면서 고성능 장애 대응력을 제공하는 네트워크를 설계해야 한다는 요구를 받고 있다. 2009년 ODVA(Open DeviceNet Vendors Association)가 구현한 DLR(Device-Level Ring) 솔루션은 이러한 요구사항을 충족하기 위해 개발되었다.

일반적인 링 솔루션과는 달리 DLR은 스위치 대신 최종 장치에서 작동하도록 설계되었다. Lee와 Forguites에 의하면 이 프로토콜에서는 듀얼 네트워크 포트를 지원하는 Ethernet/IP 장치는 이웃 노드에 직접 연결되어 링 토폴로지를 형성할 수 있다.(그림2 참조) 장치 레벨의 링 토폴로지는 네트워크상의 전선과 산업 이더넷 스위치의 수를 줄여준다. 이 솔루션은 네트워크 토폴로지와 상관없이 DLR 네트워크와 다른 외부 네트워크간의 연결을 지원한다. 모든 DLR 호환 제품은 상호 운영성을 지원해 멀티 벤더 Ethernet/IP 시스템에 대해 매우 뛰어난 네트워크 솔루션을 제공한다.

DLR 원리
DLR 프로토콜의 원리는 다른 링 프로토콜의 원리와 유사하다. 링 노드는 네트워크상의 ‘액티브 수퍼바이저’로 지정된다. 액티브 수퍼바이저 노드의 주요 기능은 포트들 중 하나를 논리적으로 막음으로써 데이터가 무한 루프를 도는 현상을 방지하는 일이다. 또한, 액티브 수퍼바이저는 양쪽 포트를 통해서 주기적으로 비콘 패킷을 연속적으로 전송한다. 액티브 수퍼바이저는 되돌아오는 비콘 패킷을 검출해서 네트워크의 상태를 결정한다. 수퍼바이저는 비콘 패킷을 사용해 네트워크의 상태를 결정한다.

네트워크 고장이 검출되면 액티브 수퍼바이저에서 진단 정보가 표시된다. 사용자는 이 정보를 컨트롤러 프로그램 내에서 활용하거나 HMI 화면에 표시할 수 있다. 예를 들면, 케이블이 절단되면 엔지니어는 정확한 절단 위치를 액티브 수퍼바이저 노드에서 확인할 수 있어 신속한 조치를 취할 수 있게 된다. 또한, 액티브 수퍼바이저 노드가 고장날 경우를 대비해 백업 수퍼바이저를 설정함으로써 이중화 수퍼바이저 기능을 제공한다.

DLR 성능
DLR 프로토콜은 매우 신속한 복구가 요구되는 어플리케이션에 대해 솔루션을 제공한다. 50개 노드 링의 일반적인 복구 시간은 3ms 미만이다. 이 시간은 네트워크가 복구되어 통신이 계속될 때까지 링 고장을 검출하는데 걸리는 시간을 나타낸다. 시스템 측면에서 볼 때 신속한 복구 시간은 네트워크상의 장치들이 링 고장을 투명하게 감지할 수 있음을 의미한다. 이로 인해 시스템이 중단 없이 작동을 계속할 수 있는 것이다. 프로토콜의 진단 기능을 이용하면 절단 지점을 쉽게 식별할 수 있고 유지보수 또한 편리한 시간에 수행할 수 있다. 또한, DLR은 표준 IEEE 802.3을 지원하며 CIP Safety 및 CIP Motion과 같은 첨단 솔루션을 포함하는 모든 Ethernet/IP 어플리케이션과 호환된다. QoS (802.1Q/D)와 같은 스위치 서비스가 DLR에 내장되어 있어 링 네트워크상에서 중요 데이터가 제 시간에 전달될 수 있도록 데이터 전송 우선순위를 결정할 수 있다.

DLR과 기타 링 프로토콜과의 비교
<표 1>은 DLR과 현존하는 기타 링 솔루션을 비교한 내용을 보여준다. Lee와 Forguites에 의하면 ODVA의 DLR 솔루션은 네트워크 아키텍처를 간소화하고 설치 비용을 감소시킨다. 또한, 프로토콜의 뛰어난 네트워크 복구 성능은 가장 복잡한 어플리케이션에 대해서도 가동 중단 시간을 크게 감소시킨다.
자동화 어플리케이션에서 링 토폴로지는 네트워크 장애 대응력 측면에서 가장 현실적인 옵션으로 인식되고 있다. DLR은 장애 대응력을 하위의 네트워크 레이어까지 확장시킬 수 있는 솔루션으로서 어플리케이션의 신뢰성과 견실성을 향상시킨다.