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Press Release

M2M 통신 – 더 좋은 방법이 있습니다. – 2014.01.28

로컬 네트워크에 접속되어 있고, 웹을 통한 액세스를 하는 간단한 장치를 제어하기 위해서는 단순화가 가장 좋은 방법입니다.
저자 : 월프레드 닐슨, 리얼타임 로직

만약 여러분이 30년전의 콜센터를 걸었다면, 여러분은 데이터를 처리하기 위한 서버 시스템 및 더미 터미널로 구성된 데이터 사업자를 발견할 수 있을 것입니다.

분산형 지능 시스템을 가진 PC의 과거로 가 보면, 갑자기 서버 시스템은 사라지고 PC의 판매가 증가했습니다. 강력한 로컬 워크 스테이션은 이제 나아가야 할 방향이며, 중앙 서버는 피어-투-피어 배열을 위해 점점 사라져 갔습니다.

여러분은 산업 자동화 분야에서도 비슷한 상황을 볼 수 있습니다. 30여년전 목재펄프 생산시설은 모든 작업을 감독하는 중앙제어장치를 자랑해 보였습니다. 중앙제어실 어딘가에 DEC PDP-11 또는 다수의 I/O 카드상에 깜박이는 램프와 유사한 것으로 하나의 중앙 지점에서 더미 엑츄에이터와 밸브를 제어하기 위해서 센서 입력 탭을 유지했습니다. 기계간 통신 (Machine-to-machine)은 산업의 발전과 함께 PC의 급상승을 가져왔습니다. M2M 및 분산형 정보시스템은 동등한 다른 모든 구성 요소와 통신을 하는 모든 장치 - 센서, 밸브, 엑츄에이터 또는 무엇이든-를 위한 필수 요건으로 자리 잡았습니다.

우리가 이야기하는 분산형 정보시스템의 장점은 명확합니다. 이것은 제조장비, 공항 수하물 처리기, 에스컬레이터 그리고 가전 제품들이 고장이 발생하기 전에 서비스 제공자에게 경고할 수 있는 시대를 여는 시초가 됩니다. 소매 유통업체들은 자신들이 보유한 모든 아이템들의 행방과 최종 목적지를 쉽게 통보 및 관리할 수 있습니다. 광범위한 온도 조절기 및 스마트 에너지 시스템은 가장 전력소모가 최적화된 실시간 피드백을 제공할 수 있습니다.

그리고 이 평온한 비전 현실을 만드는데 도움을 주는 공급업체를 찾기는 어렵지 않습니다. 여러분이 사용하는 브라우저를 열고 M2M을 검색어로 넣고 높은 순위의 검색 결과를 찾습니다. “클라우드” 와 “매우 유연한 M2M 요금제”를 반복 참조하는 것은 독립적 클라우드 통신 장비의 분산형 정보시스템이 이러한 목적을 달성하는데 유일한 방법이라고 믿게 합니다. 많은 회사는 당신의 최첨단 목재 펄프 공장을 위한 이상적인 솔루션이 모든 엑츄에이터와 센서를 위해 클라우드 서비스를 이용하고, 웹 서비스를 기반으로 한 온라인 서비스와 HTTPS를 통한 통신이라고 믿고 있습니다.

하지만 이것이 실제 사례일까요?

HTTPS는 몇 가지 좋은 기능한 통합한 것입니다. M2M 통신은 HTTP 인증을 사용할 수 있는 안전하고 일반적으로 방화벽을 통과할 수 있습니다. 하지만 모든 장치가 완전히 지능형이고 HTTPS 통신을 지원한다면 M2M 개발 및 시스템 오버헤드의 비용이 크게 올라가게 됩니다. 또한 Poll-Based HTTPS는 매우 비효율적인 프로토콜 입니다.

더 나은, 더 경제적인 접근 방법은 감시용 장치를 위한 다방향성 통신을 지정하고, 통신 옵션을 제한하도록 슬레이브 센서를 제한하는 것입니다. 그리고 이러한 방법은 모든 노드가 로컬 네트워크 외부에서 접근할 수 있기 때문에 적지 않은 정보를 제공할 수 있습니다. 간단한 슬레이브 장치는 낮은 부품 비용과 적은 개발 비용이 들며, 클라우드의 오버헤드 비용은 요금제와 연관이 있으며, 감독자로 제한이 됩니다.

