KR102662604B1 - 이더캣 통신 노드간 실시간 시간 동기화 방법 - Google Patents

이더캣 통신 노드간 실시간 시간 동기화 방법 Download PDF

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Abstract

라인 토폴리지로 연결된 하나의 마스터 및 복수의 슬레이브 사이의 실시간 시간 동기화 방법은, 마스터가 미리 지정된 어느 하나의 슬레이브에 분산클럭 데이터그램을 전송하는 단계와, 지정된 슬레이브가 분산클럭 데이터그램을 수신한 후 마스터로 상기 분산클럭 데이터그램을 회신하는 단계와, 마스터와 지정된 슬레이브 사이에 연결된 적어도 하나 이상의 슬레이브가 마스터와 지정된 슬레이브 사이에서 교환되는 분산클럭 데이터그램을 엿듣고(overhear) 스스로 시간 동기화를 수행하는 단계를 포함한다.

Description

이더캣 통신 노드간 실시간 시간 동기화 방법{Real-time time synchronization method between EtherCAT communication nodes}
본 발명은 통신 시간동기화 방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 이더캣 통신 노드간 실시간 시간 동기화 방법에 관한 것이다.
최근 차량용 통신으로 이더넷(Ethernet)이 관심을 받고 있으며, 향후 차량용 통신방식의 주축으로 자리 잡게 될 것으로 예측하고 있다.
지능형 자동차에 적합한 차량용 네트워크는 저렴한 가격, 빠른 속도, 확정적인 통신 특성, 유지 보수성, 확장성 등을 만족해야 한다.
하지만 이더넷(Ethernet)은 CSMA/CD 기반의 MAC을 사용하기 때문에 통신의 확정성이 낮고, 시간동기를 지원하지 않기 때문에 자동차와 같은 안전이 중요한 시스템에 적용에 어려움을 겪는다.
한편, 이더캣(Ethernet for Control Automation Technology, EtherCAT)은 이더넷 기반의 필드버스 시스템이다.
이더캣(EtherCAT)에서는 시간동기화를 위한 디스트리뷰트 클럭(Distribute clock) 프로토콜을 사용한다.
이더캣(EtherCAT)은 하나의 마스터(Master)와 다수의 슬레이브(Slave)로 구성되는데 디스트리뷰트 클럭(Distribute clock) 프로토콜을 이용하여 마스터(Master)가 다수의 슬레이브(Slave)와 1;1로 시간동기화 작업을 수행한다. 이때, 슬레이브(Slave)의 수가 증가할수록 시간동기화 시간이 산술급수적으로 증가하는 문제점이 있다.
KR 10-2014-0014918A
본 발명은 상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해 제안된 것으로, 마스터(Master)와 특정 슬레이브(Slave) 간에 주고받은 분산클럭 데이터그램을 통해 각 슬레이브(Slave) 스스로 마스터(Master)와 시간동기를 수행하여, 시간 동기화를 위한 패킷과 처리시간을 감소시킬 수 있는 이더캣 통신 노드간 실시간 시간 동기화 방법을 제공한다.
상기 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 라인 토폴리지로 연결된 하나의 마스터 및 복수의 슬레이브 사이의 실시간 시간 동기화 방법에 있어서, 마스터가 미리 지정된 어느 하나의 슬레이브에 분산클럭 데이터그램을 전송하는 단계와, 지정된 슬레이브가 분산클럭 데이터그램을 수신한 후 마스터로 분산클럭 데이터그램을 회신하는 단계와, 마스터와 지정된 슬레이브 사이에 연결된 적어도 하나 이상의 슬레이브가 마스터와 지정된 슬레이브 사이에서 교환되는 분산클럭 데이터그램을 엿듣고(overhear) 스스로 시간 동기화를 수행하는 단계를 포함하는 이더캣 통신 노드간 실시간 시간 동기화 방법이 제공된다.
