JP6045711B2 - 通信ネットワーク及び通信ネットワークの動作方法及びプログラムが記録された記録媒体 - Google Patents

Description

本発明は、通信ネットワーク及び通信ネットワークの動作方法に関する。通信ネットワークとしては、特にイーサネットネットワークが考えられる。

通信ネットワークは、複雑な技術システムの測定、制御及び調整のために益々広範に使用されている。例えば、車両制御システムを構築するために、自動車におけるネットワークの使用が増えている。安全性が重要な相応に複雑な技術システムにおいては、ネットワーク装置として設けられている制御エレメントの可用性に対して高い要求が課される。例えばセンサ又は制御装置のような個々のコンポーネントが故障した場合であっても、それによってシステム全体が故障することがあってはならない。ネットワークを介して、センサ装置、制御装置及びアクチュエータ装置を接続することによって、ハンドル位置が電気モータにより車輪位置に変換されるドライブ・バイ・ワイヤシステム、例えばステア・バイ・ワイヤシステムでは安全性が極めて重要である。

従来では、極めて重要なコンポーネントが冗長的に設けられており、それによって、障害発生時には各バックアップ又は冗長的なコンポーネントが各タスクを担うことができている。冗長的なコンポーネントが複数設けられている場合には、二つ以上の制御装置のうちの一つだけが、その都度の制御権を有していることが保証されなければならない。更には、同一の制御機能に対して矛盾する複数の制御命令が生じることもあってはならない。従って、全ての制御コンポーネントがネットワーク内で同一の情報又はデータを有していることが必要になる。

その限りにおいて、例えば使用しているネットワークを介してデータを伝送した際に壊れた可能性がある一貫性のないデータの形態の障害は検出されなければならない。広く普及している標準的なネットワーク環境はイーサネットプロトコルを基礎としている。イーサネットインフラストラクチャを使用することは、標準化されたネットワーク装置及び方法を使用することができるという利点を有している。しかしながら従来では、内部的な冗長性を備えている、つまり二重に設計されている機能を備えている複数の制御コンポーネントを相互に接続するためにプロプラエタリデータバスも使用されている。

更には、ネットワークにおいて使用されるノードに欠陥があることも考えられる。例えば、あるネットワーク装置が、他の制御装置にとって有用なデータを含んでいないデータを高い頻度でネットワークに送信するタイプの障害が知られている。これは「バブリング・イディオット（愚か者のおしゃべり：Babbling Idiot）」とも称される。そのような障害が発生した際には、依然として機能しているネットワーク装置間において純粋な制御データ又はセンサデータをもはや交換できなくなるほどに、高ビットレートによってネットワークインフラストラクチャに負荷が掛かる可能性がある。特に、安全性が重要なネットワークにおいてその種の性質の障害に対処し、且つ、存在するデータを適切に処理し、それによって、ネットワーク内の正常な装置の確実な動作を保証することが所望される。

従来では、所定の通信パートナ間のデータ交換について帯域幅を制限する方法が提案されている。もっとも、欠陥のあるネットワークノードは、適切でないアドレスデータを有するデータパケットを生成する可能性もあり、これは、特定の帯域幅制限の枠内では、いずれのネットワークトポロジにおいても十分に対処できず、特にリング型ネットワークトポロジにおいて十分に対処できない。

更には、ネットワークノード相互間の同期通信を基礎とする方法も公知である。それらの方法では、所定の通信パートナ間のデータ交換に対して特定のタイムスロットが規定される。その種のタイムスロット法は、煩雑な同期及び特別なハードウェア装置を必要とする。

上記に基づく本発明の課題は、改善された通信ネットワークを提供することである。

それに応じて、複数のネットワーク装置を備えている通信ネットワークが提案される。通信ネットワークは、Ｎ個の複数の仮想ネットワークを有しており、それらの仮想ネットワークは、セーフティクリティカルな複数のネットワーク装置の各ネットワーク装置が少なくとも二つの仮想ネットワークを介して通信ネットワークに接続されているように、通信ネットワーク内に形成されている。更に、通信ネットワークは、複数のネットワークセグメントも有している。複数のネットワークセグメントの各ネットワークセグメントには、ネットワーク装置のサブセットが一つずつ対応付けられており、ネットワークセグメントの境界領域に配置されている各ネットワーク装置はＮ個の制限ユニットを有しており、それらのＮ個の制限ユニットはそれぞれ、Ｎ個の仮想ネットワークのうちの一つの仮想ネットワークに対応付けられており、且つ、各仮想ネットワークに属するデータのデータ受信を、各仮想ネットワークに対して予め定められている、データ伝送速度に関する閾値に制限するように構成されている。

ここでは、各仮想ネットワークに対する閾値は予め定められている。つまり、特に仮想ネットワークに関して固有に調整されている。

データ伝送速度を監視することによって、またデータ受信を制限できることによって、特に、いわゆる「バブリング・イディオット」、即ち、ネットワーク内に存在する、欠陥に由来する無意味なデータ又はネットワーク内の他の装置が翻訳できないデータを送信するネットワーク装置に対処することができる。欠陥がある装置から、高い頻度でそのような「無意味な」データが頻繁に送信されると、ネットワークインフラストラクチャ及び通信パスに負荷が生じると考えられる。それにもかかわらず、過度に高いビットレートに対して、該当する受信ポートを制限するか、又はデータ受信を遮断することによって、バブリング・イディオットが存在する場合であっても確実なデータ通信を実現することができる。

例えば、パケットをある一つのネットワークセグメントを介してルーティングしなければ、そのネットワークセグメントに隣接する複数のネットワーク装置に到達できないか、又は離隔されたパスを介して到達できなくなることから、そのネットワークセグメントを介してパケットをルーティングする必要がある場合、適切なネットワークセグメントを介してルーティングされる閾値（帯域幅制限）を固有に、特にＶＬＡＮ固有に制限することができる。これによって、あるネットワークセグメント外のバブリング・イディオットによって形成されたデータパケットに起因して、実際は欠陥のないそのネットワークセグメントが切り離されることを回避することができる。

仮想ネットワークは離隔されている複数のパスを介して、特に物理的に離隔されている複数のパスを介して、通信ネットワーク内に形成されている。

データ伝送速度とは、ある時間単位内に伝送チャネル又は通信パスを介して伝送されるディジタルデータの量であると解される。データ転送率、ビットレート、伝送速度、コネクション速度、帯域幅又は容量と称することもできる。データ伝送速度に関する一般的な表記は、ビット毎秒で表される。

