JP7202325B2 - データ通信システム、及びデータ通信システムの制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、データ通信システム、及びデータ通信システムの制御方法に関する。

特許文献１には、システムの大規模化等を容易に行えるようにすることを目的として構成された、光信号によるパケット通信を実現する光波長多重データ通信システムに関して記載されている。光波長多重データ通信システムは、スターカプラを中心に複数のノード装置がスター状に配置されて構成された、スター状の物理ネットワーク構成を有し、上記複数のノード装置のそれぞれが、電気信号を、各ノード装置に固有の波長を有する光信号に変換して出力し、各ノード装置における上記電気／光変換手段から出力され上記スターカプラにおいて多重された光信号のうち、論理ネットワーク構成がリング状になるように予め設定された特定波長の光信号のみを通過させ、通過した光信号を、電気信号に変換する。

特許文献２には、イーサネット(登録商標)スイッチングハブ装置を用いた産業用ネットワークにおいてリアルタイム通信を実現することを目的として構成されたデータ通信システムに関して記載されている。データ通信システムは、複数のデータ通信装置と、複数のデータ通信装置間のデータ通信を中継する中継装置とを有し、中継装置を介して複数のデータ装置間でデータを二方向で巡回させる巡回経路を構成し、各データ通信装置は、自己が発信する自発信データを、巡回経路において自己の両隣に位置するデータ通信装置を宛先として中継装置に対して送信し、自発信データ以外の他発信データを巡回経路において自己の両隣の一方に位置するデータ通信装置より中継装置を介して受信し、受信した他発信データを巡回経路において自己の両隣の他方に位置するデータ通信装置を宛先として中継装置に対して送信する。

非特許文献１には、製造現場にＴＳＮ(Time Sensitive Networking)を導入するための
技術に関して記載されている。

特開平１１－４１２７０号公報 特開２００２－１９８９８２号公報

「TSN（Time-Sensitive Networking）：インダストリアルIoT（IIoT）の実現に向けた高信頼通信」、" Wind River Blog Network 翻訳版"インターネット、"https://www.windriver.com/japan/web#magazine/blog/column71.html"、2020/2/12検索

近年、制御系システムにおける制御ネットワークの高速性やリアルタイム性を保証する仕組みとしてＴＳＮ（Time-Sensitive Networking）（IEEE802.1）が注目されており、様々なネットワーク関連ベンダによってＴＳＮ対応のネットワーク機器（ネットワークスイッチ、ＮＩＣ(Network Interface Card)等）が製品化されている。ＴＳＮによれば、上記の高速性やリアルタイム性に加え、ＩｏＴネットワーク等で要求される、高度な同期性能や可用性、リソースの保証、高速レスポンス等の要求を満たすことができる。

ところで、従来の制御システムにおいては、計算機ノード（以下、「ノード」と称する。）やコントローラにおいて動作する、制御アプリケーション間でのデータの共有は、リング型のネットワークを用いることにより送受信のリアルタイム性を保証していた。しかし、現在製品化されているＴＳＮ製品の多くはスター型のネットワークを基本としており、リング型のネットワークを構築するにはハードウェアの追加が必要になる。

一方で、スター型のネットワークにおいては、データを共有したい全てのノードにデータ（フレーム）を送信するマルチキャスト送信が可能であり、リング型のデータ通信に比べて高速にノード間でデータを共有することが可能である。つまりＴＳＮ対応のネットワーク機器を用いてスター型のネットワークを構成することで、全てのノード間でデータをリアルタイムに共有する仕組みを実現可能である。しかし例えば、ネットワークスイッチの各ポートに接続されている全てのノードがマルチキャストでデータを送信した場合、各ポートの送信キューに各ノードから送信された送信データが蓄積され、それにより送信待ち状態が発生し、高速性やリアルタイム性を保証する上で大きな阻害要因となる。

ここで特許文献１に記載の光波長多重データ通信システムは、システムの大規模化等を容易に行えるようにすることを目的として構成されたものであり、ネットワークのリアルタイム性を保証するための技術については開示されていない。また特許文献２に記載のデータ通信システムは、スター型のネットワークにおけるマルチキャストに着目してリアルタイム性を保証する技術は開示されていない。

本発明はこのような背景に基づきなされたものであり、複数のノードの間での高速かつリアルタイム性を保証した通信を実現することが可能な、データ通信システム、及びデータ通信システムの制御方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明の一つは、ネットワークスイッチと、前記ネットワークスイッチが備える複数のポートの夫々に接続する複数のノードと、を含んで構成されるデータ通信システムであって、前記複数のノードの夫々と、前記複数のノードの夫々が所属するグループとの対応を記憶し、前記ノードの一つにおいて前記複数のノードの間で共有すべきデータが発生した場合に、前記データが発生した前記ノードが所属する前記グループである第１グループに所属する前記ノードの間では、前記データをマルチキャストで送信することにより前記データを共有する方式であるマルチキャスト型のデータ共有を行い、前記第１グループに所属する前記ノードと当該第１グループと異なる前記グループである第２グループに所属する前記ノードとの間、もしくは異なる前記第２グループに所属する前記ノードの間では、前記グループを跨いで前記ノードの間で構成される論理的なリング型のネットワークにより前記データを転送することにより前記データを共有する方式であるリング型のデータ共有を行う。

本発明によれば、複数のノードの間での高速かつリアルタイム性を保証した通信を実現することができる。

データ通信システムの概略的な構成と動作を示す図である。 ノードのハードウェア構成の一例を示す図である。 ノードが備える主な機能を示す図である。 グループ管理テーブルの一例である。 論理リング管理テーブルの一例である。 ノード設定処理を説明するフローチャートである。 ＮＷ装置設定処理を説明するフローチャートである。 データ送受信処理を説明するフローチャートである。 論理リング処理を説明するフローチャートである。 先頭ノードの論理リング処理を説明するフローチャートである。 後尾ノードの論理リング処理を説明するフローチャートである。 第２実施形態における論理リング処理を説明するフローチャートである。

以下、実施形態について図面を参照しつつ説明する。以下の説明において、同一の又は類似する構成について同一の符号を付して重複する説明を省略することがある。また以下の説明において、符号の前に付した「Ｓ」の文字は処理ステップの意味である。

