KR20140021304A - 통신 네트워크 시스템 - Google Patents

Abstract

통신 네트워크 시스템 및 실시간 데이터 전송 방법이 개시된다. 통신 네트워크 시스템은, 미리 설정된 복수의 통신 모델 중 어느 하나를 선택하고, 선택된 통신 모델에 따른 포맷을 가지는 프레임을 생성하여 프레임 전송 경로상에서 직후에 배치된 노드로 상기 생성된 프레임을 전송하는 발신 노드; 및 프레임 전송 경로를 형성하도록 순차적 연결된 복수의 노드를 포함하고, 프레임 전송 경로상에서 직전에 배치된 노드로부터 수신된 프레임이 해당 노드를 대상으로 하지 않는 경우에는 직후에 배치된 노드로 상기 프레임을 전달하고, 상기 수신된 프레임이 해당 노드를 대상으로 하는 경우에는 읽기 또는 쓰기 처리 후 상응하는 프레임을 직후에 배치된 노드로 전달하는 전달 노드군을 포함한다.

Description

통신 네트워크 시스템 및 실시간 데이터 전송 방법{Communication system and real time data transmission method}

본 발명은 통신 네트워크 시스템 및 실시간 데이터 전송 방법에 관한 것이다.

이더넷(Ethernet) 통신을 기반으로 하는 네트워크 기반 제어 시스템은 예를 들어 동기 모션 제어 등과 같은 고속의 실시간 데이터를 전송하는데 주로 사용된다. 이 시스템에서는 동기화를 위해 클럭 동기화 표준인 IEEE 1588이 사용되고 있으며, IEEE 1588은 이더캣(EtherCAT), 파워링크(PowerLINK) 등에서도 사용되고 있다.

네트워크상에 존재하는 노드들간의 데이터 통신 방식과 관련하여, 미국등록특허 제7,702,834호(Data Transmission method serial bus system and switch-on unit for a passive station)는 모든 노드들이 공유하는 FMMU(Field bus Memory Management Unit)를 이용하여 선형적, 논리적 어드레스에 따른 데이터 통신을 수행하는 방법을 개시하고 있다.

그러나, 선행 미국특허는 FMMU를 이용하여 별도의 선형적, 논리적 어드레스에 메모리 매칭 작업을 요구하는 문제점이 있다.

특허문헌1 : 미국등록특허 제7,702,834호(Data Transmission method serial bus system and switch-on unit for a passive station)

본 발명은 각 노드들간에 약속된 객체를 기준으로 통신이 가능한 방법으로 별도의 선형적, 논리적 어드레스에 메모리 매칭 작업을 요구하지 않는 통신 네트워크 시스템 및 실시간 데이터 전송 방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 이외의 목적들은 하기의 설명을 통해 쉽게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 통신 네트워크 시스템에 있어서, 미리 설정된 복수의 통신 모델 중 어느 하나를 선택하고, 선택된 통신 모델에 따른 포맷을 가지는 프레임을 생성하여 프레임 전송 경로상에서 직후에 배치된 노드로 상기 생성된 프레임을 전송하는 발신 노드; 및 프레임 전송 경로를 형성하도록 순차적 연결된 복수의 노드를 포함하고, 프레임 전송 경로상에서 직전에 배치된 노드로부터 수신된 프레임이 해당 노드를 대상으로 하지 않는 경우에는 직후에 배치된 노드로 상기 프레임을 전달하고, 상기 수신된 프레임이 해당 노드를 대상으로 하는 경우에는 읽기 또는 쓰기 처리 후 상응하는 프레임을 직후에 배치된 노드로 전달하는 전달 노드군을 포함하는 통신 네트워크 시스템이 제공된다.

상기 복수의 통신 모델은 마스터/슬레이브 통신 모델(Master and Slave), 퍼블리셔/서브스크라이버 통신 모델(Publisher and subscriber) 및 서버/클라이언트 통신 모델(Server and Client) 중 둘 이상을 포함할 수 있다.

상기 마스터/슬레이브 통신 모델에 따른 포맷의 프레임은 마스터 소스, 글로벌 오브젝트, 데이터, 데이터의 쓰기 동작 여부에 관한 정보 및 읽기 동작 여부에 관한 정보를 포함할 수 있다.

상기 퍼블리셔/서브스크라이버 통신 모델에 따른 포맷의 프레임은 송신자 주소, 글로벌 오브젝트, 데이터 및 읽기 카운터를 포함할 수 있다.

상기 글로벌 오브젝트는 프레임 전송 노드를 나타내는 소스 정보, 상기 프레임이 주기적 전송인지 발생시점마다의 전송인지에 대한 정보 및 하나 이상의 로컬 오브젝트를 포함하고, 상기 로컬 오브젝트는 상기 프레임에 상응하여 데이터를 읽거나 기록할 노드의 지정 정보를 포함할 수 있다.

상기 서버/클라이언트 통신 모델에 따른 포맷의 프레임은 서버에 해당하는 목적지, 클라이언트에 해당하는 소스, 로컬 오브젝트, 서브 오브젝트 및 데이터를 포함할 수 있다.

상기 로컬 오브젝트는 모든 노드에 공통되는 공통 로컬 오브젝트 및 각 노드별로 달리 사용되는 노드 의존형 로컬 오브젝트로 구분되고, 각 로컬 오브젝트는 오브젝트의 크기, 읽기 또는 쓰기가 가능한지의 정보 및 필수적 수행이 요구되는지의 정보 중 하나 이상을 포함하는 서브 오브젝트로 세분화될 수 있다.

