KR101090292B1 - 이더넷에서 대역폭 제어 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이더넷(ether-net)에서 데이터의 송/수신 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 데이터의 송/수신 시 데이터의 특성에 따라 대역폭을 제어하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 장치는, 이더넷 시스템에서 데이터를 송신하기 위한 장치로, 미리 결정된 방식에 따라 전송할 데이터를 멀티미디어 데이터와 제어 정보 데이터로 위한 트래픽 타입 검출부와, 각 데이터 별 트래픽 발생량과 상기 제어 정보 데이터의 순간 최고 트래픽 양을 계산하기 위한 트래픽 추적부와, 상기 멀티미디어 데이터가 전체 대역에서 허용된 트래픽 양 이상인 경우 초과하는 트래픽의 전송을 제한하기 위한 트래픽 제한부를 포함한다.

Description

이더넷에서 대역폭 제어 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR CONTROLLING BANDWIDTH IN A ETHERNET}

본 발명은 이더넷(ether-net)에서 데이터의 송/수신 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 데이터의 송/수신 시 데이터의 특성에 따라 대역폭을 제어하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로 이더넷 기술의 대표적인 서비스로는 근거리 네트워크(Local Area Network, 이하 "LAN"이라 함) 전송기술을 들 수 있다. LNA 전송기술은 기업의 사무실, 소호(Soho)의 구성 및 산업 현장에서 널리 사용되는 기술이며, 현재 무선으로까지 영역을 확장하고 있는 추세에 있다.

그러나 LAN 또는 W-LAN 전송기술에서는 전송되는 데이터의 서비스 품질(Quality of Service, 이하 "QoS"라 함)을 보장하기 어렵다는 문제를 가지고 있다. 이를 간단히 살펴보면, LAN 또는 W-LAN 전송기술에서는 전송되는 데이터가 실시간 데이터인 경우와 중요도가 높은 제어 데이터인 경우 및 일반 응용 데이터인 경우를 구분하여 트래픽의 전송을 제어하지 않고, 대체로 데이터의 발생 시점에 따라서 전송하게 된다. 이를 더 설명하면, 이더넷 시스템의 경우 모든 호스트가 동일한 접근권한을 가지고 있다. 따라서 모든 호스트가 전송하고자 하는 데이터는 종류에 상관없이 동일한 대역폭을 할당받게 된다.

한편, 현재의 Internet 및/또는 Intranet 뿐만 아니라 산업용 네트워크 설계에 있어서도 이제 실시간 서비스를 보장해 줄 수 있는 형태로의 개발이 요구되고 있는 상황이다. 최근에 개발된 Profinet, EtherCAT, Ethernet/IP, DeviceNet, RAPIEnet 등과 같은 산업용 이더넷 프로토콜은 이러한 실시간성 요구를 충족하면서 산업 현장에서 사용 가능한 형태로 개발된 산업용 표준들이다. 하지만 이러한 통신 프로토콜 역시도 모터제어와 센서제어만을 고려한 프로토콜 정의로 인해 다량의 멀티미디어 데이터가 같은 이더넷 라인을 통해 전송될 경우 문제가 발생할 수 있다. 최근 고속의 데이터 네트워크의 급속한 보급에 따라 대용량 고품질의 네트워크 데이터, 특히 MPEG(Moving Picture Experts Group)을 비롯한 동화상 데이터, MP3/WMA 오디오 데이터, 3D 기반의 그래픽 데이터 등의 실시간 처리가 요구 되는 멀티미디어 데이터 처리에 대한 서비스 요구가 증가하고 있다. 특히 카메라나 오디오 정보를 활용한 다양한 산업용 장비들이 개발되고 있어 이는 이러한 장비들이 같은 네트워크에 연결되어 제어의 안정성 및 효율성을 높여 줄 것으로 기대하고 있다. 하지만 실시간 처리의 문제를 안고 있어서 무조건적인 장치 연결의 어려움을 갖고 있다.

이러한 어려움을 해결하기 위해 라우터(Router)들은 실시간 서비스를 처리해 줄 수 있는 기능들이 포함되지만, 기존에 설치된 이더넷 환경과 라우터에서는 트래픽의 타입(traffic type) 즉, 서비스되는 데이터의 종류의 구분에 의한 실시간 서비스의 서비스 품질(QoS)을 보장할 수 없다.

위와 같이 실시간 트래픽의 서비스 품질을 제공하지 못하는 경우 데이터의 폐기 등이 발생하게 되며, 데이터 폐기로 인하여 새로운 전송이 필요하게 되는 경우 이더넷 시스템 전체의 전송 효율을 저하시키는 결과를 초래할 수 있다. 뿐만 아니라 폐기되어 재전송이 필요한 데이터가 증가하면, 시스템의 부하가 증가하게 되어 결과적으로 시스템의 다운을 초래할 수도 있다.

