KR102361484B1 - Amqp 기반 모드버스 게이트웨이 시스템 및 통신 방법 - Google Patents

Amqp 기반 모드버스 게이트웨이 시스템 및 통신 방법 Download PDF

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이원형
신준호
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Abstract

본 발명은 AMQP 기반 모드버스 게이트웨이 시스템 및 통신 방법에 관한 것이다.
본 발명에서는 발행자(Publisher)가 내장된 슬레이브와, 구독자(Subscriber)가 내장된 마스터 및 발행자 및 구독자 사이에서 토픽을 중계하는 AMQP 브로커를 포함하는 것을 특징으로 하는 AMQP 기반 모드버스 게이트웨이 시스템 및 통신 방법이 개시된다.
본 발명에 의해서 종래 모드버스 통신 시스템에서 발생하는 병목현상이 해결되며, 또한 브로커의 사용으로 플랫폼간의 이식성이 향상되고 브로커 구조를 확장한다면 다른 프로토콜과 어플리케이션을 활용할 수 있게 되었다.

Description

AMQP 기반 모드버스 게이트웨이 시스템 및 통신 방법{AMQP BASED MODBUS GATEWAY SYSTEM AND COMMUNICATION METHOD USING THE SAME}
본 발명은 AMQP 기반 모드버스 게이트웨이 시스템 및 통신 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 AMQP 기반 게이트웨이를 통해 발행/구독 방식으로 변경하여 다수의 클라이언트들이 병목 현상 없이 통신이 가능한 AMQP 기반 모드버스 게이트웨이 시스템 및 통신 방법에 관한 것이다.
표준 모드버스 포트는 RS-232C 호환 직렬 인터페이스를 사용한다. 이 컨트롤러들은 컨트롤러끼리 직접 연결되기도 하지만 컴퓨터의 외장형 모뎀처럼 모뎀을 통하여 연결되기도 한다. 컨트롤러들은 마스터-슬레이브 기법을 이용하여 상호간의 통신을 하는데, 이것은 하나의 장비가 전송을 시작시키고 다른 장비는 상기 요구에 대하여 응답 데이터를 마스터에게 전달함으로써 통신이 이루어진다. 일반적으로 마스터 장비는 호스트 프로세서(일종의 CPU)와 이미 프로그램이 되어 있는 패널로 구성된다. 일반적인 슬레이브 장비들은 프로그램이 가능한 컨트롤러로 구성된다. 마스터는 각각의 슬레이브에 주소를 지정하여 메시지를 모든 슬레이브에게 동시에 전송할 수도 있고, 슬레이브는 자신에게 주어진 메시지에 대하여 응답 메시지를 마스터에 전송할 수 있다.
모드버스 프로토콜은 20세기 이래로 산업 현장에서 꾸준히 이용되어 왔으며, 통신 기술의 발전에 따라 TCP/IP 프로토콜이 추가되는 등의 발전을 거쳤다. 그러나 TCP/IP를 이용한 모드버스 시스템도 서로 다른 지역에 분산된 장비들을 통합적으로 조회하기에는 적합하지 않다. TCP/IP 기반의 모드버스 만으로도 서로 다른 지역의 모드버스 시스템을 하나로 통합할 수는 있지만 시스템을 관리하는 측면에서도 용이하지 않고 데이터 수집에 필요한 네트워크 리소스 또한 비대해지는 단점이 있기 때문이다.
도 1은 종래 TCP/IP 기반 모드버스 통신방식의 구성도이다. 도 1은 종래 모드버스는 N개의 클라이언트와 한 개의 서버로 구성되는 구성예를 도시한 것이고, 도 2는 종래 모드버스 통신 패킷을 도시한 것이다. 종래 모드버스는 요청(request)/응답(response)의 방식으로 N개의 다중 클라이언트와 통신이 이루어진다면, 클라이언트는 데이터를 요청하고 서버는 해당 데이터를 찾아 전송하는 것을 N번 반복해야 하기 때문에 서버에서 병목 현상이 발생하는 문제점이 있었다.
한국등록특허 제10-2074916호 (2020.02.03 등록)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하고자 하는 것으로서, 종래 TCP/IP 기반의 모드버스 시스템에서 다수의 클라이언트들이 병목 현상없이 모드버스 데이터를 수집하도록 제공하는 목적으로 한다.
본 발명의 상기 목적은 발행자(Publisher)가 내장된 슬레이브와, 구독자(Subscriber)가 내장된 마스터 및 발행자 및 구독자 사이에서 토픽을 중계하는 AMQP 브로커를 포함하는 것을 특징으로 하는 AMQP 기반 모드버스 게이트웨이 시스템에 의하여 달성 가능하다.
