WO2019116797A1 - 車載中継装置 - Google Patents

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周平 糸田
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株式会社デンソー
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    • H04L69/32—Architecture of open systems interconnection [OSI] 7-layer type protocol stacks, e.g. the interfaces between the data link level and the physical level
    • H04L69/322—Intralayer communication protocols among peer entities or protocol data unit [PDU] definitions

Definitions

  • the present disclosure relates to an on-vehicle relay device.
  • Patent Document 1 discloses a technique of using a relay device in an in-vehicle communication network.
  • the relay device has a plurality of ports, and the signal input to one port is a terminal connected to the same relay device, and is specified by the destination included in the input signal. Send to the terminal of
  • the physical layer and the data link layer in the OSI reference model are configured by an ASIC, and the layers above that are configured by a microcomputer. Therefore, when the relay function is realized in the third network layer, the microcomputer realizes the relay function by software.
  • relaying at the network layer requires high processing load since it requires relaying across networks. As a result, communication delay may occur even when using a high-performance microcomputer. In addition, since the processing load is high, the heat generation may be large.
  • An object of the present disclosure is to provide an on-vehicle relay device in which communication delay is less likely to occur and heat generation can be suppressed.
  • An on-vehicle relay device includes a layer 2 relay unit and a layer 3 relay unit.
  • the functions from the first layer to the third layer are executed by a hardware circuit, and the functions from the fourth layer and higher are an on-vehicle relay device executed by a microcomputer.
  • the hardware circuit executes the functions of the first to third layers, so the layer 3 relay unit is a hardware circuit. Processing becomes faster by using a layer 3 relay unit as a hardware circuit. Therefore, communication delay does not easily occur. In addition, heat generation can be suppressed by using a hardware circuit. Furthermore, since the microcomputer only needs to execute the functions of the fourth and higher layers, it is possible to use microcomputers that are not so sophisticated.
  • FIG. 1 is a view showing a configuration example of an on-vehicle communication system
  • FIG. 2 is a block diagram showing the configuration of a relay device
  • FIG. 3 is a block diagram showing the configuration of the relay apparatus.
  • FIG. 1 shows an example of the configuration of the in-vehicle communication system 10.
  • the in-vehicle communication system 10 is configured in accordance with the in-vehicle Ethernet standard. Ethernet is a registered trademark.
  • the in-vehicle communication system 10 is mounted on a vehicle C.
  • the in-vehicle communication system 10 illustrated in FIG. 1 includes six end ECUs 20 and one relay device 100.
  • the number of end ECUs 20 is an example, and any number of end ECUs 20 can be provided.
  • the end ECU 20 corresponds to a node connected to the relay device 100 via the cable 30.
  • the nodes may be other than ECUs, such as sensors. Also, another relay device may be connected as a node.
  • Each end ECU 20 directly communicates only with the relay device 100.
  • the end ECU 20 transmits a signal to another node, the end ECU 20 includes the address of the destination node in the signal. This signal is output to the relay device 100 via the cable 30.
  • the cable 30 is, for example, a twisted pair cable.
  • the relay device 100 divides a plurality of nodes connected to the relay device 100 into two VLANs (Virtual LANs) 40 and 50. Note that two are an example, and a plurality of nodes may be divided into three or more VLANs 40 and 50.
  • the relay device corresponds to an on-vehicle relay device.
  • the configuration of relay apparatus 100 is shown in FIG.
  • the relay apparatus 100 includes a power supply circuit 110, a PHY 120, a field-programmable gate array (FPGA) 130, and a microcomputer 140.
  • FPGA field-programmable gate array
  • the power supply circuit 110 supplies power to the PHY 120, the FPGA 130, and the microcomputer 140.
  • the PHY 120 includes a plurality of ports P.
