KR100475280B1 - 결함허용 고속링형 통신망구축방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광매체를 사용하는 분산제어시스템 중 토큰링형 통신망(token ring network)에 관한 것으로, 특히종래의 링형 통신망 설계방법을 개선하여 버스구조의 링형 통신망에서 토큰전달 매체접근방식을 이용한 통신망으로 결함허용 고속토큰링형 통신망의 구축 및 제어방법에 관한 것이다.

이를 위한 본 발명은, 광 라인으로 연결되며 광전송장치를 사용하여 신호를 송수신하며 토큰으로 전송권한을 제어하는 통신망에 있어서, 각 송신부와 수신부, 그리고 링가속장치로 이루어지는 전체노드에서 매니저노드와 전송권한 가진 노드를 구비하여; 송신권을 가진 한 노드에서 데이터를 전송하면 전송된 데이터는 수신상태인 각 노드의 버퍼를 거치지 않고 바이패스 선로인 아날로그스위치를 지나가는 선로를 통해 상기 전체 노드에게 브로드케스팅되게 하며; 토폴로지 형태에서 상기 링가속장치를 사용하여 물리적으로는 링형을 이루고 논리적으로는 버스형으로 동작하는 이더넷기반 고속링형 통신망을 구현한 것을 특징으로 하는 결함허용 고속링형 통신망 구축방법.

Description

결함허용 고속링형 통신망구축방법{Network Design Method of High Speed Ring Type for Fault Tolerant}

본 발명은 광 매체를 사용하는 분산제어시스템 중 토큰링형 통신망에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 종래의 링형 통신망 설계방법을 개선하여 버스구조의 링형 통신망에서 토큰전달 매체접근방식을 이용한 통신망으로 결함허용 고속토큰링형 통신망 구축방법에 관한 것이다.

분산제어시스템은 공장, 발전소등의 산업현장에서 여러 프로세스들을 효과적으로 제어하며, 데이터를 공유하는 시스템으로써, 신뢰성의 향상과 이상(Error) 발생시 그 파급효과를 최소화하는 것이 매우 중요하다. 또한, 처리해야 할 데이터의 증가로 인해 통신속도가 빨라지면, 통신망에 쓰이는 하드웨어소자의 처리속도가 이를 따라 처리할 수 없는 경우도 생긴다. 이로 인해 시간지연이 발생할 수 있어 오류가 생길 수 있고, 인쇄회로기판상의 스트립라인에서 전송효과(transmission effect)에 의한 전자기적 간섭현상이 발생할 수 있어, 이에 대처하기 위한 효율적인 이상감지 및 복구기능의 중요도가 커지고 있다.

도 1 는 종래의 링형 통신망을 도시해 놓은 구조도로서, 이 링형 통신망에서는 송신부(T)와 수신부(R)를 구비한 각 노드(102)가 각 복구장치(100)를 통해 광선로(101)에 연결되어 통신망을 구축하고 있고, 상기 노드(100)는 다수개로 i 와 i+1 개로 되어 있다.

즉, 종래의 링형 통신망에서는 다수의 노드(100) 및 선로에서 발생할 수 있는 이상에 대비하여 특정 목적의 하드웨어적 복구장치(100)가 사용되고 있다. 이는 광선로(101)가 끊어지는 경우에는 광선로(101)가 살아있는 다른 채널로 전환하기 위해 여러 스위치로 구성된 오류 복구장치(100)를 사용하거나, 노드(102)에 고장이 발생한 경우에 고장노드를 알아내고 복구하기 위해 복잡한 회로로 구성된 하드웨어 복구장치(100)가 노드와 선로사이에 사용되고 있다.

이러한 장치들은 통신망 설계에서부터 장치를 만들어내는 데까지 비용과 시간의 소요가 크며 적용되는 범위, 즉 장치를 사용하는 노드의 수가 증가함에 따라 추가비용이 크다. 또한, 한정된 특정이상에 대비하여 설계된 장치들이어서 향후 통신망의 속도증가 데이터처리양의 증가에서 오는 다양한 오류에 대비하는 기능을 추가할 때, 장치를 재차 설계하여 다시 만들어야 하므로 비용과 시간에 대한 문제점이 있다.

더구나, 종래의 토큰링형 통신망에서는 토큰의 유실이나 다중 토큰등의 이상 발생시에는 복잡한 상태천이가 필요하고, 많은 처리시간이 필요하기 때문에 효율적으로 대처하는 못한다. 만일 어떤한 노드에서 문제가 발생되었을 경우, 고장난 노드를 격리하기 위해 종래의 토큰링형 통신망에서는 격리용 교환기(스위치)를 사용하고 있다. 즉, 종래의 토큰링형 노드에서는 전송데이터가 반드시 노드의 중앙처리장치를 지나기 때문에, 노드고장시에는 데이터가 중앙처리장치를 거치지 않고 바이패스(bypass)시켜 노드를 격리하도록 되어 있다.