［第１実施形態］
図１に一実施形態として示すデータ通信システム１の概略的な構成と動作を示している。同図に示すように、データ通信システム１は、複数のポート５（通信ポート）を有するネットワークスイッチ（以下、「ＮＷ装置５０」と称する。）と、通信ケーブルを介してＮＷ装置５０の各ポート５に接続される複数の情報処理装置（コンピュータ）（以下、「ノード１０」と称する。）とを含む。各ノード１０とＮＷ装置５０はスター型のネットワークを構成している。

データ通信システム1は、例えば、ＩｏＴシステムを構成する。その場合、ノード１０の
一群は、例えば、現場（エッジ側）に設けられる、センサデータ等のＩｏＴデータを出力する装置（センサ装置、製造装置、計測機器、車両等）であり、またノード１０の他の一群は、例えば、現場に設けられたノード１０から送られてくるＩｏＴデータを受信し、受信したＩｏＴデータに基づきデータ分析等の情報処理を行うサーバ装置（クラウドが提供するクラウドサーバ等）である。またＮＷ装置５０は、例えば、現場（エッジ側）等に設けられるＩｏＴハブである。尚、同図には１つのＮＷ装置５０のみ示しているが、データ通信システム１は複数のＮＷ装置５０を含んでいてもよい。以下の説明において、ノードの識別子のことをノードＩＤと称する。

ＮＷ装置５０は、IEEE 802.1Qに準拠したＶＬＡＮ（Virtual LAN）を実現する機能を備える。IEEE 802.1Qでは、イーサネット（登録商標）フレーム（Ethernet（登録商標） Frame）(以下、「フレーム」と称する。）が拡張されている。上記フレームのヘッダには、ＶＬＡＮの識別子である「VLAN-ID」（VLAN Identifie）や優先度（PCP（Priority Code Point）を設定することができる。ＮＷ装置５０は、例えば、演算ユニットに複数のポー
ト５がスイッチコアを介して接続されたハードウェア構成を有する。演算ユニットは、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＭＰＵ（Micro Processing Unit）、メモリ、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）等を用いて構成される。ポート５は、例えば、ＰＨＹ、パルストランス、光トランシーバ等を用いて構成される。

図２にノード１０のハードウェア構成の一例を示す。同図に示すように、ノード１０は、プロセッサ１１、主記憶装置１２、補助記憶装置１３、入力装置１４、出力装置１５、及び通信装置１６を備える。これらはバス等の通信手段を介して通信可能に接続されている。尚、ノード１０は、仮想化基盤により実現される仮想サーバや、クラウドが提供するクラウドサーバ等、仮想的な情報処理装置によって実現されるものであってもよい。

プロセッサ１１は、例えば、ＣＰＵ、ＭＰＵ、ＧＰＵ（Graphics Processing Unit）、ＡＩ（Artificial Intelligence）チップ、ＦＰＧＡ、ＡＳＩＣ等を用いて構成されてい
る。主記憶装置１２は、プログラムやデータを記憶する装置であり、例えば、ＲＯＭ（Re
ad Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、不揮発性メモリ（ＮＶＲＡＭ（Non Volatile RAM））等である。補助記憶装置１３は、例えば、ＳＳＤ（Solid State Drive）、ハードディスクドライブ、光学式記憶装置（ＣＤ（Compact Disc）、ＤＶＤ（Digital Versatile Disc）等）、ストレージシステム、ＩＣカード、ＳＤカードや光学式記録
媒体等の記録媒体の読取／書込装置、仮想サーバの記憶領域等である。補助記憶装置１３は、記録媒体の読取装置や通信装置１６を介してプログラムやデータの書き込み／読み出しが可能である。補助記憶装置１３に格納（記憶）されているプログラムやデータは、主記憶装置１２に随時読み出される。

入力装置１４は、外部からの入力を受け付けるインタフェースであり、例えば、キーボード、マウス、タッチパネル、カードリーダ、音声入力装置等である。出力装置１５は、処理経過や処理結果等の各種情報を出力するインタフェースである。出力装置１５は、例えば、上記の各種情報を可視化する表示装置（液晶モニタ、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）、プロエジェクタ等）、上記の各種情報を音声化する装置（音声出力装置（スピーカ等））、上記の各種情報を文字化する装置（印字装置等）である。入力装置１４と出力装置１５は、ユーザ（データ通信システム１の利用者や管理者等）が情報の設定や確認を行うためのユーザインタフェースを構成する。例えば、ノード１０が通信装置１６を介して他の装置（スマートフォン、タブレット、ノートブック型コンピュータ、各種携帯情報端末等）との間で情報の入出力を行う構成としてもよい。

通信装置１６は、ＮＷ装置５０等の他の装置との間の通信を実現する、無線又は有線方式の通信インタフェースであり、例えば、ＮＩＣ（Network Interface Card）、無線通信モジュール、ＵＳＢ（Universal Serial Bus）モジュール等である。ノード１０は、通信装置１６を介してＮＷ装置５０のポート５に接続される。

図３に、ノード１０が備える主な機能を示している。同図に示すように、ノード１０は、記憶部１１０、オペレーティングシステム１２０、アプリケーション１３０、ノード設定部１４０、ＮＷ装置設定部１５０、データ送受信処理部１６０、及び論理リング処理部１７０の各機能を備える。同図に示す各機能は、ノード１０を構成するノード１０のプロセッサ１１が、当該ノード１０の主記憶装置１２に格納されているプログラムを読み出して実行することにより、もしくは、当該ノード１０が備えるハードウェア（ＦＰＧＡ、ＡＳＩＣ、ＡＩチップ等）により実現される。

記憶部１１０は、グループ構成情報１１１、グループ管理テーブル１１２、論理リング管理テーブル１１３、及び共有データ１１４を記憶する。記憶部１１０は、主記憶装置１２や補助記憶装置１３にこれらの情報を記憶する。