또한, 본 발명에서 마스터와 지정된 슬레이브 사이에 연결된 적어도 하나 이상의 슬레이브는 각각, 분산클럭 데이터그램의 도착시간을 저장하고 자신의 시간동기 연산을 처리할 때 사용하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에서 마스터와 복수의 슬레이브는, IEEE 1588 PTP(Precision Time Protocol)을 이용하여 시간 동기화를 진행하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에서 마스터와 지정된 슬레이브 사이에 연결된 적어도 하나 이상의 슬레이브는 각각, 마스터와 지정된 슬레이브가 시간 동기화되는 시점에 시간 동기화를 완료하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 이더캣 통신 노드간 실시간 시간 동기화 방법은, 마스터(Master)와 특정 슬레이브(Slave) 간에 주고받은 분산클럭 데이터그램을 통해 각 슬레이브(Slave) 스스로 마스터(Master)와 시간동기를 수행하여, 시간 동기화를 위한 패킷과 처리시간을 감소시킬 수 있으므로 네트워크 스루풋(Throughput)을 향상시킬 수 있다.
도 1은 라인 토폴리지로 연결된 하나의 마스터 및 복수의 슬레이브의 구성도
도 2는 IEEE 1588 PTP(Precision Time Protocol)의 응답시간(Round Trip Delay, RTD) 연산과정을 나타낸 도면
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 라인 토폴리지의 응답시간(Round Trip Delay, RTD)을 나타낸 도면
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 라인 토폴리지에서 시간 동기화의 흐름을 나타낸 제1 예시도
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 라인 토폴리지에서 시간 동기화의 흐름을 나타낸 제2 예시도
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 라인 토폴리지에서 시간 동기화의 흐름을 나타낸 제3 예시도
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 라인 토폴리지에서 시간 동기화의 흐름을 나타낸 제4 예시도
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도 1은 라인 토폴리지로 연결된 하나의 마스터 및 복수의 슬레이브의 구성도이고, 도 2는 IEEE 1588 PTP(Precision Time Protocol)의 응답시간(Round Trip Delay, RTD) 연산과정을 나타낸 도면이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 라인 토폴리지의 응답시간(Round Trip Delay, RTD)을 나타낸 도면이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 라인 토폴리지에서 시간 동기화의 흐름을 나타낸 제1 예시도이고, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 라인 토폴리지에서 시간 동기화의 흐름을 나타낸 제2 예시도이고, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 라인 토폴리지에서 시간 동기화의 흐름을 나타낸 제3 예시도이고, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 라인 토폴리지에서 시간 동기화의 흐름을 나타낸 제4 예시도이다.
본 발명의 시간 동기화는 이더캣(EtherCAT)을 구성하는 토폴로지 중에서 리턴 패스(Return path)가 트랜스미트 패스(transmit path)와 동일한 라인 토폴로지에서 사용가능한 시간 동기화 기술이며, 이더캣(EtherCAT)의 디스트리뷰트 클럭(Distribute clock) 프로토콜이 아닌 ieee1588 ptp 프로토콜을 사용함으로써 범용 이더넷(Ethernet network)상에서 이더캣(EtherCAT)망을 구성하여 사용할 수 있다.
여기에서 IEEE 1588 PTP(Precision Time Protocol)는 이더넷과 같은 네트워크 장치를 정밀하게 동기화 될 수 있도록 규정된 표준이다.
즉, 정밀 시각 프로토콜(Precision Time Protocol, PTP)은 네트워크 간 정확한 동기화를 가능하도록 하는 IEEE 1588 표준 시간 전송 프로토콜이며, 하드웨어에서 생성하는 타임스탬프를 사용할 때 나노초 단위의 정확도까지 보장해 줄 수 있다.
도 1 내지 도 7을 참조하여, 본 발명의 이더캣 통신 노드간 실시간 시간 동기화 방법을 간단히 요약해서 설명하면,
라인 토폴로지에서 마스터(Master)와 물리적 거리가 가장 먼 - 응답시간(Round Trip Delay, RTD가 가장 큰 - 슬레이브(Slave)와 시간 동기화를 수행하는데,
이때 마스터(Master) - 슬레이브(Slave) 사이에 주고받은 패킷을 네트워크에 존재하는 다른 슬레이브(Slave)가 엿듣고(Overhear)해석하여 슬레이브(Slave) 스스로 마스터(Master)와 시간 동기화를 수행한다. 즉, 각 슬레이브(Slave)는 각 송수신 패킷의 도착시간을 저장하고, 자신의 시간 동기 연산을 처리할 때 사용한다.
