JP7419872B2 - Ｔｓｎネットワーク接続方式、ｔｓｎネットワーク接続方法 - 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接続に関する。

現在、非特許文献１のＴＳＮと呼ばれるイーサネット（登録商標）規格が「ＩＥＥＥ８０２．１」にて策定中である。ＴＳＮによれば各通信機器は、非特許文献２に示すＰＴＰ（Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｔｉｍｅ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ）の時刻同期を行い、時分割された期間中に送受信を実行する。

なお、ＴＳＮの規格は、例えば自動車などの車内および車外の通信や証券の高速取引、測定機器の通信、ロボット、産業用機器の制御、監視制御システムなどに適用できる。

"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＞

ＴＳＮでは、前述のように各通信機器は時刻同期により同期したタイミングで、時分割された期間のスケジュールに従って通信する。ところが、大きなネットワークは伝送距離が長いため、遅延により大きな影響を受けてしまう。

特に自動車など車内ネットワークであれば伝送距離は１０ｍ以内で伝送遅延は無視できるほど小さいが、監視制御システムなどで伝送距離が合計２０ｋｍあると伝送遅延が「１０μｓｅｃ」となるため、時分割された期間は「１０μｓｅｃ」遅れても問題が生じないように調整しなければならない。

このとき時分割の期間を長くすれば前記スケジュールが一周する時間が長くなり、ネットワークシステムの応答性が低下するおそれがある。また、フレームの受信まで待たなければならず、伝送回線に対する伝送効率が低下するおそれがある。

また、遠方の離れた拠点が追加されると伝送距離、台数、ネットワーク構造に合わせて、ネットワーク全体に合うようにＴＳＮのスケジュールを設計しなければならないが状況によっては困難な場合が多い。
さらに重要なシステムは伝送路に冗長性を持たせることがあり、別ルートに迂回したときに対応できなければならず、スケジュールの設計が煩雑となってしまう。

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、伝送距離の長いネットワークについてＴＳＮのスケジュールを簡単に作成することを解決課題としている。

（１）本発明の一態様は、ＴＳＮによりネットワークを拠点毎に時分割して伝送するネットワーク接続方式であって、
前記時分割された拠点間に中継装置を配置し、前記拠点のＴＳＮスケジュールに応じて送信元からの伝送を前記中継装置にて遅延させ、
前記送信先の前記スケジュールのタイミングに一致させることを特徴としている。

（２）本発明の他の態様は、ＴＳＮによりネットワークを拠点毎に時分割し、時分割された拠点間に中継装置を配置して伝送するネットワーク接続方法であって、
前記拠点のＴＳＮスケジュールに応じて送信元からの伝送を前記中継装置にて遅延させ、
前記送信先の前記スケジュールのタイミングに一致させることを特徴としている。

本発明によれば、伝送距離の長いネットワークのＴＳＮのスケジュールを簡単に作成することが可能となる。

（ａ）は伝送時間が短い場合における伝送距離とＴＳＮスケジュールとの関係を示す説明図、（ｂ）は伝送時間が長い場合における伝送距離とＴＳＮスケジュールとの関係を示す説明図。 大きいネットワークのＴＳＮスケジュールが長くなることを示す説明図。 （ａ）は拠点間に中継装置を配置した状態のネットワーク構成図、（ｂ）は（ａ）の中継装置による遅延を示す模式図。 （ａ）は従来の送信元から送信先へ送信する際の伝送データの経路図、（ｂ）は本実施形態の同伝送データの経路図。 （ａ）は従来の時分割されたスケジュールを示す説明図、（ｂ）は実施例１の時分割されたスケジュールを示す説明図。 実施例２により隣接拠点と時分割スケジュールを半分ずらした場合の中継装置による遅延を示す説明図。

以下、本発明の実施形態に係るＴＳＮネットワーク接続方式（方法）を説明する。ここでは遠方の離れた拠点が複数存在するときにネットワークシステム全体でＴＳＮのスケジュールを設計することは困難ため、各拠点内にてＴＳＮの時分割された期間（時間）内でスケジュール設計する。

