WO2022185587A1 - 通信方法、通信システムおよびスイッチ - Google Patents

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WO2022185587A1
WO2022185587A1 PCT/JP2021/034676 JP2021034676W WO2022185587A1 WO 2022185587 A1 WO2022185587 A1 WO 2022185587A1 JP 2021034676 W JP2021034676 W JP 2021034676W WO 2022185587 A1 WO2022185587 A1 WO 2022185587A1
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WO
WIPO (PCT)
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priority
network
frame
switch
communication
Prior art date
Application number
PCT/JP2021/034676
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English (en)
French (fr)
Inventor
成憲 澤田
Original Assignee
オムロン株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by オムロン株式会社 filed Critical オムロン株式会社
Publication of WO2022185587A1 publication Critical patent/WO2022185587A1/ja

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    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L45/00—Routing or path finding of packets in data switching networks
    • H04L45/42—Centralised routing
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L47/00—Traffic control in data switching networks

Definitions

  • This technology relates to a communication method, a communication system, and a switch related to a network that conforms to TSN (Time Sensitive Networking).
  • TSN Time Sensitive Networking
  • Ethernet registered trademark
  • IEEE 802.1 TSN Time Sensitive Networking
  • TSN Time Sensitive Networking
  • real-time communication can be realized more easily using general-purpose hardware such as Ethernet (registered trademark).
  • OPC Unified Architecture which has been internationally standardized as IEC62541, is attracting attention as a communication stack for data communication between devices.
  • Patent Document 1 European Patent No. 03357218 discloses data communication between a client device and a server device according to the OPC-UA protocol in a network by a stream according to the TSN standard according to IEEE 802.1. .
  • TSN traffic is scheduled in consideration of streams corresponding to frame transfer paths, traffic classes that are the priority of each stream, and available bandwidth.
  • QoS Quality of Service
  • OPC UA one-to-many data communication is also possible, but QoS (Quality of Service) is basically defined for each data communication unit. Therefore, when data is transmitted to a plurality of destinations, QoS is uniformly set for the plurality of destinations. As a result, data may be transmitted with a higher priority than requested by the destination, and there is a risk that efficient bandwidth allocation cannot be achieved.
  • This technology provides a mechanism for optimizing bandwidth allocation according to priority in a network that combines TSN and OPC UA.
  • a communication method in a TSN compliant network is provided. At least some of the devices connected to the network are configured to perform data communication using a communication protocol that conforms to OPC UA.
  • the communication method includes the steps of preparing a priority definition that defines the priority of a stream in association with the ports of the switches that constitute the network, identifying the stream of frames to be transferred, and referring to the priority definition. changing the priority of the frame and transferring it to the subsequent stage.
  • the step of providing priority definitions may include determining segments of a data path for frames destined for multiple devices for which priority may be reduced in response to a request at the destination device. good. According to this configuration, it is possible to lower the priority of a specific section according to the request of the destination device, so that the band can be allocated more efficiently.
  • the step of preparing the priority definition may be executed in response to a setting change to perform data communication with a new device in addition to a state in which data communication is being performed between a plurality of devices. . According to this configuration, efficient bandwidth allocation can be realized even when the number of devices related to existing data communication increases.
  • the communication method may further include the step of providing a user interface screen for accepting settings for a new device that performs data communication. According to this configuration, even a user with poor technical knowledge can realize efficient bandwidth allocation in the network.
  • the step of preparing the priority definition may include generating the priority definition based on the selected assurance method for the device newly receiving the data. According to this configuration, efficient bandwidth allocation can be achieved according to the guarantee method requested by the device that newly receives data.
  • the switch may include multiple queues prepared for each priority and multiple gates that sequentially output the data stored in the multiple queues according to the schedule. According to this configuration, each frame can be transferred according to the priority according to the schedule.
  • the communication method may further include the step of the network controller sending the priority definition and schedule to the switch.
  • the network controller can manage the network including both TSN and OPU UA.
  • the priority definition may include stream identification information, identification information included in the frame, and the priority to be set for the frame. According to this configuration, by referring to the priority definition, it is possible to easily identify the frame whose priority should be changed.
  • a communication system including a network conforming to TSN.
  • a communication system includes a network controller, a switch, and one or more devices connected to a network. At least part of the one or more devices are configured to perform data communication using a communication protocol that conforms to OPC UA.
  • a communication system refers to means for generating a priority definition specifying the priority of a stream, means for specifying a stream of frames to be transferred, and referring to the priority definition in association with the ports of the switches constituting the network. means for changing the priority of the frame and transferring it to the subsequent stage.
  • a switch configuring a network according to TSN is provided. At least some of the one or more devices connected to the network are configured to perform data communication using a communication protocol conforming to OPC UA.
  • the switch changes the priority of the frame by referring to the priority definition that specifies the priority of the stream in association with the means for identifying the stream of the frame to be transferred and the port of the switch that constitutes the network. and a means for transferring to a later stage.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing an example of the overall configuration of a control system according to an embodiment
  • FIG. It is a figure which shows an example of the communication model which the control system which concerns on this Embodiment employ
  • 2 is a block diagram showing an example hardware configuration of an end device that constitutes the control system according to the present embodiment
  • FIG. 2 is a block diagram showing an example hardware configuration of an end device that constitutes the control system according to the present embodiment
  • FIG. 3 is a block diagram showing an example hardware configuration of a switch that constitutes the control system according to the present embodiment
  • FIG. 2 is a block diagram showing an example hardware configuration of a network controller that configures the control system according to the present embodiment
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing a more detailed configuration of one port of a switch that configures the control system according to the present embodiment
  • 1 is a schematic diagram showing a network configuration example of a control system according to an embodiment
  • FIG. FIG. 5 is a schematic diagram showing an example of changing the priority of frames in the control system according to the present embodiment
  • FIG. 4 is a schematic diagram showing a structural example of a frame in the control system according to the embodiment
  • It is a schematic diagram showing an application example of the control system according to the present embodiment.
  • FIG. 12 is a schematic diagram showing an example of changing the priority of frames in the network configuration example shown in FIG. 11
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing an example of a user interface for implementing a communication method in the control system according to the present embodiment
  • FIG. 4 is a flow chart showing a processing procedure for preparing setting parameters in the control system according to the present embodiment
  • 7 is a flow chart showing a processing procedure relating to frame transfer processing of the switch of the control system according to
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing an example of the overall configuration of a control system 1 according to this embodiment.
  • a control system 1 shown in FIG. 1 is an example of a communication system including a control device such as a PLC (Programmable Controller) and an HMI (Human Machine Interface).
  • a control device such as a PLC (Programmable Controller) and an HMI (Human Machine Interface).
  • control device is collectively called “end device 100”
  • HMI is collectively called “end device 150”.
  • end devices are not limited to controllers and HMIs, and may include any device.
  • the control system 1 further includes a switch 200 and a network controller 300.
  • the end device 100-1 corresponding to the control device is connected to the switch 200 via the link 20.
  • the end device 100-2 corresponding to the control device is connected to the switch 200 via the link 22.
  • An end device 100 - 3 corresponding to a control device is connected to the switch 200 via a link 24 .
  • An end device 150 corresponding to the HMI is connected to the switch 200 via the link 26.
  • a network controller 300 is connected to the switch 200 via the link 28 .
  • the control system 1 includes a network conforming to IEEE 802.1 TSN. Therefore, in control system 1 according to the present embodiment, a communication method in a network conforming to TSN is executed. Also, the end device 100, the end device 150, the switch 200, and the network controller 300 that configure the control system 1 are time-synchronized with each other by a time synchronization subject (not shown). Time synchronization is realized according to IEEE 802.1 AS-2020, which is a lower standard of IEEE 802.1 TSN, and IEEE 1588, which is a precision time protocol (PTP).
  • IEEE 802.1 AS-2020 which is a lower standard of IEEE 802.1 TSN
  • IEEE 1588 which is a precision time protocol (PTP).
  • the network controller 300 is the entity that manages frame transfer in the TSN, and schedules traffic (streams) by calculating resource allocation and availability. Typically, the network controller 300 schedules traffic according to IEEE 802.1 Qcc, which is a substandard of IEEE 802.1 TSN.
  • TSN simply refers to networks conforming to IEEE 802.1 TSN.
  • IEEE 802.1 TSN mainly defines the data link layer, and protocols such as TCP/IP or UDP/IP can be used for the network layer and transport layer. As will be described later, the IEEE 802.1 TSN standard includes several sub-standards.
  • device includes any device connected to a network conforming to IEEE 802.1 TSN.
  • Devices may typically include end devices, switches, and network controllers.
  • configuration parameters include configuration information required to operate the network.
  • Setting parameters include, for example, various setting values, traffic schedules and priority definitions.
  • network controller 300 sends configuration parameters to each of end device 100 and switch 200 .
  • priority definition includes information that defines the priority set for each frame identified as a stream.
  • the data structure of “priority definition” may be of any type.
  • a “priority definition” is typically set for each port of a switch. Details of the “priority definition” will be described later.
  • FIG. 2 is a diagram showing an example of a communication model adopted by the control system 1 according to this embodiment.
  • FIG. 2 shows a communication model adopted by the control system 1 according to the OSI hierarchical model.
  • Ethernet registered trademark
  • IEEE 802.1 TSN Ethernet (registered trademark) extended according to IEEE 802.1 TSN is implemented as a data link layer on any physical layer.
  • IP protocol is implemented as the network layer and the TCP or UDP protocol as the transport layer.
  • OPC UA is adopted as the session layer, presentation layer, and application layer.
  • OPC UA consists of multiple layers such as an information model and a communication model.
  • OPC UA is mainly implemented in the end device 100 and the end device 150. Therefore, at least some of the devices connected to the TSN are configured to perform data communication using a communication protocol conforming to OPC UA.
  • data communication that satisfies OPC UA requirements is realized by dynamically changing the priority of frame transfer in TSN according to the state of OPC UA. .
  • each of the end devices 100 has a field bus 30 independent of the TSN.
  • One or more field devices 40 are connected to the fieldbus 30 .
  • One or more field devices 40 include input devices that obtain field signals and output devices or actuators that perform some action on the field according to instructions from the end device 100 .
  • FIG. 3 is a block diagram showing a hardware configuration example of the end device 100 configuring the control system 1 according to this embodiment.
  • end device 100 includes processor 102 , main memory 104 , network interface 110 , storage 120 , internal bus interface 130 , fieldbus interface 132 and memory card interface 134 . Each component is electrically connected via bus 138 .
  • the processor 102 is composed of a CPU (Central Processing Unit), MPU (Micro-Processing Unit), GPU (Graphical Processing Unit), etc., reads various programs stored in the storage 120, expands them in the main memory 104, and executes them. By doing so, processing as a control device is realized.
