KR19980034183A - 이더넷을 통한 통신시스템의 데이터그램 처리방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 스위칭장비 또는 전송장비와 같이 이더넷을 통해 통신을 행하는 실시간 통신시스템에 관한 것으로, 작은 크기의 데이터그램을 전송함에 따라 야기되는 오버헤드, 콘텍스트스위칭, 트랜스포트계층 및 클러스터링에 관한 문제점을 해걸한다. 이러한 본 발명은 이더넷을 통한 실시간 통신시스템에서, UDP/IP프로토콜의 상위에 위치하는 프로토콜드라이버를 구비하고 있으며 상기 프로토콜드라이버의 상위에 위치하는 어플리케이션프로그램으로부터 수신된 작은 메시지들을 모은 후 이 모은 작은 크기의 메시지들은 하나의 커다란 패킷으로 구성하여 이더넷상으로 전송하는 것을 특징으로 하는 데이터그램 처리방법을 제공한다. 상기에서 형성된 패킷의 최대 크기는 IP프로토콜 표준에 의해 정해지는 것을 특징으로 한다.

Description

이더넷을 통한 통신시스템의 데이터그램 처리방법

본 발명은 스위칭장비 또는 전송장비와 같이 이더넷을 통해 통신을 수행하는 실시간 통신시스템에 관한 것으로, 특히 작은 크기의 데이터그램을 전송함에 따라 야기되는 문제점들을 해소하기 위한 데이터그램 처리방법에 관한 것이다.

일반적으로 스위칭장비 또는 전송장비에 이용되고 있는 컴퓨터들은 이더넷(Eithernet)을 통신매체로 사용하여 범용컴퓨터(generally purposed computer)와 통신을 행한다. 이와 같이 이더넷을 통한 통신 방식은 대부분의 경우에 클라이언트(client)/서버(server) 개념을 근거로 하여 통신을 수행한다. 클라이언트/서버 개념에서 데이터그램(datagram)은 수 킬로바이트(KByte) 내지 수 메가바이트(MByte) 범위의 길이를 가지는데 이러한 길이의 데이터그램을 전송하는 데는 수초의 시간이 요구된다.

상기 이더넷을 통한 통신에서의 클라이언트/서버는 하위계층(lower layer)의 프로토콜인 TCP(Transmission Control Protocol)/IP(Internet Protocol)를 사용한다. 서버와 클라이언트는 TCP/IP에 의해 제공된 접속확립메커니즘(connection establishing mechanism)을 사용한다. 서버는 클라이언트로부터 세션(session)이 요청되는 때마다 소켓(Socket)(소켓은 TCP계층에서의 트랜스포트접속으로 매핑된다)과 유닉스(UNIX)의 한 프로세스로 불리우는 분할세션(partitioned session)을 제공한다. 다른 클라이언트의 프로세스로부터 각 클라이언트의 프로세스를 분할하기 위하여 서버는 프로세스포크(Process-Fork)와 실행 유닉스 커넬 프리미티브(Execute UINX kernel primitive)를 사용하는 동작의 OS(Operating System)를 요구한다. 비록 클라이언트 전용의 각 프로세서의 프로그램코드가 클라이언트들의 프로세스중에 동일할지라도, 동일한 내용의 프로그램코드가 각 프로세스의 가상어드레스영역에 라이트되는 것이 일반적이다. 이러한 동작은 물리적인 메모리(physical memory)의 양에 대한 소모를 증가시켜, 결과적으로 시스템의 성능을 저하시키는 영향을 미친다.

전술한 바와 같이 클라이언트/서버 개념을 근거로 하여 이더넷상으로 아주 작은 크기의 데이터그램을 전송하는 통신방식은 결과적으로 시스템의 성능을 저하시킨다. 이러한 문제점은 스위칭장비 또는 전송장비를 제어하는 컴퓨터가 PC(Personal Computer)나 WS(Wideband Service)와는 다음과 같은 상이한 특성을 가지기 때문이다. 첫째, 스위칭장비 및 전송장비에서는 PC 또는 WS에서 요구되는 회전시간(TAT: Turn Around Time)보다 빠른 TAT가 요구된다. 둘째, 스위칭장비 및 전송장비가 이더넷(Ethernet)을 억세스하는 주파수는 PC 또는 WS에서 억세스하는 주파수보다 빈번하다. 셋째, 스위칭장비 및 전송장비에 의해 전달되는 데이터그램(datagram)의 크기는 PC 또는 WS에서 전달되는 데이터그램의 크기보다 아주 작다. 스위칭 장비 또는 전송장비를 제어하는 컴퓨터가 위에서 언급한 바와 같은 특성을 가지기 때문에 오버헤드(overhead), 콘텍스트스위칭(context switching), 트랜스포트계층(transport layer) 및 클러스터링(clustering)에 관한 문제점이 야기된다.

