JP2008072708A - フォルト・トレラント電子通信ネットワーク - Google Patents

Abstract

【課題】ネットワーク成分に障害が発生した時に急速に動作してその障害を修正する実時間の工業制御に適したフォルト・トレランス ネットワークを提供する。
【解決手段】同じネットワーク アドレスを有し、交互に活性化される２つのポートを設けられた特別のインタフェイスを用いて形成されたフォルト・トレランス機能を有するイサーネットであり、これら２つのポートをスイッチングし、他の末端デバイスの再構成を時間を消費しないでまた末端デバイス内に複雑なミドルウェアを必要としないで２通りの冗長システム内の単一の障害を修正することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、一般にフォルト・トレラント機能を有する電子通信ネットワークに関し、特に、ネットワーク成分に障害が発生した時に急速に動作してその障害を修正する実時間の工業制御に適したフォルト・トレランスネットワークに関するものである。

工業的制御器機は、設備、機械及びプロセスを実時間で高度な信頼性を持って制御する特別の目的を有するコンピュータである。代表的には、工業的制御機器は、入／出力（Ｉ／Ｏ）回路のセットを通してその工業的制御機器に接続されたセンサを介して機械又はプロセスから入力を読み出す蓄積されたプログラムを実行する。これらの入力に基づいて、工業的制御機器は作動子等を介して機構あるいはプロセスを制御する出力信号を発生する。

たまたま、工業的制御機器の成分が工場から分配され、特別のプロトコルで特別の通信ネットワークを超える通信が行われて高速動作（実時間制御以上）が行われ、データが確実にしかも予想通りに送信される。

望ましくは、工業的制御機器の構成要素は、例えば共通に利用できるイサーネット ネットワーク成分のネットワーク成分を用いて相互に連絡させて使用することができる。かかる可能性はネットワークの構築コスト及び保守の消滅を実現することができるばかりか、ある場合にはネットワークの基本設備の存在を許すこととなる。加えるに、イサーネットの如き、共通のネットワークを用いることの可能性は、この工業的制御機器の外部の装置あるいは直接この制御プログラムに直接的に含まれない装置との通信を一層容易にするであろう。

イサーネット及び同様の標準ネットワークの採用する１つの障害はこれらのネットワークはフォルト・トレラント機能を備えていないことである。即ち、１つのネットワーク成分の小さな故障は信頼性が厳しい工業的制御機器に対して許容できない障害を惹起することとなる。

イサーネット及び同様のネットワークのフォルト・トレランス機能を助長するいくつかの従来技術が代案されている。第１の従来例は位相を用いたものであり、そこには各末端デバイス（ノード）は他のノードに成分と通信メディア例えばスイッチの如きもので相互に接続されてリング状に接続されている。リング ネットワークの動作は特別のソフトウェアを有するリング マネージャ デバイスにより制御される。１つの成分又はメディアの故障はリング内のすべてのノード間に第２のパスを形成する。この第２のパスはリング マネージャ デバイスの通常の動作モードによって封鎖される。ネットワークの故障が検出されると、リング管理装置が第２のパスを使用するネットワークを再形成する。このようなシステムは、ネットワークの障害修正を１００ミリ秒〜５００ミリ秒のオーダーで達成することを与えている。例えばメディアの２部分の故障のような多数の障害は調整することはできない。

第２の従来技術は、２つのあるいはもっと多くの違ったネットワークの１つにノードの接続を制御するソフトウェア“ミドルウェア”を有する各ノードを備えている。構成成分の故障あるいはメディアの故障に際しては、上記ミドルウェアはメッセージを送信及び受信する局部ネットワーク インタフェイスを新しいイサーネット アドレスを用いたバック−アップ ネットワークに変更する。そのミドルウェアはこの変更されて最新のものとされたアドレスを有する他のノードのミドルウェアと通信する。この従来例は多数の故障に耐え得るが、ネットワークの再生に３０秒も必要とする。この従来例の更なる問題は、（最初に１つを使用し、バックアップに１つを用いる）というように多くのネットワークを必要とすることである。これらのネットワークは維持するのが難しく、しかも構成及び動作に不可避の差異を有している。

