JP5480960B2 - ネットワーク接続装置、通信システム及び通信方法 - Google Patents
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Description
精密タイミング同期を重視するファクトリ自動化制御(例えば、製造装置自動化制御またはロボットアーム自動化制御)において、ロボットアーム制御などの動き制御、モータ回転速度制御などは、最も精度の高い通信タイミング同期を要求する。タイミング同期は、グランドマスタとロボットアームおよびモータなどのノードとの間で達成されなければならない。タイミング同期が精密でなければ、製品は故障することがあり、それによって利益に直接影響を及ぼしかつ多額の損失を引き起こす。
図1A(先行技術)は、「カスタマエッジルータまたはそれと関連する加入者宅内機器を同期する方法」という題の米国特許公開第2007/0064851号明細書に開示されている先行技術のタイミング同期を示す。図1Aに示すように、CPE10およびCPE16は、BMCアルゴリズムを実行して、マスタおよびスレーブを決定する(CPE10はマスタであり、かつCPE16はスレーブであると仮定する)。その後、CPE10は、CPE16がCPE10とタイミング同期しているように、PEルータ12およびCEルータ14を通して、タイミング同期リクエストパケットをCPE16に送信する。この関連技術では、機構は、「透過形タイミング同期機構」と呼ばれる。すなわち、CPE10およびCPE16は、それぞれ異なるサブネットワークに関連し、かつタイミング同期リクエストパケットは、CPE10とPEルータ12との間のサブネットワーク、PEルータ12とCEルータ14との間のサブネットワーク、およびCEルータ14とCPE16との間のサブネットワークなどの多数のサブネットワークを通して送信する必要がある。したがって、タイミング同期リクエストパケットは、送信遅延を有する。
本発明は、ネットワーク接続装置、ならびに通信システムおよびそれを応用する通信方法を提供する。
本発明の実施形態において、ネットワーク接続装置およびそれを応用する通信システムが提供される。ネットワーク接続装置は、グランドマスタとタイミング同期している。 ネットワーク接続装置は、スレーブノードにそれ自身とスレーブノードとの間でタイミング同期を達成するように要求する。したがって、グランドマスタと、ネットワーク接続装置と、スレーブノードとの間のタイミング同期が達成される。
本発明の実施形態において、ネットワーク接続装置およびそれを応用する通信システムが提供される。ハックノードが追加される場合には、ハックノードから出力されるベストタイミング同期リクエストパケットがネットワーク接続装置によってブロックされて、すべてのノード間のタイミング同期が影響されるのを防止する。さらに、ハックノードに接続されるネットワーク接続装置の接続ポートが遮断されて、ハックノードから出力されるすべてのパケットをブロックする。
図2Aは、本発明の実施形態による通信システム100を示す模式図である。図2Aを参照して、通信システム100は、グランドマスタ110および多数のサブネットワーク120および130を含む。サブネットワーク120は、ネットワーク接続装置121および多数のスレーブノード122を含む。サブネットワーク130は、ネットワーク接続装置131および多数のスレーブノード132を含む。本実施形態において、サブネットワークは、インターネットプロトコル(IP)ネットワークなどパケットネットワークを含むがこれに限定されない。2つのサブネットワークのみを図2Aに図示するが、当業者は、本発明がサブネットワークの数および種類によって制限されないことを理解することができる。
グランドマスタ110ならびにネットワーク接続装置121および131は、ベスト・マスタ・クロック(BMC)アルゴリズムおよび高精度時間プロトコル(PTP)を支持する。
ネットワーク接続モジュール210は、パケット関連機能と呼ばれることもある、パケットディスパッチ、パケット転送、およびパケット切換機能を実行する。