  • CPU Central Processing Unit
  • MPU Micro-Processing Unit
  • GPU Graphics Processing Unit
  • the network interface 110 is responsible for frame transfer via TSN. More specifically, network interface 110 includes transmission/reception control circuitry 112 , transmission circuitry 114 , and reception circuitry 116 .
  • the transmission/reception control circuit 112 controls the transmission circuit 114 and the reception circuit 116 according to a traffic schedule given in advance by the network controller 300 .
  • the transmission circuit 114 transmits frames on the TSN according to instructions from the transmission/reception control circuit 112 .
  • Receive circuit 116 receives incoming frames via TSN.
  • the storage 120 typically stores a system program 122 for realizing functions as a control device and a user program 124 that defines control logic to be executed by the control device.
  • the internal bus interface 130 exchanges data with the I/O unit 140 mounted on the end device 100 .
  • the fieldbus interface 132 exchanges data with field devices via the fieldbus 30 .
  • the memory card interface 134 is configured such that a memory card 136 can be attached/detached, and data can be written to the memory card 136, and various data (user program, trace data, etc.) can be read from the memory card 136. ing.
  • FIG. 3 shows a configuration example in which necessary functions are provided by the processor 102 executing a program.
  • the main part of the end device 100 may be implemented using hardware following a general-purpose architecture (for example, an industrial personal computer based on a general-purpose personal computer).
  • the processing performed and functions provided by end device 100 may be implemented in processing circuitry including processors, ASICs, FPGAs, and the like.
  • FIG. 4 is a block diagram showing a hardware configuration example of the end device 150 configuring the control system 1 according to this embodiment.
  • end device 150 includes processor 152 , main memory 154 , network interface 160 , storage 170 , display 180 , input section 182 and memory card interface 184 . Each component is electrically connected via bus 188 .
  • the processor 152 is composed of a CPU, MPU, GPU, etc., reads various programs stored in the storage 170, develops them in the main memory 104, and executes them, thereby realizing processing as an HMI.
  • the network interface 160 is in charge of frame transfer via TSN. More specifically, network interface 160 includes transmission/reception control circuitry 162 , transmission circuitry 164 , and reception circuitry 166 .
  • the transmission/reception control circuit 112 controls the transmission circuit 164 and the reception circuit 166 according to a traffic schedule given in advance by the network controller 300 .
  • the transmission circuit 164 transmits frames on the TSN according to instructions from the transmission/reception control circuit 162 .
  • Receive circuit 166 receives incoming frames via TSN.
  • the storage 170 typically stores a system program 172 for realizing functions as an HMI, and a user program 174 that defines control logic executed by the control device.
  • the display 180 displays the results of calculations by the processor 152 and the like.
  • Input unit 182 receives a user operation and outputs the content of the received user operation to processor 152 .
  • display 180 and input unit 182 may be implemented in the form of a touch panel.
  • the memory card interface 184 is configured such that a memory card 186 can be attached/detached, and data can be written to the memory card 186, and various data (user program, trace data, etc.) can be read from the memory card 186. ing.
  • FIG. 4 shows a configuration example in which necessary functions are provided by the processor 152 executing a program. , FPGA, etc.).
  • the main part of the end device 100 may be implemented using hardware following a general-purpose architecture (for example, an industrial personal computer based on a general-purpose personal computer).
  • the processing performed and functions provided by the end device 100 may be implemented in processing circuitry including processors, ASICs, FPGAs, and the like.
  • FIG. 5 is a block diagram showing a hardware configuration example of the switch 200 that configures the control system 1 according to this embodiment.
  • switch 200 includes transmission/reception control circuit 212 and transmission circuits 214-1, 214-2, 214-3, and 214-4 (hereinafter also collectively referred to as "transmission circuit 214"). , and receiving circuits 216-1, 216-2, 216-3, and 216-4 (hereinafter also collectively referred to as “receiving circuits 216”).
  • a set of the transmission circuit 214 and the reception circuit 216 forms one port. Note that FIG. 3 illustrates the switch 200 having four ports, but the number of ports is not particularly limited.
  • the transmission/reception control circuit 212 controls the transmission circuit 114 and the reception circuit 116 according to the traffic schedule given in advance by the network controller 300 . More specifically, the transmit/receive control circuit 212 includes a transfer engine 218 and a queue 220 .
  • the transmission/reception control circuit 212 may be implemented by a processor executing firmware, or may be implemented using a hardwired circuit such as an ASIC or FPGA. Also, not only the transmission/reception control circuit 212 but also the entirety including the transmission circuit 114 and the reception circuit 116 may be implemented in a single chip. As such, the processing performed and functions provided by switch 200 may be implemented in processing circuitry including processors, ASICs, FPGAs, and the like.
  • FIG. 6 is a block diagram showing a hardware configuration example of the network controller 300 that configures the control system 1 according to this embodiment.
  • network controller 300 includes processor 302 , main memory 304 , network interface 310 and storage 320 . Each component is electrically connected via bus 338 .
  • the processor 302 is composed of a CPU, MPU, GPU, etc., and reads various programs stored in the storage 320, develops them in the main memory 304, and executes them, thereby realizing processing as a network controller.
  • the network interface 310 is responsible for frame transfer via TSN. More specifically, network interface 310 includes transmit/receive control circuitry 312 , transmit circuitry 314 , and receive circuitry 316 .
  • the storage 320 typically stores an OS 322 for implementing basic processing and a network setting program 324 for implementing processing as described later.
  • FIG. 6 shows a configuration example in which necessary functions are provided by the processor 302 executing a program.
  • the processing performed and the functions provided by the network controller 300 may be implemented by processing circuits including processors, ASICs, FPGAs, and the like.
  • TSN Realization of traffic scheduling according to the TSN standard>
  • a stream ID is assigned (a stream is reserved) for each data path according to IEEE 802.1 Qcc, and traffic is scheduled according to IEEE 802.1 Qbv.
  • the following queue and gate configurations are employed.
  • FIG. 7 is a schematic diagram showing a more detailed configuration of one port of switch 200 that configures control system 1 according to the present embodiment.
  • each port consists of a set of a transmitter circuit 214 and a receiver circuit 216 .
  • Transfer engine 218 and queue 220 are provided between transmit circuit 214 and receive circuit 216 .
  • the transfer engine 218 includes a distribution circuit 224 and a timing control circuit 226.
  • Queue 220 also includes a plurality of queues 220-1 to 220-M associated with each traffic class value.
  • Distribution circuit 224 stores the frame in one of queues 220-1 to 220-M according to the header information of the frame received via reception circuit 216, or distributes the frame to distribution circuit 224 of another port. transfer to Also, the sorting circuit 224 performs similar determination and processing for frames received from the sorting circuit 224 of another port.
  • the distribution circuit 224 When the distribution circuit 224 receives a frame to be transmitted from the transmission circuit 214 of its own port, it stores the frame in the queue 220 associated with the traffic class of the frame. By such processing in the distribution circuit 224, the queues 220-1 to 220-M sequentially store frames classified by traffic class. For example, if the traffic class is 8, then 8 queues 220 are provided.
  • the sorting circuit 224 has a priority changing section 230 for changing the priority set for the frame.
  • the priority changing unit 230 changes the priority of a target frame among incoming frames according to a predetermined setting (priority definition described later), and transfers the frame to the subsequent stage. The details of changing the priority of frames will be described later.
  • Gates 222-1 to 222-M are provided on the output sides of the queues 220-1 to 220-M, respectively.
  • Each of gates 222 - 1 to 222 -M (hereinafter collectively referred to as “gates 222 ”) opens and closes according to instructions from timing control circuit 226 .
  • the gate 222 opens, the frame stored in the associated queue 220 is transmitted from the transmission circuit 214 .
  • Timing control circuit 226 does not give open commands to a plurality of gates 222 at the same time. That is, timing control circuit 226 sequentially opens and closes gates 222 according to traffic schedule 228 . This allows traffic to be controlled according to scheduling.
  • the switch 200 includes a plurality of queues 220 prepared for each traffic class (priority) and a plurality of gates 222 that sequentially output data stored in the plurality of queues 220 according to the traffic schedule. .
  • the port of the end device 100 (network interface 110), the port of the end device 150 (network interface 160), and the port of the network controller 300 (network interface 310) also have the same configuration as in FIG. .
  • Publish/Subscriber communication (hereinafter also abbreviated as “Pub/Sub communication”) is defined as one form for realizing data communication between devices in OPC UA.
  • Pub/Sub communication the receiving side becomes the Subscriber, and the transmitting side publishes data.
  • one-to-one data communication may be adopted, or one-to-N data communication may be adopted.
  • the user also arbitrarily sets the period of data communication, target data, and the like.
  • FIG. 8 is a schematic diagram showing a network configuration example of the control system 1 according to this embodiment. Referring to FIG. 8, it is assumed that arbitrary data is transmitted from end device 100-1 to end devices 100-2, 100-3, and 100-4. In the data communication example shown in FIG. 8, the end device 100-1 multicasts frames destined for the end devices 100-2, 100-3, and 100-4. The switch 200 transmits frames received from the end device 100-1 from ports connected to the end devices 100-2, 100-3, and 100-4. The switch 200 copies the received frame and transmits it from each of the three ports.
  • the end device 100-2 and the end device 100-3 which are control devices, need to receive the data transmitted by the end device 100-1 in a state in which synchronization or delay is guaranteed.
  • 100-4 does not need to receive the data transmitted by end device 100-1 with synchronization or delay guaranteed. That is, the priority of data communication between end device 100-1 and end devices 100-2 and 100-3 is high, but the priority of data communication between end device 100-1 and end device 100-4 is high. is low.
  • the end device 100-1 should transmit the frame by multicast instead of unicasting the frame from the end device 100-1 to the end devices 100-2, 100-3, and 100-4. and the switch 200 can be reduced. Therefore, data communication may be performed with a frame corresponding to the highest priority among the destinations.
  • control system 1 is configured so that the priority of frames can be arbitrarily changed during transfer according to the situation.
  • FIG. 9 is a schematic diagram showing an example of changing the priority of frames in the control system 1 according to the present embodiment.
  • port 201 of switch 200 receives frame 51 from end device 100-1.
  • the priority of frame 51 is set to "7".
  • frame 51 is copied and forwarded to ports 202, 203 and 204, respectively.
  • frame 52 which is a copy of frame 51
  • frame 53 which is a copy of frame 51
  • Frame 54 which is a copy of frame 51
  • port 204 is forwarded to port 204 and from port 204 to end device 100-4.
  • the priority of the frame 54 transferred to the port 204 is changed from "7" of the frame 51 received at the port 201 to "3". That is, the priority of the frame 54 transmitted to the end device 100-4 is changed to a lower value than the priority of the frames transmitted to the other end devices 100-2 and 100-3. By changing the priority in this way, it is possible to secure the bandwidth between the switch 200 and the end device 100-4.
  • the switch 200 has priority definitions 62, 63, 64 for each port.
