JP4024988B2

JP4024988B2 - Data transmission method

Info

Publication number: JP4024988B2
Application number: JP2000111036A
Authority: JP
Inventors: 俊文林; 田中　　敦; 利広山田; 尚之松本
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2000-04-12
Filing date: 2000-04-12
Publication date: 2007-12-19
Anticipated expiration: 2020-04-12
Also published as: JP2001298480A

Description

【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Ethernet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。Ethernetでは、衝突による再送信回数を最大１６回と定め、１６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、Ethernet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 Correction System for Packet Based Real 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、複数のアプリケーションから出力されるデータを予め定められた順序で送信データパケットにまとめ、前記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。
【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、かつ第１の伝送路によって前記送信側の前記送信手段と接続されるとともに第２の伝送路によって前記受信側の前記受信手段と接続され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、前記送信側から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第２の受信手段と、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第２のパケット再生手段を有する。
【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２０３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２０７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１０７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１０７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。UDP/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Ethernet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Ａ１０２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Ｂ１０８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Ａ１０１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１１０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１０６ａ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１１０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１０７、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７０２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(sbuf)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slen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１０６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. “Measured Capacity of an Ethernet: Myths and Reality”, Proceedings of SIGCOMM’88(ACM SIGCOMM, 1988):222-234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１００２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１０７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Ａ１０１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１００８、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Ethernet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Ａ
１０２…アプリケーション群Ａ
１０３…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Ｂ
１０９…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Ｂ
１１４…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[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a data transmission system for a network used in a power plant, an industrial plant, or the like that guarantees data transmission within a predetermined time with a high probability.
[0002]
[Prior art]
FIG. 11 is a diagram illustrating a configuration concept of a star network in a conventional plant. In monitoring control in power plants, industrial plants, etc., data measured by sensors such as pressure and temperature, equipment status signals, etc. are collected at each site station 2001 and via a network comprising hubs 2002 and the like. It is transmitted to each supervisory control station 2003. On the other hand, a command signal from the supervisory control station 2003 is also transmitted to on-site equipment via the network.
[0003]
In plant monitoring and control, various types of transmission data are required to be transmitted within a predetermined time. In such a field, a token passing system has been used as a network transmission system in order to guarantee data transmission within a certain period of time. In the token passing method, special data called a token is successively transferred within a time limit between stations that transmit data, and only the station that receives the token has the right to transmit data. Since each station can hold a token only for a limited time, the token goes around all stations within a certain time. In addition, since only the station holding the token transmits data and the other stations receive it, data transmission within a certain time around the token is guaranteed.
[0004]
On the other hand, Ethernet, which is widely used mainly for office use, is cheaper than a token-passing network despite its high performance. The currently popular Ethernet has a transmission capacity of 10 Mbps to 100 Mbps, and has sufficient transmission capacity for process control.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
Ethernet originally has a mechanism in which transmission can be started at an arbitrary time by detecting that a transmission line is free at a plurality of stations connected to a single transmission line. However, since the signal speed transmitted through the transmission line is finite, a plurality of stations may start transmission in a very short time. To solve this problem, Ethernet has a mechanism to detect signal collision. When a station that started transmission detects a collision with another station's transmission, it stops transmission and puts a random delay time. The system starts transmission again. Such an Ethernet communication mechanism is called Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection (CSMA / CD).
[0006]
By adopting CSMA / CD, Ethernet achieves high transmission efficiency, but if multiple transmissions are concentrated in a short time, collisions are expected to overlap. In Ethernet, the maximum number of retransmissions due to a collision is set to 16 times, and if data cannot be transmitted within 16 times, the data is discarded. This is called collision out.
[0007]
Even if the transmission capacity of the system is designed with a sufficient margin, collisions and collision-outs occur randomly and cannot be completely avoided. The presence of data delays and collision-outs due to collisions are obvious obstacles when Ethernet is applied to process control.
[0008]
