WO2015075959A1 - 中継装置および通信ネットワーク - Google Patents

Abstract

　本発明は、通信ネットワークを形成する中継装置（レイヤ２スイッチ２０）であって、フレームを送受信する複数の通信ポート２１₁，２１₂，…，２１_nと、通信ネットワークを形成している通信装置から通信ネットワーク内へ定期的に送信される制御フレームの受信頻度を通信ポート毎に監視し、受信頻度が閾値を超過した状態の通信ポートに対してフレームの送受信動作を停止するよう指示するループ検出部２２と、を備える。

Description

中継装置および通信ネットワーク

　本発明は、通信ネットワークを形成している通信装置の間で送受信されるフレームを中継する中継装置に関する。

　近年、産業分野においてもイーサネット（登録商標）化が進み、製造現場ではＰＬＣ（Programmable　Logic　Controller）、インバータ、センサ等のＦＡ（Factory　Automation）機器を結ぶ通信ネットワーク（以下、ＦＡネットワーク）が構築されている。ＦＡネットワークでは、リアルタイム性が要求されるＦＡ機器間をイーサネットで接続し、制御することが一般的である。イーサネットをベースとしたＦＡネットワークとしては、ＣＣ－Ｌｉｎｋ　ＩＥ（登録商標）が知られている。

　ＣＣ－Ｌｉｎｋ　ＩＥでは、制御側の通信装置（以下、マスタ）と制御対象となる通信装置（以下、スレーブ）の間をイーサネットで接続し、マルチキャスト通信を用いたトークンパッシング方式にて通信を行う（例えば、特許文献１）。

　特許文献１に記載の通信システムによれば、マスタは、制御対象であるスレーブに対して、ネットワーク存在確認フレーム（以下、ＴｅｓｔＤａｔａ）を定期的にブロードキャストで送信し、スレーブからの応答であるＴｅｓｔＤａｔａＡｃｋに含まれるスレーブの接続情報から新規接続端末の検出とトークン巡回路の設定を行う。

　マスタは、トークン巡回路を決定した後、スレーブに対してトークンの送信先を通知する。マスタは、トークン巡回路をスレーブに通知後、自身のデータとトークンをマルチキャストで送信する。マルチキャストで送信されたトークンには、次に送信権が与えられるスレーブのＭＡＣ（Media　Access　Control）アドレスが格納されている。自身宛のトークンを受信したスレーブは、自身が送信権を得たことを認識し、必要に応じてデータを送信した後に次のスレーブにトークンをマルチキャストで送信する。ＣＣ－Ｌｉｎｋ　ＩＥでは、マスタがトークンを送信してからマスタが自身宛のトークンを受け取るまでの時間が予め設定した時間内に収まるように制御する。この一連の処理を繰り返し、マスタとスレーブは周期的に通信（以下、サイクリック通信）を実施する。

　また、レイヤ２スイッチ等の中継装置に様々なＦＡ機器を接続して構成されるＦＡネットワークでは、人為的なミス等で通信経路が誤って接続され、ループ経路が形成される可能性がある。ＦＡネットワークでは、ループ経路が形成され、ストームが発生することでネットワークの運用に支障をきたす。ストームとは、ブロードキャストフレームやマルチキャストフレームの転送、複製処理がループ経路上で無限に繰り返され、ネットワークの帯域を圧迫することである。ＦＡネットワークでは、高い信頼性が要求されているため、自律的にループ経路を検出して解消する機構が重要となる。

　従来のイーサネットにおけるループ経路の検出方式として、独自に定義したループ検出用の試験フレームを定期的に送信し、自身が送信した試験フレームを受信することでループ経路を検出する方式が提案されている（例えば、特許文献２）。