  • Priority definition 62 associated with port 202 includes VLAN ID 622 and priority 623 associated with stream ID 621 .
  • the switch 200 refers to the priority definition 62, identifies the frames whose priority should be changed based on the stream ID 621 and/or the VLAN ID 622, and sets the priority of the frame identified as the priority to be changed. to the specified value.
  • the priority definition 63 associated with port 203 includes VLAN ID 632 and priority 633 associated with stream ID 631 .
  • the priority definition 64 associated with the port 204 includes a VLAN ID 642 and a priority 643 associated with the stream ID 641 .
  • the priority definitions 62, 63, 64 are typically a stream ID that is stream identification information, a VLAN ID that is identification information contained in a frame, and a priority to be set in the frame. including priority.
  • priority definition 64 associated with port 204
  • the priority associated with the same stream ID and VLAN ID is set to "3", which is different from other priority definitions.
  • priority definition 64 frames 54 forwarded to end device 100-4 have their priority changed to "4.”
  • FIG. 10 is a schematic diagram showing a structural example of a frame in the control system 1 according to this embodiment.
  • the frame consists of a destination MAC address field 81, a source MAC address field 82, a TPID field 83, a Priority field 84, a CF field 85, a VLAN ID field 86, and an EtherType field 87. , a Data field 88 and an FCS field 89 .
  • the destination MAC address field 81 stores the MAC address indicating the transfer destination of the frame.
  • the source MAC address field 82 stores a MAC address indicating the transfer source of the frame.
  • the TPID field 83 stores a value indicating that the IEEE 802.1Q VLAN-Tag follows.
  • the Priority field 84 stores the priority of the frame.
  • a CF field 85 stores a value indicating whether the MAC address conforms to the standard format.
  • the VLAN ID field 86 stores the identification information of the belonging VLAN (Virtual Local Area Network).
  • the EtherType field 87 stores identification information indicating the upper layer protocol of the data stored in the Data field 88 .
  • Data field 88 stores any data to be transmitted.
  • the FCS field 89 stores a CRC value for error detection.
  • the switch 200 when the switch 200 changes the priority, it rewrites the value of the Priority field 84 in the frame.
  • a stream ID is assigned to each data path.
  • a stream ID is determined based on the values of one or more fields included in the frame.
  • the stream ID may be determined by referring to the destination IP address, source IP address, transfer destination port number, transfer source port number, and the like.
  • FIG. 11 is a schematic diagram showing an application example of the control system 1 according to this embodiment.
  • end devices 100-1, 100-2 and 100-3 as controllers and end device 100-4 as HMI are connected via two switches 200-1 and 200-2.
  • switches 200-1 and 200-2 Assume a network configuration example in which
  • the end device 100-4 which is an HMI, needs to refer to the data transmitted by the end device 100-1 to the end devices 100-2 and 100-3, respectively. That is, it is assumed that the end device 100-4 is a Subscriber for data published by the end device 100-1.
  • the frame transmitted from the end device 100-1 is changed from unicast to multicast. That is, the frame transferred from the end device 100-1 to the end device 100-2 is changed so that it is also transferred to the end device 100-4. Similarly, a frame transferred from end device 100-1 to end device 100-3 is modified so that it is also transferred to end device 100-4.
  • the network controller 300 (FIG. 1) newly designs the allocation of stream IDs and recalculates the traffic schedule according to the data path of the modified frame transmitted from the end device 100-1. At this time, the level of QoS on the receiving side (for example, synchronization guarantee, delay guarantee, non-guarantee, etc.) is specified. The network controller 300 generates priority definitions according to the specified QoS level.
  • the network controller 300 sets configuration parameters, including traffic schedules and priority definitions, for the end devices 100 and switches 200 connected to the network.
  • the setting including the priority definition is changed according to the setting change to perform data communication with a new end device 100 as well. Parameters may be provided.
  • FIG. 12 is a schematic diagram showing an example of changing the priority of frames in the network configuration example shown in FIG. Referring to FIG. 12, assume that port 201 of switch 200-1 receives frame 71 from end device 100-1. Frame 71 has a priority set to "7" and is transferred to end device 100-2 and end device 100-4.
  • frame 72 which is a copy of frame 71, is forwarded to port 202 and forwarded from port 202 to end device 100-2. At this time, according to the priority definition 65 for the port 202, the priority of the frame 72 remains "7".
  • the port 201 of the switch 200-1 receives the frame 76 from the end device 100-1.
  • Frame 76 has a priority of "7" and is forwarded to end device 100-3 and end device 100-4.
  • frame 77 which is a copy of frame 76, is forwarded to port 202 and from port 202 to switch 200-2.
  • the priority of the frame 76 remains "7".
  • Switch 200-2 processes frames 73 and 74 from switch 200-1. More specifically, when switch 200-2 receives frame 73 at port 205 to be forwarded to end device 100-4, it transmits frame 74, which is a copy of frame 73, from port 207 to end device 100-4. . At this time, according to the priority definition 68 for the port 207, the priority of the frame 74 is maintained as "3" after the change.
  • the switch 200-2 receives the frame 77 to be transferred to the end device 100-3 at the port 205, it transmits a frame 78, which is a copy of the frame 77, from the port 206 to the end device 100-3.
  • the priority of the frame 78 remains "7".
  • switch 200-2 transmits frame 79, which is a copy of frame 77, from port 207 to end device 100-4.
  • frame 79 which is a copy of frame 77, from port 207 to end device 100-4.
  • the priority of the frame 79 is changed from "7" to "3".
  • the switch 200-2 receives the frame 73 to be transferred to the end device 100-4 at the port 205, it transmits a frame 74, which is a copy of the frame 73, from the port 207 to the end device 100-4.
  • the priority of the frame 78 is maintained as "3" after the change.
  • a high priority is set for frames transferred from the end device 100-1 to the end devices 100-2 and 100-3, while the frames transferred from the end device 100-1 to the end device 100-3 For frames forwarded to -4, the priority is lowered.
  • FIG. 13 is a schematic diagram showing an example of a user interface for realizing the communication method in the control system 1 according to this embodiment.
  • the user interface shown in FIG. 13 may be provided by the network controller 300 or may be provided by a support device connected to the network controller 300.
  • FIG. 13 is a schematic diagram showing an example of a user interface for realizing the communication method in the control system 1 according to this embodiment.
  • the user interface shown in FIG. 13 may be provided by the network controller 300 or may be provided by a support device connected to the network controller 300.
  • FIG. 13 is a schematic diagram showing an example of a user interface for realizing the communication method in the control system 1 according to this embodiment.
  • the user interface shown in FIG. 13 may be provided by the network controller 300 or may be provided by a support device connected to the network controller 300.
  • FIG. 13 is a schematic diagram showing an example of a user interface for realizing the communication method in the control system 1 according to this embodiment.
  • the user interface shown in FIG. 13 may be provided by the network controller 300
  • the user selects a new device to transmit data via the user interface screen 400 shown in FIG. 13(A). That is, a new device for data communication is selected or added.
  • user interface screen 400 shows the current network configuration and allows the user to select devices for the network in any manner.
  • the user selects target data via the user interface screen 402 shown in FIG. 13(B). Further, the user selects the priority on the data receiving side (destination) via the user interface screen 404 shown in FIG. 13(C). That is, the user selects a guarantee method (synchronization guarantee, delay guarantee, no guarantee) on the new data receiving side. In addition to the assurance method, a communication protocol (OPC UA Pub/Sub communication, security communication, etc.), communication cycle, etc. may be selected.
  • OPC UA Pub/Sub communication, security communication, etc. may be selected.
  • the network controller 300 or support device calculates the necessary traffic schedule and prepares transfer parameters including the calculated traffic schedule, various setting values, and priority definitions. do.
  • the user may be provided with a user interface screen for accepting settings for the new end device 100 that performs data communication.
  • the priority definition may be generated based on the guarantee method (synchronization guarantee, delay guarantee, no guarantee) selected for the end device 100 that newly receives data. .
  • the network controller 300 or support device provides transfer parameters to the target end device 100 and switch 200 .
  • the setting parameters may be provided to the network controller 300 once, and then provided from the network controller 300 to the target end device 100 and switch 200 .
  • the end device 100 and the switch 200 are activated according to the setting parameters provided by the network controller 300 or support equipment, and perform data communication and frame transfer according to the designated setting parameters.
  • the data path and bandwidth are calculated in consideration of the request of the guarantee method on the data receiving side in addition to the priority set for each stream. Furthermore, for sections in which the priority can be lowered, a priority definition is calculated so that the priority of the frame can be changed by a switch arranged in the preceding stage of the section.
  • the user interface is not limited to the one shown in FIG. 13, and any method may be used to set the request of each end device 100 in the network. Further, for example, at startup, each end device 100 may notify the network controller 300 of the guarantee method for data received by the device, and the network controller 300 may calculate the necessary configuration parameters.
  • FIG. 14 is a flowchart showing a processing procedure for preparing setting parameters in the control system 1 according to this embodiment.
  • Each step shown in FIG. 14 is typically implemented by processor 302 of network controller 300 executing network setting program 324 . However, it may be implemented by a support device connected to the network controller 300 executing a network setting program.
  • network controller 300 acquires current network setting information (step S100), and also acquires setting information related to new data transmission (step S102).
  • Current network setting information includes network topology, OPC UA Pub/Sub communication settings, priority settings for each data communication, and so on.
  • the setting information related to new data transmission includes the type of data to be newly transmitted, the device to receive new data, the required assurance method, the communication cycle, and the like.
  • the network controller 300 calculates a stream ID assignment and a traffic schedule based on the current network setting information and setting information related to new data transmission (step S104). Then, the network controller 300 determines whether or not there is a section in which the priority can be changed in the data path of each stream (step S106). At this time, requirements such as QoS at the destination device are considered. That is, the network controller 300 executes a process of determining a section in the data path of frames directed to a plurality of devices for which the priority can be lowered according to a request from the destination device.
  • network controller 300 If there is a section for which the priority of the data path can be changed for any stream (YES in step S106), network controller 300 generates a priority definition corresponding to the section whose priority should be changed (step S108). ). Note that the priority definition is generated in association with the port of the switch 200 corresponding to the section whose priority should be changed.
  • the network controller 300 or the support device executes a process of preparing priority definitions that define stream priorities in association with the ports of the switches 200 that make up the network.
  • step S108 if there is no section in which the priority of the data path can be changed for any stream (NO in step S106), the process of step S108 is skipped.
  • the network controller 300 then provides configuration parameters including the calculated stream schedule and priority definition to each of the end devices 100 and switches 200 (step S108). Thus, the network controller 300 takes care of sending stream schedules and priority definitions to the switches.
  • Each of the end device 100 and the switch 200 starts up according to the setting parameters from the network controller 300.
