JP7143760B2 - 時分割スケジュールの調整方式 - Google Patents

Description

本発明は、ＴＳＮ（Ｔｉｍｅ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ Ｎｅｔｗｏｒｋｉｎｇ）により時分割されたネットワークのスケジュールを調整する技術に関する。

ネットワークにおいて重要な通信を保護するため、優先度制御や帯域制御を使用する場合が少なくない。この優先度制御や帯域制御などの機能を使用しても複数の伝送が瞬間的に重なる状況下では、伝送が破棄されて届かないおそれがある。

その結果、優先度制御や帯域制御などによる制御は、複雑なネットワークでは伝送の確実な到達を保障することが難しい。そこで、非特許文献１のＴＳＮと呼ばれる規格が「ＩＥＥＥ８０２．１」にて策定されつつある。

ＴＳＮによれば、各通信機器は非特許文献２のＰＴＰ（Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｔｉｍｅ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ）による時刻同期を行い、ネットワークを時分割して重要なデータの伝送が確実に届くように調整する。

また、ＴＳＮでは、重要パケットと一般パケットとを時分割するため、送信ポートにて送信キュー単位に送信タイミングを制御している。ここでは時分割されたスケジュールが存在し、該スケジュールはシステムにより要求された仕様だけでなく、ネットワーク構成による伝送遅延や迂回機能などを考慮して定められている。

"ＩＴとＯＴネットワークを融合する「ＴＳＮ」の概要と実装"，〔ｏｎｌｉｎｅ〕，平成３０年１１月２２日検索，インターネット＜ＵＲＬ：http://ednjapan.com/edn/articles/1803/23/news014.html＞ "Ｅｎｄｒｕｍ ＩＥＥＥ１５８８ ＰＴＰ グランドマスタークロック"，〔ｏｎｌｉｎｅ〕，平成３０年１０月１５日検索，インターネット＜ＵＲＬ：https://www.shoshin.co.jp/c/endrum/1588ptp.html＞

前述のＴＳＮは、ＰＴＰによる時刻同期を行ってネットワーク上の各通信機器の時計を時刻同期させ、その時計でネットワークを時分割し、重要データと一般データとを分けて送信している。このとき重要データは、あらかじめ決められた時間帯を占有できるので、一般データによる影響を受けることなく、相手に届けることができる。

例えばＴＮＳの用途としては自動車の自動運転が挙げられる。この自動運転では、各種センサーからの大量データを時間内に届けられないと事故が発生するおそれがある。また、産業機器などの高速制御でも専用伝送路とインタフェースとが使用され、そこにもＴＳＮの適用が考えられるが、このようなシステムは車内・工場敷地内・構内に限定されるため、通信距離が短く、伝送遅延が小さい。ところが、ＴＳＮを伝送路の長いネットワークに実装すると伝送遅延が大きく、利用効率が悪化するおそれがある。

例えば光ファイバまたは銅線のイーサネット（登録商標）ケーブルの伝送速度は、「２００，０００，０００ｍ／ｓｅｃ」なので、伝送路が２０ｋｍであれば［１００μｓｅｃ］の伝送遅れが生じる。また、伝送速度「１Ｇｐｓ」であれば「１５１８ｂｙｔｅ」の伝送時間は「１２．３μｓｅｃ」となる。そのため、〔伝送遅れ＋伝送時間〕によりＴＳＮの時分割期間は、通信時間よりも長くなってしまう。

図１に基づき説明すれば、ネットワーク１は４つの通信機器、即ち中継装置としてのＨＵＢ－Ａ～Ｄ（スイッチングハブ）を備え、ＨＵＢ－Ａ～ＤはＴＳＮ対応機器とする。この各ＨＵＢ－Ａ～Ｄ間の距離は、それぞれ大きく異なるため、〔伝送遅れ〕に大きな差が生じている。この点を図１の伝送方向Ｒ（通信方向，転送方向）を一例に説明する。