따라서 이더넷 기반의 산업용 네트워크를 구성할 경우 카메라, 마이크 등과 같은 멀티미디어 정보를 처리하면서 제어 정보를 실시간으로 처리할 수 있는 장치 및 방법이 필요하다.

따라서 본 발명에서는 이더넷 환경에서 데이터의 종류에 따라 서비스 품질(QoS)을 보장할 수 있는 장치 및 방법을 제공한다.

또한 본 발명에서는 이더넷 환경에서 전송되는 데이터의 전송 효율을 증대시킬 수 있는 장치 및 방법을 제공한다.

또한 본 발명에서는 이더넷 환경에서 데이터 전송 대역폭을 능동적으로 할당할 수 있는 장치 및 방법을 제공한다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 장치는, 이더넷 시스템에서 데이터를 송신하기 위한 장치로, 미리 결정된 방식에 따라 전송할 데이터를 멀티미디어 데이터와 제어 정보 데이터로 위한 트래픽 타입 검출부와, 각 데이터 별 트래픽 발생량과 상기 제어 정보 데이터의 순간 최고 트래픽 양을 계산하기 위한 트래픽 추적부와, 상기 멀티미디어 데이터가 전체 대역에서 허용된 트래픽 양 이상인 경우 초과하는 트래픽의 전송을 제한하기 위한 트래픽 제한부를 포함한다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 방법은, 이더넷 시스템에서 데이터를 송신하기 위한 방법으로, 미리 결정된 방식에 따라 전송할 데이터를 멀티미디어 데이터와 제어 정보 데이터로 구분하는 데이터 검출 과정과, 각 데이터 별 트래픽 발생량과 상기 제어 정보 데이터의 순간 최고 트래픽 양을 계산하기 위한 트래픽 추적 과정과, 상기 멀티미디어 데이터가 전체 대역에서 허용된 트래픽 양 이상인 경우 초과하는 트래픽의 전송을 제한하기 위한 트래픽 제한 과정을 포함한다.

본 발명에서는 산업용 이더넷을 사용하여 제어시스템을 구성할 경우 멀티미디어 데이터와 제어 정보 데이터를 동시에 처리하기 위하여 자율적으로 대역폭을 할당할 수 있다. 즉, 산업용 네트워크에서 제어 정보는 실시간 처리를 요구하여 지정된 기한(dead-line) 내에 모든 메시지가 처리할 수 있으며, 멀티미디어 데이터의 경우는 제어 정보보다는 낮은 우선순위를 가지고 처리할 수 있다. 결과적으로 본 발명은 제어 정보의 실시간성을 보장하면서 최대한 많은 양의 멀티미디어 데이터를 전송할 수 있게 된다. 따라서 본 발명에 따른 산업용 이더넷에서는 대역폭 사용의 효율성을 높일 수 있다.

도 1은 일반적으로 산업용 네트워크에서 사용되는 네트워크 토폴로지를 도시한 도면,
도 2는 본 발명에 따른 대역폭 제어 장치의 내부 구성 및 다른 계층의 장치간의 관계를 도시한 블록 다이어그램,
도 3은 본 발명에 따른 트래픽 타입 검출부의 상세 내부 블록 구성도,
도 4는 본 발명에 따른 트래픽 추적부의 상세 내부 블록 구성도,
도 5는 본 발명에 따른 트래픽 제한부의 상세 내부 블록 구성도,
도 6은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따라 트래픽 조정부에서 전송할 트래픽의 양을 조정하기 위한 제어 흐름도.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어 당업자에게 자명한 부분에 대하여는 본 발명의 요지를 흩뜨리지 않도록 생략하기로 한다. 또한 이하에서 설명되는 각 용어들은 본 발명의 이해를 돕기 위해 사용된 것일 뿐이며, 각 제조 회사 또는 연구 그룹에서는 동일한 용도임에도 불구하고 서로 다른 용어로 사용될 수 있음에 유의해야 한다.

본 발명에 따른 이더넷 시스템에서는 멀티미디어 데이터 및 제어 정보 검출기를 통하여 들어온 데이터를 트래픽 추적기를 통해 각각의 데이터가 순간 최대 사용 가능한 대역폭을 계산한다. 그런 후 대역폭 제한기를 통해 전송되려고 하는 멀티미디어 데이터의 주기를 임의적으로 변경함으로써 멀티미디어 데이터의 과도한 트래픽을 줄이도록 한다.

도 1은 일반적으로 산업용 네트워크에서 사용되는 네트워크 토폴로지를 도시한 도면이다.

산업용 네트워크의 경우 마스터 시스템(10)에 의해 전체 연결된 슬레이브들(21, 22, …, 2N)을 총체적으로 관리하고 제어한다. 마스터 시스템(10)은 물리계층 처리부, MAC 계층 처리부, 수신부 및 송신부를 포함하여 구성한다. 송신부는 제어 또는 관리를 위한 데이터를 생성하고, MAC 계층 처리부를 통해 슬레이브들로 전송할 형식으로 변환한 후 물리계층 처리부에서 전송된다. 이와 같은 구성은 각 슬레이브들(21, 22, …, 2N)에서도 동일하게 적용될 수 있다. 다만, 슬레이브들(21, 22, …, 2N)은 제어 또는 관리를 위한 메시지를 생성하지 않으며, 필요한 경우 응용 서비스 데이터 예를 들어 실시간성을 요하는 멀티미디어 데이터와 같은 데이터의 전송을 마스터로 요청할 수 있다.

