IEC 61850 프로토콜의실시간성향상을위한선점형이더넷컨트롤러 논 문 59-10-34 Preemptive Ethernet Controller to Improve Real-Time Characteristics of IEC 61850 Protocol 이범용 * 박태림 ** 박재현 (Bum Yong Lee Tae Rim Park Jaehyun Park) Abstract - The IEC 61850 protocol proposed for the interoperability between IEDs(intelligent electronic devices) adopts the prioritized switched ethernet as its communication channel because substation bus is utilized to exchange both real-time and non real-time messages. The prioritized switched ethernet uses IEEE 802.1Q/p QoS(Quality of Service) in addition to IEEE 802.3 ethernet to enhance the real-time characteristics. However, IEEE 802.1Q/p QoS has priority-blocking problem that occurs when higher-priority frame transmission request during lower-priority frame transmission. To resolve this problem, this paper proposes P(Preemptive)-Ethernet. P-Ethernet uses the modified IEEE 802.1Q/p frame format and new priority preemption mechanism. This paper also implements P-Ethernet controller using FPGA (Virtex-4) and MicroBlaze processor. From the implementation results, P-Ethernet controller shows a improved latency and jitter of transmission period compare to the normal ethernet controller. Key Words : Real-time ethernet, IEC 61850, QoS 1. 서론스마트그리드는정보통신기술을활용하여실시간으로전력생산및소비정보를양방향으로전달함으로써에너지효율을최적화는차세대전력망이라고정의할수있다 [1]. 스마트그리드의필요성이대두됨에따라변전자동화에서는네트워크기능이접목된마이크로프로세서기반의 IED(Intelligent Electronic Device) 들의역할이중요시되었고, 각 IED 간의원격제어및감시역할이필요하게되었으며, 이를위하여변전자동화국제표준프로토콜인 IEC 61850이제정되었다 [2]. IEC 61850 프로토콜스택은그림 1 에보이는것과같이이더넷기반의프로토콜로서 ACSI (Abstract Communication Service Interface), SV(Sampled Value), GSE(Generic Substation Event) 등으로구성되어있다 [3]. ACSI는 Client-Server 모델을기반으로한어플리케이션과서버사이의데이터교환에이용되며, 비실시간데이터전송을담당한다. SV는 Publisher-subscriber 모델을기반으로한실시간데이터전송방식으로프로세스버스에서디지털및아날로그 I/O 데이터를실시간으로교환하는데이용된다. GSE는 Publisher-subscriber 모델을기반으로한실시간데이터전송방식으로 GOOSE(Gerneric Object- Oriented Substation Event) 와 GSSE(Generic Substation * 비회원 : ( 주 ) 텔레칩스연구원 ** 비회원 : ( 주 ) 삼성전자종합기술원연구원 교신저자, 정회원 : 인하대학교정보통신공학부교수 E-mail : jhyun@inha.ac.kr 접수일자 : 2009년 12월 26일최종완료 : 2010년 7월 29일 Event) 로나누어져있다. GOOSE는커맨드나알람등의데이터를메시지형태로전송하고 GSSE는상태값의리스트전송을담당한다 [4,5]. 그림 1 IEC 61850의네트워크프로토콜스택 [5] Fig. 1 IEC 61850 Network protocol stack IEC 61850은고속의 WAN을통한전력데이터의수집뿐만아니라, 릴레이, 스위치기어와같은변전시스템의제어를위한장치의전력데이터교환및제어명령에도이용이가능해야한다 [6,7]. 이러한변전시스템제어장치는실시간성이보장되어야하는리얼타임시스템이다. IEC 61850은실시간성을보장하기위하여 IEEE 802.1Q/p QoS(Quality of Service) 의우선순위가추가된이더넷프레임을사용한 IEC 61850 프로토콜의실시간성향상을위한선점형이더넷컨트롤러 1923
