[데이터넷] 50여 년 전 여러 기술 중 하나로 출발했던 이더넷은 오늘날 주력 네트워킹 프로토콜로 자리매김하면서 진화를 거듭하고 있다.

특히 정보기술(IT)을 뛰어 넘어 운영기술(OT)과 자동차 네트워크로 적용이 확산되고 있는 상황으로, 미래에는 이더넷을 활용한 더욱 흥미로운 것들이 등장할 것으로 기대된다. 다양한 산업 분야에 적용되고 이더넷 기술의 진화와 표준화 동향을 살핀다.

1970년대 중반 등장한 이더넷 네트워킹은 지속적으로 세력을 키워오며 오랫동안 데이터센터와 기업의 데스크톱PC 인프라 영역에 사용돼 왔다.

그러나 50년의 세월을 거치면서 오늘날 이더넷은 집, 상점, 산업 플랜트, 텔레콤 인프라 심지어 자동차에 이르기까지 영역을 넓히며 주력 유선 네트워킹 기술로 자리를 굳히고 있다.

정보기술(IT) 기반의 컴퓨터 네트워킹이 태동하던 시기부터 현재에 이르기까지 이더넷이 어떻게 운영기술(OT)과 자동차 분야까지 확대되고 진화하고 있는지 알아본다. 또한 SPE(Single Pair Ethernet), SPE 기반 TSN(Time Sensitive Networking), SPE 기반 IO-링크(IO-LINK), PoE(Power over Ethernet), PoDL(Power over Datalines)과 같은 기술 개발 동향도 살핀다.

이더넷의 견고한 토대와 표준화 여정
컴퓨터 네트워킹이 정확히 언제 시작됐다고 콕 집어 말하기는 어렵다. 1960년대 메인프레임 시대에 전화선을 통해 점점 더 신뢰할 수 있는 PCM(Pulse Coded Modulation)을 이용할 수 있게 됨으로써 원격 접속 서비스가 가능하게 됐다.

이후 1969년 ARPANET 프로젝트를 통해 미국의 4개 대학 컴퓨터가 연결됐다. 1970년대로 접어들면서 미니컴퓨터 시대가 도래하면서 DEC, 데이터제네럴(Data General) 같은 기업들이 등장했다. 하지만 PC 시장이 태동하기 시작하며 빠르게 경쟁자로 부상했다.

이더넷이라는 발상은 1970년대 중반에 제록스 PARC 연구소에서 처음 탄생했다. 이더넷이라는 명칭은 박사과정 학생인 로버트 멧칼프(Robert Metcalfe)가 창안했으며, 제록스(Xerox)가 상표로 등록했다. 당시에는 각기 다른 다양한 네트워크 토폴로지와 프로토콜이 시장 도입과 상업적 성공을 두고 경쟁하고 있었다.

제록스는 PARC 연구소에 이더넷을 설치하고, 1980년에 10Mbps 프로토콜을 선보였다. 이더넷은 많은 네트워킹 프로토콜 중의 하나에 불과했으나 멧칼프는 쓰리콤(3COM)을 설립하고 DEC, 인텔, 제록스를 설득해 이더넷을 표준화하기 위한 사업에 나설 수 있었다. 이러한 노력이 이더넷이 초기에 성공할 수 있도록 견고한 토대가 됐으며 쓰리콤이 IBM PC 용도로 이더넷 카드를 출시하면서 이더넷 프로토콜은 미래의 성공을 확보할 수 있게 됐다.

1985년 전기전자기술자협회(IEEE)가 이더넷 표준을 802.3 표준으로 승인했으며, 이더넷은 대역폭과 물리 매체의 사용에 있어 진화를 거듭해 나갔다. 초기 이더넷은 버스 토폴로지로 동축 케이블을 사용했으나 스위치와 UTP(Unshielded Twisted Pair) 케이블을 사용한 스타형 토폴로지의 인기가 빠르게 높아졌다. 오늘날 이더넷은 최대 400Gbps에 이르는 대역폭을 제공할 수 있게 됐다.

대부분의 이더넷 활용 사례는 UTP 케이블을 통해 100Mbps와 1Gbps를 사용한다. 인터커넥트를 위해서는 RJ45 플러그와 소켓이 사용된다.

이더넷의 인기, 회복성, 유연성에 의해 전통적인 IT 분야 이외의 분야로도 빠르게 확대되고 있다. [그림 2]는 이더넷의 많은 활용 사례 중에서 일부만을 보여주는 것으로,적용 분야는 무궁무진하다.