마스터는 마지막 슬레이브와 시간동기화가 완료되면, 나머지 슬레이브와 시간 동기화가 완료되었다고 판단한다.
또한, 모든 슬레이브의 시간동기화 완료 유무를 확인이 필요할 경우 슬레이브는 데이터 그램을 송신할 때 데이터 그램의 일부를 시간동기화 완료 유무 표시가 가능한 영역을 정의하고, 해당 영역의 특정 비트를 설정하여 마스터에게 슬레이브의 시간 동기화 유무를 알릴 수도 있다.
이와 같은 방식은, 마스터(Master)와 마스터(Master)와 가장 먼 슬레이브(Slave)간 1회의 시간 동기화를 통해 네트워크 내의 모든 슬레이브(Slave)가 시간 동기화가 가능하다. 이 방법을 통해 시간 동기화를 위한 패킷과 처리시간을 최소화 가능하며, 네트워크 스루풋(Throughput) 향상을 기대할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 라인 토폴리지의 응답시간(Round Trip Delay, RTD)을 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 마스터(Master), 제1 슬레이브(Slave #1), 제2 슬레이브(Slave #2) 및 제3 슬레이브(Slave #3)가 순서대로 라인 토폴리지로 연결되어 있다.
t1 : 마스터에서 출발시간
t2 : 슬레이브 도착시간
t2'-t1 : 전송지연 TPD1 (Master → Slave #1)
t2''-t2' : 전송지연 TPD2 (Slave#1 → Slave #2)
t2-t2'' : 전송지연 TPD3 (Slave#2 → Slave #3)
t3 : 슬레이브에서 출발시간
t4 : 마스터 도착시간
t3-t3'' : 전송지연 RPD3 (Slave#3 → Slave #2)
t3''-t3' : 전송지연 RPD2 (Slave#2 → Slave #1)
t4-t3' : 전송지연 RPD1 (Slave #1 → Master)
마스터(Master)와 가장 멀리 있는 제3 슬레이브(Slave #3)와의 응답시간(Round Trip Delay, RTD)은, Slave #3 RTD = ((t2-t1)+(t4-t3))/2 로 정의된다. 이는 IEEE 1588 PTP(Precision Time Protocol)의 응답시간(Round Trip Delay, RTD) 연산과 동일하다.
또한, 제1 슬레이브(Slave #1)의 응답시간(Round Trip Delay, RTD)은, Slave #1 RTD = ((t2-t1)+(t4-t3)-(t3'-t2'))/2 로 정의된다.
또한, 제2 슬레이브(Slave #2)의 응답시간(Round Trip Delay, RTD)은, Slave #3 RTD = ((t2-t1)+(t4-t3)-(t3''-t2''))/2 로 정의된다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 라인 토폴리지에서 시간 동기화의 흐름을 나타낸 제1 예시도이고, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 라인 토폴리지에서 시간 동기화의 흐름을 나타낸 제2 예시도이고, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 라인 토폴리지에서 시간 동기화의 흐름을 나타낸 제3 예시도이고, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 라인 토폴리지에서 시간 동기화의 흐름을 나타낸 제4 예시도이다.
도 4 내지 도 7의 시간 동기화 흐름도를 참고하여, 이더캣 통신 노드간 실시간 시간 동기화 방법이 과정을 설명하면 다음과 같다.
우선, 도 4 내지 도 7의 시간 파라미터는 하기와 같이 정의된다.
