JP7077845B2

JP7077845B2 - ネットワーク機器

Info

Publication number: JP7077845B2
Application number: JP2018139864A
Authority: JP
Inventors: 靖立石
Original assignee: Meidensha Corp
Current assignee: Meidensha Corp
Priority date: 2018-07-26
Filing date: 2018-07-26
Publication date: 2022-05-31
Anticipated expiration: 2038-07-26
Also published as: JP2020017877A

Description

本発明は、IEEE802.1 TSN (Time Sensitive Networking)に準拠したネットワーク機器に関する。

TSNは複数のネットワーク規格から構成されており現在公開されているものとしては以下の通りである。
・IEEE Std 802.1Qbu-2016
・IEEE Std 802.1Qbv-2015
・IEEE Std 802.1Qca-2015
・IEEE Std 802.1Qch-2017
・IEEE Std 802.1Qci-2017
・IEEE Std 802.1CB-2017
ネットワーク規格の変遷について説明すると、先ず、スイッチング機能をサポートしたネットワーク規格としてIEEE802.1dが登場し、次いで、VLAN機能や優先度機能をサポートしたネットワーク規格としてIEEE802.1Qが登場した。そして、映像音楽用として時刻同期機能と音声関連のネットワーク規格としてIEEE802.1 AVBが登場し、その後、産業用のネットワーク等に適用される高精度な時刻同期を行うためのネットワーク規格としてIEEE802.1 TSNが登場した。

イーサネット（登録商標）等のローカルエリアネットワークの通信では瞬間的に大量のパケットが集中した場合、送信できる量には限界があり残りはスイッチングハブのバッファメモリに格納されて遅れて送信される。そして、バッファメモリの容量が不足する状況となるとパケットが破棄される。そこで、送信パケットの時間当たりの送信量が調整されることや、パケットの優先度に基づき送信順序が変更することにより、ネットワーク全体の安定動作が図られているが、パケットの破棄を要さない完全なシステムの実現は困難となっている。そのため、産業用のネットワークなどのリアルタイム制御が要求されるネットワークシステムではパケットの再送信も間に合わず大きな問題となる。

そこで、IEEE1588(PTP)に準拠したプロトコルによる時刻同期によりネットワークの通信回線を時分割し、その範囲内でパケットの送信が行われている。ベストエフォート型で行ってよいパケットと、絶対に破棄されたくない重要パケットに分類してそれを時分割した期間に送信する。瞬間的にパケットが集中する場合でも重要パケット同士に限定できるため重要パケットの通信帯域を確実なものとできる。これがIEEE802.1 TSNの基本的な動作である。

特開平９－１８１７６０号公報特開２００９－１１１６５４号公報特開２０１５－３５７２４号公報

ローカルエリアネットワークの通信では瞬間的に大量のパケットが集中した場合、送信できる量には限界があり残りはバッファに格納されて遅れて送信される。もしバッファが不足すればパケットは破棄される。そのため送信パケットの時間当たりの送信量を調整することや優先度により送信順序を変更することにより、ネットワーク全体の安定動作を図っているが、完全に破棄のないシステムにするのは困難である。そのため、産業用などの時間に厳しいシステムでは再送信も間に合わず大きな問題となる。

そこで、IEEE802.1 TSNの適用が考えられる。IEEE802.1 TSNは、PTPにより時刻同期してネットワークを時分割してその期間に重要パケットを送信あるいはベストエフォートの範囲で送信を行うネットワーク規格である。その瞬間は重要パケット以外が流れないので伝送負荷は限定することができるので設計が適切であれば破棄されず相手に届く。このとき、ある瞬間だけ低レベルの通信を止めて、高レベル専用の通信時間を確保している。

ネットワークにおいてIEEE802.1 TSNを適用した場合は接続装置がTSNに対応していることが望ましい。IEEE802.1 TSNに対応していないネットワーク機器が適当に送信すると送信期間が来るまでHUB内部のバッファで待機するしかないので、数少ないバッファが占有されてスイッチングハブの機能が制限されるから確実な動作を保障できない。

本発明は、上記の事情を鑑み、IEEE802.1 TSN規格に準拠していないネットワーク機器を有するネットワークに適用されてもスイッチングハブの機能を維持することを課題とする。