OT 분야에 이더넷 활용
산업 효율을 높이기 위해 인더스트리 4.0과 같은 노력이 가속화됨에 따라 커넥티드 제조의 요구를 충족시키기 위해 이더넷을 활용하는 것은 시간 문제였다. 하지만 산업 분야는 사무실, 데이터센터, 가정 등의 환경과는 전혀 다르다.

산업 현장은 환경 조건이 가혹하고 진동이 심하고 액체에 노출되고 전기적 잡음이 방해를 일으킬 수 있다. 또한 이용할 수 있는 공간이 제한적이고, 제어 캐비닛과 케이블 도관이 상당한 자리를 차지한다. 

이에 널리 사용되는 UTP 케이블의 직경, 무게, 굽힘 반경 등이 제한 요소가 될 수 있다. 산업용으로 또 다른 중요한 측면은 장비들로 전원을 어떻게 공급하느냐다. 이더넷은 UTP 케이블을 사용하는 PoE 기술을 통해 전원을 공급할 수 있지만 보다 새로운 공급 방법이 필요했다.

이에 2019년 기가비트 SPE 표준이 IEEE 802.3bp 1000BASE-T1로 승인됐다. 단일 UTP 케이블을 사용해 15미터의 링크 거리가 가능하다. STP(Shielded Twisted Pair)로 변경하면 EMI(Electro Magnetic Interference) 보호를 향상시킴으로써 허용 가능한 링크 거리를 최대 40미터로 늘릴 수 있다. SPE 케이블은 기본 Cat 6 이더넷 케이블보다 직경이 훨씬 작고 무게도 대략 60% 더 가벼워 산업용으로 안성맞춤이다.

네트워크 프로토콜과 케이블의 제약들이 해결되자 커넥터로 눈을 돌리게 됐다. RJ45는 산업용 애플리케이션으로 사용하기에 적합하지 않다. 신뢰할 수 있는 밀폐 수단을 갖추지 않으면 습기나 먼지는 물론 여타 오염물질이 손쉽게 네트워크 링크의 전기적 특성을 방해할 수 있기 때문이다.

SPE용의 커넥터 표준으로 2020년 3월 제정된 IEC 63171에서는 널리 사용되는 원형 M8이나 M12 형식 같은 다른 산업용 커넥터 사용을 장려하는 규정들을 포함시켰다. <그림 3>은 차폐 및 비차폐 케이블용으로 적합한 SPE 커넥터 유형들이다.

이더넷을 통해 전원을 공급하는 표준에 관해서는 IEEE 802.3bu와 802.3cg에서 정의하고 있다. PoDL 표준에서는 15가지의 전압, 전류, 케이블 직경 조합을 정의하고 있으며, 단말 디바이스로 최대 52와트를 제공할 수 있다. [표 1]은 PoDL의 클래스들을 보여준다.

SPE 표준은 보다 다양한 활용 사례가 가능하도록 계속해서 진화하고 있다. 예를 들면 필드버스(Fieldbus)와 같은 기존 산업용 프로토콜을 전송할 수 있게 되고, TSN도 도입할 수 있을 전망이다. TSN은 이더넷으로 확정적 실시간 성능을 가능하게 할 것이다. 이는 많은 산업 자동화 애플리케이션이 중요하게 요구하는 사항이다.

자동차 네트워킹에 이더넷 활용
산업용 애플리케이션과 비슷한 제약들을 겪는 또 다른 분야는 자동차다. 자동차에는 점점 더 정교한 인포테인먼트 시스템, 반자율 및 완전 자율 기능, 첨단 운전자 보조 시스템(ADAS) 등과 같은 첨단 기술 시스템이 도입되고 있다. 특히 주요 자동차 제조사들이 전기차 개발에 주력함에 따라 자동차 무게는 중요한 화두로 대두되게 됐다.

자동차 무게는 주행 거리를 제한하고 적재 능력을 제한하기 때문에 무게를 줄이기 위한 노력들이 펼쳐지고 있다. 이러한 노력 중의 하나가 자동차 내의 많은 시스템들을 존 아키텍처(zone architecture)를 사용해 연결하는 것이다.

운전자 도어 내의 기능들을 예로 들어보자. 이 영역의 기능들로는 도어 미러 제어, 사각지대 감지 시스템, 창문 구동과 제어 장치, 인포테인먼트 시스템 스피커, 충돌 감지 센서, 도어 개폐 장치 같은 것들을 포함할 수 있다. 기존 방식은 이들을 엑추에이터, 센서, 제어 장치의 배선을 엔진 베이나 캐빈 내의 ECU(Electronic Control Unit)로 연결하는 것이다.