전기학회논문지 59 권 10 호 2010 년 10 월 다. 이를통해실시간데이터와비실시간데이터를동시에전송할경우우선순위메커니즘을이용하여실시간성을보장한다. 본논문은 IEC 61850에서사용되는 MAC 계층인우선순위스위치이더넷의성능을평가하고우선순위스위치이더넷에서실시간성을제약하는문제인우선순위블록킹문제를개선하는새로운이더넷컨트롤러구조를제안하고구현을통하여성능을입증한다. 그림 2 IEEE 802.1Q/p 가추가된이더넷프레임포맷 Fig. 2 IEEE 802.1 Q/p Ethernet frame format 2. 선점형이더넷 (Preemptive-Ethernet; P-Ethernet) 2.1 선점형이더넷 우선순위스위치이더넷은실시간특성을만족시키기위하여그림 2와같이 IEEE 802.3 이더넷에 802.1Q/p QoS가추가된프레임포맷을사용한다. TPID는 802.1Q/p 의타입번호이고, TDI는 Priority, CFI, VLAN ID를갖게된다. Priority는우선순위를뜻하며, 0-7까지의우선순위를갖는다. 그리고 CFI는이더넷일경우 1을표시하며, 토큰링의경우는 0을표시한다. 그리고우선순위스위치내부에는가상 LAN ID을설정하여, 동일한스위치내부에서도독립적인 LAN 을구성할수있다. VLAN ID는스위치허브내에존재하는가상 LAN의 ID를뜻한다 [8]. IEEE 802.1Q/p의우선순위메커니즘하에서는전송요청이동시에발생할경우높은우선순위의프레임이먼저전송하게되어실시간성을보장한다. 하지만낮은우선순위의프레임을전송할때, 더높은우선순위의프레임이전송요청이된다면 Head-of-line 문제에의한우선순위블록킹이발생하여전송시간이지연되게된다. 이와같은지연이발생하게된다면, 실시간데이터의전송에서제한시간을넘기게될확률이높아져실시간성이떨어지며, 낮은우선순위의프레임길이에따른불규칙적인지연으로인한실시간데이터의 Jitter 발생률이높아지는문제가발생한다. 따라서본논문에서는우선순위가높은실시간패킷이현재전송중인우선순위가낮은패킷을선점하여전송될수있는우선순위에따른선점형이더넷 (Preemptive Ethernet) 을제안한다. 선점형이더넷은스위치내부에서낮은우선순위의패킷전송중높은우선순위패킷이발생하면전송중인패킷을임시저장소에저장한후높은우선순위패킷을전송하는방식으로이를위하여기존의프레임에 Sequence Number 와 Remain Length 라는새로운요소가필요하다. 여기서 Sequence Number는해당프레임이높은우선순위의프레임에의하여프레임전송권한을선점당해전송을멈추는횟수를의미한다. 그리고 Remain Length는전송할프레임의데이터부분의총크기에서현재까지남은데이터의크기를의미한다. 높은우선순위의프레임에의하여선점당하는프레임은전송중이던바이트단위의데이터까지전송후, 현재의 Sequence Number와 Remain Length를전송한다. 그리고, 선점당하는우선순위프레임의 Sequence Number를 1씩증가시킨다. 그림 3 P-Ethernet 프레임포맷 Fig. 3 P-Ethernet frame format 그림 4 802.1Q/p 우선순위메커니즘의스케쥴링 Fig. 4 802.1 Q/p Priority-based scheduling 그림 5 P-Ethernet 우선순위메커니즘의스케쥴링 Fig. 5 Preemptive scheduling of P-Ethernet b 1924
Trans. KIEE. Vol. 59, No. 10, OCT, 2010 전송중인프레임의전송된길이가이더넷프레임의최소길이보다작으면, 전송중인프레임을드롭시키고, Remain Length 나 Sequence Number 변화및전송하지않는다. 그리고남은프레임이길이가이더넷프레임의최소길이보다작으면나머지길이는 0으로채우게된다. 그림 4와그림 5는 A, B, C 프레임을 Out 포트로각각우선순위 7, 6, 0인프레임을전송할때발생하는예이다. 우선순위 0인프레임C를전송중에우선순위 7인프레임 A, 우선순위 6인프레임B를전송한다면, 802.1Q/p는그림 4와같이스케줄링을한다. 그림 4를보면, C의프레임을전송중에더높은우선순위인프레임 A가발생하여도전송을중단할수없기때문에 Delay 만큼지연후우선순위 7,6의프레임이전송된다. 하지만, P-Ethernet은우선순위에의해프레임이선점되기때문에 A 프레임인우선순위 0프레임을전송이중단되고, 우선순위 7,6인프레임이순차적으로전송된후, Sequence Number가증가된프레임 A를이어서전송한다. 그림 5의괄호는 Sequence Number를의미한다. 2.3 P-Ethernet 의성능평가 그림 7은 시점에비실시간프레임의전송이요청되어프레임을전송중일때, 실시간프레임이 시점에발생할경우 P-Ethernet에서의타이밍을나타낸다. 