そこで、本発明の一態様は、ネットワーク機器であって、IEEE802.1 TSN (Time Sensitive Networking)規格のスケジュールに基づき送信されるパケットに当該スケジュールに対応した時刻同期情報を付与させる中央演算部と、前記規格に準拠していないネットワーク機器から受信したパケットが当該規格に基づく時刻同期が必要なパケットである場合に当該パケットを前記中央演算部に転送するスイッチエンジンを備える。

本発明の一態様は、前記ネットワーク機器において、前記中央演算部は、前記時刻同期が必要なパケットの時分割スロットに対して送信量が超過する場合に当該パケットに含まれる情報の重要度に基づき当該パケットの保持または破棄を決定する。

本発明の一態様は、前記ネットワーク機器において、前記スイッチエンジンは、前記時刻同期が必要なパケットの時分割スロットに対して送信量が超過する場合に当該パケットの一部を当該時分割スロットの次の時分割スロットに振り分ける。

本発明の一態様は、前記ネットワーク機器において、前記スイッチエンジンは、前記時刻同期の必要でないパケットを前記時分割スロットとは他の時分割スロットに振り分ける。

以上の本発明によれば、IEEE802.1 TSN規格に準拠していないネットワーク機器を有するネットワークに適用されてもスイッチングハブの機能を維持できる。

本発明の一態様であるスイッチングハブのブロック構成図。前記スイッチングハブを備えたネットワークの概略構成図。前記スイッチングハブにより時分割されたパケットの送信態様の説明図。

以下に図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。

図１に示されたスイッチングハブ１は、IEEE802.1 TSN (Time Sensitive Networking)規格に準拠したネットワーク機器であって、ＣＰＵ部（中央演算部）１１及びスイッチエンジン１２、さらには、バッファメモリ１３を実装する。

スイッチングハブ１は、図２に示されたIEEE802.1 TSN規格に準拠した産業用のネットワーク２において複数備えられている。そして、スイッチングハブ１には、前記規格に準拠していないネットワーク機器としてTSN未対応機器２１、または、前記規格に準拠したネットワーク機器としてTSN対応機器２２が接続されている。

ＣＰＵ部１１は、スイッチングハブ１のプログラムメモリに格納されたソフトウェア資源との協働により、IEEE802.1 TSN規格のスケジュールに基づき送信されるパケットに当該スケジュールに対応した時刻同期情報を付与させる機能を実装する。

さらに、ＣＰＵ部１１は、前記協働により、IEEE802.1 TSN規格に基づく時刻同期に必要なパケットの時分割スロットに対して送信量が超過する場合、当該パケットに含まれる情報の重要度に基づき当該パケットの保持または破棄を決定する機能を実装する。

スイッチエンジン１２は、TSN未対応機器２１から受信したパケットが当該規格に基づく時刻同期の必要なパケットであるか否かの判断を行う。前記受信したパケットは、前記時刻同期に必要なパケット（例えば図３に示された重要なパケット）である場合には、ＣＰＵ部１１に供される。また、この受信したパケットが前記時刻同期の必要なパケットの時分割スロットに対して送信量が超過する場合には、当該パケットの一部は当該時分割スロットの次の時分割スロットに振り分けられる。一方、前記時刻同期の必要でないパケット（例えば図３に示された通常のパケット）は前記時分割スロットとは他の時分割スロットに振り分けられる。

バッファメモリ１３は、スイッチングハブ１と同一のネットワーク２に属するTSN未対応機器２１，TSN対応機器２２からスイッチエンジン１２及びＣＰＵ部１１を介して供されたパケットを一時的に保存する。

以下に本実施形態のスイッチングハブ１の動作例について説明する。

（１）スイッチングハブ１の初期設定
Ｓ１０１：ＣＰＵ部１１の内部タイマＴ１とスイッチエンジン１２の内部タイマＴ２とがIEEE1588(PTP)規格により時刻同期される。

