사물인터넷은 스마트폰, 태블릿 PC, 비디오 카메라 등 일상생활에서 흔히 볼 수 있는 디바이스들이 새로운 방법으로 상호작용 할 수 있도록 도와주는 기술 모두를 포함한다. 또한 생산공간을 넘어 OT와 IT를 연결하여 새로운 애플리케이션을 만들어 내거나 현존하는 것들을 강화시키는 역할을 한다. 이러한 역량은 최근 제조업자들이 특허 네트워크(proprietary network)에서부터 옮겨와 작업 현장에서 사용하기 시작한 표준 이더넷 네트워크로 인하여 강화되었다.

사물인터넷 혁명은 2022년까지 막대한 비즈니스 기회를 만들 것이라 예상되는데, 특히 산업자동화 시장에서의 변화가 가장 기대된다. Industrial-IP.org1에 따르면 이는 제조업과 관련된 가치를 3조 8천 8백억 달러로 책정하고, 사물인터넷 홍수에서 물리적 케이블링 네트워크 인프라가 데이터의 흐름을 견딜 수 있을지에 대한 의문을 야기시켰다.

알맞은 설계와 케이블 설치는 전반적인 네트워크 신뢰도에 매우 중요하다. Gartner2에 따르면, 네트워크 다운타임의 평균 비용은 분 당 5,600 달러, 즉 시간 당 300,000 달러의 비용이 든다고 한다.

제조업자들은 다운타임이 미치는 부정적인 영향에 대해 잘 알고 있다. 네트워크에 연결된 기계가 고장이 났을 때 드는 직접비뿐만 아니라, 기계가 정상적으로 작동하는 와중에도 문제가 발생할 수 있다. 가령 한 공장이 어떠한 제품을 생산할 수 있다 하여도, 품질관리 전자문서가 없거나, 추적하거나 재고관리를 가능하게 하는 제품 일렬번호가 없거나, 규제 컴플라이언스 데이터가 없다면 그 제품을 포장하거나 판매하는 것이 불가능할 것이다.

효과적인 작업을 위해서는 전사적 응용 시스템, 작업 현장 소프트웨어, 자산관리와 품질관리 어플리케이션, 예측 분석, 그리고 바이러스 보호 시스템이 확실한 네트워크를 형성하고 있어야 하는데 더욱 중요한 것은, 필수 네트워크가 통신 규약 이상으로 구성되어 있어야 한다는 것이다. 흔히 케이블, 커넥터, 와이어, 캐비닛, 패널 등과 같은 실질적인 물질적 인프라는 간과되는 경우가 많다. 대부분 한 자리에 오랫동안 자리하고 있는 이러한 하드웨어는 사물인터넷 때문에 유입되는 네트워크 장치들로 인해 혹사당하게 될 것이다.

제조업자들은 작업 현장과 기업간의 이더넷을 표준화시키며 그로 인하여 발생되는 효율성과 산출물에서 얻을 수 있는 혜택을 위해 동시성(synchronicity)과 가시성(visibility)을 만들어 낸다. 공장 관리자들은 여전히 이더넷 네트워크 업그레이드로 인하여 기존에 있는 신뢰성 높고 특허를 갖고 있는 구성의 성능이 저하 될 수 있음을 걱정하기 때문에 모든 CIO, 공장 관리자, 시스템 인티그레이터가 통신 규약부터 케이블까지 네트워크의 각 요소에 접근할 수 있도록 하는 것과 네트워크 인프라를 확장하거나 업그레이드할 때에 미래의 수요에 주도적으로 초점을 맞추는 것이 매우 중요하다.

새로운 제조 모델

오늘날 조직들은 와해성 기술(disruptive technology)로 인한 변화에 대응하는데 어려움을 겪고 있는데, 사물인터넷의 확산부터 제조업의 글로벌화까지 비용을 낮추고 새로운 시장으로 나아가는 것을 달성하기 위한 압박이 바로 그것이다.

업계 최고의 제조업자들은 네트워크 관리, 네트워크 신뢰도와 복원력을 크게 강조한다. 그들은 네트워크 선로에 백업으로 서버 이중화를 구축하고, 작업 현장 네트워크에서 데이터 속도가 최대치로 보장할 수 있도록 배선 전략을 세심하게 설계한다. 다시 말해, “최고의 네트워크 청사진”은 인프라의 모든 면을 구성한다. 최후의 순간까지.