t0 : 마스터에서 분산클럭 데이터그램이 출발한 시간
t1 : 슬레이브#1 에 분산클럭 데이터그램이 도착한 시간
t2 : 슬레이브#1에서 분산클럭 데이터그램 출발한 시간
t3 : 슬레이브#2 에 분산클럭 데이터그램이 도착한 시간
t4 : 슬레이브#2에서 분산클럭 데이터그램 출발한 시간
t5 : 슬레이브#N 에 분산클럭 데이터그램이 도착한 시간
t6 : 슬레이브#N에서 분산클럭 데이터그램 출발한 시간
t7 : 슬레이브#2 에 분산클럭 데이터그램이 도착한 시간
t8 : 슬레이브#2에서 분산클럭 데이터그램 출발한 시간
t9 : 슬레이브#1 에 분산클럭 데이터그램이 도착한 시간
t10 : 슬레이브#1에서 분산클럭 데이터그램 출발한 시간
t11: 마스터에 분산클럭 데이터그램 이 도착한 시간
- 처리시간에 따른 전송 지연시간
tpd2 : 슬레이브#1이 분산클럭 데이터 그램을 수신하고 송신하기까지 소요되는 처리 시간, t2 - t1
tpd4 : 슬레이브#2이 분산클럭 데이터 그램을 수신하고 송신하기까지 소요되는 처리 시간, t4 - t3
tpd6 : 슬레이브#N이 분산클럭 데이터 그램을 수신하고 송신하기까지 소요되는 처리 시간, t6 - t5
tpd8 : 슬레이브#2이 분산클럭 데이터 그램을 수신하고 송신하기까지 소요되는 처리 시간, t8 - t7 (= tpd4)
tpd10 : 슬레이브#1이 분산클럭 데이터 그램을 수신하고 송신하기까지 소요되는 처리 시간, t10 - t9 (= tpd2)
- 선로상 전송 지연시간
tpd1 : 마스터와 슬레이브 #1 간의 전송 지연, t1 - t0
tpd3 : 슬레이브#1과 슬레이브#2 간의 전송 지연, t3 - t2
tpd5 : 슬레이브#2와 슬레이브 #N 간의 전송 지연, t5 - t4
tpd7 : 슬레이브#2과 슬레이브 #N간의 전송 지연, t7 - t6 (= tpd5)
tpd9 : 슬레이브#1과 슬레이브#2 간의 전송 지연, t9 - t8 (= tpd3)
tpd11 : 마스터와 슬레이브 #1 간의 전송 지연, t11 - t10 (= tpd1)
우선, 마스터와 마지막 슬레이브 사이의 응답시간(Round Trip Delay, RTD)은 수식 1과 같이 정의된다.
<수식 1>
다음으로, RTDMaster↔ Slave 2 의 측정은 Slave#2가 RTDSlave 2↔Slave N 에 대해 능동적으로 측정하고, 그 값을 RTDMaster↔Slave N에 대한 측정 값의 차로 계산하며, 수식 2와 같이 정의된다.
<수식 2>
이때 수식적으로 RTDMaster↔ Slave 2 =((t3-t0)+ (t11-t8)) /2 으로 연산이 가능하다.
하지만 송수신 된 시간동기화 데이터는 RTDMaster↔Slave N 의 값으로 작성되어 있으므로, RTDMaster↔ Slave 2 값을 측정하기 위해서 Slave 2에대한 시간동기화 데이터를 추가로 전송해야 한다.
이러한 경우 슬레이브가 증가 할수록 시간동기화 데이터량이 증가하게 되므로, RTDMaster↔ Slave 2 =((t3-t0)+ (t11-t8))/2 의 연산 방법은 배제한다.
마지막으로 RTDMaster↔ Slave 1 의 측정은 Slave#1가 RTDSlave 1↔Slave N 에 대해 능동적으로 측정하고, 그 값을 RTDMaster↔Slave N에 대한 측정 값의 차로 계산하며 수식 3과 같다.
<수식 3>
상술한 바와 같이, 라인 토폴리지로 연결된 하나의 마스터 및 복수의 슬레이브 사이의 실시간 시간 동기화 방법은,
마스터가 미리 지정된 어느 하나의 슬레이브에 분산클럭 데이터그램을 전송하는 단계와,
지정된 슬레이브가 분산클럭 데이터그램을 수신한 후 마스터로 분산클럭 데이터그램을 회신하는 단계와,
마스터와 지정된 슬레이브 사이에 연결된 적어도 하나 이상의 슬레이브가 마스터와 지정된 슬레이브 사이에서 교환되는 분산클럭 데이터그램을 엿듣고(overhear) 스스로 시간 동기화를 수행하는 단계를 통해 처리된다.
이때, 마스터와 상기 복수의 슬레이브는, IEEE 1588 PTP(Precision Time Protocol)을 이용하여 시간 동기화를 진행한다.