먼저 도 1을 참조하여 이더넷상으로 작은 크기의 데이터그램이 전송됨에 따라 야기되는 오버헤드에 관한 문제점을 설명한다.

도 1은 작은 크기의 많은 메시지들이 데이터그램으로서 이더넷으로 순차적으로 전달되는 것을 보여주는 도면이다. 이러한 데이터그램은 두 개의 부분으로 구성되는데, 하나는 헤더(header) 12이고 다른 하나는 트레일러(trailer) 14이다. 상기 헤더 12는 인터네트워킹프로토콜(IP: Internetworking Protocol)과 트랜스포트프로토콜(TP: Transport Protocol)에 의해 사용된 프리앰플(preamble)과 프로토콜헤더(protocol header)로 이루어진다. 프리앰블은 1비트와 0비트의 순환으로 이루어지는데, 이러한 비트스트림(bit stream)은 수신기가 송신기에 동기되어지도록 사용되어진다. 그러므로 프리앰블의 길이는 약 10비트 정도가 되어야 한다. 상기 트레일러 14는 비트에러의 검출을 위한 CRC(Cyclic Redundancy Code)이다. 송신기는 데이터그램을 송신하기 전에 이더넷상에 캐리어가 존재하는지 여부를 검사하는 동작을 수행하는데, 이러한 동작을 위해 필요한 지속시간이 소위 백오프시간(back-off time)이라 불리우는 세 번째의 오버헤드 6이다. 한편 스위칭장비 또는 전송장비의 하드웨어를 제어하기 위해 사용되는 정보의 길이는 범용컴퓨터에서 사용되는 정보의 길이보다 작다. 일반적으로 스위칭장비 또는 전송장비의 하드웨어를 제어하기 위해 사용되는 정보는 수백바이트 이하의 길이를 갖는다. 그러므로 백오프시간 16, 프리앰블 및 프로토콜 헤더 12를 포함하는 오버헤드가 현저하게 증가하게 된다. 결과적으로 정보전송의 효율은 일반적인 컴퓨터네트워크 환경에서의 정보전송의 효율보다 현저하게 저하된다. 게다가 많은 수의 작은 데이터그램들이 이더넷으로 전송되는 경우에는 헤드가 충돌할 가능성이 급격하게 증가될 수 있다.

다음에 많은 작은 데이터그램들이 이데넷상으로 전송됨에 따라 야기되는 콘텍스트스위칭의 문제점을 설명한다.

어플리케이션 메시지가 어플리케이션프로세스로부터 트랜스포트프로토콜프로세스로 또는 트랜스포트프로토콜프로세스로부터 어플리케이션프로세서로 유출되는 경우에 콘텍스트스위칭이 발생한다. 이렇게 발생된 콘텍스트스위칭은 현저하게 많은 양의 컴퓨터전력을 소모시키고, 시스템의 성능을 현저하게 저하시킨다.

다음에 트랜스포트계층의 문제점을 설명한다.

전송제어프로토콜(TCP: Transmission Control Protocol) 또는 사용자데이터그램프로토콜(UDP: User Datagram Protocol)은 트랜스포트계층에 유용하다. 비록 TCP가 충분한 에러검출과 에러복구의 절차에는 용이하지만, 현저하게 많은 컴퓨터 전력소모를 야기하고 성능을 저하시킨다. 반면에 UDP는 가벼운 무게(light weight)의 프로토콜이지만 에러검출능력과 에러복구능력을 제공하지는 못한다. 스위칭장비 또는 전송장비와 같은 실시간시스템에 이더넷을 적용할 경우 가벼운 무게의 UDP가 보다 바람직하지만, 에러검출능력을 제공할 수 없다.

다음에 작은 크기의 메시지를 전송함에 따른 클러스터링에 관한 문제점을 도 2 및 도 3을 참조하여 설명한다.

