JP2007306221A - ネットワークスイッチ及び通信ネットワーク - Google Patents

Abstract

【課題】通信端末のハードウェアやＯＳレベルに改変を加えることなく、既存のネットワークスイッチと共存可能で従来よりもリアルタイム性に優れた、ネットワークスイッチ及び通信ネットワークを提供する。
【解決手段】優先度の異なる複数の信号を受信する受信手段３１と、この受信手段３１で受信した信号をバッファして前記優先度に従って送信する送信手段３２と、受信手段３１で受信された信号の優先度が送信手段３２による送信中の信号の優先度よりも高いと、当該送信中の信号フレームに割り込んで前記優先度の高い信号を送信手段３２から優先的に送信させる制御手段３１３，３２２とをそなえるように構成する。
【選択図】図４

Description

本発明は、ネットワークスイッチ及び通信ネットワークに関し、例えば、イーサネット（登録商標）等の通信ネットワークにおいて通信のリアルタイム性を実現するのに用いて好適な技術に関する。

インターネット（ＴＣＰ／ＩＰネットワーク）やイーサネット等のＬＡＮ（Local Area Network）において、通信のリアルタイム性を向上するために、様々な技術が提案されている。例えば、イーサネットベースのリアルタイム通信としては、フレーム単位の優先度（ＱｏＳ）制御を行なう方式が既に標準化（IEEE 802.1Q/p）されており、一般に、数十ミリ秒オーダのリアルタイム性が得られるとされる。

また、エンドホスト（通信端末）相互間を連携（同期）させて、送信時刻を制御（送信スケジューリング）する方法（後記非特許文献１参照）や、デッドライン時刻に基づいてフレーム単位で転送（送信）順序を制御するスイッチ（後記非特許文献２）なども提案されている。なお、イーサネット互換でない技術として、後記非特許文献３などが知られている。

さらに、エンドホスト内での処理時間の不確定性を抑えるための技術もいくつか提案されている（例えば、後記非特許文献４，５参照）。
高柳：「リアルタイム工業用イーサネットの現状と問題点」、SICE 制御部門大会、pp.659-662,2005. H. Hoang et al.："Switched Real-Time Ethernet with Earliest Deadline First Scheduling - Protocols and Traffic Handling"、Proc. WPDRTS 2002. 山崎、松井：「並列分散リアルタイム制御用レスポンシブプロセッサ」、日本ロボット学会誌、19(3)，pp.352−361, 2001. H. Sato and T. Yakoh："A Real-Time Communication Mechanism for RTLinux"、IEEE Int. Conf. on Industrial Electronics， Control and Instrumentation，pp.2437-2442, 2000. 石綿ほか：「Ethernetを用いた実時間通信方式の開発」、日本ロボット学会学術講演会、1C25, 2004.

上記のように、ＬＡＮ環境（特に、ネットワークが全二重のポイントツーポイント接続のみからなるスイッチングネットワーク）において通信のリアルタイム性を向上するためには、エンドホスト内での処理時間の課題と、ネットワークスイッチにおける処理時間の課題とを解決する必要がある。
即ち、上記非特許文献３，４等で提案されているように、エンドホスト内での処理時間の課題を解決したとしても、ネットワーク通信の場合には、ネットワークスイッチにおける処理時間の課題を解決しない限り、ネットワーク全体としてのリアルタイム性の向上は望めない。そのため、後者の課題を解決することが重要となる。またその際、上記非特許文献３，４で提案されているようなエンドホスト内での処理時間を解決する既存技術については自由に組み合わせて利用できるような形で、ネットワークスイッチにおける処理時間の課題を解決できることが望ましい。

しかしながら、従来のイーサネットスイッチ等のレイヤ２レベルのネットワークスイッチ技術では、優先度制御を全く行なわないか、または、フレーム単位の送信順序を優先度に基づいて制御（例えば、前記IEEE 802.1Q/pや非特許文献２参照）するのみである。そのため、フレーム単位の送信順序制御では、大きなサイズのフレーム（例えば、最大で１，５００バイト＝100BASE-TXの場合で１２０μｓ）を送信している最中に、より高優先度のフレームが到着しても、その大きなフレームの送信完了を待たざるを得ず、スイッチ段数に応じて累積的に遅延が増加し、細粒度のリアルタイム性を得ることができなかった。

イーサネット等のネットワークを介してロボット制御等を行なおうとした場合、ミリ秒オーダ以下のリアルタイム性が必要とされるが、これを例えば前記のエンドホスト間を同期させる技術（非特許文献１参照）をベースに実現しようとすると、エンドホストにデバイス（ハードウェア）やオペレーティングシステム（ＯＳ）レベルの改変が必要となる。換言すれば、特定の技術に依存することにより、利用できるＯＳやハードウェアが制限されてしまうことになる。

本発明は、このような課題に鑑み創案されたもので、既存のネットワークスイッチと共存可能で従来よりもリアルタイム性に優れた、ネットワークスイッチ及び通信ネットワークを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明では、下記のネットワークスイッチ及び通信ネットワークを用いることを特徴としている。即ち、
（１）本発明の第１の態様のネットワークスイッチは、優先度の異なる複数の信号をフレーム形式で伝送しうる通信ネットワークに使用されるネットワークスイッチであって、上記の優先度の異なる複数の信号を受信する受信手段と、該受信手段で受信した信号をバッファして前記優先度に従って送信する送信手段と、該受信手段で受信された信号の優先度が該送信手段による送信中の信号の優先度よりも高いと、当該送信中の信号フレームに割り込んで前記優先度の高い信号を該送信手段から優先的に送信させる制御手段とをそなえたことを特徴としている。

