JP6152425B2 - リアルタイムメッセージの送信方法およびリアルタイムメッセージを送信するためのコンピュータネットワーク - Google Patents

Description

本発明は、コンピュータネットワーク内でメッセージを送信するための方法に関するものである。ここで前記コンピュータネットワークは、一つまたは複数のアクティブノード（aktive Komponenten）を介して相互接続された複数の計算機ノードを有し、各計算機ノードは、通信線路を介してアクティブノードと接続されており、前記計算機ノードは、前記メッセージの少なくとも一部をリアルタイムメッセージの形式で交換し、一定の持続時間の所定のクラス測定時間インターバルが前記リアルタイムメッセージに割り当てられており、前記リアルタイムメッセージに対してＣＭ時間インターバル内で使用可能な帯域幅が、規定のリアルタイム帯域幅に制限されている。

本発明はさらにメッセージを送信するための上記方法を実施するためのコンピュータネットワークに関するものである。ここで前記コンピュータネットワークは、一つまたは複数のアクティブノードを介して相互接続された複数の計算機ノードを有し、各計算機ノードは、通信線路を介してアクティブノードと接続されており、前記計算機ノードは、メッセージの少なくとも一部をリアルタイムメッセージの形式で交換し、一定の持続時間の規定のクラス測定時間インターバルが、前記リアルタイムメッセージに割り当てられており、前記リアルタイムメッセージに対してＣＭ時間インターバル内で使用可能な帯域幅が、規定のリアルタイム帯域幅に制限されている。

コンピュータ技術では、個々のコンピュータを一つのコンピュータネットワークにネットワーク化するための種々の規格が確立されている。これらの規格は、コンピュータネットワーク内で動作するアプリケーションの要求に従う。アプリケーションの特別のクラスがリアルタイムシステムである。このリアルタイムシステムでは、ネットワーク内でのメッセージの送信の持続時間が主要な特性である。リアルタイムシステムとして適切なコンピュータネットワークに対する規格例として、ここではSAE AS6802規格を挙げておく。リアルタイムシステムに対する例として、飛行機に搭載された制御システム、産業用製造装置での制御システム、および、産業用ロボットがある。

コンピュータネットワークにおけるメッセージの送信時間、すなわち待ち時間を最小にするためのコスト的に有効な一つの方法は、時間制御されたメッセージ送信、すなわちタイムトリガ通信を実現することである。タイムトリガされたメッセージ送信では、ネットワークによって一つのコンピュータネットワークを形成するように接続された全てのコンピュータまたはコンピュータ群が同期され、この同期されたコンピュータがローカルクロックを実現する。このローカルクロックは、リアルタイムでの各時点において、計算可能な時間値誤差しか異なっていない。したがって、同期されたコンピュータは、時間的について共通の参照点を有し、この参照点は計算可能であり、多くの場合、例えばマイクロ秒範囲の小さな誤差を受ける。

さらに、タイムトリガされた通信では、通信プラン、いわゆる「スケジュール」が開発されている。このスケジュールは、同期された時間内のどの時点で、どのコンピュータがどのメッセージをネットワークに供給するかを記述する。これにより、コンピュータがメッセージをコンピュータネットワークに供給する時点が、別のコンピュータがメッセージを前記コンピュータネットワークに供給する時点から十分に離れていることが保証され、これにより一つのコンピュータのメッセージと別のコンピュータのメッセージとが同一の時点でネットワークのリソースを占有することがなくなる。ネットワーク自体は、アクティブノード、例えばブリッジまたはスイッチを含むことができる。この場合、スケジュールは、メッセージをさらに転送すべき時点も含むことができる。SAE AS6802規格は、タイムトリガされるメッセージの送信を、イーサネット（登録商標）（IEEE 802.3）に基づくネットワークにおいてどのように実現することができるかを記述する。

リアルタイムシステムの重要性がますます増大するため、今や産業界は、既存のＩＴネットワーク規格をリアルタイム適性のあるものにしようと試みている。とりわけ、IEEE802.1Q規格には、バージョンIEEE802.1-2011から始まって、制限された数のメッセージに対するリアルタイム応答を保証する機能が拡充されている。これらの機能は、「オーディオ・ビデオ・ブリッジング」（ＡＶＢ）の概念の下に共通してまとめられる。

IEEE802.1Q-2011では、以下の機能および構成によってリアルタイム応答が達成される。

（ａ）リアルタイムメッセージには、ネットワークにおいて高度の優先度、さらには最高度の優先度が割り当てられる。

（ｂ）リアルタイムメッセージは、あらかじめ定められた非同期期間により送信される。

（ｃ）リアルタイムメッセージに対して使用可能な帯域幅は、制限され、規定されている。

上記ポイント（ａ）〜（ｃ）から、リアルタイムメッセージの待ち時間を計算することができ、パラメータ（優先度、期間および帯域幅）の適切な選択により十分に満足のいくリアルタイム応答を達成することができる。完全を期すために、IEEE802.1Q-2011は、タイムトリガされるメッセージ送信を実現するものではないが、IEEE802.1Qでのタイムトリガ能力が、現在のIEEE802.1Qbv標準化プロジェクトにおいて開発されていることを述べておく。

ここでは、IEEE802.1Q-2011による構成に対する例として、いわゆるサービスクラスＡ「ＳＲクラスＡ」を挙げておく。ＳＲクラスＡに対してIEEE802.1Q-2011は、以下の事実上の構成を定義する：（ａ）優先度が３にセットされる、（ｂ）クラス測定インターバル（ＣＭＩ）（以下、一般的にＣＭ時間インターバルとも称する）が１２５マイクロ秒にセットされる、そして（ｃ）ＳＲクラスＡに対する最大帯域幅が７５％にセットされる。このようなセットアップの際に、IEEE802.1作業部会の計算によれば、２ミリ秒の保証された待ち時間がネットワーク内で達成され、このネットワーク内には最大で６つのブリッジ（スイッチまたはスターカップラとも称する）が、一つのリアルタイムメッセージの送信者と受信者との間に許容される。