One solution to these problems is to use full-duplex Ethernet. In full-duplex Ethernet, a star-type transmission line is used, and a device called a switching hub is placed at the center. Each station and the switching hub are connected to each other by an independent full-duplex line, and a buffer memory for temporarily storing transmission data is placed in the switching hub. In such full-duplex Ethernet, collision can be avoided if an appropriate data transmission amount is set. This is because each station is connected to the switching hub by a dedicated line, so there is no collision, and even when multiple stations transmit data to a single station at the same time, one data is stored in the buffer memory in the switching hub. It is because it can be kept. However, the switching hub is more expensive than the widely used repeater hub.
[0009]
As another solution to collision and collision-out, data reliability can be increased by multiplexing data. For example, the probability that data cannot be transmitted within the time limit is 10 ^-Four If a system that always transmits the same data twice with a network configuration of about 10%, the probability that data cannot be transmitted is 10 ^-Four × 10 ^-Four = 10 ^-8 It might be a very low probability. However, in this method, the amount of data flowing through Ethernet is doubled, so the probability of collision and collision out for one transmission also increases, and the probability that data cannot be transmitted within the time limit is 10 ^-Four It is also possible to increase it.
[0010]
US Patent 5,870,412, "Forward Error Correction System for Packet Based Real Time Media" is a correction data obtained by calculating an exclusive OR of past data together with original data in a data packet transmitted as a stream. It is to be added. In this method, even if there is a loss of a plurality of packets in succession, the lost data can be restored from the corrected data without retransmission. However, this method is intended for stream data such as video and audio, and restoring lost packets requires waiting for arrival of packets to be transmitted in real time, which takes time. In addition, this method assumes transmission of a data stream in a network with low reliability, and is highly resistant to data loss, but also increases the data transmission amount more than twice.
[0011]
An object of the present invention is to provide a data transmission system that guarantees high-probability data transmission within a time limit.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems and achieve the object, the data transmission system of the present invention is configured as follows.
[0013]
(1) According to the data transmission method of the present invention, data is transmitted as a datagram including data error check information, and when a data error is detected in the check information, an upper protocol for discarding the datagram and the datagram In a network that employs a lower protocol that divides and transmits a frame so that it fits into a frame with a limited length, Summarizing data output from a plurality of applications into transmission data packets in a predetermined order, A packet decomposing means that divides a transmission data packet into a predetermined number of sub-packets, each having a length equal to or shorter than one frame, and inserting an identifier and a sub-packet number of the data packet in each sub-packet; Correction data generating means for obtaining correction data for each data from the beginning to the end for each decomposed subpacket, and generating a correction packet composed of the correction data; and the subpacket and the correction packet as the higher order A transmission means for transmitting through the protocol and the lower protocol, and the receiving side receives the first one of the sub-packet and the correction packet through the lower protocol and the upper protocol, and within a predetermined time period. Receiving means for receiving the remaining sub-packet and the correction packet; When all of the subpackets are received, a transmission data packet is reproduced from the received subpacket, and when one of the subpackets is lost and the correction packet is received, the received subpacket and the correction are received. Packet reproducing means for reproducing the data packet by reproducing the lost sub-packet from the packet.
[0014]
According to the data transmission system of the present invention, in a network employing a standard protocol, the reliability of data transmission within a predetermined time can be significantly improved without adding special hardware.
[0015]
(2) The data transmission method of the present invention is the method described in (1) above, and the transmitting side transmits data packets at a constant period. Belief The receiving side receives the data packet of the next cycle within a predetermined time from the reception of the data packet of the previous cycle. Ru .
[0016]
According to the data transmission method of the present invention, even when data is transmitted at a constant cycle, it is possible to transmit data with a high probability without adding special hardware within a predetermined time.
[0017]
(3) The data transmission method of the present invention is the method described in (2) above, and the transmission side and the reception side have means for adjusting the time, and the transmission side performs data synchronization at a period synchronized with the combined time. The packet is transmitted, and the receiving side receives the data packet in synchronization with the combined time.
[0018]
According to the data transmission method of the present invention, more accurate reception timing can be set when data is transmitted at a constant period.
[0019]
(4) The data transmission method of the present invention is the method described in (1) above, and a network connecting the transmission side and the reception side is multiplexed, and the transmission side transmits the subpacket and the correction to each network. The packet is transmitted, and the receiving side constructs transmission data from the subpacket and the correction packet received from the multiplexed network.
[0020]
According to the data transmission system of the present invention, the reliability of data transmission can be made extremely high.
