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MOXA, IP 비디오 감시를 위한 산업용 이더넷 네트워크 최적화

24 Nov

미션 크리티컬 산업 인프라에 없어서는 안될 비디오 감시

제공: MOXA (www.moxa.com)

비디오 감시 시스템은 “영상”을 이용해 보안요원이 하루 24시간, 일주일의 7일을 중앙 감시실에서 전체 시설 또는 보다 대규모 단지의 시설을 모니터링 할 수 있도록 하는 시스템으로, 이를 도입하면 여러 경비 구역에 인력을 배치하기 위해 많은 보안 요원을 고용할 필요가 없다. 감시 시스템은 분명 새로운 개념은 아니지만, 최근 몇 년 간 이를 구현하는 방식에 많은 변화가 있었다. 기본 시스템은 단순한 형태로 필요한 상황이 발생할 경우 미래를 대비한 분석에 이용할 수 있게 모든 영상들을 하드 드라이브에 저장한다. 그러나 보다 향상된 시스템은 매우 정교한 기능을 지원하는 지능형 카메라를 사용해 주요 영역에서 현장의 변화를 인식하거나(공항에서 누군가 짐을 놓고 가는 경우 등), 특정한 종류의 물체를 식별하는 기능 등을 수행한다. 이제 감시 시스템이 모든 종류의 미션 크리티컬 시설에서 실시간 감시를 위한 용도뿐 아니라 미래의 분석에 이용할 수 있는 광범위한 영상 자료를 제공하기 위해 반드시 갖춰야 하는 표준 시스템이 되었다는 것은 의심의 여지가 없다.

2014 IHS 백서(비디오 감시와 스토리지: IT와 물리적 보안이 만날 때 창줄되는 기회)에 따르면, 감시 시장은 2013년에서 2018년 사이에 연평균 14.8% 성장이 예상되면서 2018년 전체 시장 규모가 최대 256억 달러 매출에 이를 것으로 기대되고 있다. 또한 네트워크 비디오 감시 장비가 전통적인 아날로그 비디오 감시 장비를 제치고 시장 점유율의 대부분을 차지할 것으로 분석됐다.

예를 들어 대중교통은 최근 수년 사이에 교통 관리, 삶의 질, 도시 개발을 향상시키기 위해 도시 개발에 많은 초점을 맞추고 있다. 간선급행버스(Bus Rapid Transit, BRT) 시스템은 철도 또는 지하철에 비해 저렴한 비용, 높은 유연성, 고효율, 짧은 개발 시간 등으로 많은 인기를 얻고 있으며, 남미, 중국을 비롯한 세계 여러 지역에서는 이미 개발을 마친 상태이다. 대만의 한 도시는 6개의 BRT 라인에 투자해 20개 이상의 도시 지역을 운행할 계획이다. BRT의 신뢰성 있고 효율적인 동작을 보장하는 중요한 부분은 역, 버스, 통제실을 모두 포괄하는 비디오 감시 시스템에 있다.

MOXA

IP 기반의 비디오 감시 네트워크 설계를 위한 조언

상용 등급의 비디오 감시 시스템은 슈퍼마켓, 사무실, 학교 등을 비롯한 거의 대부분의 공공시설에서 사용된다. 그러나 미션 크리티컬 산업 애플리케이션에 비디오 감시 시스템을 설치할 경우 다음과 같은 사항에 특별한 주의를 기울일 필요가 있다.

데이터 전송 vs. 비디오 전송

비디오 스트림 전송은 기본적인 데이터 전송에서 고려할 필요가 없는 까다로운 문제들을 포함한다. IP 패킷 레벨에서 데이터와 비디오는 동일한 TCP/IP 기술을 사용하여 대량의 빠른 데이터 전송을 보장한다. 그러나 애플리케이션 레벨에서의 비디오 감시는 보통 여러 디바이스 간에 네트워크 액세스를 구축하고 관리하는 문제가 따른다. 예를 들면 서로 다른 통제실에서 동작하는 네트워크 비디오 레코더(NVR)와 비디오 관리 시스템(VMS)이 동시에 동일한 비디오 시스템을 저장하거나 보여주기를 원할 수 있으며, 중앙 관리 시스템(CMS)에서 대형 LCD 화면에 동일한 비디오 스트림의 영상을 디스플레이하기를 원할 수 있다. 이와 같은 경우IP 카메라는 통상 비디오 스트림을 개별적으로 전송할 필요가 있다. 다음에 살펴볼 특별한 경우에서는 IP 카메라가 인터넷을 통해 3개의 비디오 스트림을 전송하도록 요구된다.

