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IIoT에서 어떤 프로토콜이 승자가 될까?

입력 : 2018.08.07 10:46

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[첨단 헬로티]


산업용 사물인터넷(Industrial IoT, IIoT)은 새로운 스마트 산업 시대에 대한 지원을 약속한다. 개방성, 상호운용성, 손쉬운 확장성, 그리고 빅 데이터라는 개념을 바탕으로 구축된 IIoT는 기업이 다양한 제조와 업무 프로세스 전반에 걸쳐 운영을 크게 향상시킬 수 있게 도와준다.


IIoT 기술은 기계 간 통신, 원격 접속, 집약적 데이터 수집의 이점에 주목하고, 이를 통계적 공정 제어와 제조 관리 및 지속적인 향상의 추진에 적용하는 영역을 다룬다. 실제로 현대의 산업계 전반에 걸친 데이터 흐름은 이미 성숙한 계층 구조로 조직화돼 있다.



감시 제어, 데이터 수집(Supervisory Control And Data Acquisition, SCADA) 계층과 하위 계층에서, 산업용 이더넷 프로토콜은 공정 자동화와 관련한 특정 요구를 만족하도록 발전했다. 한 가지 특정한 요구사항은 보통 실시간으로 1초 미만의 지연만 허용되는 결정론적 제어를 지원하는 것이다. 또한 산업용 이더넷 프로토콜은 오늘날의 산업계에서 증가하는 데이터 요구를 충족하기 위해 채택돼 왔다. 이들 프로토콜은 기업들이 더 우수한 품질과 경제적인 비용으로 고객 요구를 보다 빨리 만족할 수 있게 도와준다.


이들의 상업적인 목표는 잘 확립돼 있다. 그러나 역사적으로 산업용 커넥티비티는 독자 표준에 기반한 맞춤형 솔루션을 이용하는 편이라 구현 비용이 높고, 유지 관리가 복잡하며, 확장하기가 매우 어렵다. IIoT 기술이 이런 모든 것을 변화시키는 데 도움을 줄 수 있지만, 산업 자동화 분야는 알려진 제약들을 극복하기 위한 노력을 이미 하고 있다. 예컨대 산업용 이더넷 프로토콜은 프로피넷(Profinet) 같은 몇몇 대중적인 규격을 중심으로 연합하고 있다.


비즈니스 크리티컬한 산업용 이더넷


프로피넷은 보다 다양한 기계 간 통신을 지원하고 데이터 수집과 관련하여 점점 늘어나는 요구에 대응할 수 있을 뿐 아니라 산업 공정의 구체적 요구를 만족하도록 조정할 수 있어 산업 자동화라는 임무에 최적이다. 광범위한 애플리케이션 프로파일 세트는 디바이스 제품군이 동일한 방식으로 프로피넷을 사용할 수 있도록 보장하고, 그에 따라 서로 다른 제조사의 기기, 시스템 간의 상호운용과 상호교환이 가능하게 한다. 드라이브·모터를 위한 PROFIdrive, 에너지 관리에 적용할 수 있는 PROFIenergy, 기능 안전과 관련된 통신을 위한 PROFIsafe 등이 그러한 예이다. 


뿐만 아니라 프로피넷 I/O 프로파일은 상태를 모니터링하고 명령을 전송할 수 있도록 기계식 스위치 같은 비(非)스마트 기기를 연결하는 데에도 사용된다. 


프로피넷은 이더넷을 사용할 수 없는 위험한 환경에서의 안전한 동작과 같은 특수한 산업 요구사항을 처리할 수 있도록 설계됐다. 안전한 필드버스 단말이 위험한 영역에 있는 장비를 이더넷 기반 인프라에 연결할 수 있게 하는 프록시를 통해 이를 처리한다. 다양한 필드버스 규격이 이러한 방식으로 지원되며, 여기에는 PROFIBUS DP, PROFIBUS PA, Interbus, DeviceNet, Foundation Fieldbus 외에 프로피넷 I/O와 같은 프로파일을 사용하는 비 스마트 기기가 포함된다.