（２）また、本発明の第２の態様のネットワークスイッチは、優先度の異なる複数の信号をフレーム形式で伝送しうる通信ネットワークに使用されるネットワークスイッチであって、入力ポート部と、該入力ポート部に接続された出力ポート部とを有し、該入力ポート部が、上記の優先度の異なる複数の信号を受信する受信部と、該受信部で受信された信号を優先度別に該出力ポート部に転送する転送手段とをそなえ、該出力ポート部が、送信部と、上記の入力ポート部における転送手段から転送されてきた信号の優先度を判定する優先度判定手段と、該優先度判別手段にて、優先度の高い信号が入力されたと判定された場合は、これより低い優先度の信号の送信中であっても、その送信を中断して、上記優先度の高い信号の送信を該送信部を通じて優先的に行なう優先送信手段とを備えて構成されたことを特徴としている。

（３）ここで、該入力ポート部は、上記の優先度の異なる複数の信号を記憶する記憶部と、該受信部で受信された信号がフレーム途中で中断された信号かどうかを判定する中断判定手段と、該中断判定手段で、該受信部で受信された信号がフレーム途中で中断された信号でないと判定された場合は、該記憶部に新たな領域を割り当てて記憶するとともに、該中断判定手段で、該受信部で受信された信号がフレーム途中で中断された信号であると判定された場合は、該記憶部に該中断された信号が既に記憶されている領域に続けて記憶する記憶制御手段とをそなえて構成されていてもよい。

（４）また、本発明の第３の態様のネットワークスイッチは、優先度の異なる複数の信号をフレーム形式で伝送しうるネットワークに使用されるネットワークスイッチであって、入力側物理層処理部と、出力側物理層処理部と、該入力側物理層処理部に接続された入力側データリンク層処理部と、該出力側物理層処理部に接続されるとともに該入力側データリンク層処理部に接続された出力側データリンク層処理部とを有し、該入力側データリンク層処理部が、上記の優先度の異なる複数の信号を受信する受信部と、該受信部で受信された信号を優先度別に該出力側データリンク層処理部に転送する転送手段と、上記の優先度の異なる複数の信号を記憶する記憶部と、該受信部で受信された信号がフレーム途中で中断された信号かどうかを判定する中断判定手段と、該中断判定手段で、該受信部で受信された信号がフレーム途中で中断された信号でないと判定された場合は、該記憶部に新たな領域を割り当てて記憶するとともに、該中断判定手段で、該受信部で受信された信号がフレーム途中で中断された信号であると判定された場合は、該記憶部に該中断された信号が既に記憶されている領域に続けて記憶する記憶制御手段とをそなえ、該該出力側データリンク層処理部が、送信部と、上記の出力側データリンク層処理部における転送手段から転送されてきた信号の優先度を判定する優先度判定手段と、該優先度判別手段にて、優先度の高い信号が入力されたと判定された場合は、これより低い優先度の信号の送信中であっても、その送信を中断して、上記優先度の高い信号の送信を該送信部を通じて優先的に行なう優先送信手段とを備えて構成されたことを特徴としている。

（５）さらに、本発明の通信ネットワークは、少なくとも対向する１対のネットワークスイッチを有し、これらのネットワークスイッチを通じて、優先度の異なる複数の信号をフレーム形式で伝送しうる通信ネットワークであって、上記の各ネットワークスイッチが、入力ポート部と、該入力ポート部に接続された出力ポート部とを有し、該入力ポート部が、上記の優先度の異なる複数の信号を受信する受信部と、該受信部で受信された信号を優先度別に該出力ポート部に転送する転送手段と、上記の優先度の異なる複数の信号を記憶する記憶部と、該受信部で受信された信号がフレーム途中で中断された信号かどうかを判定する中断判定手段と、該中断判定手段で、該受信部で受信された信号がフレーム途中で中断された信号でないと判定された場合は、該記憶部に新たな領域を割り当てて記憶するとともに、該中断判定手段で、該受信部で受信された信号がフレーム途中で中断された信号であると判定された場合は、該記憶部に該中断された信号が既に記憶されている領域に続けて記憶する記憶制御手段とをそなえ、該出力ポート部が、送信部と、上記の入力ポート部における転送手段から転送されてきた信号の優先度を判定する優先度判定手段と、該優先度判別手段にて、優先度の高い信号が入力されたと判定された場合は、これより低い優先度の信号の送信中であっても、その送信を中断して、上記優先度の高い信号の送信を該送信部を通じて優先的に行なう優先送信手段とをそなえて構成されたことを特徴としている。

上記本発明によれば、少なくとも以下に示すいずれかの効果ないし利点が得られる。
（１）受信信号の優先度が送信中の信号の優先度よりも高いと、当該送信中の優先度の低い信号（フレーム）の送信を中断し当該信号に割り込んで前記優先度の高い信号を優先的に送信（転送）することができるので、フレーム単位よりも細粒度な単位での優先制御（送信順序制御）を実現でき、例えば、室内、建物内等の範囲のＬＡＮ環境において、ロボット制御等に必要とされるミリ秒オーダのリアルタイム性を実現することが可能となる。