도 1의 전체적인 동작을 살펴보면, 산업용 네트워크의 마스터 시스템(10)은 즉, 슬레이브들(21, 22, …, 2N)을 관리 또는 제어하기 위한 명령을 생성하여 전송하고, 그 결과를 제공받아 운용자에게 제공한다. 마스터 시스템(10)과 슬레이브들(21, 22, …, 2N)간의 연결은 일반적으로 링(Ring) 형으로 구성되어 데이터의 송/수신이 이루어진다. 마스터 시스템(10)에서 생성되어 전송된 제어 또는 관리를 위한 명령은 해당하는 슬레이브로 전송되고, 그 결과는 다른 슬레이브를 통해 마스터 시스템(10)으로 전달된다. 예를 들어 마스터 시스템(10)에서 슬레이브 #1(21)을 제어하기 위한 또는 관리하기 위한 명령을 생성하여 전송하면, 슬레이브 #1(2)은 이를 수신하여 그에 대응하는 동작을 수행한다. 이후, 그 결과를 다시 슬레이브 #2(22), …, 슬레이브 #N(2N)으로 전송한다. 슬레이브 #N(2N)은 자신이 처리한 메시지를 다시 자신을 통해 슬레이브 #2(22), 슬레이브 #1(21)을 통해 마스터 시스템(10)으로 전달한다.

즉, 각각의 슬레이브들(21, 22, …, 2N)은 마스터의 명령어에 의해 동작이 이루어지고 모든 센서 정보는 마스터로 전달된다.

이러한 동작 방식으로 인해 하나의 슬레이브에서 멀티미디어 데이터와 같은 것으로 인해 과도한 트래픽이 발생할 경우 마스터 과부하가 걸려 전체적인 시스템의 오동작을 일으킬 수 있다. 따라서 다량의 멀티미디어 데이터가 일정 대역폭 이상을 점유할 경우 중요한 제어 정보의 손실을 초래한다.

도 2는 본 발명에 따른 대역폭 제어 장치의 내부 구성 및 다른 계층의 장치간의 관계를 도시한 블록 다이어그램이다. 도 2의 구성은 일반적으로 이더넷 장비 중 마스터에 포함되는 장비이다. 그러나 슬레이브에서도 위와 같은 기능을 통해 개별적으로 제공하도록 구성할 수도 있다. 그러므로 이하에서는 본 발명에 따른 대역폭 제어 장치를 이더넷 장비 중 마스터 또는 슬레이브에 포함된 장치로 구분하지 않고 이더넷 장비라 칭하여 설명하기로 한다.

먼저 상위 계층(100)은 운용자 또는 사용자와 이더넷 장비의 응용 프로그램간 이루어지는 동작을 처리하기 위한 계층이다. 이와 같은 상위 계층(100)에서는 데이터를 생성하여, 본 발명에 따른 대역폭 조정부(200)로 제공하거나 또는 다른 장치로부터 수신되어 온 데이터를 운용자 또는 사용자에게 제공하기 위한 인터페이스를 제공한다. 이러한 상위 계층(100)에서 이루어지는 데이터 처리는 일반적으로 널리 알려진 사항이므로 여기서는 상세히 살피지 않기로 한다.

상위 계층(100)으로부터 수신된 데이터는 대역폭 조정부(200)로 입력된다. 대역폭 조정부(200)는 트래픽 타입 검출부(210)와 트래픽 추적부(220) 및 트래픽 제한부(230)를 포함한다. 대역폭 조정부(200)는 상위로부터 수신된 데이터의 종류 즉, 트래픽의 타입을 트래픽 타입 검출부(210)에서 검출하여 멀티미디어 데이터와 제어 정보 데이터로 구분한다. 이와 같이 구분된 정보는 트래픽 추적부(220)로 제공된다. 트래픽 추적부(220)는 제공된 데이터의 종류에 따라 전체 대역폭 중 해당하는 데이터가 차지하는 대역폭의 사용률을 계산한다. 이를 통해 멀티미디어 데이터의 대역폭 사용률과 제어 정보 데이터의 대역폭 사용률을 계산할 수 있다. 이와 같이 계산된 멀티미디어 및 제어 정보 데이터의 대역폭 사용률은 트래픽 제한부(230)로 제공된다. 트래픽 제한부(230)는 우선적으로 제어 정보 데이터를 할당할 수 있도록 대역폭을 할당하도록 한 후 멀티미디어 데이터에 할당 가능한 대역을 계산한다. 이를 통해 전체 대역폭에서 사용할 수 있는 제어 정보 데이터의 대역폭과 멀티미디어 데이터의 대역폭이 계산되고, 멀티미디어 데이터의 트래픽 대역에 대한 제한을 할 수 있다.

