데이터통신과 네트워킹

 데이터통신과 네트워킹

1. 개요

지금의 발전소 운영에 있어서 분산제어 설비의 중요성은 이루 말할 수 없으나 그 핵심인 데이터통신과 네트워킹 기술에 대한 이해는 부족한 편이다. 네트워크가 어떻게 동작하며, 어떤 종류의 기술을 사용하고, 또한 어떻게 네트워크가 구성되었는지를 알아야 원하는 목적을 달성할 수 있다.

DCS(Distributed Control System)의 통신부는 신호케이블 및 접속기기로 구성되며 통신방식과 신뢰성을 확보를 위해 다중화로 구성되고 모든 기기는 통신인터페이스 모듈을 통하여 연결된다. 공정제어 기능은 분산되고 프로세서 정보처리 및 운전조작 기능은 집중화하여야 하는 필요성 때문에 그 물리적 기능성은 통신 속도의 증가에 의한 것이므로 데이터통신과 네트워킹은 DCS의 성공의 핵심요소 기술이다. 이 네트워킹은 데이터통신의 기본 개념인 한 지점으로부터 다른 지점으로 데이터를 전송하기 위해 존재하며 데이터통신은 네트워킹이라는 과정을 통해 이루어진다.

2. 데이터 통신

가. 특성 및 구성

데이터통신은 특정 형태의 전송매체(전선 등)를 통한 두 장치간의 데이터 교환이다. 이를 위해 통신 장치는 하드웨어와 소프트웨어의 조합으로 이루어진 통신 시스템의 일부가 되어야 한다. 효과적인 데이터통신 시스템은 다음 세 가지의 기본 특성과 다섯 가지의 요소를 갖는다.

□ 기본 특성

 ① 전달성 : 데이터는 반드시 원하는 장소나 사용자에게 조달되어야 한다.

 ② 정확성 : 전송 도중에 변형되어 수정된 데이터는 사용할 수 없다.

 ③ 적시성 : 늦게 전송된 데이터는 쓸모가 없다

□ 구성 요소

 ① 메시지 : 통신의 대상이 되는 정보 즉 데이터

 ② 송신자 : 데이터 메시지를 보내는 장치

 ③ 수신자 : 메시지를 수신하는 장치

 ④ 전송매체 : 메시지가 송신자에서 수신자로까지 이동하는 물리적 경로

 ⑤ 프로토콜 : 데이터통신을 통제하는 규칙의 집합

나. 데이터 흐름 방향

사람이 강의를 할 때 정보는 한쪽 방향으로만 흐른다. 그렇지만 두 사람간 대화를 할 때 정보는 양쪽 방향으로 흐른다. 정보는 일반적으로 교대로 교환되지만 동시에 교환될 수도 있다. 이와 마찬가지로 분리된 두 장치간에 데이터통신을 행할 때 데이터 전송의 방향을 결정해야 한다. 데이터 흐름 방향에는 단방향, 반이중 방향, 전이중 방향이 될 수 있다.

 1) 단방향 방식 (Simplex mode)

통신은 일반통행처럼 한쪽 방향으로만 일어나는 것으로 하나의 링크에 연결되어 있는 두 점에서 한쪽은 전송만 할 수 있고 다른 쪽은 수신만 할 수 있다.

2) 반이중 방식 (Half-duplex mode)

두 점에서 송신과 수신이 가능하지만, 동시에는 할 수 없고 한 장치가 송신하면 다른 장치는 수신만 할 수 있으며, 그 역도 마찬가지다. 예를 들어 차들이 한쪽 방향으로 이동하면 다른 방향의 차들은 기다려야 한다. 반이중 방식에서 채널의 전체 용량은 전송하는 장치가 전부 사용하게 된다.

3) 전이중 방식 (Full-duplex mode)

전이중 방식은 동시에 양 방향으로 통행이 가능한 2차선 도로와 같다. 신호는 링크의 용량을 공유해서 양 방향으로 전달된다. 이러한 공유는 각 링크가 물리적으로 분리된 서로 다른 두 개의 전송통로를 갖게 하거나, 채널의 전송 용량을 반으로 나누어 서로 반대 방향으로 흐르게 하는 두 가지 방법으로 이루어질 수 있다

3. 네트워크

가. 분산처리 (Distributed processing)

네트워크는 전송매체 링크로 서로 연결된 장치(노도-node)의 모임이다. 대부분의 네트워크는 여러 컴퓨터에 작업을 나누어 처리하는 분산처리에 사용된다. 분산처리에서는 작업 전체를 담당하는 하나의 대형 시스템 대신 개별 컴퓨터들이 작업을 나누어서 처리한다.

나. 물리적 구조

컴퓨터 네트워크는 많은 사용자들 사이로 데이터를 거의 지연이 없이 이동시키도록 연결되어야 한다. 이러한 연결 전략을 네트워크 토폴로지(Topology)라고 한다. 최상의 토폴로지는 장치 유형과 사용자의 필요성에 따라 다르다.