（２）データリンク層にてフレームの中断、再開を許すことができ、物理層は従来と互換のものを用いることができるため、既敷設のネットワーク配線はそのままに、ネットワークスイッチのみを置き換えることで、既存ネットワークからシームレスに移行が可能であり、通常のネットワークトラフィックと上記ミリ秒オーダのリアルタイムトラフィックが共存可能なネットワークを構築することができる。

（３）受信信号がフレーム途中で中断された信号でない場合は、記憶部に新たな領域を割り当てて記憶するとともに、受信信号がフレーム途中で中断された信号である場合は、当該記憶部に中断された信号が既に記憶されている領域に続けて記憶することができるので、中断前後の信号のそれぞれのために別途記憶領域を確保しておく必要がなく、また、中断前後の信号の記憶管理も容易になる。

〔Ａ〕一実施形態の説明
図１は本発明の一実施形態に係る通信ネットワークとしてのイーサネットの構成を示す図で、この図１に示すイーサネット（以下、単にネットワークともいう）１は、全二重のポイントツーポイント接続からなるスイッチングネットワークであって、複数のネットワークスイッチ２を構成要素として有し、これらのネットワークスイッチ２が所望のネットワーク形態に応じて通信媒体（メタリックケーブル等）を介して適宜に接続されることにより、例えば、一般の非リアルタイムホスト３からイーサネット１経由でインターネット（ＴＣＰ／ＩＰネットワーク）等の他の通信ネットワーク６にアクセスしたりすることができる一方で、同イーサネット１を経由して、符号５によって表される高速カメラ等のセンサの情報をロボット等の作業機械４に伝えて制御したりすることができるようになっている。

ここで、上記のネットワークスイッチ２の少なくとも一部、例えば、前記作業機械制御の際のセンサ５と作業機械４との間の信号転送経路上に位置するネットワークスイッチ２については、ミリ秒オーダ以下のリアルタイム性を実現でき、かつ、既存のＴＣＰ／ＩＰネットワークと接続可能な、イーサネット互換の通信機構（リアルタイム通信機構）を具備するネットワークスイッチ（以下、リアルタイムスイッチと称する）２ａとして構成されている。なお、本実施形態において、このようなリアルタイム通信機構を具備しない既存のイーサネット機器〔イーサネットスイッチ（非リアルタイムスイッチ）２ｂや非リアルタイムホスト３等〕については、非リアルタイム機器と総称することがある。

ここで、本例のリアルタイム通信機構とは、受信信号（イーサネットフレーム）の優先度に応じたフレーム単位の送信制御機能に加えて、受信信号の優先度が、現在送信中の信号の優先度よりも高いと、当該送信中の信号フレームの送信を中断して優先度の高い受信信号の送信を行ない、その送信が完了した後に、中断した信号フレームの送信を再開することにより、送信中の優先度の低い信号フレームに割り込んで優先度の高い信号を優先的に送信させる機能を含む機能ブロックを意味する。

このリアルタイム通信機構を具備することにより、例えば図２（Ｃ）に模式的に示すように、時刻Ｔ１に優先度「中」の信号（フレーム）＃２、時刻Ｔ２に優先度「低」の信号（フレーム）＃３、時刻Ｔ３に優先度「高」の信号（フレーム）＃１がリアルタイムスイッチ２ａに到着した場合を想定すると、当該リアルタイムスイッチ２ａは、時刻Ｔ１から優先度「中」のフレーム＃２の送信（転送）を開始するが、その送信途中で優先度「高」のフレームが時刻Ｔ３で受信されるため、優先度「中」のフレーム＃２の送信を中断して、優先度「高」のフレーム＃１の送信（転送）を開始し、それが完了すると（時刻Ｔ４参照）、中断したフレーム＃２の送信を再開する。その後、フレーム＃２の送信が完了すれば（時刻Ｔ５参照）、リアルタイムスイッチ２ａは、優先度「低」のフレーム＃３の送信を開始する。以下、このようなリアルタイム通信機構による通信制御をリアルタイム通信制御と称する。

なお、図２（Ａ）は優先制御を行なわないネットワークスイッチでの送信（転送）制御、図２（Ｂ）はフレーム単位での優先制御を行なう既存のネットワークスイッチでの送信制御をそれぞれ模式的に示す図であり、図２（Ａ）では、フレーム＃１，＃２，＃３の優先度は考慮されず、到着順（つまり、時刻Ｔ１でフレーム＃２→時刻Ｔ４でフレーム＃３→時刻Ｔ５でフレーム＃１の順）に送信（転送）が行なわれる（つまり、優先度「高」のフレーム＃１は時刻Ｔ３〜Ｔ５の時間だけ遅延が生じる）様子が示されている。

これに対し、図２（Ｂ）では、時刻Ｔ３で受信した優先度「高」のフレーム＃１よりも先に時刻Ｔ２で受信した優先度「低」のフレーム＃３に優先して、フレーム＃１の送信を行なう（フレーム＃３を追い越す）ことができる（時刻Ｔ４，Ｔ５参照）が、既に送信中の優先度「中」のフレーム＃２にはブロックされて、フレーム＃２の送信完了（時刻Ｔ４参照）までフレーム＃１は送信できない（時刻Ｔ３〜Ｔ４の時間だけ遅延が生じる）様子が示されている。

