JP7331066B2 - Ａｖｂストリームのモジュール式ルーティングの方法及び装置 - Google Patents

Description

ＩＥＥＥワーキンググループＴＳＮ（タイムセンシティブネットワーキング；ＩＥＥＥ８０２．１）の拡張により、標準化イーサネットネットワーク（イーサネットは登録商標）でのリアルタイム通信が可能になる。ネットワークを設定するために、必要な接続（ストリーム）の確立及びリソースの使用について処理する、予約（リザベーション）プロトコル（メッセージセッションリレープロトコル；ＭＳＲＰ；ＲＦＣ４９７５）が使用される。
ＴＳＮワーキンググループでは、ＡＶＢワーキンググループの成果をさらに発展させている。予約プロトコルはＡＶＢ（オーディオ／ビデオ－ブリッジング；ＩＥＥＥ ８０２．１）で開発され、これは、ホームネットワークで使用するために定義されている。

ネットワークの冗長機能は考慮されておらず－場合によっては可能なパスのスイッチングによりネットワーク内のすべてのアクティブなストリームの完全な消滅がいつでももたらされる。ネットワーク全体にアクティブな接続（コネクション）は１つしかない－冗長接続はホームネットワークに普通は存在しない。予約プロトコルは、ストリームの確立及びネットワークの設定を処理する。利用可能なストリームに関する情報は、すべての端末に転送される。この情報の転送が必要なのは、利用可能なリソースの検証が事前に行われるためである。

産業分野における従来の冗長性アプローチ（例えば、リング冗長性）は、特殊なネットワークでのみ使用可能であり、ストリームの確立に必要なネットワークコンポーネントのローカル設定を考慮していない。

従来、すべての端末は、すべてのストリーム情報を受信できる必要がある。端末における実装がより単純であれば不要な情報をキャッシュするためのメモリ要件を低減できるが、パケットを受信して分析する必要は残る。ＡＶＢでは、端末は、それ相応にパワフルでなければならない。これに対し、プロトコルの従来の設計では、処理可能なパッケージ数が制限されている。
ストリームの数が増加すると、簡素なネットワーク参加機器においてネットワーク負荷が大きくなる。これに対し、産業用アプリケーションの場合の端末は、可能な限り安価である必要があって、その主なタスクは、データ送信ではなく、物理的測定値の取得及び分析である。したがって、あまり簡素な端末は使用できない。

産業用アプリケーションは、別々のストリームで送信される多数の測定値の処理及びその結果生じるアクチュエータの作動に基づいているし、同様に複数の装置への複数のストリームにも基づく。この場合は通常、様々な端末の位置はネットワークによって秘匿される－個々の接続に必要な送信時間は、予約プロトコルによって、予約が成功した後にメッセージの受信機器のみが認識する。
ネットワーク内の複数のアプリケーションによってストリーム数は増加する－しかしながら端末は、すべてのストリーム情報を受信する。

高可用性の要件は、これまで十分に考慮されていなかった。ローカルナレッジによるターゲットに向けた接続のスイッチングは、既知の方法ではできない。

そのうえ既知のアプローチでは、プロトコルが同期できるデータ量が限定されているから、ネットワークにおいてサポートされるストリームの最大数に制限がある。
産業用ネットワークで使用する場合には、ストリーム数に加えてさらに要件が追加される。

本発明は、以下の要件をもつ産業分野で使用するために既知の方法を適合させる方法を提供することを、目的とする。

メモリの少ない簡素な端末で使用可能な方法である必要がある。このときのアプリケーションは、多数のＩＯデバイス（すなわち、多数のストリーム）からのデータを使用する－すべてのストリームの送信時間がこの場合同様に重要である（すなわち、メイクスパンとも称する送信の開始から終了までの期間）。
さらに、非常に多くの接続をもつネットワーク全体において複数のアプリケーションがサポートされる必要がある。
このときの接続は、高可用性も有している必要がある。