Banathy는 “이것은 결국 장래를 고려하는 물리적 인프라가 될 것입니다. 왜냐하면 적절한 매체를 효율적으로 사용하는 것이 성능 이슈를 피하고, 업그레이드에 드는 많은 비용을 최소화할 수 있도록 돕기 때문입니다. 후에 네트워크가 이미 배치되었을 때 이슈를 고치는 것은 매우 많은 비용이 들 것입니다. 저의 경험에 의하면 계획 단계에서 10달러의 비용이 들었던 것이 현장에서 수리할 때는 10,000달러가 드는 경우도 있었습니다.“라고 말했다.

신뢰도와 복원력을 갖고 있는 네트워크 비전을 실현시키기 위하여 회사들은 물리적 설계를 계획하고 글로벌 표준을 세우고 있다. 하지만 일을 진행시키기 전에 환경평가가 먼저 실시되어야 한다.

평가 단계

제조업자들은 그들의 대역폭과 케이블 요구사항을 이해하기 위해서 아래에 명시된 단계들을 충족시켜야 한다.

1. 이더넷 디바이스의 수
현재뿐만 아니라 앞으로 10년, 20년 동안 접속이 요구되는 이더넷 디바이스를 검수하며 평가를 시작하는데, 이는 기계, 센서, 카메라, 제어기, 드라이브, 스위치 모두에 해당된다.

2. 환경리스크
다음으로, 인프라에 미칠 환경리스크를 고려한다. 예를 들어, 가성(caustic)이나 습윤 상태는 피복재에 영향을 미칠 수 있다거나, 전기적 잡음이 높은 지역은 동 케이블로 타협을 보는 경우가 있다. 이러한 맥락에서 평가는 케이블 라우팅(cable routing)을 방해하는 것들을 발견하고 케이블 구동 길이(cable run lengths)를 최적화할 수 있는 시간이 되기도 한다.

3. 대역폭 고객
환경리스크를 평가한 후에는 대역폭의 수요를 결정하기 위해 트래픽 흐름의 종류를 고려해야 한다. 모든 패킷-생산 디바이스를 검사하고, 데이터, 제어, 비디오, VoIP 산출 수요를 측정해야 한다.

4. 다운타임
적절하게 네트워크를 설계하기 위해서는 네트워크 투자 수요를 설정하기 위해 다운타임의 비용을 결정하는 것이 중요하다. 높은 다운타임 비용은 더욱 많은 복원력, 케이블 보호와 선로를 위한 설계 고려사항을 요구하곤 한다.

5. 기밀 보호
산업네트워크는 고립된 섬이 아니다. 제조업자들은 평가의 일환으로 기업 네트워크와 산업네트워크를 어떻게 연결시켜야 할 것인지 결정해야 하는데, 이 때 IT 네트워크에서 종종 일어나는 보안 공격으로 인해 기밀 보호에 대한 필요가 훨씬 커진다.
기업IT와 산업 네트워크의 컨버전스(convergence)는 해커가 회사의 제조 능력에 피해를 입힐 수 있는 가능성을 의미하기 때문에, IT와 작업현장 네트워크를 융합할 때에 가장 완벽한 보안 전략을 구축하기 위해 베스트 프랙티스(best practice)를 충실히 지키는 것이 중요하다. 이러한 심층 방어 전략은 프로토콜(protocol)부터 포트의 물리적 보안까지 모든 것을 포함시켜야 한다.

공장 연결

역사상 작업현장과 기업은 별개의 영역이었지만, 제조, 확장성, 운영 가시성에 대한 적기공급생산(just-in-time)을 요구하는 시장 다이내믹스로 변화하면서 회사들은 이 두 개의 서로 다른 네트워크를 연결하기 시작하였다.

로크웰 오토메이션(Rockwell Automation)과 시스코(Cisco)는 표준을 준수하는 이더넷 네트워크 두 개를 안전하게 병합할 수 있는 건축 모형을 개발하였다. Converged Plant-wide Ethernet(CPwE)라 불리는 이 모델은 물리적 계층까지 확장되는 논리적 네트워크 아키텍쳐와 관련된 베스트 프랙티스다.