さて、上記のようなリアルタイム通信機構を具備するリアルタイムスイッチ２ａの構成例を図３に示す。この図３に示すリアルタイムスイッチ２ａは、入出力ポート群に対応して設けられた複数の物理層処理部２１と、物理層処理部２１に対応して設けられた複数のデータリンク層処理部２２と、いずれかのデータリンク層処理部２２の相互間を任意に接続可能なスイッチファブリック２３と、ＭＡＣアドレス検索テーブル２４とをそなえて構成されている。

なお、各データリンク層処理部２２は、それぞれ、前記リアルタイム通信機構を具備するとともに、既存のＭＡＣ処理と互換のモードでも動作可能なリアルタイムＭＡＣ（Media Access Control）処理部（ＲＴ−ＭＡＣ）として構成されている。
ここで、物理層処理部２１は、それぞれ、100BASE-TXに準拠した物理層インタフェース（トランシーバ）で、ＬＡＮケーブル（ツイストペアケーブル）等によって他のネットワークスイッチ２や非リアルタイムホスト３、作業機械４、センサ５等と接続されるとともに、対応するデータリンク層処理部２２とＭＩＩ（Media Independent Interface）によって接続されて、送受信信号の物理層レベルの処理（変復調処理など）を行なうものである。

また、データリンク層処理部（リアルタイムＭＡＣ処理部）２２は、対応する物理層処理部２１と前記ＭＩＩにより接続されるとともに、スイッチファブリック２３に接続されて、これらの物理層処理部２１とスイッチファブリック２３との間で送受される信号について、データリンク層レベルの処理（イーサネットフレームの生成／分解処理など）を行なうとともに、既述のフレーム単位の優先制御及び図２（Ｃ）により上述したリアルタイム通信制御を行なうものである。

スイッチファブリック２３は、データリンク層処理部（リアルタイムMAC処理部）２２のうちいずれか一組あるいは複数組の相互間を選択的に接続して、これらのデータリンク層処理部２２の相互間で送受されるフレームの転送経路を切り替えるもので、その経路切り替え（設定）はフレームに含まれる宛先アドレス（ＭＡＣアドレス）に基づいてＭＡＣアドレス検索テーブル２４によって行なわれるようになっている。

さて次に、本例では各入出力ポートが全二重であることから、これらの入出力ポートは、図４（Ｃ）に示すごとく入力ポート部３１と出力ポート部３２に分離して考えることができる。上記のリアルタイムＭＡＣ処理部２２は、いずれも、前記リアルタイム通信制御を実現すべく、例えば図４（Ａ）に示す入力ポート部３１と、図４（Ｂ）に示す、スイッチファブリック２３を介して前記入力ポート部３１と接続された出力ポート部３２とをそなえて構成されるようになっている。

そして、図４（Ａ）に示すように、入力ポート部３１は、さらに、受信器３１１と、バッファメモリ３１２と、制御部３１３とをそなえ、図４（Ｂ）に示すように、出力ポート部３２は、さらに、バッファメモリ３２１と、制御部３２２と、送信器３２３とをそなえて構成されている。
ここで、入力ポート部３１において、受信器（受信部）３１１は、物理層処理部２１からの信号（優先度の異なる複数の信号）を受信するものである。

バッファメモリ（記憶部）３１２は、受信器３１１で受信した信号（データ）を記憶（バッファ）するものであり、制御部３１３は、このバッファメモリ３１２に対するデータの書き込み及び読み出しを制御するもので、読み出したデータ（フレーム）はスイッチファブリック２３へ転送されるようになっている。ただし、本例の制御部３１３は、前記リアルタイム通信制御を実現すべく、以下に示す機能も兼ね備えている。

(1)受信器３１１で受信された信号を優先度別に（スイッチファブリック２３を介して）出力ポート部３２に転送する転送手段３１３ａとしての機能
(2)受信器３１１で受信された信号がフレーム途中で中断された信号かどうかを判定する中断判定手段３１３ｂとしての機能
(3)上記中断判定手段３１３ｂで、受信器３１１で受信された信号がフレーム途中で中断された信号でないと判定された場合は、バッファメモリ３１２に新たな領域を割り当てて記憶するとともに、中断判定手段３１３ｂで、受信器３１１で受信された信号がフレーム途中で中断された信号であると判定された場合は、バッファメモリ３１２に中断された信号が既に記憶されている領域に続けて記憶する記憶制御手段３１３ｃとしての機能
なお、受信信号がフレーム途中で中断された信号か否かは、後述するプリエンプションタグ（横取りタグ）によって判定可能である。

これに対して、出力ポート部３２において、バッファメモリ３２１は、スイッチファブリック２３から転送されてきた信号（フレーム）を記憶（バッファ）するもので、本例では、制御部３２２の制御によって、フレームの優先度別のキュー（以下、優先度キューともいう）に受信データが順次記憶されてゆくようになっている。
制御部３２２は、このバッファメモリ３２１に対するフレームの書き込み及び読み出しを制御するもので、本例では、スイッチファブリック２３から転送されてきた信号の優先度を判定し、その優先度別にフレームをバッファメモリ３２１（優先度キュー）に書き込むとともに、優先度の高いキューから順次読み出して送信器３２３へ入力させるようになっている。加えて、本例の制御部３２２は、前記リアルタイム通信制御を実現すべく、以下に示す機能をさらに具備している。