上記目的は、独立形式請求項の特徴を備える方法によって解決される。
この方法は、ＩＥＥＥ８０２．１に準拠するタイムセンシティブネットワーキング規格に基づいてネットワークにおいて予約されたパス（経路）に沿ってストリームをルーティングすることに関し、該方法では、ネットワークにおいてパスを構築するための予約プロセスはモジュール式で行われ、このモジュール式のプロセスでは、第１のステップにおいて、トーカーアドバタイズ（トーカー宣言）メッセージを伴う送信機器の登録を、ネットワークのアクセス可能な第１のネットワーク要素のみに送信してここに保存し、そして、リスナーレディ（リスナー起動）メッセージを伴う受信機器の登録を、アクセス可能な第２のネットワーク要素に送信してここに保存し、第２のステップにおいて、第１のネットワーク要素と第２のネットワーク要素との間のパスの予約を、事前に保存した前記情報に基づいて行う。

ＴＳＮ用にさらに開発された予約プロトコルに新しい属性（Ｌ＿ＢＲＩＤＧＥ）が導入されたことで、イーサネット規格の既存のメカニズムは、より適切な使用が可能となった。このためには、各受信機器及び各送信機器は（従来は送信機器がすでに利用可能であるが）ネットワークで認識されている必要がある。

本発明のさらなる有利な態様が引用形式請求項によって提示される。

パスの予約に必要なすべての情報は、データベースに保存されている。これらデータベースはブリッジにあり、当該データベースは、中央メモリ（中央データベース）と、各トーカー／送信機器及び各リスナー／受信機器の方向に関する各ポートデータベースとに分けられる。
方向指定のないデータパケット（ＴＬＶ）は、この場合、属性の最後に読まれたパケットシーケンス番号（ストリームＩＤ）と共に中央メモリに保存される。
方向指定のあるデータパケット（ＴＬＶ）は、受信データベースの受信ポート及び送信データベースの送信ポートに保存される。属性Ｌ＿ＲＥＧＩＳＴＲＡＴＩＯＮはこの場合新規である。
したがって、受信機器は、自身のリスナーレディメッセージにおいて受信機器の位置に関する第１の情報を送信し、パス予約は、ネットワーク内の送信機器の位置に関する第２の情報を使用して予約及びパス設定を実行することができる。

本発明の一態様において、最大許容レイテンシ（ＲＥＱ＿ＬＡＴＥＮＣＹ）に関してトーカーアドバタイズメッセージとリスナーレディメッセージのいずれか又は両方に追加情報が含まれている。
パスは、レイテンシに基づいて予約され、レイテンシに関する累積情報（ＡＣＣ＿ＬＡＴＥＮＣＹ）がメッセージで送信され得る。
このときのパスの決定は、個々のネットワーク要素間でそれぞれ必要な送信時間を考慮した最良のルーティングに基づく。

受信機器は、追加データ、例えばストリーム記述、をネットワーク要素から受信するために、自身のストリームＩＤによって識別されるストリームを最も近いネットワーク要素に登録することができる。
あるいは、受信機器は、追加登録されたデータのみをネットワーク要素から受信するように、ストリームをネットワーク要素に登録することもできる。これにより、関連情報のみが実際に送信されるという利点があり、ネットワーク負荷及び受信情報の評価に関するリスナーの負担が低減される。

受信機器は、次いで、自身に関連する情報のみをネットワークから受け取る。
他の情報が変更された場合、受信機器に前もって通知されることはない。
従来のブリッジでは、「プルーニング」と呼ばれる同様のメカニズムが既知であり、このプルーニングでは、送信可能なネットワーク部分でのみ情報が選択的に転送される。「リスナープルーニング」と称する新規機能により、データ（ストリーム）の受信に関与する端末への関連情報のターゲット転送が可能になる。
ネットワークコンポーネントは、登録（認証、ログイン）情報を使用して、関連するデータ及びこのデータの事後変更のみを端末に転送できる（「リスナープルーニング」）。これにより、情報量が低減され、これに付随してパッケージ数が低減される。結果的に、端末において計算負荷が軽減される。したがって、簡素な端末を、より大規模なネットワークでも使用することが可能であり、ネットワークにおいて、格段に多くのストリームを使用することができる。

以下の図面を参照して本発明をさらに詳述する。
トーカーアドバタイズ、すなわち、既知のＡＶＢにおいて成立した予約を示す。 リスナーレディ、すなわち、予約の確認を示す。 図１及び図２を通して確立されたパスの通信を示す。 新規モジュール式予約プロセスのトーカーアドバタイズ及びリスナーレディを示す。 すべてのネットワーク要素（ブリッジ）に対するトーカーアドバタイズ及びリスナーレディからのグローバル情報の配信を示す。 いわゆるリスナープルーニングを示す。 本発明によるネットワークにおけるパス設定について様々な実施の選択肢を示す。 図１～図３に示した既知の方法のアプローチの全体図である。

