KR20170023665A - 산업용 통신 네트워크를 위한 메쉬 네트워크 - Google Patents

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KR20170023665A
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최성수
강지명
김영선
오휘명
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한국전기연구원
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Abstract

본 발명은 산업용 통신 네트워크를 위한 메쉬 네트워크에 관한 것이다. 보다 상세하게는 디지털 변전소를 구성하는 산업용 통신 네트워크 중 고가용성이 요구되는 프로세스 버스를 효율적으로 구성할 수 있도록 하는 산업용 통신 네트워크를 위한 메쉬 네트워크에 관한 것이다. 본 발명은 복수 개의 노드를 포함하는 제1 네트워크; 복수 개의 노드를 포함하는 제2 네트워크; 및 상기 제1 네트워크 및 상기 제2 네트워크 사이에 연결되는 분배 노드를 포함하고, 상기 분배 노드는 상기 제1 네트워크와 연결되는 적어도 2개 이상의 입출력 포트 및 상기 제2 네트우크와 연결되는 적어도 2개 이상의 입출력 포트를 구비하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면 디지털 변전소의 산업용 통신 네트워크 중 고가용성이 특별히 요구되는 프로세스 버스에 효과적으로 적용할 수 있는 고가용성을 제공함과 동시에 종래에 비해 이더넷 프레임 전송 시 발생하는 총 트래픽 수를 현저히 낮출 수 있는 효과를 갖는다.

Description

산업용 통신 네트워크를 위한 메쉬 네트워크{Mesh network for industrial ethernet network}
본 발명은 산업용 통신 네트워크를 위한 메쉬 네트워크에 관한 것이다. 보다 상세하게는 디지털 변전소를 구성하는 산업용 통신 네트워크 중 고가용성이 요구되는 프로세스 버스를 효율적으로 구성할 수 있도록 하는 산업용 통신 네트워크를 위한 메쉬 네트워크에 관한 것이다.
최근 변전소의 디지털화를 통한 변전소 자동화 시스템을 기반으로 하는 디지털 변전소의 구축이 전 세계적으로 이슈화되고 있으며, 이러한 디지털 변전소의 경우 변전소 내 전력설비 기기의 신뢰성 및 기기별 데이터 호환성 제공을 위해 IEC 61850에 따른 이더넷 기술을 기반으로 한 통신기술을 채택하고 있다.
또한, 이에 기반한 디지털 변전소 네트워크의 경우 전기설비의 서비스에 따라 크게 스테이션 버스와 프로세서 버스로 구성될 수 있는데, 스테이션 버스의 경우 변전소 내 스테이션 레벨 장치들에 대한 보호, 제어, 및 모니터링을 수행하는 IED(지능형 전자 장치)들을 연결하는 역할을 수행하며, 프로세서 버스의 경우 변전소 스위치 야드의 전기설비들을 베이 장치와 직접적으로 연결하는 역할을 수행한다.
이 중 프로세서 버스의 경우 고속의 연결성, 이중화 데이터 전송, 각 IED들과 전기설비 간 네트워크 기반 고정밀 시각동기 서비스 등이 요구되며, 특히 모선과 같은 중요 설비 보호를 위해 예상치 못한 고장이 발생하더라도 신호 연결이 끊어지지 않는 고가용성이 요구된다.
따라서, 디지털 변전소 네트워크 중 특히 프로세서 버스에 적용할 수 있는 충분한 고가용성을 갖는 산업용 통신 네트워크 구조에 대한 필요성이 요구된다 하겠다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하고자 안출된 것으로 IEC 62439에 따른 고가용성 네트워크 프로토콜 중 하나인 HSR(High-availability Seamless Redundancy)을 기반으로 디지털 변전소의 산업용 통신 네트워크 중 프로세서 버스에 효과적으로 적용할 수 있는 산업용 통신 네트워크를 위한 메쉬 네트워크를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 산업용 통신 네트워크를 위한 메쉬 네트워크는 복수 개의 노드를 포함하는 제1 네트워크; 복수 개의 노드를 포함하는 제2 네트워크; 및 상기 제1 네트워크 및 상기 제2 네트워크 사이에 연결되는 분배 노드를 포함하고, 상기 분배 노드는 상기 제1 네트워크와 연결되는 적어도 2개 이상의 입출력 포트 및 상기 제2 네트우크와 연결되는 적어도 2개 이상의 입출력 포트를 구비하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 분배 노드는 일측에 세 개의 입출력 포트를 구비하고 타측에 한 개의 입출력 포트를 구비하는 2개 노드의 각 타측이 서로 연결되어 구성될 수 있다.