(1)入力ポート部３１における制御部３１３（転送手段３１３ａ）から転送されてきた信号の優先度を判定する優先度判定手段３２２ａとしての機能
(2)この優先度判別手段３２２ａにて、優先度の高い信号が入力されたと判定された場合は、これより低い優先度の信号の送信中であっても、その送信を中断して、前記優先度の高い信号の送信を、送信器３２３を通じて優先的に行なう優先送信手段３２２ｂとしての機能
送信器（送信部）３２３は、バッファメモリ３２１（優先度キュー）から読み出された信号を物理層処理部２１に送信するものである。

なお、入力ポート部３１の制御部３１３と出力ポート部３２の制御部３２２とは各ポート部３１，３２のいずれか一方において、あるいは、外部において、単一の制御部として共用化されていてもよい。つまり、上述した入力ポート部３１は、優先度の異なる複数の信号を受信する受信手段として機能し、出力ポート部３２は、この受信手段としての入力ポート部３１で受信した信号をバッファして前記優先度に従って送信する送信手段として機能し、制御部３１３及び３２２は、受信手段としての入力ポート部３１で受信された信号の優先度が送信手段としての出力ポート部３２による送信中の信号の優先度よりも高いと、当該送信中の信号フレームに割り込んで前記優先度の高い信号を送信手段としての出力ポート部３２から優先的に送信させる制御手段として機能しさえすれば、前記リアルタイム通信制御を実現することが可能となる。

ところで、前記優先度の指定方法は、例えば、IEEE 802.1Qで規定されているVLAN (Virtual LAN)の方式（例えば、Rich Seifert、「LAN スイッチング徹底解説」、日経BP社、2001.参照）に準じた方法で次のようにして行なうことができる。
即ち、図５（Ａ）に示すような受信フレーム（通常のイーサネットフレーム）に含まれる情報（始点・終点のＭＡＣアドレス、ＩＰアドレス、ポート番号、フレーム長、アプリケーションごとに定められた位置に格納された情報など）に基づき、予め決められたルールによって優先度（あるいは優先度算出の基礎となる何らかの情報）を決定する（例えば、ホストＡからホストＢの１２３４５番ポートへの通信は優先度３とする、など）。そして、図５（Ｂ）に示すように、決定した優先度情報をフレーム付加情報（プリエンプションタグ）として例えば８バイトのプリアンブル＋ＳＦＤ（Start Frame Delimiter）部分の後に付加（挿入）する（このフレームをリアルタイムフレームと称する）。なお、この付加（挿入）機能は、例えば図４（Ａ）に示す制御部３１３に装備することができる。

したがって、既にプリエンプションタグが付加されたフレームを受信したリアルタイムスイッチ２ａは、優先度を再計算する必要がない。これに対し、リアルタイムスイッチ２ａが非リアルタイム機器からフレームを受け取った場合には、そのフレームにはプリエンプションタグは付加されていないので、上述のごとくプリエンプションタグを付加することになる。また、非リアルタイム機器にフレームを送る場合には、プリエンプションタグはあってはならないので除去することになる。この除去機能は、例えば図４（Ｂ）に示す制御部３２２に装備することができる。

なお、優先度を決定するためのルールは、例えば、遠隔管理機構や、設定専用のプロトコルによってリアルタイムスイッチ２ａに通知することで設定可能である。また、厳格なスケジューリングを行なう場合（即ち、常に高優先度のキューからフレーム送出を行なう場合）、過去に中断されたフレームを特定するためには優先度のみで十分なので、プリエンプションタグには少なくとも優先度情報が含まれていればフレーム送信（転送）の中断、再開を実現可能である。ただし、スケジューリング方法によっては、優先度だけでは特定ができない場合があるが、その場合には、優先度情報のほかに、中断中のフレームを特定するための識別子を格納する領域をプリエンプションタグ内に用意しておけば対応可能である。

また、ネットワークスイッチ２の接続相手の判定（確認）方法（接続相手がリアルタイムスイッチ２ａか非ネットワーク機器かを確認する方法）については、最も単純な方法として、ディップスイッチや遠隔管理機構などを使って手動で切り替える方法がある。また、IEEE 802.3, Clause 28で定められた自動ネゴシエーション機構（例えば、下記参考文献１，２，３参照）を利用する方法もある。

参考文献１：IEEE Computer Society，“Physical Layer link signaling for 10 Mb/s, 100 Mb/s, and 1000 Mb/s Auto-Negotiation on twisted pair, in Carrier sense multiple access with collision detection (CSMA/CD) access method and physical layer specifications”，IEEE 802.3，2002.
参考文献２：Bill Bunch，“An Introduction to Auto-Negotiation”，National Semiconductor Application Note，No. 986，1995.
参考文献３：Robert Breyer，Sean Riley、「高速 Ethernet の理論と実装」、アスキー、2001.
この機構では、６２．５マイクロ秒周期の３３本のパルス列（ＦＬＰバースト）を互いに送りあうことで、対応（サポート）している機能を通信相手にアナウンスする。この３３本のパルス列で１５ビットの情報を通信相手に伝えることができるが、その１５ビット目は「Next Page (NP)」と呼ばれ、機能拡張に用いられることが意図されている。接続両端がどちらもＮＰを有効としていれば、さらに次の３３本のパルス列を送り合い、拡張情報を交換できるようになっている（その１５ビット目もやはりＮＰビットであり、以降、同様に拡張可能)。