 1) 연결형태

네트워크는 링크를 통해 두 개 이상의 장치가 연결된 것이다. 링크는 한 장치로부터 다른 장치로 데이터를 전달하는 통신선로이다. 통신을 하려면 두 장치는 동시에 같은 링크에 연결되어야 한다. 회선 구성의 방법에는 점대점과 다중점 방법이 있다

□ 점대점(Point to Point) 회선 구성 : 두 장치간의 전용 링크를 제공한다. 채널의 전체 용량은 두 기기간의 전송을 위해서만 쓰인다.

□ 다중점(Multipoint or Multidrop) 회선 구성 : 3개 이상의 특정 기기가 하나의 링크를 사용하는 방식이다. 다중점 환경에서 채널의 용량은 공간적으로 혹은 시간적으로 공유된다. 여러 기기가 동시에 링크를 사용한다면 이는 회선의 공간적 공유이고, 순서에 따라 링크를 사용한다면 시간적 공유이다.

 2) 접속형태(Physical Topology)

물리적 혹은 논리적인 네트워크 배치 방식을 말한다. 2개 이상의 장치가 하나의 링크에 연결되며, 2개 이상의 링크로 하나의 접속형태를 이룬다. 네트워크의 접속형태는 링크와 연결된 장비(노드)간의 관계에 대한 기하학적인 표현이다

□ 스타 접속방식(Star Topology)

단 하나의 능동 스위칭 기기가 시스템 중앙에 있고, 이것이 각 콘트롤 시스템 요소들과 연결되어 점대점 링크를 갖는다. 접속방식은 중앙제어 방식으로 되어 있기 때문에 모든 네트워크의 억세스를 간단히 할 수 있으며, 선택 노드에 우선순위를 부여하여 제어할 수 있다. 이 방식의 가장 큰 장점으로는 경로제어가 간단하기 때문에 네트워크의 고장 진단이 쉽고, 기기의 고장으로 전체 시스템에 영향을 미치지 않으므로 정비도 쉽게 할 수 있다. 단점으로는 중앙 제어점인 스위칭 노드가 고장나면 시스템은 일시에 운영 불능상태가 될 뿐만아니라 배선이 복잡해지는 결점이 있기 때문에 중앙 노드는 신뢰성이 우수해야 하며 모든 네트워크의 통신량을 감지할 수 있는 기능이 있어야 한다.

□ 버스 접속방식(Bus Topology)

하나의 긴 케이블이 네트워크상의 모든 장치를 연결하는 중추 네크워크 역할을 하며 다중점 형태를 갖는다. 노드는 탭(tap)과 유도선(Drop Line)에 의해 버스에 연결된다. 신호가 중추 네트워크를 따라 이동할 때 그 에너지의 일부는 열로 변환되므로, 신호는 멀리 이동할수록 점점 약해진다. 이러한 이유로 인해 버스가 수용할 수 있는 탭의 수와 탭간의 거리는 제한된다. 버스에 설치되어 있는 스테이션은 버스가 광대역 통신(Boardcast) 매체이므로 모든 스테이션이 동시에 전송신호를 수신할 수 있으므로 통상의 경로 지정 및 메시지의 진행 등이 별도로 필요하지 않다. 또한 버스 방식의 대부분은 매체의 사용에 대해 통신 선로를 서로 공유하고 있으므로 스테이션간 서로 불가피한 충돌(Collision)이 발생한다. 그러므로 이 방식은 매체를 분배 제어함으로써 각 스테이션이 분산처리 되도록 구성된다. 주된 장점으로는 스테이션에 장애가 발생하더라도 네트워크상의 통신량을 전체 시스템에 이상없이 유지시킬 수 있으며, 또한 스테이션의 추가도 용이하다.

□ 링 접속방식(Ring 또는 Loop Topology)

각 장치는 단지 자신의 양쪽에 있는 장치와 전용으로 점대점 회선을 구성한다. 신호는 한 방향으로만 링을 따라 목적지에 도달할 때까지 전송된다. 링형 네트워크에 있는 각 장치는 중계기를 포함한다. 다른기기가 보낸 신호를 받으면 중계기는 이를 재생하여 전달한다. 링(Ring) 접속방식은 통신매체(회선) 구성에서 보면 여러 개의 노드가 루프상에 접속되어 데이터의 전송이 노드단위로 이동되는 방식이다. 이 접속법은 송신측을 제외한 각 노드에 항상 메시지를 통과시키고 있기 때문에 경로지정이 필요 없다. 각 노드는 루프상에 축적된 메시지를 확보할 수 있고, 수신정보를 검사할 수 있는 등 우수한 기능을 가지고 있다. 링상에 전송한 메시지는 최종적으로 송신장소로 되돌아 오기 때문에 그 비트 상태를 검사함으로써 수신상태를 확인할 수 있다. 단순 링형에서 링의 결함(네트워크 내 한 장치가 사용 불가능한 경우)은 전체 네트워크를 사용할 수 없게 한다. 이러한 약점은 이중 링을 사용하거나 결함이 있는 지점을 단절시킬 수 있는 스위치를 사용하여 해결할 수 있다. 근래에는 장애 노드를 바이패스(By-pass) 릴레이를 연결하고 회선을 이중 접속하여 노드 고장시 데이터가 그 노드로 입력되지 않고 통과되도록 설계하여 장애 노드 또는 고장을 일으킨 링을 바이패스 시켜 메시지를 전송하도록 확장하는 방식(양방향 통신)도 있다.