また、拠点間は、ＰＴＰ時刻同期によりＴＳＮの時分割された通信とし、伝送路上にタイミング調整するための中継装置（スイッチングハブ：Ｌ２スイッチ）を用意する。

例えば時分割が「５００μｓｅｃ」で一周するスケジュールのときに、拠点間の伝送距離が「１０ｋｍ」あると「５０μｓｅｃ」遅れによってスケジュールが一致しない。そこで遠方のとき「５００μｓｅｃ―５０μｓｅｃ＝４５０μｓｅｃ」遅らせて次のスケジュールに一致させる。

各拠点のＴＳＮのスケジュールは完全に同じ内容であり、次のスケジュールに一致するように遅延させている。

例えば図１（ａ）に示すように、ＨＵＢ－Ａ，Ｂ間の伝送では、伝送遅延よりもスケジュールの期間を長くしないと期間中に受信が完了しないおそれがある。

そのため、図１（ｂ）に示すように、ＨＵＢ－Ａ，Ｂ間の伝送時間が長い場合には、伝送遅延が長いため、スケジュールの期間も長くなる。なお、拠点間の伝送遅延が極端に大きい場合には次のスケジュールではなく、さらにその次のスケジュールに合わせる場合もありうる。

また、図２に示すように、ＨＵＢ-Ａから送信されたフレームはネットワークの構成と距離によりバラバラなタイミングで受信する。そのためＴＳＮのスケジュールは一番長い経路を考慮して、スケジュールは長くなり、応答性の低下と、伝送効率の低下となる。

拠点間で次のスケジュールに合わせて遅延させるとしても、スケジュールが一周する時間が長ければ応答性が大きく低下する。そのため、隣接する拠点の開始タイミングを「ＴＳＮスケジュール一周の時間」の半分ずらす手法を採用し、中継装置の遅延時間を削減して応答性を向上させる。なお、開始タイミングをスケジュール一周の半分としたのは、逆方向の通信も同様に動作させるためである。

ここまでは各拠点のスケジュールは同一であり、中継装置では遅延させてタイミング調整するだけである。ネットワークのシステムによっては複雑な仕様により複数の異なるスケジュールを結合する場合がある。このとき中継装置は、相手側のスケジュールに応じてフレームの送信順序と送信タイミングとを再構成しなければならない。この再構成時には伝送距離による伝送遅延を考慮した遅延処理が同様に必要となる。以下、前記接続方式を具体的に説明する。

≪構成例≫
図３基づき前記接続方式の構成例を説明する。ここでは各拠点間に通信装置として中継装置を設置する。図３（ａ）中の破線Ｐ内を拠点とし、各拠点内中継装置１が設置され、端末２間のフレーム送受信を中継している。

ここで各拠点内の伝送距離（中継装置１・端末２間）は、それぞれ短いのでＴＳＮスケジュールは短い。一方、拠点間の伝送距離は長いため、中継装置１が隣接する拠点のＴＳＮネットワークに応じて遅延処理を行う。

この点を図３（ｂ）に基づき説明する。ここでは拠点―Ａから送信されたスケジュールによる期間が時間経過により拠点―Ｂ、拠点―Ｃに到達する状況を示している。この四角い箱はスケジュールが一周している時間である。
拠点Ａ－Ｂ間の距離が長いため拠点Ａは矢印Ｓの時間だけ遅らせて送信すると、伝送距離により矢印Ｔだけ遅れてＴＳＮスケジュール２個分の位置に一致させることができる。

拠点－Ｂの中継装置１は、自己のＴＳＮスケジュールに合致した時期にフレームを受信して、同様に拠点－Ｃの中継装置への送信も遅延させて送信することができる。

（１）中継装置１の構成例
図４に基づき中継装置１の構成例を説明する。図４（ａ）はＴＳＮに対応した一般的なＨＵＢであり、送信元の装置（端末）２から送信先の装置（端末）２にフレーム送信する際、中継装置１により中継される伝送経路の機構を示している。