이와 같이 대역폭 조정부(200)에서 각 트래픽의 종류에 따른 트래픽 대역에 대한 정보가 계산되면, 대역폭 조정부(200)는 MAC 계층 송신부(320)로 송신할 데이터와 함께 트래픽 제한 정보를 제공한다. 그러면 MAC 계층 송신부(320)는 트래픽 제한 정보에 근거하여 각 트래픽들들 MAC 계층 데이터로 구성한 후 물리계층(400)의 물리계층 송신부(420)로 제공한다. 이를 통해 물리계층 송신부(420)에서는 해당하는 각 트래픽 즉, 송신 데이터(520)를 이더넷의 다른 장비로 제공할 수 있다.

수신 데이터(510)는 다른 이더넷 장치로부터 수신되는 데이터이며, 일반적으로 위와 같이 트래픽 제한되어 전송되어 온 데이터이다. 따라서 물리계층 수신부(410)에서는 데이터의 복조 및 복호하여 MAC 계층 수신부(310)로 제공한다. 또한 MAC 계층 수신부(310)는 MAC 계층에서 처리하기 위한 동작 예를 들어 재전송 또는 데이터의 결합 등을 수행한 후 대역폭 조정부(200)로 제공한다. 이더넷 장비에서 데이터 수신 시에 특별히 대역폭 제한을 위한 동작이 필요하지 않다면, 대역폭 조정부(200)는 수신된 데이터를 바이패스(bypass) 하도록 구성할 수도 있다. 대역폭 조정부(200) 또는 MAC 계층 수신부(310)에서 처리된 데이터는 상위 계층(100)에서 필요한 형태로 재가공될 수 있다.

도 3은 본 발명에 따른 트래픽 타입 검출부의 상세 내부 블록 구성도이다.

트래픽 타입 검출부(220)는 앞에서 설명한 바와 같이 멀티미디어 데이터와 제어 정보 데이터를 구분하는 장치이다. 상위 계층(100)으로부터 수신된 각각의 데이터는 메시지 프레임 타입, MAC 주소, 메시지 프레임 주기 등과 같은 정보를 기준으로 멀티미디어 데이터와 제어 정보 데이터가 구분된다. 본 발명에 따라 메시지를 구분하는 방법은 크게 3가지로 구분할 수 있다.

첫 번째로 프레임 타입을 활용하는 방법은 메시지 프레임 타입 필드를 생성하는 멀티미디어 데이터는 0x00, 제어 정보 데이터 0xFF로 미리 설정해 두어 검출기를 통해 들어오는 데이터를 분석하여 구분하는 방법이다. 두 번째로 MAC 주소를 이용한 방법은 슬레이브들(21, 22, …, 2N) 중 사전에 멀티미디어 데이터를 전송하는 슬레이브들의 MAC 주소를 마스터 장치에 등록해 두어 멀티미디어 데이터를 구분해 내는 방법이다. 세 번째로 메시지 프레임 주기를 활용하는 방법은 멀티미디어 데이터의 경우 비디오 데이터와 오디오 데이터 두 가지로 구분할 수 있다. 비디오 데이터의 경우 각 슬레이브 장치마다 영상 프레임률(Frame/sec)이 미리 지정되어 있어 데이터 전송 주기를 알 수 있다. 또한 오디오 데이터도 마찬가지로 일반적으로 사용되는 주파수(48Khz)의 값을 주기로 데이터가 전송된다. 각각의 주기는 내부의 카운터/타이머를 활용하여 계산된다. 이러한 주기 값을 활용하여 제어정보 데이터와 멀티미디어 데이터를 구분할 수 있다. 각각 구분된 데이터는 제어 정보 데이터 버퍼, 멀티미디어 데이터 버퍼에 각각 저장된다.

그러면 이를 도 3에 포함되어 있는 내부 구성을 통해 좀 더 상세히 살펴보기로 한다. 먼저 트래픽 타입 검출부(210)의 내부에는 MAC 주소 테이블(211), 프레임 타입 테이블(212), 메시지 주기 테이블(213), 타이머/카운터(214), 제어정보 데이터 버퍼(215) 및 멀티미디어 데이터 버퍼(216)를 포함한다. 본 발명에서 트래픽 타입 검출부(210)는 트래픽의 타입을 결정하기 위한 타입 결정부(210A)와 데이터 버퍼링부(210B)로 구성된다. 트래픽 타입 검출부(210A)는 MAC 주소 테이블(211), 프레임 타입 테이블(212), 메시지 주기 테이블(213) 및 타이머/카운터(214)가 포함될 수 있으며, 이러한 구성 요소들은 필요에 따라 하나 또는 그 이상을 가지도록 구성할 수 있다. 또한 버퍼링부(210B)는 제어 정보 데이터 버퍼(215)와 멀티미디어 데이터 버퍼(216)를 포함할 수 있다. 제어 정보 데이터 버퍼(215)와 멀티미디어 데이터 버퍼(216)는 물리적으로 구분될 수도 있으며, 물리적으로 하나의 구성을 가지며, 논리적인 인덱스를 통해 구분할 수도 있다.