最大データ伝送速度は、有利には、通信ネットワークに対して設定されている帯域幅に依存して決定される。ネットワークのトポロジ及び実現すべき機能から、障害のない動作に対して予定されている、ネットワークノード間又はネットワーク装置間の全てのデータ伝送速度、若しくは、送信ポートと受信ポートとの間の全てのデータ伝送速度が既知である場合には、相応の感度を有するように制限ユニットを調整することができる。

その他に、バブリング・イディオットの障害ケースは、データ伝送速度の検査によって、また必要に応じて、受信を制限することによって、妨害されていないデータ又は欠陥のある装置から送信されたものではないデータのための、障害なく伝送が行われる少なくとも一つの通信パスが存在するように処理される。

通信ネットワークにおいて仮想ネットワークを使用することによって、個々の制限ユニットの閾値、特に個々のネットワークセグメントの境界領域にある個々の制限ユニットの閾値を最小にすることも可能である。これによって、通信ネットワークのシステム全体が故障する確率は最小になる。

特に、制限ユニットのコンセプトを実現するために標準スイッチングコンポーネントのハードウェアを変更する必要はない。高品質のスイッチングハードウェアのフィーチャを利用するか、又は、スイッチングハードウェアを比較的簡単な接続ユニットによって補完しても良い。実施の形態に応じて、利用可能な帯域幅が影響を受けることはないか、又は、影響を受けても僅かな程度でしかない。

例えば、ネットワークセグメントの中央領域又は内部におけるデータ伝送速度に関する閾値よりも低い閾値によって、各ネットワークセグメントを外部から隔絶させることができる。つまり、境界領域の制限ユニットはデータ伝送速度に関して、ネットワークセグメントの中央領域における制限ユニットの閾値よりも低い閾値を有している。ネットワークセグメントの中央領域に制限ユニットを設けないことも可能である。

総じて、複数のネットワークノードに障害が発生した場合であっても確実に機能する、非常に信頼性の高いネットワークシステムが得られる。少なくとも二つの仮想ネットワークを使用することによって冗長的に構成されている通信ネットワークは、制御装置間の一貫性のある通信、コスト的に有利なエラー分析及び修正、並びに、バブリング・イディオットによる障害のコスト的に有利な処理を実現する。

特に、制限ユニットをスイッチ装置の一部として実施することができる。更に、複数のスイッチ装置のうちの一つを動作させるためのプログラム又はプログラムコードとして実施することも可能である。

一つの実施の形態においては、複数のネットワーク装置のうちの一つのネットワーク装置におけるＮ個の制限ユニットのＮ個の閾値それぞれが、通信ネットワークの最大データ伝送速度よりも低い。これによって、通信ネットワークの最大データ伝送速度が超過されることはないことを保証することができる。

一つの別の実施の形態においては、各ネットワーク装置が、制御装置と、この制御装置に接続されているスイッチ装置と、を有しており、このスイッチ装置は、最大でも一つの最大データ伝送速度で、通信ネットワークを介してデータを送信及び受信するための受信ポート及び送信ポートを有しており、Ｎ個の制限ユニットは受信ポートに対応付けられており、またそのために、各制限ユニットは、各仮想ネットワークに属するデータのデータ受信を、対応する各受信ポートにおいて、各仮想ネットワークに対して固有である、データ伝送速度に関する閾値に制限するように構成されている。

送信ポートと受信ポートの組み合わせを、各装置の通信ポートと解することもできる。仮想ネットワークは特に仮想ローカルエリアネットワーク（ＶＬＡＮ）として構成される。

一つの別の実施の形態においては、ネットワークセグメントの境界領域に配置されているネットワーク装置にのみ、Ｎ個の制限ユニットが設けられている。これによって、制限ユニットの所要個数が最小になる。従って、この実施の形態は非常に経済的である。

一つの別の実施の形態においては、ネットワーク装置が、その機能に関して冗長的な少なくとも二つのネットワーク装置を含んでおり、その場合、サブセット又はネットワークセグメントは、各サブセットの各々に、冗長的なネットワーク装置のうちの最大一つが対応付けられているように形成されている。その機能に関して冗長的に構成されている各ネットワーク装置は、異なるネットワークセグメントに配置されているので、一方のネットワークセグメントが故障した場合でも、少なくとも、別のネットワークセグメントにはもう一方の冗長的なネットワーク装置が存在しているので、従ってシステム全体の全機能が危険に曝されることはない。

一つの別の実施の形態においては、各サブセットが離隔されているサブセットとして構成されている。

一つの別の実施の形態においては、ある一つのネットワークセグメントの一つの制限ユニットにおいて、データ伝送速度に関する閾値が、他のネットワークセグメントに由来するデータの受信に基づき超過されることを回避するために、複数の仮想ネットワークが通信ネットワーク内に形成されている。

その場合、異なる仮想ネットワーク、例えば異なるＶＬＡＮを考慮することによって、あるセグメントが、そのセグメント外から供給されたパケットに起因して切り離されることがないようにすることができる。このことは、パケットが所定のセグメントを介して、特に外部リングを介してルーティングされないようにＶＬＡＮが所期のように構成されることによって達成される。

ＶＬＡＮ以外にも、他の適切な仮想化技術を使用することができる。

一つの別の実施の形態においては、複数のネットワーク装置の各ネットワーク装置が少なくとも二つの仮想ネットワークを介して通信ネットワークに接続されており、且つ、それらの仮想ネットワークのいずれもリングトポロジを有していないように、複数の仮想ネットワークが通信ネットワーク内に形成されている。リングトポロジを回避することによって、ネットワーク内に循環パケットが発生しないことが保証されている。

一つの別の実施の形態においては、送信ポートと受信ポートとの間の各通信パスに関して最大リンク伝送速度が調整されているように、複数の仮想ネットワークが通信ネットワーク内に形成されており、その場合、Ｎ個の制限ユニットのＮ個の閾値の和は、対応する受信ポートの最大リンク伝送速度以下となっている。例えば、通信ネットワークを構想する際に、どの程度のリンク伝送速度が存在しうるかを見積もることができる。それによって、制限ユニットを、相応の感度を有するようにすることができるので、その結果、最大リンク伝送速度の超過時にはデータ受信が制限される。