ここでは装置２の「ＯＳとＬＡＮ機構」２ｂは、送受信データを格納する比較的大容量のバッファを備えている。その一方で中継装置１０のバッファ１０ａは、通信速度に対して小さいため、送受信データを長期間保持できない。そのため、中継装置１０に送られたフレームは、すぐに転送できる状態になければならない。

この点でネットワークの帯域制御は、バッファに余裕のある送信元の端末２にてフレームが滞りなく流れるタイミングで送信しなければならない。ただし、伝送距離による遅延が生じると、時分割された期間が一致しなくなってしまう。その結果、中継装置１０がフレーム送信できず、バッファ１０ａに溜め込んで、バッファ１０ａがパンクするおそれがある。

これに対して図４（ｂ）の中継装置（Ｈｕｂ）１は、ＣＰＵ１ａ（ＦＰＧＡでもよい。）などの機構により大きなメモリ１ｂを格納することでバッファ１ｃの容量を増大させ、長時間の送信待機を実現させた。これにより中継装置１は、送信先の装置（端末）２の時分割された期間と一致させるように遅延処理が可能である。

（２）中継装置１の通信処理
中継装置１は、主に次の通信処理（Ｓ０１～Ｓ０７）を実行する。

Ｓ０１：各中継装置１は、フレームを格納して転送する（初期状態では遅延させていない。）。

Ｓ０２：通信相手（スレーブ側）からＰＴＰフレームによる伝送遅延時間の測定を受信して処理する。これにより通信相手の通信機器は、当該伝送路の伝送遅延を測定して時刻補正を実行するが、中継装置１が伝送遅延の結果を取得することはできない。

Ｓ０３：通信相手（マスター側）から「Ｓｙｎｃ」メッセージのＰＴＰフレームを受信しても転送しない。すなわち、他のポートに時刻を配信する必要があるが、他のポートの伝送遅延を測定していないため、時刻同期の補正ができず転送することができない。

Ｓ０４：各中継装置１は、該当ポートに対してＰＴＰフレームを使い伝送遅延時間を測定する。また、その伝送時間を記録する。この記録データはＴＳＮのスケジュールを合わせるための遅延調整に使用する。

Ｓ０５：前記伝送遅延の測定値に基づきＴＳＮスケジュールを合わせるため、中継装置１の遅延時間を式１～５により算出する。

・各拠点のＴＳＮスケジュールが同一で同じタイミングの場合
式１：［倍率］＝［伝送遅延］÷［ＴＳＮスケジュールの一周の時間］（小数点以下、切り捨て）
式２：［中継装置の遅延時間］＝［ＴＳＮスケジュールの一周の時間］×（［倍率］＋１）－［伝送遅延］
・隣接拠点のＴＳＮスケジュールの開始タイミングが、ＴＳＮスケジュールの一周の半分ずれている場合
式３：［半分］＝［ＴＳＮスケジュールの一周の時間］÷２
式４：［倍率］＝（［伝送遅延］＋［半分］）÷［ＴＳＮスケジュールの一周の時間］（小数点以下、切り捨て）
式５：［中継装装置１の遅延時間］＝［ＴＳＮスケジュールの一周の時間］×［倍率］＋［半分］－［伝送遅延］
Ｓ０６：中継装置１の各ポートにおいて算出された遅延時間分をＴＳＮスケジュールの開始タイミングに遅延させて送信する。