図８には、既知のアプローチ（手続）に従って進行する、ネットワークにおけるストリームのＡＶＢ予約プロセスが示されている。Ｂ１～Ｂ６は、いわゆるブリッジである中間のネットワーク要素を示す。Ｔは、いわゆるトーカーである送信機器を示す。Ｌは、リスナーステーション、すなわち目的地の受信機器を示す。まず、第１のステップにおいて、いわゆるアドバタイズを介して全員に情報が送信され、ブリッジにおいて登録及び宣言が行われる。応答として、リスナーステーションはレディメッセージを返し、これにより、それぞれのパスが予約される。

図１～図３には、ＲＳＴＰルートブリッジＲを使用した図８の代替予約プロセスが説明されている。ネットワーク要素／ブリッジＢ１～Ｂ４は、いくつかの代替ルートを部分的に介することでも互いに接続されている。ブリッジには端末Ｅ１～Ｅ４が接続され、ブリッジＢ３は、ネットワーク内のパス決定を実行するＲＳＴＰルートブリッジＲとして設定されている。トーカーアドバタイズは、ネットワークを介して様々なネットワーク要素１１～１８に配信され、各端末に到達する。図２には、ターゲット受信機器／リスナーである端末Ｅ２が、そのリスナーレディメッセージを次に接続されているブリッジＢ４に送信すること（２１）が示されている。しかし、図８で説明したアプローチのように、そこから送信機器／トーカーにまでは送信されず、代わりにそこで次のトーカーアドバタイズを「待機」する。次いで、図３には、予約パス１～４を介した通信が示されている。

図４には、予約のモジュール式プロセスが再度示されている。送信機器であるトーカーＴは、第１のネットワーク要素Ｂ２に対し、要素Ｂ２に保存される（Ｒ）自身のメッセージを送信する（１１）。このメッセージには、ボックス内に表示してある情報、Ｌ２ＴＲＡＮＳＰＯＲＴ、ＴＲＡＦＦＩＣ＿ＳＰＥＣ、ＡＣＣ＿ＬＡＴＥＮＣＹ、ＤＩＡＧ ＤＯＷＮに関する情報が含まれる。

同様にして、受信機器／リスナーＬは、保存（Ｒ）に関係する次のネットワーク要素Ｂ４へメッセージを送信する（２１）。これには、ＲＥＳ＿ＳＴＡＴＥ及びＤＩＡＧ ＵＰの情報が含まれる。

第２のステップでは、トーカーアドバタイズ及びリスナーレディから保存情報が、保存（Ｒ）に関係するすべてのネットワーク要素Ｂ１～Ｂ４に送信される（３１，３２，３３，３４）。Ｔ＿ＢＲＩＤＧＥによりトーカー情報が生成され、Ｌ＿ＢＲＩＤＧＥによりリスナー情報が生成される。
一例として、Ｌ２ＴＲＡＮＳＰＯＲＴ及びＴＲＡＦＦＩＣ＿ＳＰＥＣの情報を含むメッセージＴ＿ＢＲＩＤＧＥが図示されている。

図６には、受信機器への情報配信の実施形態が再度例示されている。最初に、受信機器Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３は、自身の情報、具体的にはストリーム記述、を最も近いネットワーク要素Ｂに伝送する。通常、この（新しい）情報１－１０はすべて、フィルタリングされずにすべての受信機器／リスナーに返送される。フィルタリングが行われるバージョンが選択された場合には、各リスナーＬ１，Ｌ２，Ｌ３は、ネットワーク要素Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３に自身又は自身のストリームを登録する。次いで、トーカー登録に沿ったリスナー登録と同様に、登録情報のみが転送される。