AMQP 기반 모드버스 게이트웨이 시스템의 슬레이브에는 모드버스 프로토콜 스택이 구비되고, 발행자에는 AMQP 스택이 구비되고, 구독자에도 AMQP 스택이 구비된다.
슬레이브는 모드버스 프로토콜 스택의 'Read Data Count (N)*2' 필드에 저장된 raw data를 AMQP 스택의 'Application data' 필드로 매핑시켜 데이터를 발행하고, 마스터는 구독자의 AMQP 스택의 'Application data' 필드에 저장된 데이트를 매핑으로 가져오는 방식으로 데이터 전송이 이루어지므로 병목 현상을 없앨 수 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 모드버스를 이용하여 마스터와 슬레이브 간의 통신 방식을 AMQP 기반 토픽 통신 방식으로 변환하여 통신하는 방법으로서, 슬레이브를 발행자와 연동시키고, 마스터를 구독자와 연동시키고, 발행자와 구독자를 AMQP 브로커와 연결하는 제1단계와, 슬레이브에 구비된 모드버스 프로토콜 스택에 저장된 데이터를 구독자 AMQP 스택에 매핑시키는 제2단계와, 매핑된 AMQP 스택을 브로커에 전달하는 제3단계와, 브로커는 매핑된 AMQP 스택을 구독자에 전송하는 제4단계 및 마스터는 매핑된 AMQP 스택으로부터 조건에 적합한 데이터를 매핑된 AMQP 스택의 'Application data' 필드로부터 가져오는 제5단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 AMQP 기반 모드버스 게이트웨이 통신 방법에 의해서도 달성 가능하다.
본 발명인 AMQP기반 모드버스 게이트웨이 시스템 및 통신 방법은 종래 모드버스 통신을 이용하는 서버/클라이언트 통신 방식의 단점을 보완한다. 본 발명의 주 목적인 병목현상이 해결되며, 또한 브로커의 사용으로 플랫폼간의 이식성이 향상되고 브로커 구조를 확장한다면 다른 프로토콜과 어플리케이션을 활용할 수 있다. 또한 UI가 지원되는 AMQP를 사용한다면 산업 현장의 실 데이터를 관리하고 확인할 때 유용한 이점이 있다.
도 1은 종래 TCP/IP 기반 모드버스 통신방식의 구성도.
도 2는 종래 모드버스 통신 패킷 구성도.
도 3은 본 발명에 따른 일 실시예로서 AMQP 기반 모드버스 게이트웨이 시스템의 구성도.
도 4는 도 3에 제시된 AMQP 기반 모드버스 게이트웨이 시스템에서 모듈 매핑 구조도.
도 5는 다중 서버로 구성되는 종래 모드버스 시스템에서 요청과 응답에 대한 신호 흐름도.
도 6은 다중 발행자를 갖는 본 발명에 따른 일 실시예의 AMQP 기반 모드버스 게이트웨이 시스템의 구성도.
도 7은 다중 서버 및 다중 클라이언트로 구성되는 종래 모드버스 시스템에서 요청과 응답에 대한 신호 흐름도.
도 8은 다중 서버 및 다중 클라이언트로 구성되는 본 발명에 따른 일 실시예의 AMQP 기반 모드버스 게이트웨이 시스템의 구성도.
본 발명에서 사용하는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 본 명세서에서, "~ 상에 또는 ~ 상부에" 라 함은 대상 부분의 위 또는 아래에 위치함을 의미하는 것이며, 반드시 중력 방향을 기준으로 상 측에 위치하는 것을 의미하는 것은 아니다. 또한, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "상에 또는 상부에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 상에 또는 상부에" 접촉하여 있거나 간격을 두고 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.
또한, 본 명세서에서, 일 구성요소가 다른 구성요소와 "연결된다" 거나 "접속된다" 등으로 언급된 때에는, 상기 일 구성요소가 상기 다른 구성요소와 직접 연결되거나 또는 직접 접속될 수도 있지만, 특별히 반대되는 기재가 존재하지 않는 이상, 중간에 또 다른 구성요소를 매개하여 연결되거나 또는 접속될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
또한, 본 명세서에서, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
모드버스는 산업 현장에서 PLC(Programmable Logic Controller)의 데이터를 조회하고 제어하기 위한 프로토콜로 사용되고 있다. 모드버스는 Slave/Master의 형태로 통신하며, 표준으로 RTU 연결 및 TCP/IP 연결을 지원한다. 모드버스는 데이터를 조회하기 위해 하나의 Master가 연결된 모든 Slave에게 각각 폴링하는 방법을 택하고 있다.