相応してＡＶＢプロトコルを実現するコンピュータは、１２５マイクロ秒ごとに（ＳＲクラスＡに対して）特定のＩＤを備える一つのメッセージを送信してよい。例えば従来技術を示す図１に示すように、２つのコンピュータ１０１，１０２がメッセージをブリッジ２０１に、ＡＶＢプロトコルに従って送信する場合、２つのコンピュータ１０１，１０２はそれぞれ自身のために動作し、共同して動作しない。したがって、コンピュータ１０１，１０２は、同一の時点でブリッジ２０１に到着するメッセージを送信することができる。最悪の場合、２つのコンピュータがメッセージを周期的に送信する場合には、このことはコンピュータ１０１，１０２の全てのメッセージに対して当てはまる。

ＣＭ時間インターバルは、帯域幅パラメータの計算時間を定義する。ＡＶＢでは、ストリームに対する帯域幅がブリッジにおいて動的に予約される。このことは、例えば一人の通話者が自分のブリッジにおいて、１２５マイクロ秒ごとに、長さｎｎバイトのｘｘ個のメッセージを送信するという内容を伴うストリームＳ１を通知する場合、
（ｎｎ＋４２）×８×ｘｘ／１２５μｓ＝ｂｂｂビット／秒
（４２バイトはヘッダ等に対するオーバヘッド）の帯域幅が生じる、ことを意味する。したがって、ＣＭＩ（この場合は１２５μs）は、一つのストリームに対して要求される帯域幅を計算するためのインターバルを規定する。

しかしながら、このセットアップの直接的な結論は、ＳＲクラスＡの最小長を備える最大で１３のイーサネット（商標登録）メッセージ（イーサネット（登録商標）では「フレーム」とも称する）を各ポートに対して使用することができるというものである。なぜなら、そうでないと、最大帯域幅に対する７５％制限を上回ることとなるからである。（最小のイーサネット（登録商標）フレームは、８４バイトの場合には６．７２μsの長さを有し、１２５μsのＣＭＩにおいて７５％帯域幅では９３．７５μsの使用可能時間が得られる。９３．７５μs／６．７２μsから１００Ｍビット／秒の帯域幅においては最大で１３の最小イーサネット（商標登録）フレームが生じる。）

本発明の課題は、例えばIEEE802.1Q-2011（または将来のIEEE802.1Q規格）を実現する分散型コンピュータネットワーク、またはこの規格で仕様規定されたのと類似の仕様に基づく分散型コンピュータネットワークにおいて、利用可能な時間単位内に送信されるリアルタイムメッセージの数を増やすことのできる方法を提供することである。とりわけ本発明の課題は、タイムトリガされないリアルタイムメッセージ、例えばＡＶＢメッセージの待ち時間を増大すること無しに上記目標を達成することである。

この課題は、冒頭に述べた方法を使用して本発明に従い、タイムトリガされるメッセージが計算機ノードによりさらに送信され、規定のスケジュールに従って、タイムトリガされるメッセージが前記計算機ノードにより周期的に送信され、前記タイムトリガされるメッセージの持続期間は、ＣＭ時間インターバルの期間の関数であり、異なる計算機ノードにより同一のアクティブノードに送信されるタイムトリガされるメッセージの送信時点は、異なる計算機ノードからの当該タイムトリガされるメッセージが異なる時点で前記アクティブノードにより受信されるように、すなわち互いにオーバラップしない時間インターバルで受信されるように互いに位相がずらされており、一つのＣＭ時間インターバル内で前記タイムトリガされるメッセージとリアルタイムメッセージとにより占有される帯域幅の合計が、リアルタイム帯域幅の大きさを上回らない、ことによって解決される。

この課題はさらに、冒頭に述べたコンピュータネットワークにより本発明に従って、タイムトリガされるメッセージを送信するように構成された少なくとも２つの計算機ノードが設けられており、規定のスケジュールに従って、前記少なくとも２つの計算機ノードのタイムトリガされるメッセージが周期的に送信され、前記タイムトリガされるメッセージの持続期間は、ＣＭ時間インターバルの持続期間の関数であり、異なる計算機ノードから同一のアクティブノードに送信されるタイムトリガされるメッセージの送信時点は、異なる計算機ノードからの当該タイムトリガされるメッセージが異なる時点で前記アクティブノードにより受信されるように、すなわち互いにオーバラップしない時間インターバルで受信されるように互いに位相シフトされており、一つのＣＭ時間インターバル内で前記タイムトリガされるメッセージとリアルタイムメッセージとにより占有される帯域幅の合計が、リアルタイム帯域幅を上回らない、ことによって解決される。

基本的に、通信線路を介する通信のために使用可能な最大伝送速度は、「ポート伝送速度」と称される。例えばイーサネット（登録商標）における「ポート伝送速度」は、１０Ｍビット／秒、１００Ｍビット／秒、１Ｇビット／秒またはそれ以上である。

リアルタイム帯域幅は、この「ポート伝送速度」のスペースを規定し（例えば％で）、このスペースはリアルタイムメッセージのために使用可能である。

本発明は、タイムトリガされるメッセージとタイムトリガされないリアルタイムメッセージの帯域幅の合計が、タイムトリガされないリアルタイムメッセージに対して元々設けられた規定のリアルタイム帯域幅よりも小さいか、または等しいようにする。したがって、タイムトリガされるメッセージとタイムトリガされないリアルタイムメッセージは、タイムトリガされないリアルタイムメッセージに対して通常は使用可能である「ポート伝送速度」のパーセンテージを分け合う。

したがって、本発明は、「通常の」リアルタイムメッセージ、例えばタイムトリガされずに通信されるＡＶＢメッセージと、新たに導入されたタイムトリガされるメッセージないしタイムトリガされるリアルタイムメッセージとを区別する。

導入された方法により、スケーラブルな多数のリアルタイムメッセージを、一つのアクティブノード、例えばブリッジのポートに割り当てることができる。

このことは、コンピュータネットワーク内で送信されるメッセージの一部に対してはタイムトリガされる通信を実現することにより達成され、ここではタイムトリガスケジュールのために設定された特別の仕様も、タイムトリガされないリアルタイムメッセージ、例えばＡＶＢメッセージに対して設定された帯域幅仕様も両方とも維持しなければならない。したがって、タイムトリガされるメッセージが、ＡＶＢメッセージのように出現する。結果として本発明は、標準イーサネット（登録商標）コンピュータネットワークを、帯域幅使用率の改善のために拡張し、再構成するために使用することができる。