  • ports P In FIG. 1, six ports P1, P2, P3, P4, P5, and P6 are provided. When the six ports P1, P2, P3, P4, P5 and P6 are not distinguished, they are described as port P.
  • One end of a cable 30 is connected to each of these ports P.
  • the other end of the cable 30 is connected to the end ECU 20.
  • the PHY 120 converts the signal supplied from the FPGA 130 into an electrical signal that can be transmitted to the cable 30, while converting the signal supplied from the end ECU 20 via the cable 30 into a signal that can be processed by the FPGA 130.
  • the PHY 120 corresponds to the physical layer in the OSI reference model, that is, the first layer L1, and performs frame encoding, serial parallel conversion, signal waveform conversion, and the like in addition to the above signal conversion.
  • the PHY 120 is an IC including an analog circuit or the like, that is, a hardware circuit. Although one PHY 120 including a plurality of ports P is illustrated in FIG. 2, the PHY 120 may be divided into a plurality of configurations, such as an independent configuration for each port P.
  • the FPGA 130 is programmed to execute the functions of the second layer L2 and the third layer L3 in the OSI reference model.
  • the second layer L2 is a data link layer, and performs communication within the same VLAN 40, 50. It also performs signal error detection.
  • the second layer L2 includes the function of the layer 2 relay unit 131.
  • the layer 2 relay unit 131 performs communication in the same VLAN 40 or 50.
  • the layer 2 relay unit 131 determines a node that transmits a signal based on a MAC (Media Access Control) address.
  • MAC Media Access Control
  • the third layer L3 is a network layer and communicates between different networks.
  • the third layer L3 includes the function of the layer 3 relay unit 132.
  • the layer 3 relay unit 132 performs communication between different VLANs 40 and 50.
  • the layer 3 relay unit 132 determines a node that transmits a signal based on an IP (Internet Protocol) address.
  • the microcomputer 140 is a general-purpose computer provided with a CPU, a ROM, a RAM, an I / O, a bus line connecting these components, and the like.
  • the ROM stores a program for causing a general-purpose computer to function as the microcomputer 140.
  • the microcomputer 140 executes the program stored in the ROM while utilizing the temporary storage function of the RAM, whereby the microcomputer 140 can execute the fourth layer L4, the fifth layer L5, the sixth layer L6, and the seventh layer L7. Perform a function That is, it is realized by the fourth layer L4, the fifth layer L5, the sixth layer L6, and the seventh layer L7 software processing.
  • the storage medium for storing the program executed by the CPU is not limited to the ROM, and may be stored in a non-transitory tangible storage medium.
  • the fourth layer L4 is a transport layer, and executes inter-program communication, data transfer assurance, and the like.
  • the fifth layer L5 is a session layer
  • the sixth layer L6 is a presentation layer
  • the seventh layer L7 is an application layer.
  • the fifth layer L5, the sixth layer L6, and the seventh layer L7 execute user authentication, data encoding and decoding, a user interface function, and the like.
  • the relay apparatus 100 having these functions can also be referred to as a switching hub ECU.
  • the functions of the layer 2 relay unit 131 and the layer 3 relay unit 132 may be called a switch.
  • the relay device 100 includes the second layer L2 and the third layer L3 with the FPGA 130, which is a hardware circuit. Therefore, the layer 3 relay unit 132 is a hardware circuit. The processing becomes faster by making the layer 3 relay unit 132 a hardware circuit. Therefore, communication delay does not easily occur. In addition, heat generation can be suppressed by using a hardware circuit.
  • the microcomputer 140 since the microcomputer 140 only needs to execute the processing of the fourth layer L4 or more, the microcomputer 140 may be one that is not so sophisticated.
  • the second layer L2 and the third layer L3 are configured by the FPGA 130.
  • the relay device 200 may be provided with an ASIC 230.
  • the PHY 130 may not be provided separately from the FPGA 130 or the ASIC 230, and the FPGA 130 or the ASIC 230 may be provided with the functions of the PHY 120.
  • Modification 3 A hardware circuit having the functions of the first layer L1 and the second layer L2 and a hardware circuit having the function of the third layer L3 may be separated.