이미 1700만 개 이상의 노드가 설치된 프로피넷의 괄목할 만한 성공은 SCADA 시스템과 공정 자동화 장비 간의 연결에 대한 감시 제어 측면이 제대로 충족되고 작동 역시 효율적으로 이뤄지고 있다는 것을 나타낸다. IIoT 기술은 이러한 문제의 다른 측면, 즉 데이터 수집을 풍부하게 만드는 데 도움을 줄 수 있다. 


특히 SCADA 계층을 넘어 기업의 IT 인프라 전체에 걸쳐 접근 가능하고 관련된 제조 활동으로부터 데이터를 생성하는 것에 효과적이다.



IIoT가 가져다주는 이점


상업적 관점에서 IIoT 기술은 디지털 변혁을 제공함으로써 궁극적으로 제조 생산성을 향상시키고 업무 효율성을 높이면서 혁신을 추진하는 수단으로서 기업의 관심을 받게 될 것이다. 


OPC UA(Object linking and embedding for process control unified architecture)는 산업용 공정 데이터, 경보, 이벤트 및 히스토리 데이터의 통신을 처리하도록 설계된 새로운 이더넷 기반 프로토콜이다. 이 프로토콜은 플랫폼 중립적이고, 보안 기능을 내장하고 있으며, 자율적이고 지능적인 시스템을 지원할 수 있다. 이를 통해 이 프로토콜은 컨트롤러 레벨에서부터 프로그래머블 로직 컨트롤러(PLC)와 센서 데이터를 SCADA 시스템, MES, ERP, 클라우드와 연결하는데 이르기까지 개방형의 벤더 독립적인 통신 플랫폼을 제공한다.


가벼운 프로토콜, 개방형 표준


MQTT(Message Queuing Telemetry Transport)는 운영 기술(OT)과 정보 기술(IT) 영역을 통합하여 보편적인 프로토콜이 될 수 있는 가능성을 안고 있다. 원래 MQTT는 석유와 가스 산업에서 저대역폭 데이터 링크를 위한 경량의, 데이터 진단용, 낮은 오버헤드의 프로토콜로 설계된 것이지만 지금은 페이스북 메신저와 같은 메시징 애플리케이션뿐 아니라 아마존과 IBM IoT 플랫폼에도 사용되고 있다.


MQTT는 데이터 생산자를 데이터 소비자로부터 분리시키는 발행·구독 모델을 운영함으로써 IIoT 기술에서 기대되는 확장성과 유연성을 제공한다. 이 모델은 산업 영역에서 사용되는 전형적인 마스터·슬레이브 인터랙션의 전통적인 M2M 방식이나 특정 소스로부터 데이터가 반복적으로 요청되는 폴링 응답(Polled response)과는 근본적으로 다르다. 


이러한 전통적인 모델에서는 센서와 같은 새로운 데이터 소스를 도입하거나 애플리케이션을 보다 큰 데이터 세트와 함께 작동하도록 변경하고 확장하는 일이 복잡하고 까다로운 과제다.


MQTT가 사용하는 발행·구독 방식에서는 예컨대 센서 같은 데이터 생산자가 준비되기만 하면 그 즉시 쉽게 데이터를 발행한다. 발행된 데이터는 일반적으로 구독하는 모든 소비자에게 제공된다. 


또한 최소한의 간섭으로 새로운 장비를 도입하거나 구독을 변경할 수 있다. RBE(Report By Exception)에 기반해 데이터를 발행하는 것은 핵심 OT 장비와 기업 시스템이 사용할 수 있는 네트워크 대역폭을 크게 늘려준다. 뿐만 아니라 낮은 패킷 오버헤드와 간단한 기능 역시 간단한 구조를 구현하는 데 기여한다. 헤더는 특정 애플리케이션용으로 페이로드 되는 단지 2byte 크기로 구성되며, 기능 동작 또한 연결, 분리, 발행, 구독, 핑(ping) 정도만 지원할 뿐이다.