一つの別の実施の形態においては、データが少なくとも二つの優先順位クラスに対応付けられており、その場合、Ｎ個の制限ユニットは常に、より高い優先順位クラスのデータ受信を制限するように構成されている。例えば、第１の優先順位クラスを安全性が非常に重要なデータに関連付け、また第２の優先順位クラスを余りクリティカルではないデータに関連付けることができる。通信ネットワークを構想する際に、最大データ転送率が規定され、また制限ユニットが相応に調整される。制限ユニットにおいて種々の優先順位クラスが検出され、それに応じてデータがフィルタリング又は制限される。

通信ネットワークはイーサネットインフラストラクチャを含むことができる。スイッチ装置をブリッジ装置又はルータ装置と称することもできる。ネットワーク装置は、ネットワークノード、ノード、ネットワークコンポーネント又はネットワークエレメントとも称される。

ネットワーク装置に設けられている制御装置には、例えばＣＰＵ、マイクロプロセッサ又は他のプログラミング可能な回路が該当する。更に、制御装置とはセンサ装置又はアクチュエータ装置であると解することができる。

通信ネットワーク又はネットワークプロトコルは有利には、一方のノード又はネットワーク装置から、他方のノード又はネットワーク装置へのポイント・ツー・ポイントコネクションを予定している。この場合、双方向通信又は二重通信を実現することができる。

一つの別の実施の形態においては、各ネットワーク装置が個別のＦＰＧＡ，ＡＳＩＣ，ＩＣチップ又はハードワイヤード型のマイクロ回路として実現されている。

一つの別の実施の形態においては、通信ネットワークが複数のネットワーク装置及び複数の接続スイッチ装置を有しており、各接続スイッチ装置は常に、仮想ネットワークの一つだけを介して通信ネットワークに接続されている。

有利には、異なるネットワーク装置の少なくとも二つの制限ユニットには、データ伝送速度に関する種々の閾値又は異なる閾値が対応付けられる。それらの閾値の和は、通信ネットワークにおける、予め定められている最大データ伝送速度以下である。データ伝送速度に関する閾値を、帯域幅制限と称することもできる。

特に、種々の閾値の使用によって、通信ネットワーク内に種々のセグメント又はネットワークセグメントを形成することができる。その場合、例えば共通の給電部を有している複数のネットワークセグメントのような全体のシステムが危険な状態に陥ることなく、セグメント全体がダウンしても良いようにネットワークセグメントは構成される。いずれにせよ、複数の給電部から給電が行われる全体のシステムは、一つの給電部の故障にも対処できるように構成されていなければならない。

特に、あるネットワーク装置が帯域幅限界を僅かに下回って「おしゃべり（babble）」するときに起こり得る遮断の遅延が、比較的低い帯域幅限界値を有している制限ユニットでもって画定されているセグメントによって、所期のように一つのセグメントに限定される。

各閾値を、例えば、ネットワークシステムの物理的な最大データ伝送速度に関するパーセンテージ表記によって表すことができる。つまり、例えば、種々の閾値を物理的な最大データ伝送速度の２０％、１５％、１０％及び０％に調整することができる。０％の閾値は遮断に対応する。閾値を例えば、各リンクを介して設定された、予定されているデータ伝送速度に基づき、場合によっては付加的に安全性を補って決定することができる。

通信ネットワークをネットワークシステムと称することができ、また特に通信ネットワークは車両の一部である。

ネットワーク装置としてセンサ装置又はアクチュエータ装置が考えられる。センサ装置として回転数センサ、制動装置又は切換制御装置が考えられる。例えばドライブ・バイ・ワイヤを実現する制御装置も使用することができる。その場合、例えばハンドル又は加速のインパルスが電子的にネットワークを介して相応のアクチュエータに伝送され、それにより車両の所望の応答が開始される。

更に、複数のネットワーク装置を備えている通信ネットワークを動作させるための方法が提案される：
第１のステップにおいては、各ネットワーク装置が少なくとも二つの仮想ネットワークを介して通信ネットワークに接続されるように、Ｎ個の複数の仮想ネットワークが通信ネットワーク内に形成される。
第２のステップにおいては、各ネットワーク装置が複数あるネットワークセグメント内に配置され、各ネットワークセグメントには、ネットワーク装置のサブセットが一つずつ対応付けられ、ネットワークセグメントの境界領域に配置されている各ネットワーク装置にはＮ個の制限ユニットが設けられ、それらのＮ個の制限ユニットはそれぞれ、Ｎ個の仮想ネットワークのうちの一つの仮想ネットワークに対応付けられ、且つ、各仮想ネットワークに属するデータのデータ受信を、各仮想ネットワークに対して予め定められている、データ伝送速度に関する閾値に制限するように構成される。

更に、プログラム制御される一つ又は複数の装置において、上述したネットワークシステムを動作させるための方法を実行させるコンピュータプログラム製品が提案される。

コンピュータプログラム媒体のようなコンピュータプログラム製品を、例えば、メモリカード、ＵＳＢスティック、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤのような記憶媒体として提供又は供給することができるか、若しくはサーバからダウンロード可能なファイルの形態でネットワークに提供又は供給することができる。このことは、例えば無線通信ネットワークにおいて、コンピュータプログラム製品又はコンピュータプログラム媒体を含む相応のファイルの伝送によって行なうことができる。プログラム制御される装置として、特に上記のようなネットワーク装置が該当する。

更に、プログラム制御される装置において上述の方法を実行させる命令を含むコンピュータプログラムが記憶されているデータ担体が提案される。

本発明の考えられる別の実施の形態は、種々の実施例に関して上記において説明した、又は下記において説明する、複数の方法ステップ、特徴、若しくは、方法、ネットワークシステム、ネットワーク装置又はネットワークノードの種々の実施の形態の、明示的には挙げていない組み合わせも含む。その場合、当業者は個々の態様も、本発明の各基本形態についての改善形態又は補完形態として追加又は変更することができる。

本発明の上述の特性、特徴及び利点、並びにどのようにしてそれらが達成されるかは、複数の図面と関連させて詳細に説明する複数の実施例についての下記の説明との関係においてより明瞭且つ明確に理解される。