여기서 를구하면, (4) (3) 2.2 802.1Q/p의성능평가그림 6은 시점에비실시간프레임의전송이요청되어프레임을전송중일때, 실시간프레임이 시점에발생할경우 802.1Q/p에서의타이밍을나타낸다. 여기서 를구하면, (1) 와같이된다. 여기서 은우선순위블록킹에의해지연되는시간이고, 는이더넷프레임사이의간격, 는데이터전송시노드내부에서지연되는시간, 는 Propagation Delay, 는데이터수신시노드내부에서지연되는시간, 는실시간데이터전송에걸리는시간, 는 ACK 전송에걸리는시간을뜻한다. ACK는 Real-Time 프레임에대한 ACK 프레임으로서 802.Q/p와 P-Ethernet의 Latency를측정하기위해서사용된프레임이다. 여기서 은우선순위블록킹에의한지연시간이므로아래와같은지연시간을갖는다. 이식에서 는비실시간프레임의전송에걸리는시간을의미한다 (2) 또한총지연시간은식 (3) 과같다. (3) 식을보면예측불가능한시점에비실시간데이터의크기에의하여전송의지연시간이변화함을알수있다. 와같이된다. 여기서 는우선순위블록킹방지를위해프레임에추가된, Sequence Number와 Remain Length에의하여지연되는시간으로항상일정한값이다. 3. P-Ethernet 컨트롤러의구현 P-Ethernet 컨트롤러는 Xilinx 9.1i 와 EDK 9.1i를이용하여 Open Ethernet IP Core를기반으로전송부의수정을통하여 P-Ethernet을구현하였다 [9,10,11]. 전송버퍼디스크립터의개수를 8개로한정하였고, 전송버퍼디스크립터번호는전송프레임의우선순위를의미한다. Ready 비트가셋팅되어있는버퍼디스크립터중우선순위가가장높은버퍼디스크립터의번호와 Ctrl&Status, Tx Pointer를버퍼디스크립터모듈외부에출력시킨다. Remain Length와 Sequence Number는 P-Ethernet에서가장중요한요소이다. Remain Length가없다면수신측에서전송받을프레임이얼마나남아있는지알수없고, Sequence Number가없다면, 전송받은프레임의오류가발생할가능성이크다. 그러므로전송중인프레임이더높은우선순위의프레임에의하여전송이중단되었을때, 전송중인프레임에대한정보를가지고있어야한다. 해당하는우선순위의프레임이전송중단이되었을때해당우선순위의 Sequence Number를증가시키고, 현재까지전송된프레임의길이를해당우선순위에해당하는곳에저장한다. 그리고 TxBD_Prio 신호에해당하는 Sequence Number와 Remain Length를출력하여전송모듈에서해당신호를프레임에덧붙여전송할수있게한다. 전송버퍼디스크립터에서현재대기중인최상위우선순위번호를출력한다. 최상위우선순위가현재전송중인프레임보다우선순위가높다면 HigherPrioTxBD Occured 신호가 Enable 된다. IEC 61850 프로토콜의실시간성향상을위한선점형이더넷컨트롤러 1925
전기학회논문지 59 권 10 호 2010 년 10 월 그림 6 802.1Q/p의 Timing Fig. 6 802.1 Q/p Timing HigherPrioTxBDOccured가 Enable 되면 TxBDReady 신호가 Disable되어현재전송중인프레임의전송은중단된다. 그리고, HighestPrio_TxBD에대하여 TxBDPrio, TxBDReady, TxBDPointer, TxBDStatus, LatchedTxLength 를업데이트한다. 여기서 TxBDPrio는전송중인프레임의우선순위이고, TxBDReady는프레임의전송을위한버퍼디스크립터의준비가완료되었음을의미하며, TxBDStatus 는전송프레임의상태, LatchedTxLength는전송할프레임의총길이를의미한다. HigherPrioTxBDOccured가 Enable 되면또한 TxFifoClear 신호가 Enable되어메모리로읽혀져 TxFifo에저장된데이터를모두드랍시킨다. 그리고 TxEndFrm을 Enable 시켜전송모듈로데이터전송이끝났음을알린다. 그리고 TxByteCnt에서전송모듈로전송한데이터의길이를카운트하여, 전송프레임정보저장부에서 Sequence Number와 Remain Length를관리할수있다. 4. 실험및성능분석 그림 7 P-Ethernet의 Timing Fig. 7 P-Ethernet Timing 본논문에서제안한 P-Ethernet 컨트롤러를시험하기위하여 MicroBlaze 프로세서와연동하여이를시험하였다. P-Ethernet 컨트롤러가탑재된 FPGA는 PC와의통신을통하여시험하였다. PC에서는프레임이수신되면, FPGA 보드에 Ack 신호를전송하여 FPGA 보드에프레임이정상수신되는것을확인하였다. 그림 9는이더넷분석도구인 Wireshark[12] 를통한데이터정상수신시험장면이다. 전송중이던비실시간프레임 a가우선순위 7인 b 프레임에의하여네트워크우선순위를선점당해 Sequence Number e 와 Remain Length f를전송후, b 프레임이전송되고, Ack 프레임 c가전송되었다. 그후, 비실시간프레임의나머지부분인 d 프레임이전송되었다. 이를통하여 P-Ethernet의정상동작을확인하였다. 그림 8 WISHBONE 인터페이스모듈의전송부구조 Fig. 8 Block diagram of Wishbone interface module 그림 9 Wireshark 를통한 P-Ethernet 동작테스트 Fig. 9 Screen capture of Wireshark test 1926