또한, 상기 분배 노드는 상기 세 개의 입출력 포트를 통하여 각각 입력되는 이더넷 프레임 중 중복 이더넷 프레임의 외부 전송을 차단하는 중복 프레임 처리부 및 상기 세 개의 입출력 포트를 통하여 각각 입력되는 이더넷 프레임의 중복 프레임 여부를 판단하는 노드 정보 저장부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 노드 정보 저장부는 상기 중복 프레임 처리부로부터 전송되는 이더넷 프레임의 소스 맥 주소(source MAC address) 정보를 순차적으로 저장할 수 있다.
또한, 상기 제1 네트워크 및 상기 제2 네트워크에 포함된 복수 개의 노드는 적어도 두 개 이상의 입출력 포트를 구비할 수 있다.
또한, 상기 제1 네트워크 및 상기 제2 네트워크에 포함된 복수 개의 노드는 DANH(Double Attached Node Header)일 수 있다.
또한, 상기 제1 네트워크 및 상기 제2 네트워크에 포함된 복수 개의 노드는 상기 최초 전송한 이더넷 프레임이 입력되거나 또는 동일한 이더넷 프레임이 재입력되는 경우 상기 입력 또는 재입력된 입력된 이더넷 프레임을 삭제할 수 있다.
또한, 상기 분배 노드의 각 입출력 포트는 동일한 이더넷 프레임에 대한 입력 및 출력이 각각 한번씩만 이루어질 수 있다.
또한, 상기 제1 네트워크 또는 상기 제2 네트워크에 포함된 복수 개의 노드는 네트워크 내부에서 주기적으로 네트워크 관리 프레임을 브로드캐스팅 방식으로 전송할 수 있다.
본 발명에 의하면 디지털 변전소의 산업용 통신 네트워크 중 고가용성이 특별히 요구되는 프로세스 버스에 효과적으로 적용할 수 있는 고가용성을 제공함과 동시에 종래에 비해 이더넷 프레임 전송 시 발생하는 총 트래픽 수를 현저히 낮출 수 있는 효과를 갖는다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 산업용 통신 네트워크를 위한 메쉬 네트워크를 개략적으로 도시한 도면,
도 2는 도 1의 분배 노드의 동작 참고도,
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 산업용 통신 네트워크를 위한 메쉬 네트워크의 멀티캐스팅 또는 브로드캐스팅 전송 동작에 대한 참고도,
도 4는 본 발명의 또다른 바람직한 실시예에 따른 산업용 통신 네트워크를 위한 메쉬 네트워크를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 산업용 통신 네트워크를 위한 메쉬 네트워크의 유니캐스팅 방식의 전송 동작 시 각 노드의 동작 방법에 대한 순서도, 및
도 6은 본 발명에 따른 산업용 통신 네트워크를 위한 메쉬 네트워크의 유니캐스팅 전송 동작에 대한 참고도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 첨가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명이 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당업자에 의해 실시될 수 있음은 물론이다.
본 발명의 산업용 통신 네트워크를 위한 메쉬 네트워크(1)의 경우 IEC 62439에 따른 고가용성 네트워크 프로토콜 중 하나인 HSR(High-availability Seamless Redundancy)을 기반으로 디지털 변전소의 산업용 통신 네트워크에 적합한 메쉬 네트워크를 제공하기 위한 것이며, 도 1에 도시된 바와 같이 제1 네트워크(10), 제2 네트워크(20), 및 분배 노드(30)를 포함한다.
제1 네트워크(10) 및 제2 네트워크(20)는 각각 복수 개의 노드를 포함하며, 상기 복수 개의 노드는 각각 적어도 두 개 이상의 입출력 포트를 구비할 수 있는데, 일 예로 상기 복수 개의 노드 각각은 한 노드가 동일한 물리 주소 인터페이스 2개를 가지는(다시 말해서, 동일한 이더넷 프레임을 양방향 전송하기 위한 2개의 입출력 포트를 가지는 DANH(Double Attached Node Header)일 수 있다.
이때, 상기 복수 개의 노드는 최초 전송한 이더넷 프레임이 입력되거나(다시 말해서, 해당 노드가 소스 노드인 경우) 또는 동일한 이더넷 프레임이 재입력되는 경우 상기 입력 또는 재입력된 이더넷 프레임을 삭제할 수 있다.
또한, 상기와 같이 상기 복수 개의 노드가 각각 두 개의 입출력 포트를 구비하는 이유는 산업용 통신 네트워크에서 요구되는 고가용성을 제공할 수 있도록 동일한 이더넷 프레임을 양방향 전송하기 위함이며, 상기 양방향 전송에 따른 상기 복수 개의 노드의 상세 동작 과정은 이하 도 3을 참조하여 후술한다.
분배 노드(30)는 제1 네트워크(10) 및 제2 네트워크(20) 사이에 연결되며, 제1 네크워크(10)에 포함된 복수 개의 노드 중 특정 노드로부터 전송되는 이더넷 프레임을 제2 네트워크(20) 측으로 전달하거나 또는 제2 네트워크(20)에 포함된 복수 개의 노드 중 특정 노드로부터 전송되는 이더넷 프레임을 제1 네트워크(10) 측으로 전달한다.
