JP2001298480A

JP2001298480A - データ伝送方式

Info

Publication number: JP2001298480A
Application number: JP2000111036A
Authority: JP
Inventors: Toshibumi Hayashi; 俊文林; Atsushi Tanaka; 田中　　敦; Toshihiro Yamada; 利広山田; Naoyuki Matsumoto; 尚之松本
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2000-04-12
Filing date: 2000-04-12
Publication date: 2001-10-26
Anticipated expiration: 2020-04-12
Also published as: JP4024988B2

Abstract

(57)【要約】【課題】制限時間内での高確率のデータ伝送を保証する
データ伝送方式を提供。【解決手段】送信側（１０１）は、送信データパケット
をサブパケットに分割し識別子及びサブパケット番号を
挿入するパケット分解手段（１０３）と、各サブパケッ
ト毎に各データに対して訂正データを求め、訂正パケッ
トを生成する訂正データ生成手段（１０４）と、サブパ
ケットと訂正パケットを上位及び下位プロトコルを通じ
て送信する送信手段（１０５）を有し、受信側（１０
８）は、サブパケット及び訂正パケットの最初の一つを
受信してから、予め定められた時間内に残りのサブパケ
ット及び訂正パケットを受信する受信手段（１１０）
と、サブパケットが全て受信できた場合、送信データパ
ケットを再生し、サブパケットの一つを喪失し訂正パケ
ットが受信できた場合、喪失したサブパケットを再現す
ることでデータパケットを再生するパケット再生手段
（１１１）を有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、発電プラント、産
業プラント等で使われるネットワークを対象とした、一
定時間内でのデータ伝送を高い確率で保証するデータ伝
送方式に関する。

【０００２】

【従来の技術】図１１は、従来のプラントにおけるスタ
ー型ネットワークの構成概念を示す図である。発電プラ
ント、産業プラントなどにおける監視制御では、現場に
て圧力、温度等のセンサーで測定したデータ、機器の状
態信号等は、各現場ステーション２００１に集められ、
ハブ２００２等からなるネットワークを経由して各監視
制御ステーション２００３に送信される。一方、監視制
御ステーション２００３からの指令信号もネットワーク
を経由して現場の機器に伝送される。

【０００３】プラントの監視制御において、各種の伝送
データは、予め定められた一定時間以内に伝送されるこ
とが要求される。この様な分野では、一定時間内でのデ
ータ伝送を保証するため、ネットワークの伝送方式とし
てトークンパッシング方式が使用されていた。トークン
パッシング方式では、トークンと呼ばれる特別なデータ
を、データを発信するステーション間で制限時間内に次
々と受け渡し、トークンを受け取ったステーションのみ
がデータの送信権を持つ。各ステーションはトークンを
制限時間内しか保持できないため、トークンは一定時間
内で全ステーションを周回する。また、トークンを保持
したステーションのみがデータを送信し,他のステーシ
ョンは受信するため、トークンの周回する一定時間内の
データの伝送が保証される。

【０００４】一方、オフィス用途を中心に普及したＥｔ
ｈｅｒｎｅｔ（登録商標）は、高性能でありながらトー
クンパッシング方式のネットワークに比べ安価である。
現在普及しているEthernetは、10Mbpsから100Mbpsの伝
送能力を持ち、プロセス制御用としても十分な伝送能力
を持っている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】Ethernetは元来、単一
の伝送路に接続された複数のステーションにて、伝送路
が空いていることを検出すれば、任意の時刻に送信を開
始できる仕組みとなっている。しかしながら、伝送路で
伝達される信号速度は有限であるため、極めて短い時間
に複数のステーションが送信を開始する可能性がある。
この問題を解決するため、Ethernetでは信号の衝突を検
出する仕組みがあり、送信を開始したステーションが他
のステーションの送信との衝突を検出した時、一旦送信
を止め、ランダムな遅延時間を置いて再び送信を開始す
る方式を取っている。このようなEthernetの通信の仕組
みは、Carrier Sense Multiple Access with Collision
Detection(CSMA/CD)と呼ばれる。

【０００６】CSMA/CDの採用により、Ethernetは高い伝
送効率を達成しているが、一方短い時間に複数の送信が
集中した場合、衝突が重なることが予想される。Ethern
etでは、衝突による再送信回数を最大１６回と定め、１
６回以内に送信できない場合は当該データを破棄してし
まう。これはコリジョンアウトと呼ばれる。

【０００７】システムの伝送容量に十分余裕を持って設
計しても、衝突やコリジョンアウトはランダムに発生す
るため、完全に回避することはできない。衝突によるデ
ータの遅延およびコリジョンアウトの存在は、Ethernet
をプロセス制御に適用する場合、明かな障害となってい
る。

【０００８】これらの問題に対する一つの解決法は、全
二重Ethernetを使用することである。全二重Ethernetで
は、スター型の伝送路を用い、中心にスイッチングハブ
と呼ばれる装置をおく。各ステーションとスイッチング
ハブは送信・受信が独立した全二重回線で結ばれ、スイ
ッチングハブには伝送データを一旦保存するためのバッ
ファメモリーが置かれる。このような全二重Ethernetで
は、適切なデータ伝送量が設定されればコリジョンを回
避することができる。何故なら、各ステーションはスイ
ッチングハブと専用線で結ばれるため衝突はなく、ま
た、同時に複数のステーションが単一のステーションに
データを送信した場合でも、スイッチングハブ内のバッ
ファメモリーに一方のデータを蓄えておくことができる
からである。しかしながら、スイッチングハブは広く使
われるリピーターハブに比べて高価である。