Ｓ０７：ＰＴＰ時刻同期のフレームを受信すれば応答又は時刻の配信を行う。
ＰＴＰフレームは、スケジュールに合わせて送信する場合とスケジュールを無視して送信する方法がある。スケジュールに合わせて送信するとＳｙｎｃフレームが中継装置内で待ちとなりＰＴＰにより補正される。しかし、スケジュールが長いと待ち時間も長く、中継装置にある水晶などの精度の影響を受けてしまい時刻同期に影響を与えてしまう。そのためスケジュールに合わせて時刻同期するべきかは状況による。誤差を考慮してＰＴＰフレームをスケジュールに合わせない方法ではＴＳＮスケジュール設計にてＰＴＰフレームが混入しても問題がないように時間的な余裕が必要である。

≪実施例≫
ＴＳＮによる時分割は、近距離であれば伝送遅延による影響は無視できる。ところが伝送距離が長く高い応答性を必要とするネットワークシステムのとき伝送遅延により応答性が低下する。この伝送距離による遅延は物理的な現象なため、回避できず、ＴＳＮの時分割スケジュールを改善する。

伝送距離の大きいネットワークのシステム全体をＴＳＮによるスケジュールで調整するのは不可能で難しい。そこで、前述のように拠点内は短距離にて伝送距離の影響が小さいとみなす一方、拠点間は中継装置１によりＴＳＮのスケジュールに合わせる方法を採用した。ここでは中継装置１の遅延処理により相手側（送信先の端末２）の次のＴＳＮスケジュールに一致させる。

このとき次の問題Ａ，Ｂを解決する必要がある。
（Ａ）拠点間の伝送遅延時間を計算しないと、中継装置１を遅延させる時間（遅延時間）を算出できない。
（Ｂ）中継装置１は遅延処理をするが、複数のグランドマスター（ＧＭ）によるＰＴＰ時刻同期の配信を妨害しないこと。

まず、（Ａ）伝送遅延については、最初に中継装置１の遅延処理を行うことなく、拠点間の伝送路の遅延時間を時刻同期プロトコル（ＰＴＰ）にて測定することで対処できる。例えば最小「Ｍｅａｎｐａｔｈ（経路通過時間）」と現在の「Ｍｅａｎｐａｔｈ」との差を伝送遅延としてもよい。ここで「Ｍｅａｎｐａｔｈ」は、マスター・スレーブ間の往路と復路の平均伝送時間として算出されている。

つぎに（Ｂ）のＰＴＰ時刻配信については、前述の遅延時間の測定後にＧＭからの時刻配信を中継装置１にて伝送遅延（遅延時間）を補正して送信することでＰＴＰ時刻同期を可能とする。その後、中継装置１は測定された伝送遅延（遅延時間）に基づき隣接する拠点の次のスケジュールに一致するように遅延処理すればよい。

中継装置１が遅延処理しているときもＰＴＰ時刻同期は正しく動作できなければならいため、ＰＴＰフレームの遅延処理後の実際に送信されるタイミングに応じてタイムスタンプや時刻補正を調整する。この処理によりＰＴＰ時刻同期は、自装置１および相手側（送信先の端末２，ＧＭなど）で正しく処理される。

（１）実施例１
図５に基づき実施例１を説明する。ここでは時分割された拠点―Ａ～Ｃの時分割スケジュールおよび中継装置１の遅延時間について説明する。また、図５中では、各拠点―Ａ～Ｃの時分割スケジュールは、期間Ａ～Ｃの繰り返しとする。

図５（ａ）は、従来の中継装置１０を拠点－Ａ～Ｃに設置した場合の時分割スケジュールを示している。拠点－Ａの中継装置１０の期間Ｂより送信されると伝送遅延により矢印Ｈだけ遅れて拠点―Ｂへ到達する。

このとき拠点―Ｂの中継装置１０では期間Ｃのフレームを送受信中なため、拠点―Ｃへ転送できない。すなわち、次の期間Ｂとなればフレームを送信できるものの、拠点―Ａからのフレームを受信しても矢印Ｉの期間は送信待ちの状態となり、バッファ１０ａに保持しなければならなくなる。