  • FIG. 15 is a flow chart showing a processing procedure relating to frame transfer processing of the switch 200 of the control system 1 according to this embodiment. Each step shown in FIG. 15 is typically executed by the transmission/reception control circuit 212 of the switch 200 .
  • switch 200 when switch 200 receives a frame at any port (YES in step S200), it specifies a stream based on the header information of the frame (step S202). That is, the switch 200 performs processing to identify the stream of frames to be transferred.
  • the switch 200 refers to the priority definition, acquires the priority associated with the identified stream (step S204), and determines whether the priority of the target frame matches the acquired priority. (step S206).
  • step S206 If the priority of the target frame does not match the acquired priority (NO in step S206), the switch 200 changes the priority of the target frame to the acquired priority (step S208). If the priority of the target frame matches the acquired priority (YES in step S206), the process of step S208 is skipped.
  • the switch 200 identifies the port corresponding to the transfer destination of the target frame (step S210), and stores it in the queue 220 (FIG. 5) corresponding to the priority (traffic class) of the identified port (step S212). ). Then, the switch 200 transmits the frames stored in the queue 220 to the transfer destination according to a given traffic schedule (step S214).
  • the switch 200 refers to the priority definition, changes the priority of the frame, and then transfers the frame to the subsequent stage.
  • TSN Time Sensitive Networking
  • OPC UA OPC Unified Architecture
  • the step of preparing the priority definition includes a step of determining a section in a data path of frames directed to a plurality of devices, in which the priority can be lowered according to a request from the destination device (S106).
  • the communication method of configuration 1, comprising:
  • Configuration 5 Any one of configurations 1 to 4, wherein the step of preparing the priority definition includes the step of generating the priority definition (S108) based on a selected assurance method for a device newly receiving data. communication method described in .
  • the switch includes a plurality of queues (220) prepared for each priority and a plurality of gates (222) for sequentially outputting data stored in the plurality of queues according to a schedule A communication method according to any one of the preceding items.
  • the priority definition includes stream identification information (621, 631, 641), identification information (622, 632, 642) contained in frames, and priority levels (623, 633, 643) to be set in frames.
  • the communication method according to any one of configurations 1-7, comprising:
  • a communication system (1) including a network according to TSN (Time Sensitive Networking), a network controller (300); a switch (200); and one or more devices (100) connected to the network, at least part of the one or more devices being configured to perform data communication using a communication protocol conforming to OPC UA (OPC Unified Architecture).
  • TSN Time Sensitive Networking
  • OPC UA OPC Unified Architecture
  • the communication system comprises: Means (S100 to S106) for generating a priority definition that defines the priority of a stream in association with the ports of the switches that make up the network; means for identifying a stream of frames to be transferred (S202); means (S204 to S212) for transferring the frames (54, 73, 79) to a subsequent stage after changing the priority of the frames (54, 73, 79) by referring to the priority definition.
  • the switch is means for identifying a stream of frames to be transferred (S202); Means ( S204 to S212).
  • optimization of bandwidth allocation according to priority can be realized in a network combining TSN and OPC UA.

Landscapes

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Abstract

ＴＳＮに従うネットワークにおける通信方法が提供される。ネットワークに接続されるデバイスの少なくとも一部は、ＯＰＣ　ＵＡに従う通信プロトコルでデータ通信を行うように構成されている。通信方法は、ネットワークを構成するスイッチのポートに対応付けて、ストリームの優先度を規定した優先度定義を用意するステップと、転送されるフレームのストリームを特定するステップと、優先度定義を参照してフレームの優先度を変更した上で後段に転送するステップとを含む。

Description

通信方法、通信システムおよびスイッチ
　本技術は、ＴＳＮ（Time　Sensitive　Networking）に従うネットワークに係る通信方法、通信システムおよびスイッチに関する。
　一般的な情報系ネットワークに採用されている標準的なネットワーク（例えば、イーサネット（登録商標））を産業分野のネットワークでも利用できるように拡張する取り組みが進行しつつある。より具体的には、イーサネット（登録商標）をベースにして、ネットワークが決定性のある挙動をするように改良されたＩＥＥＥ（Institute　of　Electrical　and　Electronic　Engineers）　８０２．１　ＴＳＮ（Time　Sensitive　Networking）（以下、単に「ＴＳＮ」とも称す。）が知られている。ＴＳＮによれば、例えば、イーサネット（登録商標）などの汎用的なハードウェアを用いて、リアルタイム通信をより容易に実現できる。
　また、デバイス間でデータ通信を行うための通信スタックとして、ＩＥＣ６２５４１として国際標準化されているＯＰＣ　ＵＡ（OPC　Unified　Architecture）が注目されている。
　ＴＳＮとＯＰＣ　ＵＡとの組み合わせは、「ＯＰＣ　ＵＡ　ｏｖｅｒ　ＴＳＮ」などとも称される。例えば、特許文献１（欧州特許第０３３５７２１８号明細書）は、ＩＥＥＥ　８０２．１に従うＴＳＮ規格に従うストリームによるネットワークにおける、ＯＰＣ－ＵＡプロトコルに従うクライエントデバイスおよびサーバデバイスとの間のデータ通信などを開示する。
欧州特許第０３３５７２１８号明細書
　ＴＳＮにおいては、フレーム転送の経路に相当するストリームと、各ストリームの優先度であるトラフィッククラスと、利用可能な帯域とを考慮して、トラフィックがスケジューリングされる。一方、ＯＰＣ　ＵＡにおいては、１対複数でのデータ通信も可能であるが、ＱｏＳ（Quality　of　Service）については、基本的にはデータ通信単位で定義される。そのため、データを複数の送信先に送信する場合などには、当該複数の送信先に対してＱｏＳが一律に設定される。そのため、送信先の要求以上に高い優先度でデータが送信されることもあり、効率的な帯域割り当てが実現できないおそれがあった。
　本技術は、ＴＳＮとＯＰＣ　ＵＡを組み合わせたネットワークにおいて、優先度に応じた帯域割り当ての最適化を実現するための仕組みを提供する。