좀 더 자세히 살펴 보겠습니다.

M2M과 Poll-based HTTPS 불행한 커플 만들기

이러한 침묵의 Slave 장비는 분명 상당한 비용 절감의 가능성을 줍니다. 제한적인 통신을 적용하는 것은 일반적으로 더 많이 사용되는 폴링 방식의 HTTPS를 사용한 것 보다 더 나은 두번째 장점을 의미합니다.

왜 그런지 이해를 위해, 폴링 방식의 HTTPS가 어떻게 동작하는지 생각해 봅시다. 클라이언트는 단지 연결하고, 비동기 메시지를 보낼 수 있습니다. (그림 1). 서버는 클라이언트에게 비동기 메시지를 보낼 수 없고, 접속을 위해 클라이언트가 연결되기를 기다려야 합니다. 우리의 목재 펄프 시스템에서 엑츄에이터 클라이언트는 연결을 열고 서버에 응답명령을 요청하고, 서버가 응답을 하면 클라이언트는 연결을 종료합니다. 이러한 순서는 만약 엑츄에이터를 이동해야 할 경우 서버가 “예” 또는 “아니요”로 응답할 때 까지 무한 반복하여 요청하게 됩니다.


[그림 1] 폴링 기반의 HTTPS 시스템에서는, 클라이언트만 연결을 할 수 있으며, 서버에 비동기 메시지를 보낼 수 있습니다.

폴링 기반의 HTTPS 시스템에서는 단순히 서버는 이동하라고 엑츄에이터에게 말 할 수 없습니다. 대신에 엑츄에이터는 반복적으로 그렇게 할 시간이 있는지 여부를 서버에 묻게 됩니다. 물론 대부분 시간의 대답은 “아니요” 이지만, 서버가 수 많은 엑츄에이터에게 반복적으로 “아니요”라고 응답하는 오버헤드는 필수적으로 “예”라고 응답해야하는 요청에 대한 지연을 야기 시킵니다.

여러분은 아마도 디바이스에서 간단한 HTTPS 메시지를 보내는 것과, 서버로부터 간단한 HTTPS 응답을 수신하는 것에 많은 프로토콜 오버헤드를 부과하지 않은 것이라고 생각할 수 있을 것입니다. 그러나 그 내부에는 각 통신은 클라이언트와 서버 사이에 전송되는 명령의 긴 시퀀스를 포함하고 있습니다.


[그림 2] 세가지 프로토콜 TCP/IP (파란색), SSL (붉은색) 그리고 HTTPS (녹색)의 핸드쉐이킹은 광범위 합니다. 더욱 빈번한 Polling은 서버에 큰 오버헤드가 됩니다.

표준 TCP/IP 소켓 연결은 오버 헤드를 줄여줍니다. 정의에 의해서, 한번 통신 채널이 열리게 되면 계속해서 연결된 상태로 머물게 됩니다. 이러한 지속성은 동기화에 대한 필요성을 제거해 줍니다.더 중요한 것은 동시에 양방향 메시지를 처리할 수 있게 해주며, 그래서 클라이언트는 polling과정이 없이 명령을 수신할 수 있게 됩니다.

우리가 도착할 때까지 몇 초에 한번씩 “우리 아직 도착하지 않았어요”라고 묻는 대신에, 조용히 기다리는 아이들과 테마 파크로 가는 자동차 여행을 상상해 보세요. TCP/IP 솔루션은 조용한 아들을 준비하는 것 보다 더 쉬우며, Polling기반 HTTPS보다 더 나은 유사한 이점을 제공합니다.