본 발명은 토큰링형 통신망에서의 종래 기술에 대한 문제점을 해결하기 위해 간단한 링가속장치의 사용으로 토폴리지의 형태가 물리적으로는 링형을 이루고 논리적으로는 버스형의 통신망으로 토큰전달방식의 매체접근방법을 사용하고 통신망의 관리를 소프트웨어적으로 처리한 결함허용 고속링형 통신망구축방법을 제공함에 그 목적이 있다.

이로써 본 발명은 종래의 토큰링형 통신망에서 복잡한 하드웨어 오류복구장치를 없애고, 통신망의 운영중 발생 가능한 이상들을 소프트웨어적으로 처리하여, 전술한 바와 같이 비용과 시간의 소요를 크게 줄일 수 있다. 또한, 플랜트의 감시, 제어, 조작등의 관리와 전체프로세서의 데이터 입출력 등을 여러 대의 서브시스템에서 나누어서 수행하는 분산제어시스템의 개념을 유지하면서 특정 노드를 매니저노드로 정하고 매니저노드의 이중화방법개선과 매니저노드가 토큰 운용중에 발생하는 이상상태를 감지하는 방법을 더욱 간단히 하여, 토큰의 유실이나 다중 토큰같은 매체 제어상에서 발생할 수 있는 다양한 오류에 대해 효과적이고 동적으로 대처할 수 있다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 광 라인으로 연결되며 광전송장치를 사용하여 신호를 송수신하며 토큰으로 전송권한을 제어하는 통신망에 있어서, 각 송신부와 수신부, 그리고 링가속장치로 이루어지는 전체노드에서 매니저노드와 전송권한 가진 노드를 구비하여; 송신권을 가진 한 노드에서 데이터를 전송하면 전송된 데이터는 수신상태인 각 노드의 버퍼를 거치지 않고 바이패스 선로인 아날로그스위치를 지나가는 선로를 통해 상기 전체 노드에게 브로드케스팅되게 하며; 토폴로지 형태에서 상기 링가속장치를 사용하여 물리적으로는 링형을 이루고 논리적으로는 버스형으로 동작하는 이더넷기반 고속링형 통신망을 구현한 것을 특징으로 한다.

따라서, 본 발명의 결함허용 고속링형 통신망 구축방법은 종래 링형 통신망에서 사용되던 복잡한 오류복구장치를 없애고, 통신망에서 발생할 수 있는 이상에 대한 감지와 복구를 소프트웨어적으로 처리하며 특정 노드가 매니저가 되어 전체통신망을 관찰하는 특징을 가진 결함허용 토큰링형 통신망인 것이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 예시도면에 의거하여 상세히 설명한다.

도 2 는 본 발명에 따른 결함허용 고속링형 통신망의 구조와 데이터 전달 구조도를 도시한 것으로, 본 발명은 분산제어시스템 중에서 고속링형 통신망의 구축방법을 개선하여 종래 통신망의 단점을 극복하고, 이상에 대한 감지와 복구를 하는데 있어서 기능 및 신뢰성을 향상시키고 종래의 하드웨어적 처리방식에서의 인쇄회로기판 제작이나 새로운 기능의 추가에 따른 보드의 재제작으로 인한 고비용의 발생을 크게 절감할 수 있도록 되어 있다.

즉, 전체 노드(201,202,203,204)는 송신부(T)와 수신부(R), 그리고 링가속장치(200)가 구성되어 있는 바, 상기 노드(201)는 매니저노드이고 노드(204)는 전송권한 가진 노드이며 다수 개로써 i 와 i+1, i+2 개로 되어 있다.

전체적인 구조는 링형 통신망이지만, 실질적으로는 버스형의 구조를 하고 있어 송신권을 가진 한 노드에서 데이터를 전송하면 전송된 데이터는 수신상태인 각 노드의 버퍼를 거치지 않고 바이패스 선로(도 3 에 도시된 아날로그 스위치(312)를 지나가는 선로)를 통해 전체 노드(201,202,203,204)에게 브로드 케스팅된다. 이러한 동작이 가능한 것은 통신망이 링가속장치(200)를 사용하여 물리적으로 링형을 이루고 논리적으로 버스형을 이루고 있기 때문이다(도3 참조).