図２は、ＰＴＰによる時刻同期でＨＵＢ－Ａ～Ｄのすべてが、同時に時分割した状態を示している。ここでＨＵＢ－ＡからＨＵＢ－Ｄへパケット２を送信すると「伝送遅れ」の影響が大きく、ＨＵＢ－Ｄにパケット２が到達するには時間がかかるため、時分割された期間（時間）Ｔを大きくしている。

このときＨＵＢ－Ａから１００ｋｍ先のＨＵＢ－Ｄへ「１５１８ｂｙｔｅ ５パケット」を届けようとすれば、〔伝送遅れ＝５００μｓｅｃ」・〔伝送時間＝６１．５μｓｅｃ〕かかる。つまり「６１．５μｓｅｃ」を送信するのに「５６１．５μｓｅｃ」かかり、伝送路の利用率は約１１％となる。また、各ＨＵＢ－Ａ～Ｄの転送時間・ガードバンド５・時刻同期の誤差を考慮するため、実際の伝送路の利用率はさらに低下する。

その結果、図２に示すように、伝送距離Ｄが長いと時分割の期間４が大きくなるため、システムにおける更新周期が遅くなる。そのため、短時間で更新しなければならないシステムにＴＳＮを適用できなくなるおそれがある。また、伝送距離Ｄが短くても更新周期が早いシステムでは相対的に〔伝送遅れ〕による影響が大きくなるため、同様にＴＳＮが適用できない可能性がある。

ここで図２では、時分割の期間４の先頭で各ＨＵＢ-Ａ～Ｄが同時にパケット２を送信している。すなわち、通信途中でＨＵＢ－Ｂ，Ｃ経由の転送が行われることは考慮されているが、時分割の期間４の途中でＨＵＢ－Ａ～Ｄに属する端末装置からパケット送信すると、図３に示すように、相手に届くのが時分割の期間４を外れるおそれがある。

この期間４の外では、重要データ以外の一般通信が行われているため、確実にＨＵＢ－Ｄに到達することを保障できない。そうすると（１）時分割の期間４を長くするだけでなく、他のＨＵＢ－Ｂ，Ｃからの転送以外の通信は期間４の設計上決められた期間だけに制限し、（２）送信先に届く時刻を計算して期間４の範囲内の時だけ送信するなどの必要性が生じるが、その実現は難しい。

本発明は、このような従来の問題を解決するためになされ、通信機器間の伝送距離が長い場合に時分割の期間を大きくすることなく、時分割の期間内にパケットを送信先に届けることで伝送路の利用率低下の抑制を図ることを解決課題としている。

（１）本発明は、ネットワーク上の通信機器間で時刻を同期させ、前記ネットワークを前記通信機器間毎に時分割し、該時分割のスケジュールを調整する方式であって、
前記時分割のスケジュールを前記通信機器間の距離に応じてオフセットさせることを特徴としている。オフセットとは、例えば図４のＦ１～Ｆ３の部分である。

（２）本発明の一態様は、前記オフセットの値を前記通信機器のポート単位で設定可能なことを特徴としている。

（３）本発明の他の態様は、前記通信機器が端末間のパケットの送受信を中継する中継装置であって、
前記ネットワークの末端として指定された前記中継装置から調査パケットを送信させ、
他の中継装置における前記調査パケットの受信タイミングに応じて前記オフセットの値を調整することを特徴としている。

（４）本発明のさらに他の態様は、前記調査パケットがユニキャスト・ブロードキャスト・マルチキャストで送信されることを特徴としている。

（５）本発明のさらに他の態様は、前記中継装置が前記時分割のスケジュールと前記調査パケットの受信タイミングとの時刻差を算出し、
前記時刻差は、前記調査パケットの転送先ポートのオフセットテーブルにレコードとして記録され、
前記オフセットテーブルのレコードのうち前記時刻差の最小値を、前記オフセットの値とすることを特徴としている。

（６）本発明のさらに他の態様は、前記スケジュールの期間外となる前記オフセットテーブルの記録があれば、警告することを特徴としている。

本発明によれば、伝送距離が長い場合に時分割の期間を大きくすることなく、時分割の期間内にパケットが送信先に届けられるため、伝送路の利用率低下を抑制することができる。