本発明は、例えばIEEE802.1Q-2011に基づくネットワークにおいてタイミングパフォーマンスを改善することができる。具体的には、メッセージを同期して送信するために使用される方法が導入され、これにより、例えばIEEE802.1Q-2011規格に従い、ちょうど一人のネットワーク加入者に割り当てられた帯域幅を、本方法を使用して、複数のネットワーク加入者により協調し分け合うことができる。この方法により、IEEE802.1Q-2011だけに基づくネットワークにおいて可能であるよりも多数のメッセージに対して、待ち時間特性を保証することができる。

したがって、本発明は、例えばIEEE802.1Q-2011（または将来のIEEE802.1Q規格）を実現する分散型コンピュータネットワークにおいて、どのようにしてリアルタイムメッセージの数を増やすことのできるかを記述する革新的方法を開示する。この方法は、タイムトリガされる通信を実現し、IEEE802.1Q-2011規格に記述されるリアルタイムメッセージの一部、例えばＳＲクラスＡメッセージの一部が、タイムトリガのやり方で通信される。さらにこの方法は、タイムトリガのやり方では送信されないリアルタイムメッセージの待ち時間特性が、タイムトリガによって不利な影響を受けないようにすることを保証するためには、タイムトリガされるメッセージのスケジュールをどのように組むべきかを開示する。ここで本発明によればタイムトリガは、（複数の）エンドシステム内で、すなわち（複数の）コンピュータ内で実施され、ブリッジで実施されるのではない。

少なくとも２つの計算機ノードのタイムトリガされるメッセージが送信されると有利である。

同様に通信の理想的なシーケンスに対しては、タイムトリガされるメッセージの持続期間が一つのＣＭ時間インターバルの整数倍であると有利である。

タイムトリガされるメッセージの持続期間が、一つのＣＭ時間インターバルを整数で除算した期間に等しくなるようにすることもできる。

本発明の一実施形態では、タイムトリガされる全てのメッセージが、同一の持続期間で送信される。

本発明の別の一実施形態では、少なくとも２つのノードコンピュータにより制御されるタイムトリガされるメッセージが、異なる持続期間で送信される。

同一の持続期間を備えるタイムトリガされるメッセージの送信時点が、異なるノードコンピュータからの２つの連続するタイムトリガされるメッセージの送信時点が正確に一つのまたは少なくとも一つの時間インターバルだけ互いに離れているように選択されると有利である。ここで前記時間インターバルは、持続期間をノードコンピュータの数により除算したものに等しい。

例えば、２つのノードコンピュータがタイムトリガされるメッセージを送信する場合、異なるノードコンピュータからの２つの連続するメッセージは、持続期間の半分だけ互いに時間的にシフトされる。持続期間がＣＭ時間インターンバルの長さの２倍である場合、２つのメッセージ（すなわちそれらの送信時点）はちょうど一つのＣＭ時間インターバルだけ離されている。

異なるノードコンピュータの２つ以上のタイムトリガされるメッセージが一つのＣＭ時間インターバル内で送信されるように規定するスケジュールに対しては、さらに、ｎ番目のタイムトリガメッセージの送信時点が、最も早くても（ｎ−１）番目のメッセージの送信時点に（ｎ−１）番目のメッセージの送信持続時間を加えた時間の経過後に発生するように規定するのが有利である。ここでｎ＝２，３，４．．．である。

さらに、リアルタイムメッセージの２つ以上の異なるクラスをネットワーク内において送信することができ、このような異なるクラスは、それぞれのクラスのメッセージに割り当てられたＣＭ時間インターバルにおいて少なくとも異なっている。

本発明は、タイムトリガされるメッセージとして送信される特定のクラスのリアルタイムメッセージを、これらのリアルタイムメッセージのＣＭ時間インターバルの関数である持続期間により送信することができる。

しばしば、ないし一般的に、異なるクラスのメッセージは、それらの優先度においても異なっている。しかし、タイムトリガされるメッセージに、対応のリアルタイムメッセージと同一の、またはそれより高い優先度を割り当てることもできる（すなわち、リアルタイムメッセージがタイムトリガされるメッセージとして送信される場合、そのタイムトリガされるリアルタイムメッセージには、それがタイムトリガされないメッセージとして有することになる優先度と同一の、またはそれより高い優先度が割り当てられる）。

具体的には本発明では、リアルタイムメッセージの少なくとも一部がタイムトリガされるメッセージとして送信される。このことはとりわけ、通常はタイムトリガされるメッセージとして送信されないこれらリアルタイムメッセージのうちの少なくとも一部が、タイムトリガされる（リアルタイム）メッセージとして送信されることを意味する。ネットワーク内で通信されるリアルタイムメッセージではない、すなわちとりわけ標準イーサネット（登録商標）メッセージである他のメッセージは、通常、タイムトリガされるメッセージとしては通信されず、本発明の枠内でも通信されない。

さらに所定のクラスのリアルタイムメッセージの少なくとも一部を、タイムトリガされるメッセージとして送信することができる。

例えばＡＶＢクラス「ＳＲクラスＡ」のリアルタイムメッセージがタイムトリガされるメッセージとして送信される場合、ＣＭ時間インターバルＣＭＩの持続時間は１２５マイクロ秒であり、タイムトリガされるメッセージとして送信されるクラス「ＳＲクラスＡ」のＡＶＢメッセージ（「ＴＴ−ＳＲクラスＡメッセージ」、すなわち「タイムトリガされるＳＲクラスＡメッセージ」）は相応に、この値の関数、例えば整数倍、すなわち例えば１２５マイクロ秒の１倍、２倍、３倍等または１２５マイクロ秒を整数で除算した持続期間で送信される。

例えば（追加的にまたはその代わりに）ＡＶＢクラス「ＳＲクラスＮ」のメッセージがタイムトリガされるメッセージ（「ＴＴＳＲクラスＢメッセージ」）として送信される場合、持続期間は、ＳＲクラスＢメッセージに対する対応のＣＭ時間インターバル、すなわち２５０マイクロ秒に基づいて計算される。