작은 크기의 메시지를 전송하기 위해 프로토콜드라이버는 상위계층어플리케이션으로부터 전송요구를 기다린다. 전송요구에 따른 메시지가 수신되면 프로토콜드라이버는 도 2의 22에 도시된 바와 같이 목적지식별자(Destination Identifier)를 검사하고, 메시지를 다시 메시지내에 포함된 목적지식별자에 상응하는 개별적인 내부의 대기큐들에 저장(queue)한다. 메일박스로부터 모든 요구들이 인출된 경우에 상기 프로토콜드라이버는 다시 대기메시지들로부터 패킷클러스터링을 수행한다. 패킷클러스터링을 수행하다가 클러스터링이 최대 바이트수에 도달하게 되면 프로토콜드라이버는 도 2의 24에 도시된 바와 같이 패킷을 목적지노드로 전송한다. 이미 전송된 메시지들의 바이트수는 누적된 바이트수로부터 감산된다. 만일 전송될 메시지가 더 이상 존재하지 않거나 대기큐상의 모든 메시지들이 인출되기 전에 이미 전송된 패킷의 수가 최대 윈도우크기에 도달하였다면, 전송되어야 할 패킷은 응답요구(Response-Required)의 P비트를 포함하여야 한다. 후속하는 메시지들이 큐에 대기중이거나 최대 윈도우크기에 도달하지 않았다면, 체크포인트값은 응답요구를 하지 않는다(No Response-Required). 수신기는 P비트의 값을 체크하는데, 이때 만일 응답요구가 있는 것으로 판단되면 즉시 역으로 ACK를 응답한다.

한편 패킷을 수신하였을 때 수신기는 도 3에 도시된 바와 같이 하나의 패킷을 다수의 작은 메시지들로 디스어셈블(disassemble)한다. 이렇게 디스어셈블된 메시지들은 그들의 목적지어플리케이션식별자(destination application identifier)에 따라 상위계층의 어플리케이션(upper layer application)으로 전달된다.

상기 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 작은 크기의 메시지를 클러스터링하여 전송하는 종래 기술에 따른 통신방법에 따르면 콘텍스트스위칭 오버헤드가 증가하는 단점이 있으며, 또한 이러한 클러스터링에 소요되는 시간이 길어지는 단점이 있다.

따라서 본 발명의 목적은 이더텟을 통한 통신시스템에서 작은 크기의 데이터그램을 전송함에 따라 야기되던 전술한 바와 같은 문제점들을 해결하기 위한 데이터그램 처리방법을 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 이더텟을 통한 통신시스템의 일정 시간내에서의 작업처리량(throughput)을 증가시키는 데이터그램 처리방법을 제공함에 있다.

본 발명의 또다른 목적은 이더넷을 통한 통신시스템에서 데이터그램의 전송에 소요되는 시간을 단축시키는 데이터그램 처리방법을 제공함에 있다.

본 발명의 또다른 목적은 이더넷을 통한 통신시스템에서 접속을 자동으로 복구시키는 데이터그램 처리방법을 제공함에 있다.

이러한 목적들을 달성하기 위한 본 발명은 UDP/IP프로토콜의 상위에 위치하며, 가벼운 무게(light weight)의 에러복구능력을 제공하는 데이터그램 처리방법을 향한 것이다. 이러한 프로토콜 및 프로토콜드라이버는 이 프로토콜드라이버의 상위에 위치하는 어플리케이션프로그램으로부터 수신된 작은 메시지들을 모으고(aggregate), 이 모은 작은 크기의 메시지들은 하나의 커다란 패킷으로 구성하여 이더넷상으로 전송한다. 이때 형성된 패킷의 최대 크기는 IP프로토콜 표준에 따른다.

이러한 본 발명은 작은 크기의 데이터그램을 전송함에 따라 야기되던 오버헤드 문제를 도 4에 도시된 바와 같은 방법을 통해 해결한다. 도 4를 참조하면, 비록 상위계층 어플리케이션으로부터 전달된 메시지가 작은 크기의 메시지이지만, 본 발명은 이 작은 크기의 메시지들을 모아 하나의 커다란 패킷으로 형성한다. 이 패킷의 최대 데이터그램 길이는 IP프로토콜 표준에 의해 정해진다. 작은 크기의 메시지들을 현저하게 큰 패킷으로 모아 처리함으로써 이더넷상에서의 통신오버헤드를 감소시키고, 이더넷이 넘치게 되는 경우의 충돌가능성을 감소시킨다.

또한 본 발명은 작은 크기의 많은 데이터그램을 전송함에 따라 야기되던 콘텍스트 스위칭 문제를 도 5에 도시된 바와 같은 방법을 통해 해결한다. 즉 도 5를 참조하면, 작은 메시지들을 현저하게 커다란 패킷으로 클러스터링하면 메시지가 UDP/IP프로세스로부터/로 프로토콜드라이버로/로부터 전달될 때 발생하는 콘텍스트스위칭오버헤드를 감소시킨다. 데이터그램이 도착할 때마다 OS(OS커넬)에 존재하는 인터럽트핸들러(interrupt handler)가 불리어지고 후속하여 콘텍스트 UDP/IP프로세스로 스위칭된다. UDP/IP프로세스는 후속하여 프로토콜드라이버로 콘텍스트스위칭된다. 클러스터링에 의해 콘텍스트스위칭에 소요되는 시간은 감소된다.