これに対して図５（ｂ）は、中継装置１を拠点－Ａ～Ｃに設置した実施例１の時分割スケジュールを示している。ここでは拠点―Ａの中継装置１は、矢印Ｋの期間だけ期間Ｂのフレーム送信を遅延させることにより、送信先の拠点―Ｂの期間Ｂに一致させて送信する。

その結果、拠点―Ｂの中継装置１は、矢印Ｌに示すように、同じ期間Ｂにフレームを受信することができ、これにより受信フレームを直ちに拠点―Ｃの中継装置１に転送すること可能となる。

ただし、図５（ｂ）中、拠点―Ｂの中継装置は次の拠点―Ｃへ転送するため、矢印Ｍに示す期間の遅延処理を実行している。これにより矢印Ｎに示すように、拠点―Ｃの期間Ｂに一致させてフレームを送信することができる。このような実施例１の遅延処理によれば、次の作用効果を得ることができる。

（Ａ）ＴＳＮによる時分割された期間のスケジュールは、ネットワーク全体で調整する必要がある。ところが、様々な距離の複雑なネットワークについてＴＳＮのスケジュールを設計することは難しい。

そこで、伝送距離の短い拠点内の通信をＴＳＮにて設計する一方、拠点間には中継装置１を設置して対応させることで解決を図っている。このとき拠点間の通信は、中継装置１が遅延処理して相手側（送信先の拠点）のＴＳＮスケジュールに合わせる。

したがって、システム全体でＴＳＮスケジュールを調整する必要がなく、スケジュールの作成が簡略される。これによりＴＳＮスケジュールを簡単に設計でき、また複雑度が低下してトラブルを回避することができ、この点で伝送距離の長いネットワークシステムにもＴＳＮを適用可能となる。

（Ｂ）長い伝送距離によりＴＳＮの時分割の期間を長くする必要はなく、ＴＳＮのスケジュールが一周する時間が短くなる。このとき応答性は中継装置１の遅延処理の影響はあるものの、中継装置１を使用しない場合と比較すれば、応答性は改善されている。この点で応答性が確保される効果が得られる。

（Ｃ）長い伝送距離によりＴＳＮ時分割の期間を長くすると、図５（ａ）のようにフレーム送信待ちの状態が生じ易く、伝送距離が長くなるに従い伝送効率が低下する。すなわち、ＴＳＮは高負荷でも帯域制御にて安全に通信可能な利点があるものの、伝送距離が長くなるに従い負荷を下げる必要がある。

この点につき本実施例は、前述のように伝送距離の短い拠点内の通信をＴＳＮにて設計し、あとは中継装置１に対応させるので、時分割の期間は短いままでよく、伝送効率の低下は小さい。

（Ｄ）最初は中継装置１による遅延処理を行うことなく、拠点間の伝送路の遅延時間を時刻同期プロトコル（ＰＴＰ）にて測定する。また、遅延時間の測定後にＧＭからの時刻配信を中継装置１にて伝送遅延を補正して送信して時刻同期を可能とする。その結果、ＰＴＰ時刻同期に影響を与えることなく、ＰＴＰ時刻同期を利用して伝送路の遅延時間を測定することが可能となる。

（２）実施例２
図６に基づき実施例２を説明する。実施例１は各拠点―Ａ～Ｃにおいて同じタイミングでスケジュールを動作させているが、隣接する拠点にとっては次の周期となるので、拠点間の通信の応答性が悪化するおそれがある。

そこで、実施例２において、中継装置１は隣接する拠点とスケジュールの周期を半分ずらしてフレームの送信を開始させる。図６中では、拠点－Ｂのスケジュールを拠点－Ａ，Ｃのスケジュールと周期の半分の期間分、即ち矢印Ｒの期間分ずらしている。

このとき中継装置１は、矢印Ｑ間の期間だけ遅延させれば隣接する拠点―Ｂの同じ期間Ｂに一致させて送信することができる。また逆方向の送信、即ち拠点―Ｃから拠点Ｂへの送信も同様にずれているので、遅延時間が短縮され、通信の応答性が向上する。