メッセージの送信は、特に簡単には、タイムトリガされるメッセージがＣＭ時間インターバルの開始時に送信されるようにスケジュールすることができる。

最後に、リアルタイムメッセージに対して使用可能な帯域幅も同様に、タイムトリガされるリアルタイムメッセージとタイムトリガされないリアルタイムメッセージとの間で任意に分割できると有利である。

すでに上に述べたように、タイムトリガされるメッセージが、少なくとも（タイムトリガされない）リアルタイムメッセージの優先度またはより高い優先度を有すると有利である。

例えばタイムトリガされるメッセージとして送信されるＳＲクラスＡ／ＳＲクラスＢのＡＶＢメッセージは、ＳＲクラスＡ／ＳＲクラスＢと同一の、またはそれより高い優先度を有する。しかし、タイムトリガされる全てのメッセージに、タイムトリガされない（ＡＶＢ）リアルタイムメッセージよりも高い優先度を割り当てることもできる。

最後に、同一の計算機ノードにより送信されるタイムトリガされるメッセージが、同一の識別特性、例えば同一のストリームＩＤ（StreamID）を含むようにすることも有利である。

典型的なＣＭ時間インターバルの長さは、１２５マイクロ秒および／または２５０マイクロ秒である。

さらに通常は、規定のリアルタイム帯域幅が、一つのＣＭ時間インターバル内でリアルタイムメッセージに対して使用可能な帯域幅の最大で７５％に制限されている。

以下、本発明を、例としての実施例に基づき詳細に説明する。

３つの計算機ノード、例えばコンピュータとブリッジを有するコンピュータネットワークを示す図であり、ここでブリッジはIEEE802.1Q規格を実現する。 ２つのメッセージがブリッジにより、ほぼ同一の時点で受信されるデータフローチャートを示す図であり、ここでブリッジはメッセージを記憶し、メッセージを連続的に転送する。 ４つの計算機ノードと一つのブリッジを有するコンピュータネットワークを示す図であり、ここでブリッジはIEEE802.1Qを実現し、３つの計算機ノードのうちの２つがタイムトリガされる通信を実現する。 タイムトリガされるメッセージが２つの計算機ノードによって、クラス測定インターバル（ＣＭＩ）の持続時間の２倍に等しい期間で送信されるようにスケジュールされた、タイムトリガされるメッセージのためのスケジュールを示す図である。 一つのタイムトリガされるメッセージと一つのタイムトリガされないメッセージがそれぞれ一つのブリッジによってほぼ同一の時点で受信されるデータフローチャートを示す図である。 ３つの異なるメッセージがタイムトリガされないメッセージとして送信されるデータフローチャートを示す図である。 タイムトリガされるメッセージが２つの計算機ノードから異なる期間により送信される、タイムトリガされるメッセージに対するスケジュールを示す図である。 ３つのタイムトリガされるメッセージと一つのタイムトリガされないメッセージが通信されるデータフローチャートを示す図である。 ４つの異なるメッセージがタイムトリガされないメッセージとして送信されるデータフローチャートを示す図である。 タイムトリガされるリアルタイムメッセージとタイムトリガされないリアルタイムメッセージとの間での帯域幅の割り当てを概略的に示す図である。 ブリッジの内部動作を概略的に示す図である。

以下の具体的な例は、新規の方法の多数の可能な実施形態の一例である。

図１は、従来技術から公知のコンピュータネットワークの一例を示す。このコンピュータネットワークは、３つの計算機ノード１０１，１０２，１０４を有し、これらの計算機ノードは、ブリッジ２０１の形のアクティブノードを介してメッセージを相互に交換する。このために計算機ノード１０１，１０２，１０４は通信線路を介して、好ましくは図示のような双方向通信線路３０１，３０２，３０４を介して前記ブリッジ２０１に接続されている。ブリッジ２０１は、IEEE802.1Q-2011規格を実現する。すなわちこのブリッジは、前記規格に対応し、または前記規格に従って動作する。交換される全てのメッセージは、イーサネット（登録商標）メッセージである。

一つのアクティブノード（ないし能動素子、aktive Komponente）は、「ネットワークの知識（Wissen des Netzwerks）」と記憶方法を備える。このアクティブノードは、どこにメッセージを転送しなければならないかを知っている。一つの受動素子は例えばハブであって良く、メッセージを記憶せず、メッセージを正しくアドレスすることもしない。このようなハブは到来するメッセージを「一斉送信」するだけである。このようなアクティブノードは典型的にはいわゆる「ブリッジ」またはスイッチ、もしくは例えば相応の機能を備えるルータである。

図２は、図１のコンピュータネットワークのための通信方法を示す。ここではコンピュータネットワークはタイムトリガされる何れの通信も実施しないという前提が基礎とされる。この場合、一つの計算機ノード１０１と一つの計算機ノード１０２がメッセージ４０１，４０２をほぼ同一の時点で送信することがあり得、そのため両方のメッセージ４０１，４０２が第３の計算機ノード１０４にアドレスされる。この第３の計算機ノード１０４は一つの通信線路３０４だけを介して前記ブリッジ２０１に接続されているから、メッセージ４０１，４０２はブリッジ２０１により連続的に計算機ノード１０４に送信されなければならない。図２の例では、最初にメッセージ４０１が送信され、その後に初めてメッセージ４０２が送信される。結果として、メッセージ４０１は待ち時間５０１を有し、メッセージ４０２は待ち時間５０２を有する。ここでこの待ち時間（時間単位で測定される）は、ブリッジ２０１におけるメッセージの受信開始の時点６０１からブリッジ２０１によるメッセージの転送完了までで測定される。規格IEEE802.1Qは、リアルタイムメッセージに対して、ブリッジ２０１での受信の間にオーバラップして良いメッセージの数が制限されていることを保証する。したがって、リアルタイムメッセージの送信待ち時間は、すでにIEEE802.1Q-2011コンピュータネットワークにおいて決定することができる。しかしこの解決手段の欠点は、送信できるリアルタイムメッセージの数が制限されていることである。