그러나 존 아키텍처는 이들 시스템을 한데로 모으고 도어로 단일의 ECU를 배치함으로써 전원과 네트워크 배선만 연결하면 된다. 따라서 이러한 접근법은 필요한 케이블 하네스의 복잡성과 무게를 크게 줄일 수 있다.

이더넷은 자동차 시장에서도 큰 성공을 거두고 있다. SPE는 IVN((In-Vehicle Networking)으로 존 아키텍처를 구현하기에 적합한 모든 특성을 갖췄다. 이에 모든 것을 연결하기 위해 필요한 무게와 비용을 낮출 수 있다.

주요 자동차 제조사들과 협력사들이 설립한 오픈 어플라이언스(OPEN Alliance)는 1000BASE-T1 표준을 적용해 단일 꼬임 쌍선 이더넷 사용을 지지한다. [그림 4]는 최신 자동차에 단일 꼬임 쌍선 이더넷을 사용해 주요 시스템들을 연결하는 것을 보여준다.

상점·빌딩 자동화 애플리케이션에 이더넷 활용
상점이나 빌딩 자동화 분야도 이더넷을 유용하게 활용할 수 있다. 이더넷의 성능과 회복성은 PoS 단말기, 실내 센서, 조명 제어 장치 등과 같은 것들을 연결하기에 적합하다. 모든 애플리케이션이 이더넷의 높은 대역폭을 필요로 하지 않고, 많은 애플리케이션이 PoE 기능을 사용할 수 있기 때문이다.

4개 UTP로 이뤄진 단일의 표준 이더넷 케이블을 사용해 PoS 단말기나 인간 중심적 조명 컨트롤러로 DC 전원을 공급하고 네트워크로 연결함으로써 유연성과 편의성을 크게 높일 수 있다. 또 다른 활용 사례로는 CCTV 카메라, 신용카드 단말기, 냉난방공조(HVAC) 제어 장치를 연결하고 전원을 공급할 수 있다.

통상적으로 PoE를 지원하는 네트워크 스위치나 PoE 전용 인젝터를 통해 전원을 공급한다. 네트워크로 전원을 공급하는 장치는 PSE(Power Sourcing Equipment)라고 하고, PSE로부터 전원을 공급받는 장치는 PD(Powered Device)라고 한다. PD는 엔드포인트라고도 한다.

최초의 PoE 표준인 802.3af는 2003년 제정됐으며, PD로 공급할 수 있는 최대 전력은 12.95와트다. Cat 5e 케이블의 4개 꼬임 쌍 중에서 2개 쌍을 전원 공급에 사용한다.

PoE 역시 빠르게 진화하고 있으며 유형과 클래스 별로 각기 다른 전력 공급 능력을 정의하고 있다. 가장 최신 PoE 표준인 802.3bt에서는 Cat 6A 이더넷 케이블의 4개 쌍 모두를 사용한다. 각각의 유형마다 원하는 전력대를 달성하도록 입력 전압과 전류 한계를 정의하고 있다.

IEEE 802.3bt에서는 PSE 이더넷 포트당 100W 입력 전력 한계로 정의하고 있으며 PD로 최대 71W를 제공할 수 있다. 이는 LED 조명을 구동하기에 충분하고도 남는 용량이다.

진화 거듭하는 이더넷
50여 년 전 여러 기술 중 하나로 출발했던 이더넷은 오늘날 주력 네트워킹 프로토콜로 자리매김하면서 진화는 멈추지 않고 계속되고 있다. 계속해서 더 높은 대역폭을 제공하고 광파이버를 대안적인 매체로 사용하게 됐다.

이더넷의 보급이 확산됨으로써 전자 엔지니어들은 이더넷의 커넥티비티와 전원 공급 기능을 활용해 수많은 새로운 것들을 설계할 수 있게 됐다. 예를 들면 새로 설계하는 산업용 제품 디자인에 이더넷을 사용해 전원을 공급함으로써 배터리나 라인 전원을 필요 없게 할 수 있다. 또한 가정에서는 와이파이 신호 강도가 변동적일 수 있는데, 라우터로 유선 이더넷 배선을 사용해 애플리케이션을 보다 신뢰하고 안정적으로 실행할 수 있다. 미래에는 이더넷을 활용한 더욱 흥미로운 것들이 등장할 것으로 기대된다.