[Protocol] KNX Overview

KNX

https://support.knx.org/

• 빌딩 자동화를 위해 표존화된 통신 프로토콜
• 커뮤니케이션 매체 : 트위스터 페어 / 전력선 / 무선 지원
• 버트 토폴로지 : 중앙 컨트롤러 필요
• 정보 구조 : 텔레그램 기반 통신
• 그룹 주소 지정 : 그룹 주소 사용해서 장치 통신
• 버스 전원 공급 장치 : 버스 라인에서 전원 공급받음
• 구성 및 프로그래밍 : ETS(Engineering Tool Software) 사용

KNX python open source library

GitHub - XKNX/xknx: XKNX - A KNX library written in Python

 

KNX Gateway

• KNX 시스템과 다른 기술 / 프로토콜 간의 통신 및 통합을 위한 장치
• 서로 다른 통신 표준을 사용하는 장치간의 상호 운용성 및 데이터 교환을 용이하게 함

통합 방법

1. 프로토콜 번역 : Modbus / BACnet과 같은 비 KNX 시스템을 게이트웨이에서 명령 / 데이터를 KNX 텔레그램으로 번역해서 통합
2. 다른 기술과 융합 : IP 기반 네트워크, EnOcean과 같은 무선 기술 / PLC 사용 산업 자동화 시스템 등의 다양한 기술과의 통합 가능
3. IP 네트워크와 통합 : KNX 텔레그램 <-> ip 패킷 변환해서 인터넷 통신 가능

작동 원리

• KNX 프로토콜과 대상의 신호와 프로토콜 번환
• KNX 시스템 데이터 / 명령 이벤트 - 변환 -> 대상 시스템
• 대상 시스템 응답 / 데이터 이벤트 - 변환 -> KNX 시스템

• knx 게이트웨이에 knx, ip, rs485, 무선 등 여러 통신 인터페이스가 존재함

Telegrams

KNX 데이터 / 커맨드 교환 방식?

Structure

• Serial Character : Telegram octet은 8비트
  • Telegram serial character은 TP1 신호로 텔레그램 교환 필요 비트 나타냄
    • TP1 수동 신호 : 1
    • TP1 활성 신호 : 0
  • TP1 Serial Character은 총 11비트(Telegram octet 8 bits, 3 additional bits)
    • additional bits - 시작 비트, 정지 비트, 짝수 패리티 비트
• Control Field : telegram type(D7), repetition status(D5), priority(D3 + D2)의 정보를 다룸
  • 총 8 bits ( D0 - D7 )
  • Telegram Type
    • 0 - Extended frame (length 9...263 octets)
    • 1 - Starndard frame (length 8...23 octets)
  • Telegram repetition status
    • 0 - repeated
    • 1 - not repeated
  • Telegram Priority
    • 00 - system
    • 10 - urgent
    • 01 - normal
    • 11 - low
  • Fixed bit - D6=0 / D4=1 / D1=0 / D0=0
• Source Address : telegram으로 보내는 device의 개인 주소, 16 bits
• Destination Address : Address Type과 관계 있, 16bits
  • AT = 0
    • DA = 0 : not allowed
    • DA != 0 : Telegram이 unicast communication session으로 사용됨
  • AT = 1
    • DA = 0 : broadcast commnication
    • DA != 0 : multicast commnication session
  • AT = Address Type, DA = Destination Address*
• Address Type, Hop Count, Length : Destination Address field 다음에 함께 옴
  • Address Type : D7 1bit
  • Hop Count : D6, D5 & D4
  • Length : D3, D2, D1, D0
    • Payload 필드의 추가 octets의 개수를 정의함
• Payload :
  • Sequence Number - 일종의 telegram tracking number, 통신 도중에 유실되지 않도록 확인하기 위함 + 정보 송수신의 순서
  • Control Data - Length 필드는 기본적으로 0으로 세팅됨(payload field에 추가 octets가 없다는 의미로)
    • D1+D0 = 00 = TL_connect "Hello, I wanna talk to you"
    • D1+D0 = 01 = TL_disconnect "For me this conversation is over, goodbye"
    • D1+D0 = 10 = TL_ACK "OK, roger that. please continue with the next message"
    • D1+D0 = 11 = TL_NAK "Sorry, I didn't get that, please repeat that lastest message"
  • Data Packet - Length 필드가 0 이상이면 telegram이 command를 보냈다는 뜻
    • service identifier(APCI - Application Layer Protocol Control Information) + DATA
    • APCI는 4bits 혹은 10bits일 수 있음
      • 4bits - APCI : D1과 D0의 첫 번째 payload octets + D7과 D6의 두 번째 payload octets
        • if data length = max 6 bits : data가 두 번째 payload octet의 6bits에 존재
        • if data length > 6 bits : data가 세 번째 payload octet 뒤로 있음
      • 10 bits - APCI : D1과 D0의 첫 번째 payload octets + 두 번째 payload octets 전체
        • data는 세 번째 payload octet 뒤로 존재
• Checksum : telegram parity check