スレーブノードがBMCアルゴリズムを支持するならば、ネットワーク接続装置121の接続ポート230Bおよびスレーブノード122がBMCアルゴリズムを完全に実行した後、接続ポート230Bは、ネットワーク接続装置121を強制的にマスタノードになるようにする(これは、「マスタオンリ」機構と呼ばれる)。他方、スレーブノードがBMCアルゴリズムを支持しなければ、BMCアルゴリズムは接続ポート230Bとスレーブノード122との間で実行されないが、接続ポート230Bはまた、ネットワーク接続装置121を強制的にマスタノードになるようにしてもよい。
しかしながら、新たなノードを強制的にスレーブノードになるようにすることができなければ、新たなノードは、本発明の実施形態のハックノードとみなされ、かつ新たなノードに接続される接続ポート230Bが遮断される。したがって、ネットワーク接続装置121は、ハックノードがタイミング同期リクエストを不適切に出力してサブネットワーク(および通信システム全体)のタイミング同期を乱すのを防止してもよい。
以上で説明したように、BMCアルゴリズムを支持しないスレーブノードが、本発明の実施形態に従ってさらに提供される。BMCアルゴリズムを支持しないスレーブノードのソフトウェア/ハードウェアは、PTPをなお支持する。したがって、スレーブノードのソフトウェア/ハードウェアを簡略化し、ひいてはスレーブノードのコストを下げることが可能である。スレーブノードのソフトウェア/ハードウェアがBMCアルゴリズムを動作させる必要がないので、スレーブノードのソフトウェア/ハードウェアの動作負荷は、さらに低下されてもよい。より特定的には、スレーブノードとグランドマスタとの間のタイミング同期は、BMCアルゴリズムを完了する際にかかる時間が節約されるので、さらに加速されてもよい。
本発明の実施形態は、境界タイミング同期機構を提供する。図3は、本発明の実施形態によるタイミング同期機構を示す模式図である。
本発明の実施形態において、タイミング同期リクエストパケットは、多数のサブネットワークを通して送信する必要がない。図3に示されるように、グランドマスタ110およびスレーブノード122は、それぞれ異なるサブネットワークに関連する。最初に、グランドマスタ110およびネットワーク接続装置121は、BMCアルゴリズムを実行して、マスタスレーブ関係を決定する(すなわち、どちらがマスタでありかつどちらがスレーブであるかを決定する)。グランドマスタは常にマスタであるので、BMCアルゴリズムが実行された後、グランドマスタ110がマスタとなりかつネットワーク接続装置121がスレーブとなる。
<追加される新たなノード>
図4は、本発明の実施形態に従って新たなノードを追加する動作を示す模式図である。図4に示すように、本実施形態におけるネットワーク接続装置121の接続ポート230Bは、「マスタオンリ」機構を有する。新たなノード420が追加される場合には、新たなノード420は、ベストタイミング同期リクエストパケットEbestをネットワーク接続装置121に出力しようとする。しかしながら、ネットワーク接続装置121の関連接続ポート230Bは、マスタであるように設定されていて、そこで新たなノード420がスレーブであるように設定される。さらに、新たなノード420から出力されるベストタイミング同期リクエストパケットEbestは、ネットワーク接続装置121によってブロックされる。すなわち、新たなノード420から出力されるベストタイミング同期リエクストパケットEbestを、他のスレーブノードに送信することができない。
図5は、本発明の実施形態におけるグランドマスタノードの除去またはクラッシュを示す模式図である。図5に示すように、グランドマスタ110が、本実施形態においてクラッシュされまたは除去されるならば、ネットワーク接続装置121は、ネットワーク接続装置121のタイミング情報に基づいて、スレーブノード122とのタイミング同期を連続して行う。したがって、すべてのスレーブノード122は、なお同期してかつ正常に動作する。したがって、グランドマスタが除去されまたはクラッシュされても、製造工程全体は、本実施形態において妨害されない。