図７には、ストリームのためのネットワーク内のパス設定が再び示されている。
これまでに説明したローカル設定では、ストリーム記述（Ｌ２ＴＲＡＮＳＰＯＲＴ）が、ネットワーク上のリスナーの位置（Ｌ＿ＢＲＩＤＧＥ）及びトーカーの位置（Ｔ＿ＢＲＩＤＧＥ）と組み合わされ、ストリームのパスへの割当であるＦＤＢのローカル設定が得られる。
トーカーからリスナーへのレイテンシはパスで蓄積される。あるいは（右上）、トーカーブリッジＢ１から他のすべてのブリッジＢ２，Ｂ３，Ｂ４へのパスで転送が行われる。

左下には、情報Ｔ＿ＢＲＩＤＧＥにより与えられる、予約ステータスがリスナーからトーカーにどのように伝えられるかが示されている。この場合、図８の例に類似して、Ｄが宣言を表し、Ｒが予約を表す。
右下には、パスがレイテンシ追加によって決定された、追加代替手段が示される。

全体として、説明したアプローチは、すでに説明した利点に加えて、さらに重要な利点を示す。
アプリケーションにとって重要な全体の送信時間を最適化できる。ネットワーク内に多数のホップがあるリモート端末に対してフレームを最初に送信することができる。これらフレームは、フレームが近くの端末でまだ待機しなければならないときに、すでに送信されている。これにより、メイクスパンを最適化することもできる。時間の短縮により、産業環境におけるより厳しい要件にも適合される。

ＴＡＳ－Time Aware Shaper－を使用する場合、通信全体を最適化するには、通常、制御装置（プログラマブルロジックコントローラ又は産業設備のＰＬＣ）の送信シーケンスのローカル的な最適化で十分である。ＴＡＳを使用すると、ネットワークリソースは送信専用に予約され、他のアプリケーションで使用することはできない。ローカル的最適化によって、必要なＴＡＳウィンドウを削減し、排他的に使用される帯域幅を最適に設計することができる。これにより、同じウィンドウ内で他のアプリケーション又はより多数の接続用の帯域幅を使用できるようになる。

イーサネットでの高度なルーティングメカニズムの使用が可能になる。受信機器（リスナー）の既知の位置により、例えば、ＳＰＢアルゴリズム（最短パスブリッジング）を使用して、送信の最短パスを見つけることができる。これにより、ストリームを調整する際のレイテンシが最適化される。

障害が発生した場合、端末の位置に関する知識をローカルスイッチングの実行に使用できる。これは、例えば、ＩＰにおいて「Ｆａｓｔ－ＲｅＲｏｕｔｅ」と呼ばれる。各ブリッジは、既存のトポロジーナレッジにより（例えば、ＳＰＢのＩＳ－ＩＳ；中間システム－中間システムにより）、ストリームを変更するときに同じポートで転送すべきかどうか、又は送信をさらに可能にするために他の代替形態を使用する必要があるかどうかを決定する。標準化されたメカニズムにより、ネットワーク内のストリームの高可用性が保証される。
予約は、トポロジーが変更された場合であっても、適切にローカライズできるため、ストリームパスのスイッチングは、高速化される。

端末の登録と既存のトポロジー情報の使用により、送信機器（産業環境のＰＬＣなど）においてローカルにデータの順序を最適化して、メイクスパンを短縮することができる。これにより、アプリケーションサイクルの短縮が可能となる。

Ｆａｓｔ－Ｒｅｒｏｕｔｅとも称する本方法は、トポロジーナレッジ及び接続の参加機器のアナウンスに基づく。ローカルでは、新規の転送が計算され、直接応答することができる。隣接するネットワークコンポーネントへの通信は、不要である。これにより、はるかに高速のスイッチングが可能になる。

産業用ネットワークにおいてアプリケーションは、必要な接続を定義する。それにより、送信機器及び受信機器は、必要な接続識別子であるストリームＩＤを認識する。ストリーム情報を受信する前の登録により、関連情報のみが転送される。
最後に、ネットワークコンポーネントのリソースに対する要求が、より簡素なネットワークコンポーネントの使用、あるいは、ネットワーク内の複数のアプリケーションの作動のための使用、によって削減されることから、大規模なネットワークでも、より簡素且つ費用対効果の高い端末の使用が可能である。

Claims (14)