特許第５０８４９１５号公報 特開２０１２－４４３８４号公報

　しかしながら、ＣＣ－Ｌｉｎｋ　ＩＥでは、通信端末がループ経路を検出し、ネットワーク管理者が介在することなく、ループ経路を解消する手段がないという問題があった。

　また、特許文献２に記載されている、自身が送信した試験フレームを受信することでループを検出する技術をＣＣ－Ｌｉｎｋ　ＩＥに適用した場合、試験フレームと遅延に敏感なＣＣ－Ｌｉｎｋ　ＩＥの制御フレームが衝突しないように試験フレームの送信タイミングを調整する必要がある。また、独自に定義した試験フレームを用いた場合、セキュリティの観点から通信端末で転送時に廃棄されてしまう可能性がある。

　本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ＣＣ－Ｌｉｎｋ　ＩＥにおいて、簡単な構成で容易にループ経路を検出するとともに、自律的にループ経路を解消する中継装置、および通信ネットワークを得ることを目的とする。

　上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、通信ネットワークを形成する中継装置であって、フレームを送受信する複数の通信ポートと、前記通信ネットワークを形成している通信装置から前記通信ネットワーク内へ定期的に送信される制御フレームの受信頻度を通信ポート毎に監視し、前記受信頻度が閾値を超過した状態の通信ポートに対してフレームの送受信動作を停止するよう指示する受信頻度監視手段と、を備えることを特徴とする。

　本発明にかかる中継装置によれば、ループ経路を容易に検出できるとともに、自律的にループ経路を解消することができる、という効果を奏する。

図１は、本発明にかかる通信ネットワークの一例を示す図である。 図２は、レイヤ２スイッチの構成例を示す図である。 図３は、実施の形態１のレイヤ２スイッチの動作例を示す図である。 図４は、実施の形態２のレイヤ２スイッチの動作例を示す図である。 図５は、実施の形態２のレイヤ２スイッチの動作例を示す図である。 図６は、実施の形態３の通信ネットワークの一例を示す図である。

　以下に、本発明にかかる中継装置および通信ネットワークの実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
　図１は、本発明にかかる通信ネットワークとしてのＣＣ－Ｌｉｎｋ　ＩＥネットワークの一例を示す図である。ＣＣ－Ｌｉｎｋ　ＩＥネットワークでは、複数の通信端末がイーサネットによってライン状又はスター状に接続された同一セグメントのネットワークによって構成される。

　図１に示した通信ネットワークは、マスタとして動作する通信端末１０Ｘと、スレーブとして動作する複数の通信端末１０Ａから１０Ｄと、中継装置であるレイヤ２スイッチ２０とを含んで構成されている。通信端末１０（通信端末１０Ｘ，１０Ａから１０Ｄ）は、２つの通信ポートを有し、通信端末１０の通信ポートは、ＬＡＮ（Local　Area　Network）ケーブルを介して他の通信端末１０の通信ポートまたはレイヤ２スイッチの通信ポートと接続される。通信端末１０は、ＦＡ（Factory　Automation）機器に接続されるか、ＦＡ機器に内蔵され、ＦＡ機器の制御情報やデータを他の通信端末１０との間で送受信する。

　図１に例示した通信ネットワークにおいては、通信端末１０Ｘの第１の通信ポート（Ｐｏｒｔ＿Ｘ１）と通信端末１０Ａの第２の通信ポート（Ｐｏｒｔ＿Ａ２）が接続され、通信端末１０Ｘの第２の通信ポート（Ｐｏｒｔ＿Ｘ２）と通信端末１０Ｂの第１の通信ポート（Ｐｏｒｔ＿Ｂ１）が接続されている。通信端末１０Ｂの第２の通信ポート（Ｐｏｒｔ＿Ｂ２）はレイヤ２スイッチ２０に接続されている。通信端末１０Ｃの第１の通信ポート（Ｐｏｒｔ＿Ｃ１）はレイヤ２スイッチ２０に接続され、通信端末１０Ｄの第１の通信ポート（Ｐｏｒｔ＿Ｄ１）はレイヤ２スイッチ２０に接続されている。

　本実施の形態の通信ネットワークにおいては、ＣＣ－Ｌｉｎｋ　ＩＥのマスタである通信端末１０Ｘから定期的に送信されているネットワーク存在確認フレーム（ＴｅｓｔＤａｔａ）の流量を監視し、単位時間当たりのＴｅｓｔＤａｔａ受信数が閾値を超過した場合にループ経路の発生と判定する機構をレイヤ２スイッチ２０などの中継装置に具備する。ここで、ネットワーク存在確認フレームとは、トークン巡回路に登録されていない新規端末を検出するためにマスタである通信端末１０Ｘから定期的に送信されるフレームである。

