이더켓(EtherCAT) 정의, 패킷 구성, 통신 방식에 대해서

안녕하세요. 구스입니다.

산업용 네트워크에 대한 표준화의 요구성은 산업화의 복잡성에 따라 증대되고 있지만 각 기업간의 이익구조가 물려있어 다양한 산업용 네트워크가 나오고 있습니다.

Ethernet/IP는 물론 필드버스(Fieldbus), DeviceNet, PI(PROFIBUS & PROFINET International), 이더넷(Ethernet), 이더캣(EtherCAT), CC-Link와 같이 다양한 산업용 네트워크가 나왔는데요. 

오늘은 이 중 이더캣(EtherCAT)에 대해서 알아볼까 합니다. 

이더캣(EtherCAT)은 산업용 이더넷 기술의 일종으로 이더넷 표준인 IEEE 802.3에 정의된 프레임과 Physical 계층을 사용하는 통신 방식을 의미합니다. 

이더캣(EtherCAT)은 기존의 이더넷의 복잡한 7계층 중 하나만을 사용하고, DMA(Direct Memory Access) 방식을 활용함에 따라 고성능이면서, 저비용인 통신 방식입니다.

이더캣(EtherCAT)은 EtherCAT 테크놀로지 그룹을 통해서 개발이 되며, 2003년 11월 발족 후 25개국의 300개가 넘는 회사가 참여를 하고 있습니다. 

아래는 이더켓 테크놀로지 그룹에 참여하고 있는 회사들입니다. 국내 업체는 약 12개 회사가 참여하고 있습니다만, 회사들이 워낙 많아서 그냥 이렇게만 가지고 왔습니다. 

그럼 이더캣(EtherCAT)은 왜 나오게 된 것일까?

산업용 컴퓨팅 기술이 발전하면서 CPU의 성능이 빠르게 성장을 하였습니다. 하지만 기존의 통신 방식들은 이러한 흐름을 맞춰주지 못했고 이에 따라 병목현상이 발생을 하게 되었죠.

가장 빠른 통신 기술 중 하나인 이더넷 방식은 이더넷 프레임이 84바이트 밖에 되지 않는 문제도 있으며, 데이터의 크기가 더 작아진다면 효율성에 대한 부분과 응답속도 부분에서 문제가 발생을 하게 되는것입니다. 

이러한 문제를 해결하기 위해서 이더캣(EtherCAT) 방식이 제안이 되었고, 현재 산업용 통신 방식에서 활발히 사용이 되고 있습니다. 

이더켓이 보내는 패킷은 어떻게 되는가?

이더켓에서 사용하는 데이터 프레임은 기존의 IEEE 80.23 이더넷 프레임을 이용합니다.

기존의 이더넷 프레임을 변경하여 사용을 하고 있으며, 데이터 부분은 48-1498 바이트를 이용할 수 있습니다. 이더켓에서는 이를 이더켓 텔레그램(EtherCAT Telegram)이라고 표현을 합니다. 

즉 이더켓 텔레그램은 이더켓 데이터그램(Datagram)의 모음이라고 할 수 있습니다. 

그럼 이더켓은 통신 방식은 어떻게 되는가요?

이더켓 통신은 대게 기차를 많이 예로 듭니다. 이더켓 표준 프레임을 기차로 이야기를 하면, 텔레그램은 기차를 구성하는 전동차가 되게 됩니다.

표준 프레임이 마스터에서 슬레이브로 전달이 되면 슬레이브는 슬레이브에 지정된 주소와 일치하는 데이터만을 DMA(직접 메모리 접근) 방식으로 접근하여 데이터를 읽고, 쓰고, 처리하게 됩니다. 

그러는 동시에 데이터는 다음 슬레이브에 전달이 되게 됩니다. 

이더켓 통신은 아래와 같은 특징을 가집니다.

• 이더켓 통신은 이더넷과 다르게 패킷을 주고 받지 않습니다.
• 슬레이브 디바이스에서는 DMA를 통해서 데이터를 해석하고 처리하며 복사합니다.
• 또한 슬레이브는 패킷이 노드를 통과할 때 데이터를 읽고, 저장하게 됩니다. 이러한 방식으로 통신에는 지터가 크게 발생하지 않으며 고속의 처리가 가능하게 됩니다.

이더켓의 데이터 전송 방식에는 순환형, 비순환형 두가지로 구분을 지을 수가 있는데요.

순환형은 일정 주기에 따라 데이터를 지속적으로 전송하는 방식이고, 비순환형의 경우는 특정 이벤트를 계기로 데이터를 전달하는 것을 의미합니다. 

슬레이브는 다양한 주소를 할당 받을 수 있는데, 이를 위해서 슬레이브에는 FMMU(필드버스 메모리 관리 장치)가 들어가게 됩니다. 이 FMMU에는 슬레이브 장치와 매핑된 4GB 대형 메모리 공간으로 여러 슬레이브 장치를 처리할 수 있게 됩니다. 

이와 방식을 이용해서 이더켓은 빠른 업데이트 속도처리를 할 수가 있습니다. 여러 사례에 따라 이더켓 통신은 위와 같은 속도로 처리를 할 수 있습니다.

이 글에서는 이더켓 통신에 대한 정의 및 패킷 구성, 통신 방식에 대해서 알아보았습니다.

그럼 이만 줄이겠습니다.

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