図３は、本発明により拡張されたネットワークを示す。このネットワークは、通信線路３０１，３０２，３０３，３０４を介してブリッジ２０１に接続された４つの計算機ノード１０１，１０２，１０３，１０４を有する。このコンピュータネットワークでは、２つの計算機ノード１０１，１０３がタイムトリガされる通信を実施する。すなわちこれらの計算機ノードはタイムトリガされるメッセージを送信する。

図４は、図３に示されたコンピュータネットワークの計算機ノード１０１，１０３のためのスケジュールを示す。時間軸が図４によれば時間期間に分割されており、各時間期間はＣＭ時間インターバルＣＭＩ（以下、クラス測定インターバルＣＭＩとも称する）の長さに相当する長さを有する。選択された例では４つのインターバルがそれぞれ１２５μsの持続時間により表されている。そしてスケジュールは、計算機ノードがメッセージを周期的に期間Ｐにより送信することを記述する。この期間Ｐは、この場合、クラス測定インターバルＣＭＩの長さの２倍である。用語「クラス測定インターバルＣＭＩ」は、ここではIEEE802.1Q-2011規格に定義され、例えばＳＲクラスＡの場合、ＣＭＩは１２５マイクロ秒にセットされるさらにスケジュールは、計算機ノード１０１，１０３がそれらのメッセージ４０１，４０３をそれぞれタイムディレイして、すなわち、一つのＣＭＩクラス測定インターバルの長さを有する位相シフトにより送信するようにする。

実質的に、一つのＣＭ時間インターバル内でタイムトリガされる周期的なメッセージ４０１，４０３は、このような時間インターバルの任意のポイントで送信することができる（ここでノード１０１の種々のメッセージ４０１とノード１０３の種々のメッセージ４０３は、異なるＣＭＩ時間窓内の同一のポイントで常に発生する）。好ましくは、メッセージ４０１，４０３は、図示のようにＣＭＩの開始時に送信される。これは、本発明の特に簡単で信頼性のある実施方法である。

図４のスケジュール内には図示されていない、タイムトリガされないリアルタイムメッセージ４０２、例えばＡＶＢメッセージは、非同期に「一つのＣＭ時間インターバル内のタイムトリガされるメッセージの周辺で」送信される。この点で重要なことは、帯域幅制限である。なぜなら本発明によれば、タイムトリガされるメッセージとタイムトリガされないメッセージに対する帯域幅の総数が、リアルタイムメッセージに対して使用可能な規定の最大リアルタイム帯域幅を超えてはならないからである。

ＳＲクラスＡ形式のタイムトリガされないリアルタイムメッセージに対しては、使用可能な帯域幅の例えば７５％を使用することができる。すなわち一つのＣＭ時間インターバルＣＭＩ内では使用可能な帯域幅の実質的に７５％しか、および／またはＳＲクラスAメッセージに対しては１２５マイクロ秒の７５％を意味することになる使用可能時間しか使用が許可されない。本発明によりタイムトリガされる（リアルタイム）メッセージが付加的に導入されると、タイムトリガされないメッセージとタイムトリガされるメッセージとが、使用可能な帯域幅のこの７５％を分け合う。この場合、この制限された帯域幅を、タイムトリガされるメッセージとタイムトリガされないメッセージとの間でどのように分割するかという比は実質的に任意である。

一つのＣＭ時間インターバルＣＭＩ内の「残りの」期間は、例えばメッセージ４０１が送信された後、７５％までＡＶＢメッセージにより、すなわちリアルタイムメッセージにより満たすことができ、残りの２５％は、例えば標準イーサネット（登録商標）メッセージである（ベストエフォートトラフィック）。この模式的概観が図１０に図示されている。

図５は、図３に図示され、図４のスケジュールに従って構築されたコンピュータネットワークの通信挙動を示す。ここでデータフローチャートの左部分は、図２のデータフローチャートに正確に対応する。計算機ノード１０２はタイムトリガのやり方では通信しないから、図５の左側に示されるように一つの可能なシナリオは、計算機ノード１０２の一つのメッセージが、タイムトリガされて通信する計算機ノード１０１のメッセージ４０１とほぼ同一の時点６０１で、ブリッジ２０１の形のアクティブノードに到着することである。メッセージ４０１は、例えば図４の一番左に示されるメッセージ４０１である。

対応してブリッジ２０１は、メッセージ４０１，４０２を連続的に通信チャネル（通信線路）３０４を介して計算機ノード１０４に送信する。

メッセージ４０１は待ち時間５０１を有し、メッセージ４０２は待ち時間５０２を有する。

この場合、ブリッジ２０１は、どの順序で２つのメッセージ４０１，４０２が送信されるかをランダムに選択するができる。またはブリッジ２０１は自分のスケジュールを有しており、このスケジュールが、近似的に同時に到着するメッセージをどの順序で送信すべきかを規定する。

さらに図５は右側に、時点６０１より後の期間ＣＭＩである時点６０２を示す。ここには、IEEE802.1Q-2011規格だけの場合と比較した本発明および本発明の方法の利点が示されている。この右部分でブリッジ２０１は、２つの計算機ノード１０２，１０３からほぼ同一の時点６０２で（タイムトリガされない）メッセージ４０２と（タイムトリガされる）メッセージ４０３を受信する。しかし、計算機ノード１０１のメッセージ４０１もほぼ同一の時点で受信することは不可能である。なぜなら、図４に示すように、タイムトリガされる通信のスケジュールが、計算機ノード１０１のメッセージ４０１を、次のＣＭＩでしか再度供給しないからである。したがって、両方のメッセージ４０１，４０３ではなくメッセージ４０１またはメッセージ４０３だけがメッセージ４０２と同一の時点で衝突する（すなわち現れる）ことになるため、付加的なメッセージ４０３は、図２にメッセージ４０２に対して図示された通信シナリオに関連する付加的な待ち時間を生じさせない。なぜなら、図５の右部分から分かるように、メッセージ４０３が待ち時間５０３を有し、メッセージ４０２が待ち時間５０２を有するからである（メッセージ４０１とメッセージ４０３が同一の長さを有することを前提として）。したがって、図５は例として、本発明によれば、例えば３つのメッセージ４０１，４０２，４０３がある場合、図２により２つのメッセージしか存在しない箇所では、タイムトリガされないメッセージ４０２の待ち時間が損なわれないことを示す。したがって、図５は、タイムトリガされる通信により、リアルタイムメッセージの既存の待ち時間特性に影響することなく、より多くのリアルタイムメッセージをどのようにして送信することができるかを示す。

