JP2015065507A - ゲートウェイ装置および通信ネットワークおよびゲートウェイ装置の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 既存のリアルタイムネットワークに対して、非リアルタイムユニットを通信可能となるように接続する簡便な方法を提供する。【解決手段】 ゲートウェイ装置２００には、リアルタイム受信手段２１１、受信バッファ２１２、プロトコル変換手段２１３、プロトコル逆変換手段２２１、送信バッファ２２２、リアルタイム送信手段２２３が設けられている。リアルタイム送信手段２２３は、所定のリアルタイム通信期間において、送信バッファ２２２に非リアルタイム形式からリアルタイム形式に変換されたフレームが完全に保持されていれば送信し、完全に保持されていなければ何も送らない、ように動作する。【選択図】 図２

Description

本発明は、ゲートウェイ装置および通信ネットワークおよびゲートウェイ装置の制御方法に関する。

輸送機器やファクトリオートメーション（ＦＡ）の分野では、通信が定期的かつ確実に行われることが必要であり、リアルタイム通信が用いられる。リアルタイム通信では、通信に必要な最大時間を定義し、最大時間以下で通信できることを保証する。すなわち１回の通信サイクルの中で指定されたノードに対し必ず通信が実施される。このため例えば航空機においては、制御や表示等に支障をきたす通信時間の遅れを極小化できる。

こうしたリアルタイム通信を効率良く行う方法が、例えば特許文献１に開示されている。図１２はその技術を示すブロック図である。スイッチ９１０に複数のリアルタイムユニット９０１、９０１ａ、９０１ｂ、９０１ｃ、９０１ｄ、９０１ｅ、９０１ｆが接続されている。またスイッチ９１０にはスケジューラ９１１、仮想リンクテーブル９１２が設けられている。マスタとなるユニット９０１から送信された信号は１つもしくは複数のユニット９０１に送信され、その信号の種類ごとに仮想リンクＶＬが定義される。そして通信サイクルＴの中で、それぞれの仮想リンクが通信を行う期間（帯域）が割り当てられる。仮想リンクには、通信元、通信先、通信期間が定義される。図１３に、仮想リンクＶＬに設定されるデータの例を示す。ここでは、仮想リンク１ＶＬ１はリアルタイムユニット９０１ａからリアルタイムユニット９０１ｃ、９０１ｄ、９０１ｅへの通信であり、その通信期間はｔ１からｔ２、仮想リンク２ＶＬ２はリアルタイムユニット９０１ａからリアルタイムユニット９０１ｂ、９０１ｃへの通信であり、その通信期間はｔ３からｔ４、仮想リンク３ＶＬ３はリアルタイムユニット９０１ｃからリアルタイムユニット９０１ｂへの通信であり、その通信期間はｔ５からｔ６となっている。これらのデータは仮想リンクテーブル９１２に保持され、スケジューラ９１１によって時間の割当が行われる。

図１４は、それぞれの仮想リンクＶＬと時間の関係を模式的に示した図である。時間ｔ１からｔ２までの帯域が仮想リンク１ＶＬ１に、ｔ３からｔ４までの帯域が仮想リンク２ＶＬ２に、ｔ５からｔ６までの帯域が仮想リンク３ＶＬ３に、それぞれ割り当てられている。帯域と帯域の間ｔ２からｔ３、ｔ４からｔ５などは、それぞれの仮想リンクＶＬを分離するための期間である。スイッチ９１０は、これらの仮想リンクＶＬが所定の期間、所定の接続となるようにスイッチングを行う。以上説明したように、仮想リンクＶＬを用いると１つの物理的なリンクを複数のリンクとして用いることができる。なおここでは仮想リンクＶＬが３つの例を示したが、３つに限られないことは言うまでもない。またスイッチ９１０が複数あるような形態であっても良い。