MOXA, IP 비디오 감시를 위한 산업용 이더넷 네트워크 최적화

카메라 수가 증가함에 따라 동일한 네트워크를 통해 매우 많은 비디오 스트림을 전송해야 하는 경우가 발생하며, 이는 막대한 크기의 백본 네트워크 대역폭을 필요로 한다. 이러한 모든 비디오 스트림에 의해 사용되는 대역폭 크기를 줄이기 위해 통상적으로 비디오 스트림은 “멀티캐스트” 방식으로 구성된다. 멀티캐스트란 각각의 IP 카메라가 한 번에 하나의 비디오 스트림만 전송하도록 하면서 이더넷 스위치를 사용해 자동으로 동일한 비디오 스트림을 재생성하고 여러 대의 수신기에 전달하는 것을 의미한다. 다음의 그림은 유니캐스트와 멀티캐스트 구성 간 대역폭 요구사항의 차이를 보여준다. 멀티캐스트 구성을 사용할 경우 전체 네트워크에서 상당한 크기의 대역폭을 절감할 수 있다.

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멀티캐스트 스트리밍이 얼마나 많은 대역폭을 절감할 수 있는지 보다 잘 알 수 있도록 400대의 HD IP 카메라와 20 비디오 클라이언트로 구성된 실제 프로젝트를 살펴보자. 이를 유니캐스트 기반 전송으로 구성할 경우 엔지니어는 카메라와 비디오 클라이언트가 최대 46,000 Mbps를 소비할 수 있다는 것을 알 수 있다. 그러나, 멀티캐스트 스트리밍으로 구성할 경우 대역폭 소비는 단 2,000 Mbp로 줄어든다.

리던던시 없는 데이터 전송

대부분의 CCTV 감시 네트워크는 “스타형” 또는 “데이지 체인” 토폴로지를 사용하여 연결하며, 네트워크에 연결된 IP 카메라 수를 확장한다. 그러나 스타형은 네트워크의 단일 지점 고장으로부터 복구하도록 설계되어 있지 않다. 만약 단 하나의 네트워크 케이블이 분리되거나 한 개의 네트워크 디바이스가 고장을 일으킬 경우, 고장이 발생한 하나의 지점이 엄청난 수의 비디오 스트림에 장애를 초래할 수 있다. 일부 설계자는 “포트 트렁킹(port trunking)” 기술을 사용하여 다수의 이더넷 포트와 케이블을 하나의 전송 경로로 그룹화하도록 권장한다. 이 경우 하나의 케이블이 분리되면 비디오 데이터는 다른 포트와 케이블을 통해 계속 전송할 수 있지만, 이 설계 방법은 현장의 정전 사태로 인해 이더넷 스위치의 작동이 중단되는 경우와 같이 단일 노드 고장으로 인한 데이터 전송 장애를 막지는 못한다.

 

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네트워크 관리의 효율성

네트워크가 점점 더 확장함에 따라 네트워크 관리 소프트웨어를 사용하여 네트워크와 네트워크 장비 상태를 모니터링하고 관리하기를 원할 수 있다. 경험에 의하면 단일(또는 확장된) 네트워크에서 50개 이상의 이더넷 스위치를 갖는 경우, 네트워크 관리 소프트웨어(NMS, Network Management Software)의 사용을 고려해야 한다는 것을 보여준다. 네트워크 관리에 소요되는 시간을 많이 절약할 수 있기 때문이다.