ネットワーク構成図。 図１のネットワークをＴＳＮで時分割した状態図。 図２の時分割期間の途中でパケット送信した状態図。 本発明の実施形態に係る時分割スケジュールの調整方式を示す時分割タイミング図。 実施例の調査パケットが順次に転送されている状態図。 同 送信ポートのオフセットの値の説明図。

以下、本発明の実施形態に係る時分割スケジュールの調整方式を説明する。この調整方式は、ネットワーク上の各通信装置がＰＴＰで時刻同期されていることを前提にＴＳＮによりネットワークを通信装置間毎に時分割したスケジュールを調整する。

従来のＴＳＮを利用したシステムでは、次の問題（１）～（３）が生じるおそれがあった。
（１）通信装置間の伝送距離が長くなると伝送時間が長時間化し、時分割の期間（時間）を長くしなければならない。
（２）時分割の期間が長いと伝送路の利用率が大幅に低下するおそれがある。
（３）時分割の期間（時間）が長いと時分割の回数が減り、更新周期の短い通信システムへの適用が難しくなる。

そこで、ＨＵＢ間の伝送距離が長い場合に時分割の期間を大きくすることなく、時分割の期間内にパケットが送信先に届ける前記調整方式を提案した。図４に基づき前記調整方法を図１のネットワーク１への適用例を説明する。

図４は、図２と同じくＨＵＢ－Ａからパケット２を伝送方向Ｒに伝送（送信）した場合の時分割スケジュールを示している。ここではパケット２の伝送方向Ｒと距離Ｄとを考慮して時分割タイミングをオフセットＦだけずらす。

このとき各ＨＵＢ－Ａ～Ｄの転送をパイプライン状に順次に処理すれば、〔伝送遅れ〕による影響を最小限に抑えることができる。また、時分割の期間４は、最小限となり伝送路の利用率が向上し、更新周期が短くなる。

さらに時分割の期間４途中の新たな送信を防ぐ方法が必要であるが、前述のオフセットする前記調整方式によれば時分割の期間４を短くできるので、ガードバンド５を大きくするなどの簡易な方法を適用することができる。

なお、図１～図４は、伝送方向Ｒの伝送について説明しているが、伝送方向Ｌの伝送も同様であり、伝送方向Ｒとは異なるタイミングで時分割される。この点で伝送方向毎、即ちポート毎（ポート単位）に時分割タイミングのスケジュールが行われる。

≪実施例≫
図５および図６に基づき前記調整方法の実施例を説明する。この実施例は、調査パケット１２を用いて、時分割スケジュールのオフセットＦの値を自動調整している。

すなわち、図１のネットワーク１は、簡易な構成なため、通信方向Ｒ，Ｌのみしか示されていない。しかしながら、実際のネットワーク構成は複雑であり、ＳＴＰ（Ｓｐａｎｎｉｎｇ Ｔｒｅｅ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ）／ＲＳＴＰ（Ｒａｐｉｄ Ｓｐａｎｎｉｎｇ Ｔｒｅｅ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ）などの迂回機能やループにならないように配慮されたリンク構造なども存在する。

そのような複雑なネットワークの構造を理解するために隣接するＨＵＢの情報を収集し、ＰＴＰによる測定値から自動的にＴＳＮの時分割の期間（時間）とオフセットの値とを決定することは可能と思われる。

ところが、現時点でＳＴＰ/ＲＳＴＰなどのプロトコルは、ツリー構造を解釈することができるものの、ネットワーク全体の構成を認識できるわけではなく、前記時分割の期間とオフセットの値の決定を解決することは容易でない。

このときネットワークの冗長化機能によれば回線異常時などに別の通信路が有効となるものの、ネットワークの接続構成と距離とが変化するため、オフセットの値を変更しなければならなくなる。また、別の通信路に迂回するため、別のポートが使用されて該当ポートについてオフセットの値を使用できるが、その先のネットワークまでオフセットの値を変更することができない。

