JP2009004854A - 通信システム - Google Patents

Abstract

【課題】世界標準の技術、例えばＴＣＰ／ＩＰ標準ネットワークに適用することが可能であり、低価格ノードにも適用可能にした高信頼性の通信システムを提供する。
【解決手段】ＩＰネットワークに接続されて相互に通信する複数のノード１，２と、ノード１，２間に複数のケーブルと複数の中継器を介して接続される第１経路１０と、第１経路１０に併設された同等の接続形状の第２経路２０を備えた２重化経路で構成され、ノード１，２は、第１経路１０および第２経路２０に対して均等に位置する一対の中継器に接続できる一対の接続端子を備え、一対の中継器のどちら側にも送信パケットを送出可能かつどちら側の中継器からも受信パケットを受信可能であり、一対の中継器におけるそれぞれの１ポートをはしご状に相互接続した迂回路４１〜４５とした。
【選択図】図１

Description

本発明は、信頼性を高くして遠隔制御にも好適な通信システム（以下、「通信方式」ともいう）に関するものである。

従来の通信システムとしてのインターネットプロトコル（ＩＰ:Internet Protocol）を用いたネットワーク（以下、「ＩＰネットワーク」、「ネットワーク」、「フィールドネットワーク」または「インターネット」ともいう）を介した通信システムにおいて、複数のノードが相互にデータを送信、受信することを可能とし、機器の性能向上にともなって伝送遅延やデータの欠損等に対する厳しい要求を持つ用途にも適用可能な通信システムがある。また、工業用途においてもプラントの管理や制御の分野、いわゆるプロセス制御の情報伝送手段としてＩＰネットワークを使用した制御情報の伝送が試みられている。

プロセス制御の情報伝送は制御周期という一定の時間周期内にすべての制御情報が伝達完了している必要がある。このため制御周期を越える遅延や情報の欠落は許されない。ＩＰネットワークはハブ（以下、「ＨＵＢ」という）のような中継器を連結してネットワークを構成する。このＨＵＢやケーブルが故障すれば永久的な通信障害が生じる。またケーブルコネクタの接触不良や外来ノイズで一過性の通信障害が生じる。要求水準の厳しいプロセス制御では、これらを回避するため様々な工夫がなされている。

一方、民生分野においてもインターネットを利用したビデオ配信等の用途で、ＩＰネットワークの持つ不確実性に起因する実時間伝送の不安定性問題が議論されている。この対策としては既存のマルチキャストプロトコルと、前方誤り訂正制御方式（FEC:Forward Error Correction）をＩＰｖ６上で実装し、信頼性のある大規模マルチキャスト通信を実現する上で有効な制御方式であることが知られており（例えば、非特許文献１）、工業分野での試みと同様、ＩＰネットワークの信頼性を上げる別の試みとして位置づけられる。

以下、図１０、図１１に沿って従来例を説明する。なお、各図において、説明の便宜上、同一の符号１〜５を別機能であるノード１〜５とＨＵＢ１〜５に付している。
図１０は従来例でありＩＰネットワークにおけるリング状に接続したＨＵＢによるループ構成とＳＴＰによる切り替え制御の説明図である。図１０に示すように、ＩＰネットワークをリング状に接続するとリレーのようにＨＵＢからＨＵＢヘと伝送されていくデータが、ループを描いて伝送され続けるという弊害がある。これを回避するためIEEE802.1D Spanning Tree Protocol（ＳＴＰ）という技術が利用されている。

ネットワークに接続されているＨＵＢ同士が、相互の接続状況を連絡しあってループを切断する。物理的にはループ状に繋がっているネットワークを、あるアルゴリズムにしたがって論理的に切り離すものである。図１０に示すネットワークではＨＵＢ１をルートブリッジ（Root Bridge）に設定しているので、ＨＵＢ３とＨＵＢ４の間にブロック点４６が自動設定されループを切断している。

なお、ここではＩＰネットワークの中継器について、もっとも一般的に使用されるＨＵＢで代表させており、ＳＴＰではこの中継器であるＨＵＢのことを、機能の面からブリッジ（Bridge）と定義するとともに、ブリッジと呼称している。
ＳＴＰのアルゴリズムの機能を単純化すると、あるブリッジから見てルートブリッジに到る経路が複数存在する時は、最短の経路を選択し、それ以外の経路に繋がるポートをブロックするという機能である。

図１０の例では、ＨＵＢ３にとってルートブリッジであるＨＵＢ１に到る経路は左に向かって二つのＨＵＢ４，５を経由するか、右に向かって一つのＨＵＢ２を経由するかで判断する。図１０の例では、結果として右方向が選択され、左方向ＨＵＢはブロックされることになる。
ネットワークが故障すると、故障箇所に隣接したＨＵＢがそれを検知して、残りの全ＨＵＢに状態が変化したことを通知する。例えばＨＵＢ２が故障すると下流側のＨＵＢ３が状態変化を通知し、ＨＵＢ３とＨＵＢ１の間にブロック点が移動する。この再構成の結果、ＨＵＢ３は反対周りの経路で通信を継続できる。
以上のようにＳＴＰは優れたネットワーク管理手法であり、後述する本発明の実施形態においてもネットワーク管理の一手段としてＳＴＰを利用している。