通信ネットワークの第１の実施の形態の概略図を示す。 通信ネットワークの第２の実施の形態の概略図を示す。 ネットワーク装置の一つの実施の形態を示す。 通信ネットワークの動作方法の一つの実施例の概略的なフローチャートを示す。

図中、別個の記載が無い限りは、同一の構成要素又は機能的に等しい構成要素には同一の参照符号を付している。

図１には、通信ネットワーク１００の第１の実施の形態が概略的に示されている。この通信ネットワーク１００を例えばイーサネットネットワークとして車両において使用することができる。

図１の通信ネットワーク１００は、９個のネットワーク装置２０１〜２０９と、二つの接続スイッチ装置又は接続スイッチ２１１，２１２と、を有している。以下ではネットワークノード、ノード又は制御コンポーネントとも称するネットワーク装置２０１〜２０９はそれぞれ一つの制御装置（この制御装置に関しては図３を参照されたい）を有している。制御装置は、所定のタスク又は機能を実行するようにカスタマイズされている。これは例えばセンサによる捕捉又はアクチュエータであると考えられる。制御装置をＣＰＵ又はマイクロプロセッサとして実現することもできる。例えば、制御装置は車両におけるペダル位置又はハンドルの運動を検出するために構成されていると考えられる。例えば、制御装置は制御信号又は制御データをネットワーク１００内の別の制御装置に送信することができる。その場合、特に自動車における安全性が重要な用途、例えばドライブ・バイ・ワイヤでは、制御データが全てのネットワークノードにおいて一貫性のあるように存在していること、即ち矛盾なく存在していることが保証されなければならない。

例えば、ネットワーク装置２０１〜２０６を、センサ又はアクチュエータとして構成することができる。ネットワーク装置２０７〜２０９は三つの制御コンピュータを形成している。

更に、図１の通信ネットワーク１００内には、二つの仮想ネットワーク３０１，３０２が形成されている。参照番号３０１は、第１の仮想ネットワーク３０１に対応付けられている仮想回線を表している。相応に、参照番号３０２は、第２の仮想ネットワーク３０２に対応付けられている仮想回線を表している。各接続スイッチ２１１，２１２は、仮想ネットワーク３０１又は３０２のいずれか一方の仮想ネットワークにのみ接続されている。つまり、接続スイッチ２１１は第１の仮想ネットワーク３０１に接続されており、他方、接続スイッチ２１２は第２の仮想ネットワーク３０２に接続されている。それに対して、ネットワーク装置２０１〜２０９は、二つの仮想ネットワーク３０１，３０２を用いて通信ネットワーク１００に接続されている。

更に、図１の通信ネットワーク１００には９個のネットワークセグメント４０１〜４０９が設けられている。各ネットワークセグメント４０１〜４０９には、ネットワーク装置２０１〜２１０のサブセットが一つずつ割り当てられている。それらのサブセットは、離隔されているサブセットである。ネットワークセグメント４０１〜４０９の境界領域に配置されている各ネットワーク装置２０１〜２１０はＮ個の制限ユニット５１０〜５２３を有している。個数Ｎは、図１の通信ネットワーク１００内の仮想ネットワーク３０１，３０２の個数（Ｎ＝２）に対応する。ここでは、一つのネットワーク装置における二つの制限ユニットにはそれぞれ、二つの仮想ネットワーク３０１，３０２のうちの一方が割り当てられており、また各制限ユニットは、各仮想ネットワーク３０１，３０２に属するデータのデータ受信を、それらの各仮想ネットワーク３０１，３０２に対して予め定められている、データ伝送速度に関する閾値に制限するように構成されている。

図１において使用されている制限ユニットについては、参照符号に関して以下の規則が当てはまる：百の位の５は、制限ユニットとしてのユニットを表している。十の位は、仮想ネットワーク３０１又は３０２への所属を表している。一の位は制限ユニットの閾値を示している。従って、図１においては以下の制限ユニットが使用されている：
５１０：０％の閾値を有している（閾値：０）、第１の仮想ネットワークの（十の位：１）制限ユニット（百の位：５）
５１１：５％の閾値を有している、第１の仮想ネットワークの制限ユニット
５１２：１０％の閾値を有している、第１の仮想ネットワークの制限ユニット
５１３：１５％の閾値を有している、第１の仮想ネットワークの制限ユニット
５１４：２０％の閾値を有している、第１の仮想ネットワークの制限ユニット
５１５：３０％の閾値を有している、第１の仮想ネットワークの制限ユニット
５２０：０％の閾値を有している、第２の仮想ネットワークの制限ユニット
５２１：５％の閾値を有している、第２の仮想ネットワークの制限ユニット
５２２：１０％の閾値を有している、第２の仮想ネットワークの制限ユニット
５２３：１５％の閾値を有している、第２の仮想ネットワークの制限ユニット
５２４：２０％の閾値を有している、第２の仮想ネットワークの制限ユニット
５２５：３０％の閾値を有している、第２の仮想ネットワークの制限ユニット

総じて、図１には、ノード２０１，２０２を有している外側のリング及びノード２０３〜２０６を有している外側のリングの二つの外側リングが接続されている三つの制御コンピュータ２０７〜２０９を備えている、並列冗長型の通信ネットワーク１００が示されている。

個々のネットワークセグメント４０１〜４０９間で予定されるトラフィックを例えば以下のように構成することができる：ネットワーク装置２０１，２０２及び接続スイッチ２１１，２１２間では５％、ネットワークセグメント４０３，４０４及び接続スイッチ２１１，２１２間では１０％、ネットワークセグメント４０５〜４０７及び接続スイッチ２１１，２１２間ではそれぞれ１５％。