そこで、このような実情に鑑み、時分割スケジュールのオフセットの値を調査パケットの受信タイミングに応じて自動調整する前記調整方式を提案した。

（１）調査パケットについて
まず、図５に基づき調査パケットについて説明する。図５は、図２および図３と同じく、図１のネットワーク１の時分割スケジュールを示している。ここでは比較・対比の便宜上、図１のネットワーク１に基づき説明するが、他のネットワークでも同様とする。

図５では、ネットワーク１の末端として指定された中継装置、即ちＨＵＢ－Ａから調査パケット１２が通信方向Ｒに送信された状態が示されている。また、図５中では省略されていが、ＨＵＢ－Ｄもネットワーク１の末端の中継装置なため、指定されれば同様に調査パケット１２を送信するものとする。

このとき調査パケット１２は、ＴＳＮの時分割期間の先頭から固定長のデータ量で送信され、ＴＳＮによる時分割された期間の時間／該時間を示す番号の情報が付与される。

この調査パケット１２は、ＨＵＢ－Ａに直結された端末装置Ｔ１，Ｔ２（図１および図６参照）の送信する重要パケットに応じて、送信先およびユニキャスト・ブロードキャスト・マルチキャストなどの種類を合わせる。

調査パケット１２には、ＰＴＰのタイムスタンプ機構を使用する方法と、調査パケット１２用の時分割された期間にて送信する方法とが用いられる。

タイムスタンプ機構を使用する方法の場合は、一般パケットの期間中に送信してよい。伝送路で経過した時間を加算しながらＨＵＢ－ＡからＨＵＢ－Ｄに受信・転送される。このときの加算された値をそれぞれのＨＵＢのオフセットＦの値とし、転送先ポート毎に備えられたオフセットテーブル１３（図６参照）に記録する。

このようなタイムスタンプ機構を使用しない方法の場合は、重要あるいは一般パケットの影響を受けるため、調査パケット１２用の時分割された期間が設けられていることが好ましい。この方法では、調査パケット１２の受信時に時刻同期用の内部時計を参照してオフセットテーブル１３に記録する。

調査パケット１２はＴＳＮ対応機器で受信して転送される。ここではＨＵＢ－Ａから送信された調査パケット１２は、ＨＵＢ-Ｂ～Ｄに受信・転送される。このとき時分割スケジュール（オフセットの値＝０）と調査パケット１２の受信タイミングとの時間差を計算する。

この計算結果は、転送先ポート毎に備えられたオフセットテーブル１３（図６参照）に記録される。このとき調査パケット１２が送信される毎に前記時間差がオフセットテーブル１３に記録されるため、オフセットテーブルに複数のレコードが登録される。このレコード群のうち時分割スケジュール（オフセットの値＝０）の時間と最も近いタイミングにオフセットの値を調整する。

（２）処理内容
つぎに実施例の処理内容（図示省略のＳ０１～Ｓ０６）を説明する。

Ｓ０１：まず、システムの設計者は、ネットワーク１を流れるパケット量とＨＵＢ－Ａ～Ｄの段数を考慮して時分割スケジュールと周期を決定する。

Ｓ０２：つぎにシステムの設計者は、重要パケットを送受信する端末装置が直結されたＨＵＢを複数指定する。ここでは通信方向Ｒ，Ｌ毎に末端のＨＵＢ-Ａ，Ｄが指定されるものとする。

Ｓ０３：Ｓ０２で指定されたＨＵＢ－Ａ，Ｄは、調査パケット１２用の時分割された期間が設けられていれば、該期間の先頭で調査パケット１２を送信する。一方、タイムスタンプ機構を使用する方法の場合には、一般パケットの期間中に調査パケット１２を送信する。

このとき前述のように調査パケット１２のデータ量は固定長であって、時分割された期間の時間／該時間を示す番号が含まれる。また、調査パケット１２は、重要パケットと同様にユニキャスト・ブロードキャスト・マルチキャストのいずれかで送信される。