그리고 또한 본 발명은 트랜스포트계층의 문제를 하기와 같은 방법을 통해 해결한다. 즉 스위칭장비 또는 전송장비에 사용된 단일 케이블의 이더넷은 신뢰성이 있기 때문에 심플프로토콜은 검출될 수 있고 손상된 패킷 또는 버려진 패킷은 복구될 수 있다. 이 심플프로토콜은 일반적인 TCP프로토콜에 비해 전력소모를 줄일 수 있다.

도 1은 이더넷을 통한 통신시스템에서 작은 크기의 메시지를 전송할 시 종래 기술에 따라 처리된 데이터그램의 구조를 보여주는 도면.

도 2 및 도 3은 종래 기술에 따라 작은 크기의 메시지를 전송할 시 클러스터링에 관한 문제가 발생함을 설명하기 위한 도면.

도 4는 이더넷을 통한 통신시스템에서 작은 크기의 데이터그램을 전송함에 따라 야기되던 오버헤드 문제가 본 발명에 의해 해결됨을 설명하기 위한 도면.

도 5는 작은 크기의 많은 데이터그램을 전송함에 따라 야기되던 콘텍스트 스위칭 문제가 본 발명에 의해 해결됨을 설명하기 위한 도면.

도 6은 본 발명에 따른 이더넷을 통한 통신시스템의 구조를 보여주는 도면.

도 7은 본 발명에 따라 처리된 데이터그램의 통신시퀀스의 일예를 보여주는 도면.

도 8은 본 발명에 따라 패킷을 전송하는 전형적인 시퀀스를 보여주는 도면.

도 9는 본 발명에 따른 재전송 시퀀스를 보여주는 도면.

이하 본 발명의 바람직한 실시예의 상세한 설명이 첨부된 도면들을 참조하여 설명될 것이다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 사용하고 있음에 유의하여야 한다. 또한 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의 내려진 용어들로서 이는 사용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있으므로, 그 정의는 본 명에서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 6은 본 발명에 따른 통신시스템, 즉 이더넷을 통한 통신시스템의 구조를 보여주는 도면이다.

도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 통신시스템은 하나의 중앙프로세서(CP: Central Processor) 62와 다수의 라인스위치모듈(LSM: Line Switch Module) 64로 구성된다. 이러한 구성요소들은 이더넷(Ethernet)을 통해 서로 서로 연결된다. 상기 CP 62는 범용컴퓨터(generally purposed Computer) 및 일반적인 오퍼레이팅시스템(Operating System)에서 런닝되는 소프트웨어시스템이다. 상기 LSM 64는 라인유니트들과, 스위칭유니트들과, 이 유니트들을 감독하고 제어하는 제어유니트로 구성된다.

도 7은 본 발명의 통신방법에 따른 시퀀스(sequence)의 일예를 보여주는 도면이다.

도 7의 (a)는 통신의 일측이 LCR(Line Clear Request)을 요청하고, 다른 측은 LCR요청을 받아들이는 경우의 시퀀스를 보여준다. 이 경우 LCR을 수신한 측은 패킷전송 및 수신에 필요한 모든 상태변수들을 초기화하고 UA로 응답한다. 수신기는 UA로 응답한 후 즉시 패킷을 송신 및 수신할 수 있도록 상태를 이동시킨다. 한편 LCR명령을 송신한 측에서는 UA응답이 수신되는 경우에 같은 상태로 이동한다.

도 7의 (b)는 통신의 양측이 동시에 LCR을 요청하고 UA로 응답하는 경우의 시퀀스를 보여준다.

도 8은 본 발명에 따라 패킷을 전송하는 전형적인 시퀀스를 보여주는 도면이다.

도 8을 참조하면, 상위 AP에 의해 요청되고 큐에 저장된 메시지들은 클러스터링되어 하나의 패킷을 구성한다. 패킷들은 큐가 엠프티가 되거나 연속적으로 송신된 패킷의 수가 윈도우크기에 도달할 때까지 하나 하나씩 순차적으로 송신된다. 연속적인 패킷들중의 최종 패킷은 즉각적인 응답을 요청하는 (response-require)의 P비트를 운반한다. 이와 달리 첫 번째 패킷 또는 첫 번째 패킷과 최종 패킷의 사이에 위치하는 중간의 패킷들 즉각적인 응답을 요청하지 않는 패킷으로, 이러한 패킷들은 (no-response-required)의 P비트를 운반하는 I컴맨드이다.