ところで、上記のようなリアルタイムネットワークに非リアルタイムで動作する非リアルタイムユニットを組み込みたいという要望も存在する。ＦＡの分野では、この要望に応える技術として、ＰＲＯＦＩＮＥＴ（登録商標）、ＥｔｈｅｒＣＡＴ（登録商標）など種々の技術が標準化されている。図１５は非特許文献１に開示されたＰＲＯＦＩＮＥＴ（登録商標）において、リアルタイム通信ＲＴと非リアルタイム通信ＮＲＴを行う方法を模式的に示した図である。通信サイクルＴの中で、特許文献１と同様な技術を用いたリアルタイム通信ＲＴの期間と、通信時間の規定されない非リアルタイム通信ＮＲＴの期間を設けている。そして非リアルタイム通信期間においてはＴＣＰ／ＩＰなどのプロトコルを用いた通信が自由に行えるようにしている。

米国特許出願公開第２００４／０２１８５５４号明細書

ＰＲＯＦＩＮＥＴシステム解説（http://www.profibus.jp/tech/document/PROFINET_JP_v0_85.pdf）

しかしながら、特許文献１の技術には、リアルタイム通信に対応していない非リアルタイムユニットを組み込めないという問題点があった。

また非特許文献１のような標準技術では、ネットワーク全体を標準技術で構築する必要がり、既存のリアルタイムネットワークに対して、簡単に非リアルタイムユニットを組み込むことが出来なかった。すなわち、システムの再構築が必要であった。

本発明の目的は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、既存のリアルタイムネットワークに、簡便に非リアルタイムユニットを組み込む方法を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明においては。

本発明の効果は、既存のリアルタイムネットワークに、簡便に非リアルタイムユニットを組み込めることである。

本発明第１の実施の形態を示すブロック図である。 本発明第１の実施の形態のゲートウェイ装置を示すブロック図である。 本発明第１の実施の形態の受信動作を示すフローチャートである。 本発明第１の実施の形態の送信動作を示すフローチャートである。 本発明第１の実施の形態の仮想リンクの例を示すブロック図である。 本発明第１の実施の形態の仮想リンクの内容の例を示す表である。 本発明第１の実施の形態の仮想リンクと時間の関係を示す模式図である。 本発明第２の実施の形態を示すブロック図である。 本発明第２の実施の形態アドレス対応表の例を示す表である。 本発明第２の実施の形態の仮想リンク設定例を示す表である。 本発明第３の実施の形態を示すブロック図である。 特許文献１の技術を示すブロック図である。 特許文献１の技術で用いる仮想リンクの例を示す表である。 特許文献１の仮想リンクと時間の関係を示す模式図である。 非特許文献１の通信方法の概念を示す模式図である。

以下、図面を参照しながら本発明について詳細に説明する。
（第１の実施の形態）
図１は、本発明第１の実施の形態による通信システムの全体像を示すブロック図である。スイッチ１０に５つのリアルタイムユニット１、１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅが接続され、リアルタイムネットワーク１００を形成している。スイッチ１０は、スケジューラ１１と仮想リンクテーブル１２を有する。スケジューラ１１は、仮想リンクテーブル１２の設定にしたがって、それぞれの仮想リンクＶＬに帯域（通信期間）を割り当てる。またスイッチ１０には、ゲートウェイ装置２００を介して非リアルタイムユニット２が接続されている。ゲートウェイ装置２００は、非リアルタイムユニット２の非リアルタイム通信プロトコルとリアルタイム通信プロトコルとを相互に変換し、非リアルタイム２とリアルタイムネットワーク１００との通信を可能とするものである。

図２は、ゲートウェイ装置２００の詳細を示すブロック図である。本実施の形態のゲートウェイ装置２００は、受信手段２１０と送信手段２２０を有する。受信手段２１０には、リアルタイム受信手段２１１、受信バッファ２１２、プロトコル変換手段２１３が設けられている。送信手段２２０には、プロトコル逆変換手段２２１、送信バッファ２２２、リアルタイム送信手段２２３が設けられている。なおリアルタイムネットワーク１００が全二重通信方式の場合は、受信と送信が独立して行われ、半二重通信方式の場合は交互に行われる。