ブリッジの形のアクティブノードは、メッセージを記憶し、これらを連続的に転送する。本発明によれば、タイムトリガされるメッセージをスケジュールすることにより、タイムトリガされるメッセージが前記ブリッジによってほぼ同時に、またはオーバラップする時間窓内で受信されることが不可能となる。さらに本発明により、図５に例として示された状況において、タイムトリガされないメッセージは、タイムトリガされる一つのメッセージによってだけそれぞれ遅延され得るが、タイムトリガされないメッセージが、２つまたはそれ以上のタイムトリガされるメッセージによって遅延されることは、本発明により図５に図示の状況ではあり得ない。

一般的に、タイムトリガされないメッセージは、タイムトリガされる最大数のメッセージによってだけ遅延されると結論づけることができ、この最大数はスケジュールから生じる。例えばＮ個のタイムトリガされるメッセージが直接連続してスケジュールされる場合、このことは、ブリッジがこのＮ個のタイムトリガされるリアルタイムメッセージを直接連続して受信することを意味する。スケジュールが、引き続きタイムトリガされないメッセージが十分に長い時間の間スケジュールされるよう規定していれば、タイムトリガされないメッセージを処理することができる。したがって、タイムトリガされるメッセージによるタイムトリガされないリアルタイムメッセージの遅延は、タイムトリガされるリアルタイムメッセージのスケジュールに基づいて計算することができる。

用語「同時に」または「ほぼ同時に」とは、ブリッジによる２つのメッセージの転送時点が互いに影響し合う場合、すなわち一方のメッセージの転送が、他方のメッセージによって遅延され得る場合、前記２つのメッセージは「同時に」または「ほぼ同時に」受信されることを意味すると理解すべきである。これは、メッセージのブリッジ（アクティブノード）への「同時の」、「ほぼ同時の」または「ほぼ同時点での」転送と呼ばれる。

本発明をさらにより良く理解するために、図６は、３つの異なるメッセージ４０１，４０２，４０３が同様に送信されるデータフローチャートを示す。しかし図５とは異なり、図６では３つ全てのメッセージ４０１，４０２，４０３がタイムトリガされない。したがって、図６が示すように、３つ全てのメッセージ４０１，４０２，４０３がブリッジによりほぼ同時点で、またはオーバラップする時間窓６０１で受信されることが可能である。図６に示されるように最悪の場合、メッセージ４０３は、２つのメッセージ４０１，４０２によって２つのメッセージ４０１，４０２の長さの持続時間だけ遅延される。

ここで図６は、一例としてのシナリオだけを示す。メッセージはタイムトリガされず、優先度も付与されていないので、ブリッジによるメッセージの送信順序は決定されていない。したがって、待ち時間に関しては、最悪の場合、３つのメッセージ４０１，４０２，４０３の何れか一つが２つのメッセージにより遅延され得ることを前提としなければならない。

図７は、本発明によりタイムトリガされるメッセージ４０１，４０３に対する別のスケジュールを示す。このスケジュールでは、タイムトリガされるメッセージ４０１，４０３が、２つの計算機ノードにより、一方の計算機ノードのメッセージ４０３がＣＭ時間インターバル（クラス測定インターバル）ＣＭＩの期間Ｐ２により送信され、他方の計算機ノードのメッセージ４０１が、クラス測定インターバルＣＭＩの持続期間の２倍である期間Ｐ１により送信されるようにスケジュールされている。

このスケジュールはさらに、異なってタイムトリガされるメッセージ４０１，４０３に対する時点が、異なってタイムトリガされるメッセージ４０１，４０３が一つのクラス測定インターバルＣＭＩ内で発生することに基づき、これらタイムトリガされるメッセージ４０１，４０３が衝突しないようにスケジュールされている、すなわち、これらが同時には発生しないようにスケジュールされていることを規定する。この目的のために例えば、タイムトリガされるメッセージ４０３の期間は、タイムトリガされるメッセージ４０１の持続時間のちょうど経過後に、または早くとも経過後に開始するように規定されている。

さらに好ましくは、２つのメッセージ４０１，４０３が、クラス測定インターバルＣＭＩの開始時に前後して（nacheinander、引き続いて）発生するよう規定されている。

図８は、図７のスケジュールが実現されているデータフローチャートを示す。図８によれば、３つのタイムトリガされるメッセージ４０１，４０３，４０４と、一つのタイムトリガされないメッセージ４０２が通信される。タイムトリガされるメッセージ４０３は、クラス測定インターバルＣＭＩと同一の期間を有し、第２と第３のタイムトリガされるメッセージ４０１，４０４はそれぞれ、一つのＣＭＩの２倍に等しい期間を有する。メッセージ４０１とメッセージ４０４は、一期間長の半分だけオフセットされて、すなわちクラス測定インターバルＣＭＩの長さだけオフセットされて送信される。

タイムトリガされないメッセージ４０２に対しては、これがクラス測定インターバルＣＭＩの期間で送信されることが前提となる。図８の左側に示されるように、ブリッジはほぼ同一の時点６０１でタイムトリガされないメッセージ４０２とタイムトリガされるメッセージ４０１を受信し、これにタイムトリガされるメッセージ４０３が、図７のスケジュールにより規定される時点６０１’で続く。これら３つのメッセージはブリッジにより、これらメッセージ４０１，４０２，４０３に対する待ち時間５０１，５０２，５０３により転送される。メッセージの図示の順序は単なる例として用いられるが、メッセージ４０１，４０２，４０３の最大待ち時間（図示の例ではメッセージ４０３に対する最大待ち時間）が、２つのメッセージの長さであることが良く分かる。