第３の従来技術は、２つあるいはそれ以上の冗長なネットワーク基本構造を有する単一のネットワークであり、それらの基本構造には多数のポートを有する各デバイスが用いられ、各ポートはネットワークの冗長な基本構造に接続されている。各デバイスのミドルウェアは多数の基本構造を通してネットワーク内の他のすべてのデバイスに交互のパスを設けている。各デバイスのミドルウェアは各交互のパス上に周期的に特徴的なメッセージを送り、すべての他のデバイスにミドルウェアで各パスのための階級情報を連続的に変更する。申請レベル メッセージが送られる必要がある時には、根源のデバイスのミドルウェアが機能しているパスを拾い上げ、作動しているパスの状態情報に基づいているデバイスに目標を定める。パス上にネットワーク障害が発生した場合には、デバイスのミドルウェアはそのパス上の他のデバイスから特徴的なメッセージを受領することはなくあるいは交互のパスを通して他のデバイスから受領したパス状態情報を通してそれを検出することができる。パス障害を検出する時にそのパスの状態情報が新しいものとされるが、そのパスは従来通信に使用することはない。このような検出及び再生は通常１秒以下で行われる。

ネットワーク障害が発生した時には各ノードの再生を計ることが必要であり、基本的にはネットワークの障害を修正するのに速度の制限がある。即ち、障害を検出するのに複雑なソフトウェア（ミドルウェア）を必要とすること及び同等のアドレス又はパスの状態を変更すること、及びネットワーク上の他のノードと通信するのに必要とする時間が要求される。

本発明は一般的には、同じネットワーク アドレスを有する２つのネットワーク接続体を備えた各末端ノードを供給することにより他の末端ノードを再構成する必要を除去することにある。１つあるいは他のネットワーク接続体は検出された障害に応じてネットワーク カード内のハードウェアによって活性化される。このアドレスの変更のために必要であったハードウェアのスイッチング及び除去は障害検出及び再構成の速度は非常に大きなネットワークに対してさえも１ミリ秒よりも小さい。

ネットワークの障害は局部障害の場合にはＩＥＥＥ８０２．３の標準メカニズムを用いて検出されるが、遠隔ネットワーク上の障害はネットワーク上に配置された特別のビーコンを用いてそのビーコン パケットの喪失により検出される。いずれのタイプの障害もハードウェアによって容易に検出することができる。

複数のノードが接続された単一のネットワークは各ノード間に複数のパスが形成されている。好ましくは高い信頼性を持って内部で接続された少なくとも２つの中枢軸スイッチが設けられ、それに各末端ノードが直接的にあるいは間接的に接続されている。

特に、本発明はフォルト・トレラント機能を有するイサーネット ネットワークの末端デバイスを創造するためのシステムを提供するものであり、各末端デバイスは複数のネットワーク スイッチング及びネットワーク メディアにより接続されている。このシステムは各末端デバイスに関連したイサーネット通信回路を含み、末端デバイスのホスト マイクロプロセッサ及び共通のイサーネット アドレスを有する少なくとも２つのポートと通信することができ、違ったネットワーク メディアと接続することもできる。通信回路は第１のポートに障害を受けたときに末端デバイスを第２のポートに切換えることができる。

しかして、本発明による少なくとも一実施例の一目的は、ノード アドレスを再構成する必要もなく、しかも第１に高速ハードウェアを有して成就することができるきわめて高速に障害修正を可能としたシステムを提供することにある。

イサーネット通信回路は第１のポートと通信しているネットワーク スイッチングでイサーネット通信の障害を検出することにより第１のポートに影響する障害を検出することができる。

本発明に係る少なくとも一実施例に基づく目的は、ＩＥＥＥ８０２．３標準により与えられたメカニズムを用いて単一の局部障害を検出するシステムを提供することにある。

本発明に係るシステムは、ネットワーク メディアを通して第１及び第２のポートにビーコン パケットを送信する１つ又はそれ以上のビーコンを含み、イサーネット通信回路は、予め規定された休止期間以内にそれぞれのポートが何のビーコンの到来も検出しないより第１又は第２のポートに影響する生涯を検出することができる。

しかして本発明の少なくとも一実施例の目的は、与えられた末端デバイスからの遠隔障害を包括的に検出することを可能としたシステムを提供することにある。

ビーコン パケットは周期的な割合で転送され、上記予め規定された休止期間に周期律が代表的に２倍よりももっとわずか減少される。

従って、本発明の少なくとも一実施例による目的は、不正な障害検出を除いてネットワークの信号伝播速度によってのみ制限された極めて高速の障害検出を達成するためのシステムを提供することにある。

イサーネット通信回路は、ネットワーク メディアを介して他のイサーネット通信回路にビーコン パケットを転送するためにユーザにより選択的に活性化されるビーコンを組み込むことができる。

しかして、本発明の少なくとも一実施例による他の目的は、単一の特殊化された回路カードを用いて構成でき、全ての他の特徴に標準のイサーネット ハードウェアを摘要することができるフォルト・トレラント システムを提供することにある。