したがって、実施例２は、ＴＳＮの時分割スケジュールが一周する長いネットワークシステムに特に有効である。すなわち、前記長いネットワークシステムは、実施例１のように次の時分割スケジュールに調整すると中継装置１の遅延時間が大きくなり応答性が低下する。この点を解消するため、実施例２では、隣接する拠点の開始タイミングを［ＴＳＮの時分割スケジュール一周の期間（時間）］の半分をずらし、中継装置の遅延時間を削減し、応答性の向上を図っている。なお、隣接拠点間の時分割スケジュールが半分ずれていれば、逆方向の通信も同様に遅延させることで半分の時間で調整することが可能となる。

１…中継装置
１ａ…ＣＰＵ
１ｂ…メモリ
１ｃ…バッファ
１ｄ…ＰＨＹ
２…端末（装置）
２ａ…アプリケーションソフトウェア
２ｂ…ＯＳとＬＡＮ機構
２ｃ…ドライバとＬＡＮチップ

Claims (6)

1. ＴＳＮ（Ｔｉｍｅ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ Ｎｅｔｗｏｒｋｉｎｇ）によりネットワークの拠点間毎に時分割して伝送するネットワーク接続方式であって、
   前記各拠点内にそれぞれ中継装置を設置し、前記拠点のＴＳＮスケジュールに応じて送信元からの伝送を前記中継装置にて遅延させ、
   送信先の前記スケジュールの伝送開始タイミングに一致させることを特徴とするＴＳＮネットワーク接続方式。
2. 前記中継装置の記憶装置に伝送データを格納することで前記遅延を生成することを特徴とする請求項１記載のＴＳＮネットワーク接続方式。
3. 前記スケジュールが、
   時分割された期間内に一周する長いネットワークシステムについては、
   隣接する前記拠点間で前記中継装置の伝送開始タイミングが、［前記スケジュールの一周の時間］の半分ずらされている
   ことを特徴とする請求項１または２記載のＴＳＮネットワーク接続方式。
4. 前記中継装置の遅延時間は、
   前記中継装置が送信元と送信先との間の伝送遅延を測定することを前提として、
   前記各拠点の前記スケジュールが同一で同じタイミングの場合には、式１，２で算出される
   式１：［倍率］＝［伝送遅延］÷［ＴＳＮスケジュールの一周の時間］（小数点以下、切り捨て）
   式２：［中継装置の遅延時間］＝［ＴＳＮスケジュールの一周の時間］×（［倍率］＋１）－［伝送遅延］
   ことを特徴とする請求項１または２記載のＴＳＮネットワーク接続方式。
5. 前記中継装置の遅延時間は、
   前記中継装置が送信元と送信先との間の伝送遅延を測定することを前提として、
   伝送遅延測定することを前提として、
   隣接拠点のＴＳＮスケジュールの開始タイミングがＴＳＮスケジュールの一周の半分ずれている場合には、式３～５で算出される
   式３：［半分］＝［ＴＳＮスケジュールの一周の時間］÷２
   式４：［倍率］＝（［伝送遅延］＋［半分］）÷［ＴＳＮスケジュールの一周の時間］（小数点以下、切り捨て）
   式５：［集計装置の遅延時間］＝［ＴＳＮスケジュールの一周の時間］×［倍率］＋［半分］－［伝送遅延］
   ことを特徴とする請求項３記載のＴＳＮネットワーク接続方式。
6. ＴＳＮ（Ｔｉｍｅ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ Ｎｅｔｗｏｒｋｉｎｇ）によりネットワークの拠点毎に時分割して伝送するネットワーク接続方法であって、
   前記各拠点内にそれぞれ中継装置を設置し、前記拠点のＴＳＮスケジュールに応じて送信元からの伝送を前記中継装置にて遅延させ、
   送信先の前記スケジュールの伝送開始タイミングに一致させることを特徴とするＴＳＮネットワーク接続方法。
   

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