이번 호에서는 EtherNet/IP의 측정 방식, 구성 변화, 성능 측정 조건, 패킷 통신의 대역폭에 대해 설명하고, 컨트롤러 간 5G 전송 평가를 통해 얻은 EtherNet/IP 측정 결과와 각 조건에서의 지연 시간 측정 결과를 소개하고자 한다. 또한 5G 전송을 기반으로 한 CIP 안전성 평가 시스템의 구성에 대해서도 함께 다룬다.
5G 네트워크상에서 EtherNet/IP 통신 측정 구성과 조건
EtherNet/IP를 5G 환경에서 구현하기 위한 다양한 통신 구성 방식(Type I부터 Type VIII까지)은 그림 1에 제시되어 있다. 본 측정의 목적은 각 통신 방식에 따라 발생하는 성능 차이를 분석하기 위함이며, 측정 조건은 다음과 같이 설정되었다.
우선, 주요 측정 항목은 패킷 손실률과 통신 지연 시간(latency)이며, 이는 통신 성능을 나타내는 핵심 지표로서 모든 조건에서 공통적으로 수집되었다. 통신 모드는 VPN 사용(w/VPN)과 VPN 미사용(w/o VPN)의 두 가지로 나뉘며, 특히 멀티캐스트 통신은 VPN 환경에서만 가능하기 때문에 w/VPN 설정이 필수였다. 유니캐스트 통신의 경우에는 VPN 사용 여부에 따라 모두 측정이 이루어졌다.
측정은 NX102 컨트롤러 노드를 기준으로 진행되었으며, 노드 수(N)는 1개, 2개, 4개, 7개로 단계적으로 확대하여 통신 부하 증가에 따른 성능 변화를 확인했다. 각 노드 간 암시적 통신의 주기인 RPI(Requested Packet Interval)는 1ms, 5ms, 10ms, 20ms, 50ms, 100ms, 200ms로 다양하게 설정되었으며, 보다 짧은 주기에서는 더 큰 통신 부하를 유발한다.
연결 수의 경우, NX102 노드 하나당 최대 32개의 연결이 설정될 수 있으며, 7개 노드를 사용하는 경우에는 총 224개의 연결이 가능하다(N × 32). 단, RPI 주기가 짧은 조건일수록 실질적으로 사용할 수 있는 연결 수가 제한되기 때문에, 각 RPI 값에 따른 연결 수는 사양의 범위 내에서 조정되었다.
측정 구성은 통신 부하의 존재 여부에 따라 두 가지로 나뉜다. 부하가 없는 경우에는 32개의 연결 모두를 통신 측정에 사용했고, 부하가 있는 경우에는 16개의 연결을 통신 측정에, 나머지 16개를 반대 방향의 부하 트래픽을 위해 사용했다. 이는 최대 자원을 활용함으로써 네트워크 부하 상황을 현실적으로 모사하고자 한 의도이다.
통신에 사용된 데이터 크기는 고정되어 있으며, 모든 컨트롤러 간 암시적 통신 데이터는 600바이트로 설정되었다. 모든 조건 조합에 대해 동일한 방식으로 3회씩 반복 측정하였고, 각 측정은 3분간 진행되었다.
멀티캐스트와 유니캐스트 통신의 대역폭 비교 분석
표 1에서는 Type I의 멀티캐스트 통신과 Type VII의 유니캐스트 통신 간 요구되는 대역폭을 비교하고 있다. 분석 결과, 멀티캐스트 방식이 유니캐스트에 비해 통신에 필요한 대역폭을 현저히 줄일 수 있음이 드러났다.
그 이유는 멀티캐스트 통신의 구조적 특성 때문이다. 구체적으로는, 상향(Uplink, UL) 전송 이후 패킷이 코어 네트워크 측 VPN 서버에서 복제되기 때문에, UL에서 소모되는 물리적 대역폭이 줄어든다. 이러한 구조 덕분에 멀티캐스트 방식은 대역폭이 제한적인 5G 네트워크 환경에서 통신 오버헤드를 줄이는 효과적인 방법으로 작용할 수 있다.
컨트롤러 간 5G 기반 EtherNet/IP 성능 측정 결과
표 3은 각 조건별로 측정된 패킷 손실률 결과를 시각적으로 제시하고 있다. 녹색 셀은 패킷 손실이 전혀 발생하지 않은 조건, 노란색에서 빨간색으로 변화하는 셀은 손실률이 점차 증가함을, 회색 셀은 연결 자체가 성립되지 않아 측정이 불가능했던 조건을 나타낸다.