ビーコンはＩＥＥＥ８０２．３の基に最高の優先順位で転送される。

かくして、本発明による少なくとも一実施例の目的は、障害の検出を極めて高速に達成するイサーネットの優先度の構成に協力することにある。

イサーネット通信回路は、通信回路がポート間を開閉して中間のスイッチが学習しているプロトコルを使用して学習を増進させる時にパケットを他のイサーネット通信回路に放送することができる。

しかして、本発明の少なくとも一実施例の目的は、障害が発生した際に中間のスイッチ等が信号を適切にルーティングすることを再学習するのを許可することにある。

イサーネット通信回路はポート間をスイッチングする奉納された回路を雇用することができる。

しかして、本発明による少なくとも一実施例の目的は、複雑なソフトウェア、ミドルウェアの必要性を除去し、改良されたスイッチング速度を提供することにある。

イサーネット通信回路は、上位レベルのスイッチを指示された少なくとも２つのスイッチを有するネットワーク上で使用され、フォルト−トレラント中枢軸を経由した各他のものと通信することができる。各末端デバイスは直接あるいは間接的に１つのポートを介して第１の上位レベルのスイッチと、及び第２のポートを介して第２の上位レベルのスイッチとそれぞれ通信することができる。

かくして、本発明による少なくとも一実施例の目的は、フォルト−トレランス機能を許可する単一のネットワークにおける単一の学理を提供することにある。

上位レベルのスイッチは、ＩＥＥＥ８０２．３リンクのために集合能力を提供することができる。

かくして、本発明による少なくとも一実施例の目的は、標準的イサーネット プロトコル及びハードウェアを用いて単一のネットワークに信頼性の高い論理的冗長性を提供することにある。

これらの特別の目的及び利点は、本願特許請求の範囲内に入るに若干の実施例のみに適用されるが、これによって本発明の範囲が限定されるものではない。

工業的制御システム
図１を参照するに、工業的制御機器１０は多数の末端デバイス１２ａ〜１２ｅを含み、この各末端デバイスは独立したネットワーク メディア１８を通してそれぞれ違ったスイッチ１６ａ及び１６ｂと通信するイサーネット インタフェイス回路２０（図１に示していない）を介して接続された２つの連結部１４ａ及び１４ｂを有している。

スイッチ１６ａ、１６ｂ、ネットワーク メディア１８、及びイサーネット インタフェイス回路２０は、共に以下に示す如く、フォルト・トレラント ネットワーク１１を供給している。

末端デバイス１２ａ〜１２ｃは、プログラム可能な論理制御器（末端デバイス１２ａ）、人関機械インタフェイス（末端デバイス１２ｂ）、標準のパーソナル コンピュータ（末端デバイス１２ｃ）、モータ制御器（末端デバイス１２ｄ）及び入力／出力ラック（末端デバイス１２ｅ）の如き任意の工業的制御機器により構成することができる。

各スイッチ１６ａ及び１６ｂはこの技術分野で周知の標準的イサーネット スイッチにより構成することができる。これらのスイッチ１６がイサーネット マルチキャスト アドレスをのぞき見してフィルタするＩＧＭＰを有することができるまで、これらのスイッチが本発明に従ってもっと急速に動作するまでこの特徴を活性化しないでおくことが望ましく各スイッチがイサーネットのユニキャスト アドレスを学習してフィルタするまで、望ましくは各スイッチがアドレスを学習する間形成される老化メカニズムを供給することができるが、これは必要ではない。

ネットワーク メディア１８は、例えば、電気ケーブル、オプテカル ファイバあるいは無線の送信／受信対等によって形成することができる。

フォルト・トレラント インタフェイス回路
次に図２を参照するに、上述した如く、各末端デバイス１２はネットワーク１１の架に２つの接続体１４ａ、１４ｂを供給するイサーネット インタフェイス回路２０を含んでいる。接続体１４ａ、１４ｂはネットワーク メディア１８に接続されたコネクタ２４ａ及び２４ｂにそれぞれ受け入れられる２つの標準の物理的ポート２２ａ及び２２ｂによって実現される。

これらの物理的ポート２２ａ、２２ｂは、例えば、Ａ ｆｉｅｌｄ ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｇａｔｅ ａｒｒａｙ（ＦＰＧＡ）及び／又はａｎ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ−ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ（ＡＳＩＣ）を用いて１つあるいは他のポート２２ａ及び２２ｂホスト マイクロプロセッサ２８との間で通信を行うようなハードウェア スイッチング回路２６に接続されている。この際注意すべき点は、スイッチング回路２６はマルチライン ポートセレクタ３２を含んでおり、このポート セレクタ３２の状態に依存してポート２２ａ又はポート２２ｂからのホスト マイクロプロセッサ２８へのデータの流れが切り換えられる。スイッチング回路２６の一部である論理回路３４は器機が一般に障害を検出してポート２２ａと２２ｂとの間スイッチングした状態に応じてポート セレクタ３２を制御する。任意に与えられた時刻において、ポート セレクタ３２がただ１つのポート２２ａのみ附勢し、他のポート２２ｂが滅勢するすべての通信は附勢されたポート２２を通してのみ行われる。