　本技術のある実施の形態に従えば、ＴＳＮに従うネットワークにおける通信方法が提供される。ネットワークに接続されるデバイスの少なくとも一部は、ＯＰＣ　ＵＡに従う通信プロトコルでデータ通信を行うように構成されている。通信方法は、ネットワークを構成するスイッチのポートに対応付けて、ストリームの優先度を規定した優先度定義を用意するステップと、転送されるフレームのストリームを特定するステップと、優先度定義を参照してフレームの優先度を変更した上で後段に転送するステップとを含む。
　この構成によれば、例えば、複数のデバイスに同一のデータを送信する場合などにおいて、特定のデバイスについては、データを受信する優先度を下げても問題ないときには、当該特定のデバイスのみが通過する区間のフレームについては、優先度を下げることができる。このような局所的な優先度の変更を利用することで、帯域割り当ての最適化を実現できる。
　優先度定義を用意するステップは、複数のデバイスに向けられたフレームのデータパスのうち、宛先のデバイスでの要求に応じて、優先度を下げることができる区間を決定するステップを含んでいてもよい。この構成によれば、宛先のデバイスでの要求に応じて、特定の区間について優先度を下げることができるので、より効率的に帯域を割り当てることができる。
　優先度定義を用意するステップは、複数のデバイス間でデータ通信が行われている状態に加えて、新たなデバイスとの間でもデータ通信を行うとの設定変更に応じて、実行されてもよい。この構成によれば、既存のデータ通信に関連するデバイスが増加した場合であっても、効率的な帯域割り当てを実現できる。
　通信方法は、データ通信を行う新たなデバイスの設定を受け付けるためのユーザインターフェイス画面を提供するステップをさらに含んでいてもよい。この構成によれば、専門知識の乏しいユーザであっても、ネットワークにおける効率的な帯域割り当てを実現できる。
　優先度定義を用意するステップは、新たにデータを受信するデバイスについて選択された保証方法に基づいて、優先度定義を生成するステップを含んでいてもよい。この構成によれば、新たにデータを受信するデバイスが要求する保証方法に応じて、効率的な帯域割り当てを実現できる。
　スイッチは、優先度毎に用意された複数のキューと、スケジュールに従って、複数のキューに格納されたデータを順次出力する複数のゲートとを含んでいてもよい。この構成によれば、スケジュールに沿って、各フレームを優先度に応じて転送できる。
　通信方法は、ネットワークコントローラが優先度定義およびスケジュールをスイッチへ送信するステップをさらに含んでいてもよい。この構成によれば、ネットワークコントローラがＴＳＮおよびＯＰＵ　ＵＡの両方を含めたネットワーク管理を行うことができる。
　優先度定義は、ストリームの識別情報と、フレームに含まれる識別情報と、フレームに設定すべき優先度とを含んでいてもよい。この構成によれば、優先度定義を参照することで、優先度を変更すべきフレームを容易に特定できる。
　本技術の別の実施の形態に従えば、ＴＳＮに従うネットワークを含む通信システムが提供される。通信システムは、ネットワークコントローラと、スイッチと、ネットワークに接続される１または複数のデバイスとを含む。１または複数のデバイスの少なくとも一部は、ＯＰＣ　ＵＡに従う通信プロトコルでデータ通信を行うように構成されている。通信システムは、ネットワークを構成するスイッチのポートに対応付けて、ストリームの優先度を規定した優先度定義を生成する手段と、転送されるフレームのストリームを特定する手段と、優先度定義を参照してフレームの優先度を変更した上で後段に転送する手段とを含む。
　本技術のさらに別の実施の形態に従えば、ＴＳＮに従うネットワークを構成するスイッチが提供される。ネットワークに接続される１または複数のデバイスの少なくとも一部は、ＯＰＣ　ＵＡに従う通信プロトコルでデータ通信を行うように構成されている。スイッチは、転送されるフレームのストリームを特定する手段と、ネットワークを構成するスイッチのポートに対応付けて、ストリームの優先度を規定した優先度定義を参照して、フレームの優先度を変更した上で後段に転送する手段とを含む。
　本技術によれば、ＴＳＮとＯＰＣ　ＵＡを組み合わせたネットワークにおいて、優先度に応じた帯域割り当ての最適化を実現するための仕組みを提供できる。
本実施の形態に係る制御システムの全体構成の一例を示す模式図である。 本実施の形態に係る制御システムが採用する通信モデルの一例を示す図である。 本実施の形態に係る制御システムを構成するエンドデバイスのハードウェア構成例を示すブロック図である。 本実施の形態に係る制御システムを構成するエンドデバイスのハードウェア構成例を示すブロック図である。 本実施の形態に係る制御システムを構成するスイッチのハードウェア構成例を示すブロック図である。 本実施の形態に係る制御システムを構成するネットワークコントローラのハードウェア構成例を示すブロック図である。 本実施の形態に係る制御システムを構成するスイッチの１つのポートに関するより詳細な構成を示す模式図である。 本実施の形態に係る制御システムのネットワーク構成例を示す模式図である。 本実施の形態に係る制御システムにおけるフレームの優先度の変更例を示す模式図である。 本実施の形態に係る制御システムにおけるフレームの構造例を示す模式図である。 本実施の形態に係る制御システムの応用例を示す模式図である。 図１１に示すネットワーク構成例におけるフレームの優先度の変更例を示す模式図である。 本実施の形態に係る制御システムにおける通信方法を実現するためのユーザインターフェイスの一例を示す模式図である。 本実施の形態に係る制御システムにおける設定パラメータの用意に係る処理手順を示すフローチャートである。 本実施の形態に係る制御システムのスイッチのフレーム転送処理に係る処理手順を示すフローチャートである。
　本技術の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中の同一または相当部分については、同一符号を付してその説明は繰返さない。
　＜Ａ．適用例＞
　まず、本実施の形態に係る制御システム１の全体構成の一例について説明する。
　図１は、本実施の形態に係る制御システム１の全体構成の一例を示す模式図である。図１に示す制御システム１は、ＰＬＣ（プログラマブルコントローラ）などの制御装置と、ＨＭＩ（ヒューマンマシーンインターフェイス）とを含む通信システムの一例である。
　以下では、制御装置を「エンドデバイス１００」と総称し、ＨＭＩを「エンドデバイス１５０」と総称する。但し、「エンドデバイス」は、制御装置およびＨＭＩに限られず、任意の装置を含み得る。
　制御システム１は、スイッチ２００と、ネットワークコントローラ３００とをさらに含む。
　より具体的には、制御装置に相当するエンドデバイス１００－１は、リンク２０を介して、スイッチ２００と接続されている。
　制御装置に相当するエンドデバイス１００－２は、リンク２２を介して、スイッチ２００と接続されている。制御装置に相当するエンドデバイス１００－３は、リンク２４を介して、スイッチ２００と接続されている。ＨＭＩに相当するエンドデバイス１５０は、リンク２６を介して、スイッチ２００と接続されている。
　スイッチ２００には、リンク２８を介して、ネットワークコントローラ３００が接続されている。
　本実施の形態に係る制御システム１は、ＩＥＥＥ　８０２．１　ＴＳＮに従うネットワークを含んでいる。そのため、本実施の形態に係る制御システム１においては、ＴＳＮに従うネットワークにおける通信方法が実行される。また、制御システム１を構成するエンドデバイス１００、エンドデバイス１５０、スイッチ２００、およびネットワークコントローラ３００は、図示しない時間同期主体によって、互いに時間同期している。なお、時間同期については、ＩＥＥＥ　８０２．１　ＴＳＮの下位規格であるＩＥＥＥ　８０２．１　ＡＳ－２０２０や、高精度時間プロトコル（ＰＴＰ：Precision　Time　Protocol）であるＩＥＥＥ　１５８８などに従って実現される。
　ネットワークコントローラ３００は、ＴＳＮにおけるフレーム転送を管理する主体であり、リソース割り当ておよび可用性を計算することで、トラフィック（ストリーム）がスケジューリングされる。典型的には、ネットワークコントローラ３００は、ＩＥＥＥ　８０２．１　ＴＳＮの下位規格であるＩＥＥＥ　８０２．１　Ｑｃｃの規定に従って、トラフィックをスケジューリングする。
　本明細書において、特段の断りがない限り、単に「ＴＳＮ」との用語は、ＩＥＥＥ　８０２．１　ＴＳＮに従うネットワークを総称する。
　なお、ＩＥＥＥ　８０２．１　ＴＳＮは、主として、データリンク層を規定するものであり、ネットワーク層およびトランスポート層については、例えば、ＴＣＰ／ＩＰあるいはＵＤＰ／ＩＰなどのプロトコルを用いることができる。後述するように、ＩＥＥＥ　８０２．１　ＴＳＮ規格は、いくつかの下位規格を含む。
　本明細書において、「デバイス」は、ＩＥＥＥ　８０２．１　ＴＳＮに従うネットワークに接続される任意のデバイスを包含する。「デバイス」は、典型的には、エンドデバイスと、スイッチと、ネットワークコントローラとを含み得る。
　本明細書において、「設定パラメータ」は、ネットワークを動作させるために必要な設定情報を包含する。「設定パラメータ」は、例えば、各種の設定値、トラフィックのスケジュールおよび優先度定義などを含む。典型的には、ネットワークコントローラ３００がエンドデバイス１００およびスイッチ２００の各々に対して、設定パラメータを送信する。
　本明細書において、「優先度定義」は、ストリームとして特定されるフレームの各々に対して設定される優先度を規定した情報を包含する。「優先度定義」のデータ構造は、どのようなものであってもよい。「優先度定義」は、典型的には、スイッチのポート毎に設定される。「優先度定義」の詳細については後述する。
　図２は、本実施の形態に係る制御システム１が採用する通信モデルの一例を示す図である。図２には、ＯＳＩ階層モデルに従って、制御システム１が採用する通信モデルを示す。
　図２を参照して、制御システム１は、任意の物理層の上に、ＩＥＥＥ　８０２．１　ＴＳＮに従って拡張されたイーサネット（登録商標）がデータリンク層として実装される。さらに、ネットワーク層としてＩＰプロトコル、および、トランスポート層としてＴＣＰプロトコルあるいはＵＤＰプロトコルが実装される。さらに、セッション層、プレゼンテーション層、アプリケーション層として、ＯＰＣ　ＵＡが採用される。ＯＰＣ　ＵＡは、情報モデルおよび通信モデルなどの複数階層から構成される。
　なお、スイッチには、ＯＰＣ　ＵＡを実装する必要はなく、ＯＰＣ　ＵＡは、主として、エンドデバイス１００およびエンドデバイス１５０に実装される。そのため、ＴＳＮに接続されるデバイスの少なくとも一部は、ＯＰＣ　ＵＡに従う通信プロトコルでデータ通信を行うように構成される。
　本実施の形態に係る制御システム１においては、ＯＰＣ　ＵＡの状態に応じて、ＴＳＮにおけるフレーム転送の優先度などを動的に変更することで、ＯＰＣ　ＵＡの要求を満たすようなデータ通信を実現する。
　再度図１を参照して、エンドデバイス１００の各々は、ＴＳＮとは独立したフィールドバス３０を有している。フィールドバス３０には、１または複数のフィールドデバイス４０が接続される。１または複数のフィールドデバイス４０は、フィールド信号を取得する入力デバイス、および、エンドデバイス１００からの指示に従ってフィールドに対して何らかのアクションを行う出力デバイスあるいはアクチュエータを含む。
　＜Ｂ．ハードウェア構成例＞
　次に、制御システム１に含まれる各装置のハードウェア構成の一例について説明する。
　（ｂ１：エンドデバイス１００（制御装置））
　図３は、本実施の形態に係る制御システム１を構成するエンドデバイス１００のハードウェア構成例を示すブロック図である。図３を参照して、エンドデバイス１００は、プロセッサ１０２と、主メモリ１０４と、ネットワークインターフェイス１１０と、ストレージ１２０と、内部バスインターフェイス１３０と、フィールドバスインターフェイス１３２と、メモリカードインターフェイス１３４とを含む。各コンポーネントは、バス１３８を介して電気的に接続されている。