しかしながら、リングトポロジーとＳＴＰを利用した冗長ネットワークは前記のように簡素なため、オフィスのＬＡＮ配線等で多用されているが、この方式には欠点がある。図１０のＨＵＢ２で示しているように、一般にＨＵＢには多数のノードが接続されている。このため１台のＨＵＢが故障すると、そのＨＵＢに接続されていたノードが一斉に通信不能になってしまうので、通信が途絶える故障を極小にすべき工業用途等には利用できなかった。

図１１は他の従来例でありＩＰネットワークにおける２つのネットワークインタフェースを持ったノードを用いてネットワークを完全に２系統使用することにより経路障害に対応する通信システムの説明図である。ノード１とノード２が５段のＨＵＢを介して相互に通信するが、５段のＨＵＢはそれぞれ対をなすバックアップ機能を備えて段間の配線も相互に独立している。Ａ側とＢ側で２系統のネットワークは一方を利用している時は、他方を待機状態とし、通信には寄与していない。Ａ側で通信している時、図１１に示すようにＨＵＢ３−Ａが故障したとすると、故障を検知するのはノード１とノード２であり、それぞれのノードはそれまで使用していたネットワークインタフェースを休止させて、Ｂ側のインタフェースを利用することになる。

図１１に示す通信システムによれば、ネットワーク機材の故障に対して、それに接続されたノードが一斉に通信不能となることはない。しかしながら、経路の故障は各ノードがデータ通信の状況から判断するか、あるいは、関係する全ＨＵＢの稼動状態を常にモニターするか、の何れかによって検知する必要がある。経路の切り替えについては、全ノードを一斉に切り替えるのが一般的であるが、全ノードヘの通知と切り替えタイミングの同期は簡単ではない、以上のように図１１に示す従来の通信システムは高信頼性システムを構成できる代わりにノードヘの負担が大きくなるという欠点があった。
FEC on ＩＰｖ６ for Reliable Multicast 奈良先端科学技術大学院大学 論文 米山清二郎／砂原秀樹

工業用途のＩＰネットワークではＨＵＢのような中継器の故障による伝送経路の通信途絶を回避するための工夫として、中継器をリング状に配置したネットワークや、全中継器を２重配置して一方を稼動状態に、他方を待機状態にして、経路全体を２重化した待機冗長型２重化ネットワーク等が利用されている。リングトポロジーのネットワークでは中継器、すなわちパブが故障すると、その前後のＨＵＢで通信経路を折り返すなどして、正常なＨＵＢ間の通信を保証するものである。また、待機冗長型２重化ネットワークは稼動側のネットワークが故障すると、何らかの手段でその故障を検知し、待機側に伝送経路を切り替えるというものである。

しかしながら、リングトポロジーのネットワークでは、一般にＨＵＢに接続されるノードは複数なので、１台のＨＵＢ故障が複数のノードの通信途絶に波及するため故障の影響が大きい。一方、待機冗長型２重化ネットワークはＨＵＢをすべて２重化しているので、その故障が多数のノードの通信途絶に結びつくことはない。このためより優れた高信頼性システムを構成できる。この待機冗長型２重化ネットワークでは、ノードがＨＵＢの故障情報を常にモニターするか、あるいは、通信相手のノードからの応答状況で判断するか、の何れかによって経路の故障を検出し、パケットの送信、受信経路を一斉に切り替える必要がある。したがって、ノードに対する経路制御の負荷が重いという欠点があった。

さらに、従来用いられてきた待機冗長型ネットワークでは、使用する経路の切り替えに連動して、ノードもパケットの送出と受信の経路を切り替える必要があったので、経路全体の中継器と全ノードを一斉に制御する経路切り替え管理を行うために、複雑な構成を強いられるという欠点もあった。

本発明は、上述したような事情に鑑みてなされたものであり、経路を２重化したＩＰネットワークをもとに、世界標準の技術を利用でき、低価格かつ簡素なノードにも適用可能にした高信頼性の通信システムを提供することを目的とする。
詳細な目的は以下のとおりである。
１）２重化構成のネットワークにおいて、故障発生源に隣接したＨＵＢがその故障を検出し、かつ、ＨＵＢ単独で経路の切り替えができ、障害を回避できることを可能にする。
２）経路切り替え制御等の負担が少なく、簡素かつ安価なノードにも適用可能にする。
３）２重化ネットワークの構成に特別な制約条件を持たず、世界標準技術であるＩＰネットワークに使われる機材をそのまま利用可能とし、通信システムの変更や拡張を容易する。
４）２重化した両経路に同時発生する障害も含めて、複数個所の障害にも対応可能な高信頼性通信システムおよび通信方法を実現する。