이 아키텍쳐는 Layer 2와 Layer 3 네트워크 인프라를 넘나드는 트래픽을 효율적으로 분할하기 위해서 VLAN을 사용한다. 그러나 모든 공장 제어 트래픽은 DMZ층 아래에 존재하고, 기업입장에서 필요한 정보는 기업과 제조업자 사이의 전산 시스템에서 트래픽이 직접 유입될 수 있도록 하는 것이 아니라 DMZ의 서버를 통해 접근이 가능하다. 이 구성은 IT네트워크와 운영네트워크가 데이터를 공유할 수 있게 해주는데, 그것들은 가상으로 격리되어 있기 때문에, 기업의 보안이 뚫리거나 바이러스가 침투했을 때도 생산 환경에는 영향을 주지 않는다.

게다가 CPwE는 보안뿐만 아니라 네트워크의 미래성장도 고려한다. 이더넷이 제조환경으로 범위를 넓히고 통합 아키텍쳐가 모든 네트워킹을 관리하고 트래픽을 제어하는 곳에 사용되기 때문에, 잘 짜이고 구조화된 물리적 네트워크가 있는 시설들은 전반적인 운영 효율성, 생산성, 그리고 유동성을 개선하는 곳에 유리하게 사용될 것이다. 자세한 사항은 Panduit Industrial Ethernet Physical Infrastructure Reference Architecture Design Guide를 참고하면 된다.

미래의 산업네트워크
전통적으로 산업네트워크는 플러그로 끝나는 단심 케이블(i.e. 긴 패치코드)을 사용한 점대점(point-to-point) 구성으로 이루어져 있다. 제조업에서 중요한 요소인 성장과 트러블 슈팅(troubleshooting)을 촉진시키는데 큰 역할을 한다는 이유로 통합 케이블링이 굳건하고 지속 가능한 인프라로 떠오르고 있지만 어떻게 구현하는지에 따라서 각각의 접근법에도 장단점이 있다.

인클로저(enclosure)나 작은 고리형 어플리케이션의 숏 케이블의 경우 점대점 방식이 이상적이지만, 플러그를 터미네이션 하는 것은 힘들 것이다. 또 다른 고려사항은 연선(stranded cable)과 단선(solid cable)이다. 연선은 높은 감쇠로 거리를 줄여주는 반면 단선 도체는 휘는 현상(flexing)으로 인해 중간에 망가질 수 있다. 더욱 중요한 것은, 고정된 길이, 점대점 케이블은 패치 패널을 이용한 구조화된 접근법으로 쉽게 확장되거나 재구성될 수 없다는 점이다. 게다가 몇몇 네트워크 테스트 장비는 테스터에 접속하는 것을 배제하기 때문에 전체 채널이 시험되지 않는 경우도 있다.

구조화된 케이블링은 트러블 슈팅이나 시험용이성(testability)을 위한 수단과 성장, 신뢰도를 제공하기 때문에 인클로저, 기계, 테스트 장비. 카메라를 연결 시키는 것과 같은 더 길고 중요한 곳에 사용하는 것이 선호된다. 패치 코드, 잭, 수평배선(horizontal cabling) 을 활용하면 최적화된 네트워크 채널을 만들 수 있다. 또한 수평배선은 플러그보다 쉽고 빠르게 잭에 터미네이션 할 수 있다. 성장을 위한 여분의 네트워크 채널을 생성하기 위해 네트워크 케이블링을 설치함으로써 기술자들은 장비를 추가하거나 네트워크 케이블링 실패가 발생하면 다른 채널에 연결시킬 수 있다.

채널 복원력에 초점이 맞추어진다면, 구조화된 케이블링의 가치는 Telecommunications Infrastructure Standard for Industrial Premises (TIA-1005-A)에 기반하여 케이블링과 케이블 관리를 계획하고 활용하는 체계적인 접근법에 있을 것이다.

매체 선택

케이블 미디어는 케이블이 닿는 범위, 혹독한 환경, 전기적 잡음, 대역폭, 스위치 컨버전스의 영향을 받는데, 적절한 곳에 사용된 구리 채널 케이블은 100m까지 전도될 수 있고 단일모드 광섬유는 수 킬로 미터의 거리까지 도달할 수 있다는 경우를 예로 들 수 있다.