[0021]
(5) The data transmission system of the present invention is the system described in (4) above, and the receiving side reconstructs the data packet transmitted from the multiplexed network in the packet reproduction means. A packet configurability determining unit that determines whether or not the subpacket and the correction packet necessary for the reception are received, and the packet configurability determining unit determines that the data packet is reconfigurable At that time, it immediately composes the data packet.
[0022]
According to the data transmission system of the present invention, the receiving side reproduces immediately without waiting for the arrival of a redundant packet when the packet becomes reproducible, so that the response speed of the entire system can be increased.
[0023]
(6) The data transmission method of the present invention is the method described in (1) above, and the transmitting side transmits the subpacket at a time interval when transmitting the subpacket and the correction packet.
[0024]
According to the data transmission method of the present invention, it is possible to reduce the probability of network collision out and increase the reliability of the entire system.
[0025]
(7) The data transmission method of the present invention is the method described in (1) above, and the number of subpackets is adjusted according to the length of the transmission data packet.
[0026]
According to the data transmission system of the present invention, it is possible to prevent a decrease in transmission efficiency of a transmission line due to short packet division.
[0027]
(8) The data transmission method of the present invention is the method described in (1) above, and the number of packets received from the packet reproducing means and the number of subpacket losses are input, and the number of subpacket losses relative to the number of packets is lost. The network health monitoring means for calculating the rate and monitoring the health of the network from the lost rate is used.
[0028]
According to the data transmission method of the present invention, the health of the network is constantly monitored, for example, by detecting a phenomenon in which the reliability of the network gradually decreases due to the deterioration of the transmission path, repairing before the deterioration progresses It becomes possible to do.
[0029]
(9) The data transmission method of the present invention is the method described in (1) above, and The first transmission path is connected to the transmission means on the transmission side and the second transmission path is connected to the reception means on the reception side. Having gateway means for transmitting data; The gateway means receives the first one of the subpacket and the correction packet from the transmission side through the lower protocol and the upper protocol, and then remains the subpacket and the correction within a predetermined time. Second receiving means for receiving a packet, and when all of the sub-packets are received, a transmission data packet is reproduced from the received sub-packets, and one of the sub-packets is lost and the correction packet is received. A second packet reproducing means for reproducing the data packet by reproducing the lost subpacket from the received subpacket and the correction packet. .
[0030]
According to the data transmission system of the present invention, it is possible to improve the reliability of data flowing through two transmission paths connected by a gateway.
[0031]
(10) The data transmission method according to the present invention is the method described in (1) above, and a second correction packet is generated for a subpacket including highly important data among the subpackets. .
[0032]
According to the data transmission method of the present invention, it is possible to guarantee higher reliability for highly important data.
[0033]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
(First embodiment)
FIG. 1 is a block diagram showing a data transmission method according to the first embodiment of the present invention. FIG. 1 shows data transmission from the application group A102 of the station A101 connected to the transmission path 107 to the application group B113 of the station B108.
[0034]
The application group A 102 represents a plurality of applications operating on the station A 101, and data output from these applications is collected into packets in a predetermined order and sent to the packet disassembling means 103. A packet is a collection of data to be transmitted at one time and has a length of several hundred octets to several tens of kilooctets. A packet identifier of 3 octets is added to the packet in order to distinguish a plurality of packets transmitted through the network. The packet disassembling means 103 disassembles the transmitted packets into subpackets each having a set of 8 packets that are equal in size and fit in the Ethernet frame.
[0035]
FIG. 2 is a flowchart showing the decomposition processing into subpackets in the packet decomposition means 103. First, when processing is started in step 201, in step 202, the length of the temporary buffer pbuf for storing packet data is set to plen.
[0036]
plen represents the length of pbuf in units of octets. Each subpacket is assigned a packet identifier of 3 octets and a subpacket number of 1 octet. Thus, in order for a subpacket to fit in an Ethernet frame of 1500 octets, the length of the data is 8 octets in the UDP header added by the UDP / IP protocol stack from the data length 1500 octets carried by the Ethernet frame, and It is 1468 octets minus 20 octets in the IP header, 3 octets in the packet identifier, and 1 octet for the subpacket number. Therefore, the maximum length that can be decomposed into 8 subpackets at a time is 1468 × 8 = 11744 octets.
[0037]
In step 203, if plen is 0 octet, the process ends in step 204. If plen is not 0 octets in step 203 and plen> 11744 is not satisfied in step 205, pbuf data is taken out and decomposed into subpackets in step 206. If plen> 11744 in step 205, in step 207, the data of the first 11744 octets of pbuf is extracted and decomposed into subpackets.
[0038]
The decomposition into subpackets in