前記課題を解決するために、請求項１に係る通信システムは、相互に通信する複数のノードと、ノード間に複数のケーブルと複数の中継器を介して接続される第１経路と、第１経路に併設された同等の接続形状を持つ第２経路とからなり、全体として２重化されたＩＰネットワークを構成する通信システムであって、前記ノードは、第１経路と第２経路との両者において、同等の位置にある―対の中継器に接続できる一対の接続端子をもち、一対の中継器の、何れの中継器に送信パケットを送出するも任意であり、何れの中継器からの受信パケットも受信できるとともに、前記の一対の中継器は、それぞれの１ポートを相互に接続してネットワーク異常時の迂回回路とし、前記中継器は隣接する中継器との接続を常時監視して経路の異常を検出し、異常を検出した中継器は前記迂回回路を通して正常な経路側にパケットを迂回させることを特徴とする。

まず２重化ＩＰネットワークのそれぞれで同等の位置にある一対の中継器が、故障時にバックアップしあうことで高信頼性通信を提供するために、各通信ノードは一対のケーブル接続端子を持ち、相補関係の中継器の両方に接続される。

さらに２重化ＩＰネットワークの同等の位置にある一対の中継器は、その１ポートが相互に接続されて迂回路を形成する。中継器は隣接する中継器との接続をポート毎に常時監視しており、経路の異常を検出した中継器は当該ポートヘ送出するデータを迂回路へ迂回させることで、故障側の経路から正常側に経路を切り替える。なお迂回路は正常時には待機状態で通信には寄与していないが、迂回路そのものの故障検出は常時実行されている。

この通信システムにおいて、２重化ＩＰネットワークに接続された複数のノードは、一般のＩＰ通信ノードと同様の通信処理を実行するとともに、送信パケットの経路選択の機能を持ち、通信システムヘの要求にしたがって一方の経路に常時送出することも、両経路に分散送出することも自由である。また受信パケットの処理は、２重化ネットワークの両経路から除くすべてのパケットを受信してＩＰ通信処理する。

この構成の通信システムによれば、全ノードが２経路から届くパケットをすべて受信する構成なので、経路の故障は故障部位に隣接した中継器が単独で判断して経路を切り替え、正常経路を利用して通信の途絶を回避できる。

また、通信経路の複数個所で故障が発生しても、迂回路をふさぐ故障部位でない限り、２経路の両方で発生した故障であっても回避できる。

なお、中継器は一対でバックアップしあうので、１台の中継器が故障した時、それに接続されたノードが一斉に通信できなくなるような不都合がないことは、従来同様、２重化ネットワークとしての特徴をそのまま継承している。したがって、簡単な構成にもかかわらず、極めて信頼性の高いＩＰネットワークが提供できる。

また、請求項２に係る通信システムは、請求項１に記載の通信システムにおいて、障害箇所が生じた一方の経路から他方の経路へ迂回したパケットは、前記障害箇所を通過した後に、もとの経路に戻されることを特徴とする。

請求項２に係る通信システムによれば、迂回したパケットが障害箇所から遠ざかると元の経路に戻ることにより、経路の一方に負荷が偏らないので、ネットワークの帯域性能を軽減できる。また２重化経路用のインタフェースを持たないＩＰ通信機器を２重化経路の一方に接続して運用していても、故障による経路変更で通信不能となるようなことがない。

また、請求項３に係る通信システムは、請求項１または請求項２に記載の通信システムにおいて、２経路の中継器のポートで、ノードが接続されているポートを、経路毎に別々のＶＬＡＮグループとして設定し、さらにＶＬＡＮグループ毎にＳＴＰを設定したことを特徴とする。

ここでＶＬＡＮとはVirtual Local Area Network の略で、近年のＨＵＢ等のネットワーク中継器に標準装備された機能であり、ＬＡＮスイッチと呼ばれる機器の機能を利用して、端末の持つポート、ＭＡＣアドレス、ＩＰアドレス、プロトコルなどに応じて物理的な接続形態とは別に仮想的なネットワークを構成し、端末をグループ化することである。このＶＬＡＮにおいては、端末を物理的な位置にかかわりなくネットワーク構成を変更することができるほか、端末を移動しても設定を変更する必要がないというメリットがある。

一方、ＳＴＰとはSpanning Tree Protocolの略でIEEE802.1Dで規格化されており、物理的にループを生じているネットワークを論理的に切り離して、パケットの循環をなくす。これも近年のＨＵＢ等のネットワーク中継器には標準的に備わった機能である。

さて、ＶＬＡＮを経路別に適用した前記ＩＰネットワークは、物理的には迂回路で接続されて一体のネットワークであるにも拘わらず、論理的には別の独立したネットワークとなる。しかしネットワークのＨＵＢ間は、迂回路の存在により物理的なループが形成される。これを放置するとパケットの循環が発生し不都合であるが、ＶＬＡＮ毎にＳＴＰを設定しておけば、ＳＴＰの機能により自動的にループを切り離して問題を解消する。前記２重化ネットワークの接続構成では、ＳＴＰはノード間の最短経路を自動選択するため、迂回路をブロックして休止状態とする。すなわち請求項１の正常時の構成が標準ネットワーク機能において実現できる。

前記ＶＬＡＮ、ＳＴＰを利用した２重化ネットワークにおいて経路に故障が発生すると、故障部位に隣接したＨＵＢの該当するポートが機能しなくなる。これをきっかけにＳＴＰは経路の構成が変化したと判断し経路変更を開始する。その結果、正常時には休止状態であった当該ＨＵＢの迂回路を稼動状態にし、経路を正常側に切り替える。すなわち、請求項１の構成における故障時対応の経路切り替え動作モードになる。