リアルタイム受信手段２１１は、リアルタイムネットワーク１００からフレームを受信する。リアルタイムネットワーク１００からのフレームは、通信サイクルＴの中の非リアルタイムユニット２に割り当てられた帯域で受信される。受信されたフレームは、受信バッファ２１２に送信される。

受信バッファ２１２は、受信されたフレームを一時的に保持し、非リアルタイムユニット２へのフレームの送信元となる。

プロトコル変換手段２１３は、受信バッファ２１２に保持されたフレームを順次非リアルタイム形式に変換し、非リアルタイムユニット２に送信する。具体的にはフレームのヘッダを、非リアルタイムユニット２が扱える形式に変換する。ここでは、リアルタイム形式から非リアルタイム形式への変換を「変換」、非リアルタイム形式からリアルタイム形式への変換を「逆変換」と呼ぶこととする。以上の説明の中で、受信バッファ２１２から非リアルタイム２までの通信は、リアルタイム通信で割り当てられた帯域とは無関係に、すなわち非リアルタイムで実行される。

プロトコル逆変換手段２２１は、非リアルタイムユニット２から送出された非リアルタイム形式のフレームを、リアルタイム形式のフレームに変換し、送信バッファ２２２に送信する。

送信バッファ２２２はリアルタイム形式のフレームを一時的に保持し、リアルタイム送信手段２２３を介して、リアルタイムネットワーク１００に送信する。ここで、送信バッファ２２２からのフレームの送信は仮想リンクＶＬで割り当てられた帯域（タイミング）で行われる。ところが、非リアルタイムユニット２から送信バッファ２２２までの通信は非リアルタイムで行われるため、自身に割り当てられたタイミングで、フレームが送信できる状態にあるとは限らない。このため、リアルタイム送信手段２２３は、送信バッファ２２にフレームが完全に保持されていれば送信し、完全に保持されていなければ何も送らない、ように動作する。

次にゲートウェイ装置２００の動作について説明する。図３はリアルタイムネットワーク１００からフレームを受信する時の動作を示すフローチャートである。まず通信タイミングが到来し仮想リンクＶＬが接続状態になる（Ｓ１０１）。続けてリアルタイム受信手段２１１が、仮想リンクからフレームを受信する（Ｓ１０２）。次にリアルタイム受信手段２１１からフレームが受信バッファ２１２に送信される（Ｓ１０３）。次に受信バッファ２１２がフレームを順次プロトコル変換手段２１３に送信する（Ｓ１０４）。次にプロトコル変換手段２１３がフレームを非リアルタイム形式に変換する（Ｓ１０５）。次いで変換されたフレームを、順次非リアルタイムユニット２に送信する。以上のようにして、非リアルタイムユニット２は非リアルタイム通信プロトコルによって、フレームを受信することが出来る。

次に、非リアルタイムユニット２からフレームを送信するときのゲートウェイ装置２００の動作について説明する。図４は送信時の動作を示すフローチャートである。まず非リアルタイムユニット２から非リアルタイム形式のフレームが送信される（Ｓ２０１）。次にプロトコル逆変換手段２２１が非リアルタイム形式のフレームをリアルタイム形式に変換する（Ｓ２０２）。次に変換されたフレームを送信バッファ２２２に送信する（Ｓ２０３）。次に通信のタイミングが到来し、仮想リンクＶＬが接続状態になる（Ｓ２０４）。このとき送信バッファ２２２に保持されているフレームが送信可能な状態になっているとは限らない。なぜなら、非リアルタイムユニット２から送信バッファ２２２までの間の通信は非リアルタイムプロトコルで行われているため、時間の制約を受けないからである。そこでフレームが不完全であった場合は（Ｓ２０５＿ＮＯ）、送信バッファ２２２はフレームを送信しない。そしてプロトコル逆変換手段２２１からのフレーム受信を続行する。一方、フレームが完全であった場合は（Ｓ２０５＿ＹＥＳ）、リアルタイム送信手段はリアルタイムネットワーク１００に向けてフレームを送信する（Ｓ２０６）。