앞에서 살핀 바와 같이 상기한 구성들은 장치 내에 모두 포함될 수도 있고, 상황에 따라 즉, 앞에서 설명한 3가지 방법에 따라 필요한 구성만을 갖도록 할 수도 있다. 이하에서는 모든 구성 요소들을 가지고 해당하는 경우에 맞춰 동작하는 경우를 가정하여 살펴보기로 한다.

MAC 주소 테이블(211)은 앞에서 설명한 두 번째 경우에 해당할 때 필요한 장치이다. 즉, 사전에 슬레이브들(21, 22, …, 2N) 중 멀티미디어 데이터를 전송하는 슬레이브들의 MAC 주소를 마스터 장치에 등록해 두어 멀티미디어 데이터를 구분해 내는 방법이다. 예를 들어 슬레이브들(21, 22, …, 2N) 중 첫 번째 및 마지막 슬레이브(21, 2N)로 멀티미디어 데이터를 전송하거나 수신한다고 가정하면, MAC 주소 테이블(211)에는 해당하는 슬레이브들(21, 2N)의 MAC 주소를 테이블로 저장하고 있다. 따라서 멀티미디어 데이터를 수신하는 슬레이브들(21, 2N)로 멀티미디어 데이터 전송이 필요한 경우를 검출할 수 있다.

다음으로 프레임 타입 테이블(212)은 앞에서 설명한 바와 같이 송/수신 프레임의 타입을 알리기 위해 미리 프레임의 헤더 또는 프레임의 미 정의된 필드(Reserved field) 등에 전송할 프레임의 형식을 지정하기 위한 값을 미리 설정해 두는 방법이다. 앞에서 설명한 예에 따라 살펴보면, 멀티미디어 데이터의 경우 헤더 또는 미 정의된 필드에 미리 정의한 0x00 필드 값을 가지는 경우 멀티미디어 데이터 프레임이 된다. 반면에 헤더 또는 미 정의된 필드에 미리 정의한 0xFF 필드 값을 가지는 경우 제어 정보 메시지의 프레임이 된다. 이와 같이 프레임 타입에 대한 정의를 프레임 타입 테이블(212)에 미리 등록해 두고, 해당하는 필드에서 프레임 타입 값을 확인함으로써 전송할 프레임의 종류를 확인할 수 있다. 본 발명의 실시 예에서는 간단하게 멀티미디어 프레임과 제어 정보 프레임으로만 구분하였으나, 이를 더 세분화하여 각 필드 값들을 정의할 수도 있다. 예를 들어 멀티미디어 프레임인 경우에 정의된 시간 내에 전송해야 하는 데이터의 크기 또는 용량 등에 따라 여러 종류로 구분할 수도 있다. 또한 제어 정보 메시지의 경우에도 우선순위를 차별화할 수도 있으며, 전송되는 제어 정보 메시지의 양에 따라서도 우선순위를 차별화 할 수도 있다. 이와 같이 우선순위가 차별화되면, 각각의 제어 정보를 확인하기 위한 필드 값들을 달리 구성할 수 있다. 이와 같은 프레임 타입의 정보는 프레임 타입 테이블(212)에 저장되어 있는 정보를 이용하여 구별할 수 있다.

메시지 주기 테이블(213)은 전송되는 메시지의 주기에 따라 제어 정보 또는 멀티미디어 데이터를 구분할 수 있도록 한 테이블이다. 메시지 주기 테이블(213)은 미리 특정 데이터 종류에 대응하는 주기 값을 테이블에 저장하고 있다. 그런 후 특정 이더넷 장비로(슬레이브로 또는 경우에 따라서는 마스터로) 메시지가 전송되는 경우 타이머/카운터(214)를 이용하여 전송되는 주기를 검사하고, 검사된 주기가 메시지 주기 테이블에 있는 필드와 일치하는 경우 멀티미디어 데이터로 판별할 수 있다. 이를 예를 들어 설명하면, 비디오 데이터의 경우 각 슬레이브 장치마다 영상 프레임률(Frame/sec)이 미리 지정되어 있어 데이터 전송 주기를 알 수 있다. 또한 오디오 데이터도 마찬가지로 일반적으로 사용되는 주파수(48Khz)의 값을 주기로 데이터가 전송된다. 각각의 주기는 내부의 카운터/타이머를 활용하여 계산된다. 이러한 주기 값을 활용하여 제어정보 데이터와 멀티미디어 데이터를 구분할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이 상위로부터 제공되는 데이터를 다른 이더넷 장비로 제공하기 위해서 제어 정보 데이터 버퍼(215)와 멀티미디어 데이터 버퍼(216)에 상위 계층(100)으로부터 전송된 데이터를 수신하여 저장할 수 있다.