상기 도 8에 도시된 바와 같은 패킷전송의 시퀀스는 다음과 같은 상황을 보여준다.

a) 첫 번째로 두 패킷보다 많거나 세 패킷과 같거나 작은 양의 메시지는 큐에 저장되고 프로토콜드라이버로 송신이 요청된다. 이 예에서 모든 메시지들은 동일한 구성요소들을 위한 목적지로 예정되어진다.

b) 프로토콜드라이버는 메일박스로부터 메시지를 얻으며, 특정 내부큐에 위치한다. 상기 프로토콜드라이버는 메시지를 모아 패킷을 형성하고, 형성된 패킷을 하나 하나씩 순차적으로 송신한다. 0 내지 2의 시퀀스넘버를 운반하는 패킷은 응답이 필요없다. 그러므로 P비트는 응답이 필요치 않다. 그러나 시퀀스넘버 3의 최종적인 패킷은 P비트를 응답요구로 만듦으로써 즉각적인 응답을 요청한다.

c) 송신동작중에 다른 상위계층의 어플리케이션은 세 개의 패킷들에 동등한 부가적인 메시지들을 요청한다.

d) 프로토콜드라이버가 ACK로 노말수신을 알릴 때 상기 프로토콜드라이버는 내부 메일박스를 검사하고 부가적인 메시지가 이미 도착했음을 알게된다. 그러므로 프로토콜드라이버는 상기 a)단계 내지 c)단계의 동작을 반복한다.

도 9는 세가지 경우에 있어서의 재전송(re-transmission) 시퀀스를 보여주는 도면이다.

도 9의 (a)를 참조하면, 첫 번째 경우는 비록 중간의 패킷 inf[1,-]이 손실되었지만 응답요청을 나타내는 P비트를 운반하는 최종적인 패킷 inf[2,P]를 수신 측이 수신하는 것을 보여준다. 그러므로 수신기는 시퀀스넘버 1로부터 재전송을 나타내는 rej[1]을 송신측으로 전송하여 응답한다. 도 9의 (b)를 참조하면, 두 번째 경우는 P비트를 운반하는 최종의 패킷이 손실되었기 때문에 타이머 T1이 만료되는 것을 보여준다. 송신기는 수신기에 의해 자신의 패킷이 수신될 때까지 ENQ(Enquire)를 사용하여 검사를 요청한다. ENQ를 수신하였을 때 수신기는 시퀀스넘버 N(r)이 수신상태변수 S(r)과 같은 경우 ACK를 사용하여 응답한다. 도 9의 (c)를 참조하면, 세 번째 경우는 비록 모든 세그먼트들(segments)이 성공적으로 수신되었지만 ACK응답 ack[3]이 손실된 경우이다. 타이머 T1이 만료된 이후에 송신기는 ENQ를 사용하여 최종 수신넘버를 조사한다. ack[3]을 수신하였을 때 송신기는 모든 세그먼트들이 수신되었음을 인식한다. 그러므로 아무런 재전송도 일어나지 않는다.

상술한 바와 같이 본 발명은 작은 크기의 메시지들을 클러스터링함으로써 이더넷의 효율을 증가시키는 이점이 있다. 또한 본 발명은 콘텍스트스위칭을 감소시킴으로써 범용의 컴퓨터의 효율성을 증가시키는 이점이 있다. 그리고 또한 본 발명은 실시간 어플리케이션에 적용될 수 있는 신뢰성있고 가벼운 무게의 프로토콜을 제공하는 이점이 있다.

한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도내에서 여러가지 변형이 가능함은 물론이다. 예를 들어 본 발명의 구체적인 실시예에서는 하나의 CP와 다수의 LSM이 이더넷을 통해 연결된 통신시스템의 경우를 예로 하였으나, 이더넷을 통해 데이터그램을 송수신하는 실시간 통신시스템에 적용될 수 있을 것이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 않되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (2)

1. 이더넷을 통한 실시간 통신시스템의 데이터그램 처리방법에 있어서,

   UDP/IP프로토콜의 상위에 위치하는 프로토콜드라이버를 구비하고 있으며 상기 프로토콜드라이버의 상위에 위치하는 어플리케이션프로그램으로부터 수신된 작은 메시지들을 모은 후 이 모은 작은 크기의 메시지들은 하나의 커다란 패킷으로 구성하여 이더넷상으로 전송하는 것을 특징으로 하는 데이터그램 처리방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 형성된 패킷의 최대 크기는 IP프로토콜 표준에 의해 정해지는 것을 특징으로 하는 데이터그램 처리방법.