図示されている二つの仮想ネットワーク３０１，３０２は全てのノード２０１〜２１２において帯域幅が制限されており、例えば３０％に制限されている。所定の仮想ネットワークの仮想回線３０１，３０２に接続されていないノードは、その仮想ネットワークのパケットの転送も行わない。例えば、図１においては全てのノードが冗長的に存在している。つまり、例えばノード２０３及び２０６を相互に冗長的なノードとすることができる。ノード２０４はノード２０１に対して冗長的なものであり、またノード２０５はノード２０２に対して冗長的なものである。更に、接続スイッチ２１１及び２１２は相互に冗長的なものであると考えられる。制御コンピュータ２０７〜２０９も同様に相互に冗長的なものである。例えば、ノード２０１〜２１２のうちの一つが故障したか、又は通信から切り離されても、システム全体の機能は維持される。例えば、ここでは、種々の回路による給電を冗長的に表すことができる。一つの給電系統が故障しても、冗長的なノードの各ペアの一方によって、つまり同一タイプのノードの一方によって給電が維持され、また通信ネットワーク１００への接続も維持される。各ネットワークセグメント４０１〜４０９は、それらのネットワークセグメント４０１〜４０９のうちの一つのネットワークセグメントが切り離されても、冗長的なノード２０１〜２１２の各ペアの少なくとも一方の通信ネットワーク１００への接続が維持されるように相応に選択されている。つまり、二つの冗長的なノード、例えばノード２０３及び２０６が一つの外側リング内に設置されている場合には、それらのノード間の帯域幅が、両方向において、算出された閾値又は帯域幅限界値でもって制限される。別のやり方として、選択された個所にのみ、帯域制限ユニット５１０〜５２３を設けることも可能である。

仮想コネクション３０１，３０２によって、通信ネットワーク１００のリング状のトポロジに基づき、離隔されているループフリーの二つのパスが、全ての制御コンピュータ２０７〜２０９相互間、また、制御コンピュータ２０７〜２０９とノード２０１〜２０６との間に形成される。

図１の実施の形態における通信ネットワーク１００の機能を、以下では三つの例に基づき説明する：

第１の例においては、ノード２０６がバブリング・イディオットであると仮定する：ノード２０６は、第２の仮想ネットワーク３０２を介してノード２０３，２０４及び２０５からのデータを受信する。ノード２０６は任意に大量のデータをこの仮想ネットワーク３０２に追加するので、それによって、予定されている例えば１０％の帯域幅が超過される。接続スイッチ２１２の帯域制限ユニット５２２の帯域幅制限によって、ランダムに選択されたパケットが破棄される。最も好ましくないケースでは、ノード２０３，２０４及び２０５からの有効な全てのパケットが破棄される。しかしながらこれによって、このパス３０２を介して接続スイッチ２１２への伝送を行うための、予定されている帯域幅が超過されることはなくなり、その結果、ノード２０２及び２０１から受信するデータが影響を受けることはない。ノード２０６が第１の仮想ネットワーク（ＶＬＡＮ）３０１からのデータも下側の接続スイッチ２１２に送信する場合、それらのデータは、接続スイッチ２１２によって転送されないので、従って何の影響も及ぼされない。

逆の方向においても、ノード２０６は同様に任意に大量のデータを送信し、最悪のケースでは、二つの仮想ネットワーク３０１及び３０２に大量のデータを送信する。その結果、両仮想ネットワーク３０１，３０２において帯域幅が超過され、ノード２０５とノード２０４との間の制限によってやはり任意のパケットが破棄される。それによって、場合によっては、下側の接続スイッチ２１２を介してノード２０３，２０４及び２０５へと送信された全てのパケットが失われる。しかしながらそれと同時に、この個所での制限によって、ノード２０３及び２０４からのパケットに対しては、第１の仮想ネットワーク３０１の上側の接続スイッチ２１１を介して制御コンピュータ２０７，２０８及び２０９と通信するには十分な帯域幅が提供されることが保証される。何故ならば、ここでは比較的高い閾値を有している制限ユニット５１２が設けられているからである。従って、ノード２０５及び２０６を有しているネットワークセグメント４０４が通信ネットワーク１００における通信から切り離されているが、しかしながら、他の全てのノードは依然として相互に通信することができる。

以下の第２の例においては、第１の制御コンピュータ２０７がバブリング・イディオットであると仮定する：

最悪のケースでは、制御コンピュータ２０７が二つの仮想ネットワーク３０１，３０２において、両方向に最大帯域幅で「おしゃべり」する可能性がある。その場合、おしゃべりが行われている帯域幅は、二つの接続スイッチ２１１，２１２において１５％に制限されることになる。このために、帯域制限ユニット５１３及び５２３が使用されることになる。これらの１５％の帯域幅は、二つの外側のリング及び他の制御コンピュータ２０８，２０９へと進行する。ノード２０１と２０２との間、並びにノード２０４と２０５との間では、それらの帯域幅は帯域制限ユニット５１１，５２１に対峙する。これによって、第１のＶＬＡＮ３０１におしゃべりされたパケットに基づき、第１のＶＬＡＮ３０１を介してはもはやノード２０２，２０５に到達することはできなくなる。それと同時に、ほぼ鏡面対称のトラフィックで、下側のＶＬＡＮ３０２を介しておしゃべりされたパケットは、ノード２０１と２０２との間で、またノード２０４と２０５との間で、帯域制限ユニット５１１，５１２による帯域制限を受けることになる。従って、下側のＶＬＡＮ３０２を介してはもはやノード２０３，２０４及び２０１に到達することはできなくなる。制御コンピュータ２０７におけるバブリング・イディオットが考えられる全ての方向において、考えられる全ての仮想ネットワーク３０１，３０２を介しておしゃべりをする場合には、このバブリング・イディオットは全ての通信コネクションの冗長性を妨害するが、しかしながら、全てのノードは通信ネットワーク１００において、非冗長的ではあるが相互に接続されたままである。

以下の第３の例においては、上側の接続スイッチ２１１がバブリング・イディオットであると仮定する。上側の接続スイッチ２１１は、第１のＶＬＡＮ３０１を介してのみ最大許容帯域幅でフラッディングを生じさせる可能性がある。上側の接続スイッチ２１１の隣接ノードはいずれも、第２のＶＬＡＮ３０２のパケットをその上側の接続スイッチ２１１から受け取ることはないので、上側の接続スイッチ２１１がパケットを第２のＶＬＡＮ３０２に送信する可能性はない。従って、非冗長的なコネクションが、他の全てのノード間において第２のＶＬＡＮ３０２を介して存在したままとなる。

図２には、通信ネットワーク１００の第２の実施の形態が概略的に示されている。図２の通信ネットワーク１００は、例えばセンサ又はアクチュエータとして構成されている、複数のネットワーク装置２０１〜２０６を有している。更に、図２の通信ネットワーク１００は、四つの制御コンピュータ２０７〜２１０及び二つの接続スイッチ２１１，２１２を有している。