상기 전달 노드군에 포함된 하나 이상은 노드는, 서버/클라이언트 통신 모델에 따른 포맷의 프레임을 처리하는 비실시간 처리부; 마스터/슬레이브 통신 모델 및 퍼블리셔/서브스크라이버 통신 모델에 따른 포맷의 프레임을 처리하는 실시간 처리부; 프레임 전송 경로상에서 직전에 배치된 노드로부터 프레임을 수신하고, 상기 수신된 프레임의 통신 모델을 결정한 후, 상기 프레임을 직후에 배치된 노드로 전달하기 위한 전달용 선입 선출기, 상기 비실시간 처리부 및 상기 실시간 처리부 중 어느 하나로 전달하는 프레임 필터; 및 상기 전달용 선입 선출기, 상기 비실시간 처리부 및 상기 실시간 처리부로부터 제공되는 프레임을 프레임 전송 경로상에서 직후에 배치된 노드로 전송하는 프레임 스위치를 포함할 수 있다.

상기 프레임 필터는 상기 수신된 프레임의 헤더에 포함된 통신 모델 정보를 이용하여 상기 통신 모델을 결정할 수 있다.

상기 프레임 스위치는 상기 전달용 선입 선출기, 상기 비실시간 처리부 및 상기 실시간 처리부로부터 복수의 프레임이 제공되는 경우, 각 프레임의 헤더에 포함된 우선 순위 정보를 이용하여 높은 우선 순위의 프레임부터 순차적으로 전송할 수 있다.

전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점이 이하의 도면, 특허청구범위 및 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.

본 발명의 실시예에 따르면, 각 노드들간에 약속된 객체를 기준으로 통신이 가능한 방법으로 별도의 선형적, 논리적 어드레스에 메모리 매칭 작업을 요구하지 않는 효과가 있다.

도 1은 종래기술에 따른 통신 네트워크 시스템의 데이터 전송 방식을 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 네트워크 기반 제어 시스템의 구성을 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 통신 모델별 통신 프레임 구조를 나타낸 도면.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 로컬 오브젝트의 구성을 나타낸 도면.
도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 글로벌 오브젝트의 구성을 나타낸 도면.
도 4c는 본 발명의 일 실시예에 따른 글로벌 오브젝트에 따른 처리 전과 후의 데이터 변화를 나타낸 도면.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 수신된 프레임을 처리하기 위한 프레임 처리기의 구성을 나타낸 도면.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 통신 모델별 프레임 전달 방법을 개념적으로 나타낸 도면.
도 7a 내지 7d는 본 발명의 일 실시예에 따른 통신 모델별 프레임 처리 과정을 나타낸 도면.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

본 명세서에서 사용한 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 명세서상에 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.

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.

또한, 명세서에 기재된 "…부", "…유닛", "…모듈", "…기" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

또한, 각 도면을 참조하여 설명하는 실시예의 구성 요소가 해당 실시예에만 제한적으로 적용되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상이 유지되는 범위 내에서 다른 실시예에 포함되도록 구현될 수 있으며, 또한 별도의 설명이 생략될지라도 복수의 실시예가 통합된 하나의 실시예로 다시 구현될 수도 있음은 당연하다.

또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일하거나 관련된 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

도 1은 종래기술에 따른 통신 네트워크 시스템의 데이터 전송 방식을 나타낸 도면이다. 즉, 도 1에는 다양한 필드버스(Field bus) 통신 방법에 따른 데이터 전달 방법이 도시되어 있다.

필드 버스 통신 방법 중에서 종래의 CANopen 통신 방식은 실시간 통신을 위한 프로세스 데이터 오브젝트(Process Data Object) 및 비실시간 통신을 위한 서비스 데이터 오브젝트(Service Data Object)를 전달한다. CANopen 프로토콜은 하위 프로토콜인 CAN 프로토콜의 식별자(Identifier) 제한 사항에 의해 PDO(Project Data Object) 전송 방식 및 SDO(Service Data Object) 전송 방식으로 데이터를 전송한다. 참고로, CANopen은 CAN(Controller Area Network) 위에서 운영되는 상위의 프로토콜이고, CAN은 전기적인 전송 방식 및 버스에 대한 액세스 방식을 포함하는 하위 계층에 대한 규약이다.

먼저, PDO 전송 방식은 도 1의 (a)에 도시되어 있으며, 각 노드가 가지는 오브젝션 딕셔너리(Objection Dictionary) 데이터를 네트워크상의 식별자(Identifier)로 존재하는 PDO 식별자 및 노드 아이디(Node ID)로 매칭하여 데이터를 전달한다. 발신자의 경우 TxPDO 매칭관계를 가지며, 수신자의 경우 RxPDO 매칭 관계를 가진다. PDO 전송 방식은 상호간에 별도의 요청없이 약속된 오브젝트들을 전송할 수 있도록 함으로써 전송의 효율을 높일 수 있다.

도 1의 (a)에 도시된 PDO 전송 방식의 구조를 간략히 설명하면, 좌우측 끝단의 오브젝션 딕셔너리는 노드 내의 정의된 정보를 나타내며, 노드 내에서 오브젝션 딕셔너리와 통신상에서 식별자로 사용되는 PDO 식별자 및 노드 아이디(Node ID) 정보간의 관계를 형성하는 것이 TxPDO 매핑(mapping)과 RxPDO 매핑이다.