부식을 일으키고 습하고 기름진 환경은 모든 네트워크 케이블 재킷에 성능저하를 가져 온다. 폴리우레탄, PVC, TPE 등 케이블 보호를 위한 다양한 종류의 외부 재킷이 있는데, 가장 튼튼한 것은 폴리우레탄으로 쉽게 찢기거나 마모되지 않으며 기름, 방사선, 곰팡이, 산화, 오존에 저항력이 있다. 외부 재킷 안에는 전기적 잡음을 줄이기 위하여 금속 포일(foil)이나 브레이드(braid)가 사용되기도 하는데, 전기적 잡음을 없애는 궁극적인 방법은 섬유를 얼마나 잘 사용하는지에 달려있다.

미디어를 선택할 때 고려할 또 다른 사항은 바로 대역폭이다. 이는 스위치간 연결과 카메라와 같은 대용량 데이터를 사용하는 고객에게 주로 해당되는데, 대역폭 요구사항은 Category 6과 같은 높은 카테고리의 구리나 초당 10Gb까지 전송할 수 있는 단일모드/다중모드 섬유를 필요로 할 것이다.

네트워크 장애 후의 복구 시간은 제조 다운타임에 영향을 미치는데, 섬유 케이블을 디플로이(deploy)하여 고리형이나 이중화된 별형 구조로 스위치 간 연결하면 이 시간을 최소화할 수 있다. 섬유로 인하여 스위치는 구리 인터페이스보다 빠르게 신호의 손실을 인지할 수 있고, 구리보다 더 빨리 통신을 회복할 수 있게 된다. 구리는 덜 복잡하고 더욱 작은 네트워크에 적합하지만, 네트워크 결함에 대한 복구 시간은 다운타임 비용과 비교검토 되어야 한다.

네트워크 필요에 대한 설계

이제 네트워크 평가는 다 끝났고, 네트워크 토폴로지도 자리를 잡았으며 점대점/구조화된 케이블링과 케이블 건설/미디어의 위치 또한 결정이 났으니, 논리적 네트워크 아키텍쳐를 물리적 계층에 오버레이(overlay)하기 위해 공장을 설계하는 것부터 시작하여 인프라를 계획하고 디플로이할 시간이다.

디플로이먼트(deployment) 전에 네트워크의 시각적 다이어그램을 가지고 있다면 라우팅이나 케이블링 인프라에 미치는 환경 영향에 대한 결정을 내릴 수 있게 된다. ISO/IEC 24702 표준은 기계(Mechanical), 진입(Ingress), 기후(Climate), 전자기(Electromagnetic)의 네 가지 요소를 기반으로 하여 환경에 접근하는 방법론을 제시한다. (M.I.C.E)

M.I.C.E 혁신은 적절한 케이블 재킷의 사용으로 전기적 잡음을 완화시킬 수 있다.
물리적 인프라를 평가할 때, 설계할 때, 디플로잉할 때 아래 나열된 것을 새겨 두어야 한다:  표준을 준수하는 구성(ITA 케이블링 표준부터 이더넷/IP까지)  케이블링 방법(i.e. 구조화 vs. 점대점 방식)  미디어 선택에 영향을 미치는 네트워크 토폴로지  광섬유와 구리 케이블링 어플리케이션  혹독한 환경과 인프라 문제를 위한 적절한 재킷 선택

만약 표준을 준수하는 방법론과 같은 체계적인 방법을 사용한다면, 논리적 네트워크와 물리적 네트워크에서 진화하는 측면을 성공적으로 결합시키고, 영원히 변화하는 역동적인 산업에 맞춰나가게 하는 확장 가능한(scalable) 솔루션이 될 것이다. 데이터 지속성은 미디어, 와이어 커버링, 토폴로지 모두와 연관되어 있으며, 베스트 프랙티스와 기술 벤더에 의해 보증된 기술을 사용하여 효율적이고 비용을 절약할 수 있는 설치를 가능하게 해주었다.

네트워크는 테스트에 소요되는 시간을 견뎌야 한다. 첫 단추를 잘 끼워야 하기 때문이다.

편집 : 김수진 선임연구원
번역 : 황신아 연구원