이 솔루션은 공장에 완전히 로컬로 구현될 수 있지만, 더 좋은 시나리오는 HTTPS 기반의 M2M 사이트를 통해서 인터넷 접속을 하기를 원할 것입니다. 이 경우 클라이언트 장치는 “Listen Server”가 필요하게 될 것이며, 통신 프로토콜은 방화벽과 프록시의 침투를 허용해야 합니다. 보안 문제를 해결하기 위해서 HTTPS로 시작 프로토콜을 적용하고 그 이후 폴링 오버 헤드를 제거하기 위해서 보안 지속적인 소켓 연결로 변하고, 그림 3에 표기된 것과 같이 두 세계의 최고를 제공하는 솔루션에 도착하게 됩니다.


[그림 3] 많은 기업은 IoT와 M2M으로 모든 엑츄에이터와 센서들을 위해 HTTPS을 통한 웹서비스를 제공하는 클라우드를 사용할 것을 제안합니다. 대조적으로 Real Time Logic사의 Mako Server와 같은 응용 프로그램 서버는 TCP/IP를 통해서 지속적인 연결을 생성하고, 빠르고 예측 가능한 응답 시간과 더 많은 비용을 절감할 수 있는 간단한 프로토콜을 제공합니다.

이론의 적용

이 개념이 일반적인 산업 설비에서 어떻게 구현될 수 있는지 그 방법에 대해 살펴 보겠습니다. 그림 4에서 볼 수 있듯이, 공장 전용 네트워크에서 방화벽은 센서 그리고 엑츄에이터 보안 대책에 대한 필요성을 감소시키는 로컬 네트워크를 보호합니다.


[그림 4] 인터넷을 통해 저가의 전용 서버 및 외장 H2M 통신을 사용하는 로컬 네트워크를 제공하는 것은 감소된 초기 비용과 낮은 오버헤드로 전체 기능을 유지할 수 있도록 해 줍니다.

엑츄에이터 관점에서 서버는 공장의 로컬 어플리케이션 서버의 역할을 합니다. 엑츄에이터는 작은 네크워크 오버헤드로 서버와 실시간으로 통신할 수 있으며, HTTPS 를 통해 통신을 시작하여 인터넷 엑세스를 제공합니다. 그 이후에 영구적이며 양방향 TCP/IP 연결 (즉, 로컬 보안 네트워크의 소켓 연결)로 변하게 됩니다.

어플리케이션 서버의 역할을 할 뿐만 아니라, 서버는 또한 로컬 보안 네트워크와 클라우드 사이에서 브릿지 역할도 하게 됩니다. 엑츄에이터에 대한 외부의 접근은 서버를 통해서만 가능하게 됩니다. 서버에 따라서 휴먼 프리젠테이션 로직을 지원해야 할 필요 – 즉, 데이터는 사용자 인터페이스에 관련된 – 가 있습니다. 그리고 그러한 프리젠테이션 로직은 마이크로 컨트롤러 구동 엑츄에이터에는 요구되지 않습니다.

공장의 방화벽은 서버에 접근을 가능하게 하거나, 외부 사용자가 웹 어플리케이션의 보안 로그인을 통해서 접근할 수 있도록 구성할 수 있습니다. 외부 사용자는 그의 자격이 서버에서 구동하는 웹 어플리케이션에서 증명되기 전에는 로컬 엑츄에이터에 접근을 할 수 없을 것입니다. 로컬 보안 네크워크의 조합을 사용함으로써 엑츄에이터는 HTTPS 및 SSL등과 같은 추가적인 보안이 필요없게 됩니다.

서버 브로커 개념은 이러한 임베디드 환경처럼 한정된 자원을 최대한 활용하도록 설계된 웹 어플리케이션과 같이 사용되어 진다면 좀 더 실용적인 제안이 될 것입니다. 이런 어플리케이션 서버는 개발자들이 M2M 통신을 설계할 수 있도록 해주며, 개발 프로세스를 최적화 하여 스크립트 안에서 휴먼 프리젠테이션 로직을 설계할 수 있도록 해 줍니다. 이러한 아키텍쳐와 개발툴은 개발 시간, 하드웨어 비용 그리고 클라우드에 대한 엑세스의 오버헤드 비용을 효과적으로 줄일 수 있도록 해 줍니다.