여기서, PDO(프로세스 데이터 오브젝트)는 실시간 처리용 오브젝트를 의미하며, Tx는 전송측을 의미하고, Rx는 수신측을 의미한다. CANopen 프로토콜은 PDO 처리에 대해 응답(Acknowledge)을 수신하지 않으며, 이는 해당 데이터가 정상적으로 전달되었는지를 확인하지 않는다는 것이다. 또한, 도 1의 (a)에는 높은 우선도(High Priority)가 부기되어 있으나, 이는 상대적으로 도 1의 (b)에 도시된 SDO 전송 방식에 비해 PDO 전송 방식이 우선 순위가 높음을 의미한다.

다음으로, SDO 전송 방식은 도 1의 (b)에 도시되어 있으며, 전송 노드와 수신 노드간의 관계가 식별자(Identifier)로 존재하는 SDO 식별자 및 노드 아이디(Node ID)로 매칭되므로 어느 하나의 노드가 데이터를 전송할 때 어떤 노드로 데이터가 수신되는지가 사전에 정의된다.

즉, 도시된 SDO 파라미터 세트(parameter set)라는 관계로 노드 내 오브젝션 딕셔너리와 통신상의 식별자인 SDO 식별자 및 노드 아이디를 이용하여 각 노드가 연결된다. SDO는 전술한 PDO에 비해 우선 순위는 낮으나 송신 또는/및 수신이 정상적으로 이루어졌는지를 확인하기 위한 응답(Acknowledge)를 수신한다.

SDO 전송 방식은 Request-and-Reply 방식으로 Client-Server 모델로도 알려져 있으며, 마스터가 슬레이브 노드에서 Read/Write를 위한 요청을 하고 해당 슬레이브는 이에 응답하는 방식일 수 있다. 개별 노드의 모든 오브젝트는 SDO를 이용하여 억세스할 수 있다.

CANopen 프로토콜이 전술한 방식으로 노드 간에 데이터를 전송하는 이유는 CAN이 1Mbps 이하로 전송 속도가 느리기 때문이며, 주어진 전송 속도로 보다 많은 데이터를 보내기 위해 11비트의 식별자를 사용하기 때문이다.

이에 비해, 도 1의 (c)에는 이더넷 기반의 실시간 통신 방법으로 CANopen 프로토콜을 사용하는 이더캣(EtherCAT) 통신 시스템에 따른 PDO 통신 방식이 도시되어 있다.

이더캣은 슬레이브 노드에 구비된 FMMU(Field bus Memory Management Unit)를 이용하여 물리적 주소를 네트워크가 공유하는 선형적인 논리 주소(Logical Address)로 매핑하는 작업을 부가적으로 수행하며, 식별자로 매핑된 논리 주소가 이용된다. 이러한 방법을 이용함으로써 네트워크가 공유하는 오브젝트에 대한 정보가 선형적인 논리 주소에 매칭 처리(즉, 노드 내의 오브젝션 딕셔너리와의 연결)된다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 네트워크 기반 제어 시스템의 구성을 나타낸 도면이다.

도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 네트워크 기반 제어 시스템은 하나 이상의 마스터(210) 및 복수의 슬레이브(220a, 220b, 220c 및 220d, 이하 별도의 구분이 필요하지 않은 경우에는 220으로 통칭함)를 포함하고, 마스터(210) 및 각 슬레이브(220)들 간에는 케이블에 의해 순차적으로 연결된다.

마스터(210)는 슬레이브(220)로 임의의 데이터(즉, 프레임일 수 있으며 예를 들어, 로봇 제어를 위한 데이터 등)를 전송한다.

또한, 마스터(210)는 네트워크상의 디바이스들(즉, 마스터(210)와 슬레이브(220))간에 발생하는 오프셋 값 및 딜레이 값을 주기적으로 계산하여 전송하며, 클럭 동기화를 위해 네트워크상 첫번째 노드에 있는 디바이스인 마스터(210)의 시스템 타임(system time)이 주기적으로 네트워크상에 분산된다. 여기서, 오프셋 값은 마스터(210)가 데이터를 전송할 때의 마스터(210)의 내부 시계 값과 슬레이브(220)가 데이터를 수신했을 때의 슬레이브(220)의 내부 시계 값의 차이일 수 있다. 그리고 딜레이 값은 마스터(210)에서 데이터를 전송하여 슬레이브(220)가 그 데이터를 수신할 때까지 또는 그 역의 과정 등에서 걸리는 지연 시간일 수 있다.

슬레이브(220)는 마스터(210)로부터 데이터를 수신하거나, 데이터 전송 경로상에서 전단에 위치한 슬레이브(220)로부터 데이터를 수신한다.

수신된 데이터가 해당 슬레이브(220)를 대상으로 하는 데이터인 경우, 슬레이브(220)에 구비된 처리부는 데이터를 읽어 데이터에 의해 지정된 처리를 수행하며, 필요한 경우 처리 결과 등을 데이터에 기재한 후 데이터 전송/회신 경로상에서 후단에 위치한 슬레이브(220) 또는 마스터(210)로 데이터를 전송한다. 슬레이브(220)가 후단의 슬레이브(220) 또는 마스터(210)로 전송하는 데이터에는 예를 들어 데이터를 송수신한 시간 및 데이터 처리 시간 등이 포함될 수 있다.