본 발명에 의한 통신망은 특별한 하드웨어적 기능없이 소프트웨어적으로 고장난 노드에게 전송권한을 주지 않는 것만으로 노드를 격리시킬 수 있다. 따라서, 본 발명에 의한 통신망은 고장난 노드를 소프트웨어적 명령에 의해 수신상태로 유지시킴으로서 고장난 노드의 중앙처리장치가 통신망에 전혀 관여를 하지 못하도록 한다.

본 발명 통신망의 매체제어방식은 토큰으로 이루어지고 있는 데, 초기 토큰의 생성 및 토큰의 흐름관리를 임의의 매니저노드(201)가 수행하게 된다. 또한 매니저노드(201)는 전체통신망의 토큰 및 데이터의 흐름을 관찰하여 현재 전송권한을 가치고 있는 노드(204)를 판별하고 데이터가 각 노드에서 바람직하게 전송 또는 수신되고 있는지 여부를 관찰한다. 상기 매니저노드(201)에 의한 오류의 감지 및 복구기능을 수행하는 소프트웨어의 기능은 도 6 에 설명되어wu 있다. 통신망의 신뢰도를 향상시키기 위해 매니저노드(201)는 매니저노드의 다음 노드(202)에 의해 주기적으로 관찰된다. 만일, 매니저노드(201)에 이상이 발생하면, 다음 노드(202)가 이것을 감지하고 매니저 권한을 가져가서 이상이 발생한 과거의 메니저노드(201)를 통신망에서 격리시키고 전체 통신을 관리한다.

도 3 은 본 발명의 구현 예에 따라 발명된 링가속장치의 구조를 도시한 것으로, 수신모드(320) 또는 송신모드(330)의 제어부(300)는 송신선로(TxN,TxP)와 수신선로(RxN,RxP)사이에 아날로그 스위칭부(310)가 설치되어 있고, 이 아날로그 스위칭부(310)에는 제어신호선(301)에 의해 온/오프되는 아날로그 스위치(311, 312)가 설치되어 있다.

상기 제어부(300)에서 수신모드(320) 또는 송신모드(330)라고 정해주면, 각 모드에 따라 스위치가 동작해서 수신모드(320)에서는 광으로 받은 데이터를 바로 광출력으로 보내고, 송신모드(330)에서는 아날로그스위치(312)를 끊은 후, 보내고자 하는 데이터를 바로 인접노드로 전송하게 한다. 제어부(300)는 소프트웨어로 구현되며, 수신모드 또는 송신모드로의 변경을 위해 제어신호를 제어신호선(301)에 가할 수 있다.

상기 아날로그 스위칭부(310)는 제어부(300)의 상태에 따라 두 개의 아날로그 스위치(311,312)가 각 상태에 맞게 동작한다. 수신모드에서는 제어부(300)가 수신모드(320)라고 입력하면 아날로그스위치(312)가 온되고, 다른 아날로그 스위치(311)가 오프되어서 입력부의 데이터는 수신노드로 입력됨과 동시에 아날로그스위치(312)를 통해 인접노드로 데이터가 전송되며, 송신모드(330)에서는 제어부(300)가 송신모드라고 입력을 주면 아날로그스위치(312)가 오프되고, 다른 아날로그 스위치(311)가 온되어서 송신하고자 하는 데이터를 인접노드에 전송하게 된다.

따라서, 여러 개의 노드가 있는 경우를 생각해 보면, 전송을 필요로 하는 노드에서는 아날로그스위칭부(310)가 송신모드(330)로 될 것이고, 나머지노드는 아날로그스위칭부(310)가 모두 수신모드(320)로 되어, 전체 네트워크로 볼 때 보낸 데이터가 송신을 필요로 하는 노드뿐만 아니라 다른 모든 노드들에게도 곧바로 전송된다.

도 4 및 도 5 는 본 발명에 의한 고속링형통신망의 오류감지흐름도(도 6 참조)와 선로 및 노드의 고장복구예시도(도 7 참조)에 포함되어 있는 채널이중화(340)와 시스템이중화(370)를 부연 설명하기 위해 도시한 것이다.

도 4 는 채널이중화(340)를 나타낸 것으로, 상기 채널이중화(340)는 채널A(350)와 채널B(351), 그리고 회전방향(352, 353)이 전체 노드(341 - 346)를 통해 통신망이 구축되어 있고, 상기 노드(341)는 MN이 매니저노드이고 GN이 일반 노드이다. 여기서 도면부호 355 는 선로이상을 나타낸다.

기존 선로채널A(350)에서 선로이상(355)이 발생할 때, 사용채널을 전환하는 메카니즘을 나타낸 것이다. 채널A(350)의 데이터 전송방향을 시계방향(352)으로 하고, 채널B(351)의 데이터전송방향은 반대방향(353)으로 설정된다.