【０００９】衝突とコリジョンアウトに対する他の解決
策として、データを多重化してデータの信頼性を高める
ことも考えられる。例えば、制限時間内にデータが伝送
できない確率が10^-4程度のネットワーク構成で、常に同
じデータを２回送信する仕組みを設ければ、データを伝
送できない確率は10^-4×10^-4=10^-8と極めて低い確率に
なるかもしれない。しかしながら、この方式では、Ethe
rnetを流れるデータの量を２倍にするため、一つの送信
に対する衝突およびコリジョンアウトの確率も増加し、
制限時間内にデータが伝送できない確率が10^-4より増加
することも考えられる。

【００１０】米国特許5,870,412、”Forward Error Cor
rection System for Packet BasedReal Time Media”
は、ストリームとして伝送されるデータパケットの中
に、本来のデータと共に過去のデータの排他的論理和を
計算することで得られる訂正データ付加するものであ
る。この方式では、連続して複数のパケットの喪失があ
った場合でも、訂正データから、再送信なしに喪失した
データを復元できる。しかしながら、この方式は映像や
音声のようなストリームデータを対象としたもので、喪
失したパケットの復元には、引き続き実時間で送信され
るパケットの到着を待たなければならず、時間がかか
る。また、この方式は信頼性の低いネットワークでのデ
ータストリームの伝送を想定したもので、データの喪失
に対する耐性は高いが、データ伝送量も２倍以上に増え
てしまう。

【００１１】本発明の目的は、制限時間内での高い確率
のデータ伝送を保証するデータ伝送方式を提供すること
にある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決し目的を
達成するために、本発明のデータ伝送方式は以下の如く
構成されている。

【００１３】（１）本発明のデータ伝送方式は、データ
をデータの誤り検査情報を含むデータグラムとして伝送
し、検査情報でデータの誤りが検出された場合はデータ
グラムを破棄する上位プロトコルと、該データグラムを
長さに制限のあるフレームに収まる様に分割して伝送す
る下位プロトコルを採用するネットワークにおいて、送
信側は、送信データパケットを各々が一つのフレームに
収まる長さ以下で、かつ予め定められた個数のサブパケ
ットに分割し、各サブパケットに該データパケットの識
別子およびサブパケット番号を挿入するパケット分解手
段と、分解された各サブパケット毎に、先頭から最後ま
での各データに対して訂正データを求め、該訂正データ
からなる訂正パケットを生成する訂正データ生成手段
と、前記サブパケットと前記訂正パケットを前記上位プ
ロトコルおよび前記下位プロトコルを通じて送信する送
信手段を有し、受信側は、前記下位プロトコルおよび前
記上位プロトコルを通じて前記サブパケットおよび前記
訂正パケットの最初の一つを受信してから、予め定めら
れた時間内に残りの前記サブパケットおよび前記訂正パ
ケットを受信する受信手段と、前記サブパケットが全て
受信できた場合は、その受信サブパケットから送信デー
タパケットを再生し、前記サブパケットの一つを喪失し
前記訂正パケットが受信できた場合は、受信した前記サ
ブパケットおよび前記訂正パケットから喪失したサブパ
ケットを再現することでデータパケットを再生するパケ
ット再生手段を有する。

【００１４】本発明のデータ伝送方式によれば、標準的
なプロトコルを採用したネットワークにおいて、予め定
められた時間内でのデータ伝送の信頼性を特別なハード
ウェアの追加なしに大幅に向上させることができる。

【００１５】（２）本発明のデータ伝送方式は上記
（１）に記載の方式であり、かつ前記送信側は、データ
パケットを一定周期で送信する送信手段を有し、前記受
信側は、一つ前の周期のデータパケットを受信した時か
ら、定められた時間内に次の周期のデータパケットを受
信する受信手段を有する。

【００１６】本発明のデータ伝送方式によれば、一定周
期でデータを伝送する場合においても、予め定められた
時間内に、特別なハードウェアの追加なしに高い確率で
データを伝送できる。

【００１７】（３）本発明のデータ伝送方式は上記
（２）に記載の方式であり、かつ前記送信側と前記受信
側は時刻を合わせる手段を持ち、前記送信側は合わせた
時刻に同期した周期でデータパケットを送信し、前記受
信側は合わせた時刻に同期してデータパケットを受信す
る。

【００１８】本発明のデータ伝送方式によれば、一定周
期でデータの伝送する場合において、より正確な受信タ
イミングを設定できる。

【００１９】（４）本発明のデータ伝送方式は上記
（１）に記載の方式であり、かつ前記送信側と前記受信
側を結ぶネットワークを多重化し、前記送信側は各ネッ
トワークに、前記サブパケットおよび前記訂正パケット
を送信し、前記受信側は該多重化されたネットワークか
ら受信された該サブパケットおよび該訂正パケットから
送信データを構成する。

【００２０】本発明のデータ伝送方式によれば、データ
伝送の信頼性を極めて高くすることができる。

【００２１】（５）本発明のデータ伝送方式は上記
（４）に記載の方式であり、かつ前記受信側は、前記パ
ケット再生手段の内部に、前記多重化されたネットワー
クから送信されたデータパケットを再構成するのに必要
な前記サブパケットおよび前記訂正パケットを受信した
か否かを判定するパケット構成可能性判定部を有し、該
パケット構成可能性判定部によって該データパケットが
再構成可能と判定された時、直ちに該データパケットを
構成する。

【００２２】本発明のデータ伝送方式によれば、受信側
は、パケットが再生可能になった段階で冗長なパケット
の到着を待たず即座に再生するため、システム全体の応
答速度を高めることができる。

【００２３】（６）本発明のデータ伝送方式は上記
（１）に記載の方式であり、かつ前記送信側は、前記サ
ブパケットおよび訂正パケットの送信の際、時間間隔を
置いてサブパケットを送信する。