図８の右側は、クラス測定インターバルＣＭＩの長さだけ遅延されて時点６０１の後にある時点６０２で、タイムトリガされないメッセージ４０２とタイムトリガされるメッセージ４０４が、ブリッジによってほぼ同時点に受信され、それにタイムトリガされるメッセージ４０３が（時点６０２’で）、図７のスケジュールにより規定されるように続いていることを示す。ここでもメッセージ４０２，４０３，４０４の最大待ち時間、図示の場合、メッセージ４０３に対する最大待ち時間は、２つのメッセージの長さである。

図９は、４つのメッセージ４０１，４０２，４０３，４０４が同様に通信されるが、４つ全てのメッセージが公知のようにタイムトリガされないデータフローチャートを比較のために示す。図８とは異なり図９は（図６と同じように）、４つ全てのメッセージ４０１，４０２，４０３，４０４がブリッジによってほぼ同時点に受信されるシナリオを示す。このようなシナリオが考えられるのは、メッセージがタイムトリガされないからである。図示のようにこの場合の最大待ち時間は、図示の例ではメッセージ４０４に対する最大待ち時間は、３つのメッセージの長さであり、したがって、最大待ち時間は、図８に図示の場合よりも長い。

図１０は、１２５μsインターバルが、タイムトリガされ、かつイベントトリガされる通信に対するサブインターバルに分割されている例を示す。この例では、通信線路の帯域幅の７５％の全てをＡＶＢ通信のために使用できることが前提とされる。これは各１２５μsインターバルにおいて９３．２５μsの値に相当する。この９３．２５μsインターバルの各々において、長さｘの一つのインターバルだけがタイムトリガされる通信に対して使用され、一方、９３．２５−ｘの長さを備える残りのインターバルはイベントトリガされる通信に対して使用される。

最後に図１１は、ブリッジ２０１の内部機能原理を模式的に示す。ブリッジ２０１は、到来する通信線路１１０１を介してメッセージを入力ポート１２０１で受信する。このブリッジは、到来するメッセージを優先度に従って分類し、これらに一つまたは複数のポート１３０１の論理待ち行列１４０１，１４０２，１４０３を割り当てる。この例では一つのポート１３０１とこのような３つの待ち行列１４０１，１４０２，１４０３が図示されている。ポートごとに待ち行列のそれぞれ一つには、一義的な優先度が割り当てられている。図１１は、上昇的優先度の割り当ての例を示し、待ち行列１４０１（最低優先度）、待ち行列１４０２、待ち行列１４０３（最高優先度）である。これらの優先度は、ポート１３０１を介して通信リンク１５０１に送信すべき次のメッセージを選択する際に考慮される。

１０１，１０２，１０３，１０４ 計算機ノード
２０１ ブリッジ（Bridge）、アクティブノード
３０１，３０２，３０３，３０４ 通信線路
４０１，４０２，４０３，４０４ メッセージ
５０１，５０２，５０３，５０４ 待ち時間（Latenz）
６０１，６０１’，６０２、６０２’ 時点
１１０１ 通信線路
１２０１ 入力ポート
１３０１ ポート
１４０１，１４０２，１４０３ 待ち行列（Queue）
１５０１ 通信リンク
ＣＭＩ ＣＭ時間インターバル
Ｐ，Ｐ１，Ｐ２ 期間

Claims (19)