ホスト マイクロプロセッサ２８は末端デバイスの特殊な特徴を実行するプログラムを代表的に遂行する。重要なことに、ホスト マイクロプロセッサ２８はａ ｓｉｎｇｌｅ ｍｅｄｉａ−ａｃｃｅｓｓ ｃｏｎｔｒｏｌ ｌａｙｅｒ（ＭＡＣ）ネットワーク アドレス３０を有しており、そのアドレスはポート２２ａ、２２ｂが交互に附勢される時にその１つが単独で附勢されることにより用いられる。

本発明の好ましい実施例において、ホスト マイクロプロセッサ２８は、障害あるいは他の重要なネットワークの事件が惹起された際の論理回路３４がホスト マイクロプロセッサ２８を遮断するように作用した後にポート２２ａ及び２２ｂ間のスイッチを開閉するように論理回路３４に権限を与える。ホスト マイクロプロセッサ２８によるスイッチング動作の委任は小さいコードの遂行を必要とし、それによってホスト マイクロプロセッサ２８は１０ミリ秒より小さい遅延でそのポートを再構成することができる。この短いスイッチング時間の間、若干のパケットが消失されるが、より高度なレベル ネットワーク プロトコルが正しく機能してこれらの失われたパケットを他のネットワークのエラーにより失われたパケットのように正確に処理する。これとは違って、この遅延時間に重複されたパケットが到着した場合には、若し少ない重複したパケットであれば、高度なレベル ネットワーク プロトコルによってそれらは検出することができる。

引き続いて図２を参照するに、論理回路３４は障害がイサーネット インタフェイス回路２０の近辺の局部的ものかあるいは遠隔地で発生したものかに依存して２つの手段によってその障害を直接検出することができ、それは、少なくとも１つのスイッチ１６によりイサーネット インタフェイス回路２０から分離することができる。

遠隔地で発生した障害を検出するために、論理回路３４は叙上のポート２２ａ及び２２ｂ両方同時にビーコン パケットを受信するかあるいはポート２２ａ及び２２ｂの１つが附勢されて、そのように配列された際にビーコン パケットを送信する為の手段を用意するビーコン発生器／検出器３５を含むことが望ましい。この局面において、ビーコン パケットはデータ送信のために附勢されているか否かに拘らずポート２２ａ、２２ｂの両方で検出される。

一般に、ビーコン発生器／検出器３５はポート２２ａ又は２２ｂの活性化された１つでネットワーク内の離隔されたビーコンから予め提起された休止期間以内に到来した任意のビーコン パケットの障害を検出するが、ビーコン パケットの検出に失敗した特別のポートは障害モードと宣言される。この事件の発生により論理回路３４はホスト マイクロプロセッサ２８を遮断し、このホスト マイクロプロセッサ２８は論理回路３４に他のポート２２（これは以前に故障していなかったと仮定して）に切替えるように通知する。同様に、故障したポート２２が再び活性化した際には、ホスト マイクロプロセッサ２８によって再ストアされるが論理回路３４によって遮断される。１つ又はそれ以上のビーコンの正しい配列はかくして各イサーネット インタフェイス回路２０が遠隔地の障害を検出して与えられた通信回路２０から除去することにより許され、スイッチ１６は直接的に連結される。

論理回路３４はまたイサーネット インタフェイス回路２０とスイッチ１６間の局部障害をＩＥＥＥ８０２．３標準の機構を用いて検出することができる。これらの障害は遠隔障害と同様にホスト マイクロプロセッサ２８に通知され、ポート２２ａ及び２２ｂの切り換えをトリガーする手段として取扱われる。

ビーコン発生器／検出器３５が発生器として形成された際には前述した如く遠隔障害の検出を助長する正規の間隔でビーコン パケットの送信を供給する。ビーコン パケットはフレームを付けられたＩＥＥＥ８０２．３の優先順位を用いたネットワーク上で最速の優先度で送信され、スイッチ１６はそれを支持するように配列される。