Trans. KIEE. Vol. 59, No. 10, OCT, 2010 FPGA 보드에서는 PC로실시간프레임과비실시간프레임을주기적으로전송하였다. 실시간프레임의전송시간과 ACK 수신시간을측정하여전송주기와지연시간을계산하여성능을평가하였다. 여기서실시간프레임은 100bytes 의프레임으로 10ms 주기로전송하였고, 비실시간프레임은 100 ~ 1500bytes의크기의프레임을 1 ~ 20ms의주기로균일분포 (uniform distribution) 를가지도록전송하였다. 표 1 실험데이터 Table 1 Test parameter 시험1 (802.1Q/p without NRT) 시험2 (802.1Q/p) 시험3 (P-Ethernet) Real-Time Non Real-Time 주기 10ms - 크기 100bytes - 주기 10ms 1-20ms 크기 100bytes 100-1500bytes 주기 10ms 1-20ms 크기 100bytes 100-1500bytes 그림 10 실험결과 ( 지연시간 ) Fig. 10 Test result(latency) 시험결과아래의표와같은 Latency와주기가측정되었다. 본시험에서는 802.1Q/p를이용하여 100bytes의실시간프레임을 10ms 주기로전송하고, 다른프레임의전송을하지않음으로써, 기존의 802.1Q/p에서비실시간프레임의영향을받지않았을때의 Latency 및 ACK 수신주기를측정하였다. 표 2 실험결과 Table 2 Test Result 802.1Q/p without NRT 802.1Q/p P-Ethernet Latency 주기 Latency 주기 Latency 주기 최대값 152.26 10.03 244.72 10.13 166.96 10.13 최소값 113.44 9.97 115.76 9.88 111.08 9.94 평균 131.92 10.00 145.04 10.00 132.53 10.00 표준편차 7.48 0.01 21.33 0.04 10.17 0.02 여기서식 (1) 을사용한다면, 100bytes의 Data와 64bytes의 ACK를 100Mbps 이더넷에서송수신하였으므로, 는 이고, 는, 는 가된다. 여기서 는 가측정되었고, 비실시간프레임의생성을하지않았기때문에 은 0이될것이다. 따라서 는 가 된다. 이를 통하여 아래의식을구할수있다. 그림 11 실험결과 ( 주기 ) Fig. 11 Test result(period) 최악의경우비실시간프레임의 1499bytes의 이발생하므로 100Mbps 이더넷에서 T blocking 의최대값은 가발생하게될것이다. 측정결과 Latency의최대값인 는시험1의 Latency 평균값보다 의추가지연시간이발생하였다. 그러므로시험결과는예상결과와유사하게측정되었음을알수있다. 반면본논문에서제안하는 P-Ethernet를이용하여실시한실험에서는일반이더넷을이용한시험에서비실시간프레임이발생하지않던 802.1Q/p와유사한데이터값을얻은것으로나타났다. 이는 P-Ethernet은비실시간프레임에의한실시간프레임의영향이거의없는것을입증하는결과이다. (5) 3. 결론 본시험에서는 802.1Q/p를이용하여 100bytes의실시간프레임을 10ms 주기로전송하고, 비실시간프레임을 100bytes에서이더넷프레임의최대크기인 1500bytes를랜덤한크기로 1-20ms의랜덤한주기로전송하여 802.1Q/p가비실시간프레임에의하여받는영향을측정하였다. 본논문은 IEC 61850의실시간성을제약하는요소인우선순위블록킹을해결하기위하여 P-Ethernet을제안하고, P-Ethernet 컨트롤러를구현하였다. 제안된 P-Ethernet 컨트롤러는 802.1Q/p 프레임포맷에 Sequence Number와 Remain Length가추가된새로운프레임포맷과비실시간 IEC 61850 프로토콜의실시간성향상을위한선점형이더넷컨트롤러 1927