このように故障箇所を避けて正常側の経路に切り変えられたパケットの伝達経路は、ＳＴＰにより、故障箇所から遠ざかった後に元の経路へと戻される。これはＶＬＡＮが２経路別々に設定されているからである。このようにして請求項２に基づく作用効果も実現する。
以上、請求項３によれば、標準的ネットワーク機器で請求項１と請求項２の機能を持つ信頼性の高いネットワークが実現できる。

また、請求項４に係る通信システムは、請求項１から請求項３の何れか１項に記載の通信システムにおいて、送信側の前記ノードが送出する送信パケットは、複写によって２つの同じパケットに冗長化され、前記２つの同じパケットのヘッダ部には元データの識別コードと、冗長化されたパケットであることが示されており、２つの複写パケットは２経路に分散送出されるとともに、受信側の前記ノードにおいては、ヘッダ情報から冗長化パケットであることを判別され、復元処理されることを特徴とする。

請求項４に係る通信システムによれば、元のデータは２パケットの冗長なパケットとなり、その内１パケットの欠落が許されるので、２経路に分散送出する手法と相まって、経路制御に要求される性能が軽減される。一般に経路の故障を検出することも、その結果適切に経路を切り替えることも、ある程度の時間が必要である。この時間に対する要求が厳しいシステム、例えばプロセス制御のように制御周期内にデータの送受信を完了させることが必須であるようなシステムでは、この通信システムによる通信方式を用いることで切り替え時間を考慮せずにすむ。なぜならば、故障側の経路に送られたパケットが届かなくても、正常側の経路を経由した複写パケットが、前記切り替え時間による遅延なしに届けられることにより、元データが復元できるからである。

以上のように請求項４に係る通信システムによれば、請求項１ないし請求項３の何れか１項に記載の通信システムを現実的で簡素な構成を維持したまま、より高い通信性能の要求にも適用可能である。

本発明による通信システムによれば、以下に示す効果が得られる。
１）相互にパックアップしあう一対の中継器を複数対接続してなる２重化ＩＰネットワークとそれに接続される一対の接続端子を持つノード群で構成される通信システムでは、対をなす中継器に相互接続する迂回路を設けることと、ノードの受信機能は常に２経路から届くパケットを受信可能にしておくことにより、経路に発生した故障に対し、故障発生源に隣接する中継器が独自に故障を検出して待機状態の迂回路を開けるのみで、障害を回避することが可能になる。
２）このように中継器のみの動作で経路の切り替えができるので、ノードは故障検知や経路制御の負担がなく簡素な構成とすることが可能で、低価格ノードにも適用できる高信頼性通信システムが提供できる。
３）ＨＵＢやルータのようなＩＰネットワーク用の標準的中継器が備えるＶＬＡＮ機能とＳＴＰ機能を利用して、前記のような経路切り替えと障害回避ができる２重化ネットワークを構成できる。

４）データを冗長化し２バケットとしたうえで、パケットの伝送経路を複数に分散することで、さらに優れた通信システムが実現する。具体的には経路切り替えの動作速度に制約がなくなる。経路の永久故障だけでなく一過性の障害にも対処できる。
５）前記のようにネットワークの構成に特別な制約条件がないので、世界標準の技術であるＩＰネットワークの機材をそのまま利用できる。通信システムの変更や拡張が容易であり、運用管理や保守性に優れる。
６）以上、２重化した両経路に同時発生する障害も含めて、複数個所の障害にも、一過性障害にも対応可能な高信頼性通信システムを提供することができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は本発明の一実施形態（以下、「本実施形態」という）に係るＩＰネットワークで、最も基本となる通信システム（以下、「本システム」ともいう）の説明図である。図１１に示した通信システムに対して、２重化経路を構成している対のＨＵＢが、それぞれ１ポートをはしご状に接続して迂回路４１〜４５を構成しており、Ａ側の第１経路（以下、「経路」ともいう）１０とＢ側の第２経路（以下、「経路」ともいう）２０による２重化ＩＰネットワークが構成されている。

また、２系統のＩＰネットワークに接続するノード１，２も、２系統のインタフェースで２重化されている。ノードインタフェースの２系統は、どちらの系統も受信に関しては常に稼動状端である（詳細な図示は省略）。そして、送信に関しては少なくとも何れか任意の一方が使用される。

図１の通信システムにおいて、経路１０，２０にはそれぞれ５段の中継用ＨＵＢが介挿されている。これらのＨＵＢ１−ＡとＨＵＢ１−Ｂ、ＨＵＢ２−ＡとＨＵＢ２−Ｂ、ＨＵＢ３−ＡとＨＵＢ３−Ｂ、ＨＵＢ４−ＡとＨＵＢ４−Ｂ、ＨＵＢ５−ＡとＨＵＢ５−Ｂの各対において、相互に１ポート接続された接続部により迂回路４１〜４５を形成している。