ゲートウェイ装置２００が、以上のような動作をすることにより、非リアルタイムユニット２は、自身が非リアルタイム通信しかしていないにも関わらず、リアルタイムネットワーク１００と通信することができる。またリアルタイムネットワーク１００の側から見ると、リアルタイムネットワーク１００はゲートウェイ装置２００との間でリアルタイム通信を行っているだけであるにも関わらず、非リアルタイムユニット２と通信をすることができる。まとめると、非リアルタイムユニット２に本実施の形態のゲートウェイ装置２００を接続することにより、他のリアルタイムユニット１と全く同じように扱うことができることになる。

次にリアルタイム通信の具体例を示す。図５は仮想リンクＶＬを用いた、リアルタイム通信の概念を模式的に表すブロック図であり、機器の構成は図１と同じである。ここで、通信サイクルＴの中で、３つの仮想リンクＶＬ１、ＶＬ２、ＶＬ３が設定されているとする。仮想リンクの内容を図６に示す。仮想リンク１ＶＬ１はリアルタイムユニットａ１ａからリアルタイムユニットｄ１ｄおよび非リアルタイムユニット２へのフレーム送信であり、時間ｔ１からｔ２までの帯域が割り当てられている。仮想リンク２ＶＬ２は、リアルタイムユニットａ１ａからリアルタイム１ｂおよび１ｃへのフレーム送信であり、時間ｔ３からｔ４までの帯域が割り当てられている。仮想リンク３ＶＬ３は、非リアルタイムユニット２からリアルタイムユニットｃ１ｃへのフレーム送信であり、時間ｔ５からｔ６までの帯域が割り当てられている。ここで、図４で説明したように、仮想リンク３ＶＬ３においては、非リアルタイムユニット２からフレームが送信されない場合がある。しかしながら、リアルタイム通信では、データの有無に関わらず、通信はスケジュール通りに行われる。このため送信されなかったフレームは次回以降の通信サイクルで送信されることになる。なお上記の説明では送信元、送信先をユニット名で表したが、各ユニットに対応するネットワークアドレスを定義して、これを用いることもできる。

仮想リンクＶＬと時間の関係について説明する。図７は、それぞれの仮想リンクＶＬに対する帯域の割当を模式的に示した図である。この図から明らかなように、本実施の形態における非リアルタイムユニット２の通信はリアルタイム通信サイクルの中で行われる。すなわち非特許文献１のような一般的なリアルタイム・非リアルタイム混在ネットワークのように、通信サイクルの中に空白の時間を作り、そこで非リアルタイム通信を行うシステムとは異なるものである。なお、上記の例はあくまで一例であり、リアルタイムユニット１の数、仮想リンクＶＬの設定等に関しては、これに限定されるものではない。
（第２の実施の形態）
本発明のゲートウェイ装置２００に接続する非リアルタイムユニット２は1つに限られることはなく、複数の非リアルタイムユニット２や複数の非リアルタイムユニット２で構成される非リアルタイムネットワーク３００にも接続可能である。

図８は、複数の非リアルタイムユニット２で構成される非リアルタイムネットワーク３００が、ゲートウェイ装置２０を介して、リアルタイムネットワーク１００に接続している状態を表すブロック図である。図中には３つの非リアルタイムユニット２、２ａ、２ｂ、２ｃを示しているが、より多くの非リアルタイムユニット２が含まれていても良い。

このような場合、それぞれの非リアルタイムユニット２に付与された非リアルタイムネットワークアドレスに対応するリアルタイムネットワークアドレスを設定しておくことで、通常のリアルタイムユニット１と同様に扱うことができる。図９に対応表の例を示す。