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Abstract

車載中継装置２００は、レイヤ２中継部１３１とレイヤ３中継部１３２とを備え、第１層Ｌ１から第３層Ｌ３までがハードウェア回路であり、第４層Ｌ４以上はマイクロコンピュータ１４０が実行する。第１層Ｌ１から第３層までをハードウェア回路で構成しているため、レイヤ３中継部１３２はハードウェア回路である。レイヤ３中継部１３２をハードウェア回路とすることで処理が高速になる。よって、通信遅延が生じにくい。加えて、ハードウェア回路とすることで発熱も抑制できる。

Description

車載中継装置 関連出願の相互参照
　本出願は、２０１７年１２月１１日に出願された日本特許出願番号２０１７－２３６７１３号に基づくもので、ここにその記載内容を援用する。
　本開示は、車載中継装置に関する。
　特許文献１には、車載通信ネットワークに中継装置を用いる技術が開示されている。中継装置は、複数のポートを備えており、１つのポートに入力された信号を、同じ中継装置に接続されている端末であって、入力された信号に含まれている宛先により指定された他の端末へ送信する。
特開２０１６－１４１２６９号公報
　中継機能を備えた車載ＥＣＵは、ＯＳＩ参照モデルにおける物理層とデータリンク層がＡＳＩＣで構成され、それよりも上の層はマイクロコンピュータにより構成されていた。したがって、第３層であるネットワーク層で中継機能を実現する場合には、マイクロコンピュータがソフトウェアで中継機能を実現する。
　しかし、ネットワーク層での中継は、ネットワークを跨いだ中継を必要とすることから、処理負荷が高い。その結果、高機能のマイクロコンピュータを使っても、通信遅延が発生する恐れがあった。また、処理負荷が高いため、発熱が大きくなる可能性がある。
　本開示の目的は、通信遅延が発生しにくく、かつ、発熱も抑制できる車載中継装置を提供することにある。
　本開示の一態様による車載中継装置は、レイヤ２中継部とレイヤ３中継部とを備える。第１層から第３層までの機能はハードウェア回路が実行し、第４層以上の機能はマイクロコンピュータが実行する車載中継装置である。
　この車載中継装置は、第１層から第３層の機能をハードウェア回路が実行するため、レイヤ３中継部はハードウェア回路である。レイヤ３中継部をハードウェア回路とすることで処理が高速になる。よって、通信遅延が生じにくい。加えて、ハードウェア回路とすることで発熱も抑制できる。さらには、マイクロコンピュータは、第４層以上の機能を実行すればよいことから、マイクロコンピュータにそれほど高機能ではないものを使うこともできる。
　本開示についての上記目的およびその他の目的、特徴や利点は、添付の図面を参照しながら下記の詳細な記述により、より明確になる。その図面は、
図１は、車載通信システムの構成例を示す図であり、 図２は、中継装置の構成を示すブロック図であり、 図３は、中継装置の構成を示すブロック図である。
　（実施形態）
　（全体構成）
　以下、実施形態を図面に基づいて説明する。図１に車載通信システム１０の構成例を示す。車載通信システム１０は、車載イーサネットの規格に従って構成されている。なお、イーサネットは登録商標である。車載通信システム１０は車両Ｃに搭載される。
　図１に示す車載通信システム１０は、６つのエンドＥＣＵ２０と、１つの中継装置１００とを備えている。もちろん、エンドＥＣＵ２０の数は一例であり、任意の数のエンドＥＣＵ２０を備えることができる。
　エンドＥＣＵ２０は、ケーブル３０を介して中継装置１００と接続されるノードに相当する。ノードは、センサなど、ＥＣＵ以外のものでもよい。また、他の中継装置がノードとして接続されていてもよい。それぞれのエンドＥＣＵ２０は、直接的には、中継装置１００とのみ通信を行う。エンドＥＣＵ２０は、他のノードへ信号を送信する場合、宛先となるノードのアドレスを信号に含ませる。この信号を、ケーブル３０を介して中継装置１００へ出力する。ケーブル３０は、たとえば、ツイストペアケーブルである。
　中継装置１００は、この中継装置１００に接続されている複数のノードを、２つのＶＬＡＮ（Virtual LAN）４０、５０に分けている。なお、２つは一例であり、複数のノードを、３以上のＶＬＡＮ４０、５０に分けてもよい。中継装置は、車載中継装置に該当する。
　（中継装置１００の構成）
　中継装置１００の構成を図２に示す。中継装置１００は、電源回路１１０と、ＰＨＹ１２０と、ＦＰＧＡ（field-programmable gate array）１３０と、マイクロコンピュータ１４０を備えている。
　電源回路１１０は、ＰＨＹ１２０、ＦＰＧＡ１３０、マイクロコンピュータ１４０に電力を供給する。
　ＰＨＹ１２０は、複数のポートＰを備えている。図１では、６つのポートＰ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５、Ｐ６を備えている。６つのポートＰ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５、Ｐ６を区別しないときはポートＰと記載する。