前記ＨＵＢは隣接ＨＵＢとの接続を常時監視して経路１０，２０の異常を検出（×印）し、異常を検出したＨＵＢは前記迂回路４１〜４５を通して正常な経路側へとパケットを迂回させる。すなわち迂回路４１〜４５はＨＵＢ３−Ａの故障時、あるいはＢ側ケーブルの故障（×印）時に、故障箇所を迂回してパケットを通過させる回路（矢印）として機能する。

２系統のインタフェースを備えたノード１，２は両方とも受信状態なので、ＨＵＢが経路を独自に切り替えた後もパケットは問題なく受信できる。すなわち、一方の経路１０に送出されたパケットは経路１０と経路２０の何れからでも受信できるし、他方の経路２０に送出されたパケットも、経路１０と経路２０の何れからでも受信できるからである。

ＩＰネットワークで利用される物理層は大半イーサネット（登録商標）であるが、これに繋がるＨＵＢ、ルータおよびノードは標準機能としてリンク検出機能を持ち、接続相手の機器やケーブルの良否をリアルタイムで検出可能である。したがって、故障箇所に隣接するＨＵＢが、リンク検出機能により故障検出した結果に基づいて迂回路４１〜４５を利用することは容易である。ただし、経路１０と経路２０の何れを選択するかは、ノードとＨＵＢの送受信に関する相互依存の関係はないので、ＨＵＢ独自の経路制御が実現できる。

ノードにおける故障検出もＨＵＢによる故障検出と同様に標準のリンク検出を利用できる。すなわち、ネットワークヘの接続手段であるケーブルやＨＵＢが故障したことをノードによって検出する際も標準のリンク検出を利用できる。したがって、リンクダウンした側を避けて正常な経路を利用するためには、そのリンクダウンの状況がどうであるかにかわらず、送信する経路を機械的に切り替えるだけで、正常な経路を利用することが容易に可能となる。

図２は図１に示した通信システムと同一構成において、故障箇所（×印）を迂回したパケットを元の経路に戻す経路制御の説明図である。図２に示す通信システムでは、故障箇所（×印）を過ぎた地点で、迂回したデータを元の経路２０に戻す。これによれば２重化ネットワークに接続するノード１，２は、経路１０に対するインタフェースは不要であり、必ずしも２系統のインタフェースを備える必要はなくなる。

図２に示すノード３とノード４は市販の汎用ＬＡＮ機器、例えばパソコンやネットカメラ、ＩＰ電話のような機器である。本発明では工業用途として高い信頼性を得るネットワークの構成を目的とする一方、このネットワークに対して、それほど高信頼性である必要のない機器を手軽に接続して利用する需要に応じるという目的もある。

図２に示した経路制御によれば、故障が発生してパケットの経路が、例えば経路２０から経路１０へ切り替わっても、また経路１０から経路２０へと元に戻るという特性が加わる。これによって、２系統の経路１０，２０のうち一方の経路２０のみを利用するノード３、ノード４のような接続形態による利用方法が広がる。これは高信頼性ネットワークをＩＰネットワークで構成する利点でもある。

図２に示した通信システムにおける別の効果は、ネットワーク負荷の分散にある。本発明による２重化ネットワークは、正常時に経路１０と経路２０を同時に稼動させるので、両経路１０，２０に通信の負荷を分散させることができる。しかしながら、故障を生じた時は、故障箇所を迂回する経路制御によって、ネットワーク全体が結果的に１経路のみに依存するならば負荷分散の観点では不利となる。このような観点から、図２に示した通信システムによれば、負荷の集中を故障箇所近傍に限局できるので、ネットワーク全体での負荷分散に寄与できる。

図１１に示した従来例と、図１および図２に示した通信システムを以下に比較する。
１）図１、図２に示した２重化構成のネットワークにおいては、故障検出と経路の切り替えを、故障箇所に隣接したＨＵＢが単独で実行することができるので、ネットワーク全体の構成に影響されない。したがって通信システムの変更、拡張が容易である。
２）図１、図２に示した２重化ノードは、図１１に示した通信システムに比べて経路制御の負担がない。このため簡素な構成で済むので低価格かつ簡素なノードにも適用可能である。

３）ネットワークの信頼性も改善できる。図１に示すように複数個所の障害にも対応できる。さらにＡ，Ｂ両経路１０，２０で同時に発生する障害にも対応できる。
４）図２に示す通信システムによれば、信頼性の面で２重化を要求されないノード３，４を、そのまま２重化通信システムに接続できるので便利である。また、故障回避に伴うトラフィックの増加を限局できる。

図３および図４は、図２に示した通信システムの経路制御を、標準のＨＵＢが持つ機能によって実現するもので、図３は２つの独立した経路１０，２０を定義するため、ＨＵＢにＶＬＡＮを設定する説明図である。また図４はＳＴＰの動作に関し、（ａ）正常時と（ｂ）故障時に分けて説明した説明図である。

図３，図４に示すように、Ａ側の経路１０とＢ側の経路２０に別々のＶＬＡＮ ＡとＶＬＡＮ Ｂを設定する。さらにＶＬＡＮ Ａ，ＶＬＡＮ Ｂ別にＳＴＰを設定して、ＶＬＡＮおよびＳＴＰを有効にすると、ＳＴＰのアルゴリズムにしたがって、ネットワークが正常時は迂回路４１〜４５を使用しない経路が形成される。経路１０，２０に故障が発生すると、故障部位を回避する迂回路が自動形成される。さらにこの時、一旦迂回したパケットが元の経路に戻る迂回経路も同時に形成されるので図２に示した動作と同等の経路制御が実行される。