本発明の好ましい実施例において、この発生器／検出器３５は効率上ビーコン パケットの発生及びビーコン パケットの検出の２つの機能を結合しているが、しかしながら、ビーコンの発生機能は分離した装置によって実現されていることは以下の記述から認識されるであろう。本発明の好ましい実施例に拠れば、スイッチング回路２６はＩＥＥＥ８０２．３メディア独立インタフェイス（ＭＩＩ）バスを用いたホスト マイクロプロセッサ２８に連係されている。ホスト マイクロプロセッサ２８のアドレス及びデータバスはメモリ マップされたレジスタを用いたホスト マイクロプロセッサ２８により論理回路３４の配列を許され且つ信号を遮断する伝達の便宜を与えている。スイッチング回路２６はまたマルチキャスト（同報通信）アドレスのフィルタリングの機能も供給しており、それによってスイッチ１６を見回り、フィルタリングするＩＧＭＰの機能喪失を回避してホスト マイクロプロセッサ２８がマルチキャスト トラフィックにより麻痺させられることから回避される。

フォルト−トレラント ネットワーク
次に図３を参照するに、本発明は少なくとも若干の冗長性を提供する任意のネットワーク数学を持って働き、理想的にはそのネットワークは対称的冗長性かあるいは下層面が部分的に重ならない非対称的冗長性であり、各末端デバイス１２は２つのネットワーク基本構造の違った１つにおいてスイッチ１６と直接接続された接続部１４ａ及び１４ｂの１つを有している。これら２つの基本構造は；（１）ネットワーク基本構造Ａ及び（２）ネットワーク基本構造Ｂである。スイッチ１６の多重層はネットワーク基本構造の上部レベル４０を形成する１つあるいはもう１つのスイッチ１６’及び１６″に導く各ネットワーク基本構造内にすべての接続体を有する各ネットワーク基本構造内で使用される。上部レベルスイッチ１６’及び１６″は、バックボーン４２上で相互に直接通信することができ、このバックボーン４２は、ＩＥＥＥ８０２．３ＰａｒｔＩＩＩ“Ｃａｒｒｉｅｒ ｓｅｎｓｅ ｍｕｌｔｉｐｌｅ ａｃｃｅｓｓ ｗｉｔｈ ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ（ＣＳＭＡ／ＣＤ）Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｌａｙｅｒ Ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎｓ，２００”毎に集合可能リンクを提供する２あるいはそれ以上のリンクに接続されている。リンク集合可能性に関して、通信量は２つの上位レベルスイッチ１６’及び１６″のリンクの間で分配されるが、バックボーン４２の１つのラインの事故によりその通信は阻止されることはない。かかる配列により、ネットワーク基本構造Ａ及びネットワーク基本構造Ｂは、一個の論理ネットワークを形成する。

叙上の如く、ネットワーク１１は、両方共にネットワーク基本構造Ａ及びネットワーク基本構造Ｂ内における各末端デバイス１２及びスイッチ１６間に冗長性のある接続を提供し、上位レベルのスイッチ１６’及び１６″を介してネットワーク基本構造Ａ及びＢ間に信頼性の高い高度な接続を保障している。一般に、スイッチ１６の正確な数及びレベルは必要とされる利用度に依存している。本発明は極端に大きなネットワークを構成しようと計画している。例えば、３レベルのスイッチを有し、８ローカルリンク プラス スイッチ毎に１つのアップリンクを用い、ネットワークは５００ノード以上大きく、及び２４のローカルリンク プラス スイッチ毎に１個のアップリンクを有し、１０，０００ノード以上のノードを備えたネットワークを構成することである。

本発明の好ましい実施例において、２つの末端デバイス１２’がビーコン パケット（ビーコン発生器／検出器３５を経由してくる）を供給するのに指示されており、残りの末端デバイス１２に送信されたビーコン パケットを検出するのに配置されている。ビーコン パケットを伝送する２つの末端デバイス１２’はこれらのパケットをそれらの接続体１４ａ及び１４ｂの１つから送信することが望ましく、その結果１つの末端デバイス１２’から１セットのビーコン パケット直接に上位レベルのスイッチ１６’に到達し、他の末端デバイス１２’から他のセットのビーコン パケットは直接的に上位レベルのスイッチ１６″に到着する。

叙上の如く、ビーコン端末デバイス１２’は短いビーコン パケットをネットワークに周期的に伝送している。ビーコン パケット伝送の周期性は特殊なネットワーク１１における末端デバイス１２’からもっとも遠くの末端デバイス１２へのビーコン パケットの伝送による最悪の遅延時間を与える。この周期性は各イサーネット インタフェイス回路２０にプログラムされており、その結果休止期間における測定がビーコン検出器を用いて実行されビーコン パケットの消失及びポート２２ａ又は２２ｂの障害が決定される。通常、休止期間は最悪の遅延時間の２倍よりわずかに大きいだけである。例えば、３スイッチング レベルのシステムで、上述された如く、ビーコン伝送時間が４５０マイクロ秒及び休止時間が９５０マイクロ秒であるから、わずかビーコン伝送時間の２倍である。