1. ＩＥＥＥ８０２．１に準拠したタイムセンシティブネットワーク規格に基づいてネットワークの予約されたパスに沿って中間のネットワーク要素によりストリームをルーティングし、このときに、前記中間のネットワーク要素により前記ネットワークにパスを構築する予約プロセスがモジュール式で行われる、方法であって、
   送信機器によるトーカーアドバタイズメッセージにおいて該送信機器の登録を前記ネットワークの第１の到達可能なネットワーク要素のみに送信し、そして該第１の到達可能なネットワーク要素で前記送信機器の前記登録を保存し、
   受信機器によるリスナーレディメッセージにおいて該受信機器の登録を第２の到達可能なネットワーク要素のみに送信し、そして該第２の到達可能なネットワーク要素で前記受信機器の前記登録を保存し、
   前記第１の到達可能なネットワーク要素及び前記第２の到達可能なネットワーク要素によりそれぞれ前記送信機器の前記登録及び前記受信機器の前記登録を前記中間のネットワーク要素へ送信し、
   前記中間のネットワーク要素により、保存されている前記送信機器の前記登録及び前記受信機器の前記登録に基づいて前記第１の到達可能なネットワーク要素と前記第２の到達可能なネットワーク要素との間のパスを予約する、ことを含み、
   前記パスの予約に必要なすべての情報が前記中間のネットワーク要素のデータベースに保存され、該データベースは、方向指定のないデータパケットを保存する中央データベースと、前記ネットワーク要素のポートごとに提供されて方向指定のあるデータパケットを保存する、送信方向及び受信方向それぞれのポートデータベースと、を含む、方法。
2. ＩＥＥＥ８０２．１に準拠したタイムセンシティブネットワーク規格に基づいてネットワークの予約されたパスに沿って中間のネットワーク要素によりストリームをルーティングし、このときに、前記中間のネットワーク要素により前記ネットワークにパスを構築する予約プロセスがモジュール式で行われる、方法であって、
   送信機器によるトーカーアドバタイズメッセージにおいて該送信機器の登録を前記ネットワークの第１の到達可能なネットワーク要素のみに送信し、そして該第１の到達可能なネットワーク要素で前記送信機器の前記登録を保存し、
   受信機器によるリスナーレディメッセージにおいて該受信機器の登録を第２の到達可能なネットワーク要素のみに送信し、そして該第２の到達可能なネットワーク要素で前記受信機器の前記登録を保存し、
   前記第１の到達可能なネットワーク要素及び前記第２の到達可能なネットワーク要素によりそれぞれ前記送信機器の前記登録及び前記受信機器の前記登録を前記中間のネットワーク要素へ送信し、
   前記中間のネットワーク要素により、保存されている前記送信機器の前記登録及び前記受信機器の前記登録に基づいて前記第１の到達可能なネットワーク要素と前記第２の到達可能なネットワーク要素との間のパスを予約する、ことを含み、
   さらに、前記受信機器による前記リスナーレディメッセージに前記受信機器の位置に関する第１の情報を含めることと、
   前記送信機器による前記トーカーアドバタイズメッセージに前記送信機器の位置に関する第２の情報を含めることと、を含み、
   前記パスの予約において、前記ネットワーク内の前記第１の情報及び前記第２の情報を用いてパス設定を実行することができる、方法。
3. 前記トーカーアドバタイズメッセージと前記リスナーレディメッセージのいずれか又は両方に、レイテンシに関して追加の情報が含まれている、請求項１に記載の方法。
4. 前記パスの予約が、保存された前記レイテンシに関する累積情報に基づいて行われる、請求項３に記載の方法。
5. 前記受信機器は、ストリームＩＤによって識別されるストリームを前記中間のネットワーク要素に登録して前記中間のネットワーク要素から追加のデータを取得することができる、請求項１に記載の方法。
6. 前記受信機器は、ストリームＩＤによって識別されるストリームを前記中間のネットワーク要素に登録して前記中間のネットワーク要素から追加登録されたデータを取得することができる、請求項１に記載の方法。
7. 前記受信機器による前記リスナーレディメッセージに前記受信機器の位置に関する第１の情報を含めることと、
   前記送信機器による前記トーカーアドバタイズメッセージに前記送信機器の位置に関する第２の情報を含めることと、をさらに含み、