図３、図４を用いて構成と動作を説明する。まずノードが直結するＨＵＢのポートについては、Ａ側経路１０をＶＬＡＮ Ａ専用に、Ｂ側経路２０をＶＬＡＮ Ｂ 専用に設定する。またＨＵＢ間の接続ポートはＶＬＡＮ Ａ，ＶＬＡＮ Ｂ共用の設定とする。この設定の結果はＶＬＡＮ Ａに着目すると、図４（ａ）に示すような論理接続となるが、この時はまだブロック点４６がなく、対のＨＵＢ間に設けた迂回接続により複数のループが形成されている。さらにＨＵＢ１−ＡをＶＬＡＮ Ａ側のルートブリッジに設定してＳＴＰを有効にすると、図４（ａ）に示すようにブロック点４６が形成されて、ノード１とノード２を結ぶ最短経路が正常時の論理接続として選択される。

図４（ｂ）はＨＵＢ２−Ａが故障した例である。図４（ｂ）に示すように、故障を検知したＨＵＢ３−Ａは、ＳＴＰの経路制御を起動するが、この時、それまで使用していたＨＵＢ２−Ａへの経路が使えないので、ルートブリッジヘの最短経路となる新しい代替経路を探し、それまでブロックされていたＨＵＢ２−Ｂへの経路を開くことによって、通信経路を確保する。このように本発明によれば、ＩＰネットワークで利用されている標準技術を生かして所望の目的を実現できる。

図５は図２〜図４に示した通信システムを変形した実施形態の説明図である。図５に示す通信システムは、ＨＵＢ間の接続回路もすべて２重化している。この図５では外側の実線がＡ経路１０、外側の破線がＢ経路２０を示している。ＳＴＰを適用するには、Ａ経路１０をＶＬＡＮ Ａに、Ｂ経路２０をＶＬＡＮ Ｂに設定する。この構成ではＳＴＰもＡ経路とＢ経路が完全に独立して動作する。

図５に示す通信システムの長所は、故障時に形成される迂回路４１〜４５が正常側の経路と干渉しないことである。例えば、故障時に迂回路４１〜４５が形成されることに伴って制御パケットが発生するが、この制御パケットによりトラフィックが増加しても正常側には影響しないので、正常側経路における通信を妨害しない。なお、図５に示す通信システムの変形実施形態において、対になるＨＵＢ間の接続だけはＡ，Ｂ共用で１ポートだけの接続としても構わない。

図１〜図５の通信システムにおいて、ノード１、ノード２のＩＰバケット処理部に図６、図７に示すデータの冗長化機能を追加することで、様々な障害に耐える高い信頼性の通信システムを、手軽な機材で実現できるようになる。そして、図６、図７は図１〜図５に示した経路制御の通信システムにおけるフラグメントの説明図である。

図６は本実施形態に係る通信システムにおいて、ＩＰｖ６のフラグメント方式に適用した送信デ一タを生成するパケット送信部の送信処理を示す説明図である。
図６はデータの冗長化に関し、ＩＰｖ６のフラグメント方式に適用した送信データを生成するバケット送信部の送信処理を示す。対象となるネットワークは２重化ネットワークなので、データの冗長化は元データを２パケットに分割、冗長化し、１パケットの欠損に耐える性能とする。

図６に示すように、パケットの形式はＩＰｖ６のフラグメントパケットの形式であるフラグメント数を２とするが、通常のフラグメントのように元データを２分割するのではなく、パケット構造３１の元データ部をそのまま複写して、同じデータを格納した２つのフラグメントパケット３２、３３を生成する。このため２パケットの内、１パケットが受信側に届けばデータ通信は成立する。

さらに、このフラグメントパケットが通常のフラグメントパケットではなく、冗長化フラグメントパケットであることを受信側に伝えるため、フラグメントヘッダはオフセットを「０」、Ｍフラグを「０」としたヘッダ構造３４とする。このオフセットとＭフラグは、通常のフラグメントパケットであれば、両者が「０」となることはない。オフセット「０」は先頭のパケットを、Ｍフラグ「０」は最後尾のパケットを示すフラグだからである。本方式ではこの未利用のパターンを利用する。

図６には示されていない送信部は、このフラグメントパケット３２，３３とまったく同じ２つのフラグメントパケットを、２重化ネットワークの２経路１０，２０に別々に送出する。これにより、空間的な危険分散を図る。

図７は、本実施形態に係る通信システムにおいて、冗長化フラグメントパケットを受け取った受信部が、フラグメントパケットから元のデータを復元する手順を示すフローチャートである。図７に示すように、受信パケットは正常時であれば２パケットが両方とも届くが、何か支障があれば１パケットしか届かない時もある。一方、受信部は正常と異常の別なく何れの場合にも滞りなく元のデータを復元する必要がある。以下その手順について、フローチャートに沿って説明する。