만약 일반노드 세 번째 노드(344)와 네 번째 노드(345)사이에서 선로이상(355)이 발생할 경우에는, 매니저노드(341)는 채널A(350)를 통해 시계방향(352)으로 제어프레임(Error Position Frame)을 각 노드들에게 던지면, 일반 노드(GN)들은 응답신호를 송신하되 데이터를 받을 때와는 반대의 방향(353)으로 송신한다. 이때, 매니저노드(341)의 요청에 대한 응답을 세 번째까지의 일반 노드(342,343,344)들은 응답을 하지만, 네 번째 노드(345)는 응답하지 못한다. 이로서 매니저노드(MN)는 노드(344)와 노드(345)이의 채널선로(355)에서 에러가 발생한다고 판단하고, 이 사실을 알리는 일반 노드(GN)들에게 B채널(351)을 통해 메시지를 송부하고, 이후의 통신망운용을 위한 사용채널을 B채널(351)로 전환하라는 프레임을 모든 노드에 송신한다.

도 5 는 시스템 이중화(370)를 나타낸 것으로, 이 시스템 이중화(370)는 채널A(350)와 채널B(351)의 ERCNet-1(371)와 ERCNet-2(372)가 구성되어 있고, 이 ERCNet-1(371)와 ERCNet-2(372)에는 여러 개의 게이트웨이가 연결되면서 센서, 모터 및 밸브등이 설치되어 있다. 본 발명에 의한 이더넷 기반 실시간제어통신망(Ethernet-based Real time Control Network)인 ERCNet-1(371)의 채널A(350)와 채널B(351) 양쪽 모두 이상이 발생할 경우에는 통신망을 ERCNet-2(372)로 전환한다.

이상과 같이 구성되는 본 발명의 결함허용 고속링형 통신망 구축방법은, 구현 예에 따라 노드에 이상이 생기거나 선로가 끓어지는 등의 발생 가능한 오류들을 감지하고 복구하는 기능과 전체통신망에서 토큰을 관리하는 기능을 구현한 소프트웨어 흐름도를 도 6 및 도 7 에 도시된 흐름도를 참조하여 상세히 설명한다.

우선, 발생 가능한 오류들은 도 6 의 흐름도처럼, 매니저노드의 내부타이머를 이용하여 일정시간 동안 데이터나 토큰을 관찰함(S401)으로써 감지된다. 만약, 특정 시간내에 토큰이 수신되면 매니저노드는 타이머를 초기화(S400)하여 자신의 동작상태를 다음 노드가 감지할 수 있도록 한다. 특정시간내에 토큰이 수신되지 않으면 타임아웃이 되어 오류(S402)로 인식하고 발생한 오류가 크게 선로에서 발생한 오류(S410)인지, 노드에서 발생하는 오류(S430)인지 판단한다.

선로이상의 판단은 도 4에서 설명한 바와 같이, 각각의 노드에게 제어프레임을 던져서 응답을 하는지의 여부로 결정하며, 노드 이상판단은 선로는 정상적일 때 수행하고 매니저노드가 던진 제어프레임을 던진 후, 특정 시간내에 응답을 보내지 않은 노드에 대해 재차 핑(ping)프레임을 송부하여 확인한다.

통신망에서 토큰이 유실될 경우, 매니저노드는 내부타이머의 인터럽트(S402)에 의해 이상을 감지하고 토큰유실의 원인을 찾아낸다. 오류의 원인이 선로이상으로 판단될 경우(S410), 선로 이상시 대처하는 함수를 호출(S420)하여 복구(복구흐름도는 도 7에서 설명)한다. 이와 비슷하게 노드 이상인 경우(S430)는 노드 이상시 대처하는 함수를 호출(S404)하여 복구(복구 흐름도는 도 7에서 설명)한다.

도 7 은 도 6 의 흐름에 의해 감지된 오류를 복구하는 과정을 보여준다. 도 4 에 도시된 바와 같이 선로이상(355)이 발생될 경우(S421), 매니저노드는 대기하고 있는 B채널(351)이 통신이 가능한 상태인지를 체크한다(S422). 대기 채널(351)이 통신 가능한 것으로 판단되면, 전체 노드들에게 채널 전환을 알리는 프레임을 전송한다(S423). 채널 이중화프레임의 전송이 정상적으로 이루어진 후에 매니저노드는 채널을 전환(S424)하고 타이머를 초기화(S400)한 후, 재 통신을 한다(S500).