図6は、ハックノードが本発明の実施形態において追加される場合の条件を示す模式図である。図6に示すように、本実施形態におけるネットワーク接続装置121の接続ポート230Bは、「マスタオンリ」機構を有し、かつ新たに追加されたハックノード620によって出力されるベストタイミング同期リクエストパケットEbestをブロックする/フィルタすることができ、パケットが通信ネットワーク100内部の他のノードに導入されるのを防止する。
<フローチャート>
図7は、本発明の実施形態による動作を示すフローチャートである。図7に示すように、ステップ710では、ガードマスタおよびネットワーク接続装置は、BMCアルゴリズムを実行して、グランドマスタがマスタでありかつネットワーク接続装置がスレーブであると決定する。次に、ステップ720では、ネットワーク接続装置は、連続してガードマスタとタイミング同期している。
ステップ740では、BMCアルゴリズムは、ネットワーク接続装置とBMCアルゴリズムを支持するノードとの間で実行されて、どちらがマスタでありかつどちらがスレーブであるかを決定する。
ステップ760では、ネットワーク接続装置は、マスタとして設定され、かつこのノードがスレーブとして設定される。ネットワーク接続装置は、タイミング同期リクエストをスレーブノードにアクティブに出力して、タイミング同期を行う。したがって、グランドマスタと、ネットワーク接続装置と、スレーブノードとの間でタイミング同期を完了することが可能である。
要約すると、本発明の実施形態において、ネットワーク接続装置は、同じサブネットワーク上のすべてのスレーブノードがそれ自身とタイミング同期しているように要求する。ガードマスタは、スレーブノードがそれ自身とタイミング同期しているように要求しない。さらに、ガードマスタは、各サブネットワーク上のネットワーク接続装置がそれ自身とタイミング同期しているように要求する。したがって、通信システム全体におけるすべてのノード間でタイミング同期が達成されてもよい。ガードマスタが除去されまたはクラッシュされる場合、新たなスレーブが追加される場合、またはハックノードがハックしたい場合でも、通信システム内部のすべてのノード間のタイミング同期をなお保持することができ、かつそれには負影響が及ぼされる。
本出願は、2008年10月21日に出願された台湾特許出願第97140355号明細書の優先権を主張し、その全ての開示内容を本明細書中に援用する。
Claims (29)
- グランドマスタと、前記グランドマスタに結合された少なくとも1つのサブネットワークとを有し、前記サブネットワークは、
(a)少なくとも1つの第1ノードと、
(b)前記グランドマスタおよび前記少なくとも1つの第1ノードにかつその間に結合されるネットワーク接続装置であって、前記ネットワーク接続装置は、前記グランドマスタからのタイミング情報を受け入れて、前記ネットワーク接続装置と前記グランドマスタとの間でタイミング同期を達成し、かつ前記ネットワーク接続装置は、前記少なくとも1つの第1ノードとの関係ではマスタとして振る舞い、前記少なくとも1つの第1ノードとの伝送遅延を含む同期時間を計算し、前記少なくとも1つの第1ノードにその同期時間を供給することにより前記少なくとも1つの第1ノードをその同期時間に基づいて同期するスレーブとするものであり、前記ネットワーク接続装置のタイミング情報に基づいて第1タイミング同期リクエストパケットを前記少なくとも1つの第1ノードに出力して、前記少なくとも1つの第1ノードが前記ネットワーク接続装置とタイミング同期しているように要求する、ネットワーク接続装置とを備えるものであり、