   前記パスの予約において、前記ネットワーク内の前記第１の情報及び前記第２の情報を用いてパス設定を実行することができる、請求項１に記載の方法。
8. 前記パスの予約に必要なすべての情報が前記中間のネットワーク要素のデータベースに保存され、該データベースは、方向指定のないデータパケットを保存する中央データベースと、前記ネットワーク要素のポートごとに提供されて方向指定のあるデータパケットを保存する、送信方向及び受信方向それぞれのポートデータベースと、を含む、請求項２に記載の方法。
9. 前記トーカーアドバタイズメッセージと前記リスナーレディメッセージのいずれか又は両方に、レイテンシに関して追加の情報が含まれている、請求項２に記載の方法。
10. 前記パスの予約が、保存された前記レイテンシに関する累積情報に基づいて行われる、請求項９に記載の方法。
11. 前記受信機器は、ストリームＩＤによって識別されるストリームを前記中間のネットワーク要素に登録して前記中間のネットワーク要素から追加のデータを取得することができる、請求項２に記載の方法。
12. 前記受信機器は、ストリームＩＤによって識別されるストリームを前記中間のネットワーク要素に登録して前記中間のネットワーク要素から追加登録されたデータを取得することができる、請求項２に記載の方法。
13. ＩＥＥＥ８０２．１に準拠したタイムセンシティブネットワーク規格に基づいてネットワークの予約されたパスに沿ってストリームをルーティングし、このときに、前記ネットワークにパスを構築する予約プロセスがモジュール式で行われる、装置であって、
    送信機器によるトーカーアドバタイズメッセージにおいて該送信機器の登録を前記ネットワークの第１の到達可能なネットワーク要素のみに送信し、そして該第１の到達可能なネットワーク要素で前記送信機器の前記登録を保存し、
    受信機器によるリスナーレディメッセージにおいて該受信機器の登録を第２の到達可能なネットワーク要素のみに送信し、そして該第２の到達可能なネットワーク要素で前記受信機器の前記登録を保存し、
    前記第１の到達可能なネットワーク要素及び前記第２の到達可能なネットワーク要素によりそれぞれ前記送信機器の前記登録及び前記受信機器の前記登録を中間のネットワーク要素へ送信し、
    前記中間のネットワーク要素により、保存されている前記送信機器の前記登録及び前記受信機器の前記登録に基づいて前記第１の到達可能なネットワーク要素と前記第２の到達可能なネットワーク要素との間のパスを予約する、ように構成され、
    前記パスの予約に必要なすべての情報が前記中間のネットワーク要素のデータベースに保存され、該データベースは、方向指定のないデータパケットを保存する中央データベースと、前記ネットワーク要素のポートごとに提供されて方向指定のあるデータパケットを保存する、送信方向及び受信方向それぞれのポートデータベースと、を含む、装置。
14. ＩＥＥＥ８０２．１に準拠したタイムセンシティブネットワーク規格に基づいてネットワークの予約されたパスに沿ってストリームをルーティングし、このときに、前記ネットワークにパスを構築する予約プロセスがモジュール式で行われる、装置であって、
    送信機器によるトーカーアドバタイズメッセージにおいて該送信機器の登録を前記ネットワークの第１の到達可能なネットワーク要素のみに送信し、そして該第１の到達可能なネットワーク要素で前記送信機器の前記登録を保存し、
    受信機器によるリスナーレディメッセージにおいて該受信機器の登録を第２の到達可能なネットワーク要素のみに送信し、そして該第２の到達可能なネットワーク要素で前記受信機器の前記登録を保存し、
    前記第１の到達可能なネットワーク要素及び前記第２の到達可能なネットワーク要素によりそれぞれ前記送信機器の前記登録及び前記受信機器の前記登録を中間のネットワーク要素へ送信し、
    前記中間のネットワーク要素により、保存されている前記送信機器の前記登録及び前記受信機器の前記登録に基づいて前記第１の到達可能なネットワーク要素と前記第２の到達可能なネットワーク要素との間のパスを予約する、ように構成され、
    さらに、前記受信機器による前記リスナーレディメッセージに前記受信機器の位置に関する第１の情報を含め、前記送信機器による前記トーカーアドバタイズメッセージに前記送信機器の位置に関する第２の情報を含めるように構成され、
    前記パスの予約において、前記ネットワーク内の前記第１の情報及び前記第２の情報を用いてパス設定を実行することができる、装置。