【００２４】本発明のデータ伝送方式によれば、ネット
ワークのコリジョンアウトが発生する確率を下げ、シス
テム全体の信頼性を高めることができる。

【００２５】（７）本発明のデータ伝送方式は上記
（１）に記載の方式であり、かつ前記送信データパケッ
トの長さに応じて、サブパケットの分割数を調整する。

【００２６】本発明のデータ伝送方式によれば、短いパ
ケットの分割による伝送路の伝送効率の低下を防ぐこと
ができる。

【００２７】（８）本発明のデータ伝送方式は上記
（１）に記載の方式であり、かつ前記パケット再生手段
から受信したパケット数とサブパケット喪失数を入力
し、該パケット数に対するサブパケット喪失数の喪失割
合を計算し、該喪失割合よりネットワークの健全性を監
視するネットワーク健全性監視手段を用いる。

【００２８】本発明のデータ伝送方式によれば、ネット
ワークの健全性を常時監視し、例えば伝送路の劣化によ
ってネットワークの信頼性が徐々に低下するような現象
を検出することで、劣化が進行する前に補修することが
可能となる。

【００２９】（９）本発明のデータ伝送方式は上記
（１）に記載の方式であり、かつ二つの伝送路を結びデ
ータを伝送するゲートウェイ手段を有し、該ゲートウェ
イ手段は、一方の伝送路より受信した単一のパケットセ
ットを構成するサブパケットおよび訂正パケットに喪失
したサブパケットがあった場合、該喪失サブパケットを
再生し、もう一方の伝送路に送信する。

【００３０】本発明のデータ伝送方式によれば、ゲート
ウェイで結ばれた二つの伝送路を介して流れるデータの
信頼性を高めることができる。

【００３１】（１０）本発明のデータ伝送方式は上記
（１）に記載の方式であり、かつ前記サブパケットの
内、重要度の高いデータを含むサブパケットに対して
は，第２の訂正パケットを生成する。

【００３２】本発明のデータ伝送方式によれば、重要度
の高いデータに対し、さらに高い信頼性を保証すること
ができる。

【００３３】

【発明の実施の形態】（第１の実施の形態）図１は、本
発明の第１の実施の形態に係るデータ伝送方式を示すブ
ロック図である。図１では、伝送路１０７に接続された
ステーションＡ１０１のアプリケーション群Ａ１０２か
らステーションＢ１０８のアプリケーション群Ｂ１１３
へのデータ伝送を示している。

【００３４】アプリケーション群Ａ１０２は、ステーシ
ョンＡ１０１上で作動する複数のアプリケーションを表
し、これらのアプリケーションから出力されるデータは
予め定められた順序でパケットにまとめられ、パケット
分解手段１０３に送られる。パケットは一度に送信すべ
きデータの集まりで，数百オクテットから数十キロオク
テットの長さがある。パケットには、ネットワークを伝
送される複数のパケットを区別するため、３オクテット
のパケット識別子を付加する。パケット分解手段１０３
では、送られてきたパケットを，それぞれ大きさが等し
く、Ethernetフレームに収まる８個を組としたサブパケ
ットに分解する。

【００３５】図２は、パケット分解手段１０３における
サブパケットへの分解処理を示すフローチャートであ
る。まずステップ２０１で処理が開始されると、ステッ
プ２０２で、パケットのデータを入れる一時的なバッフ
ァpbufの長さをplenとする。

【００３６】plenは、オクテットを単位としたpbufの長
さを表す。各サブパケットには、３オクテットのパケッ
ト識別子と１オクテットのサブパケット番号を付ける。
よって、サブパケットが１５００オクテットのEthernet
フレームに収まるためには、データの長さは、Ethernet
フレームの運ぶデータの長さ１５００オクテットから、
UDP/IPプロトコルスタックで付加されるUDPヘッダの８
オクテット、およびIPヘッダの２０オクテットと、パケ
ット識別子の３オクテット、サブパケット番号のための
１オクテットの合計３２オクテットを引いた１４６８オ
クテットである。そのため、一度に８個のサブパケット
に分解できる最大の長さは、１４６８×８＝１１７４４
オクテットである。

【００３７】ステップ２０３で、plenが０オクテットの
場合、ステップ２０４で処理を終了する。ステップ２０
３で、plenが０オクテットでなく、ステップ２０５で、
plen＞１１７４４でない場合、ステップ２０６で、pbuf
のデータを取り出してサブパケットに分解する。ステッ
プ２０５で、plen＞１１７４４である場合、ステップ２
０７で、pbufの先頭の１１７４４オクテットのデータを
取り出してサブパケットに分解する。

【００３８】ステップ２０６，２０７でのサブパケット
への分解は、８個のサブパケットの長さが等しくなるよ
うになされる。plenの長さが８で割り切れない場合は、
０データを加えることでサブパケットの長さを等しくす
る。そして、ステップ２０８で、バッファpbufの長さを
plenとし、再びステップ２０３以降の処理を行なう。

【００３９】以上の様に構成された８個のサブパケット
のセットは訂正データ計算手段１０４に送られる。訂正
データ計算手段１０４では、個々のサブパケット先頭の
ビットからパリティビットを計算しこれを訂正データと
する。訂正データの長さはサブパケットと同じであるか
ら、訂正データからなる訂正パケットを構成し、サブパ
ケット番号を９とする。

【００４０】

【数１】

【００４１】サブパケットおよび訂正パケットは一つの
パケットセットを構成し、サブパケットの1番目から８
番目、訂正パケットの順に、UDP/IPプロトコルスタック
１０５に送られる。UDP/IPプロトコルスタック１０５
は、サブパケットおよび訂正パケットにUDPヘッダおよ
びIPヘッダを付加したユーザーデータグラムとして、ネ
ットワークインタフェース１０６に送る。UDPヘッダに
は、データグラム全体の検査データであるチェクサムが
含まれる。ネットワークインタフェース１０６は、送ら
れてきたユーザーデータグラムをEthernetフレームにカ
プセル化して送信するが、ユーザーデータグラムの長さ
は予め単一のEthernetフレームに収まる様に構成されて
いる。