前記グランドマスタ及び前記ネットワーク接続装置は、前記グランドマスタと前記ネットワーク接続装置との間のマスタ−スレーブ関係を決定するためのベスト・マスタ・クロック(BMC)アルゴリズムを支持し、前記少なくとも1つの第1ノードが前記BMCアルゴリズムを支持しないときは、前記ネットワーク接続装置は前記少なくとも1つの第1ノードを、前記BMCアルゴリズムを用いないで強制的にスレーブとするものである、通信システム。 - 前記グランドマスタと、前記ネットワーク接続装置とは、マスタとスレーブの関係があり、前記ネットワーク接続装置と、前記少なくとも1つの第1ノードとは、マスタとスレーブの関係がある、請求項1に記載のシステム。
- 前記ネットワーク接続装置が、前記グランドマスタからの前記タイミング情報を受け入れる場合には、前記グランドマスタは、第2タイミング同期リクエストパケットを前記ネットワーク接続装置に出力して、その間で前記タイミング同期を達成し、かつ前記第2タイミング同期リクエストパケットは、前記グランドマスタと前記ネットワーク接続装置との間の境界を越えて送信される、請求項1に記載のシステム。
- 前記ネットワーク接続装置から出力される前記第1タイミング同期リクエストパケットは、前記ネットワーク接続装置と前記少なくとも1つの第1ノードとの間の境界を越えて送信される、請求項1に記載のシステム。
- 第2ノードが前記サブネットワークに新たに追加される場合には、前記ネットワーク接続装置は、前記第2ノードを強制的にスレーブであるようにし、かつ前記 ネットワーク接続装置は、前記第2ノードから出力される第3タイミング同期リクエストパケットを停止させる、請求項1に記載のシステム。
- 前記グランドマスタが除去されまたはクラッシュされる場合には、前記ネットワーク接続装置は、なお適時に前記少なくとも1つの第1ノードが前記ネットワー ク接続装置とタイミング同期しているように要求して、その間で前記タイミング同期を達成し続ける、請求項1に記載のシステム。
- ハックノードは、前記サブネットワークに新たに追加され、前記ネットワーク接続装置は、前記ハックノードを強制的にスレーブであるようにしようとし、かつ前記ネットワーク接続装置が、前記ハックノードを強制的に前記スレーブであるようにすることができなくても、前記ハックノードに接続される前記ネットワーク接続装置の接続ポートが遮断され、かつ前記ネットワーク接続装置は、前記ハックノードから出力される第4タイミング同期リクエストパケットを停止させる、請求項1に記載のシステム。
- 前記グランドマスタおよび前記ネットワーク接続装置は、高精度時間プロトコル(PTP)を支持する、請求項1に記載のシステム。
- 前記少なくとも1つの第1ノードは、高精度時間プロトコル(PTP)を支持し、かつ前記少なくとも1つの第1ノードは、前記BMCアルゴリズムを支持するまたは支持しない、請求項1に記載のシステム。
- 前記ネットワーク接続装置は、
複数の接続ポートであって、前記接続ポートのうち第1接続ポートは、前記グランドマスタに接続され、かつ前記接続ポートのうち第2接続ポートは、前記少なくとも1つの第1ノードに接続される、複数の接続ポートと、
前記接続ポートに結合されるタイミング同期モジュールであって、前記グランドマスタから送信される前記第2タイミング同期リクエストパケットは、前記第1接続ポートを通して前記タイミング同期モジュールに送信されて、前記グランドマスタと前記ネットワーク接続装置との間で前記タイミング同期を達成し、かつ前記タイミング同期モジュールは、前記第1タイミング同期リクエストパケットを、前記第2接続ポートを通して前記少なくとも1つの第1ノードにさらに出力して、前記ネットワーク接続装置と前記少なくとも1つの第1ノードとの間で前記タイミング同期を達成する、タイミング同期モジュールと、
前記接続ポートに結合され、パケット送信、パケット切換、パケットディスパッチング、またはパケット転送を含むパケット関連機能を行う、ネットワーク接続モジュールとを備える、請求項3に記載のシステム。 - グランドマスタと第1ノードとを備える、通信システムにおいて応用されるネットワーク接続装置であって、前記ネットワーク接続装置は、
複数の接続ポートであって、前記接続ポートのうちの第1接続ポートは、前記グランドマスタに接続され、かつ前記接続ポートのうちの第2接続ポートは、前記第1ノードに接続される、複数の接続ポートと、