Ｓ１０２：IEEE802.1 TSN規格に基づく時分割を行うタイミングリストが図２に例示されたネットワーク２に属する他のスイッチングハブ１の当該タイミングリストと一致するように予め設定される。前記タイミングリストはスイッチングハブ１の管理テーブル１４に格納される。尚、管理テーブル１４には、前記タイミングリストの他に前記時刻同期の必要なパケット情報である重要なパケット情報とその重要度が予め格納されている。

Ｓ１０３：スイッチングハブ１の特定のポートが重要パケットを受信するとスイッチエンジン１２が当該重要パケットをＣＰＵ部１１に転送するように設定される。

具体的には、例えば、リアルタイムに監視が必要な産業用ネットワークに属する監視対象機器の情報（例えば、計測機器のデータ等）が重要なパケットとして挙げられる。

また、本実施形態においては重要なパケット以外のパケットとしては通常のパケットとしてとり扱われる。通常のパケットとしては、例えば、前記産業用ネットワークにおいて、リアルタイム制御が必要でない比較的に重要度の低い機器の情報が挙げられる。

（２）TSN未対応機器２１が通常パケットを送信した場合の動作例
Ｓ２０１：TSN未対応機器２１から送信されたパケットをスイッチングハブ１が受信すると、スイッチングハブ１のスイッチエンジン１２は管理テーブル１４に格納された管理情報を参照して当該パケットが重要パケットであるかの判断を行う。

Ｓ２０２：スイッチエンジン１２は、前記受信したパケットが前記参照により通常パケットであると判断すると、当該受信したパケットをＣＰＵ部１１には転送しないで、送信先の所定のポートに転送する。但し、ネットワーク２が過負荷でスイッチングハブ１のバッファメモリ１３に供されるデータ量がバッファメモリ１３の許容量を超過する場合には前記通常パケットは破棄される。

（３）TSN未対応機器２１が重要パケットを送信した場合の動作例
Ｓ３０１：TSN未対応機器２１から送信されたパケットをスイッチングハブ１が受信すると、スイッチングハブ１のスイッチエンジン１２は管理テーブル１４に格納された管理情報を参照して当該パケットが重要パケットであるかの判断を行う。そして、スイッチエンジン１２は、前記受信したパケットが前記参照により重要パケットであると判断すると、当該受信したパケットをＣＰＵ部１１に転送する。

Ｓ３０２：ＣＰＵ部１１は、スイッチングハブ１から受けたパケットの内容から前記重要パケットであると判断する。そして、このパケットについてさらに検証し、前記時刻同期の対象外である場合に当該パケットを破棄またはスイッチエンジン１２に転送する。

Ｓ３０３：ＣＰＵ部１１は、管理テーブル１４に格納されたタイミングリストに基づき送信タイミングを登録する。また、前記時刻同期の対象である重要パケットの時分割スロットに対して送信量が超過する場合には設定により次回とするか破棄するかを決定する。

Ｓ３０４：ＣＰＵ部１１は、前記送信タイミングを割り込みで受けて記録されたパケットをスイッチエンジン１２に返信する。尚、前記送信タイミングは調整が可能であれば先頭のパケットサイズ分だけ前倒で送信することが望ましいが、調整が困難である場合には、例えば、１５１８byte分の固定時間の前倒しとしてもよい。

Ｓ３０５：スイッチエンジン１２はＣＰＵ部１１から受けたパケットをスイッチングハブ１のバッファメモリ１３に一時的に保持する。

Ｓ３０６：スイッチエンジン１２は例えば図３に示された送信タイミングの送信期間に基づきパケットを送信する。

（本実施形態の効果）
以上のネットワーク２において、スイッチングハブ１によれば、TSN未対応機器２１，TSN対応機器２２からの重要パケットがＣＰＵ部１１に転送させてバッファメモリ１３に一時的に保持された後、当該重要パケットが適切なタイミングでスイッチエンジン１２に送られる。したがって、バッファメモリ１３の負担が軽減されるので、スイッチングハブ１の機能が安定に維持される。よって、ネットワーク２にTSN未対応機器２１が属してもスイッチングハブ１の機能を低下させることはない。

従来はネットワーク２にTSN未対応機器２１が接続されると、IEEE802.1 TSNに準じた送信タイミングの送信期間に関係なく送信される。そして、スイッチングハブのバッファメモリに格納されるがタイミングリストにより送信されるまで当該バッファメモリがパケットにより占有され続く状況が生じていた。スイッチングハブのバッファメモリは容量が小さいためスイッチングハブとしての機能に支障が生じる。