또한 슬레이브(220)는 마스터(210)로부터 수신되는 시스템 타임을 이용하여 동기화되며, 마스터(210)에 의해 계산되어 제공되는 오프셋 값 및 딜레이 값을 기반으로 자신의 로컬 시스템 타임을 보정하여 클럭을 동기화시킨다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 통신 모델별 통신 프레임 구조를 나타낸 도면이고, 도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 로컬 오브젝트의 구성을 나타낸 도면이며, 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 글로벌 오브젝트의 구성을 나타낸 도면이고, 도 4c는 본 발명의 일 실시예에 따른 글로벌 오브젝트에 따른 처리 전과 후의 데이터 변화를 나타낸 도면이다.

본 실시예에 따른 통신 네트워크 시스템은 통신 모델을 마스터(Master)/슬레이브(Slave), 퍼블리셔(Publisher)/서브스크라이버(Subscriber) 및 서버(Server)/클라이언트(Client)로 구분하고, 각 통신 모델별로 통신 프레임의 구조를 상이하게 설정하는 방법을 사용하여 데이터를 송수신한다.

도 3을 참조하면, 구분된 통신 모델에 관계없이 요구되는 제1 헤더(Header 1)에는 프레임의 연결 여부 정보(Connection), 해당 프레임의 스위칭 가능 여부 정보(Switchable), 설정된 통신 모델 정보(Mode), 통신 모델이 퍼블리셔/서브스크라이버이거나 서버/클라이언트인 경우 해당 노드를 지칭하는 방법 정보(Addressing) 및 해당 프레임의 우선 순위 정보(Priority)가 포함될 수 있다.

프레임의 연결 여부 정보(Connection)는 시작(S, Start), 종료(E, End) 또는 연결(C, Connected)로 지정될 수 있고, 해당 프레임의 스위칭 가능 여부 정보(Switchable)는 스위칭 가능(S, Switchable) 또는 스위칭 불가(N, Not switchable)로 지정될 수 있다. 설정된 통신 모델 정보(Mode)는 클라이언트(C, Client), 서버(S, Server), 퍼블리셔/서브스크라이버(P) 또는 마스터/슬레이브(M)로 지정될 수 있다. 통신 모델이 퍼블리셔/서브스크라이버이거나 서버/클라이언트인 경우 해당 노드를 지칭하는 방법 정보(Addressing)는 데이지 체인(Daisy Chain) 방법으로 연결되므로 노드 연결 순서에 의한 주소 접근법(P, Position)이나 해당 노드의 주소를 활용하여 지정하는 방법(N, Node ID)이 이용될 수 있다. 해당 프레임의 우선 순위 정보(Priority)는 미리 지정된 기준에 따라 지정될 수 있으며, 예를 들어 0 내지 6의 값 중 임의의 값으로 지정될 수 있다.

또한, 테일 정보(Tailer)에는 보내는 프레임의 데이터 크기(Size)와 이후 전송될 프레임과 연결되는지 여부에 대한 정보(Connection)를 포함할 수 있다.

이어서, 각 통신 모델별로 통신 프레임 구조에 개별적으로 가지는 정보를 설명하면 다음과 같다.

먼저, 마스터/슬레이브( Master and Slave) 통신 모델의 경우에는 노드들 중 마스터 노드의 주소인 마스터 소스(Master Source)와 마스터만 다루는 객체의 정보인 글로벌 오브젝트(Global Object)를 결합한 형태의 제2 헤더(Header 2)를 가진다.

도 3에 도시된 예에서, 글로벌 오브젝트가 2바이트이고, 노드의 종류가 1 내지 65024인데 반해 마스터/슬레이브 통신 프레임에서 제2 헤더의 2바이트 내에 글로벌 오브젝트와 마스터 소스가 삽입되는 이유는 전체 노드들 중 마스터 노드는 일부를 차지하며, 글로벌 오브젝트 중 일부가 마스터 노드가 관리하는 오브젝트이기 때문이다.

즉, 후술될 퍼블리셔/서브스크라이버 통신 방식이나 서버/클라이언트 통신 방식과 달리 마스터/슬레이브 통신 방식은 소스(source)와 글로벌 오브젝트에 대한 정보를 모두 가지고 있어야 한다. 그러나, 소스와 글로벌 오브젝트를 모두 같이 보내기 위해서는 4바이트 정도의 정보가 필요하지만 2바이트 내에 해당 정보들을 모두 포함시켜야 하며, 이를 위해 소스 중 일부를 마스터에게 할당하고, 글로벌 오브젝트 중 일부를 마스터/슬레이브에서 사용하는 오브젝트로 할당하여 지정된 2바이트 크기 내에 해당 정보들을 모두 포함시킬 수 있게 된다.

또한, 마스터/슬레이브( Master and Slave) 통신 모델의 통신 프레임 구조는 데이터의 쓰기 동작 여부에 관한 정보(Write Confirm), 읽기 동작 여부에 관한 정보(Read Confirm) 및 프레임 검사 순서 정보(FCS, Fault Check Sequence)를 더 포함한다.

데이터의 쓰기 및 읽기 동작 여부에 관한 정보(Write Confirm, Read Confirm)는 예를 들어 슬레이브가 지정된 처리를 수행했을 때 1로 표시되고, 그렇지 않을 경우 0으로 표시되도록 할 수 있으며, 해당 정보를 이용하여 마스터/슬레이브 통신이 정상적으로 이루어졌는지 여부를 판별할 수 있다.