IIoT 분야의 데이터 수집용으로 유용한 발행/구독 프로토콜들이 많이 있다. 데이터 분산 서비스(Data Distribution Service, DDS)는 MQTT 서버와 같은 중앙 집중적인 브로커가 필요 없는 개방형 프로토콜이므로 더 빠른 통신과 더 단순한 네트워크 관리가 가능하다. DDS는 밀리초(ms) 미만의 분해능을 갖고 있어 실시간 및 임베디드 시스템뿐 아니라 비즈니스 크리티컬한 애플리케이션에 적합하다.


그 밖에 다른 발행·구독 프로토콜 중에서 AMQP (Advanced Message Queuing Protocol)는 이미 금융 서비스 분야에서 구축되고 있으며, 트랜잭션을 완벽하게 보장하는 메커니즘을 갖추고 있다. 그러나 AMQP는 가벼운 프로토콜이 아니기 때문에 대역폭이 제한된 산업 통신에서는 채택하기 어려울 수 있다.


발행·구독의 대안으로, CoAP(Constrained Application Protocol) 같은 인터넷 프로토콜은 REST(Representational State Transfer)를 사용해 요청을 통해 서버에서 자원을 사용할 수 있게 해준다. 웹 API와 인터랙션하는 것처럼 쉽게, 센서에서 값을 얻을 수 있으며 다양한 유형의 페이로드를 전달할 수 있다. HTML, JavaScript, JSON, XML 같은 다양한 데이터 유형이 지원된다. JSON over HTTP는 보다 광범위한 IoT에서 이미 많이 이용되고 있다. CoAP는 HTTP와 유사하지만 단 4byte의 작은 헤더, 콤팩트한 인코딩, 단순한 요청 구조를 갖고 있어 소형 마이크로컨트롤러 기반 기기에 매우 적합하다. 또한 복잡한 RSA 키만큼 강력한 DTLS(Datagram Transport Layer Security)를 사용하여 통신을 보호한다.



결론


SCADA에 기반한 산업 자동화는 수년 동안 이더넷 기반 통신을 채택하면서 더 빠른 속도, 더 높은 효율, 그리고 미래 경쟁력을 갖춘 이점을 활용해 왔다. 프로피넷 같이 널리 사용되고 있는 규격으로 수렴하는 것은 산업 자동화에 최적화된 견고한 통신 기술을 이용하고, 실시간의 미션 크리티컬 인터랙션을 처리할 수 있을 뿐 아니라 고도로 전문화된 역할을 수행하는 다양한 제조업체의 모듈 간 상호운용을 보장한다.


충분히 견고하고 고성능을 갖춘 인터넷 기반 프로토콜이 미래에 등장할 수 있을 것이다. 하지만, 현재의 IIoT 기술이 맡고 있는 주요 역할은 OT와 IT 영역을 연결하는 데 있다. 이는 더 효율적이고 가벼운 데이터 교환을 구현하고, IT 시스템에서 관련된 데이터에 대한 액세스를 간소화함으로써 달성할 수 있다. 확장성과 유연성은 IoT 구현의 기반이 되는 원칙으로서, 이는 기업이 자신들의 사업 분야에서 IIoT 활용방법을 배우고 추가적인 비즈니스 이점을 추구하면서 점점 더 발전시켜 나가는 것이 중요하다.


모든 투자는 신중하게 이뤄지고 그에 대한 기대 수익이 거의 정확히 실현돼야 하는 산업 분야에서는 전면적인 교체 방식이 거의 받아들여지지 않는다. 인터넷 기반 프로토콜은 계산 가능한 이득을 제공할 수 있게 될 때 산업 자동화 영역으로 진입하게 될 것이다.


그러한 점에서 MQTT, OPC UA, CoAP 등과 같은 프로토콜은 프로피넷과 같은 현재의 프로토콜을 즉시 대체하기보다는, 프로피넷을 좀 더 증강하는 방향으로 나아갈 것이다. 


마크 패트릭(Mark Patrick) 마우저 일렉트로닉스

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