[그림 5] 마이크로 컨트롤러 기반의 엑츄에이터와 센서의 C 코드는 에플리케이션 서버에서 구동하는 M2M 스크립트 응용 프로그램과 표준 소켓을 사용하여 통신을 합니다. 운영자는 HTTP (로컬 액세스) 또는 HTTPS (원격/외부 액세스)를 통해서 M2M 웹 어플리케이션에 접근하게 됩니다. 웹 어플리케이션인 두 개의 스크립트는 어플리케이션 서버에서 M2M 응용 프로그램과 함께 구동하며 브로커 역할을 합니다.

어려운 환경의 최대 버팀목

작동하지 않은 때는 언제입니까? 거친 환경은 어떨 때 입니까? 뜨겁고, 더럽고, 스트레스가 높은 환경에서 서버의 역할에 로컬 응용 프로그램의 요소는 라즈베리 파이 (Raspberry Pi – 초소형 컴퓨터)가 매우 습한 조건에는 적합하지 않은 것 처럼, 우리의 목재 펄프 공장의 거친 환경에서 전자기기의 고급스러움을 누릴수 없다는 것을 의미합니다.

분명히, 여러분은 개발 환경을 조심스럽게 선택해야 합니다. 극한의 환경 - 하드웨어 솔루션을 위한 예산으로 어플리케이션 서버, 개발 환경 그리고 응용 프로그램 스크립트를 만들 수 있도록 – 에서는 그러한 환경을 위해 설계된 견고한 산업용 컨트롤로를 선택합니다. 이렇게 하면 여러분은 이러한 하드웨어 솔루션 중 하나로 동일한 공장 제어 응용 프로그램을 실행할 수 있습니다.

미쓰비시의 C 컨트롤러는 이러한 솔루션 중의 하나입니다. (그림 6) 표준 Q시리즈 하드웨어서 설치하기 때문에 다른 Q 시리즈의 CPU (PLC, 모션, 로봇, CNC), 검증된 Q 시리즈 I/O, 네트워킹 모듈 그리고 모션제어 카드와 완벽하게 통합되어 사용할 수 있으며, C 컨트롤러 CPU는 유연하고, 신뢰할 수 있으며, PC가 없는 랙 기반의 솔루션으로 쉽게 확장할 수 있습니다. Mako 웹 어플리케이션 서버는 iQ 플랫폼의 C 컨트롤러에 사전에 설치가 되어 있기 때문에 빠르고 쉽게 웹 솔루션을 개발할 수 있고, 라즈베리 파이 (Raspberry Pi – 초소형 컴퓨터)같이 저렴한 제품에서 사용되어진 같은 웹 솔루션도 사용할 수 있습니다.


[그림 6] 미쓰비시의 iQ 플랫폼과 같이 내구성을 높인 보드는 극단적이고 열악한 환경을 위해서 설계되었으며, 컨트롤러는 개발자가 M2M 통신 및 휴먼 프리젠테이션을 쉽게 설계할 수 있도록 해주는 고급 웹 어플리케이션 서버가 포함되어 있습니다.

M2M은 급성장을 하고 있기 때문에, 많은 일반적인 대규모의 기업은 전통적인 작은 공간에 그들만의 방법으로 접근을 하려고 하고 있습니다. 그들이 이 기술에 사업을 시작하고 투자 속도를 높이는 동안 개발자나 시스템 설계자는 그들이 다운 스케일링에 익숙하지 않다는 것을 기억해야 합니다. 그들은 가장 효율적인 옵션을 추진할 수 없습니다.

물론, 클라우드는 통신의 혁명인 M2M 사물간 통신의 핵심입니다. 그러나 최적의 솔루션은 모든 프로젝트를 위해 특화된 모든 디바이스를 위한 클라우드 기반의 통신의 무차별적인 응용 프로그램은 포함되지 않을 수 있습니다. 여러분의 시스템을 간단하게 유지하고 개발 시간과 오버헤드를 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 여러분의 시스템을 더 유지할 수 있으며, 고장이 작게 발생할 수 있을 것입니다.

자료 출처 : RTC Magazine

http://www.rtcmagazine.com/articles/view/103446 (기사 원문 보기)

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