또한, 마스터와 지정된 슬레이브 사이에 연결된 적어도 하나 이상의 슬레이브는 각각, 분산클럭 데이터그램의 도착시간을 저장하고 자신의 시간동기 연산을 처리할 때 사용한다. 또한, 마스터와 지정된 슬레이브 사이에 연결된 적어도 하나 이상의 슬레이브는 각각, 마스터와 지정된 슬레이브가 시간 동기화되는 시점에 시간 동기화를 완료한다.
여기에서 IEEE 1588 PTP(Precision Time Protocol)는 이더넷과 같은 네트워크 장치를 정밀하게 동기화 될 수 있도록 규정된 표준이다.
즉, 정밀 시각 프로토콜(Precision Time Protocol, PTP)은 네트워크 간 정확한 동기화를 가능하도록 하는 IEEE 1588 표준 시간 전송 프로토콜이며, 하드웨어에서 생성하는 타임스탬프를 사용할 때 나노초 단위의 정확도까지 보장해 줄 수 있다.
또한, 데이터그램 (Datagram)이란, 인터넷을 통해 전달되는 정보의 기본 단위를 뜻하며, 패킷교환에서 각각 독립적으로 취급되는 각각의 패킷을 지칭한다.
본 발명의 실시예에 따른 이더캣 통신 노드간 실시간 시간 동기화 방법은, 마스터(Master)와 특정 슬레이브(Slave) 간에 주고받은 분산클럭 데이터그램을 통해 각 슬레이브(Slave) 스스로 마스터(Master)와 시간동기를 수행하여, 시간 동기화를 위한 패킷과 처리시간을 감소시킬 수 있으므로 네트워크 스루풋(Throughput)을 향상시킬 수 있다.
즉, 일반적인 시간동기화 기법과 달리 마스터(Master)와 모든 슬레이브(Slave)간 시간 동기화를 마스터(Master)가 관여하지 않고 마스터(Master)- 특정 슬레이브(Slave)간 주고받은 패킷을 통해 슬레이브(Slave) 스스로 마스터(Master)와 시간 동기를 수행하여, 시간 동기화를 위한 패킷과 처리시간을 최소화 가능하며, 네트워크 스루풋(Throughput) 향상을 기대할 수 있다.
따라서 본 발명의 이더캣 통신 노드간 실시간 시간 동기화 방법은 슬레이브(Slave)의 수가 증가하더라도 이전방식(IEEE 1588)의 시간 동기화 보다 짧은 시간에 모든 슬레이브(Slave)와 시간동기화를 수행할 수 있다.
이와 같이, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (4)

  1. 리턴 패스가 트랜스미트 패스와 동일한 라인 토폴리지로 연결된 하나의 마스터 및 복수의 슬레이브 사이의 실시간 시간 동기화 방법에 있어서,
    마스터가 물리적 거리가 가장 먼 마지막 슬레이브에 분산클럭 데이터그램을 전송하는 단계;
    상기 마지막 슬레이브가 상기 분산클럭 데이터그램을 수신한 후 상기 마스터로 상기 분산클럭 데이터그램을 회신하는 단계; 및
    상기 마스터와 상기 마지막 슬레이브 사이에 연결된 적어도 하나 이상의 슬레이브가 상기 마스터와 상기 마지막 슬레이브 사이에서 교환되는 상기 분산클럭 데이터그램을 엿듣고(overhear) 스스로 시간 동기화를 수행하는 단계;를 포함하고,
    상기 마스터와 상기 마지막 슬레이브 사이에 연결된 적어도 하나 이상의 슬레이브는 각각, 상기 분산클럭 데이터그램의 도착시간을 저장하고 자신의 시간동기 연산을 처리할 때 사용하고,
    상기 마스터와 상기 복수의 슬레이브는, IEEE 1588 PTP(Precision Time Protocol)을 이용하여 시간 동기화를 진행하며,
    상기 마스터와 상기 마지막 슬레이브 사이에 연결된 적어도 하나 이상의 슬레이브는 각각, 상기 마스터와 상기 마지막 슬레이브가 시간 동기화되는 시점에 시간 동기화를 완료하는 것을 특징으로 하는 이더캣 통신 노드간 실시간 시간 동기화 방법.
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