CANOpen의 OSI 모델에서의 위치

CANOpen 프로토콜 개요

CANOpen은 임베디드 시스템 및 산업 자동화에서 널리 사용되는 통신 프로토콜로, CAN(Controller Area Network) 기반의 상위 프로토콜입니다. CANOpen은 CiA(Control Automation Alliance)에서 정의한 표준으로, 다양한 산업용 장비 및 제어 시스템 간의 상호 운용성을 보장합니다.

이 프로토콜은 네트워크에서 노드 간의 데이터 교환을 원활하게 수행할 수 있도록 설계되었으며, 주로 모션 제어, 로봇, 의료 기기, 철도 시스템 등 실시간성이 요구되는 다양한 분야에서 활용됩니다. CANOpen은 메시지 기반의 통신을 제공하며, 네트워크 내에서 장치들의 상태를 관리하고 데이터 전송을 조정하는 다양한 기능을 포함하고 있습니다.

본 장에서는 CANOpen 프로토콜의 주요 개념과 특징, 메시지 구조 및 동작 방식을 개괄적으로 살펴보겠습니다.

CANOpen의 OSI 모델에서의 위치

CANOpen은 CAN(Controller Area Network) 위에서 동작하는 고수준 프로토콜로, 통신의 계층적 구조를 이해하기 위해 OSI(Open Systems Interconnection) 모델을 활용하여 설명할 수 있습니다. OSI 모델은 네트워크 통신을 7개의 계층으로 나누어 정의하며, 각 계층은 특정 기능을 수행합니다. 본 장에서는 CANOpen이 OSI 모델에서 어떻게 위치하는지 설명하겠습니다.

OSI 7계층과 CANOpen의 매핑

OSI 모델은 다음과 같이 7개의 계층으로 구성됩니다.

1. 물리 계층 (Physical Layer)
2. 데이터 링크 계층 (Data Link Layer)
3. 네트워크 계층 (Network Layer)
4. 전송 계층 (Transport Layer)
5. 세션 계층 (Session Layer)
6. 표현 계층 (Presentation Layer)
7. 응용 계층 (Application Layer)

CANOpen은 이러한 OSI 모델의 각 계층을 완전히 따르지는 않으며, 일부 계층을 통합하거나 단순화한 형태로 적용됩니다. 다음은 CANOpen이 OSI 모델과 어떻게 매핑되는지에 대한 설명입니다.

물리 계층 (Physical Layer)

CANOpen의 물리 계층은 CAN 표준(ISO 11898-2 및 ISO 11898-3)을 기반으로 합니다. 이 계층에서는 전기적 신호의 특성, 전송 속도, 배선 방식 등에 대한 정의가 이루어집니다. 주요 특징은 다음과 같습니다.

• 전송 매체: 트위스트 페어 케이블(Twisted Pair)
• 신호 방식: 차동 신호(Differential Signaling)
• 전송 속도: 10kbps ~ 1Mbps (네트워크 길이에 따라 조정 필요)
• 종단 저항: 120Ω (버스 양 끝단)

데이터 링크 계층 (Data Link Layer)

CANOpen의 데이터 링크 계층은 CAN 프로토콜(ISO 11898-1)을 사용하여 구현됩니다. 이 계층에서는 데이터 프레임의 전송, 충돌 감지 및 오류 검출 기능을 담당합니다. 주요 특징은 다음과 같습니다.

• 비트 스터핑(Bit Stuffing) 및 CRC를 통한 오류 검출
• CSMA/CR (Carrier Sense Multiple Access with Collision Resolution) 방식의 접근 제어
• 11비트 또는 29비트 식별자를 통한 메시지 필터링

네트워크 계층 (Network Layer)

CANOpen에서는 네트워크 계층을 별도로 정의하지 않으며, CAN 프로토콜이 메시지의 라우팅 기능을 수행합니다. 일반적인 OSI 모델에서의 네트워크 계층이 담당하는 주소 지정 및 패킷 전달 기능은 CAN의 메시지 ID 필드를 통해 이루어집니다.

전송 계층 (Transport Layer)

CANOpen의 전송 계층은 PDO(Process Data Object)와 SDO(Service Data Object)를 사용하여 데이터 전송을 관리합니다. 이 계층에서는 짧은 주기성 데이터를 빠르게 전송하거나, 긴 데이터를 분할하여 송수신할 수 있도록 지원합니다.

• PDO (Process Data Object): 실시간 데이터 전송을 위한 구조 (최대 8바이트)
• SDO (Service Data Object): 긴 데이터(8바이트 초과)를 전송할 때 사용되는 구조

세션 계층, 표현 계층 (Session Layer, Presentation Layer)

OSI 모델의 세션 계층과 표현 계층은 CANOpen에서 명확하게 정의되지 않으며, 주로 응용 계층에서 관리됩니다. 그러나 일부 CANOpen 프로파일에서 데이터 인코딩 및 세션 유지 기능이 구현될 수 있습니다.

응용 계층 (Application Layer)

CANOpen의 응용 계층은 CiA 301 표준을 기반으로 정의됩니다. 이 계층에서는 노드 간의 데이터 교환 규칙, 네트워크 관리(NMT, Network Management), 동기화 기능, 상태 모니터링 등이 포함됩니다.

주요 기능은 다음과 같습니다.

• NMT (Network Management): 네트워크 노드의 초기화, 시작, 중지, 리셋 관리
• SYNC (Synchronization Message): 네트워크 내 노드 간의 동기화
• Time Stamp: 공통된 시간 기준 제공
• LSS (Layer Setting Services): 노드의 비트레이트 및 노드 ID 설정

결론

CANOpen은 OSI 모델을 엄격하게 따르지 않지만, 물리 계층과 데이터 링크 계층은 CAN 표준을 기반으로 하고, 전송 및 응용 계층을 포함하여 산업용 네트워크에서 안정적인 통신을 제공합니다. 이를 이해함으로써 CANOpen을 활용한 임베디드 시스템 개발 및 네트워크 설계를 보다 효과적으로 수행할 수 있습니다.