　図２は、レイヤ２スイッチ２０の構成例を示す図である。図２に示したように、レイヤ２スイッチ２０は、複数の通信ポート２１（通信ポート２１₁から２１_n）と、受信頻度監視手段として動作するループ検出部２２と、フレーム中継部２３とを備えている。

　ループ検出部２２は、各通信ポート２１で受信されたフレームを一旦受け取り、受信したフレームがネットワーク存在確認フレーム（ＴｅｓｔＤａｔａフレーム）か否かを判別するとともに、当該フレームの受信頻度（単位時間当たりのＴｅｓｔＤａｔａフレーム受信数）を通信ポート２１ごとに算出する。ＴｅｓｔＤａｔａフレームの受信頻度が予め設定されている閾値を超過した場合はループ経路が形成されたと判断する。各通信ポート２１から受け取ったフレームはフレーム中継部２３へ出力する。

　フレーム中継部２３は、ＭＡＣアドレスと通信ポート２１の対応関係を示したテーブル（ＭＡＣアドレステーブル）を管理しており、各通信ポート２１が受信したフレームをループ検出部２２経由で受け取ると、その宛先のＭＡＣアドレスと対応付けられている通信ポート２１へフレームを出力する。ＴｅｓｔＤａｔａフレームなどのブロードキャストされたフレームを受け取った場合、当該フレームを受信した通信ポート２１を除く全ての通信ポート２１へフレームを出力する。

　次にレイヤ２スイッチ２０の全体動作について説明する。一例として、図３に示した構成の通信ネットワークにおける動作を説明する。図３は、レイヤ２スイッチ２０の延伸先にループ経路が形成された場合の一例を示す図である。図３に示した通信ネットワークは、マスタである通信端末１０Ｘとスレーブである通信端末１０Ａが、レイヤ２スイッチ２０およびハブ（ＨＵＢ）３０を介して接続された構成となっている。レイヤ２スイッチ２０の通信ポート２１₁にハブ３０が接続され、ハブ３０と通信端末１０Ａの間でループ経路が構成されているものとする。なお、ハブ３０は、フレームを受信すると、受信した通信ポート以外の全通信ポートに対してフレームを転送する。

　図３に示した構成の通信ネットワークの場合、通信端末１０Ｘが送信したＴｅｓｔＤａｔａフレームは、ループ経路上で転送と複製が繰り返される。その結果、レイヤ２スイッチ２０の通信ポート２１₁では、単位時間当たりのＴｅｓｔＤａｔａフレームの受信数が予め設定した閾値を超過することになり、ループ検出部２２はループ経路の存在を検出する。また、ループ検出部２２は、ループ経路を検出すると、検出した通信ポート２１₁を閉塞する。すなわち、ループ検出部２２は、ループ経路を検出した通信ポート２１₁に対してフレームの送受信を行わないように指示し、この指示を受けた通信ポート２１₁は、フレームの送受信動作を停止する。これによりループ経路がＣＣ－Ｌｉｎｋ　ＩＥネットワークから切り離される。

　なお、レイヤ２スイッチ２０においてはループ検出部２２とフレーム中継部２３を別構成としたが、ループ検出部２２の機能をフレーム中継部２３が有する（フレーム中継部２３がループ検出を行う）構成としてもよい。

　また、ループ検出部２２は単位時間あたりのＴｅｓｔＤａｔａフレームの受信数と閾値の比較結果に基づいてループ経路の有無を判定することとしたが、各通信ポートにおけるＴｅｓｔＤａｔａフレームの受信数同士を比較することにより判定することも可能である。すなわち、ＴｅｓｔＤａｔａフレームの受信数のバラツキが大きい場合、受信数が多いものはループ経路の発生が原因と判断することができる。例えば、通信ポート＃１から＃３がある場合に、通信ポート＃２でのＴｅｓｔＤａｔａフレーム受信数が通信ポート＃１や＃３での受信数よりも多い場合、ループ経路発生と判断し、通信ポート＃２を閉塞するようにしてもよい。