【００４２】送信されたEthernetフレームは、伝送路１
０７を通じてステーションＢ１０８のネットワークイン
タフェース１０９に伝送される。しかしながら伝送路１
０７では、ノイズによるエラーのほか、図１には図示し
ていない、ステーションＡ,ステーションＢ以外のステ
ーションから送信されるEthernetフレームとの衝突によ
る遅延、コリジョンアウトよるフレームの破棄もある。
すなわち、ネットワークインタフェース１０６から送信
されたEthernetフレームは、ネットワークインタフェー
ス１０９で受信される時、次の４つの場合がある。

【００４３】(1) 期待された時間内に完全な形で到達し
たフレーム (2) データにエラーが発生したフレーム (3) 衝突によって期待された時間を過ぎて到達したフレ
ーム (4) コリジョンアウトによって到達しなかったフレーム (4)の場合を除き、ネットワークインタフェース１０９
で受信されたフレームは、ユーザーデータグラムが抜き
出されUDP/IPプロトコルスタック１１０に送られる。UD
P/IPプロトコルスタック１１０では、ユーザーデータグ
ラムのUDPヘッダからチェックサムを抜き出し、別途計
算したチェックサムと比較し、一致しない場合はユーザ
ーデータグラムを破棄する。この結果、上記(2)のデー
タにエラーが発生したフレームに含まれるユーザーデー
タグラムは破棄されることになる。

【００４４】パケット再生手段１１１は、UDP/IPプロト
コルスタック１１０にユーザーデータグラムが到着した
時、運ばれてきたサブパケットおよび訂正データを取り
出す。タイマー１１２は、パケットセットの最初のパケ
ットがパケット再生手段１１１に到着した時にスタート
し、予め定められた時間（数msecから数十msec）が経過
するとパケット再生手段１１１に時間切れの信号を送
る。

【００４５】パケット再生手段１１１は、制限時間内に
１番から８番までのサブパケット全てを受信していれ
ば、これらのサブパケットから元のパケットを再生し、
アプリケーション群Ｂ１１３が受け取れるようにする。
もし、パケット再生手段１１１が制限時間内に１番から
８番のサブパケットの内、一つのサブパケット、例えば
３番のサブパケットを受信できず、訂正パケットが受信
された場合、喪失した３番目のサブパケットの先頭から
ｋ番目のワードB³[k]は次式（２）のように計算され
る。

【００４６】

【数２】

【００４７】以上のように計算された３番目のサブパケ
ットのデータを用いて、元のパケットを再生し、アプリ
ケーション群Ｂ１１３が受け取れるようにする。

【００４８】もし、パケット再生手段１１１が制限時間
内に１番から８番のサブパケットと９番の訂正パケット
の内二つ以上を受信できなかった場合は、元のパケット
は再生できない。しかしながら、プラント監視制御用の
ネットワークは元々信頼性が高いため、９個のサブパケ
ットの内、同時に２個が喪失する可能性は非常に低い。

【００４９】なお、本第１の実施の形態では訂正データ
を計算するために排他的論理和を用いたが、他の計算方
法として、各サブパケットのｋ番目のワード合計をワー
ドの表せる最大数で割った剰余を用いることもできる。

【００５０】第１の実施の形態によれば、標準的なEthe
rnetと同じく標準的なUDP/IPプロトコルスタックを使用
したネットワークにおいて、予め定められた時間内での
データ伝送の信頼性を特別なハードウェアの追加なしに
大幅に向上させることが以下の評価から期待される。

【００５１】パケット分解手段１０３からパケット再生
手段１１１までサブパケットあるいは訂正パケットが到
達しない確率（これは、Ethernetフレームの喪失率にほ
ぼ等しい）をPとする。パケット再生手段１１１で元の
パケットが再生できない確率は、次の式（３）で計算さ
れる。

【００５２】

【数３】

【００５３】例えば、Pが１万分の１とすれば上記の式
（３）の値は一千万分の3.6、Pが10万分の１とすれば上
記の式（３）の値は十億分の3.6となり、予め定められ
た時間内に非常に高い確率でデータを伝送することがで
きる。

【００５４】（第２の実施の形態）図４は、本発明の第
２の実施の形態に係るデータ伝送方式を示すブロック図
である。図４において図１と同一な部分には同符号を付
してある。

【００５５】図４において、タイマー１１２ａは、予め
定められた一定周期、例えば１秒周期でアプリケーショ
ン群Ａ１０２に信号を送る。アプリケーション群Ａ１０
２は、タイマー１１２ａからデータ送信タイミング信号
を受け取ると、受け取った時点でのデータをパケットに
まとめてパケット分解手段１０３に送る。プロセスの監
視制御では、アプリケーション群Ａ１０２は、ステーシ
ョンＡ１０１に接続された図４には図示していないプロ
セス入出力装置から入力されるプロセスデータ、あるい
は図４には図示していない他のステーションからのプロ
セスデータに基づいて送信データを生成するため、一般
に時間の経過と共に送信データの中身は変化する。

【００５６】パケット分解手段１０３、訂正データ計算
手段１０４、UDP/IPプロトコルスタック１０５、ネット
ワークインタフェース１０６、伝送路１０７、ネットワ
ークインタフェース１０９、UDP/IPプロトコルスタック
１１０は、第１の実施の形態と同様に機能する。タイマ
ー１１２は、一つ前の周期のパケットセットの受信が完
了した時にスタートし、データを送信する周期である１
秒に、ネットワークの特性として想定される揺らぎ時間
０．１秒を加えた時間、すなわち１．１秒が経過する
と，パケット再生手段１１１に時間切れ信号を送る。す
なわち、一つ前の周期のパケットセットの受信が完了し
た時から、１．１秒内に次の周期のパケットセットが受
信される。