グループ構成情報１１１は、各ノード１０が所属しているグループに関する情報を含む。グループ構成情報１１１は、グループ管理テーブル１１２や論理リング管理テーブル１１３の生成や設定に用いられる。グループ構成情報１１１は、例えば、ユーザがユーザインタフェースを介して設定する。

各ノード１０のグループへの分類は、例えば、各ノード１０のアプリケーション１３０が実行する処理の関係に基づき行われる。以下では、データ通信システム１において行われる処理の全体が複数の分散処理によって実行され、各分散処理を割り当てるグループを決定し、各ノード１０は、夫々が所属しているグループ（以下、「自グループ」と称する。）に割り当てられている分散処理を実行する場合を例として説明する。尚、このようなグループ分けの方法は一例に過ぎない。例えば、データ通信システム1が、データ分析を
目的として構成された情報処理システムである場合、制御系の処理を行うノード１０と分析系の処理を行うノード１０が、夫々別のグループに所属するようにしてもよい。

グループ管理テーブル１１２には、グループの構成に関する情報が管理される。グループ管理テーブル１１２は、グループ構成情報１１１に基づき生成される。グループ管理テーブル１１２の内容は、ユーザインタフェースを介してユーザが設定することもできる。

尚、データ送受信処理部１６０や論理リング処理部１７０の処理性能を確保するため、グループ構成情報１１１やグループ管理テーブル１１２は、例えば、アクセス性能の高いデバイスが提供する記憶領域に生成される。ノード１０の各機能は、例えば、オペレーティングシステム１２０のメモリマップ機能を介して、上記領域に存在するグループ構成情報１１１やグループ管理テーブル１１２にアクセスすることができる。

論理リング管理テーブル１１３には、論理的に実現されるリング型のネットワークによるデータの共有（以下、「リング型データ共有」と称する。）に関する情報が管理される。本実施形態では、グループを超えたノード１０間でのデータの共有は、リング型データ共有により行われる。リング型データ共有では、フレーム（パケット）の転送方向（左方向（左回り）、右方向（右回り））を設定することができる。本例では、右方向（右回り）で転送される場合を例として説明する。リング型データ共有の具体的な動作については後述する。論理リング管理テーブル１１３は、グループ構成情報１１１やグループ管理テーブル１１２の内容に基づき生成される。論理リング管理テーブル１１３の内容は、ユーザインタフェースを介してユーザが設定することもできる。

共有データ１１４は、データ送受信処理部１６０や論理リング処理部１７０によってノード１０間で共有されるデータ（以下、「共有データ」と称する。）である。データ送受信処理部１６０や論理リング処理部１７０の処理性能を確保するため、共有データ１１４は、例えば、主記憶装置１２のアクセス性能の高いデバイスが提供する記憶領域に格納される。

オペレーティングシステム１２０は、ユーザやアプリケーションに対してノード１０のリソースを利用するためのインタフェースを提供し、ノード１０が備えるリソースの効率的な利用を実現する。オペレーティングシステム１２０は、例えば、ファイルシステムやデバイスドライバを含む。オペレーティングシステム１２０は、ＮＷ装置５０を介して、他のノード１０に送信するフレームの生成や生成したフレームの送信、他のノード１０から送られてくるフレームの受信等に関する処理を行う。

アプリケーション１３０は、ノード１０において実行されるアプリケーションソフトウェア（プログラム）により実現される機能である。アプリケーション１３０は、オペレーティングシステム１２０に対して共有データの生成要求を行う。またアプリケーション１３０は、オペレーティングシステム１２０を介して他のノード１０から送られてくる共有データを取得する。

ノード設定部１４０は、グループ管理テーブル１１２や論理リング管理テーブル１１３の設定に関する処理を行う。

ＮＷ装置設定部１５０は、ＮＷ装置５０の各ポート５の設定に関する処理を行う。ＮＷ装置設定部１５０は、グループ管理テーブル１１２に基づき、ＮＷ装置５０の各ポート５にVLAN-IDを設定する。これにより各ポート５に接続するノード１０にVLAN-IDが割り当てられる。尚、ＮＷ装置５０の設定は、いずれか１つのノード１０が行えばよいので、ＮＷ装置設定部１５０は、例えば、複数のノード１０のうちの特定のノード１０にのみ実装するようにしてもよい。

データ送受信処理部１６０は、共有データのマルチキャストによる他のノード１０への送信や、他のノード１０から受信した共有データの受信等に関する処理を行う。尚、マルチキャストにより複数のノード１０の間で共有データを共有することを、以下、「マルチキャスト型データ共有」と称する。

論理リング処理部１７０は、当該ノード１０が所属するグループ（以下、「自グループ」と称する。）で発生した共有データや他のグループ（以下、「他グループ」と称する。）に所属するノード１０から受信した共有データの他グループへの転送等、リング型データ共有に関する処理を行う。

図４にグループ管理テーブル１１２の一例を示す。同図に示すように、グループ管理テーブル１１２は、グループ名４１１、グループＩＤ４１２、ＶＬＡＮ－ＩＤ４１３、構成ノード数４１４、先頭ノード４１５、後尾ノードＩＤ４１６、所属ノードＩＤ４１７、所属ノードＭＡＣ４１８、ロール４１９、及び割当ポート名４２０の各項目を有する複数のレコード（エントリ）で構成される。

上記項目のうち、グループ名４１１には、グループの名称（以下、「グループ名」と称する。）が設定される。またグループＩＤ４１２には、当該グループの識別子（以下、「グループＩＤ」と称する。）が設定される。グループＩＤで特定されるグループには、一つ以上のポート５（割当ポート名４２０）が対応付けられる。

ＶＬＡＮ－ＩＤ４１３には、当該グループに付与されるVLAN-IDが設定される。同じVLAN-IDが割り当てられているノード１０（所属ノードＩＤ４１７）は同じグループに所属していることを意味する。尚、同じグループに所属する各ノード１０は、当該グループに割り当てられている分散処理を実行する。そのため、あるグループ（第１グループ）に所属するノード１０で発生した共有データは、高速性やリアルタイム性を確保するため、当該グループ内でのマルチキャスト型データ共有により当該グループに所属する各ノード１０で共有される。