Principle Function of the Layers

7 Layers OSI Reference Model

1. Physical Layer
   • 연결부 핀 할당, 제어 신호, 비트 코딩에 따라서 전기 신호를 생성하는 레이어
2. Data Link Layer
   • 연결 및 절차에 관한 레이어 - 라인 프로토콜, 동기화, 데이터 보안, 에러 핸들링
3. Network Layer(Packet Level)
   • 데이터 전파 및 링크 스위치(routing), 패킷 제어, 네트워크 전반을 통한 프로토콜 전달을 위한 알맞은 경로 결정
4. Transport Layer
   • end-to-end 제어, transport 제어
5. Session Layer(Communication Layer)
   • 논리적 연결 제어, application process와 연결, buffer 관리(Not used in KNX)
6. Presentation Layer
   • 데이터 형식 전환, 데이터 압축, 메세지 코딩(Not used in KNX)
7. Application Layer(Process Layer)
   • application에 의해 자유롭게 정의됨

2 Types of Communication

1. Connection-oriented Communication

• connection은 두 communication partner 사이에 논리적 링크를 구성한다,
• 두 파트너는 이 connection이 그들 사이에만 존재하며(point-to-point, P2P connection) 그들만 사용할 수 있는 것으로 본다.
• 서버는 connection을 생성할 때 퀄리티, 비용, 딜레이 등의 특정 기준과 사용되는 리소스를 고려애햐야한다.
  • 프로토콜 혹은 block length와 같은 파라미터도 정의될 것이다.
  • connection이 생성되면 실제 데이터 교환은 프로토콜에 따라 실행된다.
• connection은 언제 누구에게서나 종료될 수 있으며, 리소스는 link를 위해서 사용되고 연결이 종료되면 다른 기능이 사용할 수 있게 release 해야한다.
• Connection-oriented Communication은 보안이 좋지만 아주 효율적이지는 않다(수많은 통신들이 오직 하나의 통신 파트너에게만 닿을 수 있다),
• OSI model을 선정할 때 통신 중에 Transoport Layer가 접수된 데이터를 확인해서 메세지를 생성한다.
• talking to one single person and checking after each question whether he/she understood the question*

=> In KNX: group address 다운로드, 매개변수 and/or application program을 PC에서 KNX 디바이스로*

2. Connectionless Conmmunication

• Connection이 존재하지 않는 통신 방법이기 때문에 data request 이후에 data를 다시 보내줄 때마다 address를 함께 보내줘야한다.
  • 데이터가 정상적으로 수신되었는지 검증하지 않고, 데이터를 보내는 서버 쪽에서도 데이터 블럭을 올바르게 요청했는지 보장하지 않는다.
• 안전하지는 않지만 대역폭에 있어서 효율적이다.
  • 통신 연결을 설정하거나 끊어낼 필요가 없고, 하나의 메세지를 설치된 모든 디바이스에 보낼 수 있다.
  • 그러나 모든 디바이스가 알맞은 데이터 메세지를 수신했다고 확신할 수는 없다.
• OSI 모델을 감안할 때, 이 통신은 검수 지식을 생성한다 ?
• talking to a group of persons and continuing with the next question if at least one person that he/she understood the message*
• => In KNX: 이게 knx의 normal operating mode / Broadcast*

Protocol Data Units(PDUs)

프로토콜 데이터 단위 ->

• 생성 시에 이 레이어에 의해서 텔레그램에 제공되는 데이터
• 수신 시 텔레그램에서 이 레이어에 의해 디코딩된 데이터

KNX - 7 Layers

Application Layer(Layer 7)

• KNX는 통신을 위해서 group이라는 object를 사용
• 그룹 개체에 값을 기록하고 시스템 소프트웨어 버스에 새 값을 전달
• 주소가 지정된 actuator의 application layer는 group object에 새 값이 있는지 확인하고 신호를 보낸다.
• 프로그램이 actuator의 group object를 읽고 필요한 행동을 취한다.
• 프로그램은 group object의 업데이트 여부를 알 수 없음*

...

Data Link Layer(Layer 2)

• 네트워크 내 두 노드 간에 오류 없는 데이터 전송을 보장하는 레이어
• 동기화 문자, 시퀀스 번호, 오류검사 필드 등의 추가 정보가 실제 데이터와 함께 전송된다.
• KNX Link Layer Telegram

• source address - bus device의 주소 / receiver address - group address(connectionless) or individual(connection-oriented), N_PDU의 첫번째 비트에 의해 결정됨

 

Project Preparation

Segmentation in Areas and Lines

KNX는 Area와 Line으로 구성됨

• Area : 제어할 건물 전체(빌딩 등), 최대 15개
• Line : Area 내부의 방 / 세부 구역, Area 당 최대 16개(15 line + 1 main line)
  • 라인마다 별개의 power supply가 필요
  • 라인 당 최대 64개 device 가능
  • lines
  • main line (라인 커플러에 상응하는 연결)
  • area line (area 커플러에 상응하는 연결, backbone이라고도 부름.)
    

• knx 프로토콜에서 Group은 주소 집합
• 주로 세 개 숫자로 구성됨(2개인 경우도 있음) main / middle / sub , ex) 1/0/1
• group name도 따로 지정함