이를 예를 들어 살펴보기로 한다. 먼저 첫 번째 경우와 같이 프레임 타입이 정의되어 있는 경우 프레임 타입을 이용하여 제어 정보를 확인할 수 있다. 이후 제어 정보를 전송할 시점 즉, MAC 계층 송신부(320)로 제공하기 전까지 제어 정보는 제어 정보 데이터 버퍼(215)에 저장된 후 제공된다. 또한 멀티미디어 프레임인 경우에도 멀티미디어 데이터 정보를 전송할 시점 즉, MAC 계층 송신부(320)로 제공하기 전까지 멀티미디어 데이터 버퍼(216)에 저장된다. 이때 멀티미디어 데이터는 앞에서 살핀 바와 같이 트래픽 제한이 될 수 있다.

도 4는 본 발명에 따른 트래픽 추적부의 상세 내부 블록 구성도이다.

트래픽 추적부(220)는 상기 트래픽 타입 검출부(210)에서 구분된 트래픽 데이터의 대역폭 사용량을 계산한다. 즉, 트래픽 추적부(220)는 제어 정보 데이터가 순간 최대 사용하는 대역폭의 값을 계속적으로 업데이트하며, 최대 대역폭 사용량을 기준으로 멀티미디어 데이터가 사용 가능한 대역폭 제한 값을 계산한다. 예를 들면 제어 정보 데이터가 순간 최대 대역폭을 60% 사용한다면 나머지 40%를 멀티미디어 데이터를 위한 대역폭 제한 값으로 설정되는 것이다. 트래픽은 초당 미디어 사용률에 의해 계산된다.

그러면 이를 첨부된 도 4를 참조하여 살펴보기로 한다. MAC 주소 테이블(221)은 앞에서 설명한 바와 같이 특정 이더넷 장비로 데이터를 송신하는 경우 즉, 멀티미디어 데이터의 전송이 필요한 슬레이브의 MAC 주소를 저장하고 있는 테이블이다. MAC 주소 테이블(221)은 필요에 따라 구성요소에서 제외될 수도 있다. 또한 도 3에서 설명한 MAC 주소 테이블(211)을 공유하여 사용할 수도 있다.

MAC 주소 테이블(221)에 저장된 멀티미디어 데이터를 요구하는 이더넷 장비로 전송되는 데이터가 아닌 트래픽 즉, 제어 정보 트래픽의 트래픽 양은 트래픽 계산부(222)에서 계산된다. 트래픽 계산부(222)는 전체 대역폭에서 전송이 필요한 제어 정보 트래픽의 순간 최대 대역폭 사용량을 계산한다. 이와 같이 계산된 순간 최대 대역폭은 최고 트래픽 저장부(223)에 저장된다. 따라서 트래픽 추적부에서는 최고 트래픽 양을 계산하여 최고 트래픽 저장부(223)에 갱신되어 저장되며, 이 값은 후술할 본 발명에 따른 트래픽 제한기로 제공된다.

도 5는 본 발명에 따른 트래픽 제한부의 상세 내부 블록 구성도이다.

트래픽 제한부(230)는 트래픽 추적부(220)로부터 수신한 멀티미디어 데이터의 대역폭 제한 값을 기준으로 멀티미디어 대역폭 제한을 위한 명령을 생성한다. 그런 후 트래픽 제한부(230)는 해당 슬레이브 디바이스 및 상위 응용프로그램으로 상기 생성한 명령을 전달한다. 또한 대역폭 제한 값을 기준으로 상위 응용프로그램에서 발생하는 멀티미디어 데이터 중 일부 예를 들어 1/2, 1/4, 1/8, … 의 데이터만을 MAC 계층에 전달한다. 다른 방법으로 트래픽 제한부(230)로부터 대역폭 제한 명령어를 받은 슬레이브는 자체적으로 발생하고 있는 데이터의 일부분 즉, 1/2, 1/4, 1/8, …의 데이터만을 전송되도록 영상 프레임률 및 오디오 주파수 등을 조정한다.

그러면 이러한 동작을 도 5의 내부 구성을 참조하여 보다 상세히 살펴보기로 한다. MAC 주소 테이블(231)은 앞에서 설명한 바와 같이 특정 이더넷 장비로 데이터를 송신하는 경우 즉, 멀티미디어 데이터의 전송이 필요한 슬레이브의 MAC 주소를 저장하고 있는 테이블이다. MAC 주소 테이블(231)은 필요에 따라 구성요소에서 제외될 수도 있다. 또한 도 3 및 도 4에서 설명한 MAC 주소 테이블(211) 또는 MAC 주소 테이블(221)을 공유하여 사용할 수도 있다.