 

산업용 네트워크 기술의 이용

미션 크리티컬 네트워크 애플리케이션의 경우, 위에서 언급한 문제를 극복하기 위해 산업 등급 네트워크 기술의 사용을 고려해 볼 수 있다. 엔터프라이즈 네트워크 솔루션과 비교할 때 산업 등급 솔루션은 하드웨어 신뢰성, 네트워크 리던던시, 간편한 현장 관리에 더 많은 중점을 둔다. 예를 들어 하드웨어는 거친 환경에서 신뢰할 수 있게 동작하도록 설계된다. 여기서 “거친”이 의미하는 것은 높은 EMC(전자기 호환성)에 노출되는 환경뿐 아니라 냉온과 고온 모두를 가리킬 수 있다. 하드웨어의 신뢰성 외에도, 미션 크리티컬 CCTV 감시 네트워크를 최적화하는 데 도움을 줄 수 있는 세 가지 산업 등급 네트워크 기술을 살펴보기로 한다.

빠른 링 네트워크의 복구

위에서 언급했듯이 “스타형” 및 “트리형”은 하나의 케이블 또는 네트워크 디바이스 장애로 인해 발생하는 단일 지점 고장이 일어나기 쉽다. 산업용 네트워크의 경우 주로 “링형” 및 “리던던시 프로토콜”이 사용된다. 아래의 도해는 CCTV 감시 애플리케이션을 위한 일반적인 산업용 링 네트워크를 보여준다. 이더넷 스위치는 RSTP(Rapid Spanning Tree Protocol)를 사용하도록 구성된다. RSTP는 일정한 수의 네트워크 연결을 리던던트로 식별한 다음 루핑을 방지하기 위한 연결을 통하여 네트워크 전송을 차단한다. 만약 동작하는 네트워크 케이블이나 스위치 중 하나가 고장을 일으키면, RSTP는 차단된 연결 중 하나를 활성화하여 네트워크에 연결된 모든 디바이스가 필요한 위치에 계속 데이터를 전송할 수 있도록 보장한다. 그러나 RSTP의 일반적인 복구 시간은 2~5초 사이이다. 이것은 초당 30프레임을 가정할 때 CCTV 감시 이미지의 60~150 프레임이 손실될 수 있다는 것을 의미한다. 하지만 일부 산업용 네트워크 디바이스 제조업체는 20~50ms 사이의 복구 시간을 지원하는 독자적인 링 복구 프로토콜을 개발했으며, 이를 통해 미션 크리티컬 CCTV 감시 네트워크에 훨씬 수용 가능한 복구 시간을 제공한다.

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미션 크리티컬 CCTV 애플리케이션은 극히 빠른 복구 시간을 필요로 한다.

(좌)

표준 RSTP 프로토콜은 너무 느리다.

(우)

독자적인 고유의 링 리던던시 프로토콜은 빠른 복구 시간을 제공한다.

 

비디오 스트림 전송을 위한 네트워크의 최적화

CCTV 시스템이 리던던트 링을 통한 멀티캐스트 전송을 사용하는 경우, 분리가 발생할 때 링 리던던시 프로토콜이 극히 짧은 시간에 백업 경로를 활성화할 수 있다고 해도 멀티캐스트 비디오 스트림을 복구하는 데 여전히 2분 이상이 소요될 수 있다. 이는 네트워크에서 비디오 패킷을 전송하는 데 IGMP(Internet Group Management Protocol) 및 PIM-DM(Protocol Independent Multicast – Dense Mode)을 포함하여 다수의 다양한 프로토콜이 구현되고 있으며, 이러한 표준 프로토콜이 미션 크리티컬 애플리케이션을 위해 설계되어 있지 않기 때문이다. 예를 들어 IGMP 프토로콜은 125초마다 멀티캐스트 그룹 테이블을 갱신하지만, 만약 네트워크 케이블이 분리되거나 이더넷 스위치에 전원 공급이 중단되면 멀티캐스트 비디오 스트림이 백업 경로로 즉시 재전송 되지 않는다. “비디오 스트림 전송을 위한 네트워크 최적화”는 간단히 말하면 IGMP의 더딘 복구를 보완하는 적절한 비표준의 독자적인 프로토콜을 구현하는 것을 의미한다. 다음의 도해는 최적화를 수행하지 않았을 때 다음 멀티캐스트 경로가 네트워크의 이더넷 스위치 간에 협상이 될 때까지 수용이 불가능할 정도로 긴 시간 동안에는 멀티캐스트 비디오 스트림이 어떻게 중단될 수 있는지를 보여준다.