前記接続ポートに結合されるタイミング同期モジュールであって、前記グランドマスタから送信される第1タイミング同期リクエストパケットは、前記第1接続ポートを通して前記タイミング同期モジュールに送信されて、前記グランドマスタと前記ネットワーク接続装置との間でタイミング同期を達成し、前記タイミング同期モジュールは、前記第1ノードとの関係ではマスタとして振る舞い、前記第1ノードとの伝送遅延を含む同期時間を計算し、前記第1ノードにその同期時間を供給することにより前記第1ノードをその同期時間に基づいて同期するスレーブとし、第2タイミング同期リクエストパケットを、前記第2接続ポートを通して前記第1ノードに出力して、前記ネットワーク接続装置と前記第1ノードとの間でタイミング同期を達成する、タイミング同期モジュールと、
前記接続ポートに結合され、パケット関連機能を行う、ネットワーク接続モジュールとを備え、
前記グランドマスタ及び前記ネットワーク接続装置は、前記グランドマスタと前記ネットワーク接続装置との間のマスタ−スレーブ関係を決定するためのベスト・マスタ・クロック(BMC)アルゴリズムを支持し、前記少なくとも1つの第1ノードが前記BMCアルゴリズムを支持しないときは、前記ネットワーク接続装置は前記少なくとも1つの第1ノードを、前記BMCアルゴリズムを用いないで強制的にスレーブとするものである、ネットワーク接続装置。 - グランドマスタと前記ネットワーク接続装置とは、マスタとスレーブの関係があり、かつ前記ネットワーク接続装置と前記第1ノードは、マスタとスレーブの関係がある、請求項11に記載の装置。
- 前記第1タイミング同期リクエストパケットは、前記グランドマスタと前記ネットワーク接続装置との間の境界を越えて送信される、請求項11に記載の装置。
- 前記第2タイミング同期リクエストパケットは、前記ネットワーク接続装置と前記第1ノードとの間の境界を越えて送信される、請求項11に記載の装置。
- 第2ノードは、前記ネットワーク接続装置の前記接続ポートのうちの第3接続ポートに新たに接続され、前記ネットワーク接続装置は、前記第2ノードを強制的にスレーブであるようにし、かつ前記ネットワーク接続装置は、前記第2ノードから出力される第3タイミング同期リクエストパケットを停止させる、請求項11に記載の装置。
- 前記グランドマスタが除去されまたはクラッシュされる場合には、前記ネットワーク接続装置は、なお適時に前記第1ノードが前記ネットワーク接続装置とタイミング同期しているように要求して、その間で前記タイミング同期を達成し続ける、請求項11に記載の装置。
- ハックノードは、前記ネットワーク接続装置の前記接続ポートのうちの第4接続ポートに新たに接続され、前記ネットワーク接続装置は、前記ハックノードを強制的にスレーブにしようとし、かつ
前記ネットワーク接続装置が、前記ハックノードを強制的に前記スレーブであるようにすることができないなら、前記第4接続ポートが遮断され、かつ前記ネットワーク接続装置は、前記ハックノードから出力される第4タイミング同期リクエストパケットを停止させる、請求項11に記載の装置。 - 前記グランドマスタおよび前記ネットワーク接続装置は、高精度時間プロトコル(PTP)を支持し、前記第1ノードは、前記高精度時間プロトコル(PTP)を支持し、かつ前記第1ノードは、前記BMCアルゴリズムを選択的に支持する、請求項11に記載の装置。
- 前記ネットワーク接続モジュールによって行われる前記パケット関連機能は、パケット送信、パケット切換、パケットディスパッチング、またはパケット転送を含む、請求項11に記載の装置。
- 前記タイミング同期モジュールは、前記第1ノードについての送信遅延との同期時間を計算することを担当し、かつ第2タイミング同期リクエストパケットとの同期時間を、前記第2接続ポートを通して前記第1ノードに出力し、次に第1ノードは、前記タイミング同期モジュールまで前記同期時間と同期される、請求項11に記載の装置。
- グランドマスタと、少なくとも1つの第1ノードと、ネットワーク接続装置とを有する通信システムにおける通信方法であって、