이때, 분배 노드(30)는 제1 네트워크(10)와 연결되는 적어도 2개 이상의 입출력 포트 및 제2 네트워크(20)와 연결되는 적어도 2개 이상의 입출력 포트를 구비할 수 있고(예를 들어, 제1 네트워크(10) 및 제2 네트워크(20)를 구성하는 복수 개의 노드가 링 네트워크 형태인 경우 입출력 포트는 4개일 수 있고, 제1 네트워크(10) 및 제2 네트워크(20)를 구성하는 복수 개의 노드가 메쉬 네크워크 형태인 경우 입출력 포트는 6개일 수 있다.), 각 입출력 포트는 동일한 이더넷 프레임에 대한 입력 및 출력이 각각 한번씩만 이루어질 수 있다.
또한, 상기와 같이 각 입출력 포트가 동일한 이더넷 프레임에 대한 입력 및 출력이 각각 한번씩만 이루어지는 이유는 본 발명의 메쉬 네트워크를 구성하는 각 노드가 이더넷 프레임 전송 시 고가용성을 위해 동일한 이더넷 프레임을 양방향으로 전송하는 점을 고려하여 불필요한 트래픽이 발생하지 않도록 하기 위함인데 이를 이하 도 2를 참조하여 보다 상세하게 설명하도록 한다.
도 2는 도 1의 분배 노드의 동작 참고도이다. 도 2에 도시된 바와 같이 분배 노드(30)는 일측에 세 개의 입출력 포트를 구비하고 타측에 한 개의 입출력 포트를 구비하는 2개 노드(31, 34)의 각 타측이 서로 연결되어 구성될 수 있다.
이때, 상기 2개 노드는 각각 중복 프레임 처리부(32, 35) 및 노드 정보 저장부(33, 36)을 더 포함할 수 있는데, 이 중 중복 프레임 처리부(32, 35)는 상기 세 개의 입출력 포트를 통하여 입력되는 특정 이더넷 프레임(다시 말해서, IEC 62439에 따른 link redundancy entity로 입력되는 데이터 프레임)의 소스 맥 어드레스(source MAC address) 및 시퀀스 넘버(sequence number) 정보를 노드 정보 저장부(33, 36)로 전송하고, 노드 정보 저장부(33, 36)로부터 전송되는 중복 여부 판단 결과값에 따라 상기 특정 이더넷 프레임에 대한 전송 또는 비전송 동작을 수행하게 된다.
또한, 노드 정보 저장부(33, 36)는 중복 플레임 처리부(32, 35)로부터 전송되는 상기 특정 이더넷 프레임의 소스 맥 어드레스 및 시퀀스 넘버 정보를 이용하여 상기 특정 이더넷 프레임의 중복 여부를 판단한 후 상기 판단 결과값을 중복 프레임 처리부(32, 35)로 전송한다.
이때, 노드 정보 저장부(33, 36)는 중복 프레임 처리부(32, 35)로부터 전송되는 상기 특정 이더넷 프레임의 소스 맥 어드레스 및 시퀀스 넘버 정보가 중복되지 않은 경우(다시 말해서, 상기 특정 이더넷 프레임의 소스 맥 어드레스 및 시퀀스 넘버 정보가 기전송 되지 않은 경우), 이를 테이블의 형태로 저장할 수 있고, 중복 프레임 처리부(32, 34)로부터 상기 특정 이더넷 프레임의 소스 맥 어드레스 및 시퀀스 넘버 정보가 전송될 시에 상기 테이블을 참조하여 중복되는 소스 맥 어드레스가 존재하는 경우 상기 전송된 시퀀스 넘버 정보와 상기 테이블에 저장된 시퀀스 넘버 정보를 비교하여 상기 전송된 시퀀스 넘버의 크기가 상기 테이블에 저장된 시퀀스 넘버의 크기보다 작거나 같은 경우 상기 전송된 시퀀스 넘버에 대응하는 이더넷 프레임을 중복 입력된 이더넷 프레임으로 판단하고, 상기 판단에 따른 결과값을 중복 플레임 처리부(32, 35)로 전송할 수 있다.
또한, 상기와 같은 중복 프레임 처리부(32, 35) 및 노드 정보 저장부(33, 36)의 동작에 따른 분배 노드(30)의 동작 설명을 위하여 도 2를 참조하면 분배 노드(30)에 구비되는 6개의 입출력 포트(a, b, c, e, f, g) 중 입출력 포트 a를 통하여 특정 이더넷 프레임이 입력되는 경우(도 2의 ①) 상기 특정 이더넷 프레임은 중복 프레임 처리부(32)를 통과한 후 나머지 입출력 포트 모두(b, c, e, f, g)를 통하여 외부로 출력될 수 있고, 추가적으로 노드 정보 저장부(33)는 입출력 포트 a를 통하여 입력된 상기 특정 이더넷 프레임의 소스 맥 어드레스 정보에 대하여 시퀀스 넘버를 부여한 후 이를 테이블에 저장할 수 있다.