この拡張仕様を利用して、本例のリアルタイム通信機構をサポートしていることを接続両端同士で確認し合うことが可能となる。この機能についても、例えば図４（Ａ）に示す受信器３１１や制御部３１３、図４（Ｂ）に示す送信器３２３や制御部３２２に装備することができる。
以下、上述のごとく構成された本実施形態のイーサネット１におけるネットワークスイッチ２（リアルタイムスイッチ２ａ）の動作について、図６及び図７に示すフローチャートを参照しながら詳述する。ただし、以下では、着目するリアルタイムスイッチ２ａの入出力側に隣接して接続されたネットワークスイッチ２もリアルタイムスイッチ２ａである（前記自動ネゴシエーション機構等によって通信相手が確認済みである）ことを前提とする。

まず、リアルタイムスイッチ２ａの入力ポート部３１では、図６に示すように、物理層処理部２１から受信したフレームの先頭から順にプリアンブル、ＳＦＤ、プリエンプションタグを受信し（ステップＳ１及びＳ２）、制御部３１３（中断判定手段３１３ｂ）が、プリエンプションタグ（他のリアルタイムスイッチ２ａの出力ポート部３２で付加されたもの）の内容から当該フレームが以前に中断されたフレームか否かを判定する（ステップＳ３）。

その結果、以前中断されたフレーム（以下、中断フレームと称する）であった場合（ステップＳ３でｙｅｓの場合）、制御部３１３（記憶制御手段３１３ｃ）は、中断フレームの続きからバッファメモリ３１２に対する書き込み準備を行なう（ステップＳ４）。これに対して、受信フレームが中断フレームでない場合（ステップＳ３でｎｏの場合）、制御部３１３（記憶制御手段３１３ｃ）は、バッファメモリ３１２に対して新たに領域を割り当てて、書き込み準備を行なう（ステップＳ５）。

これにより、受信信号が以前にフレーム途中で中断された信号でない場合は、バッファメモリ３１２に新たな領域を割り当てて記憶するとともに、受信信号がフレーム途中で中断された信号である場合は、バッファメモリ３１２に中断された信号が既に記憶されている領域に続けて記憶することができる。したがって、中断前後の信号のそれぞれのために別途記憶領域を確保しておく必要がなく、また、中断前後の信号の記憶管理も容易になる。

さて、上記書き込み準備の間、受信器３１１では、物理層処理部２１から信号をニブル単位（１ニブル＝４ビット）で入力信号が継続する限り（ステップＳ７でｎｏと判定されるまで）受信処理し（ステップＳ６、ステップＳ７のｙｅｓルート）、信号受信が途切れた時点で、１フレームの受信が完了したかをチェックする（ステップＳ７のｎｏルートからステップＳ８）。その結果、１フレームの受信が完了していなければ、上記ステップＳ１以降の処理が実施され（ステップＳ８のｎｏルート）、そうでなければ（１フレームの受信が完了すれば）、制御部３１３が、出力ポート部３１を選択して、バッファメモリ３１２からその対応する優先度キュー（バッファメモリ３２１）へ信号を逐次的にスイッチファブリック２３を介して転送し（ステップＳ８のｙｅｓルートからステップＳ９）、その後、バッファメモリ３１２における転送済み信号の記憶領域を開放する（ステップＳ１０）。

一方、出力ポート部３２では、図７に示すように、制御部３２２によって、上述のごとくスイッチファブリック２３を介して入力ポート部３１から転送されてきた信号の優先度を判定して、その優先度に対応する優先度キュー（バッファメモリ３２１）に当該信号を記憶させるとともに、空きでない優先度キューが存在するか否かを監視し（ステップＳ１１のｎｏルート）、空きでない優先度キューが存在すれば、その中で最も優先度の高いキューの先頭から信号を読み出し（ステップＳ１１のｙｅｓルートからステップＳ１２）、送信器３２３へ転送する。

送信器３２３では、上述のごとく優先度キューから読み出された信号に対して「プリアンブル＋ＳＦＤ」及びプリエンプションタグを付加してリアルタイムフレームを生成、送信する（ステップＳ１３，Ｓ１４）。
このとき、制御部３２２は、優先判定手段３２２ｂによって、送信器３２３から現在送信中のフレームよりも高優先度の信号がスイッチファブリック２３から受信されたか否かを監視しており（ステップＳ１５）、高優先度の信号が受信されたと判定すると、優先送信手段３２２ｃによって、送信器３２３から現在送信中のフレームの送信を終了（中断）し（ステップＳ１５のｙｅｓルートからステップＳ１６）、（必要であれば）フレームギャップ（Inter-Frame Gap）時間分だけ待機した後（ステップＳ１７）、ステップＳ１１に戻る。ここで改めて最高優先度のキューが選択され送信が開始されるため、高優先度フレームを常に優先させることができる。なお、前記フレームギャップ時間とは、イーサネットの規格上、フレーム終了から次のフレーム開始まで開けなければならないとされている時間を意味する。

一方、高優先度の信号が受信されてない場合は、高優先度の信号が受信されない限り（ステップＳ１５でｙｅｓと判定されない限り）、送信器３２３から現在送信中のフレームの送信が完了するまで（ステップＳ１９でｙｅｓと判定されるまで）、送信（ニブル送信）を継続し（ステップＳ１９のｎｏルート）、１フレームの送信が完了すれば（ステップＳ１９でｙｅｓと判定されれば）、制御部３２２は、対応する優先度キューの先頭信号を除去し（ステップＳ２０）、送信を完了する（ステップＳ１６）。その後、（必要であれば）フレームギャップ時間分だけ待機した後（ステップＳ１７）、ステップＳ１１に戻る。なお、中断されたフレームについての未送信部分の送信の再開タイミングは、優先度の高いフレームの送信が完了した直後になる場合もあるし、それ以後になる場合もあり、また、場合によっては破棄されることもある。