前記ネットワーク接続装置によって、前記グランドマスタからのタイミング情報を受け入れて、前記ネットワーク接続装置と前記グランドマスタとの間でタイミング同期を達成するステップと、
前記ネットワーク接続装置は、前記少なくとも1つの第1ノードとの関係ではマスタとして振る舞い、前記少なくとも1つの第1ノードとの伝送遅延を含む同期時間を計算し、前記少なくとも1つの第1ノードにその同期時間を供給することにより前記少なくとも1つの第1ノードをその同期時間に基づいて同期することによって、前記ネットワーク接続装置のタイミング情報に基づいて第1タイミング同期リクエストパケットを前記少なくとも1つの第1ノードに出力し、かつ前記第1ノードが前記ネットワーク接続装置と前記少なくとも1つの第1ノードとの間でタイミング同期を達成するように要求するステップとを含み、
前記グランドマスタ及び前記ネットワーク接続装置は、前記グランドマスタと前記ネットワーク接続装置との間のマスタ−スレーブ関係を決定するためのベスト・マスタ・クロック(BMC)アルゴリズムを支持し、前記少なくとも1つの第1ノードが前記BMCアルゴリズムを支持しないときは、前記ネットワーク接続装置は前記少なくとも1つの第1ノードを、前記BMCアルゴリズムを用いないで強制的にスレーブとする、方法。 - 前記グランドマスタがマスタでありかつ前記ネットワーク接続装置が前記グランドマスタと前記ネットワーク接続装置との間のスレーブであるように設定するステップと、
前記ネットワーク接続装置がマスタでありかつ前記少なくとも1つの第1ノードが前記ネットワーク接続装置と前記少なくとも1つの第1ノードとの間のスレーブであるように設定するステップとをさらに含む、請求項21に記載の方法。 - 前記グランドマスタによって、第2タイミング同期リクエストパケットを前記ネットワーク接続装置に出力して、その間で前記タイミング同期を達成するステップであって、前記第2タイミング同期リクエストパケットは、前記グランドマスタと前記ネットワーク接続装置との間の境界を越えて送信されるステップをさらに含む、請求項21に記載の方法。
- 前記ネットワーク接続装置から出力される前記第1タイミング同期リクエストパケットは、前記ネットワーク接続装置と前記少なくとも1つの第1ノードとの間の境界を越えて送信される、請求項21に記載の方法。
- 第2ノードが新たに追加される場合には、前記ネットワーク接続装置によって、前記第2ノードがスレーブであるように設定し、かつ前記ネットワーク接続装置によって、前記第2ノードから出力される第3タイミング同期リクエストパケットを停止させるステップをさらに含む、請求項21に記載の方法。
- 前記グランドマスタが除去されまたはクラッシュされる場合には、前記ネットワーク接続装置によって、適時に前記少なくとも1つの第1ノードが前記ネットワーク接続装置とタイミング同期しているように要求して、その間で前記タイミング同期を達成し続けるステップをさらに含む、請求項21に記載の方法。
- ハックノードが新たに追加される場合には、前記ネットワーク接続装置によって、前記ハックノードがスレーブであるように設定しようとするステップをさらに含み、
前記ネットワーク接続装置が、前記ハックノードが前記スレーブであるように設定することができなければ、前記ハックノードに接続される前記ネットワーク接続装置の接続ポートが遮断され、かつ前記ネットワーク接続装置は、前記ハックノードから出力される第4タイミング同期リクエストパケットを停止させる、請求項21に記載の方法。 - 前記グランドマスタおよび前記ネットワーク接続装置は、高精度時間プロトコル(PTP)を支持する、請求項21に記載の方法。
- 前記少なくとも1つの第1ノードは、高精度時間プロトコル(PTP)を支持し、かつ前記少なくとも1つの第1ノードは、前記BMCアルゴリズムを選択的に支持する、請求項21に記載の方法。
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