또한 표 3에서는 패킷 손실 없이 안정적인 통신이 가능했던 조건을 파란색 테두리로 표시하고 있다. 이와 함께, 업링크 통신의 성능 한계와 관련된 영향을 분석하기 위해 표 1의 보라색 테두리 표시 내용도 동일하게 반영하였다. 이를 통해 각 조건에서 발생하는 패킷 손실이 전체 통신 품질에 어떤 영향을 주는지 종합적으로 해석할 수 있다.
EtherNet/IP를 5G 환경에서 활용하기 위한 다양한 통신 구성에 대해 패킷 손실 측정을 수행한 결과, 통신 유형에 따라 성능에 뚜렷한 차이가 나타났다.
우선, Type I 구성(1→N 멀티캐스트, VPN 사용)의 경우, 1개 및 2개 노드 조건에서는 RPI 주기가 10ms까지, 4개 노드에서는 50ms까지, 7개 노드에서는 100ms까지 패킷 손실이 전혀 발생하지 않았다. 해당 조건에서는 통신이 모두 문제없이 원활하게 이루어졌다.
다음으로 Type III 구성(1→N 멀티캐스트 & N→유니캐스트, VPN 사용)에서는 1개 노드 조건에서 RPI 5ms, 2개 노드에서 10ms, 4개 노드에서 20ms, 7개 노드에서는 100ms까지 패킷 손실 없이 통신이 가능했다. 특히 Type I과 비교했을 때, 4개 노드 조건에서 더 짧은 RPI(20ms)에서도 안정적인 통신이 가능했음을 확인할 수 있었다.
Type V 구성(N→1 유니캐스트 & 1→멀티캐스트, VPN 사용)에서도 유사한 경향이 나타났다. 1개 노드에서는 RPI 5ms, 2개 노드에서 10ms, 4개 노드에서 20ms, 7개 노드에서는 50ms까지 패킷 손실 없이 안정적인 통신이 이뤄졌다.
Type VII 구성(N→1 유니캐스트, VPN 사용)은 Type V와 유사한 결과를 보였으며, Type I과 비교해 봤을 때 7개 노드 조건에서도 더 짧은 RPI 조건에서 안정적인 통신이 가능했다는 점이 주목할 만하다. 특히 RPI 100ms 조건에서도 전혀 패킷 손실이 발생하지 않았다.
반면, Type II, IV, VI, VIII의 구성에서는 모든 조건에서 패킷 손실이 관측되었으며, 이는 해당 유형들이 통신 안정성 측면에서 불리할 수 있음을 시사한다.
5G 환경에서 EtherNet/IP 및 CIP Safety 통신 성능 평가
1. 멀티캐스트 및 유니캐스트 구성 간 통신 품질 비교
먼저 Type I 구성(1→N 멀티캐스트, VPN 사용)에서는 연결된 노드 수가 적고 RPI가 긴 조건에서는 예측대로 패킷 손실 없이 안정적인 통신이 가능했다. 그러나 연결 노드 수가 많고 RPI가 짧아지는 조건에서는 패킷 손실이 발생했으며, 연결 자체가 이루어지지 않아 통신 품질이 예상보다 떨어졌다. 이는 5G 장비의 처리량 한계를 초과한 결과로 해석된다.
반면, Type V 및 Type VII 구성(N→1 유니캐스트, VPN 사용)에서는 패킷 손실 없이 통신이 가능한 조건(파란 테두리)과 업링크 한계 조건(보라색 테두리)이 많이 겹쳤으며, 전반적으로 양호한 통신 성능을 보였다. 다만, Type V와 같이 반대 방향에 멀티캐스트 부하가 존재하는 조건에서는 해당 부하의 영향으로 패킷 손실이 발생하기도 했다.
2. 지연 시간(latency) 측정 결과
지연 시간 평균값은 표 4에 나타나 있으며, 패킷 손실이 없었던 조건(즉, 통신 성공 조건)에 대해서만 측정되었다. 이 값들은 패킷 손실률 측정 표의 파란 테두리와, 업링크 통신 성능 한계 조건을 나타내는 보라색 테두리 조건을 기준으로 정리되었다.