　これらのポートＰには、それぞれケーブル３０の一方の端が接続されている。ケーブル３０の他方の端はエンドＥＣＵ２０に接続されている。
　ＰＨＹ１２０は、ＦＰＧＡ１３０から供給された信号をケーブル３０へ伝送可能な電気信号に変換する一方、ケーブル３０を介してエンドＥＣＵ２０から供給された信号をＦＰＧＡ１３０で処理できる信号に変換する。ＰＨＹ１２０は、ＯＳＩ参照モデルにおける物理層すなわち第１層Ｌ１に相当しており、上記の信号変換に加えて、フレーム符号化、シリアルパラレル変換、信号波形変換などが行われる。ＰＨＹ１２０はアナログ回路などを備えたＩＣ、すなわち、ハードウェア回路である。なお、図２では、複数のポートＰを備えた１つのＰＨＹ１２０としているが、ＰＨＹ１２０は、１つのポートＰごとに独立した構成など、複数の構成に分割されていてもよい。
　ＦＰＧＡ１３０は、ＯＳＩ参照モデルにおける第２層Ｌ２、第３層Ｌ３の機能を実行できるようにプログラムされている。
　第２層Ｌ２はデータリンク層であり、同一のＶＬＡＮ４０、５０内での通信を行う。また、信号のエラー検出も行う。第２層Ｌ２は、レイヤ２中継部１３１の機能を備える。このレイヤ２中継部１３１により、同一のＶＬＡＮ４０、５０内の通信を行う。レイヤ２中継部１３１は、信号を送信するノードをＭＡＣ（Media Access Control）アドレスで決定する。
　第３層Ｌ３はネットワーク層であり、異なるネットワーク間で通信を行う。ネットワーク間の通信を行うために、第３層Ｌ３はレイヤ３中継部１３２の機能を備える。レイヤ３中継部１３２により、異なるＶＬＡＮ４０、５０間の通信を行う。レイヤ３中継部１３２は信号を送信するノードをＩＰ（Internet Protocol）アドレスで決定する。
　マイクロコンピュータ１４０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏ、およびこれらの構成を接続するバスラインなどを備えた汎用的なコンピュータである。ＲＯＭには、汎用的なコンピュータを、マイクロコンピュータ１４０として機能させるためのプログラムが格納されている。ＣＰＵが、ＲＡＭの一時記憶機能を利用しつつ、ＲＯＭに記憶されたプログラムを実行することで、マイクロコンピュータ１４０は、第４層Ｌ４、第５層Ｌ５、第６層Ｌ６、第７層Ｌ７の機能を実行する。つまり、第４層Ｌ４、第５層Ｌ５、第６層Ｌ６、第７層Ｌ７ソフトウェア処理により実現される。なお、ＣＰＵが実行するプログラムを記憶する記憶媒体はＲＯＭに限られず、非遷移的実体的記録媒体(non-transitory tangible storage medium)に記憶されていればよい。
　第４層Ｌ４はトランスポート層であり、プログラム間通信や、データ転送保証などを実行する。第５層Ｌ５はセッション層、第６層Ｌ６はプレゼンテーション層、第７層Ｌ７はアプリケーション層である。これら第５層Ｌ５、第６層Ｌ６、第７層Ｌ７では、ユーザ認証、データエンコードおよびデコード、ユーザインタフェース機能などを実行する。なお、これらの機能を備えた中継装置１００は、スイッチングハブＥＣＵと言うこともできる。また、レイヤ２中継部１３１、レイヤ３中継部１３２の機能はスイッチと呼ばれることもある。
　（実施形態のまとめ）
　本実施形態の中継装置１００は、第２層Ｌ２と第３層Ｌ３をハードウェア回路であるＦＰＧＡ１３０で構成しているため、レイヤ３中継部１３２はハードウェア回路である。レイヤ３中継部１３２をハードウェア回路とすることで処理が高速になる。よって、通信遅延が生じにくい。加えて、ハードウェア回路とすることで発熱も抑制できる。
　さらには、マイクロコンピュータ１４０は、第４層Ｌ４以上の処理を実行すればよいことから、マイクロコンピュータ１４０にそれほど高機能ではないものを使うこともできる。
　以上、実施形態を説明したが、開示した技術は上述の実施形態に限定されるものではなく、次の変形例も開示した範囲に含まれ、さらに、下記以外にも要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施できる。なお、以下の説明において、それまでに使用した符号と同一番号の符号を有する要素は、特に言及する場合を除き、それ以前の実施形態における同一符号の要素と同一である。また、構成の一部のみを説明している場合、構成の他の部分については先に説明した実施形態を適用できる。
　（変形例１）
　実施形態の中継装置１００は、第２層Ｌ２と第３層Ｌ３をＦＰＧＡ１３０で構成していた。しかし、図３に示すように、ＦＰＧＡ１３０に代えて、ＡＳＩＣ２３０を備えた中継装置２００としてもよい。
　（変形例２）
　ＰＨＹ１２０を、ＦＰＧＡ１３０あるいはＡＳＩＣ２３０と別に備えず、ＦＰＧＡ１３０あるいはＡＳＩＣ２３０がＰＨＹ１２０の機能を備えていてもよい。
　（変形例３）
　第１層Ｌ１と第２層Ｌ２の機能を備えたハードウェア回路と、第３層Ｌ３の機能を備えたハードウェア回路を別体としてもよい。