構成ノード数４１４には、当該グループに所属しているノード１０の数が設定される。同図の例では、例えば、グループＩＤが「１」のグループには、６つのノード１０が割り当てられている。尚、同図では一部のノード１０（所属ノードＩＤ４１７が「A1」、「A2」のノード１０）のみ示してあり、他のノード１０については省略（図中に波線で示す省略記号を参照）している。

先頭ノードＩＤ４１５には、リング型データ共有に用いられる情報である、当該グループにおいて先頭ノードとして設定されているノード１０の識別子（以下、「先頭ノードＩＤ」と称する。）が設定される。

後尾ノードＩＤ４１６には、リング型データ共有に用いられる情報である、当該グループにおいて後尾ノードとして設定されているノード１０の識別子（以下、「後尾ノードＩＤ」と称する。）が設定される。

所属ノードＩＤ４１７には、当該グループに所属するノード１０のノードＩＤが設定される。

所属ノードＭＡＣ４１８には、当該グループに所属するノード１０に付与されている物理アドレス（本例ではＭＡＣアドレス）が設定される。

ロール４１９には、当該ノード１０の当該グループにおけるロールが設定される。具体
的には、ロール４１９には、当該ノード１０が当該グループにおけるデータの提供側（P
：Publisher）であるか、データの受取側（S：Subscriber）であるかを示す情報が設定される。提供側であれば「P」が、受取側であれば「S」が、提供側も受取側でもあれば「PS」が設定される。

例えば、同図において、所属ノードＩＤ４１７が「A1」のノード１０に設定されている「PS:DNG1」は、当該ノード１０が、グループ名が「DNG1」というグループにおいてデー
タの提供側かつ受取側であることを示す。また当該ノード１０に設定されている「S:DNG3」は、当該ノード１０が、グループ名が「DNG3」というグループのおけるデータの受取側であることを示す。

また例えば、所属ノードＩＤ４１７が「C8」のノード１０に設定されている「PS:DNG3
」は、当該ノード１０が、グループ名が「DNG3」というグループにおいてデータの提供側かつ受取側であることを示す。また当該ノード１０に設定されている「P:DNG1」は、当該ノード１０が、グループ名が「DNG1」というグループにおいてデータの提供側であることを示す。

割当ポート名４２０には、当該ノードに割り当てられているポート５の名称（以下、「ポート名」と称する。）が設定される。

図５に論理リング管理テーブル１１３の一例を示す。同図に示すように、論理リング管理テーブル１１３は、所属グループＩＤ５１１、自ノードＩＤ５１２、左グループ先頭ノードＭＡＣ５１３、右グループ先頭ノードＭＡＣ５１４、自グループデータ共有優先度５１５、優先度変更臨界値リング距離５１６、及び送信オフセット５１７の各項目を有するレコード（エントリ）で構成される。各ノード１０は、夫々について設定された論理リング管理テーブル１１３を記憶する。

所属グループＩＤ５１１には、自ノード１０が所属するグループのグループＩＤが設定される。

自ノードＩＤ５１２には、自ノード１０のノードＩＤが設定される。

左グループ先頭ノードＭＡＣ５１３には、リング型データ共有において左方向へのデータ転送が行われる場合における、当該ノード１０が所属するグループの左隣りに論理的に位置づけられるグループの先頭ノードのＭＡＣアドレスが設定される。

右グループ先頭ノードＭＡＣ５１４には、リング型データ共有において右方向へのデータ転送が行われる場合における、当該ノード１０が所属するグループの右隣りに論理的に位置づけられるグループの先頭ノードのＭＡＣアドレスが設定される。

自グループデータ共有優先度５１５には、リング型データ共有に際して参照される、当該ノード１０が所属するグループについて設定される優先度を示す値（以下、「自グループデータ共有優先度」と称する。）が設定される。自グループデータ共有優先度は、例えば、優先度のデフォルト値として用いられる。自グループデータ共有優先度は、例えば、ユーザインタフェースを介してユーザが設定する。本例では「０」を最高優先度とし、優先度の数字が大きい程、優先度が低くなるものとする。

優先度変更臨界値リング距離５１６には、当該ノード１０が所属するグループについて設定される、優先度を変更する境界を決める尺度（単位）として用いる、グループ間に論理的に設定される距離（以下、「リング距離」と称する。）の値（以下、「優先度変更臨
界値リング距離」と称する。）が設定される。優先度変更臨界値リング距離は、例えば、ユーザインタフェースを介してユーザが設定する。本実施形態では、グループ管理テーブル１１２のグループＩＤ４１２はリング距離を考慮して設定されており、２つのグループ間のリング距離は各グループのグループＩＤの差として求められるものとする。また本実施形態では、共有データの送信先のグループの優先度は、当該共有データの送信元のグループからのリング距離が長いほど低く設定されるものとし、本例では、リング距離が優先度変更臨界値リング距離に達する度に段階的に、即ち、リング距離が優先度変更臨界値リング距離の何整数倍であるかに応じて、優先度が小さくなっていくものとする。尚、リング距離と優先度の関係は必ずしも限定されない。例えば、ユーザインタフェースを介してユーザが上記関係を設定できるようにしてもよい。

送信オフセット５１７には、当該ノード１０がフレームを送信するタイミングの調整に用いる値（以下、「送信オフセット」と称する。）が設定される。本実施形態では、送信オフセットが大きい程、遅延時間は長くなり、送信タイミングが遅くなるものとする。尚、送信オフセットは、リング型データ共有以外の通信でも用いられる。送信オフセットは、例えば、リング型データ共有におけるフレームの送信タイミングを、マルチキャスト型データ共有におけるフレームの送信タイミングよりも遅延させるために用いられる。また送信オフセットは、リング型データ共有に限らず、フレームの送信タイミングを調整したい場合に適宜用いられる。

図６は、ノード設定部１４０が行う処理（以下、「ノード設定処理Ｓ６００」と称する。）を説明するフローチャートである。以下、同図とともにノード設定処理Ｓ６００について説明する。