以上のように、本実施形態のリアルタイムスイッチ２ａによれば、受信信号の優先度が送信中の信号の優先度よりも高いと、当該送信中の優先度の低い信号（フレーム）の送信を中断し当該信号に割り込んで前記優先度の高い信号を優先的に送信（転送）することができるので、フレーム単位よりも細粒度な単位での優先制御（送信順序制御）を実現でき、例えば、室内、建物内等の範囲のＬＡＮ環境において、ロボット制御等に必要とされるミリ秒オーダのリアルタイム性を実現することが可能となる。

また、データリンク層（ＭＡＣ層）にてフレームの中断、再開を許すようにし、物理層を既存のものと互換としているため、ネットワークスイッチ２のみをリアルタイムスイッチ２ａに置き換えることで、通常のネットワークトラフィックと上記ミリ秒オーダのリアルタイムトラフィックが共存可能なネットワーク１へ、既存ネットワークからシームレスに移行可能である。即ち、既設の配線（ケーブル）をそのまま使用することができ（敷設しなおす必要がなく）、また、物理層のハードウェアをそのまま使用することができる（開発しなおす必要がない）。

さらに、本例のリアルタイムスイッチ２ａでは、各入力ポート部３１、各出力ポート部３２が、既述の接続相手の判定（確認）方法により、自スイッチ２ａの接続相手を認識して、既存動作（機能）と互換の動作（機能）をサポートすることが可能なので、エンドホストのＯＳやハードウェアの改変を不要にすることもできる。
また、エンドホストのＯＳやハードウェアに特定の技術を仮定しないということでもあるから、前記非特許文献３，４で提案されているようなエンドホスト内での処理時間を解決する既存技術については自由に組み合わせて利用することが可能となり、これにより、さらなるリアルタイム性の向上を図ることが可能である。

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施できることはいうまでもない。
例えば、上述した例では、本発明が適用されるネットワークとして、イーサネットを例にしたが、フレーム形式で信号の送受を行なうネットワークであれば上述した実施形態と同様に適用され、上記と同様の作用効果を得ることが可能である。

また、上述した例では、物理層処理部２１が、100BASE-TX準拠であることを前提にしているが、勿論、これに限定されず、10BASE-Tや100BASE-T、光インタフェース等の他の物理層に準拠した処理部として構成されていてもよい。

以上詳述したように、本発明によれば、ネットワークスイッチを本発明のスイッチに交換するだけで、送信中の優先度の低い信号の送信を中断し当該信号に割り込んで前記優先度の高い信号を優先的に送信（転送）することが可能となるので、従来よりも、既存ネットワークとの互換性を保ちつつ、優先度の高い信号の転送遅延を大幅に抑制することが可能となり、ミリ秒オーダのリアルタイム性の高い、既存ネットワーク互換のリアルタイム通信ネットワークを低コストで構築、実現することができる。したがって、リアルタイム性の要求される通信技術分野において極めて有用と考えられる。

本発明の一実施形態に係る通信ネットワークとしてのイーサネットの構成を示す図である。 本発明の一実施形態に係るネットワークスイッチによる優先制御を従来技術と比較して説明するためのタイムチャートで、（Ａ）は優先制御を行なわないスイッチの動作、（Ｂ）は優先制御を行なう既存のスイッチの動作、（Ｃ）は本発明の優先制御を行なうスイッチの動作をそれぞれ示すタイムチャートである。 本発明の一実施形態に係るネットワークスイッチの構成を示すブロック図である。 （Ａ）は図３に示すネットワークスイッチの入力ポート部の要部構成を示すブロック図、（Ｂ）は当該ネットワークスイッチの出力ポート部の要部構成を示すブロック図、（Ｃ）は当該ネットワークスイッチの入力ポート部と出力ポート部との接続関係を示すブロック図である。 （Ａ）は通常のイーサネットフレームのフォーマットを示す図、（Ｂ）は本発明の一実施形態に係るリアルタイムフレームのフォーマットを示す図である。 図３に示すネットワークスイッチの入力ポート部の動作を説明するためのフローチャートである。 図３に示すネットワークスイッチの出力ポート部の動作を説明するためのフローチャートである。

符号の説明

１ イーサネット（通信ネットワーク）
２ ネットワークスイッチ
２ａ リアルタイムスイッチ
２ｂ イーサネットスイッチ（非リアルタイムスイッチ）
３ 非リアルタイムホスト
４ 作業機械
５ センサ
６ 他の通信ネットワーク
２１ 物理層処理部
２２ データリンク層処理部（リアルタイムＭＡＣ処理部）
２３ スイッチファブリック
２４ ＭＡＣアドレス検索テーブル
３１ 入力ポート部
３１１ 受信器（受信部）
３１２ バッファメモリ（記憶部）
３１３ 制御部
３１３ａ 転送手段
３１３ｂ 中断判定手段
３１３ｃ 記憶制御手段
３２ 出力ポート部
３２１ バッファメモリ（記憶部）
３２２ 制御部
３２２ａ 優先度判定手段
３２２ｂ 優先送信手段
３２３ 送信器（送信部）