障害状態の例
次に図２、図４及び図１１を参照するに、ネットワーク基本構造Ａ上に接続された末端デバイス１２とスイッチ１６の間に１つの局部障害６０が発生した。この障害は末端デバイス１２及びスイッチ１６との間に接続体を形成しているメディア１８の中にあり、この接続体はメディア１８をスイッチ１６か又は末端デバイス１２又はスイッチ１６又は末端デバイス１２の個々の物理層の電気的インタフェイスに接続される。この例において、末端デバイス１２は接続体１４ａ及びポート２２ａ（第１のポート）を介してスイッチ１６に接続されるものと仮定される。

図１１に示されている如く、この障害６０は、このような局部接続障害を検出する標準のＩＥＥＥ８０２．３機構を使用して判定ブロック５０に示される如く論理回路３４により検出される。処理ブロック５２に示されている如く、障害６０の検出によりイサーネット回路２０はホスト マイクロプロセッサ２８に対して遮断信号を送る（処理ブロック５２により示されている）。判定ブロック５４において、論理回路３４は他のポート２２ｂもまた故障しているか否か決定し（これはそのポート及び上位レベルの両方のスイッチ間に障害があるかどうかを意味する）、ビーコンあるいは局部障害からビーコン パケットを受信することができなかった場合には思案する。若しそのような場合には、障害は処理ブロック５５に報告され、ネットワークは二重の障害状態の基にさらされる。

しかしながら、もっと代表的なのは、論理回路３４はもう一方のポート２２ｂは故障してはおらずイサーネット インタフェイス回路２０は処理ブロック５６により指示されているようにポート２２ｂに切り換えるように判定ブロック５４に指示するが、一方ポート２２ａは不能になっている。処理ブロック５８を成功させるために、イサーネット インタフェイス回路２０は短い伝送メッセージを送り学習させるためにスイッチングに干渉する。

この点において、ネットワークは末端デバイス１２に作用し続けるが、しかるに、接続点１６ｂとポート２２ｂの間の通信はできない。上述した如く、ポート２２ａはその障害が解消され、ポート２２ａを介しての通信は開始される。

次に図２、図５及び図１１を参照するに、第２のケースとして、障害６０がスイッチ１６及び上位レベルスイッチ１６’の間に存在し、スイッチ１６が多数の末端デバイス１２ａ〜１２ｃとの間で通信しているものとする。前述の如く、これらのデバイス１２ａ〜１２ｃのそれぞれが障害の際に接続体１４ａ及びポート２２ａを介してネットワーク１１と通信しているものと仮定する。この障害について、末端デバイス１２ａ〜１２ｃは判定ブロック５０毎に障害を直接検出することはできないが、予め告ぎ付けられた休止期間以内にビーコン パケットが到着しなかった時に判定ブロック６２毎にスイッチ１６を通して普通に通過したミスしたビーコン パケットから遠隔障害を推論することが必要である。そのように遠隔障害が検出された時には、論理回路３４は処理ブロック６４に続行させ、且つマイクロプロセッサ２８に遮断信号が送られ、それによって再び処理ブロック５４、５６及び５８毎に各末端デバイス１２ａ〜１２ｃに対してポート２２ａ、２２ｂからポートを切り換えるように作用する。

次に図２、図６及び図１１を参照するに、末端デバイス１２ａ、１２ｂ及び１２ｃに直接接続されているスイッチ１６上に発生した障害はそのスイッチングの内側であるのでＩＥＥＥ８０２．３標準機構を通して判定ブロック５０毎に局部障害として検出することはできないが、しかしながら、上述した如く判定ブロック６２毎にビーコン パケットの消失により検出することができる。論理回路３４は処理ブロック６４に対して処理を続行させるようにして遮断信号をホスト マイクロプロセッサ２８に送り、その結果再び処理ブロック５４、５６、及び５８毎にポート２２ａ〜２２ｂから各端末デバイス１２ａ〜１２ｃに対してポートの切替えが惹起される。ここで注意すべきことは、若しその障害が上位レベルのスイッチ１６’又は１６″上で発生した場合にはすべての末端デバイス１２はネットワーク基本構造Ｂに対して切替えられ、そのシステムは動作を接続するであろう。

次に図２、図７及び図１１を参照するに、障害６０がネットワークの中枢部４２に発生したとする。そのような障害はＩＥＥＥ８０２．３の標準部分で上述のリンク集合手順によって処理される。