まずノード設定部１４０は、グループ構成情報１１１を読み込む（Ｓ６１１）。

続いて、ノード設定部１４０は、グループ構成情報１１１に基づきグループ管理テーブル１１２を生成する（Ｓ６１２）。例えば、ノード設定部１４０は、オペレーティングシステム１２０のメモリマップ機能を用い、グループ構成情報１１１に基づきグループ管理テーブル１１２をオペレーティングシステム１２０が管理する主記憶装置１２の記憶領域に生成する。

続いて、ノード設定部１４０は、グループ管理テーブル１１２に基づき、論理リング管理テーブル１１３を生成する（Ｓ６１３）。以上でノード設定処理Ｓ６００は終了する。

図７は、ＮＷ装置設定部１５０が行う処理（以下、「ＮＷ装置設定処理Ｓ７００」と称する。）を説明するフローチャートである。以下、同図とともにＮＷ装置設定処理Ｓ７００について説明する。

まずＮＷ装置設定部１５０は、グループ管理テーブル１１２のＶＬＡＮ－ＩＤ４１３の値と割当ポート名４２０の値を読み込む（Ｓ７０１）。

続いて、ＮＷ装置設定部１５０は、読み込んだ値を用いて、ＮＷ装置５０の各ポート５にVLAN-IDを設定する（Ｓ７０２）。以上でＮＷ装置設定処理Ｓ７００は終了する。

図８は、データ送受信処理部１６０が行う処理（以下、「データ送受信処理Ｓ８００」と称する。）を説明するフローチャートである。以下、同図とともにデータ送受信処理Ｓ８００について説明する。

データ送受信処理Ｓ８００は、自ノード１０において、データ通信システム１の全ての
ノード１０で共有しようとするデータ（共有データ）が発生したことを契機として開始される（Ｓ８１１：Ｙ）。尚、共有データは、例えば、アプリケーション１３０により生成される。

まずデータ送受信処理部１６０は、共有データを全ノード１０に送信するためのフレームを主記憶装置１２に生成する（Ｓ８１２）。

続いて、データ送受信処理部１６０は、論理リング管理テーブル１１３の自ノードＩＤ５１２をキーとしてグループ管理テーブル１１２から自グループのVLAN-IDを取得し、生
成したフレームのヘッダのVLAN-IDに設定する（Ｓ８１３）。

続いて、データ送受信処理部１６０は、Ｓ８１２で読み込んだVLAN-IDのＶＬＡＮにお
けるマルチキャストアドレスを、上記フレームのヘッダの送信先に設定する（Ｓ８１４）。尚、マルチキャストアドレスの具体的な値は、ＮＷ装置５０に仕様で定められている。

続いて、データ送受信処理部１６０は、論理リング管理テーブル１１３の自ノードＩＤ５１２をキーとしてグループ管理テーブル１１２の所属ノードＩＤ４１７を検索し、対応する所属ノードＭＡＣ４１８に設定されているＭＡＣアドレスを上記フレームのヘッダの送信元に設定する（Ｓ８１５）。

続いて、データ送受信処理部１６０は、論理リング管理テーブル１１３の自グループデータ共有優先度５１５を取得し、上記フレームのヘッダの優先度（PCP）に設定する（Ｓ
８１６）。

続いて、データ送受信処理部１６０は、生成したフレームをＮＷ装置５０に送信する（Ｓ８１７）。この送信は共有データが発生したグループ（以下、「第１グループ」と称する。）内でのマルチキャスト型データ共有に相当する。この処理は、例えば、オペレーティングシステム１２０を介して行われる。

続いて、データ送受信処理部１６０は、論理リング処理部１７０が他のノード１０からデータを受信しているか否かを確認し、受信していれば共有データ１１４として記憶部１１０に記憶させる（Ｓ８１８）。尚、受信処理の性能を確保するため、本処理については、オペレーティングシステム１２０の別スレッドとして実行するようにしてもよい。その後、処理はＳ８１１に戻る。

図９は、第１グループと当該第１グループとは異なるグループ（以下、「第２グループ」と称する。）との間、もしくは異なる第２グループの間でのリング型データ共有に際して論理リング処理部１７０が行う処理（以下、「論理リング処理Ｓ９００」と称する。）を説明するフローチャートである。尚、論理リング処理Ｓ９００は、例えば、ＮＷ装置２２からリング型データ共有の対象となる共有データを含むフレームを受信することにより開始される。

論理リング処理部１７０は、ＮＷ装置２２からフレームを受信すると（Ｓ９１１）、受信したフレームのヘッダの情報を取得する（Ｓ９１２）。

続いて、論理リング処理部１７０は、論理リング管理テーブル１１３の自ノードＩＤ５１２をキーとしてグループ管理テーブル１１２を検索し、自グループのVLAN-ID（ＶＬＡ
Ｎ－ＩＤ４１３の値）を取得する（Ｓ９１３）。

続いて、論理リング処理部１７０は、取得した自グループのVLAN-IDと、受信したフレ
ームのヘッダに設定されているVLAN-IDとを比較し、受信したフレームが他グループに所
属するノード１０から送られてきたフレームであるか、それとも自グループに所属するノード１０から送られてきたフレームであるかを判定する（Ｓ９１４）。受信したフレームが他グループに所属するノード１０から送られてきたフレームであれば（Ｓ９１４：Ｙ）、処理はＳ９２１に進む。受信したフレームが自グループに所属するノード１０から送られてきたフレームであれば（Ｓ９１４：Ｎ）、処理はＳ９３１に進む。

Ｓ９２１では、論理リング処理部１７０は、グループ管理テーブル１１２から自グループの先頭ノードＩＤ（先頭ノードＩＤ４１５の値）を取得する。

続いて、論理リング処理部１７０は、論理リング管理テーブル１１３の自ノードＩＤ５１２の値（自ノードＩＤ）を取得する（Ｓ９２２）。

続いて、論理リング処理部１７０は、取得した自ノードＩＤを、グループ管理テーブル１１２と対照し、自ノードが先頭ノードであるか否かを判定する（Ｓ９２３）。自ノードが先頭ノードであれば（Ｓ９２３：Ｙ）、処理はＳ９２４に進む。自ノードが先頭ノードでなければ（Ｓ９２３：Ｎ）、処理はＳ９２５に進む。