대기하고 있는 채널에도 문제가 있어 통신이 불가능한 경우, 매니저노드는 시스템을 이중화한다(S403). 노드의 이상으로 통신망에 오류가 발생한 경우(S441), 매니저노드는 고장이 발생한 노드를 통신망에서 논리적으로 격리시키기 위해 전체노드에게 고장난 노드의 어드레스를 가지고 있는 프레임을 전송한다(S442). 노드 이상프레임이 정상적으로 이루어지면(S443), 타이머를 초기화(S400)한 후, 재통신(S500)을 하고 프레임전송에 실패하면, 통신망이 복구될 때까지 대기한다(S403). 이처럼 본 통신망에서는 매니저노드가 토큰의 생성 및 소멸을 관리하고 전체데이터 흐름을 관찰함으로써, 통신망에서 토큰이 유실되거나 다중 토큰이 생길 수 있는 가능성을 제거하고 있다.

이와 같은 설계로, 선로나 노드 또는 매체 제어상에서 발생할 수 있는 다양한 이상(Error)에 대한 감지와 복구를 소프트웨어적으로 처리하여 향후 기능추가 및 갱신의 비용절감과 용이함을 더하는 특징을 가지고 있다. 즉, 매니저노드의 개념도입으로 토큰유실이나 다중토큰의 발생과 같은 토큰링형 통신망의 단점을 해결할 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명은, 고속링형 통신망에서 발생 가능한 오류들을 독특한 형태의 토폴리지에 토큰전달방식의 매체접근방법을 이용하고, 통신망의 운영을 소프트웨어적으로 처리하여 유지, 관리 및 개발에 소요되는 비용과 시간을 크게 줄일 수 있다.

또한, 본 발명은 분산제어시스템의 개념을 유지하면서 특정노드를 매니저노드로 정해서 전체통신을 관찰하여 토큰의 유실이나 다중 토큰같은 매체 제어상에서 발생할 수 있는 다양한 오류에 대해 효과적으로 대비할 수 있도록 하고 있다.

도 1 는 종래의 링형통신망을 도시해 놓은 구조도,

도 2 는 본 발명에 의한 결함허용 고속링형 통신망의 구조와 데이터전달 구조도,

도 3 는 도 2 에 도시된 링가속장치(Ring Enhancement Device) 구조도,

도 4 는 선로이상시의 채널전환 구조도,

도 5 는 실시간제어용 통신망의 시스템 이중화구조도,

도 6 은 본 발명에 의한 고속링형 통신망의 오류감지 및 처리흐름도,

도 7 는 본 발명에 의한 고속링형 통신망 구조하의 선로 및 노드고장복구 예시도이다.

- 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 -

200 : 링가속장치

Claims (7)

1. 광 라인으로 연결되며 광전송장치를 사용하여 신호를 송수신하며 토큰으로 전송권한을 제어하는 통신망에 있어서,

   각 송신부와 수신부, 그리고 링가속장치로 이루어지는 전체노드에서 매니저노드와 전송권한 가진 노드를 구비하여;

   송신권을 가진 한 노드에서 데이터를 전송하면 전송된 데이터는 수신상태인 각 노드의 버퍼를 거치지 않고 바이패스 선로인 아날로그스위치를 지나가는 선로를 통해 상기 전체 노드에게 브로드케스팅되게 하며;

   토폴로지 형태에서 상기 링가속장치를 사용하여 물리적으로는 링형을 이루고 논리적으로는 버스형으로 동작하는 이더넷기반 고속링형 통신망을 구현한 것을 특징으로 하는 결함허용 고속링형 통신망 구축방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 링가속장치에는, 수신모드 또는 송신모드의 제어부는 송신선로와 수신선로사이에 아날로그 스위칭부가 설치되어 있고, 이 아날로그 스위칭부에는 제어신호선에 의해 온/오프되는 두 개의 아날로그 스위치가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 결함허용 고속링형 통신망 구축방법.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 매니저노드가 통신망을 관리할 때, 통신망의 오류를 감지하는데 있어 상기 매니저노드가 통신망상에 올린 데이터 프레임과 토큰을 전송한 후, 특정 시간내에 도착되는 지의 여부로 타이머를 사용하여 감지하는 것을 특징으로 하는 결함허용 고속링형 통신망 구축방법.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 매니저노드에 발생할 수 있는 이상을 점검하기 위해, 매니저노드의 바로 다음 노드가 메니저노드의 상태를 주기적으로 감시하는 것을 특징으로 하는 결함허용 고속링형 통신망 구축방법.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 매니저노드에 고장이 발생할 경우, 매니저노드의 권한을 다음노드로 변경하는 것을 특징으로 하는 결함허용 고속링형 통신망 구축방법.
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