従って、図２の通信ネットワーク１００は３重のリング状ネットワークとして構成されている。内側のリングは四つの制御コンピュータ２０７〜２１０によって形成され、これに対して、二つの外側のリングにはノード２０１〜２０６が設けられている。それらのノード２０１〜２０６は、図１の実施例におけるノードと同様に、冗長的なノードの三つのペアを表すことができる。更に、図２の実施例においては、四つの仮想ネットワーク３０１〜３０４が形成されており、それらの仮想ネットワーク３０１〜３０４の各仮想回線は、各仮想ネットワークを表している参照番号３０１〜３０４で表記されている。例えば、第１の仮想ネットワーク３０１の仮想回線には参照番号３０１が付されている。

個々のネットワーク装置間の通信ネットワーク１において予定されているトラフィックは、例えば以下の通りである（ここでは、四つの仮想ネットワーク３０１〜３０４に対して予定されているトラフィックが、帯域幅のパーセンテージ表記に関してまとめて表されている）：
ノード２０１と接続スイッチ２１１との間：５％、０％、０％、０％
ノード２０１とノード２０２との間：５％、５％、０％、０％
ノード２０２と接続スイッチ２１２との間：０％、５％、０％、０％
ノード２０６と接続スイッチ２１２との間：０％、１０％、０％、０％
ノード２０４とノード２０５との間：５％、５％、０％、０％
ノード２０３と接続スイッチ２１１との間：１０％、０％、０％、０％
制御コンピュータ２０７と接続スイッチ２１１との間：１５％、０％、１０％、１０％
制御コンピュータ２０８と接続スイッチ２１１との間：１５％、０％、１０％、１０％
制御コンピュータ２０７と制御コンピュータ２０９との間：１５％、１５％、０％、１０％
制御コンピュータ２０８と制御コンピュータ２１０との間：１５％、１５％、１０％、０％
制御コンピュータ２０９と接続スイッチ２１２との間：０％、１５％、１０％、１０％
制御コンピュータ２１０と接続スイッチ２１２との間：０％、１５％、１０％、１０％

この図２においても、ネットワークセグメント４０１〜４０６は、一つのネットワークセグメント４０１〜４０６が切り離されても、冗長的なノードの各ペア２０３，２０６；２０４，２０１；２０５，２０２の少なくとも一方の通信ネットワーク１００への接続が維持されるように選択されている。

図２の通信ネットワーク１００の機能を、以下の三つの例に基づき説明する。

以下の第１の例においては、ノード２０６がバブリング・イディオットであると仮定する：
ノード２０６は、第２のＶＬＡＮ３０２を介してノード２０３，２０４及び２０５からデータを受信する。ノード２０６は任意に大量のデータをこの仮想ネットワーク３０２に追加するので、それによって、予定されている例えば１０％の帯域幅が超過される。下側の接続スイッチ２１２の帯域制限ユニット５２２によって、ランダムに選択されたパケットが破棄される。最も好ましくないケースでは、ノード２０３，２０４及び２０５からの有効な全てのパケットが破棄される。しかしながらこれによって、このパスを介して下側の接続スイッチ２１２への伝送を行うための、予定されている帯域幅が超過されることはなくなり、その結果、ノード２０１及び２０２から受信するデータが影響を受けることはない。

ノード２０６が第２のＶＬＡＮ３０２とは異なるＶＬＡＮにおいても、下側の接続スイッチ２１２に対してデータを伝送する場合、それらのデータは、接続スイッチ２１２によって転送されないので、従って何の影響も及ぼされない。逆の方向（図２において上方に向かう方向）においても、ノード２０６は同様に任意に大量のデータを送信し、最悪のケースでは、第１のＶＬＡＮ３０１及び第２のＶＬＡＮ３０２に大量のデータを送信する。その場合、両ＶＬＡＮ３０１，３０２において帯域幅が超過され、ノード２０５とノード２０４との間の制限によって、ここでもまた任意のパケットが破棄される。それによって、場合によっては、下側の接続スイッチ２１２を介してノード２０３，２０４及び２０５へと送信された全てのパケットが失われる。しかしながらそれと同時に、この個所での制限によって、ノード２０３及びノード２０４からのパケットに対しては、上側の接続スイッチ２１１を介して制御コンピュータ２０７〜２１０と通信するには十分な帯域幅が提供されることが保証される。何故ならば、ここでは比較的高い閾値を有している制限ユニット５１２が設けられているからである。従って、ノード２０５及び２０６を有しているネットワークセグメント４０４が通信から切り離されているが、しかしながら、他の全てのノードは依然として相互に通信することができる。

以下の第２の例においては、制御コンピュータ２０７がバブリング・イディオットであると仮定する：

最悪のケースでは、制御コンピュータ２０７が全ての仮想ネットワーク３０１〜３０４において、両方向に最大帯域幅で「おしゃべり」する可能性がある。それによって、ＶＬＡＮ３０３及び３０４は完全にフラッディングされ、安全な情報を伝送することがもはやできなくなる。制御コンピュータ２０８と２１０との間のコネクションだけは、依然として、第３のＶＬＡＮ３０３を介して利用することができる。何故ならば、ここでは２０％の比較的高い帯域幅が許容されるからである。上側の接続スイッチ２１１の方向において、制御コンピュータ２０７は３０％の帯域幅でもって第１のＶＬＡＮ３０１のパケットを送信することができる。それらのパケットは、ネットワークセグメント４０１，４０２；４０３，４０４の外側のリングに進入し、制御コンピュータ２０９と制御コンピュータ２１０との間、ノード２０１と２０２との間、またノード２０４と２０５との間において帯域幅制限を受ける。従って、第１のＶＬＡＮ３０１を介してはもはやノード２０２，２０５及び２０６並びに制御コンピュータ２１０に到達することはできなくなる。それと同時に、パケットが第２のＶＬＡＮ３０２において、制御コンピュータ２０９の方向に送信される可能性もあり、その場合には、帯域幅が１５％に制限されている。ほぼ鏡面対称のトラフィックで、それらのパケットはノード２０１と２０２との間、並びにノード２０４と２０５との間において帯域幅制限を受ける。従って、ＶＬＡＮ３０１を介してはもはやノード２０３，２０４並びに２０１及び制御コンピュータ２０８に到達することはできなくなる。制御コンピュータにおけるバブリング・イディオット２０７が考えられる全ての方向において、考えられる全てのＶＬＡＮ３０１〜３０４を介しておしゃべりをする場合には、このバブリング・イディオット２０７は全ての通信コネクションの冗長性を妨害するが、しかしながら、全てのノード２０１〜２１０は、非冗長的ではあるが相互に接続されたままである。