Ｓ９２４では、論理リング処理部１７０は、リング型データ共有において先頭ノードが行う処理(以下、「先頭ノードの論理リング処理Ｓ９２４」と称する。）を行う。尚、先
頭ノードの論理リング処理Ｓ９２４の詳細については後述する。

一方、Ｓ９２５では、論理リング処理部１７０は、当該フレームを棄てる（もしくは当該フレームを放置する）。

Ｓ９３１では、フレームに含まれているデータ（共有データ）は、オペレーティングシステム１２０を介してアプリケーション１３０に渡される。

Ｓ９３２では、論理リング処理部１７０は、グループ管理テーブル１１２から自グループの後尾ノードＩＤ４１６の値と、論理リング管理テーブル１１３の自ノードＩＤ５１２の値とを取得する。

続いて、論理リング処理部１７０は、取得した自グループの後尾ノードＩＤ４１６の値と、論理リング管理テーブル１１３の自ノードＩＤ５１２の値とを対照し、自分が後尾ノードであるか否かを判定する（Ｓ９３３）。自分が後尾ノードであれば（Ｓ９３３：Ｙ）、リング型データ共有において後尾ノードとして行うべき処理(以下、「後尾ノードの論
理リング処理Ｓ９３４」と称する。）を行う。後尾ノードの論理リング処理Ｓ９３４の詳細については後述する。自分が後尾ノードでなければ（Ｓ９３３：Ｎ）、処理は終了する。

図１０は、図９に示した先頭ノードの論理リング処理Ｓ９２４を説明するフローチャートである。以下、同図とともに先頭ノードの論理リング処理Ｓ９２４について説明する。

まず論理リング処理部１７０は、フレームのヘッダに設定されている送信元のＭＡＣアドレスをキーとしてグループ管理テーブル１１２を参照し、送信元のノード１０が所属するグループのグループＩＤ（ＭＡＣアドレスに対応するグループＩＤ４１２の値）を取得する（Ｓ１０１１）。

続いて、論理リング処理部１７０は、論理リング管理テーブル１１３の所属グループＩＤ５１１の値（自ノードのグループＩＤ）を取得し、Ｓ１０１１で取得した送信元のノー
ド１０が所属するグループＩＤとの差を求めてリング距離とする（Ｓ１０１２）。

続いて、論理リング処理部１７０は、論理リング管理テーブル１１３の自グループデータ共有優先度５１５の値と優先度変更臨界値リング距離５１６の値を取得し、取得した値とＳ１０１２で求めたリング距離とを次式に代入して送信優先度を求める（Ｓ１０１３）。

送信優先度＝（自グループデータ共有優先度）
+ａ×（リング距離÷優先度変更臨界値リング距離） ・・・式１

尚、上式におけるａは、送信優先度の値の調節に用いる係数（パラメータ）であり、例えば、ユーザがユーザインタフェースを介して設定することができる。本例ではａ＝１とする。また優先度変更臨界値リング距離をデータ通信システム１を構成しているノード１０の総数とすれば、全てのグループについて優先度を固定してリング型データ共有を実施することができる。また優先度変更臨界値リング距離を１に設定すれば、リング型データ共有における他グループへの送信優先度をリング距離を直接反映した値とすることができる。

続いて、論理リング処理部１７０は、求めた送信優先度をフレームのヘッダの優先度（PCP）に設定する（Ｓ１０１４）。

続いて、論理リング処理部１７０は、論理リング管理テーブル１１３の自ノードＩＤ５１２の値をキーとしてグループ管理テーブル１１２を参照し、自グループのＶＬＡＮ－ＩＤ４１３の値（VLAN-ID）を取得し、取得したVLAN-IDをフレームのヘッダのVLAN-IDに設
定する（Ｓ１０１５）。

続いて、論理リング処理部１７０は、ヘッダの送信先に、Ｓ１０１５で取得したVLAN-IDのＶＬＡＮのマルチキャストアドレスを設定する（Ｓ１０１６）。尚、マルチキャスト
アドレスではなく、同グループに隣接するグループの所属ノードＭＡＣ４１８の値をヘッダの送信先に設定すれば、他グループから送られてきた共有データについてマルチキャストではなく、ノード１０を特定して送信するようにすることができる。

続いて、論理リング処理部１７０は、論理リング管理テーブル１１３の送信オフセット５１７の値を取得し、取得した送信オフセットを用いてフレームを送信するタイミングを設定する（Ｓ１０１７）。

続いて、論理リング処理部１７０は、設定したタイミングでフレームをＮＷ装置５０に送信する（Ｓ１０１８）。尚、この送信は、第２グループ内のノード１０の間でのマルチキャスト型データ共有に相当する。つまり、他グループからのデータの共有は、自グループで発生した共有データよりも低い優先度、かつ、従来のリング型データ共有と同様に遅延したタイミングのマルチキャスト送信で行われるため、高速性やリアルタイム性が要求される第１グループ内でのマルチキャスト型データ共有に与える影響を抑制することができる。

図１１は、図９に示した後尾ノードの論理リング処理Ｓ９３４の処理を説明するフローチャートである。以下、同図とともに後尾ノードの論理リング処理Ｓ９３４について説明する。

まず論理リング処理部１７０は、フレームのヘッダの送信元に設定されているＭＡＣアドレスをキーとしてグループ管理テーブル１１２を参照し、送信元のノード１０が所属す
るグループのVLAN-ID（ＶＬＡＮ－ＩＤ４１３の値）を取得し、取得した値をヘッダのVLAN-IDに設定する（Ｓ１１０１）。

論理リング処理部１７０は、論理リング管理テーブル１１３の右先頭ノードＭＡＣ３３４の値（ＭＡＣアドレス）を取得し、取得した値をフレームのヘッダの送信先に設定し、フレームを送信する（Ｓ１１０２）。

以上に説明したように、第１実施形態のデータ通信システム１によれば、スター型のネットワークを用いて複数のノード間で高速かつリアルタイム性を保証した通信を実現することができる。そのため、例えば、ＩｏＴネットワーク等の制御ネットワークにおいて要求される、高度な同期性能や可用性、リソースの保証、高速レスポンス等を、ハードウェアを追加することなく、従来のスター型のネットワークを用いて実現することができる。