도 3에 예시된 정보들의 크기는 일 예시에 불과한 것으로, 해당 정보의 크기는 필요에 따라 다양하게 결정될 수 있을 것이다.

다음으로, 퍼블리셔/서브스크라이버(Publisher and Subscriber) 통신 모델의 경우에는 제2 헤더(Header 2)에 송신자의 주소가 포함될 수 있고, 통신 프레임 구조 내에 글로벌 오브젝트, 데이터, 읽기 카운트(Read Count) 및 프레임 검사 순서(FCS)가 더 포함될 수 있다.

읽기 카운트(Read Count)는 송신자가 데이터를 전송한 후 퍼블리셔/서브스크라이버 통신 방식에 따라 전송된 프레임을 노드들이 읽을 때마다 1씩 증가된 값으로 저장된다. 송신자는 이 값을 확인하여 얼마나 많은 노드들이 해당 프레임을 읽었는지 확인할 수 있다.

마지막으로, 서버/클라이언트(Server and Client) 통신 모델의 경우, 클라이언트(Client)가 요청하는 경우라면 제2 헤더에 서버(Server)에 해당하는 목적지(Destination) 정보가 포함된다. 또한 통신 프레임 구조 내에 클라이언트에 해당하는 소스(Source), 해당 서버의 로컬 오브젝트(Local Object), 로컬 오브젝트의 세부 사항인 서브 오브젝트(Sub Object), 데이터 및 프레임 검사 순서가 포함된다.

이와 달리, 서버가 응답하는 경우에는 제2 헤더에 클라이언트에 해당하는 목적지(Destination) 정보가 포함된다. 또한 통신 프레임 구조 내에 서버에 해당하는 소스(source), 해당 서버의 로컬 오브젝트, 로컬 오브젝트의 세부 사항인 서브 오브젝트, 데이터 및 프레임 검사 순서가 포함된다.

도 4a를 참조하면, 서버/클라이언트 통신 모델의 통신 프레임 구조에 포함되는 로컬 오브젝트는 모든 노드가 공통적으로 사용하는 공통 로컬 오브젝트(common local object)와 각 노드마다 달리 사용되는 노드 의존형 로컬 오브젝트(node dependant local object)로 구분될 수 있으며, 각 로컬 오브젝트는 서브 오브젝트로 세분화된다. 각 서브 오브젝트마다 예를 들어 오브젝트의 크기와 디폴트 값, 읽기 또는 쓰기가 가능한지에 대한 정보(Accessibility), 의무적으로 필요 여부(즉, 꼭 필요한 사항인지)에 대한 정보(Mandatory) 등에 대한 속성이 할당될 수 있다. 예시된 서브 오브젝트에 대해서는 종래의 CANopen 표준에서 정의된 프로파일(profile)이 활용될 수 있다.

또한, 도 4b를 참조하여, 마스터/슬레이브 통신 방식 및 퍼블리셔/서브스크라이버 통신 방식의 통신 프레임 구조에 포함되는 글로벌 오브젝트에 포함되는 정보를 설명하면 다음과 같다.

글로벌 오브젝트는 마스터/슬레이브 통신 방식을 위한 것인지, 퍼블리셔/서브스크라이버 통신 방식을 위한 것인지에 따라 구분될 수 있으나, 각각의 글로벌 오브젝트는 프레임을 전송하는 노드를 나타내는 소스(Source) 정보, 주기적으로 전송되는 프레임인 경우에는 전송 주기에 관한 정보이거나 사건이 발생시마다 전송하는 프레임인 경우 프레임 전송을 위한 최소 시간 간격을 표시하는 정보인 PI(Period, Inhibit) 정보, 주기적 전송인지 사건 발생 전송인지에 대한 정보인 타입(Type) 정보, 주기적인 전송인 경우 최초 전송 시간 정보(Start)가 포함될 수 있다.

글로벌 오브젝트에는 복수의 로컬 오브젝트가 포함될 수 있으므로 이를 구별하기 위한 시퀀스(Sequence)가 존재하며, 이 시퀀스에 따라 해당 노드 정보인 목적지(Destination) 정보와 데이터를 읽거나 쓸 경우의 로컬 오브젝트 관계가 더 포함될 수 있다. 글로벌 오브젝트를 이용하여 예를 들어 마스터에서 전송된 데이터를 읽을 노드 및 임의의 데이터를 기록하여 마스터로 전송할 노드 등이 지정될 수 있다.

도 4c에는 글로벌 오브젝트에 따라 전송된 프레임이 슬레이브들에 의해 처리되는 상황(즉, 마스터에서 전송된 상태로 슬레이브에 의한 처리 전(before)의 프레임과 각 슬레이브에 의해 처리된 후(after) 마스터에 수신된 프레임)의 데이터 변화가 도시되어 있다. 즉, 전술한 복수의 통신 방식 중 어느 하나의 통신 방식에 따른 통신 설정이 완료되면 어떤 노드(전술한 소스(source))가 어떤 노드(전술한 목적지(destination))로 데이터를 전송하고, 해당 노드가 어떤 부위에 데이터를 쓰거나 읽는 처리를 수행할 것인지(전술한 시퀀스)가 결정되며, 이들을 분류하면 도 4c의 (a) 내지 (d)에 예시된 바와 같이 4가지 경우로 나타낼 수 있다.