다음으로, 6개의 입출력 포트 중 입출력 포트 b를 통하여 상기 특정 이더넷 프레임이 입력되는 경우(도 2의 ②) 상기 특정 이더넷 프레임은 전술한 중복 프레임 처리부(32) 및 노드 정보 저장부(33)의 동작에 의해 나머지 입출력 포트 중 이전에 상기 특정 이더넷 프레임에 대한 출력이 이루어지지 않은 입출력 포트 a를 통해서만 외부로 출력될 수 있게 된다.
또한, 6개의 입출력 포트 중 입출력 포트 c, e, f, g를 통하여 상기 특정 이더넷 프레임이 입력되는 경우(도 2의 ③, ④, ⑤, ⑥)에도 상기 특정 이더넷 프레임은 이미 모든 입출력 포트(a, b, c, e, f, g)를 통하여 출력되었으므로 분배 노드(30) 내부에서 삭제될 수 있게 된다.
이를 보다 상세하게 설명하면, 입출력 포트 c를 통하여 상기 특정 이더넷 프레임이 입력되는 경우(도 2의 ③), 상기 특정 이더넷 프레임은 입출력 포트 c를 통과한 후 중복 프레임 처리부(32)로 입력되며, 중복 프레임 처리부(32)는 상기 특정 이더넷 프레임에 포함된 소스 맥 어드레스 정보를 노드 정보 저장부(33)로 전송한다.
그리고, 노드 정보 저장부(33)는 상기 소스 맥 어드레스 정보와 테이블에 기저장되어 있는 복수 개의 소스 맥 어드레스 정보를 매칭시키게 되며, 매칭결과 동일한 소스 맥 어드레스 정보가 기저장되어 있으므로 두 개의 소스 맥 어드레스 정보에 대한 시퀀스 넘버를 비교하여 입출력 포트 c를 통하여 입력된 상기 특정 이더넷 프레임이 중복된 이더넷 프레임인 것으로 판단할 수 있게 된다.
이에 따라, 노드 정보 저장부(33)가 판단 결과값을 중복 프레임 처리부(32)로 전송하면, 중복 프레임 처리부(32)가 동작하여 상기 특정 이더넷 프레임에 대한 비전송 동작(다시 말해서, 상기 특정 이더넷 프레임에 대한 삭제)을 수행할 수 있게 된다.
상기와 같은 분배 노드(30)의 동작에 의해 분배 노드(30)의 각 입출력 포트별로 이더넷 프레임에 대한 입력 및 출력이 각각 한번씩만 이루어지게 되므로, 동일한 이너뎃 프레임에 대한 분배 노드(30)에서의 총 트래픽 양은 12가 될 수 있다.(다시 말해서, 분배 노드(30)에서 동일한 이더넷 프레임의 입출력 합이 12가 될 수 있다.)
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 산업용 통신 네트워크를 위한 메쉬 네트워크의 멀티캐스팅 또는 브로드캐스팅 전송 동작에 대한 참고도이다.
도 3은 본 발명의 메쉬 네트워크를 구성하는 복수 개의 노드 중 특정 노드로부터 이더넷 프레임이 멀티캐스팅 또는 브로드캐스팅 방식으로 전송되는 경우의 이더넷 프레임 전송 흐름을 개략적으로 도시한 것이며, 도 3을 참조하면 제1 네트워크(10)를 구성하는 복수 개의 노드(노드 A(11), 노드 B(12), 노드 C(13), 노드 D(14), 노드 E(15), 노드 F(16), 노드 G(17), 노드 H(18), 및 노드 I(19)) 중 노드 A(11)가 소스 노드인 경우 노드 A(11)는 동일한 이더넷 프레임을 노드 A(11) 내부에서의 데이터 송수신을 위한 인터링크(interlink) 포트를 제외한 나머지 입출력 포트들을 통하여 노드 A(11) 외부로 전송한다.
그리고, 제1 네트워크(10)에 포함된 노드 A(11)를 제외한 나머지 노드들은 상기 이더넷 프레임을 수신한 후 상기 이더넷 프레임을 수신한 입출력 포트를 제외한 나머지 입출력 포트를 통하여 외부로 전송한다.
이때, 제1 네크워크(10)에 포함된 소스 노드 및 나머지 노드들은 자신이 전송한 이더넷 프레임이 입력되거나 또는 동일한 이더넷 프레임이 재입력되는 경우 이를 삭제하게 되고, 분배 노드(30)로 입력되는 상기 이더넷 프레임은 분배 노드(30)의 동작에 의해 제2 네트워크(20)로 전송되며, 제2 네크워크(20)에 포함된 복수 개의 노드 또한 제1 네크워크(10)에 포함된 복수 개의 노드와 동일한 방식으로 동작하여 동일한 이더넷 프레임에 대한 전송 및 동일한 이더넷 프레임이 재입력되는 경우 이를 삭제하게 된다.