1. コンピュータネットワーク内でメッセージを送信するための方法であって、前記コンピュータネットワークは、複数の計算機ノード（１０１，１０２，１０３，１０４）を有し、前記計算機ノード（１０１，１０２，１０３，１０４）は、一つまたは複数のアクティブノード（２０１）を介して相互接続されており、前記各計算機ノード（１０１，１０２，１０３，１０４）は、通信線路（３０１，３０２，３０３，３０４）を介してアクティブノード（２０１）に接続されており、さらに前記計算機ノード（１０１，１０２，１０３，１０４）は、メッセージの少なくとも一部をリアルタイムメッセージ（４０２）の形式で交換し、
   一定の持続時間の規定のＣＭ時間インターバル（ＣＭＩ）が前記リアルタイムメッセージ（４０２）に割り当てられており、
   前記リアルタイムメッセージ（４０２）に対してＣＭ時間インターバル（ＣＭＩ）内で使用可能な帯域幅が、規定のリアルタイム帯域幅に制限されている送信方法において、
   さらに、計算機ノード（１０１，１０３）によりタイムトリガされるメッセージ（４０１，４０３；４０１，４０３，４０４）が送信され、
   規定のスケジュールに従って、前記タイムトリガされるメッセージ（４０１，４０３；４０１，４０３，４０４）が、前記計算機ノード（１０１，１０３）により周期的に送信され、
   前記タイムトリガされるメッセージ（４０１，４０３；４０１，４０３，４０４）の持続期間（Ｐ；Ｐ１，Ｐ２）は、前記ＣＭ時間インターバル（ＣＭＩ）の持続時間の関数であり、
   異なる計算機ノード（１０１，１０３）により同一のアクティブノード（２０１）に送信される、タイムトリガされるメッセージ（４０１，４０３；４０１，４０３，４０４）の送信時点は、当該タイムトリガされるメッセージ（４０１，４０３；４０１，４０３，４０４）が、異なる計算機ノード（１０１，１０３）から異なる時点（６０１，６０２；６０１，６０２，６０２’）で、すなわちオーバラップしない時間インターバルで前記アクティブノード（２０１）によって受信されるように互いに位相が時間的にずらされており、
   前記タイムトリガされるメッセージ（４０１，４０３；４０１，４０３，４０４）とリアルタイムメッセージ（４０２）によりＣＭ時間インターバル（ＣＭＩ）内で占有される帯域幅の合計は、前記リアルタイム帯域幅の値を上回らない、ことを特徴とする方法。
2. 前記タイムトリガされるメッセージ（４０１，４０３；４０１，４０３，４０４）は、少なくとも２つの計算機ノード（１０１，１０３）から送信される、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記タイムトリガされるメッセージ（４０１，４０３；４０１，４０３，４０４）の持続期間（Ｐ；Ｐ１，Ｐ２）は、ＣＭ時間インターバル（ＣＭＩ）の整数倍である、ことを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
4. タイムトリガされるメッセージの持続期間は、ＣＭ時間インターバル（ＣＭＩ）を整数で除算した持続時間に等しい、ことを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
5. タイムトリガされるメッセージ（４０１，４０３；４０１，４０３，４０４）の全ては、同一の持続期間（Ｐ）により送信される、ことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
6. 少なくとも２つの計算機ノード（１０１，１０３）は、タイムトリガされるメッセージ（４０１，４０３；４０１，４０３，４０４）を異なる持続期間（Ｐ１，Ｐ２）により送信する、ことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
7. 同一の持続期間（Ｐ）によるタイムトリガされるメッセージ（４０１，４０３）の送信時点は、異なる計算機ノード（１０１，１０３）からの２つの連続するタイムトリガされるメッセージの送信時点が、正確に一つまたは少なくとも一つの時間フレームだけ分離されるように選択されており、前記時間フレームは、前記持続期間（Ｐ）を計算機ノードの数により除算したものに等しい、請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
8. 異なる計算機ノード（１０１，１０３）の２つ以上のタイムトリガされるメッセージの送信がＣＭ時間インターバル（ＣＭＩ）内で行われるようにスケジュールが規定し、当該スケジュールはさらに、ｎ番目のタイムトリガされるメッセージの送信時点が、最も早くても（ｎ−１）番目のメッセージの送信時点に（ｎ−１）番目のメッセージの送信持続時間を加えた時間の経過後に発生するように規定し、ここでｎ＝２，３，４．．．である、ことを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
9. リアルタイムメッセージの２つ以上の互いに異なるクラスが前記ネットワーク内で送信され、これらの異なるクラスは、それぞれのクラスのメッセージに割り当てられたＣＭ時間インターバル（ＣＭＩ）において少なくとも異なっている、ことを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の方法。
10. タイムトリガされるメッセージとして送信される特定のクラスのリアルタイムメッセージは、これらのリアルタイムメッセージのＣＭ時間インターバル（ＣＭＩ）の関数である持続期間を伴って送信される、ことを特徴とする請求項９に記載の方法。
11. リアルタイムメッセージの少なくとも一部は、タイムトリガされるメッセージとして送信される、ことを特徴とする請求項９または１０に記載の方法。
12. 特定のクラスのリアルタイムメッセージの少なくとも一部は、タイムトリガされるメッセージとして送信される、ことを特徴とする請求項９から１１のいずれか一項に記載の方法。
13. タイムトリガされる異なるメッセージ（４０１，４０３）は、それぞれ、異なるＣＭ時間インターバル（ＣＭＩ）の開始時に送信される、ことを特徴とする請求項１から１２のいずれか一項に記載の方法。
14. リアルタイムメッセージに対して使用可能な帯域幅は、タイムトリガされるリアルタイムメッセージとタイムトリガされないリアルタイムメッセージとの間で任意に割り当て可能である、ことを特徴とする請求項１から１３のいずれか一項に記載の方法。
15. タイムトリガされるメッセージは、少なくともリアルタイムメッセージの優先度またはそれより高い優先度を有する、ことを特徴とする請求項１から１４のいずれか一項に記載の方法。
16. 同一の計算機ノードにより送信されるタイムトリガされるメッセージは、同一の識別特性、例えば同一のストリームＩＤを有する、ことを特徴とする請求項１から１５のいずれか一項に記載の方法。
17. ＣＭ時間インターバルの長さは、１２５マイクロ秒または２５０マイクロ秒である、ことを特徴とする請求項１から１６のいずれか一項に記載の方法。
18. 前記規定のリアルタイム帯域幅は、ＣＭ時間インターバル（ＣＭＩ）内の帯域幅の最大で７５％に制限されている、ことを特徴とする請求項１から１７のいずれか一項に記載の方法。
19. メッセージを送信するための請求項１から１８のいずれか一項に記載の方法を実施するためのコンピュータネットワークであって、前記コンピュータネットワークは、複数の計算機ノード（１０１，１０２，１０３，１０４）を有し、前記計算機ノード（１０１，１０２，１０３，１０４）は、一つまたは複数のアクティブノード（２０１）を介して相互接続されており、前記各計算機ノード（１０１，１０２，１０３，１０４）は、通信線路（３０１，３０２，３０３，３０４）を介してアクティブノード（２０１）に接続されており、前記計算機ノード（１０１，１０２，１０３，１０４）は、前記メッセージの少なくとも一部をリアルタイムメッセージ（４０２）の形式で交換し、一定の持続時間の規定のクラス測定時間インターバルが、前記リアルタイムメッセージ（４０２）に割り当てられており、前記リアルタイムメッセージ（４０２）に対してＣＭ時間インターバル内で使用可能な帯域幅は、規定のリアルタイム帯域幅に制限されているコンピュータネットワークにおいて、
    タイムトリガされるメッセージ（４０１，４０３；４０１，４０３，４０４）を送信するように構成された少なくとも２つの計算機ノード（１０１，１０３）が設けられており、
    規定のスケジュールに従って、前記タイムトリガされるメッセージ（４０１，４０３；４０１，４０３，４０４）は、前記少なくとも２つの計算機ノード（１０１，１０３）により周期的に送信され、
    前記タイムトリガされるメッセージ（４０１，４０３；４０１，４０３，４０４）の持続期間（Ｐ；Ｐ１，Ｐ２）は、前記ＣＭ時間インターバル（ＣＭＩ）の持続時間の関数であり、
    異なる計算機ノード（１０１，１０３）によって同一のアクティブノード（２０１）に送信されるタイムトリガされるメッセージ（４０１，４０３；４０１，４０３，４０４）の送信時点は、当該タイムトリガされるメッセージ（４０１，４０３；４０１，４０３，４０４）が、異なる計算機ノード（１０１，１０３）から異なる時点（６０１，６０２；６０１，６０２，６０２’）で、すなわちオーバラップしない時間インターバルで前記アクティブノード（２０１）によって受信されるように互いに位相がシフトされており、
    前記タイムトリガされるメッセージ（４０１，４０３；４０１，４０３，４０４）とリアルタイムメッセージ（４０２）とによりＣＭ時間インターバル（ＣＭＩ）内で占有される帯域幅の合計は、前記リアルタイム帯域幅の値を上回らない、ことを特徴とするコンピュータネットワーク。

Images