즉, 도 4c의 (b)나 (c)에 도시된 바와 같이, 소스에서 리시버 B 등에 보낼 데이터는 없으나 리시버 B로부터 받을 데이터는 존재하는 경우 글로벌 오브젝트에 포함된 시퀀스로 이를 지정함으로써, 해당 처리가 수행될 수 있음을 확인할 수 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 수신된 프레임을 처리하기 위한 프레임 처리기의 구성을 나타낸 도면이다.

도 5를 참조하면, 프레임 처리기는 프레임 필터(510), 비실시간 처리부(520), 실시간 처리부(530) 및 프레임 스위치(540)를 포함할 수 있다.

프레임 필터(510)는 수신된 프레임이 실시간 처리가 요구되는 프레임인지, 비실시간 처리가 요구되는 프레임인지 아니면 해당 노드에서 처리될 필요가 없는 프레임인지를 판단하여, 해당 프레임을 비실시간 처리부(520), 실시간 처리부(530) 및 전달용 선입선출기(Forward FIFOs) 중 어느 하나로 전달한다.

수신된 프레임이 실시간 처리가 요구되는 프레임인지 여부는 수신된 프레임의 제1 헤더에 포함된 통신 모델 정보(Mode)(도 3 참조)에 의해 판단될 수 있으며, 통신 모델 정보가 C(클라이언트) 또는 S(서버)로 지정된 경우라면 비실시간 처리가 요구되는 프레임인 것으로 인식될 수 있고, 통신 모델 정보가 P(퍼블리셔/서브스크라이버) 또는 M(마스터/슬레이브)으로 지정된 경우라면 실시간 처리가 요구되는 프레임인 것으로 인식될 수 있다.

여기서, 실시간 처리라 함은 지정된 시간 내에 수신된 프레임에 대한 처리가 이루어지는 것을 의미하며, 따라서 후술되는 바와 같이 하드웨어적으로 단시간 내에 처리가 완료되어 공유 메모리(Shared memory)에 그 결과가 기록된다. 이에 비해, 비실시간 처리는 상위 계층(Upper Layer)에 존재하는 마이크로프로세서 등의 별도의 처리기에서 처리되는 소프트웨어적 처리로서 상대적으로 처리 속도가 느린 특징이 있다.

즉, 프레임 필터(510)는 해당 노드에서 처리가 필요한 프레임인 것으로 판단된 경우, 만일 수신된 프레임이 서버/클라이언트 통신 방식에 따른 것이라면 비실시간 처리부(520)로 해당 프레임을 전달할 수 있고, 만일 수신된 프레임이 마스터/슬레이브 통신 방식 또는 퍼블리셔/서브스크라이버 통신 방식에 따른 것이라면 실시간 처리부(530)로 해당 프레임을 전달할 수 있다.

비실시간 처리부(520)는 클라이언트 선입선출기(My Client FIFO), 비실시간 디코더(Decoder NRT), 비실시간 인코더(Encoder NRT), 전송용 선입선출기(Transmit FIFO)를 포함할 수 있다. 비실시간 처리부(520)는 클라이언트 선입선출기를 통해 수신된 프레임을 디코딩한 후 상위 프로토콜 처리 장치로 전달하여 처리되도록 한 후, 처리된 프레임은 인코딩 처리된 후 전송용 선입선출기를 통해 프레임 스위치(540)로 전달될 수 있다. 비실시간 처리부(520)에 포함된 비실시간 디코더는 해당 프레임 포맷에 맞게 데이터를 추출하는 기능을 구비한다.

실시간 처리부(530)는 실시간 디코더(Decoder RT), 프레임 처리부, 실시간 인코더(Encoder RT), 처리용 선입선출기(Process FIFO)를 포함할 수 있다. 실시간 처리부(530)는 수신된 프레임을 디코딩한 후 프레임 처리부를 통해 상위 프로토콜 처리 장치와 공유하는 메모리(Shared memory)에 데이터값이 쓰여지거나 읽혀진다. 실시간 처리된 결과는 실시간 인코더를 통해 다시 프레임 포맷에 맞게 전환되어 처리용 선입선출기에 저장된다. 실시간 처리부(530)에 포함된 실시간 디코더 역시 해당 프레임 포맷에 맞게 데이터를 추출하는 기능을 구비한다.

프레임 스위치(540)는 전달용 선입선출기(Forward FIFOs), 전송용 선입 선출기(Transmit FIFO) 및 처리용 선입선출기(Process FIFO)에 저장된 하나 이상의 프레임들에 대해 각각 부여된 우선 순위(제1 헤더에 포함된 우선 순위 정보(Priority), 도 3 참조)에 따라 프레임 전송 경로상에서 직후에 배치된 노드로 프레임을 전송한다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 통신 모델별 프레임 전달 방법을 개념적으로 나타낸 도면이다. 도 6의 (a)는 마스터/슬레이브 통신 방법에 따른 프레임 전달 방법을 나타내고, 도 6의 (b)는 퍼블리셔/서브스크라이버 통신 방법에 따른 프레임 전달 방법을 나타내며, 도 6의 (c)는 서버/클라이언트 통신 방법에 따른 프레임 전달 방법을 나타낸다.

도 6에 도시된 바와 같이, 마스터/슬레이브 통신 방법은 어느 하나의 마스터가 송신한 프레임을 다른 마스터와 하나 이상의 슬레이브가 처리한 후 프레임을 송신한 마스터가 다시 프레임을 수신하는 구조이다.