일 예로, 소스 노드인 노드 A(11)가 노드 A(11)와 연결된 노드 B(12) 및 노드 D(14) 측으로 동일한 이더넷 프레임을 전송한 후(도 3의 ①), 노드 B(12)가 노드 A(11)로부터 전송받은 이더넷 프레임을 재전송하는 경우 노드 B(12)는 상기 동일한 이더넷 프레임을 노드 C(13) 측 및 노드 E(15) 측으로 전송한다.(도 3의 ②)
이때, 노드 A(11)로부터 노드 B(12) 및 노드 D(14)로 전송된 상기 동일한 이더넷 프레임 중 노드 B(12) 측으로 전송된 상기 동일한 이더넷 프레임이 노드 D(14) 측으로 전송된 상기 동일한 이더넷 프레임보다 먼저 도달했다고 가정하면, 노드 B(12) 측으로 전송된 상기 동일한 이더넷 프레임은 노드 C(13)를 통과한 후 분배 노드(30)로 전송되고, 분배 노드(30)의 동작에 의해 제2 네트워크(20)에 포함된 노드 A'(21), 노드 D'(24), 및 노드 G'(27)로 전송될 수 있다.(도 3의 ④)
그리고, 제2 네트워크(20)에 포함된 복수 개의 노드의 경우에도 제1 네트워크(10)에 포함된 복수 개의 동일한 방식으로 동작하므로 분배 노드(30)를 통과한 상기 동일한 이더넷 프레임이 제2 네트워크(20)에 포함된 복수 개의 노드의 동작에 의해 분배 노드(30) 측으로 재전송 되더라도 분배 노드(30)의 동작에 의해 제1 네트워크(10) 측으로 재전송되지 않게 된다.
상기와 같이 상기 동일한 이더넷 프레임의 재전송 및 재입력되는 상기 동일한 이더넷 프레임의 삭제가 이루어지는 본 발명의 메쉬 네트워크(1)의 경우 하나의 노드로부터 멀티 캐스트 또는 브로드 캐스트 방식으로 나머지 노드들 모두에 상기 동일한 이더넷 프레임의 전송이 완료되는데 까지 발생하는 전체 트래픽의 양은 60이 될 수 있고, 이를 아래의 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00001
여기에서, T는 총 트래픽 수, SN은 소스 노드의 수, FS는 소스 노드로부터 전송되는 프레임의 수, 및 L은 본 발명의 산업용 통신 네트워크를 위한 메쉬 네트워크를 구성하는 총 링크의 수를 의미한다.
따라서, 상기 수학식 1을 참조하면 도 3에 도시된 메쉬 네트워크 구성의 경우 SN=1, FS=2, 및 L=30이 될 수 있고, 이에 따라 총 트래픽 수는 전술한 바와 같이 60이 될 수 있다.
또한, 도 1 내지 3의 경우 2개의 네트워크(10, 20) 및 분배 노드(30)로 구성되는 메쉬 네트워크 구조에 대해서만 언급하였으나, 본 발명의 경우 이에 한정되지 않고 네트워크의 숫자를 3개, 4개, 또는 그 이상의 개수로 증가시켜 메쉬 네트워크를 구성하는 것이 가능하며, 이를 이하 도 4를 참조하여 후술한다.
도 4는 본 발명의 또다른 바람직한 실시예에 따른 산업용 통신 네트워크를 위한 메쉬 네트워크를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4에 도시된 바와 같이 본 발명의 또다른 바람직한 실시예에 따른 산업용 통신 네트워크를 위한 메쉬 네트워크(100)는 제1 네크워크(110), 제2 네트워크(120), 제3 네트워크(130), 제4 네크워크(14), 제1 분배 노드(150), 제2 분배 노드(160), 제3 분배 노드(170), 및 제4 분배 노드(180)를 포함한다.
제1 네트워크(110) 내지 제4 네트워크(140)는 각각 복수 개의 노드를 포함한다. 이때, 제1 네트워크(110) 내지 제4 네트워크(140)에 각각 포함된 복수 개의 노드의 상세 구성 및 동작 방식의 경우 도 1 및 3을 참조하여 전술한 바 있으므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
또한, 전술한 바와 같이 상기 복수 개의 노드 중 이더넷 프레임을 최초 전송하는 노드(다시 말해서, 소스 노드)는 상기 최초 전송한 이더넷 프레임이 입력되는 경우 상기 입력된 이더넷 프레임을 삭제할 수 있다.