なお、調査パケット１２のユニキャスト送信の送信先は、重要パケットの送信先の端末装置が直結されたＨＵＢとする。例えば端末装置Ｔ１，Ｔ２から端末装置Ｔ３，Ｔ４（図１および図６を参照）に重要パケットがユニキャストで送信される場合、ＨＵＢ－ＡからＨＵＢ－Ｄに調査パケット１２がユニキャストで送信される。

Ｓ０４：Ｓ０３の調査パケット１２を受信したＨＵＢ－Ａ～Ｄは、タイムスタンプ機構を使用する方法の場合、タイムスタンプから伝送時間を求めてパケット内のオフセットの値に加算した新たなオフセットの値として、転送先ポート毎のオフセットテーブル１３に記録して登録する。

一方、タイムスタンプ機構を使用しない方法の場合、通信方向Ｒ，Ｌ毎に時分割スケジュール（オフセットの値＝０）と、調査パケット１２の受信タイミングとの時間差を計算する。ここで計算された時間差を調査パケット１２の転送先ポート毎のオフセットテーブル１３に記録して登録する。

表１は、オフセットテーブル１３の１レコードの内容を示している。ここでは各レコードは、
・調査パケット１２の受信ポートの番号
・調査パケット１２の送信元のＭＡＣアドレス
・調査パケット１２を受信してからの経過秒数（カウントダウンされてカウント「０」で消去される。）
・時分割された期間の時間／該時間の番号
・時分割タイミング（オフセットの値＝「０」）と調査パケット１２の受信との時刻差
を備えている。

このときユニキャストによる調査パケット１２の転送先は１カ所であるから、該当ポートのオフセットテーブル１３に登録すればよい。一方、ブロードキャストやマルチキャストでは同一のＶＬＡＮである受信ポート以外のすべてのポートのオフセットテーブル１３に登録する。

例えば図６の矢印Ｕに示すように、ユニキャスト送信の調査パケット１２ａに基づく前記時間差はオフセットテーブル１３ｂのみに登録される。一方、同矢印Ｂに示すように、ブロードキャスト送信の調査パケット１２ｂに基づく前記時間差はオフセットテーブル１３ａ～１３ｄに登録される。

Ｓ０５：各オフセットテーブル１３には、過去受信の調査パケット１２に基づく前記時刻差のレコードが登録されている。すなわち、各オフセットテーブル１３には、受信した調査パケット１２数に応じた複数の前記時間差のレコードが登録されている。

そこで、各オフセットテーブル１３内において最も値の小さい前記時間差をオフセットの値Ｆ１～Ｆ３に採用し、オフセットの値Ｆ１～Ｆ３に基づき時分割スケジュールをオフセットする。これにより通信方向Ｒ，Ｌ毎に時分割スケジュールがオフセットされ、次の効果（Ａ）～（Ｆ）が得られる。

（Ａ）すなわち、従来のＴＳＮは、ＰＴＰによる時刻同期でＨＵＢ－Ａ～Ｄが同時に時分割すると、図２に示すように、〔伝送遅れ〕の影響から時分割の期間を大きくし、時分割された期間内に通信が終了するように設定する必要があった。

これに対して前記調整方式によれば、通信方向Ｒ，Ｌの末端として指定されたＨＵＢ－Ａ，Ｄからそれぞれ調査パケット１２が送信される。したがって、通信方向Ｒ，Ｌ別に時分割スケジュールがオフセットされ、時分割した期間の長さを必要最小限に抑制することができる。

（Ｂ）また、ネットワーク１に構成の変化があれば、その変化に追従するために調査パケット１２が送信され、調査パケット１２が時分割スケジュール内に納まるように各オフセットの値Ｆ１～Ｆ３が調整される。

この場合にネットワーク構成は複雑なので、重要パケットがすべて時分割された期間に納まるように調査パケット１３も同様に分散させることで適切なオフセットとすることができる。