steps

206 and 207 is performed so that the lengths of the eight subpackets are equal. If the length of plen is not divisible by 8, 0 data is added to make the subpackets equal in length. In step 208, the length of the buffer pbuf is set to plen, and the processes in and after step 203 are performed again.
[0039]
The set of eight subpackets configured as described above is sent to the correction data calculation means 104. The correction data calculation means 104 calculates a parity bit from the head bit of each subpacket and uses it as correction data. Since the length of the correction data is the same as that of the sub-packet, a correction packet composed of the correction data is formed and the sub-packet number is 9.
[0040]
[Expression 1]

[0041]
The subpacket and the correction packet constitute one packet set, and are sent to the UDP / IP protocol stack 105 in the order of the first to eighth subpackets and the correction packet. The UDP / IP protocol stack 105 sends it to the network interface 106 as a user datagram in which a UDP header and an IP header are added to the subpacket and the correction packet. The UDP header includes a checksum that is inspection data of the entire datagram. The network interface 106 encapsulates the transmitted user datagram into an Ethernet frame and transmits it, and the length of the user datagram is configured to fit in a single Ethernet frame in advance.
[0042]
The transmitted Ethernet frame is transmitted to the network interface 109 of the station B 108 through the transmission path 107. However, in the transmission path 107, in addition to an error due to noise, there are a delay due to a collision with an Ethernet frame transmitted from a station other than stations A and B, which is not shown in FIG. That is, when the Ethernet frame transmitted from the network interface 106 is received by the network interface 109, there are the following four cases.
[0043]
(1) Frames arrived in perfect form within the expected time
(2) Frame in which an error occurred in data
(3) Frames arrived after the expected time due to collision
(4) Frames that did not reach due to collision out
Except for the case (4), the user datagram is extracted from the frame received by the network interface 109 and sent to the UDP / IP protocol stack 110. The UDP / IP protocol stack 110 extracts the checksum from the UDP header of the user datagram, compares it with the separately calculated checksum, and discards the user datagram if they do not match. As a result, the user datagram included in the frame in which an error has occurred in the data (2) is discarded.
[0044]
When the user datagram arrives at the UDP / IP protocol stack 110, the packet reproduction means 111 takes out the subpacket and correction data that have been carried. The timer 112 starts when the first packet of the packet set arrives at the packet reproducing means 111, and sends a time-out signal to the packet reproducing means 111 when a predetermined time (several milliseconds to several tens of milliseconds) elapses.
[0045]
If the packet reproducing means 111 has received all of the first to eighth subpackets within the time limit, the packet reproducing means 111 reproduces the original packets from these subpackets so that the application group B 113 can receive them. If the packet reproducing means 111 cannot receive one subpacket, for example, the third subpacket among the first to eighth subpackets within the time limit and receives a correction packet, the lost third packet The kth word B from the beginning of the subpacket ^Three [k] is calculated as in the following equation (2).
[0046]
[Expression 2]

[0047]
Using the data of the third subpacket calculated as described above, the original packet is reproduced so that the application group B 113 can receive it.
[0048]
If the packet reproducing unit 111 cannot receive two or more of the 1st to 8th subpackets and the 9th corrected packet within the time limit, the original packet cannot be reproduced. However, since the network for plant monitoring and control is originally highly reliable, it is very unlikely that two of nine subpackets will be lost at the same time.
[0049]
In the first embodiment, exclusive OR is used to calculate correction data. However, as another calculation method, the k-th word total of each subpacket is divided by the maximum number of words that can be represented. The remainder can also be used.
[0050]
According to the first embodiment, in the network using the standard UDP / IP protocol stack as in the standard Ethernet, the reliability of data transmission within a predetermined time is added to the special hardware. It is expected from the following evaluation that it can be greatly improved without any.
[0051]
Let P be the probability that a sub-packet or correction packet will not reach from the packet decomposing means 103 to the packet reproducing means 111 (this is almost equal to the loss rate of the Ethernet frame). The probability that the original packet cannot be reproduced by the packet reproducing unit 111 is calculated by the following equation (3).
[0052]
[Equation 3]