그리고, 제1 분배 노드(150)는 제1 네트워크(110) 및 제2 네트워크(120) 사이에 연결되고, 제2 분배 노드(160)는 제2 네트워크(120) 및 제3 네트워크(130) 사이에 연결되며, 제3 분배 노드(170)는 제3 네트워크(130) 및 제4 네트워크(140) 사이에 연결되고, 제4 분배 노드(180)는 제4 네트워크(140) 및 제1 네트워크(110) 사이에 연결된다.
이때, 제1 분배 노드(150) 내지 제4 분배 노드(180)의 상세 구성 및 동작 방식의 경우 도 2를 참조하여 전술한 바 있으므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
이와 같이, 4개의 링 네트워크를 기반으로 본 발명에 따른 메쉬 네트워크를 구성하는 경우 분배 노드는 4개가 요구되며, 상기 메쉬 네트워크를 구성하는 복수 개의 노드 중 하나의 노드로부터 나머지 노드로 브로드캐스팅 방식에 의해 하나의 이더넷 프레임을 전송하는 경우 SN=1, FS=2, 및 L=72이 되므로 상기 수학식 1에 의해 총 트래픽 수는 144가 될 수 있다.
또한, 본 발명의 메쉬 네트워크를 구성하는 복수 개의 노드 중 하나의 노드는 전술한 멀티캐스트 또는 브로드캐스트 방식 이외에 유니캐스트 방식으로 이더넷 프레임을 전송하는 경우에도 총 트래픽 수를 줄이는 것이 가능하며, 이를 위해 본 발명의 메쉬 네트워크를 구성하는 각 노드의 경우 개별 네트워크 내에서(다시 말해서, 제1 네트워크(10) 또는 제2 네트워크(20) 내에서) 주기적으로 네트워크 관리 프레임을 브로드캐스팅 방식으로 전송하는 것이 가능하고, 추가적으로 상기 각 노드는 노드 테이블을 구성할 수 있다.
이때, 상기 네크워크 관리 프레임은 분배 노드(30) 측으로 전송되지 않으며, 상기 노드 테이블의 경우 소스 맥 어드레스(source MAC address) 정보, 시간 정보, 및 전송 포트 정보를 포함할 수 있다.
또한, 상기 시간 정보의 경우 각 노드에서 수신하는 상기 네트워크 관리 프레임에 포함된 전송 시작 시간 정보와 현재 시간 값과의 차에 대한 최소값일 수 있으며, 상기 시간 정보의 초기값은 0일 수 있고, 상기 전송 포트 정보는 상기 각 노드 의 입출력 포트 중 상기 시간 정보와 대응되는 네트워크 관리 프레임을 수신한 입출력 포트(다시 말해서, 네트워크 관리 프레임을 수신하는 적어도 하나의 입출력 포트 중 상기 전송 시작 시간 정보와 상기 현재 시간 값과의 차가 최소가 되는 네트워크 관리 프레임을 수신한 입출력 포트의 정보)의 정보 일 수 있다.
이에 따라, 상기 각 노드의 경우 새로운 네트워크 관리 프레임의 수신 시 상기 네트워크 관리 프레임에 포함된 전송 시작 시간 정보와 현재 시간의 차를 계산한 후 상기 계산값이 기 저장된 시간 정보(다시 말해서, 기저장된 계산값)보다 작은 경우 상기 계산값을 새로운 시간 정보로써 저장할 수 있고, 상기 각 노드의 포트 중 상기 네트워크 관리 프레임을 수신한 포트를 전송 포트 정보에 등록할 수 있다.
이때, 상기 각 노드의 2개의 입출력 포트를 통해 수신한 2개의 네트워크 관리 프레임에 따른 시간 정보의 값의 동일한 경우 상기 2개의 입출력 포트를 전송 포트 정보에 등록할 수도 있다.
도 5는 본 발명에 따른 산업용 통신 네트워크를 위한 메쉬 네트워크의 유니캐스팅 방식의 전송 동작 시 각 노드의 동작 방법에 대한 순서도, 도 6은 본 발명에 따른 산업용 통신 네트워크를 위한 메쉬 네트워크의 유니캐스팅 전송 동작에 대한 참고도이다.
먼저, 도 5를 참조하면 도 5에 도시된 바와 같이 S100에서 각 노드는 이더넷 프레임을 전송받은 후 상기 이더넷 프레임이 유니캐스트 전송을 위한 이더넷 프레임인지를 확인하고, 확인 결과 상기 전송받은 이더넷 프레임이 유니캐스트 전송을 위한 이더넷 프레임이 아닌 경우(다시 말해서, 멀티캐스트 또는 브로드캐스트 전송을 위한 이더넷 프레임인 경우), S450이 수행되어 상기 각 노드는 상기 이더넷 프레임을 수신한 입출력 포트를 제외한 나머지 입출력 포트를 통하여 상기 이더넷 프레임과 동일한 이더넷 프레임을 전송한다.