Claims (5)

1. 優先度の異なる複数の信号をフレーム形式で伝送しうる通信ネットワークに使用されるネットワークスイッチであって、
   上記の優先度の異なる複数の信号を受信する受信手段と、
   該受信手段で受信した信号をバッファして前記優先度に従って送信する送信手段と、
   該受信手段で受信された信号の優先度が該送信手段による送信中の信号の優先度よりも高いと、当該送信中の信号フレームに割り込んで前記優先度の高い信号を該送信手段から優先的に送信させる制御手段とをそなえたことを特徴とする、ネットワークスイッチ。
2. 優先度の異なる複数の信号をフレーム形式で伝送しうる通信ネットワークに使用されるネットワークスイッチであって、
   入力ポート部と、
   該入力ポート部に接続された出力ポート部とを有し、
   該入力ポート部が、
   上記の優先度の異なる複数の信号を受信する受信部と、
   該受信部で受信された信号を優先度別に該出力ポート部に転送する転送手段とをそなえ、
   該出力ポート部が、
   送信部と、
   上記の入力ポート部における転送手段から転送されてきた信号の優先度を判定する優先度判定手段と、
   該優先度判別手段にて、優先度の高い信号が入力されたと判定された場合は、これより低い優先度の信号の送信中であっても、その送信を中断して、上記優先度の高い信号の送信を該送信部を通じて優先的に行なう優先送信手段とを備えて構成されたことを特徴とする、ネットワークスイッチ。
3. 該入力ポート部が、
   上記の優先度の異なる複数の信号を記憶する記憶部と、
   該受信部で受信された信号がフレーム途中で中断された信号かどうかを判定する中断判定手段と、
   該中断判定手段で、該受信部で受信された信号がフレーム途中で中断された信号でないと判定された場合は、該記憶部に新たな領域を割り当てて記憶するとともに、該中断判定手段で、該受信部で受信された信号がフレーム途中で中断された信号であると判定された場合は、該記憶部に該中断された信号が既に記憶されている領域に続けて記憶する記憶制御手段とをそなえて構成されたことを特徴とする、請求項２記載のネットワークスイッチ。
4. 優先度の異なる複数の信号をフレーム形式で伝送しうるネットワークに使用されるネットワークスイッチであって、
   入力側物理層処理部と、
   出力側物理層処理部と、
   該入力側物理層処理部に接続された入力側データリンク層処理部と、
   該出力側物理層処理部に接続されるとともに該入力側データリンク層処理部に接続された出力側データリンク層処理部とを有し、
   該入力側データリンク層処理部が、
   上記の優先度の異なる複数の信号を受信する受信部と、
   該受信部で受信された信号を優先度別に該出力側データリンク層処理部に転送する転送手段と、
   上記の優先度の異なる複数の信号を記憶する記憶部と、
   該受信部で受信された信号がフレーム途中で中断された信号かどうかを判定する中断判定手段と、
   該中断判定手段で、該受信部で受信された信号がフレーム途中で中断された信号でないと判定された場合は、該記憶部に新たな領域を割り当てて記憶するとともに、該中断判定手段で、該受信部で受信された信号がフレーム途中で中断された信号であると判定された場合は、該記憶部に該中断された信号が既に記憶されている領域に続けて記憶する記憶制御手段とをそなえ、
   該該出力側データリンク層処理部が、
   送信部と、
   上記の出力側データリンク層処理部における転送手段から転送されてきた信号の優先度を判定する優先度判定手段と、
   該優先度判別手段にて、優先度の高い信号が入力されたと判定された場合は、これより低い優先度の信号の送信中であっても、その送信を中断して、上記優先度の高い信号の送信を該送信部を通じて優先的に行なう優先送信手段とを備えて構成されたことを特徴とする、ネットワークスイッチ。
5. 少なくとも対向する１対のネットワークスイッチを有し、これらのネットワークスイッチを通じて、優先度の異なる複数の信号をフレーム形式で伝送しうる通信ネットワークであって、
   上記の各ネットワークスイッチが、
   入力ポート部と、
   該入力ポート部に接続された出力ポート部とを有し、
   該入力ポート部が、
   上記の優先度の異なる複数の信号を受信する受信部と、
   該受信部で受信された信号を優先度別に該出力ポート部に転送する転送手段と、
   上記の優先度の異なる複数の信号を記憶する記憶部と、
   該受信部で受信された信号がフレーム途中で中断された信号かどうかを判定する中断判定手段と、
   該中断判定手段で、該受信部で受信された信号がフレーム途中で中断された信号でないと判定された場合は、該記憶部に新たな領域を割り当てて記憶するとともに、該中断判定手段で、該受信部で受信された信号がフレーム途中で中断された信号であると判定された場合は、該記憶部に該中断された信号が既に記憶されている領域に続けて記憶する記憶制御手段とをそなえ、
   該出力ポート部が、
   送信部と、
   上記の入力ポート部における転送手段から転送されてきた信号の優先度を判定する優先度判定手段と、
   該優先度判別手段にて、優先度の高い信号が入力されたと判定された場合は、これより低い優先度の信号の送信中であっても、その送信を中断して、上記優先度の高い信号の送信を該送信部を通じて優先的に行なう優先送信手段とをそなえて構成されたことを特徴とする、通信ネットワーク。

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