 

Claims (9)

  1. 　レイヤ２中継部（１３１）とレイヤ３中継部（１３２）とを備え、
    　第１層（Ｌ１）から第３層（Ｌ３）までの機能はハードウェア回路（１２０、１３０、２３０）が実行し、
    　第４層（Ｌ４）以上の機能はマイクロコンピュータ（１４０）が実行する車載中継装置。
  2. 　前記第３層の機能を実行する前記ハードウェア回路がＦＰＧＡ（１３０）である請求項１に記載の車載中継装置。
  3. 　前記第１層から前記第３層の機能を実行するＦＰＧＡを備える請求項２に記載の車載中継装置。
  4. 　前記第３層の機能を実行する前記ハードウェア回路がＡＳＩＣ（２３０）である請求項１に記載の車載中継装置。
  5. 　前記第１層から前記第３層の機能を実行するＡＳＩＣを備える請求項４に記載の車載中継装置。
  6. 　車載中継装置はＯＳＩ参照モデルによって構成される請求項１から請求項５に記載の車載中継装置。
  7. 　前記ＯＳＩ参照モデルは、前記第１層から第７層を持つ請求項６に記載の車載中継装置。
  8. 　第２層は前記レイヤ２中継部を備え、前記第３層は前記レイヤ３中継部を備える請求項１から請求項７に記載の車載中継装置。
  9. 　前記レイヤ２中継部はノード（２０）間の通信を行い、前記レイヤ３中継部は前記ノード間の通信を行う請求項１から請求項８に記載の車載中継装置。

     
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