이에 비해, 퍼블리셔/서브스크라이버 통신 방식은 마스터, 슬레이브 구분없이 모든 노드가 임의의 프레임을 송신하며, 필요로 하는 노드들이 송신된 프레임을 수신하는 구조이다.

또한, 서버/클라이언트 통신 방식은 마스터가 원하는 노드로 프레임 송신을 요청하고, 해당 응답을 다시 마스터가 수신하는 구조이다. 도 7a 내지 7d는 본 발명의 일 실시예에 따른 통신 모델별 프레임 처리 과정을 나타낸 도면이다. 참고로, 도 7a는 클라이언트/서버 통신 방식에서 서버로부터 원하는 정보를 얻는 경우를 도식화한 것이고, 도 7b는 마스터가 해당 서버로 데이터를 쓰는 경우를 도식화한 것이며, 도 7c는 퍼블리셔가 프레임을 전송한 경우의 처리 과정을 도식화한 것이고, 도 7d는 마스터/슬레이브 통신 방식에서의 프레임 처리 과정을 나타낸 것이다.

또한, 각 도면에서 세로 선은 해당 노드에서 프레임을 수신함을 의미하고, 가로 점선을 기준으로 표시된 2개의 프레임 중 상단에 위치한 점선 외곽선의 프레임은 수신하는 프레임을 나타내고, 하부에 위치한 실선 외곽선의 프레임은 전송하는 프레임을 나타낸다. 또한 각 도면에서의 프레임 구조는 앞서 설명한 도 3의 프레임 구조를 간략히 도시한 것으로, 예를 들어 FCS는 프레임 검사 순서 정보(Fault Check Sequence)이고, CS는 체크섬(check sum)이며, S는 소스이고, D는 목적지이며, ID는 헤더에 포함된 기타 정보일 수 있다.

클라이언트/서버 통신 방식에서 서버로부터 원하는 정보를 얻는 경우를 도식화한 도 7a를 참조하면, 노드 2와 노드 4는 수신된 프레임을 아무런 처리없이 포워딩하고 있는 반면, 노드 3은 수신된 프레임을 처리한 후 전송하는 경우가 예시되어 있다.

즉, 노드 3은 서버에 해당하는 노드로서, 수신된 프레임이 노드 3을 목적지로 하는 것이므로, 노드 3에 포함된 프레임 처리기의 비실시간 처리부(520)를 이용하여 상위 프로토콜 처리 장치에서 요구된 처리를 수행한 후 소스(source)와 목적지(destination)을 변경한 후 프레임 전송 경로상에서 직후에 배치된 노드 4로 프레임을 전송한다.

여기서, 데이터가 클라이언트 요청인 경우라면 도 7a에 예시된 바와 같이, 데이터가 Reduced 형태로 전송되고, 서버가 응답할 경우 해당 데이터를 포함하게 되어 데이터는 Full 형태로 전송된다.

도 7b에는 마스터(즉, 노드 1)가 서버(즉, 노드 3)에 데이터를 쓰는 경우가 도시되어 있으며, 마스터로부터 전송된 프레임에는 데이터가 포함되어 있어 Full 형태로 전송되지만, 서버에서 해당 데이터를 기록하였으므로 이후에는 Reduced 형태로 전송된다.

도 7c에는 퍼블리셔가 프레임을 전송한 경우의 처리 과정이 도시되어 있으며, 도 7c를 참조하면 노드 3만이 서브스크라이버인 경우가 예시되어 있다.

도시된 바와 같이, 노드 2와 노드 4는 자신이 서브스크라이버가 아니기 때문에 수신한 프레임을 프레임 전송 경로상에서 직후에 배치된 노드로 프레임을 전달하지만, 노드 3은 해당 프레임을 처리하여 프레임의 내용을 변경하고 CS(check sum)과 FCS(Fault Check Sequence)를 변경(도 7c의 해치 처리 참조)한 후 해당 프레임을 프레임 전송 경로상에서 직후에 배치된 노드로 프레임을 전달한다. 퍼블리셔는 이후 수신된 데이터에서 CS와 FCS를 확인함으로써 프레임 퍼블리싱이 정상적으로 수행되었는지를 확인할 수 있다.

도 7d는 마스터/슬레이브 통신 방식에서의 프레임 처리 과정이 도시되어 있으며, 앞서 도 4a 내지 도 4c를 참조하여 설명한 바와 같이 글로벌 오브젝트에 의해 읽기 또는 쓰기 처리가 요구됨에 따라 각 노드는 상응하는 처리를 수행할 수 있다.

즉, 도 7d에는 글로벌 오브젝트에 의해 노드 3에 의한 데이터 쓰기가 요구된 경우가 예시되었으며, 앞서 도 7c의 경우와 달리 데이터의 내용도 상이해졌음을 확인할 수 있다(도 7d의 해치 처리 참조).

상술한 통신 네트워크 시스템의 실시간 데이터 전송 방법은 디지털 처리 장치에 내장되거나 설치된 프로그램 등에 의해 시계열적 순서에 따른 자동화된 절차로 수행될 수도 있음은 당연하다. 상기 프로그램을 구성하는 코드들 및 코드 세그먼트들은 당해 분야의 컴퓨터 프로그래머에 의하여 용이하게 추론될 수 있다. 또한, 상기 프로그램은 디지털 처리 장치가 읽을 수 있는 정보저장매체(computer readable media)에 저장되고, 디지털 처리 장치에 의하여 읽혀지고 실행됨으로써 상기 방법을 구현한다. 상기 정보저장매체는 자기 기록매체, 광 기록매체 및 캐리어 웨이브 매체를 포함한다.