【００５７】パケット再生手段１１１は，第1の実施の
形態と同様に機能し、送信されたパケットを再生する。

【００５８】第２の実施の形態によれば、一定周期でデ
ータを伝送する場合においても、予め定められた時間内
に、第１の実施の形態同様、特別なハードウェアの追加
なしに高い確率でデータを伝送できる。

【００５９】（第３の実施の形態）図５は、本発明の第
３の実施の形態に係るデータ伝送方式を示すブロック図
である。図５において図１，図４と同一な部分には同符
号を付してある。

【００６０】図５において、クロック１１４はタイマー
１１２とタイマー１１２ａの時刻を合わせるための手段
であり、クロック１１４からタイマー１１２とタイマー
１１２ａへは、信号の遅延時間の定まった専用のケーブ
ルで結ばれる。これによって、タイマー１１２およびタ
イマー１１２ａの時刻を合わせることができる。送信側
のステーションＡ１０１は合わせた時刻に同期した周期
でデータパケットを送信し、受信側のステーションＢ１
０８は合わせた時刻に同期してデータパケットを受信す
る。タイマー１１２とタイマー１１２ａの時刻を合わせ
る他の手段の例としては、ＧＰＳ衛星からの信号を用い
る方法がある。

【００６１】本第３の実施の形態では、タイマー１１２
は、タイマー１１２ａが上記データ送信タイミング信号
を送信してから、ネットワークの伝送遅延時間として予
め設定した時間、例えば０．１秒後にパケット再生手段
１１１に時間切れ信号を送る。

【００６２】第３の実施の形態によれば、一定周期でデ
ータの伝送する場合において、より正確な受信タイミン
グを設定できる。

【００６３】（第４の実施の形態）図６は、本発明の第
４の実施の形態に係るデータ伝送方式を示すブロック図
である。図６において図１，図４，図５と同一な部分に
は同符号を付してある。

【００６４】図６は、図１の構成に、ステーションＡ１
０１の第２のネットワークインタフェース１０６ａ、ス
テーションＢ１０８の第２のネットワークインタフェー
ス１０９ａ、および第２の伝送路１０７ａを追加し、ネ
ットワークを二重化したものである。

【００６５】ステーションＡ１０１およびステーション
Ｂ１０８のUDP/IPプロトコルスタック１０５および１１
０は、二重化したネットワークを扱い、それぞれのネッ
トワークに対応した２つのIPアドレスを持っている。

【００６６】訂正データ計算手段１０４は、UDP/IPプロ
トコルスタック１１０の持つ２つのIPアドレスの宛先
と、それぞれがサブパケットと訂正パケットからなるパ
ケットセットをUDP/IPプロトコルスタック１０５に送
る。これに基づきUDP/IPプロトコルスタック１０５は、
二つのネットワークインタフェース１０６および１０６
ａを通じて各パケットセットを送信する。ネットワーク
インタフェース１０６および１０６ａは、送られてきた
パケットセットを伝送路１０７および１０７ａを通じて
ネットワークインタフェース１０９および１０９ａに伝
送する。

【００６７】ネットワークインタフェース１０９および
１０９ａは、受信したパケットセットをUDP/IPプロトコ
ルスタック１１０に送り、UDP/IPプロトコルスタック１
１０はこれらをパケット再生手段１１１に送る。

【００６８】パケット再生手段１１１には、喪失や遅延
がなければ制限時間内にサブパケットおよび訂正パケッ
トが二セット届くことになる。パケット再生手段１１１
は、これらのパケットセットの中から必要なサブパケッ
トあるいは訂正パケットを選んでパケット再生する。

【００６９】なお、本第４の実施の形態においてパケッ
トが再生できないケースは、二つのパケットセットで共
通のサブパケットあるいは訂正パケットが二つ以上喪失
するケースである。これは極めて少ない確率でしか起こ
らない。

【００７０】第４の実施の形態によれば、データ伝送の
信頼性を極めて高くすることができる。二重化ネットワ
ークは、ネットワークインタフェース１０６、伝送路１
０７、ネットワークインタフェース１０９等の障害に備
えて、高い信頼性を要求される場合に採用されるが、本
第４の実施の形態により、二重化ネットワークの両方が
機能している場合のデータ伝送の信頼性は次のように評
価される。

【００７１】一重化ネットワークにおいて、パケット分
解手段１０３からパケット再生手段１１１までサブパケ
ットあるいは訂正パケットが到達しない確率（これは、
Ethernetフレームの喪失率にほぼ等しい）をPとする
と、独立した二重化ネットワークにおいて、パケット分
解手段１０３からパケット再生手段１１１までサブパケ
ットあるいは訂正パケットが到達しない確率PdはP²とな
る。すなわち、Pが一万分の１ならばPdはその二乗で一
億分の一である。

【００７２】この時、パケット再生手段１１１で元のパ
ケットが再生できない確率は、第１の実施の形態と同様
次の式（４）で計算される。

【００７３】

【数４】

【００７４】Pが一万分の１の時（Pdが一億分の１の
時）、上式（４）の値は3.89×10^-15であり、データパ
ケットを１秒当たり１０回伝送したとしても、データパ
ケットの喪失は８１万年に一度の確率となる。