以下の第３の例においては、上側の接続スイッチ２１１がバブリング・イディオットであると仮定する：

上側の接続スイッチ２１１は、第１のＶＬＡＮ３０１，第３のＶＬＡＮ３０３及び第４のＶＬＡＮ３０４を最大許容帯域幅でフラッディングさせる可能性がある。上側の接続スイッチ２１１の隣接ノードはいずれも、第２のＶＬＡＮ３０２のパケットをその上側の接続スイッチ２１１から受け取ることはないので、上側の接続スイッチ２１１が第２のＶＬＡＮ３０２を介してパケットを送信する可能性はない。従って、少なくとも一つの非冗長的なコネクションが、他の全てのノード間において第２のＶＬＡＮ３０２を介して存在したままとなる。

一つの別の実施の形態においては、任意のネットワークトポロジを有しているネットワーク内のトラフィックパターンが先験的に既知である場合には、そのようなネットワークにおいても、図２の上述の実施の形態を使用することができる。

仮想ネットワーク及びネットワークセグメント、またそこにおいて使用されるＶＬＡＮベースの帯域制限を本願発明に従い使用することによって、任意の単一故障が生じた際にシステム全体の確実な動作がもはや不可能になるほどの多数のノードとのコネクティビティ、特に冗長的なノードとのコネクティビティが失われることなく、イーサネットを基礎とする環境におけるバブリング・イディオットを許容することができる。その際に、特別なハードウェアを省略することができ、更には、各スイッチのＣＰＵにおける特別なソフトウェアも必要とされない。むしろ、帯域制限ユニットはデータ伝送速度に関する閾値を規定するだけであって、ポート及びその対応付けは変更されないので、静的なコンフィギュレーションで十分である。

図３には、制御装置２１７及びスイッチ装置２１８を有している単純なネットワーク装置２０１に関する一つの実施の形態が示されている。スイッチ装置２１８は、通信ネットワーク１００に接続されており、且つデータを入出力するための受信ポート２１５及び送信ポート２１６をそれぞれ二つずつ有している。更に、制御装置又はＣＰＵ２１７は、送信ポート２２０及び受信ポート２１９を介して通信が行われるようにスイッチ装置２１８と接続されている。各受信ポート２１５にはそれぞれ一つの制限ユニット５１１が対応付けられており、各制限ユニット５１１は規定された最大受信ビットレートの超過時にデータ伝送を制限する。

図４には、複数のネットワーク装置２０１〜２１０、Ｎ個の複数の仮想ネットワーク３０１〜３０４及び複数のネットワークセグメント４０１〜４０９を有している通信ネットワーク１００を動作させるための方法の一つの実施例の概略的なフローチャートが示されている。その種の通信ネットワーク１００に関する例は図１及び図２に示されている。

図４の方法は以下のステップＳ１及びＳ２を有している：

ステップＳ１においては、各ネットワーク装置２０１〜２１０が少なくとも二つの仮想ネットワーク３０１〜３０４を介して通信ネットワーク１００に接続されるように、Ｎ個の複数の仮想ネットワーク３０１〜３０４が通信ネットワーク１００内に形成される。

ステップＳ２においては、複数のネットワークセグメント４０１〜４０９の各ネットワークセグメントに、ネットワーク装置２０１〜２１０のサブセットが一つずつ対応付けられるように、各ネットワーク装置２０１〜２１０が複数あるネットワークセグメント４０１〜４０９内に配置される。その際、ネットワークセグメント４０１〜４０９の境界領域に配置されている各ネットワーク装置２０１〜２１０にはＮ個の制限ユニットが設けられており、それらのＮ個の制限ユニットはそれぞれ、Ｎ個の仮想ネットワーク３０１〜３０４のうちの一つの仮想ネットワークに対応付けられ、且つ、各仮想ネットワーク３０１〜３０４に属するデータのデータ受信を、各ネットワーク３０１〜３０４に対して予め設定されている、データ伝送速度に関する閾値に制限するように構成される。

本発明を有利な実施例に基づき詳細に図示及び説明したが、本発明は開示されているそれらの例に限定されるものではなく、当業者であれば、本発明の権利範囲から逸脱することなく他のヴァリエーションに想到することができる。特に、ネットワークシステムの種々の実施の形態が、バブリング・イディオット表す可能性もある、ネットワークに接続可能な別のエレメントを有することも考えられる。

Claims (15)