트래픽 제한 명령 생성부(232)는 도 4의 트래픽 계산부(222)에서 계산되어 최고 트래픽 저장부(223)에 저장된 최고 트래픽 정보를 이용하여 트래픽 제한 명령을 생성한다. 이와 같이 생성된 제한 명령은 해당하는 슬레이브 이더넷 장비의 MAC 계층 및 마스터의 MAC 계층으로 전달된다. 이를 통해 해당하는 슬레이브 이더넷 장비의 MAC 계층에서 전송할 멀티미디어 데이터 트래픽의 제한을 하도록 한다.

다음으로, 메시지 프레임 전송률 조정부(233)는 트래픽 제한 명령에 근거하여 전송할 메시지 프레임 전송률을 조정한다. 즉, 메시지 프레임 전송률 조정부(233)는 전체 대역폭에서 현재 전송할 멀티미디어 데이터의 양을 조정하는 것이다. 예를 들어 현재 전송할 멀티미디어 데이터의 양 중에서 1/2, 1/4, 1/8, …과 같이 전송할 데이터를 2번 또는 4번 또는 8번으로 나누어 전송하도록 메시지 프레임의 전송률을 조정한다.

도 6은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따라 트래픽 조정부에서 전송할 트래픽의 양을 조정하기 위한 제어 흐름도이다.

600단계에서 상위 계층으로부터 전송할 트래픽을 수신하면, 트래픽 조정부(200)는 602단계에서 먼저 트래픽 타입 검출부(210)를 통해 트래픽 타입을 구분한다. 이러한 트래픽 타입 검출은 앞서 도 2 및 도 3에서 설명한 바와 같은 방법을 통해 이루어질 수 있다. 즉, 메시지의 특정 필드에 설정된 필드 값을 이용하거나 또는 멀티미디어 데이터의 수신을 요청한 슬레이브들의 MAC 주소를 이용하거나 또는 트래픽의 주기 정보를 이용하여 구분한다.

이와 같이 트래픽의 타입을 구분한 후 트래픽 조정부(200)는 604단계로 진행하여 트래픽 제한 양을 계산하고, 트래픽 제한 명령을 생성하여 해당하는 이더넷 장비로 전송하거나 자신의 장비에서 전송할 트래픽의 양을 제한한다. 즉, 트래픽 조정부(200)는 도 2 및 도 4에서 설명한 트래픽 추적부(220)를 이용하여 트래픽의 양을 계산하고, 도 2 및 도 5에서 설명한 트래픽 제한부(230)를 이용하여 트래픽 제한 명령을 생성한 후 해당 이더넷 장비로 전송하거나 또는 자신이 전송할 트래픽의 양을 제한한다. 이러한 트래픽의 양 제한은 멀티미디어 데이터를 위주로 제한하게 되며, 제한하는 방법은 미리 결정된 프레임의 크기가 있는 경우 그 크기에 맞춰 단계적으로 조정할 수도 있고, 그렇지 않은 경우 1/2, 1/4, 1/8, … 등과 같이 메시지를 나눠 여러 차례에 걸쳐 전송하도록 트래픽 제한 명령을 생성할 수도 있다.

트래픽 제한 명령을 생성하고 난 후 606단계로 진행하면, 트래픽 조정부(200)는 상위 계층(100)으로부터 수신된 트래픽을 트래픽 제한 명령에 따라 전송한다. 이를 통해 전체 대역에서 제어 정보 트래픽의 양을 우선적으로 전송하고, 멀티미디어 트래픽에 우선순위를 낮게 두어 전송하도록 함으로써 산업용 이더넷 시스템에서 트래픽을 보다 원활히 전송할 수 있게 된다.

10 : 이더넷 마스터, 21, 22, …, 2N : 이더넷 슬레이브
100: 상위 계층, 200 : 대역폭 조정부
210 : 트래픽 타입 검출부, 220 : 트래픽 추적부
230 : 트래픽 제한부, 310, 320 : MAC 수신/송신부
400 : 물리계층, 510, 520 : 수신/송신 데이터
211, 221, 231 : MAC 주소 테이블, 212 : 프레임 타입 테이블
213 : 메시지 주기 테이블, 214 : 타이머/카운터
215 : 제어 정보 데이터 버퍼, 216 : 멀티미디어 데이터 버퍼
222 : 트래픽 계산부, 223 : 최고 트래픽 저장부
232 : 트래픽 제한 명령 생성부, 233 : 메시지 프레임 전송률 조정부

Claims (10)