次に、図２、図８及び図１１を参照するに、単一障害がビーコン末端デバイス１２’と中枢部の上位レベルスイッチ１６″の間に発生したとする。その障害はビーコン末端デバイス１２’及び上位レベルスイッチ１６″に極近いリンク上に位置しているために、ビーコン末端デバイス１２’は判定ブロック５０毎に即座にそれを検出することができ、スイッチ１６’通信を始められる。スイッチ１６’はスイッチ１６″を通してネットワーク基本構造Ａにビーコン信号を伝えることができる。

最後に図２、図９及び図１１に示される如く、スイッチ１６’を通信しているビーコン末端デバイス１２’がそれ自体障害を発生することがある。他のビーコン末端デバイス１２’はまだ活性化しているために、システムは何の問題もなく動作し続けるが、ビーコン パルスが、例えばビーコン末端デバイス１２’からスイッチ１６’に、次いでスイッチ１６″とネットワーク基本構造Ａに分配するために送信され続ける。

次に図１２を参照するに、叙上の記述から理解されるが本発明は総ての単一障害及び多くの単一障害６０ａ〜６０ｆ及びその結合体のすべての障害を取り扱い処理することができる。

次に図１２を参照するに、本発明は２つのネットワーク基本構造Ａ及びＢに関して明瞭に記述されたが、しかしながら、上記説明から理解される如く、本発明は数多くのネットワーク基本構造、例えば、各基本構造区分に関連した上位レベルスイッチ１６’、スイッチ１６″及び１６’ ’ ’及び３個のビーコン末端デバイス１２’を有する構造Ａ、Ｂ及びＣに拡張することができる。再びこのネットワーク１１’は各末端デバイス１２（図示せず）を有するネットワークにユニーク アドレスを持った単一のネットワークである。３つのネットワーク基本構造を備えて、本発明はすべての単一障害、すべての二重障害及び多くの単一障害及び二重障害のすべての合体された障害に対して耐性を有している。

スイッチ１６内のマルチキャストの転送がスヌーピング及びフィルタリングするＩＧＭＰにより影響されることはこの説明により理解される。従って、若し、スヌーピング及びフィルタリングするＩＧＭＰが活性化された際にはシステム内のスイッチはポート２２ａと２２ｂと変更した末端デバイスの再構成の後に虚弱な知識を有する。このことはマルチキャスト パケットが間違ったポートへ転送されることが発生し、再構成されたポートはこれらのパケットを受領することができなくなる。この理由のために、上述した如く、スヌーピング及びフィルタリングするＩＧＭＰはスイッチ１６内で不活性にされる。

ユニキャスト パケットはスイッチ１６に組み込まれるラーニング及びフィルタリングする特質によって影響を受ける。再構成（即ち、ポート２２ａからポート２２ｂへのスイッチング）の跡に、スイッチ１６は虚弱な知識を持つ。それにもかかわらず、正しく学習することを実行しているスイッチ１６は、源泉の分野でＭＡＣアドレスを学習してきたパケットがデータベースに蓄積された学習されたポートから違ったポートに到達した時にそのデータベースを最新のものとする。この理由のために、上述した如く、末端デバイス１２がそのポートを再構成した際に図１１の処理ブロック毎に短い放送メッセージを送り出す。この放送パケットは他の末端デバイスにとって興味のないものであり、消滅してしまう。

若干のスイッチ１６はまた学習されたアドレスのために熟成された形成メカニズムを提供している。この特質はまた急速な再生を促進するフォルバック メカニズムとして使用される。

以上本発明はその良好な実施例について説明されたが、本発明はここで説明された実施例及び図面により限定されるものではなく、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく多くの修正、変更等実施例の変更、結合が容易に想起されるが、それらはすべて本願特許請求の範囲内に包含されるものである。

本発明の工業用制御システムの一実施例を示すブロック構成図であり、制御システムは制御器及びイサーネット ネットワーク上のノードに接続された末端デバイスを有し、各ノードは多数のイサーネット スイッチと通信している。 図１に示された末端ノードに設けられた通信回路の一実施例を示すブロック構成図であり、多数のスイッチに接続され同じアドレスを有する２つのポートが設けられ、２つのポート間でスイッチングする回路が示されている。 本発明を使用するために構成されたイサーネット ネットワークの一実施例を示すブロック構成図であり、上位レベルの違った２つの中枢軸に夫々冗長的に設けられた複数の末端デバイスが接続されている。 ネットワーク上に単一の局部障害が発生した例を示す図３と同様の図である。 ネットワーク上に単一の遠隔障害が発生した例を示す図４と同様の図である。 スイッチング障害が発生した例を示す図５と同様の図である。 中枢軸のスイッチ間に内部接続障害が発生した例を示す図６と同様の図である。 ビーコンに影響する局部障害の例を示す図７と同様の図である。 ビーコンに発生した障害の例を示す図８と同様の図である。 複合障害が発生した例を示す図９と同様の図である。 本発明の好ましい実施例における通信回路のハードウェアで実行される如き障害状態の基に図２のネットワーク カードの動作を示すフローチャートである。 複合冗長性を提供する本発明の拡張の例を示す図１０と同様の部分図である。