전기학회논문지 59 권 10 호 2010 년 10 월 프레임의전송을중단하고실시간프레임을전송하는새로운우선순위메커니즘을수행한다. 제안한 P-Ethernet 과 P-Ethernet 컨트롤러의성능을평가하기위하여 Virtex-4 FPGA에 Verilog HDL을이용하여구현하였다. 이를 MicroBlaze 프로세서와연동하여호스트와의통신을통하여기능을검증하였고, 실시간프레임의 Latency 및전송주기측정을통해 802.1Q/p에비하여다음과같은이점이있다는것을확인하였다. 첫째, 비실시간프레임에의한실시간프레임의 Latency가증가하는현상을줄일수있다. 실시간시스템은일정한 Time-bound를벗어나면, 치명적인문제를야기할수있는시스템이다. 비실시간프레임에의한실시간프레임의 Latency를줄임으로써 Time-bound를벗어날확률을낮추어실시간성이향상되었다. 둘째, 비실시간프레임에의한전송주기의변화가거의없다는것이다. 주기적인실시간프레임을전송할때의주기의변화율을낮춤으로써실시간시스템의정시성을높였다. 위의이점으로보아 P-Ethernet을사용하여 IEC 61850 의시스템을구성한다면, IEC 61850의실시간성향상을기대할수있다. [8] Qizhi Zhang; Weidong Zhang, "Priority Scheduling in Switched Industrial Ethernet", American Control Conference, 2005 [9] Igor Mahor, "Ethernet IP Core Design Document", Rev0.4, www.opencores.org, 2002 [10] Igor Mahor, "Ethernet IP Core Specification", Rev1.19, www.opencores.org, 2002 [11] Opencores, "WISHBONE System-on-Chip(SoC) Interconnection Architecture for Portable IP Cores", Rev B.3, www.opencores.org, 2002 [12] Wireshark Foundation, "Wireshark", http://www. wireshart.org 저자소개 참고문헌 [1] R. E. Mackiewicz, "Overview of IEC 61850 and Benefits", Power Systems Conference, pp.623-630, 2006 [2] Tarlochan S. Sidhu; Mitalkumar G. Kanabar; Palak P. Parikh, "Implementation Issues with IEC 61850 Based Substation Automation Systems", Fifth National Power Systems Conference, pp.473-478, 2008 [3] 이일우 ; 박완기 ; 박광로 ; 손승원, 스마트그리드기술 동향, 한국통신학회학회지 26권 제 9호, pp 24~33, 2009 [4] Tarlochan S. Sidhu; Yujie Yin, "Modelling and Simulation for Performance Evaluation of IEC61850-Based Substation Communication Systems", Power Delivery; Vol 22; No3, pp1482-1489, 2007 [5] Yingyi Liang; Roy H. Campbell, "Understanding and Simulating the IEC 61850 Standard", University of Illinois at urbana-champaign, 2008 [6] Cagil R. Ozansoy, "Design & Implementation of a Universal Communications Processor for Substation Integration, Automation and Protection", Victoria University, 2006 [7] Jianbo XIN; Xianzhong DUAN; Hongming Yang, "A Information model based scheme based on priority transfer scheme in switched Ethernet for substation process-level", Universities Power Engineering Conference, 2004 이범용 ( 李汎鏞 ) 1986년 1월 14일생. 2008년인하대정보공학과졸업. 2010년동대학원정보공학과졸업 ( 공학석사 ). 현재 ( 주 ) 텔레칩스근무. 관심분야 : 임베디드시스템, 실시간네트워크박태림 ( 朴泰林 ) 1974년 7월 28일생. 1998년인하대학교자동화공학과, 2000년동대학원석사, 2005년서울대학교전기컴퓨터공학부박사, CUNY Research associate, assistant research professor. 현재 ( 주 ) 삼성전자종합기술원근무. 관심분야 : 무선센서네트워크, 초저전력근거리통신박재현 ( 朴宰賢 ) 1963년 10얼 8일생, 1986년서울대학교제어계측공학과졸업, 1994년동대학원제어계측공학과박사, 1994년 Univ. of Michigan research scientist, 1995년이후현재인하대학교자동화공학과및정보통신공학부근무. 관심분야 : 임베디드시스템, 실시간제어, 컴퓨터네트워크 1928