図７の左半分に冗長化フラグメントパケットの復元部（Ｓ２〜Ｓ７）、右半分に標準フラグメントパケットの復元部（Ｓ８〜Ｓ１３）を示す。
フラグメントパケットを受信（Ｓ１）するとまず冗長化フラグメントパケットか標準フラグメントパケットかを判定（Ｓ２）する。その手段は、オフセット「０」かつＭフラグ「０」であれば冗長化フラグメントパケットである（Ｙｅｓ）と判走し、次の処理（Ｓ３）へ移行する。

処理（Ｓ３）では、同じ元データからできたフラグメントパケットがすでに受信済みであるかをフラグメントヘッダのＩＤで判定する。この機能は標準フラグメントパケットと同じである。
受信済みのバケットＩＤは登録されているので、これと照合して未登録で最初のパケット（ＹＥＳ）であれば、そのＩＤを新しく登録（Ｓ４）する。本システムでは最初の１パケットで元データが復元できるので、ただちに復元処理（Ｓ５）し、元データをＪＰ層にもどし（Ｓ６）、次のフラグメントパケットの受信待ち（Ｓ１４）で待機する。

処理（Ｓ３）でＩＤが登録済みで後続パケット（ＮＯ）と判定されると、ＩＤ抹消と同時にパケットを破棄（Ｓ７）し、次の受信待ち（Ｓ１４）で待機する。

処理（Ｓ２）で標準フラグメントパケットと判定されると、次の処理（Ｓ３）で同じ元データからできたフラグメントパケットが、すでに受信済みであるかをフラグメントヘッダのＩＤで判定する。
未登録であれば（ＹＥＳ）、ＩＤを新しく登録すると同時に６０秒タイマーを設定（Ｓ９）し、登録済みであれば（ＮＯ）、そのままパケット復元処理（S１０）を実行する。

標準フラグメントパケットはフラグメント数が不定であるうえ、受信側にはその数が伝わらない。バケット復元処理（Ｓ１０）は、オフセットとＭフラグを手がかりに先頭パケットと最後尾パケットの間を埋めていく処理になる。データが先限から最後まで揃うと、パケットの復元完了の判定（Ｓｌｌ）が完了（ＹＥＳ）となって、ＩＤ抹消とタイマー停止（Ｓ１２）をし、復元した元データをＩＰ層に戻す（Ｓ１３）。復元未了（ＮＯ）であれば、そのまま次のフラグメントパケットの受信待ち（Ｓ１４）で待機する。

なお、ＩＤの登録管理について補足すると、まずＩＤの抹消については全フラグメントパケットが滞りなく到着すれば問題ないが、通信経路で欠損すると復元処理も含めて登録抹消に到らず、最後はこれを整理する処理が必要である。標準フラグメントでは６０秒タイマーを使用して、６０秒以内に復元できなければ登録ＩＤを強制的に抹消する。
しかし冗長化フラグメントでは経路故障の状況次第で、欠損パケットが多発しメモリ資源を無駄に消費するおそれがある。タイマー機構とは別に、登録ＩＤ数の上限を設定し、これを超える時には、古い登録から順次抹消する処理をして対応する（図示せず）。

図８は図１、図７の通信方式を２重化ＩＰネットワークに適用した例で、故障発生時の経路制御とパケットの流れを示す。図８は故障箇所で迂回させたパケットを、もう一度、元の経路に戻す経路制御方式の例である。ノード１，２から送出されたフラグメントパケットは経路１０，２０の何れの経路においても故障に影響されず受信側まで到着する。また、ノード１，２は経路２０に接続された汎用ＬＡＮ機器のノード３，４と同時運用できることを示している。さらに、経路の途中で故障が発生しているにもかかわらず、２重化インタフェースを持たないノードでも相互に通信できるのが分かる。

以上のとおり、ＩＰネットワークの標準機能であるフラグメントを利用し、標準のＩＰパケットと共存関係を維持したまま、冗長データが通信できる。これによって、データ通信の経路に対する危険分散ができるので、経路切り替えにおいては、特にその処理速度を懸念する必要はなくなる。なぜならば、経路切り替えの所要時間に伴ってデータの欠損や遅延が生じても冗長データにより補足することが可能だからである。
また、ノイズ障害等の一過性の通信障害にも対応できる。そして、標準のＩＰネットワーク機器とも共存できる。さらに、標準的なＨＵＢを使って、高信頼性ＩＰネットワークが構成できる。

図３〜図７に示した通信システムによる特徴を以下にまとめる。
１）図３〜図５に示した２重化ＩＰネットワークによれば、図１、図２に示した２重化ＩＰネットワークの特徴を標準的なスイッチングＨＵＢで実現できることを示した。
２）図６、図７に示したノードのデータ冗長化と、冗長化データパケットを２重化経路に分散する方式は、データの欠損に対する通信システムの耐性を増大させ、さまざまな障害要因に対処できるともに、通信システムの経路切り替えに関する要求性能を低減させることを示した。

３）したがって、図３〜図５の２重化ＩＰネットワークと図６，図７の通信方式を組み合わせると、ＩＰネットワークの標準機材をそのまま使用しても、経路制御の速度性能がどれほどであるかにかかわらず、ネットワークの多重故障や、一過性で原因不明のデータ欠損などに対応できる。また２重化インタフェースノードは簡素な構成のため低コストで済み、２重化インタフェースを具備していない一般のＩＰ機器も利用できるという、優れた通信システムを提供することができる。