[0053]
For example, if P is 1 / 10,000, the value of the above equation (3) is 3.6 / 10,000, and if P is 1 / 100,000, the value of the above equation (3) is 3.6 billion. Thus, data can be transmitted with a very high probability within a predetermined time.
[0054]
(Second Embodiment)
FIG. 4 is a block diagram showing a data transmission method according to the second embodiment of the present invention. In FIG. 4, the same parts as those in FIG.
[0055]
In FIG. 4, the timer 112a sends a signal to the application group A102 at a predetermined constant period, for example, one second period. When the application group A 102 receives the data transmission timing signal from the timer 112 a, the application group A 102 collects the data at the time of reception into a packet and sends it to the packet decomposing means 103. In the process monitoring control, the application group A102 receives process data input from a process input / output device (not shown in FIG. 4) connected to the station A101 or from another station (not shown in FIG. 4). Since the transmission data is generated based on the process data, the contents of the transmission data generally change with time.
[0056]
The packet decomposing means 103, the correction data calculating means 104, the UDP / IP protocol stack 105, the network interface 106, the transmission path 107, the network interface 109, and the UDP / IP protocol stack 110 function in the same manner as in the first embodiment. The timer 112 starts when reception of the packet set of the previous cycle is completed, and is a time obtained by adding 1 second, which is a cycle of transmitting data, to a fluctuation time of 0.1 seconds assumed as a characteristic of the network, That is, when 1.1 seconds elapse, a time-out signal is sent to the packet reproducing means 111. That is, the packet set of the next cycle is received within 1.1 seconds from the completion of reception of the packet set of the previous cycle.
[0057]
The packet reproduction means 111 functions in the same manner as in the first embodiment, and reproduces the transmitted packet.
[0058]
According to the second embodiment, even when data is transmitted at a fixed period, data can be transmitted with a high probability within a predetermined time without adding special hardware, as in the first embodiment. Can be transmitted.
[0059]
(Third embodiment)
FIG. 5 is a block diagram showing a data transmission method according to the third embodiment of the present invention. In FIG. 5, the same parts as those in FIGS. 1 and 4 are denoted by the same reference numerals.
[0060]
In FIG. 5, a clock 114 is a means for adjusting the times of the timer 112 and the timer 112a. The clock 114 is connected to the timer 112 and the timer 112a by a dedicated cable with a fixed signal delay time. Thereby, the times of the timer 112 and the timer 112a can be adjusted. The transmitting station A 101 transmits data packets in a cycle synchronized with the combined time, and the receiving station B 108 receives data packets in synchronization with the combined time. As an example of another means for adjusting the times of the timer 112 and the timer 112a, there is a method using a signal from a GPS satellite.
[0061]
In the third embodiment, the timer 112 sends a time set in advance as a network transmission delay time after the timer 112a transmits the data transmission timing signal, for example, 0.1 seconds later to the packet reproduction means 111. Send a cut signal.
[0062]
According to the third embodiment, more accurate reception timing can be set when data is transmitted at a constant period.
[0063]
(Fourth embodiment)
FIG. 6 is a block diagram showing a data transmission method according to the fourth embodiment of the present invention. In FIG. 6, the same parts as those in FIGS. 1, 4 and 5 are denoted by the same reference numerals.
[0064]
FIG. 6 is obtained by duplicating the network by adding the second network interface 106a of the station A101, the second network interface 109a of the station B108, and the second transmission path 107a to the configuration of FIG.
[0065]
The UDP / IP protocol stacks 105 and 110 of the station A 101 and the station B 108 handle a duplicated network and have two IP addresses corresponding to the respective networks.
[0066]
The correction data calculation means 104 sends to the UDP / IP protocol stack 105 a destination of two IP addresses possessed by the UDP / IP protocol stack 110 and a packet set each consisting of a subpacket and a correction packet. Based on this, the UDP / IP protocol stack 105 transmits each packet set through the two

network interfaces

106 and 106a. The network interfaces 106 and 106a transmit the sent packet set to the network interfaces 109 and 109a through the

transmission paths

107 and 107a.
[0067]
The network interfaces 109 and 109a send the received packet set to the UDP / IP protocol stack 110, and the UDP / IP protocol stack 110 sends them to the packet reproduction means 111.
[0068]
If there is no loss or delay, the packet reproducing means 111 will receive two sets of subpackets and correction packets within the time limit. The packet reproducing means 111 selects a necessary subpacket or correction packet from these packet sets and reproduces the packet.
[0069]
In the fourth embodiment, a case where a packet cannot be reproduced is a case where two or more common subpackets or correction packets are lost in two packet sets. This happens with very little probability.
[0070]
According to the fourth embodiment, the reliability of data transmission can be made extremely high. The duplex network is adopted when high reliability is required in preparation for a failure of the network interface 106, the transmission path 107, the network interface 109, etc. However, according to the fourth embodiment, both of the duplex networks are used. The reliability of data transmission when functioning is evaluated as follows.
[0071]
In a single network, if the probability that this subpacket or correction packet does not reach from packet decomposing means 103 to packet regenerating means 111 (this is approximately equal to the loss rate of Ethernet frames) is P, packet decomposing in an independent dual network The probability Pd that no subpacket or correction packet reaches from the means 103 to the packet reproduction means 111 is P ² It becomes. That is, if P is 1 / 10,000, Pd is one hundred millionth of its square.
[0072]
At this time, the probability that the original packet cannot be reproduced by the packet reproducing means 111 is calculated by the following equation (4) as in the first embodiment.
[0073]
[Expression 4]