한편, AMQP(Advanced Message Queuing ProtocoL)는 메시지 큐에 기반한 표준 프로토콜이다. 메시지 큐는 메시지 기반 미들웨어로 메시지를 이용하여 여러 어플리케이션, 시스템 및 서비스들을 연결해 주는 솔루션이다. 메시지 큐 통신은 프로듀서(producer)가 메시지를 큐에 넣어두면 컨슈머(consumer)가 메시지를 가져가 처리하는 방식이다. 또한, AMQP는 브로커 방식의 통신으로 MQTT 브로커와 통신할 수 있는 확장성이 생기며 플랫폼간의 이식 가능성이 제공된다. 서버/클라이언트 방식의 시스템은 동기 방식으로 많은 데이터 통신을 하게 되면 병목 현상이 생기게 되고 서버의 성능이 저하된다.
산업 현장의 모드버스 시스템은 그 수가 많기 때문에 통신을 위해 접속하는 클라이언트가 증가할 경우 병목 현상으로 인해 속도가 느려진다. 따라서 본 발명은 종래 모드버스 TCP/IP 구조를 데이터 수집에 사용하는 대신, AMQP 기반 게이트웨이를 연동하여 병목 문제를 해결하고자 하는 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 일 실시예로서 AMQP 기반 모드버스 게이트웨이 시스템의 구성도이며, 도 4는 도 3에 제시된 AMQP 기반 모드버스 게이트웨이 시스템에서 모듈 매핑 구조도이다. 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 AMQP 기반 모드버스 게이트웨이 시스템은 슬레이브(slave/server)에 발행자(Publisher)를 내장 구현하고, 마스터(master/client)에 구독자(Subscriber)를 내장 구현하며 발행자와 구독자 사이의 메세지를 중개하는 AMQP 브로커로 구성된다.
본 발명에서는 도 4에 도시된 바와 같이 Slave(Server)/Master(Client) 안에 PubSub 구조 모듈을 구현하여 브로커와 통신 할 수 있도록 한다. 도 4의 슬레이브(Slave/server)에서 응답데이터로 쓰이는 raw data를 발행자(Publisher)의 application의 data부분에 매핑하여 브로커와 통신을 한다.
해당 raw data는 슬레이브의 모드버스 프로토콜 스택의 'Read Data Count (N)*2' 필드에 저장되어 있다. 슬레이브는 'Read Data Count (N)*2' 필드에 저장된 raw data를 발행자의 AMQP 스택의 'Application data' 필드에 매핑하여 브로커에 전달한다. 마스터는 구독자를 통해 전달받은 AMQP 스택의 'Properties' 필드를 이용하여 원하는 데이터가 발행되었는지 여부를 판별하고, 판별 결과가 참인 경우 AMQP 스택의 'Application data' 필드에 저장된 데이터를 매핑으로 통해 가져오는 방식이다. 따라서 본 발명에 따른 AMQP 기반 모드버스 게이트웨이 시스템은 표면적으로는 Slave(Server)/Master(Client)의 통신 과정으로 보이나 실질적으로는 PubSub 구조를 갖는다.
모드버스는 Slave(Server)/Master(Client) 구조로 통신하며, 종래 모드버스는 요청/응답의 방식으로 N개의 다중 클라이언트와 통신이 이루어진다면, 클라이언트는 데이터를 요청하고 서버는 그 데이터를 찾아 전송하는 것을 N번 반복해야하기 때문에 병목현상이 발생한다. 하지만 본 발명에 따른 AMQP 기반 오드버스 게이트웨이 시스템의 경우 서버의 데이터를 발행자(Publisher)가 수신하여 브로커에 송신한다. 이에 구독자(Subscriber)는 원하는 데이터의 토픽 혹은 라우팅 키에 맞는 데이터만 구독하여 클라이언트에게 전달해주면 되므로 병목 현상을 발생하지 않는 이점이 있다.
도 5는 다중 서버로 구성되는 종래 모드버스 시스템에서 요청과 응답에 대한 신호 흐름도이다. 종래 모드버스의 경우 하나의 클라이언트가 다중 서버에 요청을 보낸다. 이에 서버는 클라이언트에 응답을 보내는 형식인데 이 또한 N개의 서버가 있다면 N번의 요청과 응답을 반복해야 하므로 병목 현상이 발생하게 된다.