　ＴｅｓｔＤａｔａフレームを利用してループ経路の発生を判別することとしたが、同様の制御フレーム（マスタの通信端末１０Ｘから定期的にブロードキャストされるフレーム）がある場合、それを利用してループ経路の発生を判別するようにしてもよい。

　また、通信ネットワークがＣＣ－Ｌｉｎｋ　ＩＥネットワークの場合について説明を行ったが、制御フレームを定期的にブロードキャストする通信端末を含んで形成されている通信ネットワークであれば、中継装置２０を適用可能である。すなわち、中継装置２０のループ検出部２２は、ブロードキャストされる制御フレームの受信状態（受信数）を監視することにより、ループ経路を検出することが可能である。

　以上のように、本実施の形態のレイヤ２スイッチ２０は、通信ネットワーク内のマスタの通信端末から定期的にブロードキャストされる制御フレームの単位時間あたりの受信数に基づいて、ループ経路の有無を判別し、ループ経路を検出した場合、ループ経路を検出した通信ポートを閉塞することとした。これにより、ＣＣ－Ｌｉｎｋ　ＩＥネットワークにおいてループ経路を容易に検出できるとともに、自律的にループ経路を解消することができる。

実施の形態２．
　つづいて、実施の形態２の中継装置（レイヤ２スイッチ）について説明する。なお、レイヤ２スイッチの構成は実施の形態１と同様とする（図２参照）。

　上述した実施の形態１では、ループ検出条件（ＴｅｓｔＤａｔａフレームの単位時間あたりの受信数＞閾値）を満たしたのが単一の通信ポートの場合のレイヤ２スイッチ２０の動作について説明したが、本実施の形態では、ループ検出条件を満たした通信ポートが複数存在する場合のレイヤ２スイッチ２０の動作について説明する。なお、ループ検出条件を満たした通信ポートが複数存在する構成として、図４に示した場合、具体的には、レイヤ２スイッチ２０の通信ポート間でループ経路が形成された場合と、図５に示した場合、具体的にはレイヤ２スイッチ２０の延伸先にループ経路が複数存在する場合が考えられる。

　図４に示した通信ネットワークは、レイヤ２スイッチ２０の通信ポート２１₃にマスタの通信端末１０Ｘが接続され、通信ポート２１₁および２１₂にはスレーブの通信端末１０Ａが接続された構成となっている。図４に示した構成では、レイヤ２スイッチ２０の通信ポート２１₁および２１₂と通信端末１０Ａの間でループ経路が形成されている。

　一方、図５に示した通信ネットワークは、レイヤ２スイッチ２０の通信ポート２１₃にマスタの通信端末１０Ｘが接続され、通信ポート２１₁にハブ３０Ａが接続され、通信ポート２１₂にハブ３０Ｂが接続された構成となっている。また、ハブ３０Ａにスレーブの通信端末１０Ａが接続され、ハブ３０Ｂにスレーブの通信端末１０Ｂが接続されている。図５に示した構成では、ハブ３０Ａと通信端末１０Ａの間でループ経路が形成されるとともに、ハブ３０Ｂと通信端末１０Ｂの間でループ経路が形成されている。

　レイヤ２スイッチ２０は、複数の通信ポート２１がループ検出条件を満たした場合、図４に示したケースと図５に示したケースのうち、どちらのループ形状となっているのか判別できない。そこで、レイヤ２スイッチ２０は、複数の通信ポート２１がループ検出条件を満たした場合、ループ検出条件を満たした通信ポート２１のうち、任意に選択した１つの通信ポート以外の全ての通信ポートを閉塞する。