　プロセッサ１０２は、ＣＰＵ（Central　Processing　Unit）、ＭＰＵ（Micro-Processing　Unit）、ＧＰＵ（Graphical　Processing　Unit）などで構成され、ストレージ１２０に格納された各種プログラムを読み出して、主メモリ１０４に展開して実行することで、制御装置としての処理を実現する。
　ネットワークインターフェイス１１０は、ＴＳＮを介したフレーム転送を担当する。より具体的には、ネットワークインターフェイス１１０は、送受信制御回路１１２と、送信回路１１４と、受信回路１１６とを含む。送受信制御回路１１２は、ネットワークコントローラ３００から予め与えられたトラフィックのスケジュールに従って、送信回路１１４および受信回路１１６を制御する。送信回路１１４は、送受信制御回路１１２からの指示に従って、ＴＳＮ上にフレームを送信する。受信回路１１６は、ＴＳＮを介して入来したフレームを受信する。
　ストレージ１２０には、典型的には、制御装置としての機能を実現するためのシステムプログラム１２２と、制御装置が実行する制御ロジックを規定したユーザプログラム１２４とが格納される。
　内部バスインターフェイス１３０は、エンドデバイス１００に搭載されるＩ／Ｏユニット１４０との間でデータをやり取りする。
　フィールドバスインターフェイス１３２は、フィールドバス３０を介したフィールドデバイスとの間でデータをやり取りする。
　メモリカードインターフェイス１３４は、メモリカード１３６を着脱可能に構成されており、メモリカード１３６に対してデータを書込み、メモリカード１３６から各種データ（ユーザプログラムやトレースデータなど）を読出すことが可能になっている。
　図３には、プロセッサ１０２がプログラムを実行することで必要な機能が提供される構成例を示したが、これらの提供される機能の一部または全部を、専用のハードワイヤード回路（例えば、ＡＳＩＣ（Application　Specific　Integrated　Circuit）やＦＰＧＡ（Field-Programmable　Gate　Array）など）を用いて実装してもよい。あるいは、エンドデバイス１００の主要部を、汎用的なアーキテクチャに従うハードウェア（例えば、汎用パソコンをベースとした産業用パソコン）を用いて実現してもよい。このように、エンドデバイス１００で実行される処理および提供する機能は、プロセッサ、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡなどを含む処理回路（processing　circuitry）で実現してもよい。
　（ｂ２：エンドデバイス１５０（ＨＭＩ））
　図４は、本実施の形態に係る制御システム１を構成するエンドデバイス１５０のハードウェア構成例を示すブロック図である。図４を参照して、エンドデバイス１５０は、プロセッサ１５２と、主メモリ１５４と、ネットワークインターフェイス１６０と、ストレージ１７０と、ディスプレイ１８０と、入力部１８２と、メモリカードインターフェイス１８４とを含む。各コンポーネントは、バス１８８を介して電気的に接続されている。
　プロセッサ１５２は、ＣＰＵ、ＭＰＵ、ＧＰＵなどで構成され、ストレージ１７０に格納された各種プログラムを読み出して、主メモリ１０４に展開して実行することで、ＨＭＩとしての処理を実現する。
　ネットワークインターフェイス１６０は、ＴＳＮを介したフレーム転送を担当する。より具体的には、ネットワークインターフェイス１６０は、送受信制御回路１６２と、送信回路１６４と、受信回路１６６とを含む。送受信制御回路１１２は、ネットワークコントローラ３００から予め与えられたトラフィックのスケジュールに従って、送信回路１６４および受信回路１６６を制御する。送信回路１６４は、送受信制御回路１６２からの指示に従って、ＴＳＮ上にフレームを送信する。受信回路１６６は、ＴＳＮを介して入来したフレームを受信する。
　ストレージ１７０には、典型的には、ＨＭＩとしての機能を実現するためのシステムプログラム１７２と、制御装置が実行する制御ロジックを規定したユーザプログラム１７４とが格納される。
　ディスプレイ１８０は、プロセッサ１５２による演算結果などを表示する。入力部１８２は、ユーザ操作を受け付けて、当該受け付けたユーザ操作の内容をプロセッサ１５２へ出力する。典型的には、ディスプレイ１８０および入力部１８２は、タッチパネルの形で実装されてもよい。
　メモリカードインターフェイス１８４は、メモリカード１８６を着脱可能に構成されており、メモリカード１８６に対してデータを書込み、メモリカード１８６から各種データ（ユーザプログラムやトレースデータなど）を読出すことが可能になっている。
　図４には、プロセッサ１５２がプログラムを実行することで必要な機能が提供される構成例を示したが、これらの提供される機能の一部または全部を、専用のハードワイヤード回路（例えば、ＡＳＩＣやＦＰＧＡなど）を用いて実装してもよい。あるいは、エンドデバイス１００の主要部を、汎用的なアーキテクチャに従うハードウェア（例えば、汎用パソコンをベースとした産業用パソコン）を用いて実現してもよい。このように、エンドデバイス１００で実行される処理および提供する機能は、プロセッサ、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡなどを含む処理回路で実現してもよい。
　（ｂ３：スイッチ２００）
　図５は、本実施の形態に係る制御システム１を構成するスイッチ２００のハードウェア構成例を示すブロック図である。図５を参照して、スイッチ２００は、送受信制御回路２１２と、送信回路２１４－１，２１４－２，２１４－３，２１４－４（以下、「送信回路２１４」と総称することもある。）と、受信回路２１６－１，２１６－２，２１６－３，２１６－４（以下、「受信回路２１６」と総称することもある。）とを含む。送信回路２１４と受信回路２１６との組で１つのポートを形成する。なお、図３には、４つのポートを有するスイッチ２００を例示するが、ポート数については、特に制限はない。
　送受信制御回路２１２は、ネットワークコントローラ３００から予め与えられたトラフィックのスケジュールに従って、送信回路１１４および受信回路１１６を制御する。より具体的には、送受信制御回路２１２は、転送エンジン２１８と、キュー２２０とを含む。
　送受信制御回路２１２は、プロセッサがファームウェアを実行することで実現してもよいし、ＡＳＩＣやＦＰＧＡなどのハードワイヤード回路を用いて実現してもよい。また、送受信制御回路２１２だけではなく、送信回路１１４および受信回路１１６を含む全体を単一のチップで実現してもよい。このように、スイッチ２００で実行される処理および提供する機能は、プロセッサ、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡなどを含む処理回路で実現してもよい。
　（ｂ４：ネットワークコントローラ３００）
　図６は、本実施の形態に係る制御システム１を構成するネットワークコントローラ３００のハードウェア構成例を示すブロック図である。図６を参照して、ネットワークコントローラ３００は、プロセッサ３０２と、主メモリ３０４と、ネットワークインターフェイス３１０と、ストレージ３２０とを含む。各コンポーネントは、バス３３８を介して電気的に接続されている。
　プロセッサ３０２は、ＣＰＵ、ＭＰＵ、ＧＰＵなどで構成され、ストレージ３２０に格納された各種プログラムを読み出して、主メモリ３０４に展開して実行することで、ネットワークコントローラとしての処理を実現する。
　ネットワークインターフェイス３１０は、ＴＳＮを介したフレーム転送を担当する。より具体的には、ネットワークインターフェイス３１０は、送受信制御回路３１２と、送信回路３１４と、受信回路３１６とを含む。
　ストレージ３２０には、典型的には、基本的な処理を実現するためのＯＳ３２２と、後述するような処理を実現するためのネットワーク設定プログラム３２４とが格納される。
　図６には、プロセッサ３０２がプログラムを実行することで必要な機能が提供される構成例を示したが、これらの提供される機能の一部または全部を、専用のハードワイヤード回路（例えば、ＡＳＩＣやＦＰＧＡを用いて実装してもよい。このように、ネットワークコントローラ３００で実行される処理および提供する機能は、プロセッサ、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡなどを含む処理回路で実現してもよい。
　＜Ｃ．ＴＳＮ規格に従うトラフィックのスケジューリングの実現＞
　ＴＳＮにおいては、ＩＥＥＥ　８０２．１　Ｑｃｃに従って、データパス毎にストリームＩＤが割り当てられ（ストリームが予約され）、ＩＥＥＥ　８０２．１　Ｑｂｖに従って、トラフィックがスケジューリングされる。スケジューリングに従ってトラフィックを制御するために、以下に示すようなキューおよびゲートの構成が採用される。
　図７は、本実施の形態に係る制御システム１を構成するスイッチ２００の１つのポートに関するより詳細な構成を示す模式図である。図７を参照して、各ポートは、送信回路２１４と受信回路２１６との組からなる。送信回路２１４と受信回路２１６との間には、転送エンジン２１８およびキュー２２０が設けられる。
　より具体的には、転送エンジン２１８は、振分回路２２４と、タイミング制御回路２２６とを含む。また、キュー２２０は、トラフィッククラスの各値に対応付けられた複数のキュー２２０－１～２２０－Ｍを含む。
　振分回路２２４は、受信回路２１６を介して受信したフレームのヘッダ情報などに従って、当該フレームをキュー２２０－１～２２０－Ｍのうちいずれかに格納し、あるいは、別のポートの振分回路２２４に転送する。また、振分回路２２４は、別のポートの振分回路２２４から受信したフレームについても同様の判断および処理を行う。
　振分回路２２４は、自ポートの送信回路２１４から送信すべきフレームを受信すると、当該フレームを当該フレームのトラフィッククラスに対応付けられたキュー２２０へ格納する。このような振分回路２２４での処理によって、キュー２２０－１～２２０－Ｍには、トラフィッククラス別に分類されたフレームが順次格納されることになる。例えば、トラフィッククラスが８である場合には、８個のキュー２２０が設けられる。
　振分回路２２４は、フレームに設定されている優先度（priority）を変更するための優先度変更部２３０を有している。優先度変更部２３０は、予め定められた設定（後述する優先度定義）に従って、入来したフレームのうち対象のフレームについて優先度（priority）を変更し、後段に転送する。フレームの優先度の変更については、後に詳細する。
　キュー２２０－１～２２０－Ｍの出力側には、ゲート２２２－１～２２２－Ｍがそれぞれ設けられている。ゲート２２２－１～２２２－Ｍ（以下、「ゲート２２２」と総称することもある。）の各々は、タイミング制御回路２２６からの指令に従って開閉する。ゲート２２２が開くと、対応付けられているキュー２２０に格納されているフレームが送信回路２１４から送信される。タイミング制御回路２２６から複数のゲート２２２に対して同時に開指令が与えられることはない。すなわち、タイミング制御回路２２６は、トラフィックのスケジュール２２８に従って、ゲート２２２を順次開閉する。これによって、スケジューリングに沿ってトラフィックを制御できる。
　このように、スイッチ２００は、トラフィッククラス（優先度）毎に用意された複数のキュー２２０と、トラフィックのスケジュールに従って、複数のキュー２２０に格納されたデータを順次出力する複数のゲート２２２とを含む。
　なお、エンドデバイス１００のポート（ネットワークインターフェイス１１０）、エンドデバイス１５０のポート（ネットワークインターフェイス１６０）、および、ネットワークコントローラ３００のポート（ネットワークインターフェイス３１０）についても、図７と同様の構成を有している。
　＜Ｄ．ＯＰＵ　ＵＡ＞
　次に、ＯＰＵ　ＵＡに関していくつかの説明を行う。ＯＰＣ　ＵＡにおいてデバイス間のデータ通信を実現するための一形態として、Ｐｕｂｌｉｓｈ／Ｓｕｂｓｃｒｉｂｅｒ通信（以下、「Ｐｕｂ／Ｓｕｂ通信」とも略称する。）が規定されている。Ｐｕｂ／Ｓｕｂ通信においては、受信側がＳｕｂｓｃｒｉｂｅｒとなり、送信側がデータをＰｕｂｌｉｓｈすることになる。