도 6은 다중 발행자를 갖는 본 발명에 따른 일 실시예의 AMQP 기반 모드버스 게이트웨이 시스템의 구성도이다. 본 발명에 따른 AMQP기반 모드버스 게이트웨이 시스템의 경우 발행자(Publisher)가 브로커에 각각의 데이터를 Publishing 하면 구독자(Subscriber)는 설정한 토픽 또는 라우팅 키에 맞는 데이터를 수신하면 되므로 병목 현상이 역시 사라지게 된다.
도 7은 다중 서버 및 다중 클라이언트로 구성되는 종래 모드버스 시스템에서 요청과 응답에 대한 신호 흐름도이다. 종래 모드버스의 경우 두 개의 클라이언트가 두 개의 서버에게 각각 데이터를 요청하고, 각각의 서버가 클라이언트들에게 응답한다. 이에 각각의 서버/클라이언트에 대한 연결 설정으로 인해 데이터 전송 외의 시간이 많이 소요되는 문제점이 있음을 알 수 있다.
도 8은 다중 서버 및 다중 클라이언트로 구성되는 본 발명에 따른 일 실시예의 AMQP 기반 모드버스 게이트웨이 시스템의 구성도이다. 본 발명에 따른 AMQP기반 모드버스 게이트웨이 시스템의 경우 발행자(Publisher)가 브로커에 각각의 데이터를 Publishing 하면 구독자(Subscriber)는 설정한 토픽 또는 라우팅 키에 맞는 데이터를 구독하면 되므로 연결 설정에 대한 소요 시간을 없앨 수 있다. 즉, PubSub의 개수와 상관없이 브로커에 연결만 하면 코드상 설정된 값에 맞게 통신할 수 있는 것이다.
종래 서버/클라이언트 모드버스 통신과 본 발명에 따른 PubSub 방식의 차이가 도 7 및 도 8에서 가장 확연히 차이가 있음을 확인할 수 있다.
상기에서 본 발명의 바람직한 실시예가 특정 용어들을 사용하여 설명 및 도시되었지만 그러한 용어는 오로지 본 발명을 명확히 설명하기 위한 것일 뿐이며, 본 발명의 실시예 및 기술된 용어는 다음의 청구범위의 기술적 사상 및 범위로부터 이탈되지 않고서 여러가지 변경 및 변화가 가해질 수 있는 것은 자명한 일이다. 이와 같이 변형된 실시예들은 본 발명의 사상 및 범위로부터 개별적으로 이해되어져서는 안되며, 본 발명의 청구범위 안에 속한다고 해야 할 것이다.

Claims (6)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 발행자(Publisher)가 내장된 슬레이브와,
    구독자(Subscriber)가 내장된 마스터 및
    상기 발행자 및 구독자 사이에서 토픽을 중계하는 AMQP 브로커를 포함하고,
    상기 슬레이브에는 모드버스 프로토콜 스택이 구비되고, 상기 발행자에는 AMQP 스택이 구비되며,
    상기 슬레이브는 상기 모드버스 프로토콜 스택의 'Read Data Count (N)*2' 필드에 저장된 raw data를 상기 AMQP 스택의 'Application data' 필드로 매핑시키는 것을 특징으로 하는 AMQP 기반 모드버스 게이트웨이 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 마스터는 상기 구독자의 AMQP 스택의 'Application data' 필드에 저장된 데이트를 매핑으로 가져오는 것을 특징으로 하는 AMQP 기반 모드버스 게이트웨이 시스템.
  6. 모드버스를 이용하여 마스터와 슬레이브 간의 통신 방식을 AMQP 기반 토픽 통신 방식으로 변환하여 통신하는 방법으로서,
    상기 슬레이브를 발행자와 연동시키고, 상기 마스터를 구독자와 연동시키고, 상기 발행자와 상기 구독자를 AMQP 브로커와 연결하는 제1단계와,
    - 상기 슬레이브에는 모드버스 프로토콜 스택이 구비되고, 상기 발행자에는 AMQP 스택이 구비됨 -
    상기 슬레이브에 구비된 상기 모드버스 프로토콜 스택에 저장된 데이터를 상기 AMQP 스택에 매핑시키는 제2단계와,
    상기 매핑된 AMQP 스택을 상기 AMQP 브로커에 전달하는 제3단계와,
    상기 AMQP 브로커는 상기 매핑된 AMQP 스택을 상기 구독자에 전송하는 제4단계 및
    상기 마스터는 상기 매핑된 AMQP 스택으로부터 조건에 적합한 데이터를 상기 매핑된 AMQP 스택의 'Application data' 필드로부터 가져오는 제5단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 AMQP 기반 모드버스 게이트웨이 통신 방법.
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