Type I 및 Type III 구성(1→N 멀티캐스트, VPN 사용)에서는 지연 시간이 19.6ms에서 31.2ms 사이로 측정되었다. 예를 들어 Type I 구성에서 RPI가 10ms일 때, 데이터 도달까지 평균적으로 22.1ms의 추가 지연이 발생했다. 다만, Type I 구성 중 ‘4개 노드, RPI 20ms’ 조건에서는 예외적으로 예상치 못한 통신 실패가 발생했고, 이에 대한 패킷 분석 결과, VPN 서버에서 입력된 패킷에 대한 출력 복제 패킷이 누락되는 문제가 확인되었다. 이는 VPN 멀티캐스트 기능의 처리량이 부족했음을 의미하며, 곧 서버 성능이 통신 병목 지점이 되었음을 시사한다.
Type IV 및 Type VI 구성(N→1 유니캐스트, VPN 사용)에서는 지연 시간이 16.8ms에서 22.2ms 사이로 비교적 낮게 측정되었으며, 통신 안정성도 유지되었다.
반면, VPN을 사용하지 않은 Unicast 구성(Type II, IV, VI, VIII)에서는 요구되는 업링크 및 다운링크 대역폭이 5G 장비의 처리량을 초과하지 않았음에도 불구하고 모든 조건에서 패킷 손실이 발생했고, 통신이 정상적으로 이루어지지 않았다. 패킷 분석을 통해 명확한 원인을 파악하려 했으나, 원인을 특정할 수 없었다. 이는 5G 시스템의 복잡성과 문제 원인을 추적하는 데 걸리는 시간 및 시스템 구조상의 한계로 인해 발생한 문제일 가능성이 있다.
이러한 측정 결과를 종합해보면, EtherNet/IP 통신에서 VPN 라우터 기반의 L2TPv3 터널링을 사용한 멀티캐스트 통신은 구현 가능하며, 1→N 멀티캐스트 구성에서는 19.6ms에서 31.2ms 사이의 지연 시간이, N→1 유니캐스트 구성에서는 16.8ms에서 22.2ms 사이의 지연 시간이 발생했다. 다만 이 지연 시간이 RPI보다 길다고 해서 반드시 문제라고 보기는 어려우며, 이는 해당 애플리케이션의 요구 목적에 따라 판단되어야 한다. 이번 평가에서는 이를 문제로 간주하지 않았다.
또한, 일본 통신사업자의 통신 주파수 대역을 기반으로 한 동기화 방식의 영향을 받았기 때문에, 지연 시간을 10ms 이하로 줄이기는 어려웠을 가능성이 있다. 특히 TDD 프레임 구조는 다운로드(DL)와 업로드(UL)의 성능 비율을 3.25:1로 유지하도록 설계되어 있기 때문에, 상대적으로 업링크 성능이 낮아질 수 있으며, 이는 짧은 지연 시간 확보를 어렵게 만든 주요 요인 중 하나였다.
이처럼 멀티캐스트 방식은 업링크 측 통신 부하를 줄이는 데 효과적일 수 있으나, VPN 서버 자체의 멀티캐스트 처리 성능이 부족할 경우 시스템 전체 성능의 병목 요소로 작용할 수 있다. 결국 5G 전송을 활용한 컨트롤러 간 멀티캐스트 통신에서 VPN 서버의 성능은 핵심적인 요소로 간주되어야 한다.
CIP Safety 기반 5G 통신 시스템 구성
이번 실험에서는 5G를 활용한 산업 자동화(FA) 응용 사례로, 세 개의 로봇 셀을 하나의 안전 라인 컨트롤러로 통합하는 시스템을 가정했다. 이 시나리오를 기반으로, 컨트롤러 간 멀티캐스트 방식으로 CIP Safety 패킷을 전송하고, 패킷 손실률, 통신 지연 시간, CIP Safety 패킷의 안전 반응 시간(Safety Reaction Time)을 측정했다. 이에 대한 시스템 구성은 그림 2에 제시되어 있다.
구체적으로, 시스템의 구성 요소는 다음과 같다.
· 안전 컨트롤러(Safety Controller)는 NX102와 SL5500(Omron)을 조합한 단일 라인 컨트롤러로, 세 개의 로봇 셀에 대한 안전 제어를 통합 관리한다.
· CIP Safety 네트워크는 EtherNet/IP 통신 성능 평가에서 사용된 구성과 유사하게 설계되었으며, 각 컨트롤러는 VPN 라우터와 패킷 캡처 장치를 통해 5G 장비에 연결된다. 코어 네트워크 측에는 스위치에 VPN 서버가 연결되어 전체 네트워크 구성이 구성된다.
이러한 시스템을 통해 실제 5G 기반 안전 제어 통신의 구현 가능성과 성능 한계를 종합적으로 검증했다.