반면, 상기 확인 결과 상기 이더넷 프레임이 유니캐스트 방식의 이더넷 프레임으로 확인된 경우 S200이 수행되어 상기 각 노드는 상기 이더넷 프레임의 목적지 맥 어드레스(destination Mac address) 정보가 자신의 맥 어드레스 정보와 일치하는지를 확인하고, 확인 결과 일치하는 경우 상기 S250이 수행되어 상기 각 노드는 상기 이더넷 프레임을 상기 각 노드 내부에서의 데이터 송수신을 위한 인터링크 포트(interlink port)를 통하여 상기 각 노드의 상위 계층(upper layer)로 전송한다.
또한, 상기 확인 결과 상기 이더넷 프레임의 목적지 맥 어드레스 정보가 자신의 맥 어드레스 정보와 일치하지 않으면, S300이 수행되어 상기 각 노드는 상기 이더넷 프레임이 상기 인터링크 포트를 통하여 수신된 이더넷 프레임 인지를 확인하고, 확인 결과 상기 이더넷 프레임이 상기 인터링크 포트를 통하여 수신된 이더넷 프레임인 경우 상기 S450이 수행될 수 있다.
반면, 상기 확인 결과 상기 이더넷 프레임이 상기 인터링크 포트를 통하여 수신된 이더넷 프레임이 아닌 경우, S400이 수행되어 상기 각 노드는 자신의 노드 테이블에 상기 이더넷 프레임의 맥 어드레스 정보가 포함되어 있는지를 확인하고, 확인 결과 포함되어 있지 않은 경우 상기 S450이 수행될 수 있고, 상기 확인 결과 포함되어 있는 경우 S500이 수행되어 상기 각 노드는 상기 노드 테이블 중 전송 포트 정보에 등록되어 있는 입출력 포트를 통하여 상기 이더넷 프레임을 전송하면 종료가 이루어진다.
도 6은 본 발명에 따른 산업용 통신 네트워크를 위한 메쉬 네트워크의 유니캐스팅 방식의 전송 동작에 대한 참고도이다.
도 6을 참조하면, 제1 네크워크(10)를 구성하는 복수 개의 노드 중 노드 A(11)가 소스 노드이고 제2 네트워크(20)를 구성하는 복수 개의 노드 중 노드 I'(29)가 목적지 노드인 경우 노드 A(11)는 이더넷 프레임을 노드 A(11) 내부에서의 데이터 송수신을 위한 인터링크(interlink) 포트를 제외한 나머지 입출력 포트들을 통하여 노드 A(11) 외부로 전송한다.
이때, 제1 네크워크(10)에 포함된 모든 노드의 경우 목적지 노드의 정보가 노드 테이블에 포함되어 있지 않기 때문에 도 3을 참조하여 전술한 멀티캐스트 또는 브로드캐스트 전송과 동일한 형태로 이더넷 프레임의 전송과정(다시 말해서, 각 노드에서의 동일한 이더넷 프레임의 전송, 소스 노드로 입력되는 최초 전송한 이더넷 프레임과 동일한 이더넷 프레임의 삭제, 및 나머지 노드들로 재입력되는 동일한 이더넷 프레임의 삭제)가 이루어질 수 있다.
그리고, 상기 이더넷 프레임은 분배 노드(30)를 통과하여 제2 네트워크(20) 측으로 전송되며, 제2 네트워크(20)에 포함된 모든 노드의 경우 목적지 노드에 대한 정보가 노드 테이블에 포함되어 있으므로 도 5를 참조하여 전술한 유니캐스트 전송에 따른 노드의 동작 방법에 따라 제2 네트워크(20를 구성하는 각 노드가 동작할 수 있게 된다.
다시 말해서, 분배 노드(30)를 통과한 후 제2 네트워크(20) 측으로 전송되는 이더넷 프레임은 1차적으로 노드 A''(21), 노드 D'(24), 및 노드 G‘(27)로 전송되며, 이때 노드 A'(21), 노드 D'(24), 및 노드 G‘(27)의 경우 노드 테이블에 목적지 노드인 노드 I'(29)의 정보가 포함되어 있으므로 도 5를 참조하여 설명한 방식에 따라 이더넷 프레임에 대한 내부 전송 또는 외부 전송을 수행할 수 있게 되고, 노드 A'(21), 노드 D'(24), 및 노드 G‘(27)로부터 동일한 이더넷 프레임을 전송받는 노드 B’(22), 노드 E'(25), 및 노드 H'(28)과 노드 B’(22), 노드 E'(25), 및 노드 H‘(28)로부터 동일한 이더넷 프레임을 전송받는 노드 C'(23), 노드 F'(26), 및 노드 I'(29)의 경우에도 노드 A'(21), 노드 D'(24), 및 노드 G‘(27)와 동일한 방식으로 동작할 수 있게 된다.