[0074]
When P is 1 / 10,000 (when Pd is 1/100 million), the value of the above equation (4) is 3.89 × 10 ^-15 Even if the data packet is transmitted 10 times per second, the loss of the data packet has a probability of once every 810,000 years.
[0075]
(Fifth embodiment)
FIG. 7 is a block diagram showing internal processing of the packet reproducing means 111 according to the fifth embodiment of the present invention.
[0076]
In FIG. 7, when receiving a subpacket from the UDP / IP protocol stack 110, the subpacket selection unit 701 distributes and writes the subpacket in the subpacket buffer 702 according to the subpacket number. The subpacket buffer 702 has nine buffers corresponding to the subpacket numbers. The sub-packet selection unit 701 does not write to the sub-packet buffer 702 when receiving the received sub-packet.
[0077]
The packet reproduction possibility determination unit 703 scans the subpacket buffer 702 every time the subpacket selection unit 701 writes a new subpacket in the subpacket buffer 702, and determines the possibility of packet reproduction. That is, a packet can be reproduced if data is contained in 8 of 9 buffers. When the packet reproduction possibility determination unit 703 determines that the packet can be reproduced, the packet reproduction unit 704 immediately takes out the subpacket from the subpacket buffer 702, reproduces the packet, and writes it in the packet buffer 705. The contents of the packet buffer 705 are read from the application as needed.
[0078]
According to the fifth embodiment, the receiving station reproduces immediately without waiting for the arrival of a redundant packet when the packet becomes reproducible, so that the response speed of the entire system can be increased.
[0079]
(Sixth embodiment)
In the sixth embodiment, the packet decomposition means 103 and the correction data calculation means 104 in FIG. 1 of the first embodiment are integrated into a packet set generation means, and the decomposition into subpackets in step 207 in FIG. 2 is performed. In processing, decomposition into subpackets and calculation of correction data are performed simultaneously, and a short time delay is inserted when the subpackets are sent to the UDP / IP protocol stack 105.
[0080]
FIG. 8 is a flowchart showing packet disassembly processing and correction data calculation processing. sbuf represents a buffer into which packet data sent from the application is stored. First, when processing is started in step 801, in order to cut out the sbuf from the head and decompose it into 8 subpackets in step 802, the packet length length (sbuf) is divided by 8 to determine the length of each subpacket. Calculate slen. Here, ceil (x) is a function that takes the smallest integer not smaller than x. Next, in step 803, slen octets are entered into cbuf from the beginning of sbuf as the initial value of correction data cbuf. In step 804, the slen octet is sent to the UDP / IP protocol stack 105 from the top of the sbuf.
[0081]
Thereafter, in step 805, the 0.0001 second (100 microsecond) process is sleeped, the counter i indicating the subpacket number is set to 2, and the following loop for cutting out the next subpacket is entered. This loop is repeated at step 806 until termination condition i> 8 is satisfied.
[0082]
In step 807, the exclusive OR of (i-1) * slen + 1 to i * slenth data and cbuf of the sbuf corresponding to the i-th subpacket is calculated. In step 808, this data is converted to UDP / Send to IP protocol stack 105. In step 809, the 0.0001-second process sleeps, i is counted up, and the process returns to step 806, which is the head of the loop.
[0083]
If i exceeds 8 in step 806, the correction data cbuf is sent to the UDP / IP protocol stack 105 in step 810, and the process ends in step 811. Needless to say, when data is sent to the UDP / IP protocol stack 105 in