　図４に示した通信ネットワークの場合、レイヤ２スイッチ２０のループ検出部２２は、動作を開始してからしばらくすると、通信ポート２１₁および２１₂がループ検出条件を満たしたことを検知し、通信ポート２１₁および２１₂のいずれか一方を閉塞する。例えば、通信ポート２１₂を閉塞する。その結果、レイヤ２スイッチ２０の通信ポート２１₁と２１₂の間のループ経路が解消する。また、これに伴い、閉塞しなかった通信ポート２１₁では、単位時間当たりのＴｅｓｔＤａｔａ受信数が閾値以下の正常値となるため、再びループ経路を検出することはない。また、ループ経路上の１箇所を閉塞するだけでループ経路を解消することができるため、マスタ（通信端末１０Ｘ）とスレーブ（通信端末１０Ａ）の間の接続を維持することができる。

　一方、図５に示した通信ネットワークの場合、レイヤ２スイッチ２０の延伸先にループ経路が複数存在するため、レイヤ２スイッチ２０のループ検出部２２が図４に示した通信ネットワークの場合と同様の手順で通信ポート２１₂を閉塞したとしても、通信ポート２１₁の延伸先のループ経路が解消していないため、通信ポート２１₁では単位時間当たりのＴｅｓｔＤａｔａ受信数が閾値を超過した状態が継続する。そのため、ループ検出部２２は、単位時間当たりのＴｅｓｔＤａｔａ受信数が閾値を超過した状態が解消されない場合、所定時間が経過した時点で通信ポート２１₁をさらに閉塞する。この結果、ループ経路が解消する。

　このように、レイヤ２スイッチ２０のループ検出部２２は、複数の通信ポート２１でループ経路を検出した場合、まず、ループ経路を検出した複数の通信ポート２１のうち、任意に選択した１つの通信ポート以外の全ての通信ポートを閉塞し、ループ経路の検出状態が解消されない場合には、さらに、閉塞しなかった１つの通信ポートについても閉塞する。これにより、必要以上に通信ポートを閉塞してしまうのを回避しつつ、自律的にループ経路を解消することができる。

　なお、ループ検出部２２は、複数の通信ポート２１でループ経路を検出した場合、選択した１つの通信ポート以外の全ての通信ポートを一斉に閉塞するのではなく、１通信ポートずつ順番に、閉塞するようにしてもよい。すなわち、ループ経路を検出した複数の通信ポートの中の１つを最初に閉塞し、残りの通信ポート（ループ経路を検出した通信ポートのうち、閉塞しなかった通信ポート）の状態を所定期間にわたって監視し、ループ経路が解消されなければ、さらに１つの通信ポートを閉塞して様子を見る（ループ経路が解消されたかどうかを所定期間にわたって監視する）、といった動作を、ループ経路が完全に解消されるまで繰り返し行うようにしてもよい。ループ経路を検出した複数の通信ポートを１つずつ順番に閉塞することにより、必要以上に通信ポートを閉塞してしまうのを確実に回避することができる。

実施の形態３．
　上述した実施の形態１および２では、レイヤ２スイッチ２０がループ経路を検出し、自律的にループ経路を解消する手順について説明したが、ループ経路を解消するとともにネットワーク管理者にループ経路の検出を通知するようにしてもよい。

　図６は、ＣＣ－Ｌｉｎｋ　ＩＥネットワーク上の警報情報を管理するネットワーク管理装置を含む通信ネットワークの構成例を示す図である。図６に示した通信ネットワークはマスタとして動作する通信端末１０Ｘと、スレーブとして動作する複数の通信端末１０Ａから１０Ｃと、中継装置であるレイヤ２スイッチ２０と、ネットワーク管理装置４０とを含んで構成されている。図６に例示した通信ネットワークにおいては、通信端末１０Ｘの第１の通信ポート（Ｐｏｒｔ＿Ｘ１）とネットワーク管理装置４０の通信ポート（Ｐｏｒｔ＿１）が接続され、通信端末１０Ｘの第２の通信ポート（Ｐｏｒｔ＿Ｘ２）と通信端末１０Ａの第１の通信ポート（Ｐｏｒｔ＿Ａ１）が接続されている。通信端末１０Ａの第２の通信ポート（Ｐｏｒｔ＿Ａ２）はレイヤ２スイッチ２０に接続されている。通信端末１０Ｂの第１の通信ポート（Ｐｏｒｔ＿Ｂ１）はレイヤ２スイッチ２０に接続され、通信端末１０Ｃの第１の通信ポート（Ｐｏｒｔ＿Ｃ１）はレイヤ２スイッチ２０に接続されている。レイヤ２スイッチ２０の構成は、実施の形態１，２と同様である（図２参照）。