（Ｃ）従来のＴＳＮは、ＨＵＢ間の伝送距離が長いと伝送時間も長くなるため、時分割の期間を長くする必要があった。これに対して前記調整方式によれば、前述のように時分割した期間の長さを必要最小限に抑制することができる。

（Ｄ）ＴＳＮは、時分割の期間が長いと伝送路の利用率が大幅に低下する傾向にある。この点につき前記調整方式によれば、前述のように時分割した期間の長さを必要最小限に抑えられるため、伝送路の利用率の低下を防止できる。

（Ｅ）時分割の期間が長いと時分割の回数が減少し、更新周期の短いシステムへの適用が難しくなる。この点につき前記調整方式によれば、前述のように時分割した期間の長さを必要最小限に抑えられるため、更新周期が短いシステムへの適用が可能となる。

（Ｆ）ＴＳＮは、ネットワーク構成の変化やＳＴＰ／ＲＳＴＰなどの迂回機能の使用時にはオフセットの値を変更する必要がある。この点について前記調整方式は、ネットワーク構成などの認識を必要とすることなく、調査パケット１２の再送信により時分割スケジュールのオフセットの値を自動的に調整することが可能である。

Ｓ０６：Ｓ０５でオフセットの値として不採用の前記時間差が時分割スケジュールの期間内か否かを確認する。すなわち、Ｓ０５でオフセットテーブル１３内での最小値をオフセットの値に採用した後、オフセットテーブル１３に登録された残りの前記時間差が時分割スケジュールにおける期間内か否かを確認する。

このときオフセットテーブル１３内に時分割スケジュールの期間外の前記時間差があれば、システム設定の誤りやネットワーク１が想定外の状態にあることが想定される。

そこで、このような前記時間差がオフセットテーブル１３内にあれば警告として記録する。そうすると重要パケットの受信については時分割の期間内か否かを確認できないものの、前記警告の有無をＴＳＮの動作が正常な指標として用いることが可能となる。

なお、調査パケット１２が到達しない場合やオフセットテーブル１３のデータが残ったままではＴＳＮが正しく動作できない。そこで各ＨＵＢ－Ｂ，Ｃは調査パケット１２を受信してオフセットテーブル１３に上書きするが、調査パケット１２の受信が途絶えた場合にはタイムアウトにて消去する。

１…ネットワーク
２，３…パケット
４…時分割された期間
５…ガードバンド
１２…調査パケット
１３…オフセットテーブル

Claims (5)

1. ネットワーク上の通信機器間で時刻を同期させ、前記ネットワークを前記通信機器間毎に時分割し、
   時分割通信の開始タイミングを前記通信機器間の距離に応じて算出されたオフセットの値分ずらすことで時分割のスケジュールを調整する方式であって、
   前記通信機器は、端末間のパケットの送受信を中継する中継装置であって、
   前記ネットワークにおける各通信方向の末端として指定された前記中継装置から調査パケットを送信させ、
   他の中継装置における前記調査パケットの受信タイミングに応じて前記オフセットの値を調整することを特徴とする時分割スケジュールの調整方式。
2. 前記オフセットの値を前記通信機器のポート単位で設定可能なことを特徴とする請求項１記載の時分割スケジュールの調整方式。
3. 前記調査パケットは、ユニキャスト・ブロードキャスト・マルチキャストのいずれかで送信される
   ことを特徴とする請求項１または２記載の時分割スケジュールの調整方式。
4. 前記中継装置は、前記時分割のスケジュールと前記調査パケットの受信タイミングとの時刻差を算出し、
   前記時刻差は、前記調査パケットの転送先ポートのオフセットテーブルにレコードとして記録され、
   前記オフセットテーブルのレコードのうち前記時刻差の最小値を、前記オフセットの値とすることを特徴とする請求項１～３のいずれか記載の時分割スケジュールの調整方式。
5. 前記スケジュールの期間外となる前記オフセットテーブルの記録があれば、警告することを特徴とする請求項４記載の時分割スケジュールの調整方式。
   

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