【００７５】（第５の実施の形態）図７は、本発明の第
５の実施の形態に係るパケット再生手段１１１の内部処
理を示すブロック図である。

【００７６】図７において、サブパケット選別部７０１
は、UDP/IPプロトコルスタック１１０からサブパケット
を受信すると、サブパケット番号に従ってサブパケット
バッファ７０２に振り分けて書き込む。サブパケットバ
ッファ７０２は、サブパケット番号に対応して９個のバ
ッファを持っている。サブパケット選別部７０１は、受
信済みのサブパケットを受信した場合は、サブパケット
バッファ７０２へ書きこまない。

【００７７】パケット再生可能性判定部７０３は、サブ
パケット選別部７０１が新たなサブパケットをサブパケ
ットバッファ７０２に書き込む度にサブパケットバッフ
ァ７０２をスキャンし、パケット再生の可能性を判定す
る。すなわち、９個のバッファの内、８個にデータが入
っていればパケットは再生可能である。パケット再生可
能性判定部７０３がパケットを再生可能と判断すると、
パケット再生部７０４は直ちにサブパケットバッファ７
０２からサブパケットを取り出して、パケットを再生
し、パケットバッファ７０５に書きこむ。パケットバッ
ファ７０５の内容はアプリケーションから随時読み出さ
れる。

【００７８】第５の実施の形態によれば、受信側のステ
ーションは、パケットが再生可能になった段階で冗長な
パケットの到着を待たず即座に再生するため、システム
全体の応答速度を高めることができる。

【００７９】(第６の実施の形態)本第６の実施の形態で
は、第１の実施の形態の図１におけるパケット分解手段
１０３と訂正データ計算手段１０４を一体化してパケッ
トセット生成手段とし、図２におけるステップ２０７の
サブパケットへの分解処理において、サブパケットへの
分解と訂正データの計算を同時に行ない、UDP/IPプロト
コルスタック１０５へサブパケットを送る時、短い時間
遅延を入れる。

【００８０】図８は、パケット分解処理と訂正データ計
算処理を示すフローチャートである。sbufは、アプリケ
ーションから送られてきたパケットデータの入るバッフ
ァを表す。まずステップ８０１で処理が開始されると、
ステップ８０２で、sbufを先頭から切り出して８個のサ
ブパケットに分解するため、パケットの長さlength(sbu
f)を８で割り、個々のサブパケットの長さslenを計算す
る。ここでceil(x)は、xより小さくない最小の整数をと
る関数である。次にステップ８０３で、訂正データcbuf
の初期値として、sbufの先頭からslenオクテットをcbuf
に入れる。そしてステップ８０４で、sbufの先頭からsl
enオクテットをUDP/IPプロトコルスタック１０５に送
る。

【００８１】この後ステップ８０５で、0.0001秒（100
マイクロ秒）処理をスリープし、サブパケット番号を表
すカウンタiを２として、次のサブパケットの切り出し
を行なう以下のループに入る。このループは、ステップ
８０６で、終了条件i＞８を満たすまで繰り返される。

【００８２】ステップ８０７で、i番目のサブパケット
に当たるsbufの(i-1)*slen+1番目からi*slen番目のデー
タとcbufとの排他的論理和を計算し、ステップ８０８
で、このデータをUDP/IPプロトコルスタック１０５に送
る。そしてステップ８０９で、0.0001秒処理をスリープ
し、iをカウントアップしてループの先頭であるステッ
プ８０６に戻る。

【００８３】ステップ８０６でiが8を超えたら、ステッ
プ８１０で、訂正データcbufをUDP/IPプロトコルスタッ
ク１０５に送り、ステップ８１１で処理を終了する。な
お、ステップ８０４,８０８,８１０でデータをUDP/IPプ
ロトコルスタック１０５に送る時は、パケット識別子、
サブパケット番号を添付することは言うまでもない。

【００８４】以上の様に、サブパケットおよび訂正パケ
ットをUDP/IPプロトコルスタック１０５に送る時に時間
遅延を設けることで、ネットワークインタフェース１０
６が伝送路１０７にEthernetフレームを送信する際、時
間間隔ができる。このため、ネットワークに数十個の送
信ステーションが接続されている場合でも、各ステーシ
ョンからの送信が時間的に集中する可能性が減ることか
ら、Ethernetフレームが衝突する可能性が減少し、結果
的にサブパケットがコリジョンアウトで喪失する可能性
を減少させることができる。

【００８５】なお、上記の実施の形態ではパケットセッ
ト生成手段はサブパケットをUDP/IPプロトコルスタック
に送ったあと、定められた時間スリープしたが、スリー
プ時間をランダムにし、フレームの送出時間をずらす方
法も考えられる。また、図８の処理では明示的にスリー
プしているが、サブパケットの切り出しと訂正データの
計算に必要な時間を遅延時間とする方法も考えられる。

【００８６】第６の実施の形態によれば、Ethernetのコ
リジョンアウトが発生する確率を下げ、システム全体の
信頼性を高めることができる。

【００８７】（第７の実施の形態）第１の実施の形態に
おいては、アプリケーションから送られてくるデータパ
ケットを８個のサブパケットと訂正パケットに分解した
が、データパケットの長さが短い場合に８個に分割する
と伝送路に短いEthernetフレームが多数送出されること
になる。Ethernetの伝送効率は多数の短いフレームが伝
送されると悪化することが、D. Boggs et.al. “Measur
ed Capacity of an Ethernet: Myths and Reality”, P
roceedings of SIGCOMM’88(ACM SIGCOMM, 1988):222-2
34等に示されている。

【００８８】そこで本第７の実施の形態では、パケット
分解手段１０３は、サブパケットを収めるEthernetフレ
ームの最短長が２５６オクテットになるようにサブパケ
ットの分割数を調整する。例えば、サブパケットの長さ
が４００オクテットの場合は、０データを入れて２５６
オクテットの長さの二つのサブパケットに分解し、訂正
パケットを付加する。