　図６に示したレイヤ２スイッチ２０において、ループ検出部２２は、ループ経路を検出した場合、実施の形態１および２と同様の手順で通信ポート２１を閉塞し、さらに、ネットワーク管理装置４０宛のループ検出通知フレームを生成し、フレーム中継部２３および通信ポート２１を介して送信する。ネットワーク管理装置４０は、ループ検出通知フレームを受信した場合、ループ経路が検出されたことを表示部（図示せず）に表示するなどしてネットワーク管理者に通知する。

　本実施の形態の通信ネットワークによれば、自律的にループ経路を解消できるとともに、ループ経路を検出したことをネットワーク管理者（ネットワーク管理端末４０）に逸早く通知することができる。

　なお、各実施の形態では、通信ネットワークを形成するレイヤ２スイッチが１台の場合について説明したが、ネットワークを形成するレイヤ２スイッチが２台以上の場合における各レイヤ２スイッチの動作も同様である。

　以上のように、本発明にかかる中継装置および通信ネットワークは、イーサネットをベースとしたＦＡネットワークを実現する場合に有用である。

　１０Ｘ　通信端末（マスタ）、１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ　通信端末（スレーブ）、２０　レイヤ２スイッチ、２１₁，２１₂，２１₃，２１_n　通信ポート、２２　ループ検出部、２３　フレーム中継部、３０，３０Ａ，３０Ｂ　ハブ（ＨＵＢ）、４０　ネットワーク管理装置。
 

Claims (8)

1. 　通信ネットワークを形成する中継装置であって、
   　フレームを送受信する複数の通信ポートと、
   　前記通信ネットワークを形成している通信装置から前記通信ネットワーク内へ定期的に送信される制御フレームの受信頻度を通信ポート毎に監視し、前記受信頻度が閾値を超過した状態の通信ポートに対してフレームの送受信動作を停止するよう指示する受信頻度監視手段と、
   　を備えることを特徴とする中継装置。
2. 　前記制御フレームは、前記通信ネットワークの状態を確認するために送信される制御フレームであることを特徴とする請求項１に記載の中継装置。
3. 　前記受信頻度監視手段は、前記受信頻度が閾値を超過した状態の通信ポートが複数存在する場合、前記受信頻度が閾値を超過した状態の複数の通信ポートのうち、１つの通信ポートを除いた全ての通信ポートに対してフレームの送受信動作を停止するよう指示することを特徴とする請求項１または２に記載の中継装置。
4. 　前記受信頻度監視手段は、前記受信頻度が閾値を超過した状態の複数の通信ポートのうち、１つの通信ポートを除いた全ての通信ポートに対してフレームの送受信動作を停止するよう指示してから一定時間が経過した後も前記受信頻度が閾値を超過した状態の通信ポートが存在する場合、前記受信頻度が閾値を超過した状態の通信ポートに対してフレームの送受信動作を停止するよう指示することを特徴とする請求項３に記載の中継装置。
5. 　前記受信頻度監視手段は、前記受信頻度が閾値を超過した状態の通信ポートを検出した場合、その旨を示す情報を、前記通信ネットワークの管理装置へ送信することを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載の中継装置。
6. 　前記通信ネットワークは、ＦＡ（Factory　Automation）機器を結ぶ通信ネットワークであることを特徴とする請求項１から５のいずれか一つに記載の中継装置。
7. 　前記通信ネットワークは、ＣＣ－Ｌｉｎｋ　ＩＥネットワークであることを特徴とする請求項１から６のいずれか一つに記載の中継装置。
8. 　請求項１から７のいずれか一つに記載の中継装置を備えたことを特徴とする通信ネットワーク。

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