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(좌)

일반 전송의 경우                                      

• 이더넷 스위치가 멀티캐스트 비디오 스트림을 복수의 NVR에 자동으로 전송한다.

(우)

리던던시만 적용한 경우

• 멀티캐스트는 이전 IGMP 테이블을 사용하여 계속 비디오 스트림을 전송하지만, NVR은 비디오 스트림을 수신하지 못한다.

• 일반 비디오 전송은 다음 멀티캐스트 경로 협상이 완료될 때까지 복구되지 않는다.

 

MOXA의 V-ON 기술로 끊김 없는 비디오 스트리밍 유지

다음의 몇 가지 실제 테스트 데이터를 보면 비디오 스트리밍을 위해 네트워크를 최적화하는 것이 얼마나 중요한지 알 수 있다. 데이터는 표준 RSTP 리던던시 프로토콜과 비디오 스트림 전송을 위해 최적화된 리던던시 프로토콜 간의 복구 시간을 비교한 것이다. 자세한 내용은 웹사이트(http://www.moxa.com/Event/IEI/Video_Always_On/)를 참조하면 된다.

테스트 결과를 통해 RSTP는 멀티캐스트 비디오 스트림 리던던시를 위해 설계된 것이 아님을 분명히 알 수 있다. 실제로, 최소 하나의 사례에서 비디오 스트림 복구가 1분 이상 걸렸다. 전통적인 RSTP 프로토콜과 비교할 때 최적화된 프로토콜을 사용하는 경우 시험된 모든 경우에서 복구 시간은 50ms 미만이었으며, 이는 MOXA의 V-ON 기술이 비디오 스트림을 위한 네트워크가 최적화 될 수 있으며, 이를 통해 네트워크를 미션 크리티컬 IP 감시 애플리케이션에 적합하게 만든다는 것을 보여준다.

 

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RSTP 프로토콜을 사용하는 기존 링 네트워크 비디오 스트림에 최적화된 리던던시 프로토콜

 

요 약

현재 비디오 감시가 산업의 미션 크리티컬 인프라에 하나의 표준이 됨에 따라 네트워크에 가장 적합한 기술을 선택하는 것이 중요하다. 이러한 문제에서 두 가지 중요한 측면은 표준 프로토콜과 산업용 네트워크의 관리이다.

•표준 프로토콜: RSTP와 IGMP는 종종 사용되지만, 이들 중 어느 프로토콜도 미션 크리티컬 감시 네트워크에 최적화되어 있지 않다. 실제로 표준 프로토콜이 네트워크의 단일 지점 고장에 대해 응답할 때 비디오 스트림 전송은 2분까지 멈출 수 있다. 보다 바람직한 선택은 비디오 스트림 전송에 네트워크를 최적화하도록 설계된 새로운 고유 프로토콜을 이용하는 것이다. MOXA의 새로운 V-ON 기술은 이상적인 선택으로, 표준 프로토콜이 적절히 대처하지 못하는 곳에서 데이터 스트림 전송을 L2 네트워크의 경우 50ms 미만, L3 네트워크에서는 300 ms 미만으로 복구할 수 있도록 보장한다.

•산업용 네트워크 관리: 네트워크 관리 소프트웨어의 사용은 미션 크리티컬 네트워크의 성공과 실패를 가르는 엄청난 차이를 만들어낼 수 있다. 전통적인 “폴링” 기술에 의존해 네트워크의 상태를 검사하는 NMS는 수백 또는 수천 개의 장치로 구성된 네트워크에서 중요한 경고 메시지를 수신하는 데 수 분을 지연시킬 수 있다. 화면을 통해 네트워크 장치와 구조를 볼 수 있게 하는 시각화, 실시간 통지, 기존 SCADA 시스템과의 손쉬운 통합을 지원하는 NMS를 선택한다면 많은 시간과 노력을 절약할 수 있다.

제공: MOXA (www.moxa.com)

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Posted by on November 24, 2015 in Power, WhitePaper

 

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