1. 산업용 이더넷 시스템의 마스터에서 데이터를 송신하기 위한 장치에 있어서,
   미리 결정된 방식에 따라 전송할 데이터를 멀티미디어 데이터와 제어 정보 데이터로 구분하기 위한 트래픽 타입 검출부와,
   각 데이터 별 트래픽 발생량과 상기 제어 정보 데이터의 순간 최고 트래픽 양을 계산하기 위한 트래픽 추적부와,
   상기 멀티미디어 데이터가 전체 대역에서 허용된 트래픽 양 이상인 경우 초과하는 트래픽의 전송을 제한하기 위한 트래픽 제한부를 포함하되,
   상기 트래픽 타입 검출부는,
   프레임 내의 미리 결정된 위치의 필드 값을 이용하여 상기 멀티미디어 프레임과 상기 제어 정보 프레임을 구분할 수 있는 정보를 저장하는 프레임 타입 테이블과,
   상기 멀티미디어 데이터를 수신하기 위한 맥(MAC) 주소를 미리 저장하고 있는 맥 주소 테이블과,
   각 이더넷 장비로 전송되는 메시지 프레임별 주기를 계산하는 카운터 및 타이머와,
   상기 멀티미디어 데이터의 주기 정보를 저장하고, 상기 카운터 및 타이머에 의해 계산된 주기를 이용하여 멀티미디어 데이터를 검출하는 메시지 주기 테이블을 포함하는 이더넷에서 대역폭 제어장치.
   
2. 제 1 항에 있어서, 상기 트래픽 타입 검출부는,
   상기 구분된 정보를 각각 저장하는 버퍼부를 더 포함하는, 이더넷에서 대역폭 제어 장치.
   
3. 제 2 항에 있어서, 상기 버퍼부는,
   상기 제어 정보 데이터를 저장하는 제어 정보 데이터 버퍼와,
   상기 멀티미디어 데이터를 저장하는 멀티미디어 데이터 버퍼를 포함하는, 이더넷에서 대역폭 제어 장치.
   
4. 삭제
5. 제 1 항에 있어서, 상기 트래픽 추적부는,
   상기 멀티미디어 데이터의 전송이 요구된 각 슬레이브들의 맥(MAC) 주소를 저장하는 맥(MAC) 주소 테이블과,
   각 슬레이브별 트래픽을 계산하는 트래픽 계산기와,
   제어 트래픽의 순간 최고 트래픽 량을 저장하는 최고 트래픽 저장부를 포함하는, 이더넷에서 대역폭 제어 장치.
   
6. 제 1 항 또는 제 5 항에 있어서, 상기 트래픽 제한부는,
   상기 멀티미디어 데이터의 전송이 요구된 각 슬레이브들의 MAC주소를 저장하는 MAC 주소 테이블과,
   상기 슬레이브들로 전송할 트래픽 및 해당 슬레이브가 전송할 트래픽의 제한 명령을 생성하는 트래픽 제한 명령 생성부와,
   각 이더넷 장비로 전송할 메시지 프레임의 전송률을 상기 트래픽 제한 명령에 의거하여 조정하는 조정부를 포함하는, 이더넷에서 대역폭 제어 장치.
   
7. 산업용 이더넷 시스템의 마스터에서 데이터를 송신하기 위한 방법에 있어서,
   미리 결정된 방식에 따라 전송할 데이터를 멀티미디어 데이터와 제어 정보 데이터로 구분하는 트래픽 타입 검출 과정과,
   각 데이터 별 트래픽 발생량과 상기 제어 정보 데이터의 순간 최고 트래픽 양을 계산하기 위한 트래픽 추적 과정과,
   상기 멀티미디어 데이터가 전체 대역에서 허용된 트래픽 양 이상인 경우 초과하는 트래픽의 전송을 제한하기 위한 트래픽 제한 과정을 포함하되,
   상기 트래픽 타입 검출 과정은,
   프레임 내의 미리 결정된 위치의 필드 값을 이용하여 상기 멀티미디어 프레임과 상기 제어 정보 프레임을 구분하거나, 또는 상기 멀티미디어 데이터를 수신하기 위한 이더넷 장비의 맥(MAC) 주소를 이용하거나 또는 각 이더넷 장비로 전송되는 메시지 프레임별 주기를 계산하여 멀티미디어 데이터와 상기 제어 정보를 구분하는, 이더넷에서 대역폭 제어 방법.
   
8. 제 7 항에 있어서, 상기 트래픽 타입 검출 과정은,
   상기 데이터별로 구분된 데이터를 각각 버퍼링하는 과정을 더 포함하는, 이더넷에서 대역폭 제어 방법.
   
9. 삭제
10. 제 7 항에 있어서, 상기 트래픽 제한 과정은,
    상기 멀티미디어 데이터의 전송이 요구되어 미리 저장된 각 슬레이브들의 MAC 주소를 검사하고, 상기 슬레이브들로 전송할 데이터 량과 상기 제어 정보 데이터의 순간 최고 트래픽의 양의 합이 설정된 대역폭 이상인 경우 상기 슬레이브들로 전송할 상기 멀티미디어 데이터의 제한 명령을 생성하는 트래픽을 제한하도록 제한 명령을 생성하는 과정과,
    상기 생성된 제한 명령에 따라 멀티미디어 데이터를 제한하며, 상기 생성된 제한 명령을 해당하는 슬레이블들로 전송하는 과정을 포함하는, 이더넷에서 대역폭 제어 방법.

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