［第２実施形態］
第１実施形態では、共有データを複数のノード１０間で共有する機能をノード１０側に実装したが、第２実施形態では、上記機能のうち論理リング処理部１７０の機能をＮＷ装置５０側に実装する。第２実施形態のデータ通信システム１の基本的な構成は第１実施形態と同様であるので、以下では第１実施形態のデータ通信システム１と相違する部分を中心に説明する。

第２実施形態のデータ通信システム１においては、第１実施形態においてノード１０の記憶部１１０が記憶していたグループ管理テーブル１１２及び論理リング管理テーブル１１３を、ＮＷ装置５０が記憶する。また第１実施形態におけるノード１０の機能である論理リング処理部１７０をＮＷ装置５０に実装する。尚、ＮＷ装置５０に実装した論理リング処理部１７０の機能（以下、「論理リング処理部５５」と称する。）は、例えば、ＮＷ装置５０の演算ユニットが記憶しているプログラムを実行することにより、もしくは、ＮＷ装置５０のハードウェア（ＦＰＧＡ等）により実現する。

図１２は、共有データを複数のノード１０間で共有する際、ＮＷ装置５０に実装された論理リング処理部５５が行う処理（以下、「論理リング処理Ｓ１２００」と称する。）を説明するフローチャートである。以下、同図とともに論理リング処理Ｓ１２００について説明する。

まず論理リング処理部５５は、ノード１０のデータ送受信処理部１６０からマルチキャスト送信された、共有データを含むフレームを受信する(Ｓ１２１１）。

続いて、論理リング処理部５５は、受信したフレームのヘッダに設定されているVLAN-IDをキーとして、グループ管理テーブル１１２から、同じグループ（同じVLAN-IDのグループ）に所属するノード１０が接続しているポート５を特定し、特定したポート５の送信キューに、Ｓ１２１１で受信したフレームを登録する（Ｓ１２１２）。尚、この処理は、第１グループに所属するノード１０の間でのマルチキャスト型データ共有に相当する。

続いて、論理リング処理部５５は、他グループに所属するノード１０に送信するフレームを生成するため、Ｓ１２１１で受信したフレームを複製したフレームを主記憶装置１２に生成する。そして論理リング処理部５５は、図１０のＳ１０１３と同様の方法で当該フレームの送信優先度を求め、求めた送信優先度を、複製したフレームのヘッダの優先度（PCP）に設定する（Ｓ１２１３）。

続いて、論理リング処理部５５は、受信したフレームのヘッダの送信元に設定されているグループと上記の他グループとの間のリング距離を、図１０のＳ１０１２と同様の方法
で求め、求めたリング距離を次式に代入して送信オフセットを求める（Ｓ１２１４）。

送信オフセット＝（受信したフレームの送信元のグループと他グループとの間のリング距離）＊（論理リング管理テーブル１１３の送信オフセット５１７の値）
・・・式２

続いて、論理リング処理部５５は、上記の他グループに所属するノード１０（先頭ノード）に割り当てられているポート５の送信キューに、Ｓ１２１４で求めた送信オフセットを設定し、Ｓ１２１３で複製したフレームを登録する（Ｓ１２１５）。この処理は第２グループに所属するノード１０の間でのリング型データ共有に相当する。尚、式２で求めた送信オフセットは、第１実施形態における後尾ノードと先頭ノードと間で共有データを送受信する時間に相当する。

Ｓ１２１３～Ｓ１２１５の処理を他グループの数だけ繰り返し実行することで、自グループ（第１グループ）に所属するノード間では最高の優先度でマルチキャスト型データ共有が行われ、他グループ（第２グループ）に所属するノード１０についてはリング型データ共有が行われる。また論理リング処理部５５は、送信元のグループと送信先のグループのリング距離に基づき送信優先度や送信タイミングを調整したフレームを、各グループに所属するノード１０が接続しているポート５の送信キューに登録するので、第１実施形態の場合と同様に、第１グループのノード１０の間で行われるマルチキャスト型データ共有について要求される高速性やリアルタイム性を阻害することなく、高速かつリアルタイム性を確保しつつ、第２グループのノード１０の間でのリング型データ共有を行うことができる。

以上、本発明の実施形態につき説明したが、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。また例えば、上記した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために構成を詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また各実施形態の構成の一部について、他の構成に追加、削除、置換することが可能である。

また上記の各構成、機能、処理部、処理手段等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。また実施形態で示した各機能を実現するソフトウェアのプログラムコードによっても実現できる。この場合、プログラムコードを記録した記憶媒体をノード１０やＮＷ装置５０等の情報処理装置に提供し、当該情報処理装置が備えるプロセッサが記憶媒体に格納されたプログラムコードを読み出す。この場合、記憶媒体から読み出されたプログラムコード自体が以上の実施形態の機能を実現することになり、そのプログラムコード自体、及びそれを記憶した記憶媒体は本発明を構成することになる。このようなプログラムコードを供給するための記憶媒体としては、例えば、ハードディスク、ＳＳＤ（Solid State Drive）、光ディスク、光磁気ディス
ク、ＣＤ-Ｒ、フレキシブルディスク、ＣＤ-ＲＯＭ、ＤＶＤ-ＲＯＭ、磁気テープ、不揮
発性のメモリカード、ＲＯＭ等が用いられる。

以上の実施形態において、制御線や情報線は、説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。全ての構成が相互に接続されていてもよい。また以上では各種の情報を表形式で例示したが、これらの情報は表以外の形式で管理してもよい。

１ データ通信システム、５ ポート、１０ ノード、５０ ＮＷ装置、１１０ 記憶部、１１１ グループ構成情報、１１２ グループ管理テーブル、１１３ 論理リング管理
テーブル、１１４ 共有データ、１２０ オペレーティングシステム、１３０ アプリケーション、１４０ ノード設定部、１５０ ＮＷ装置設定部、１６０ データ送受信処理部、１７０ 論理リング処理部、Ｓ６００ ノード設定処理、Ｓ７００ ＮＷ装置設定処理、Ｓ８００ データ送受信処理、Ｓ９００ 論理リング処理、Ｓ９２４ 先頭ノードの論理リング処理、Ｓ９３４ 後尾ノードの論理リング処理、Ｓ１２００ 論理リング処理