【００８９】さらに、データパケットの長さが２４８オ
クテットに満たないとき、サブパケットの分割数が１と
なるが、この場合、訂正データ計算手段１０４は訂正デ
ータを計算して訂正パケットを生成するのではなく、元
のデータパケットの複製を作ることでデータを二重化す
る。

【００９０】第７の実施の形態によれば、短いパケット
の分割による伝送路の伝送効率の低下を防ぐことができ
る。

【００９１】（第８の実施の形態）図９は、本発明の第
８の実施の形態に係るデータ伝送方式を示すブロック図
である。図９において図１，図４〜図６と同一な部分に
は同符号を付してある。

【００９２】図９において、ネットワーク健全性監視手
段９０１は、パケット再生手段111から、受信したパケ
ット数とサブパケット喪失数を入力する。そして、１時
間毎にサブパケット喪失数を受信パケット数で割った喪
失割合を計算し、喪失割合がそれまでの平均から増加し
た場合は、ネットワークの健全性に問題があると判定
し、警報を発する。

【００９３】第８の実施の形態によれば、ネットワーク
の健全性を常時監視し、例えば伝送路の劣化によってネ
ットワークの信頼性が徐々に低下するような現象を検出
することで、劣化が進行する前に補修することが可能と
なる。

【００９４】（第９の実施の形態）図１０は、本発明の
第９の実施の形態に係るデータ伝送方式を示すブロック
図である。図１０において図１，図４〜図６，図９と同
一な部分には同符号を付してある。

【００９５】図１０では、ステーションＡ１０１とステ
ーションＢ１０８は、それぞれ異なる伝送路１０７と１
００２に接続され、伝送路１０７と１００２はゲートウ
ェイ１００１によって接続されている。また、伝送路１
０７と伝送路１００２には、図１０には図示していない
数十個のステーションが接続されている。したがって、
ステーションＡ１０１から送信されたデータは、伝送路
１０７あるいは伝送路１００２で喪失する可能性があ
る。

【００９６】ゲートウェイ１００１は、ステーションＡ
１０１からステーションＢ１０８に送られたデータを中
継するが、内部にデータ受信用のネットワークインタフ
ェース１００３、UDP/IPプロトコルスタック１００４、
パケット再生手段１００５、タイマー１００６を持ち、
これらはステーションＢ１０８のネットワークインタフ
ェース１０９、UDP/IPプロトコルスタック１１０、パケ
ット再生手段１１１、タイマー１１２と同様に働きパケ
ットを再生する。

【００９７】また、ゲートウェイ１００１は、送信用に
パケット分解手段１００７、訂正データ計算手段１００
８、UDP/IPプロトコルスタック１００９、ネットワーク
インタフェース１０１０を持っており、それぞれステー
ションＡ１０１のパケット分解手段１０３、訂正データ
計算手段１０４、UDP/IPプロトコルスタック１０５、ネ
ットワークインタフェース１０６と同様に働く。

【００９８】ゲートウェイ１００１では、伝送路１０７
から受信したサブパケットを一旦パケットに再生し、再
びサブパケットに分解して伝送路１００２に送出するた
め、伝送路１０７でサブパケットまたは訂正パケットの
喪失があっても、伝送路１００２には喪失したサブパケ
ットまたは訂正パケットが復元されて送出される。

【００９９】第９の実施の形態によれば、ゲートウェイ
で結ばれた二つの伝送路を介して流れるデータの信頼性
を高めることができる。

【０１００】（第１０の実施の形態）第１の実施の形態
では、アプリケーション群Ａ１０２から送られてくるパ
ケットを均等に８個に分解し、訂正パケットを付加した
が、パケットの中のデータには重要性の高いものとそう
でないものがある。

【０１０１】そこで、予め重要性の高いデータをパケッ
トの最初の方に配置し，これらがサブパケット番号１か
ら４のサブパケットに入るようにする。訂正データ計算
手段１０４では、１番目から８番目までのサブパケット
に対して訂正パケットを計算する以外に、重要性の高い
１番目から４番目のサブパケットに対して第２の訂正パ
ケットを生成する。

【０１０２】第１０の実施の形態によれば、重要度の高
いデータに対し、さらに高い信頼性を保証することがで
きる。

【０１０３】なお、本発明は上記各実施の形態のみに限
定されず、要旨を変更しない範囲で適宜変形して実施で
きる。

【０１０４】

【発明の効果】本発明のデータ伝送方式によれば、ネッ
トワークとしてスター型のEthernet、あるいはバス型Et
hernetを想定し、衝突による伝送データの遅延、あるい
はコリジョンアウトによるデータの喪失の可能性がある
場合でも、制限時間内での高い確率のデータ伝送を保証
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態に係るデータ伝送方
式を示すブロック図。

