프로토콜 변환기(protocol converter)는 컴퓨터 네트워킹 및 산업 자동화 분야에서, 한 장치의 표준 또는 독점 프로토콜을 다른 장치나 시스템에 적합한 프로토콜로 변환하여 상호 운용성을 달성하기 위해 사용되는 장치 또는 소프트웨어를 가리킨다.
개요
서로 다른 통신 프로토콜을 사용하는 장치들 간의 데이터 교환을 가능하게 하는 중개 역할을 수행한다. 프로토콜은 라우터 등에 설치된 소프트웨어 형태로 동작하며, 한 네트워크의 데이터 형식, 데이터 속도 및 프로토콜을 다른 네트워크의 프로토콜로 변환한다. 발전, 송배전, 석유 및 가스, 자동화, 유틸리티, 원격 모니터링 등 다양한 산업 분야에서 사용된다. 주요 변환 대상 메시지에는 데이터 메시지 변환, 이벤트, 명령 및 시간 동기화가 포함된다.
일반 구조
프로토콜 변환기의 일반적인 아키텍처는 다음과 같이 구성된다. 내부 마스터 프로토콜이 외부 슬레이브 장치와 통신하여 데이터를 수집하고, 수집된 데이터는 변환기의 내부 데이터베이스에 저장된다. 이후 외부 마스터가 데이터를 요청하면 내부 슬레이브가 데이터베이스에서 데이터를 읽어 외부 마스터로 전송한다. 이벤트와 명령의 자발적 보고를 처리하기 위한 다양한 방식이 존재한다. 통신을 위한 물리적 매체로는 RS-232, RS-485, 이더넷 등이 사용될 수 있다.
유형
프로토콜 변환기는 적용 방식에 따라 소프트웨어 변환기, 하드웨어 변환기, 또는 통합형 변환기로 구분될 수 있다.
- 소프트웨어 변환기: 특정 운영 체제나 플랫폼 위에서 실행되는 프로그램 형태로 프로토콜을 변환한다.
- 하드웨어 변환기: 물리적인 장치 형태로, 서로 다른 인터페이스(예: RS-232, RS-485, 이더넷) 간의 변환을 포함한다.
- 통합형 변환기: 하드웨어와 소프트웨어가 결합된 형태로 특정 산업용 게이트웨이 제품 등이 이에 해당한다.
주요 응용 분야
- 변전소 자동화(substation automation)
- 빌딩 자동화(building automation)
- 공정 자동화(process automation)
각 분야에서 사용되는 주요 프로토콜은 자동화 프로토콜 목록(List of automation protocols)에 정리되어 있다.
변환의 복잡성과 지연 문제
프로토콜 변환은 단순한 유형과 복잡한 유형으로 나뉜다.
가장 단순하고 널리 사용되는 사례는 Modbus RTU와 Modbus TCP 간의 변환이다. 이 경우 전체 프레이밍 구조에 큰 변화가 없으므로, 직렬 Modbus RTU 프레임을 TCP/UDP 소켓에 캡슐화하여 이더넷으로 전송하는 방식으로 쉽게 변환할 수 있다.
반면, 데이터 형식, 지원되는 데이터 타입, 객체 모델 등이 근본적으로 다른 프로토콜 간의 변환은 매우 복잡하다. 이러한 경우 변환 엔진은 프레이밍 변경뿐만 아니라 각 데이터 타입, 명령, 객체 모델에 대한 매핑 정보를 정의해야 하며, 사용자 설정이 추가로 필요할 수 있다.
이러한 변환 과정은 통신 지연, 처리 지연, 종단 간 전체 처리 시간을 수반한다. 일반적인 산업 및 에너지 자동화 애플리케이션에서 이러한 지연 시간은 10~20밀리초에서 최대 1초까지 다양할 수 있다. 따라서 프로토콜 변환기를 사용하는 솔루션을 설계할 때는 이러한 지연이 시스템에 미치는 영향을 고려해야 한다. 또한 대부분의 아키텍처에서 설정(configuration)과 매핑(mapping) 작업에 상당한 엔지니어링 시간이 소요되므로 프로젝트 일정 수립 시 이를 반영할 필요가 있다.