　Ｐｕｂ／Ｓｕｂ通信においては、１対１でデータ通信を行う形態を採用してもよいし、１対Ｎでデータ通信を行う形態を採用してもよい。データ通信の周期および対象のデータなどについても、ユーザが任意に設定することになる。
　＜Ｅ．概要＞
　次に、本実施の形態に係る制御システム１における通信方法の概要について説明する。
　図８は、本実施の形態に係る制御システム１のネットワーク構成例を示す模式図である。図８を参照して、エンドデバイス１００－１からエンドデバイス１００－２，１００－３，１００－４に対して、任意のデータを送信する場合を想定する。図８に示すデータ通信の例において、エンドデバイス１００－１は、エンドデバイス１００－２，１００－３，１００－４を宛先とするフレームをマルチキャストで送信する。スイッチ２００は、エンドデバイス１００－１から受信したフレームをエンドデバイス１００－２，１００－３，１００－４にそれぞれ接続されたポートから送信する。スイッチ２００は、受信したフレームをコピーして３つのポートからそれぞれ送信する。
　例えば、制御装置であるエンドデバイス１００－２およびエンドデバイス１００－３は、エンドデバイス１００－１が送信するデータを同期保証または遅延保証された状態で受信する必要があるが、ＨＭＩであるエンドデバイス１００－４は、エンドデバイス１００－１が送信するデータを同期保証または遅延保証された状態で受信する必要性は低いとする。すなわち、エンドデバイス１００－１とエンドデバイス１００－２，１００－３との間のデータ通信の優先度は高いが、エンドデバイス１００－１とエンドデバイス１００－４との間のデータ通信の優先度は低いとする。
　図８に示すように、宛先のエンドデバイス１００毎に優先度が異なっている場合であっても、エンドデバイス１００－１からエンドデバイス１００－２，１００－３，１００－４に同一のデータを送信するときには、エンドデバイス１００－１からエンドデバイス１００－２，１００－３，１００－４にそれぞれユニキャストでフレームを送信するのではなく、マルチキャストでフレームを送信する方が、エンドデバイス１００－１とスイッチ２００との間のトラフィックを低減できる場合がある。そのため、宛先のうち最も高い優先度に対応したフレームでデータ通信が行われる場合がある。
　しかしながら、スイッチ２００とエンドデバイス１００－４とのリンクにおいては、宛先をエンドデバイス１００－４とするフレームのみが転送されるので、優先度を下げても問題はない。むしろ、エンドデバイス１００－４が他のエンドデバイス１００とデータ通信するための帯域を確保する必要がある場合も想定される。
　そこで、本実施の形態に係る制御システム１は、フレームの優先度を、転送途中で、状況に応じて任意に変更できるように構成される。
　図９は、本実施の形態に係る制御システム１におけるフレームの優先度の変更例を示す模式図である。図９を参照して、スイッチ２００のポート２０１でエンドデバイス１００－１からのフレーム５１が受信されたとする。フレーム５１の優先度は「７」に設定されているとする。スイッチ２００の内部で、フレーム５１は、コピーされて、ポート２０２，２０３，２０４のそれぞれに転送される。
　より具体的には、フレーム５１のコピーであるフレーム５２は、ポート２０２に転送されるとともに、ポート２０２からエンドデバイス１００－２に転送される。フレーム５１のコピーであるフレーム５３は、ポート２０３に転送されるとともに、ポート２０３からエンドデバイス１００－３に転送される。フレーム５１のコピーであるフレーム５４は、ポート２０４に転送されるとともに、ポート２０４からエンドデバイス１００－４に転送される。
　このとき、ポート２０４に転送されるフレーム５４の優先度は、ポート２０１で受信されたフレーム５１の「７」から「３」に変更される。すなわち、エンドデバイス１００－４へ送信されるフレーム５４の優先度は、他のエンドデバイス１００－２，１００－３へ送信されるフレームの優先度より低い値に変更される。このような優先度の変更によって、スイッチ２００とエンドデバイス１００－４との間の帯域を確保できる。
　スイッチ２００は、各ポートについて優先度定義６２，６３，６４を有している。ポート２０２に対応付けられた優先度定義６２は、ストリームＩＤ６２１に対応付けて、ＶＬＡＮ　ＩＤ６２２と、優先度６２３とを含む。スイッチ２００は、優先度定義６２を参照して、ストリームＩＤ６２１および／またはＶＬＡＮ　ＩＤ６２２に基づいて、優先度を変更すべきフレームを特定するとともに、優先度を変更すべきとして特定されたフレームの優先度を指定された値に変更する。
　同様に、ポート２０３に対応付けられた優先度定義６３は、ストリームＩＤ６３１に対応付けて、ＶＬＡＮ　ＩＤ６３２と、優先度６３３とを含む。また、ポート２０４に対応付けられた優先度定義６４は、ストリームＩＤ６４１に対応付けて、ＶＬＡＮ　ＩＤ６４２と、優先度６４３とを含む。
　このように、優先度定義６２，６３，６４は、典型的には、ストリームの識別情報であるストリームＩＤと、フレームに含まれる識別情報であるＶＬＡＮ　ＩＤと、フレームに設定すべき優先度である優先度（priority）とを含む。
　図９に示すように、ポート２０４に対応付けられた優先度定義６４において、同一のストリームＩＤおよびＶＬＡＮ　ＩＤに対応付けられる優先度は、他の優先度定義とは異なる「３」に設定されている。優先度定義６４によって、エンドデバイス１００－４に転送されるフレーム５４は、優先度が「４」に変更される。
　図１０は、本実施の形態に係る制御システム１におけるフレームの構造例を示す模式図である。図１０を参照して、フレームは、宛先ＭＡＣアドレスフィールド８１と、送信元ＭＡＣアドレスフィールド８２と、ＴＰＩＤフィールド８３と、Ｐｒｉｏｒｉｔｙフィールド８４と、ＣＦフィールド８５と、ＶＬＡＮ　ＩＤフィールド８６と、ＥｔｈｅｒＴｙｐｅフィールド８７と、Ｄａｔａフィールド８８と、ＦＣＳフィールド８９とを含む。
　宛先ＭＡＣアドレスフィールド８１には、フレームの転送先を示すＭＡＣアドレスが格納される。送信元ＭＡＣアドレスフィールド８２には、フレームの転送元を示すＭＡＣアドレスが格納される。ＴＰＩＤフィールド８３には、ＩＥＥＥ　８０２．１Ｑ　ＶＬＡＮ－Ｔａｇが続くことを示す値が格納される。Ｐｒｉｏｒｉｔｙフィールド８４には、フレームの優先度（priority）が格納される。ＣＦフィールド８５には、ＭＡＣアドレスが標準フォーマットに従っているか否かを示す値が格納される。ＶＬＡＮ　ＩＤフィールド８６には、所属しているＶＬＡＮ（Virtual　Local　Area　Network）の識別情報が格納される。ＥｔｈｅｒＴｙｐｅフィールド８７には、Ｄａｔａフィールド８８に格納されたデータの上位レイヤプロトコルを示す識別情報が格納される。Ｄａｔａフィールド８８には、送信される任意のデータが格納される。ＦＣＳフィールド８９には、誤り検出のためのＣＲＣ値が格納される。
　上述したように、スイッチ２００が優先度を変更する場合には、フレーム内のＰｒｉｏｒｉｔｙフィールド８４の値を書き換える。
　なお、ＴＳＮにおいては、データパス毎にストリームＩＤが割り当てられている。フレームに含まれる１または複数のフィールドの値に基づいて、ストリームＩＤが判断される。
　例えば、宛先ＭＡＣアドレスフィールド８１の値とＶＬＡＮ　ＩＤフィールド８６の値との組み合わせで、いずれのストリームＩＤであるかを判断できる。あるいは、送信元ＭＡＣアドレスフィールド８２の値とＶＬＡＮ　ＩＤフィールド８６の値との組み合わせで、いずれのストリームＩＤであるかを判断できる。さらに、宛先ＩＰアドレス、送信元ＩＰアドレス、転送先ポート番号、転送元ポート番号などを参照して、ストリームＩＤが判断されてもよい。
　＜Ｆ．応用例＞
　次に、上述したようなスイッチ２００における優先度の変更の応用例について説明する。
　図１１は、本実施の形態に係る制御システム１の応用例を示す模式図である。図１１を参照して、制御装置であるエンドデバイス１００－１，１００－２，１００－３と、ＨＭＩであるエンドデバイス１００－４とが、２個のスイッチ２００－１，２００－２を介して接続されているネットワーク構成例を想定する。
　初期段階では、エンドデバイス１００－１からエンドデバイス１００－２に対して、Ｐｕｂ／Ｓｕｂ通信によりデータが周期的に送信されているとする。また、エンドデバイス１００－１からエンドデバイス１００－３に対して、Ｐｕｂ／Ｓｕｂ通信によりデータが周期的に送信されているとする。これらのデータは、制御装置の処理に用いられるデータであり、対応するフレームには高い優先度が設定されている。
　エンドデバイス１００－１がエンドデバイス１００－２およびエンドデバイス１００－３にそれぞれ送信するデータをＨＭＩであるエンドデバイス１００－４でも参照する必要が生じた場合を想定する。すなわち、エンドデバイス１００－１がＰｕｂｌｉｓｈするデータに対して、エンドデバイス１００－４がＳｕｂｓｃｒｉｂｅｒとなり場合を想定する。
　まず、エンドデバイス１００－１から送信されるフレームは、ユニキャストからマルチキャストに変更される。すなわち、エンドデバイス１００－１からエンドデバイス１００－２に転送されるフレームは、エンドデバイス１００－４へも転送されるように変更される。同様に、エンドデバイス１００－１からエンドデバイス１００－３に転送されるフレームは、エンドデバイス１００－４へも転送されるように変更される。
　ネットワークコントローラ３００（図１）は、エンドデバイス１００－１から送信される変更後のフレームにデータパスに応じて、ストリームＩＤの割り当てを新たに設計するとともに、トラフィックのスケジュールを再計算する。このとき、受信側のＱｏＳのレベル（例えば、同期保証、遅延保証、保証無など）が指定される。ネットワークコントローラ３００は、指定されたＱｏＳのレベルに応じて、優先度定義を生成する。
　最終的に、ネットワークコントローラ３００は、ネットワークに接続されているエンドデバイス１００およびスイッチ２００に対して、トラフィックのスケジュールおよび優先度定義などを含む設定パラメータを設定する。
　このように、複数のエンドデバイス１００間でデータ通信が行われている状態に加えて、新たなエンドデバイス１００との間でもデータ通信を行うとの設定変更に応じて、優先度定義を含む設定パラメータが用意されてもよい。
　図１２は、図１１に示すネットワーク構成例におけるフレームの優先度の変更例を示す模式図である。図１２を参照して、スイッチ２００－１のポート２０１でエンドデバイス１００－１からのフレーム７１が受信されたとする。フレーム７１は、優先度が「７」に設定されており、エンドデバイス１００－２およびエンドデバイス１００－４へ転送される。
　より具体的には、スイッチ２００－１において、フレーム７１のコピーであるフレーム７２は、ポート２０２に転送されるとともに、ポート２０２からエンドデバイス１００－２に転送される。このとき、ポート２０２についての優先度定義６５に従って、フレーム７２の優先度は「７」のまま維持される。
　一方、フレーム７１の別のコピーであるフレーム７３は、ポート２０３に転送されるとともに、ポート２０３からスイッチ２００－２およびエンドデバイス１００－４に転送される。このとき、ポート２０３についての優先度定義６６に従って、フレーム７３の優先度は「７」から「３」に変更される。
　また、スイッチ２００－１のポート２０１でエンドデバイス１００－１からのフレーム７６が受信されたとする。フレーム７６は、優先度が「７」に設定されており、エンドデバイス１００－３およびエンドデバイス１００－４へ転送される。スイッチ２００－１において、フレーム７６のコピーであるフレーム７７は、ポート２０２に転送されるとともに、ポート２０２からスイッチ２００－２に転送される。このとき、ポート２０２についての優先度定義６５に従って、フレーム７６の優先度は「７」のまま維持される。
　スイッチ２００－２は、スイッチ２００－１からのフレーム７３，７４を処理する。