またそれぞれの非リアルタイムユニット２に付与されたリアルタイムネットワークアドレスを用いて仮想リンクを設定し、図６の対応表とともに仮想リンクテーブル１２に保持しておけば、非リアルタイムユニット２をリアルタイムユニット１と全く同様に扱うことができる。図１０に仮想リンク設定の一例を示す。
（第３の実施の形態）
本実施の形態は、第２の実施の形態のリアルタイムネットワーク１００として航空機用のシステムであるＡＦＤＸ１１０（登録商標）、非リアルタイムネットワークとしてＴＣＰ／ＩＰまたはＵＤＰ／ＩＰを用いた汎用のイーサネット（登録商標）３１０を用い、本発明のゲートウェイ装置２００で接続した例である。非リアルタイムユニット２として組み込まれる機器には、コンソールや信号処理機等が挙げられる。

１、９０１ リアルタイムユニット
２ 非リアルタイムユニット
１０、９１０ スイッチ
１１、９１１ スケジューラ
１２、９１２ 仮想リンクテーブル
１００ リアルタイムネットワーク
１１０ ＡＦＤＸ
２００ ゲートウェイ装置
２１０ 受信手段
２１１ リアルタイム受信手段
２１２ 受信バッファ
２１３ プロトコル変換手段
２２０ 送信手段
２２１ プロトコル逆変換手段
２２２ 送信バッファ
２２３ リアルタイム送信手段
３００ 非リアルタイムネットワーク
３１０ イーサネット（登録商標）
ＶＬ 仮想リンク
ＲＴ リアルタイム通信
ＮＲＴ 非リアルタイム通信

Claims (8)

1. リアルタイムネットワークからフレームを受信し前記フレームを非リアルタイム通信形式のフレームに変換する第１の変換を行い非リアルタイムネットワークに転送するリアルタイムフレーム受信手段と、前記非リアルタイムネットワークからフレームを受信しリアルタイム形式のフレームに変換する第２の変換を行いリアルタイム通信期間において前記第２の変換が完了していれば前記リアルタイムネットワークに前記リアルタイム形式のフレームを送信するリアルタイムフレーム送信手段と、を有することを特徴とするゲートウェイ装置。
2. 前記リアルタイムフレーム送信手段が、リアルタイム通信期間において前記第２の変換が完了していない場合は前記リアルタイム形式のフレーム送信を保留する送信保留手段を有している、ことを特徴とする請求項１に記載のゲートウェイ装置。
3. 前記リアルタイムフレーム送信手段が、前記第２の変換が完了するまで前記リアルタイムフレームの蓄積を行う送信バッファを有している、ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のゲートウェイ装置。
4. 前記リアルタイムフレーム受信手段が、受信した前記リアルタイム通信形式のフレームを一時的に保持し前記非リアルタイムネットワークに順次転送する受信バッファを有している、ことを特徴とする請求項１乃至請求項３いずれか一項に記載のゲートウェイ装置。
5. 請求項１乃至請求項４いずれか一項に記載のゲートウェイ装置と、リアルタイムネットワークと、非リアルタイムネットワークと、を有する通信ネットワーク。
6. リアルタイムフレーム受信手段とリアルタイムフレーム送信手段とを有するゲートウェイ装置の制御方法であって、前記リアルタイムフレーム受信手段がリアルタイムネットワークからフレームを受信し前記フレームを非リアルタイム通信形式のフレームに変換する第１の変換を行い非リアルタイムネットワークに転送し、前記リアルタイムフレーム送信手段が前記非リアルタイムネットワークからフレームを受信し、リアルタイム形式のフレームに変換する第２の変換を行い、リアルタイム通信期間において前記第２の変換が完了していれば前記リアルタイムネットワークに前記リアルタイム形式のフレームを送信する、ことを特徴とするゲートウェイ装置の制御方法。
7. 前記リアルタイム通信期間において前記第２の変換が完了していない場合は前記リアルタイム形式のフレーム送信を保留する、ことを特徴とする請求項６に記載のゲートウェイ装置の制御方法。
8. 前記リアルタイムフレーム受信手段が受信バッファを有し、受信した前記リアルタイム通信形式のフレームを一時的に前記受信バッファに保持し前記非リアルタイムネットワークに順次転送する、ことを特徴とするゲートウェイ装置の制御方法。

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