1. 複数のネットワーク装置（２０１〜２１０）を備えている通信ネットワーク（１００）において、
   前記通信ネットワーク（１００）は、
   前記複数のネットワーク装置（２０１〜２１０）の各ネットワーク装置が少なくとも二つの仮想ネットワーク（３０１〜３０４）を介して前記通信ネットワーク（１００）に接続されているように前記通信ネットワーク（１００）内に形成されている、Ｎ個の複数の仮想ネットワーク（３０１〜３０４）と、
   複数のネットワークセグメント（４０１〜４０９）と、を有しており、
   前記複数のネットワークセグメント（４０１〜４０９）の各ネットワークセグメントには、前記複数のネットワーク装置（２０１〜２１０）のサブセットが一つずつ対応付けられており、ネットワークセグメント（４０１〜４０９）の境界領域に配置されている各ネットワーク装置（２０１〜２１０）はＮ個の制限ユニット（５１０〜５１５，５２０〜５２５，５３０〜５３４，５４０〜５４４）を有しており、前記Ｎ個の制限ユニット（５１０〜５１５，５２０〜５２５，５３０〜５３４，５４０〜５４４）はそれぞれ、前記Ｎ個の仮想ネットワーク（３０１〜３０４）のうちの一つの仮想ネットワークに対応付けられており、且つ、各仮想ネットワーク（３０１〜３０４）に属するデータのデータ受信を、該各仮想ネットワーク（３０１〜３０４）に対して予め定められている、データ伝送速度に関する閾値に制限するように構成されていることを特徴とする、通信ネットワーク（１００）。
2. 前記複数のネットワーク装置（２０１〜２１０）のうちの一つのネットワーク装置における前記Ｎ個の制限ユニット（５１０〜５１５，５２０〜５２５，５３０〜５３４，５４０〜５４４）のＮ個の閾値はそれぞれ、前記通信ネットワーク（１００）の最大データ伝送速度よりも低い、請求項１に記載の通信ネットワーク。
3. 少なくとも一つのネットワーク装置（２０１〜２１０）は、制御装置（２１３）と、該制御装置（２１３）に接続されているスイッチ装置（２１４）と、を有しており、該スイッチ装置（２１４）は、最大データ伝送速度で前記通信ネットワーク（１００）を介してデータを送信及び受信するための受信ポート（２１５）及び送信ポート（２１６）を少なくとも一つずつ有しており、前記Ｎ個の制限ユニット（５１０〜５１５，５２０〜５２４，５３０〜５３４，５４０〜５４４）は前記受信ポート（２１５）に対応付けられており、且つ、各仮想ネットワーク（３０１〜３０４）に属するデータのデータ受信を、対応する各受信ポート（２１５）において、前記各仮想ネットワークに対して固有である、前記データ伝送速度に関する閾値に制限するように構成されている、請求項１又は２に記載の通信ネットワーク。
4. ネットワークセグメント（４０１〜４０９）の境界領域に配置されている前記複数のネットワーク装置（２０１〜２１０）にのみ、前記Ｎ個の制限ユニット（５１０〜５１５，５２０〜５２５，５３０〜５３４，５４０〜５４４）がそれぞれ設けられている、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の通信ネットワーク。
5. 前記複数のネットワーク装置（２０１〜２１０）は、該ネットワーク装置の機能に関して冗長的な少なくとも二つのネットワーク装置（２０１〜２１０）を含んでおり、
   前記サブセットは、該サブセットの各々に、前記冗長的なネットワーク装置（２０１〜２１０）のうちの最大一つが対応付けられているように形成されている、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の通信ネットワーク。
6. 前記サブセットは離隔されているサブセットである、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の通信ネットワーク。
7. 一つのネットワークセグメント（４０１〜４０９）の一つの制限ユニット（５１０〜５１５，５２０〜５２５，５３０〜５３４，５４０〜５４４）における前記データ伝送速度に関する閾値を、他のネットワークセグメント（４０１〜４０９）からのデータの受信によって超過することを回避するために、前記仮想ネットワーク（３０１〜３０４）は前記通信ネットワーク（１００）内に形成されている、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の通信ネットワーク。
8. 前記複数のネットワーク装置（２０１〜２１０）の各ネットワーク装置が、少なくとも二つの仮想ネットワーク（３０１〜３０４）を介して前記通信ネットワーク（１００）に接続されており、且つ、該仮想ネットワーク（３０１〜３０４）のいずれもリングトポロジを有していないように、前記仮想ネットワーク（３０１〜３０４）は通信ネットワーク（１００）内に形成されている、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の通信ネットワーク。
9. 送信ポート（２１６）と受信ポート（２１５）との間の各通信パスに関する最大リンク伝送速度が調整されて、前記仮想ネットワーク（３０１〜３０４）は前記通信ネットワーク（１００）内に形成されており、
   前記Ｎ個の制限ユニット（５１０〜５１５，５２０〜５２５，５３０〜５３４，５４０〜５４４）のＮ個の閾値の和は、対応する前記受信ポート（２１５）の前記最大リンク伝送速度以下である、請求項１乃至８のいずれか一項に記載の通信ネットワーク。
10. 前記データは少なくとも二つの優先順位クラスに対応付けられており、前記Ｎ個の制限ユニット（５１０〜５１５，５２０〜５２５，５３０〜５３４，５４０〜５４４）は常に、より高い優先順位クラスのデータ受信を制限するように構成されている、請求項１乃至９のいずれか一項に記載の通信ネットワーク。
11. 前記通信ネットワーク（１００）はイーサネットワークである、請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の通信ネットワーク。
12. 前記複数のネットワーク装置（２０１〜２１０）は、それぞれ、個別のＦＰＧＡ、ＡＳＩＣ、ＩＣチップ又はハードワイヤード型のマイクロ回路として実現されている、請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の通信ネットワーク。
13. 前記通信ネットワーク（１００）は、前記複数のネットワーク装置（２０１〜２１０）及び複数の接続スイッチ装置（２１１，２１２）を有しており、各接続スイッチ装置（２１１，２１２）は常に、仮想ネットワーク（３０１〜３０４）の一つだけを介して前記通信ネットワーク（１００）に接続されている、請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の通信ネットワーク。
14. 複数のネットワーク装置（２０１〜２１０）を備えている通信ネットワーク（１００）の動作方法において、
    前記複数のネットワーク装置（２０１〜２１０）の各ネットワーク装置が少なくとも二つの仮想ネットワーク（３０１〜３０４）を介して前記通信ネットワーク（１００）に接続されるように、Ｎ個の複数の仮想ネットワーク（３０１〜３０４）を前記通信ネットワーク（１００）内に形成するステップ（Ｓ１）と、
    各ネットワーク装置（２０１〜２１０）を、複数のネットワークセグメント（４０１〜４０９）内に配置するステップ（Ｓ２）とを備えており、
    前記複数のネットワークセグメント（４０１〜４０９）の各ネットワークセグメントには、前記複数のネットワーク装置（２０１〜２１０）のサブセットが一つずつ対応付けられ、ネットワークセグメント（４０１〜４０９）の境界領域に配置されている各ネットワーク装置（２０１〜２１０）にはＮ個の制限ユニット（５１０〜５１５，５２０〜５２５，５３０〜５３４，５４０〜５４４）が設けられ、前記Ｎ個の制限ユニット（５１０〜５１５，５２０〜５２５，５３０〜５３４，５４０〜５４４）はそれぞれ、前記Ｎ個の仮想ネットワーク（３０１〜３０４）のうちの一つの仮想ネットワークに対応付けられ、且つ、各仮想ネットワーク（３０１〜３０４）に属するデータのデータ受信を、該各仮想ネットワーク（３０１〜３０４）に対して予め定められている、データ伝送速度に関する閾値に制限するようにセットアップされることを特徴とする、通信ネットワーク（１００）の動作方法。
15. プログラム制御される一つ又は複数の装置において、請求項１４に記載の方法を実行させることを特徴とする、プログラムが記録された記録媒体。

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