符号の説明

１０ 工業的制御機器
１１ フォルト・トレラント ネットワーク
１２ａ〜１２ｅ 末端デバイス
１８ ネットワーク メディア
２０ イサーネット インタフェイス回路
２２ａ、２２ｂ 物理的ポート
２６ ハードウェア スイッチング回路
２８ ホスト マイクロプロセッサ
３２ マルチライン ポートセレクタ
３４ 論理回路
３５ ビーコン発生器／検出器

Claims (10)

1. ネットワーク スイッチ及びネットワーク メディアにより接続された末端デバイスのフォルト・トレラント イサーネットを創造するシステムであって、
   該システムは、各末端デバイスに関連して前記末端デバイスのホスト マイクロプロセッサ及び共通のイサーネット アドレスを有する少なくとも２つのポートとの間で通信し且つ違ったネットワーク メディアと接続することができるイサーネット通信回路を含み、
   該通信回路は、第１のポートに影響を与える障害が発生した時には、前記末端デバイスを第２のポートにスイッチによって接続し、それによりイサーネット アドレスを再びマップすることなく急速な障害の修正を達成することができるシステム。
2. 前記イサーネット通信回路は前記第１のポートに接続されたネットワーク スイッチでイサーネット通信の障害を検出することにより前記第１のポートに影響する障害を検出する請求項１に記載のシステム。
3. 前記イサーネット通信回路が予め規制された休止期間以内に前記第１のポートですべてのビーコン パケットが喪失したことを検出することにより前記第１のポートに影響を与える障害を検出するように、ネットワーク メディアを通して前記第１のポートに少なくとも１つのビーコン パケットを転送する手段を更に含む請求項１に記載のシステム。
4. １つのポートですべてのビーコン パケットの喪失の検出が予め規定された休止期間に行われたことは周期的な割合から推論された時にビーコン パケットは周期的割合で再転送される請求項３に記載のシステム。
5. １つのポートですべてのビーコン パケットの喪失の検出が予め規定された休止期間に行われたことは周期的な割合から推論された時にビーコン パケットは周期的割合で再転送される請求項３に記載のシステム。
6. 前記イサーネット通信回路は前記ネットワーク メディアを介して他のイサーネット通信回路にビーコン パケットを転送するようにユーザによって選択的に活性化されるビーコンを含む請求項３に記載のシステム。
7. 前記通信回路がポート間で学習を増進させるためにスイッチングする際に前記イサーネット通信回路が他のイサーネット通信回路にパケットを送信する請求項１に記載のシステム。
8. 上位レベルのスイッチと指示された少なくとも２つのスイッチがフォト−トレラント中枢軸を介して通信することができ、各末端デバイスが１つのポートを介して第１の上位レベルのスイッチと、及び第２の上位レベルのスイッチと前記第２のポートを介してそれぞれ直接あるいは間接的に通信する請求項１に記載のシステム。
9. 前記ネットワーク メディアを介してビーコン パケットを転送する少なくとも２つのビーコン転送であって、各ビーコンは直接複数の上位レベルのスイッチに接続された１つのポートで予め規定された休止期間内で何らのビーコン パケットが到達しないことにより障害が検出されることを含む請求項１に記載のシステム。
10. 次のステップ（ａ）、（ｂ）、（ｃ）を含むことを特徴とするフォルト・トレラント ネットワークの創作方法。
    （ａ）各末端デバイスのホスト マイクロプロセッサに接続された通信回路を有する一セットの末端デバイスと、同じネットワーク アドレスを有する少なくとも２つのポートとを準備する。
    （ｂ）前記末端デバイスをネットワーク スイッチ及びネットワーク メディアを介して接続し、少なくとも上位レベルのスイッチとして指示された２つのスイッチと接続し、フォルト・トレラントの中枢軸を介してお互いに通信する。その中枢軸では各末端デバイスは第１の上位レベルのスイッチと１つのポートを介して、及び第２の上位レベルのスイッチと第２のポートを介してそれぞれ直接あるいは間接的に通信する。
    （ｃ）任意の通信回路の第１のポートに影響する障害が発生した際には、その末端デバイスは第２のポートにスイッチングする。

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