図９は参考例として示す２重化ＩＰネットワークの説明図である。プロセス制御システムの制御ステーション（ＤＣＳ）とフィールド計器（Field Instrument）の間を、ＩＰネットワークで接続したフィールドネットワークに対して、本発明の２重化ネットワークを適用したものである。
図９の右方に示すのが、フィ一ルドネットワークの全貌で、１台の制御ステーションと数百台のフィールド計器を接続するため、スイッチングＨＵＢ（Switch）をツリー状に接続している。また、各々のスイッチングＨＵＢは２重化されて、２重化ＩＰネットワークを形成している。

図９の中ほどに２点破線で囲った部分を拡大して左方に示すように、ＨＵＢ間の接続が構成され、障害に対して経路制御される様子が図示されている。
本発明に係る２重化ネットワークは工場内のフィールドネットワークが対象であり、ルータを越えたインターネットのような広域ネットワークは想定していないが、データの冗長化はインターネットにも利用されつつある。インターネットヘの接続手段を多重化して複数経路を使用できる環境が整えば、適用の可能性も充分に考えられる。

なお、上述した実施の形態において、示した動作手順、あるいは各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において、プロセス条件や設計要求等に基づき種々変更可能である。

本発明の実施形態（本実施形態）の説明図であり、図１１に示した従来の通信システムに対して２重化を構成する対のＨＵＢ間で相互に１ポートを接続した通信システムの説明図である。 本実施形態の説明図であり、図１に示した通信システムと同一構成のものにおいて、故障箇所を迂回したパケットをもとに戻す経路制御の説明図である。 本実施形態の説明図であり、図２に示した通信システムの方式を標準のＨＵＢが持つ機能によって実現し、ＶＬＡＮ ＡとＶＬＡＮ Ｂを共用の設定とした通信システムの説明図である。 本実施形態の説明図であり、図２に示した通信システムの方式を標準のＨＵＢが持つ機能によって実現した通信システムのＶＬＡＮ Ａ側のＳＴＰの動作に関する（ａ）正常時、（ｂ）故障時、の説明図である。 本実施形態の説明図であり、図２〜図４に示した通信システムを変形した実施形態の説明図である。 本実施形態に係る通信システムにおいて、ＩＰｖ６のフラグメント方式に適用した送信デ一タを生成するパケット送信部の送信処理を示す説明図である。 本実施形態に係る通信システムにおいて、冗長化フラグメントパケットを受け取った受信部が、フラグメントパケットから元のデータを復元する手順を示すフローチャートである。 本実施形態に係る２重化フラグメントパケットの折り返し経路制御機能付２重化ネットワークでの経路制御と汎用ＬＡＮ機器との共存を示す説明図である。 参考例として示す２重化フィールドネットワークの説明図である。 従来例でありＩＰネットワークにおけるリング状に接続したＨＵＢによるループ構成とＳＴＰによる切り替え制御の説明図である。 他の従来例でありＩＰネットワークにおける２つのネットワークインタフェースを持ったノードを用いてネットワークを完全に２系統使用することにより経路障害に対応する通信システムの説明図である。

符号の説明

１，２…ノード、 １０…第１経路、 ２０…第２経路、 ４１〜４５…迂回路

Claims (4)

1. 相互に通信する複数のノードと、ノード間に複数のケーブルと複数の中継器を介して接続される第１経路と、第１経路に併設された同等の接続形状を持つ第２経路とからなり、全体として２重化されたＩＰネットワークを構成する通信システムであって、
   前記ノードは、第１経路と第２経路との両者において、同等の位置にある―対の中継器に接続できる一対の接続端子をもち、
   ―対の中継器の、何れの中継器に送信パケットを送出するも任意であり、何れの中継器からの受信パケットも受信できるとともに、
   前記の一対の中継器は、それぞれの１ポートを相互に接続してネットワーク異常時の迂回回路とし、
   前記中継器は隣接する中継器との接続を常時監視して経路の異常を検出し、
   異常を検出した中継器は前記迂回回路を通して正常な経路側にパケットを迂回させることを特徴とする通信システム。
2. 障害箇所が生じた一方の経路から他方の経路へ迂回したパケットは、前記障害箇所を通過した後に、もとの経路に戻されることを特徴とする請求項１に記載の通信システム。
3. ２経路の中継器のポートで、ノードが接続されているポートを、経路毎に別々のＶＬＡＮグループとして設定し、
   さらにＶＬＡＮグループ毎にＳＴＰを設定したことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の通信システム。
4. 送信側の前記ノードが送出する送信パケットは、複写によって２つの同じパケットに冗長化され、前記２つの同じパケットのヘッダ部には元データの識別コードと、冗長化されたパケットであることが示されており、２つの複写パケットは２経路に分散送出されるとともに、
   受信側の前記ノードにおいては、ヘッダ情報から冗長化パケットであることを判別され、復元処理されることを特徴とする請求項１ないし請求項３の何れか１項に記載の通信システム。

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