Claims (13)

1. ネットワークスイッチと、
   前記ネットワークスイッチが備える複数のポートの夫々に接続する複数のノードと、
   を含んで構成されるデータ通信システムであって、
   前記複数のノードの夫々と、前記複数のノードの夫々が所属するグループとの対応を記憶し、
   前記ノードの一つにおいて前記複数のノードの間で共有すべきデータが発生した場合に、
   前記データが発生した前記ノードが所属する前記グループである第１グループに所属する前記ノードの間では、前記データをマルチキャストで送信することにより前記データを共有する方式であるマルチキャスト型のデータ共有を行い、
   前記第１グループに所属する前記ノードと当該第１グループと異なる前記グループである第２グループに所属する前記ノードとの間、もしくは異なる前記第２グループに所属する前記ノードの間では、前記グループを跨いで前記ノードの間で構成される論理的なリング型のネットワークにより前記データを転送することにより前記データを共有する方式であるリング型のデータ共有を行う
   ことを特徴とするデータ通信システム。
2. 請求項１に記載のデータ通信システムであって、
   前記リング型のデータ共有では、前記グループ内で先頭ノードに設定された前記ノードが他の前記グループから転送されてくる前記データの受取を担当し、前記グループ内で後尾ノードに設定された前記ノードが他の前記グループへの前記データの提供を担当する
   ことを特徴とするデータ通信システム。
3. 請求項２に記載のデータ通信システムであって、
   前記第２グループにおいて、当該第２グループの前記先頭ノードが、当該第２グループ内で前記データをマルチキャストで送信することにより前記データを共有する
   ことを特徴とするデータ通信システム。
4. 請求項２に記載のデータ通信システムであって、
   前記第２グループにおいて、当該第２グループの前記先頭ノードが、当該第２グループ内で前記データを特定の前記ノードに送信することにより当該第２グループ内で前記データを共有する
   ことを特徴とするデータ通信システム。
5. 請求項３に記載のデータ通信システムであって、
   前記第２グループに所属する前記ノードの間では、前記第１グループに所属する前記ノードの間で前記データを共有するために送信される前記データに設定される送信優先度よりも低い送信優先度で前記データを送信することにより前記データを共有する
   ことを特徴とするデータ通信システム。
6. 請求項４に記載のデータ通信システムであって、
   前記第２グループに所属する前記ノードの間では、前記第１グループに所属する前記ノードの間で前記データを共有するために送信される前記データに設定される送信優先度よりも低い送信優先度で前記データを送信することにより前記データを共有する
   ことを特徴とするデータ通信システム。
7. 請求項５に記載のデータ通信システムであって、
   前記送信優先度は、前記第１グループと前記第２グループとの間に設定される論理的な
   距離であるリング間距離に応じて設定される
   ことを特徴とするデータ通信システム。
8. 請求項６に記載のデータ通信システムであって、
   前記送信優先度は、前記第１グループと前記第２グループとの間に設定される論理的な距離であるリング間距離に応じて設定される
   ことを特徴とするデータ通信システム。
9. 請求項７に記載のデータ通信システムであって、
   前記第２グループに所属するノードの間では、前記リング間距離に応じて送信タイミングを遅延させて前記データを送信することにより前記データを共有する
   ことを特徴とするデータ通信システム。
10. 請求項８に記載のデータ通信システムであって、
    前記第２グループに所属するノードの間では、前記リング間距離に応じて送信タイミングを遅延させて前記データを送信することにより前記データを共有する
    ことを特徴とするデータ通信システム。
11. 請求項１に記載のデータ通信システムであって、
    前記第１グループに所属する前記ノードは前記データを生成するエッジ側の情報処理システムを構成し、前記第２グループに所属する前記ノードは前記第１グループに所属する前記ノードから送られてくる前記データを用いた情報処理を行う情報処理システムを構成する
    ことを特徴とするデータ通信システム。
12. 請求項１に記載のデータ通信システムであって、
    前記ネットワークスイッチは、前記ポートの夫々に接続する前記ノードの間でＶＬＡＮを実現する機能を備えており、
    前記ポートの夫々に、夫々に接続する前記ノードが所属するグループに対応するVLAN-IDを設定し、
    前記ネットワークスイッチは、
    前記ノードから送信されるフレームのヘッダに設定されているVLAN-IDに基づき、フレ
    ームの送信元の前記ノードが所属する前記グループを特定し、
    前記第１グループに所属する前記ノードから、ヘッダの送信先にマルチキャストアドレスが設定された、前記データを含んだフレームを受信すると、前記第１グループに所属する他の前記ノードが接続する前記ポートの送信キューに前記フレームを登録し、
    前記第２グループに所属する前記ノードが接続する前記ポートの送信キューに送信オフセットを設定して当該送信キューに前記フレームを登録する
    ことを特徴とするデータ通信システム。
13. ネットワークスイッチと、
    前記ネットワークスイッチが備える複数のポートの夫々に接続する複数のノードと、
    を含んで構成されるデータ通信システムの制御方法であって、
    前記データ通信システムが、
    前記複数のノードの夫々と、前記複数のノードの夫々が所属するグループとの対応を記憶するステップと、
    前記ノードの一つにおいて前記複数のノードの間で共有すべきデータが発生した場合に、
    前記データが発生した前記ノードが所属する前記グループである第１グループに所属する前記ノードの間では、前記データをマルチキャストで送信することにより前記データを
    共有する方式であるマルチキャスト型のデータ共有を行うステップと、
    前記第１グループに所属する前記ノードと当該第１グループと異なる前記グループである第２グループに所属する前記ノードとの間、もしくは異なる前記第２グループに所属する前記ノードの間では、前記グループを跨いで前記ノードの間で構成される論理的なリング型のネットワークにより前記データを転送することにより前記データを共有する方式であるリング型のデータ共有を行うステップと
    を実行することを特徴とする、データ通信システムの制御方法。

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