또한, 도 6을 참조하여 설명한 본 발명의 메쉬 네트워크(1)에서의 유니캐스트 전송에 다른 총 트래픽 양은 상기 수학식 1이 적용 가능한 제1 네트워크(10)의 총 트래픽 30(다시 말해서, SN=1, FS=2, L=15)과 제2 네트워크(20)의 총 트래픽 15(다시 말해서, 송신 노드인 분배 노드(30)로부터 해당 노드(목적지 노드)인 노드 I'(29)까지의 총 링크수)를 더한 45가 될 수 있다.
본 발명의 경우 HSR(High-availability Seamless Redundancy) 프로토콜을 기반으로 하여 단일 노드로부터 동일한 이더넷 프레임에 대한 양방향 전송이 이루어지므로 일 방향에 위치하는 노드들 간의 링크가 끊어지는 경우에도 이더넷 프레임이 모든 노드들로 전송되는 것이 가능하다.
또한, 전송 과정에서 각 네트워크들 사이에 연결되는 분배 노드의 동작에 의해 상기 전송 과정에서 발생하는 총 트래픽 수가 불필요하게 증가하지 않게 되므로 디지털 변전소의 산업용 통신 네트워크 중 고가용성이 특별히 요구되는 프로세스 버스에 효과적으로 적용할 수 있는 고가용성을 제공함과 동시에 종래에 비해 이더넷 프레임 전송 시 발생하는 총 트래픽 수를 현저히 낮출 수 있는 장점을 갖는다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예들에 의해서 본 발명의 기술 사상이 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구 범위에 의해서 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
(1, 100) : 산업용 통신 네트워크를 위한 메쉬 네트워크
(10, 110) : 제1 네트워크 (20, 120) : 제2 네트워크
(30) : 분배 노드 (32, 35) : 중복 프레임 처리부
(33, 36) : 노드 정보 저장부 (130) : 제3 네트워크
(140) : 제4 네트워크 (150) : 제1 분배 노드
(160) : 제2 분배 노드 (170) : 제3 분배 노드
(180) : 제4 분배 노드

Claims (9)

  1. 복수 개의 노드를 포함하는 제1 네트워크;
    복수 개의 노드를 포함하는 제2 네트워크; 및
    상기 제1 네트워크 및 상기 제2 네트워크 사이에 연결되는 분배 노드를 포함하고,
    상기 분배 노드는 상기 제1 네트워크와 연결되는 적어도 2개 이상의 입출력 포트 및 상기 제2 네트우크와 연결되는 적어도 2개 이상의 입출력 포트를 구비하는 것을 특징으로 하는 산업용 통신 네트워크를 위한 메쉬 네트워크.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 분배 노드는 일측에 세 개의 입출력 포트를 구비하고 타측에 한 개의 입출력 포트를 구비하는 2개 노드의 각 타측이 서로 연결되어 구성되는 것을 특징으로 하는 산업용 통신 네트워크를 위한 메쉬 네트워크.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 분배 노드는 상기 세 개의 입출력 포트를 통하여 각각 입력되는 이더넷 프레임 중 중복 이더넷 프레임의 외부 전송을 차단하는 중복 프레임 처리부 및 상기 세 개의 입출력 포트를 통하여 각각 입력되는 이더넷 프레임의 중복 프레임 여부를 판단하는 노드 정보 저장부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 산업용 통신 네트워크를 위한 메쉬 네트워크.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 노드 정보 저장부는 상기 중복 프레임 처리부로부터 전송되는 이더넷 프레임의 소스 맥 주소(source MAC address) 정보를 순차적으로 저장하는 것을 특징으로 하는 산업용 통신 네트워크를 위한 메쉬 네트워크.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 네트워크 및 상기 제2 네트워크에 포함된 복수 개의 노드는 적어도 두 개 이상의 입출력 포트를 구비하는 것을 특징으로 하는 산업용 통신 네트워크를 위한 메쉬 네트워크.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 네트워크 및 상기 제2 네트워크에 포함된 복수 개의 노드는 DANH(Double Attached Node Header)인 것을 특징으로 하는 산업용 통신 네트워크를 위한 메쉬 네트워크.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 네트워크 및 상기 제2 네트워크에 포함된 복수 개의 노드는 상기 최초 전송한 이더넷 프레임이 입력되거나 또는 동일한 이더넷 프레임이 재입력되는 경우 상기 입력 또는 재입력된 입력된 이더넷 프레임을 삭제하는 것을 특징으로 하는 산업용 통신 네트워크를 위한 메쉬 네트워크.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 분배 노드의 각 입출력 포트는 동일한 이더넷 프레임에 대한 입력 및 출력이 각각 한번씩만 이루어지는 것을 특징으로 하는 산업용 통신 네트워크를 위한 메쉬 네트워크.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 네트워크 또는 상기 제2 네트워크에 포함된 복수 개의 노드는 네트워크 내부에서 주기적으로 네트워크 관리 프레임을 브로드캐스팅 방식으로 전송하는 것을 특징으로 하는 산업용 통신 네트워크를 위한 메쉬 네트워크.
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