steps

804, 808, and 810, a packet identifier and a subpacket number are attached.
[0084]
As described above, by providing a time delay when sending the subpacket and the correction packet to the UDP / IP protocol stack 105, a time interval can be created when the network interface 106 transmits an Ethernet frame to the transmission path 107. For this reason, even if several tens of transmitting stations are connected to the network, the possibility that the transmission from each station will be concentrated in time decreases, so the possibility that Ethernet frames will collide is reduced. The possibility of subpackets being lost due to collision out can be reduced.
[0085]
In the above embodiment, the packet set generation means sleeps for a predetermined time after sending the subpacket to the UDP / IP protocol stack. However, it is also conceivable to randomize the sleep time and shift the frame transmission time. . In addition, although the process of FIG. 8 explicitly sleeps, there is a method in which the time required for subpacket extraction and correction data calculation is set as a delay time.
[0086]
According to the sixth embodiment, the probability of occurrence of Ethernet collision out can be reduced, and the reliability of the entire system can be increased.
[0087]
(Seventh embodiment)
In the first embodiment, the data packet sent from the application is broken down into 8 subpackets and a correction packet. A large number of frames are transmitted. D. Boggs et.al. “Measured Capacity of an Ethernet: Myths and Reality”, Proceedings of SIGCOMM'88 (ACM SIGCOMM, 1988): 222-234 etc.
[0088]
Therefore, in the seventh embodiment, the packet decomposing means 103 adjusts the number of subpackets so that the shortest length of the Ethernet frame containing the subpackets is 256 octets. For example, if the length of the subpacket is 400 octets, 0 data is put into two subpackets having a length of 256 octets, and a correction packet is added.
[0089]
Furthermore, when the length of the data packet is less than 248 octets, the number of subpacket divisions is 1. In this case, the correction data calculation means 104 does not calculate correction data and generate a correction packet, Duplicate data by making a duplicate of the original data packet.
[0090]
According to the seventh embodiment, it is possible to prevent a reduction in transmission efficiency of a transmission line due to a short packet division.
[0091]
(Eighth embodiment)
FIG. 9 is a block diagram showing a data transmission system according to the eighth embodiment of the present invention. 9, the same parts as those in FIGS. 1 and 4 to 6 are denoted by the same reference numerals.
[0092]
In FIG. 9, the network health monitoring unit 901 inputs the number of received packets and the number of lost subpackets from the packet reproduction unit 111. Then, calculate the loss rate by dividing the number of lost subpackets by the number of received packets every hour, and if the loss rate increases from the average so far, determine that there is a problem with the network health, and issue an alarm. To emit.
[0093]
According to the eighth embodiment, the health of the network is constantly monitored, and for example, a phenomenon in which the reliability of the network gradually decreases due to the deterioration of the transmission path is repaired before the deterioration progresses. It becomes possible to do.
[0094]
(Ninth embodiment)
FIG. 10 is a block diagram showing a data transmission method according to the ninth embodiment of the present invention. In FIG. 10, the same parts as those in FIGS. 1, 4 to 6 and 9 are denoted by the same reference numerals.
[0095]
In FIG. 10, station A 101 and station B 108 are connected to

different transmission paths

107 and 1002, respectively, and

transmission paths

107 and 1002 are connected by a gateway 1001. Dozens of stations not shown in FIG. 10 are connected to the transmission path 107 and the transmission path 1002. Therefore, the data transmitted from the station A 101 may be lost on the transmission path 107 or the transmission path 1002.
[0096]
The gateway 1001 relays data sent from the station A 101 to the station B 108, and has a network interface 1003 for data reception, a UDP / IP protocol stack 1004, a packet reproduction means 1005, and a timer 1006, which are station B 108. The network interface 109, the UDP / IP protocol stack 110, the packet reproduction means 111, and the timer 112 function in the same manner to reproduce packets.
[0097]
Further, the gateway 1001 has a packet decomposing unit 1007, a correction data calculating unit 1008, a UDP / IP protocol stack 1009, and a network interface 1010 for transmission, and the packet decomposing unit 103, the correction data calculating unit 104 of the station A 101, respectively. It works in the same way as the UDP / IP protocol stack 105 and the network interface 106.
[0098]
In the gateway 1001, the subpacket received from the transmission path 107 is once regenerated into a packet, and is again decomposed into subpackets and sent to the transmission path 1002. Therefore, even if the subpacket or the correction packet is lost in the transmission path 107, A lost subpacket or correction packet is restored and transmitted to the transmission line 1002.
[0099]
According to the ninth embodiment, the reliability of data flowing through two transmission paths connected by a gateway can be improved.
[0100]
(Tenth embodiment)
In the first embodiment, the packets sent from the application group A102 are evenly divided into eight and correction packets are added. However, there are data with high importance and data with low importance in the data in the packets. is there.
[0101]
Therefore, highly important data is arranged in advance at the beginning of the packet, and these are included in the subpackets of subpacket numbers 1 to 4. In addition to calculating correction packets for the first to eighth subpackets, the correction data calculation means 104 generates second correction packets for the first to fourth subpackets having high importance. .
[0102]
According to the tenth embodiment, higher reliability can be ensured for highly important data.
[0103]
In addition, this invention is not limited only to said each embodiment, In the range which does not change a summary, it can deform | transform suitably and can implement.
[0104]
【The invention's effect】
According to the data transmission method of the present invention, a star type Ethernet or a bus type Ethernet is assumed as a network, and even if there is a possibility of transmission data delay due to collision or data loss due to collision out, within the time limit. It is possible to guarantee high probability data transmission in
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing a data transmission method according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a flowchart showing a decomposition process into subpackets in a packet decomposition unit according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing a specific calculation method of correction data according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a block diagram showing a data transmission method according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a block diagram showing a data transmission method according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a block diagram showing a data transmission method according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a block diagram showing internal processing of a packet reproduction unit 111 according to the fifth embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a flowchart showing packet disassembly processing and correction data calculation processing according to the sixth embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a block diagram showing a data transmission method according to an eighth embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a block diagram showing a data transmission method according to a ninth embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a diagram showing a configuration concept of a star network in a conventional plant.
[Explanation of symbols]
101 ... Station A
102 ... Application group A
103: Packet disassembling means
104: Correction data calculation means
105 ... UDP / IP protocol stack
106: Network interface
106a ... Network interface
107: Transmission path
107a ... Transmission path
108 ... Station B
109 ... Network interface
109a ... Network interface
110: UDP / IP protocol stack
111: Packet reproduction means
112 ... Timer
112a ... Timer
113 ... Application group B
114 ... clock
701: Sub-packet selection unit
702 ... Subpacket buffer
703 ... Packet reproducibility determination unit
704 ... Packet playback unit
705 ... Packet buffer
901: Network health monitoring means
1001 ... Gateway
1002 ... Transmission path
1003: Network interface
1004: UDP / IP protocol stack
1005 ... Packet reproduction means
1006 ... Timer
1007: Packet disassembling means
1008 ... Correction data calculation means
1009: UDP / IP protocol stack
1010: Network interface