これに対して、本実施形態のスイッチングハブ１によれば、IEEE802.1 TSN規格に準じた時分割を行うタイミングにより時刻同期情報が付されたパケットが送信される。したがって、重要なパケットのみが適切なタイミングでスイッチエンジン１２に転送されるので、スイッチングハブ１のバッファメモリ１３の無駄な使用を防ぐことができる。さらには、スイッチングハブ１のバッファメモリが無駄なパケットにより長時間占有されることによるスイッチングハブの性能低下を防ぐことができる。

また、重要パケットとして扱うかはスイッチングハブ１が決定できるので柔軟性がある。すなわち、どの時分割スロットで送信するかは、送信元側ではなくスイッチングハブ１側で判定させることが可能となるのでシステムにおいて設計変更に対する柔軟性が確保できる。ある条件下のパケットを全てＣＰＵ部１１に転送させてソフト処理により時分割スロットに調整できる。これはTSN未対応機器２１であっても時分割スロットの変更が可能である。例えば、重要なパケットが大量発生したとき当該パケットの重要度によりＣＰＵ部１１により選別されるので、産業用のネットワーク２において重要な情報をリアルタイムに共有できる。

さらに、送信パケットの時分割スロットの超過について対応できる。すなわち、重要なパケットが大量発生したとき、次のタイムスロットに分割するなどの柔軟な対応ができる。例えば、送信パケットの時分割スロットの直前のタイミングで、設計上の送信量を上回っている場合はＣＰＵ部１１が次の時分割スロットで送信するか、あるいは超過している部分を破棄するかを設定により決定される。

また、ネットワーク２に接続されたシステムにて反応速度を上げるにはタイミングリストの周期を細かくすることになるが、大量の送信があるときに問題となる。そこで、周期は細かいが複数パケットで構成される大きなデータは周期ごとに少しずつ送信することで分散して送信できる。大きなデータが収集できるには時間がかかるが、別途、大きな時分割スロットは不要なので伝送効率と反応速度が改善される。

特に、スイッチエンジン１２により、前記時刻同期が必要なパケットの時分割スロットに対して送信量が超過する場合に当該パケットの一部が当該時分割スロットの次の時分割スロットに振り分けられることにより、少ないタイムスロットの空きを有効利用できる。また、スイッチエンジン１２により、前記時刻同期の必要でないパケットが前記時分割スロットとは他の時分割スロットに振り分けられることにより、バッファメモリ１３の負担も軽減され、スイッチングハブ１の機能がより安定に維持される。

１…スイッチングハブ（ネットワーク機器）
１１…ＣＰＵ部（中央演算部）
１２…スイッチエンジン
１３…バッファメモリ
１４…管理テーブル
２１…IEEE802.1 TSN規格に準拠していないネットワーク機器（TSN未対応機器）
２２…IEEE802.1 TSN規格に準拠したネットワーク機器（TSN対応機器）

Claims

IEEE802.1 TSN (Time Sensitive Networking)規格のスケジュールに基づき送信されるパケットに当該スケジュールに対応した時刻同期情報を付与させる中央演算部と、
前記規格に準拠していないネットワーク機器から受信したパケットが当該規格に基づく時刻同期が必要なパケットである場合に当該パケットを前記中央演算部に転送するスイッチエンジンと、
を備え、
前記中央演算部は、前記時刻同期が必要なパケットの時分割スロットに対して送信量が超過する場合に当該パケットに含まれる情報の重要度に基づき当該パケットの保持または破棄を決定すること
を特徴とするネットワーク機器。
前記スイッチエンジンは、前記時刻同期が必要なパケットの時分割スロットに対して送信量が超過する場合に当該パケットの一部を当該時分割スロットの次の時分割スロットに振り分けること
を特徴とする請求項１に記載のネットワーク機器。
前記スイッチエンジンは、前記時刻同期の必要でないパケットを前記時分割スロットとは他の時分割スロットに振り分けること
を特徴とする請求項１または２に記載のネットワーク機器。