【図２】本発明の第１の実施の形態に係るパケット分解
手段におけるサブパケットへの分解処理を示すフローチ
ャート。

【図３】本発明の第１の実施の形態に係る訂正データの
具体的な計算方法を示す図。

【図４】本発明の第２の実施の形態に係るデータ伝送方
式を示すブロック図。

【図５】本発明の第３の実施の形態に係るデータ伝送方
式を示すブロック図。

【図６】本発明の第４の実施の形態に係るデータ伝送方
式を示すブロック図。

【図７】本発明の第５の実施の形態に係るパケット再生
手段１１１の内部処理を示すブロック図。

【図８】本発明の第６の実施の形態に係るパケット分解
処理と訂正データ計算処理を示すフローチャート。

【図９】本発明の第８の実施の形態に係るデータ伝送方
式を示すブロック図。

【図１０】本発明の第９の実施の形態に係るデータ伝送
方式を示すブロック図。

【図１１】従来のプラントにおけるスター型ネットワー
クの構成概念を示す図。

【符号の説明】

１０１…ステーションＡ１０２…アプリケーション群Ａ１０３…パケット分解手段１０４…訂正データ計算手段１０５…UDP/IPプロトコルスタック１０６…ネットワークインタフェース１０６ａ…ネットワークインタフェース１０７…伝送路１０７ａ…伝送路１０８…ステーションＢ１０９…ネットワークインタフェース１０９ａ…ネットワークインタフェース１１０…UDP/IPプロトコルスタック１１１…パケット再生手段１１２…タイマー１１２ａ…タイマー１１３…アプリケーション群Ｂ１１４…クロック７０１…サブパケット選別部７０２…サブパケットバッファ７０３…パケット再生可能性判定部７０４…パケット再生部７０５…パケットバッファ９０１…ネットワーク健全性監視手段１００１…ゲートウェイ１００２…伝送路１００３…ネットワークインタフェース１００４…UDP/IPプロトコルスタック１００５…パケット再生手段１００６…タイマー１００７…パケット分解手段１００８…訂正データ計算手段１００９…UDP/IPプロトコルスタック１０１０…ネットワークインタフェース

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者山田利広東京都府中市東芝町１番地株式会社東芝府中工場内 (72)発明者松本尚之東京都府中市東芝町１番地株式会社東芝府中工場内Ｆターム(参考） 5K030 GA03 HA08 JA01 JA05 LA01 LD18 5K033 AA01 BA03 CA08 CB03 CC01 DA13 DA15 9A001 BB02 BB04 CC03 CC06 DD10 GG05 HH34 JJ12 JJ18 KK55 KK56 LL02 LL07

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】データをデータの誤り検査情報を含むデー
タグラムとして伝送し、検査情報でデータの誤りが検出
された場合はデータグラムを破棄する上位プロトコル
と、該データグラムを長さに制限のあるフレームに収ま
る様に分割して伝送する下位プロトコルを採用するネッ
トワークにおいて、送信側は、送信データパケットを各々が一つのフレームに収まる長
さ以下で、かつ予め定められた個数のサブパケットに分
割し、各サブパケットに該データパケットの識別子およ
びサブパケット番号を挿入するパケット分解手段と、分解された各サブパケット毎に、先頭から最後までの各
データに対して訂正データを求め、該訂正データからな
る訂正パケットを生成する訂正データ生成手段と、前記サブパケットと前記訂正パケットを前記上位プロト
コルおよび前記下位プロトコルを通じて送信する送信手
段を有し、受信側は、前記下位プロトコルおよび前記上位プロトコルを通じて
前記サブパケットおよび前記訂正パケットの最初の一つ
を受信してから、予め定められた時間内に残りの前記サ
ブパケットおよび前記訂正パケットを受信する受信手段
と、前記サブパケットが全て受信できた場合は、その受信サ
ブパケットから送信データパケットを再生し、前記サブ
パケットの一つを喪失し前記訂正パケットが受信できた
場合は、受信した前記サブパケットおよび前記訂正パケ
ットから喪失したサブパケットを再現することでデータ
パケットを再生するパケット再生手段を有することを特
徴とするデータ伝送方式。
【請求項２】前記送信側は、データパケットを一定周期で送信する送信手段を有し、前記受信側は、一つ前の周期のデータパケットを受信した時から、定め
られた時間内に次の周期のデータパケットを受信する受
信手段を有することを特徴とする請求項１に記載のデー
タ伝送方式。
【請求項３】前記送信側と前記受信側は時刻を合わせる
手段を持ち、前記送信側は合わせた時刻に同期した周期
でデータパケットを送信し、前記受信側は合わせた時刻
に同期してデータパケットを受信することを特徴とする
請求項２に記載のデータ伝送方式。
【請求項４】前記送信側と前記受信側を結ぶネットワー
クを多重化し、前記送信側は各ネットワークに、前記サブパケットおよ
び前記訂正パケットを送信し、前記受信側は該多重化されたネットワークから受信され
た該サブパケットおよび該訂正パケットから送信データ
を構成することを特徴とする請求項１に記載のデータ伝
送方式。
【請求項５】前記受信側は、前記パケット再生手段の内部に、前記多重化されたネッ
トワークから送信されたデータパケットを再構成するの
に必要な前記サブパケットおよび前記訂正パケットを受
信したか否かを判定するパケット構成可能性判定部を有
し、該パケット構成可能性判定部によって該データパケット
が再構成可能と判定された時、直ちに該データパケット
を構成することを特徴とする請求項４に記載のデータ伝
送方式。
【請求項６】前記送信側は、前記サブパケットおよび訂正パケットの送信の際、時間
間隔を置いてサブパケットを送信することを特徴とする
請求項１に記載のデータ伝送方式。
【請求項７】前記送信データパケットの長さに応じて、
サブパケットの分割数を調整することを特徴とする請求
項１に記載のデータ伝送方式。
【請求項８】前記パケット再生手段から受信したパケッ
ト数とサブパケット喪失数を入力し、該パケット数に対
するサブパケット喪失数の喪失割合を計算し、該喪失割
合よりネットワークの健全性を監視するネットワーク健
全性監視手段を用いることを特徴とする請求項１に記載
のデータ伝送方式。
【請求項９】二つの伝送路を結びデータを伝送するゲー
トウェイ手段を有し、該ゲートウェイ手段は、一方の伝送路より受信した単一
のパケットセットを構成するサブパケットおよび訂正パ
ケットに喪失したサブパケットがあった場合、該喪失サ
ブパケットを再生し、もう一方の伝送路に送信すること
を特徴とする請求項１に記載のデータ伝送方式。
【請求項１０】前記サブパケットの内、重要度の高いデ
ータを含むサブパケットに対しては，第２の訂正パケッ
トを生成することを特徴とする請求項１に記載のデータ
伝送方式。