Claims

The data is transmitted as a datagram containing data error check information, and if a data error is detected in the check information, the upper protocol that discards the datagram and the datagram fits into a frame with a limited length In a network that employs a lower protocol that divides the data into
The sender is
Data output from a plurality of applications are collected into transmission data packets in a predetermined order, and the transmission data packets are divided into a predetermined number of subpackets that are less than or equal to the length of each frame. Packet disassembling means for inserting the identifier and subpacket number of the data packet in each subpacket;
Correction data generation means for obtaining correction data for each data from the beginning to the end for each decomposed subpacket, and generating a correction packet composed of the correction data;
Transmission means for transmitting the subpacket and the correction packet through the upper protocol and the lower protocol,
The receiving side
Receiving means for receiving the first sub packet and the correction packet through the lower protocol and the upper protocol and then receiving the remaining sub packet and the correction packet within a predetermined time;
When all of the subpackets are received, a transmission data packet is reproduced from the received subpacket, and when one of the subpackets is lost and the correction packet is received, the received subpacket and the correction are received. A data transmission system comprising packet reproduction means for reproducing a data packet by reproducing a lost subpacket from a packet.

The transmitting side sends the data packet at a predetermined period,
The receiving side, the data transmission method of claim 1, wherein from the time of receiving the data packet of the previous period, and Turkey to receive data packets of the next period in a defined time .

The transmitting side and the receiving side have means for adjusting the time, the transmitting side transmits data packets in a cycle synchronized with the combined time, and the receiving side receives data packets in synchronization with the combined time The data transmission system according to claim 2.

Multiplexing the network connecting the transmitting side and the receiving side,
The transmission side transmits the subpacket and the correction packet to each network,
The data transmission system according to claim 1, wherein the receiving side configures transmission data from the subpacket and the correction packet received from the multiplexed network.

The receiving side
A packet configuration possibility determination unit that determines whether the subpacket and the correction packet necessary for reconstructing the data packet transmitted from the multiplexed network are received in the packet reproduction means. Have
5. The data transmission system according to claim 4, wherein the data packet is configured immediately when it is determined by the packet configuration possibility determination unit that the data packet can be reconfigured.

The sender side
The data transmission method according to claim 1, wherein when transmitting the subpacket and the correction packet, the subpacket is transmitted with a time interval.

The data transmission method according to claim 1, wherein the number of sub-packets is adjusted according to the length of the transmission data packet.

Network health monitoring means for inputting the number of packets received from the packet reproduction means and the number of lost subpackets, calculating a loss ratio of the number of lost subpackets with respect to the number of packets, and monitoring the health of the network from the lost ratio The data transmission system according to claim 1, wherein the data transmission system is used.

Gateway means for transmitting data connected to the transmitting means on the transmitting side by a first transmission path and connected to the receiving means on the receiving side by a second transmission path ;
The gateway means includes
Receiving the first sub packet and the correction packet from the transmission side through the lower protocol and the upper protocol, and then receiving the remaining sub packet and the correction packet within a predetermined time. Two receiving means;
When all of the subpackets are received, a transmission data packet is reproduced from the received subpacket, and when one of the subpackets is lost and the correction packet is received, the received subpacket and the correction are received. 2. The data transmission system according to claim 1, further comprising second packet reproducing means for reproducing a data packet by reproducing a lost subpacket from the packet .

2. The data transmission method according to claim 1, wherein a second correction packet is generated for a subpacket including highly important data among the subpackets.