상기에서는 본 발명의 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

210 : 마스터 220 : 슬레이브
510 : 프레임 필터 520 : 비실시간 처리부
530 : 실시간 처리부 540 : 프레임 스위치

Claims (10)

1. 통신 네트워크 시스템에 있어서,
   미리 설정된 복수의 통신 모델 중 어느 하나를 선택하고, 선택된 통신 모델에 따른 포맷을 가지는 프레임을 생성하여 프레임 전송 경로상에서 직후에 배치된 노드로 상기 생성된 프레임을 전송하는 발신 노드; 및
   프레임 전송 경로를 형성하도록 순차적 연결된 복수의 노드를 포함하고, 프레임 전송 경로상에서 직전에 배치된 노드로부터 수신된 프레임이 해당 노드를 대상으로 하지 않는 경우에는 직후에 배치된 노드로 상기 프레임을 전달하고, 상기 수신된 프레임이 해당 노드를 대상으로 하는 경우에는 읽기 또는 쓰기 처리 후 상응하는 프레임을 직후에 배치된 노드로 전달하는 전달 노드군을 포함하는 통신 네트워크 시스템.
2. 제1항에 있어서,
   상기 복수의 통신 모델은 마스터/슬레이브 통신 모델(Master and Slave), 퍼블리셔/서브스크라이버 통신 모델(Publisher and subscriber) 및 서버/클라이언트 통신 모델(Server and Client) 중 둘 이상을 포함하는 통신 네트워크 시스템.
3. 제2항에 있어서,
   상기 마스터/슬레이브 통신 모델에 따른 포맷의 프레임은 마스터 소스, 글로벌 오브젝트, 데이터, 데이터의 쓰기 동작 여부에 관한 정보 및 읽기 동작 여부에 관한 정보를 포함하는 통신 네트워크 시스템.
4. 제2항에 있어서,
   상기 퍼블리셔/서브스크라이버 통신 모델에 따른 포맷의 프레임은 송신자 주소, 글로벌 오브젝트, 데이터 및 읽기 카운터를 포함하는 통신 네트워크 시스템.
5. 제3항 또는 제4항에 있어서,
   상기 글로벌 오브젝트는 프레임 전송 노드를 나타내는 소스 정보, 상기 프레임이 주기적 전송인지 발생시점마다의 전송인지에 대한 정보 및 하나 이상의 로컬 오브젝트를 포함하고, 상기 로컬 오브젝트는 상기 프레임에 상응하여 데이터를 읽거나 기록할 노드의 지정 정보를 포함하는 통신 네트워크 시스템.
6. 제2항에 있어서,
   상기 서버/클라이언트 통신 모델에 따른 포맷의 프레임은 서버에 해당하는 목적지, 클라이언트에 해당하는 소스, 로컬 오브젝트, 서브 오브젝트 및 데이터를 포함하는 통신 네트워크 시스템.
7. 제6항에 있어서,
   상기 로컬 오브젝트는 모든 노드에 공통되는 공통 로컬 오브젝트 및 각 노드별로 달리 사용되는 노드 의존형 로컬 오브젝트로 구분되고, 각 로컬 오브젝트는 오브젝트의 크기, 읽기 또는 쓰기가 가능한지의 정보 및 필수적 수행이 요구되는지의 정보 중 하나 이상을 포함하는 서브 오브젝트로 세분화되는 통신 네트워크 시스템.
8. 제2항에 있어서,
   상기 전달 노드군에 포함된 하나 이상은 노드는,
   서버/클라이언트 통신 모델에 따른 포맷의 프레임을 처리하는 비실시간 처리부;
   마스터/슬레이브 통신 모델 및 퍼블리셔/서브스크라이버 통신 모델에 따른 포맷의 프레임을 처리하는 실시간 처리부;
   프레임 전송 경로상에서 직전에 배치된 노드로부터 프레임을 수신하고, 상기 수신된 프레임의 통신 모델을 결정한 후, 상기 프레임을 직후에 배치된 노드로 전달하기 위한 전달용 선입 선출기, 상기 비실시간 처리부 및 상기 실시간 처리부 중 어느 하나로 전달하는 프레임 필터; 및
   상기 전달용 선입 선출기, 상기 비실시간 처리부 및 상기 실시간 처리부로부터 제공되는 프레임을 프레임 전송 경로상에서 직후에 배치된 노드로 전송하는 프레임 스위치를 포함하는 통신 네트워크 시스템.
9. 제8항에 있어서,
   상기 프레임 필터는 상기 수신된 프레임의 헤더에 포함된 통신 모델 정보를 이용하여 상기 통신 모델을 결정하는 통신 네트워크 시스템.
10. 제8항에 있어서,
    상기 프레임 스위치는 상기 전달용 선입 선출기, 상기 비실시간 처리부 및 상기 실시간 처리부로부터 복수의 프레임이 제공되는 경우, 각 프레임의 헤더에 포함된 우선 순위 정보를 이용하여 높은 우선 순위의 프레임부터 순차적으로 전송하는 통신 네트워크 시스템.

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