　より具体的には、スイッチ２００－２は、エンドデバイス１００－４に転送すべきフレーム７３をポート２０５で受信すると、フレーム７３のコピーであるフレーム７４をポート２０７からエンドデバイス１００－４に送信する。このとき、ポート２０７についての優先度定義６８に従って、フレーム７４の優先度は、変更後の「３」のまま維持される。
　一方、スイッチ２００－２は、エンドデバイス１００－３に転送すべきフレーム７７をポート２０５で受信すると、フレーム７７のコピーであるフレーム７８をポート２０６からエンドデバイス１００－３に送信する。このとき、ポート２０７についての優先度定義６７に従って、フレーム７８の優先度は「７」のまま維持される。
　並行して、スイッチ２００－２は、フレーム７７のコピーであるフレーム７９をポート２０７からエンドデバイス１００－４に送信する。このとき、ポート２０７についての優先度定義６７に従って、フレーム７９の優先度は「７」から「３」に変更される。
　また、スイッチ２００－２は、エンドデバイス１００－４に転送すべきフレーム７３をポート２０５で受信すると、フレーム７３のコピーであるフレーム７４をポート２０７からエンドデバイス１００－４に送信する。このとき、ポート２０７についての優先度定義６７に従って、フレーム７８の優先度は、変更後の「３」のまま維持される。
　以上のような転送処理によって、エンドデバイス１００－１からエンドデバイス１００－２，１００－３へ転送されるフレームについては、高い優先度が設定される一方で、エンドデバイス１００－１からエンドデバイス１００－４へ転送されるフレームについては、優先度が下げられる。
　＜Ｇ．ユーザインターフェイス例＞
　次に、本実施の形態に係る制御システム１における通信方法を実現するためのユーザインターフェイスの一例について説明する。
　図１３は、本実施の形態に係る制御システム１における通信方法を実現するためのユーザインターフェイスの一例を示す模式図である。図１３に示すユーザインターフェイスは、ネットワークコントローラ３００が提供してもよいし、ネットワークコントローラ３００に接続されるサポート装置が提供してもよい。
　まず、ユーザは、図１３（Ａ）に示すユーザインターフェイス画面４００などを介して、新たにデータを送信するデバイスを選択する。すなわち、新たなデータ通信の対象となるデバイスを選択あるいは追加する。例えば、ユーザインターフェイス画面４００には、現在のネットワーク構成が示されており、ユーザは、任意の方法でネットワークのデバイスを選択する。
　次に、ユーザは、図１３（Ｂ）に示すユーザインターフェイス画面４０２などを介して、対象のデータを選択する。さらに、ユーザは、図１３（Ｃ）に示すユーザインターフェイス画面４０４などを介して、データの受信側（送信先）での優先度を選択する。すなわち、ユーザは、新たなにデータを受信する側での保証方法（同期保証、遅延保証、保証無し）を選択する。なお、保証方法に加えて、通信プロトコル（ＯＰＣ　ＵＡのＰｕｂ／Ｓｕｂ通信やセキュリティ通信など）や、通信周期などを選択してもよい。
　以上のようなユーザ設定を受けて、ネットワークコントローラ３００あるいはサポート装置は、必要なトラフィックのスケジュールを計算するとともに、計算したトラフィックのスケジュール、各種の設定値、および優先度定義などを含む転送パラメータを用意する。
　このように、データ通信を行う新たなエンドデバイス１００の設定を受け付けるためのユーザインターフェイス画面をユーザに提供するようにしてもよい。また、優先度定義を用意する処理においては、新たにデータを受信するエンドデバイス１００について選択された保証方法（同期保証、遅延保証、保証無し）に基づいて、優先度定義が生成されてもよい。
　そして、ネットワークコントローラ３００あるいはサポート装置は、転送パラメータを対象のエンドデバイス１００およびスイッチ２００へ提供する。なお、サポート装置で設定パラメータを用意した場合には、設定パラメータはネットワークコントローラ３００へ一旦提供され、ネットワークコントローラ３００から対象のエンドデバイス１００およびスイッチ２００へ提供されてもよい。
　エンドデバイス１００およびスイッチ２００は、ネットワークコントローラ３００あるいはサポート装置から提供された設定パラメータに従って起動し、指定された設定パラメータに従って、データ通信およびフレーム転送を行う。
　設定パラメータを用意する過程においては、ストリームの各々に設定される優先度に加えて、データの受信側での保証方法の要求も考慮して、データパスおよび帯域が計算される。さらに、優先度を下げることのできる区間については、当該区間の前段に配置されたスイッチにて、フレームの優先度を変更できるように、優先度定義が計算される。
　なお、図１３に示すようなユーザインターフェイスに限られず、任意の方法でネットワーク内の各エンドデバイス１００の要求を設定するようにしてもよい。さらに、例えば、起動時などにおいて、各エンドデバイス１００が自デバイスで受信するデータについての保証方法をネットワークコントローラ３００に通知し、ネットワークコントローラ３００が必要な設定パラメータを計算するようにしてもよい。
　＜Ｈ．処理手順＞
　次に、本実施の形態に係る制御システム１における処理手順について説明する。
　（ｈ１：設定パラメータの用意）
　図１４は、本実施の形態に係る制御システム１における設定パラメータの用意に係る処理手順を示すフローチャートである。図１４に示す各ステップは、典型的には、ネットワークコントローラ３００のプロセッサ３０２がネットワーク設定プログラム３２４を実行することで実現される。但し、ネットワークコントローラ３００に接続されるサポート装置がネットワーク設定プログラムを実行することで実現されてもよい。
　図１４を参照して、ネットワークコントローラ３００は、現在のネットワークの設定情報を取得する（ステップＳ１００）とともに、新たなデータ送信に係る設定情報を取得する（ステップＳ１０２）。
　現在のネットワークの設定情報は、ネットワークトポロジ、ＯＰＣ　ＵＡのＰｕｂ／Ｓｕｂ通信の設定、各データ通信の優先度の設定などを含む。新たなデータ送信に係る設定情報は、新たに送信するデータの種類、新たにデータを受信するデバイス、要求される保証方法、通信周期などを含む。
　そして、ネットワークコントローラ３００は、現在のネットワークの設定情報および新たなデータ送信に係る設定情報に基づいて、ストリームＩＤの割り当ておよびトラフィックのスケジュールを計算する（ステップＳ１０４）。そして、ネットワークコントローラ３００は、各ストリームのデータパスについて、優先度を変更できる区間が存在するか否かを判断する（ステップＳ１０６）。このとき、宛先のデバイスでのＱｏＳなどの要求が考慮される。すなわち、ネットワークコントローラ３００は、複数のデバイスに向けられたフレームのデータパスのうち、宛先のデバイスでの要求に応じて、優先度を下げることができる区間を決定する処理を実行する。
　いずれかのストリームについて、データパスの優先度を変更できる区間が存在すれば（ステップＳ１０６においてＹＥＳ）、ネットワークコントローラ３００は、優先度を変更すべき区間に対応する優先度定義を生成する（ステップＳ１０８）。なお、優先度定義は、優先度を変更すべき区間に対応するスイッチ２００のポートに対応付けて生成される。
　このように、ネットワークコントローラ３００またはサポート装置は、ネットワークを構成するスイッチ２００のポートに対応付けて、ストリームの優先度を規定した優先度定義を用意する処理を実行する。
　一方、いずれかのストリームについてもデータパスの優先度を変更できる区間が存在しなければ（ステップＳ１０６においてＮＯ）、ステップＳ１０８の処理はスキップされる。
　そして、ネットワークコントローラ３００は、計算されたストリームのスケジュールおよび優先度定義を含む設定パラメータをエンドデバイス１００およびスイッチ２００の各々に提供する（ステップＳ１０８）。このように、ネットワークコントローラ３００は、ストリームスケジュールおよび優先度定義をスイッチへ送信する処理を実行する。
　エンドデバイス１００およびスイッチ２００の各々は、ネットワークコントローラ３００からの設定パラメータに従って起動する。
　以上のような処理手順によって、本実施の形態に係る通信方法は実現される。
　（ｈ２：フレーム転送処理）
　図１５は、本実施の形態に係る制御システム１のスイッチ２００のフレーム転送処理に係る処理手順を示すフローチャートである。図１５に示す各ステップは、典型的には、スイッチ２００の送受信制御回路２１２によって実行される。図１５を参照して、スイッチ２００は、いずれかのポートでフレームを受信すると（ステップＳ２００においてＹＥＳ）、フレームのヘッダ情報に基づいてストリームを特定する（ステップＳ２０２）。すなわち、スイッチ２００は、転送されるフレームのストリームを特定する処理を実行する。
　スイッチ２００は、優先度定義を参照して、特定したストリームに対応付けられた優先度を取得し（ステップＳ２０４）、対象のフレームの優先度が取得した優先度と一致しているか否かを判断する（ステップＳ２０６）。
　対象のフレームの優先度が取得した優先度と一致していなければ（ステップＳ２０６においてＮＯ）、スイッチ２００は、対象のフレームの優先度を取得した優先度に変更する（ステップＳ２０８）。対象のフレームの優先度が取得した優先度と一致していれば（ステップＳ２０６においてＹＥＳ）、ステップＳ２０８の処理はスキップされる。
　続いて、スイッチ２００は、対象のフレームの転送先に対応するポートを特定し（ステップＳ２１０）、特定したポートの優先度（トラフィッククラス）に対応するキュー２２０（図５）に格納する（ステップＳ２１２）。そして、スイッチ２００は、予め与えられたトラフィックのスケジュールに従って、キュー２２０に格納したフレームを転送先に送信する（ステップＳ２１４）。
　このように、スイッチ２００は、優先度定義を参照してフレームの優先度を変更した上で後段に転送する処理を実行する。
　スイッチ２００においては、上述したようなフレームの転送処理が繰返される。
　＜Ｉ．付記＞
　上述したような本実施の形態は、以下のような技術思想を含む。
　［構成１］
　ＴＳＮ（Time　Sensitive　Networking）に従うネットワーク（１）における通信方法であって、前記ネットワークに接続されるデバイス（１００）の少なくとも一部は、ＯＰＣ　ＵＡ（OPC　Unified　Architecture）に従う通信プロトコルでデータ通信を行うように構成されており、
　前記ネットワークを構成するスイッチ（２００）のポートに対応付けて、ストリームの優先度を規定した優先度定義を用意するステップ（Ｓ１００～Ｓ１０６）と、
　転送されるフレームのストリームを特定するステップ（Ｓ２０２）と、
　前記優先度定義を参照してフレーム（５４，７３，７９）の優先度を変更した上で後段に転送するステップ（Ｓ２０４～Ｓ２１２）とを備える、通信方法。
　［構成２］
　前記優先度定義を用意するステップは、複数のデバイスに向けられたフレームのデータパスのうち、宛先のデバイスでの要求に応じて、優先度を下げることができる区間を決定するステップ（Ｓ１０６）を含む、構成１に記載の通信方法。
　［構成３］
　前記優先度定義を用意するステップは、複数のデバイス間でデータ通信が行われている状態に加えて、新たなデバイスとの間でもデータ通信を行うとの設定変更に応じて、実行される、構成１または２に記載の通信方法。
　［構成４］
　データ通信を行う新たなデバイスの設定を受け付けるためのユーザインターフェイス画面（４００，４０２，４０４）を提供するステップをさらに備える、構成３に記載の通信方法。
　［構成５］
　前記優先度定義を用意するステップは、新たにデータを受信するデバイスについて選択された保証方法に基づいて、前記優先度定義を生成するステップ（Ｓ１０８）を含む、構成１～４のいずれか１項に記載の通信方法。
　［構成６］
　前記スイッチは、優先度毎に用意された複数のキュー（２２０）と、スケジュールに従って、前記複数のキューに格納されたデータを順次出力する複数のゲート（２２２）とを含む、構成１～５のいずれか１項に記載の通信方法。
　［構成７］
　ネットワークコントローラが前記優先度定義および前記スケジュールをスイッチへ送信するステップ（Ｓ１０８）をさらに備える、構成６に記載の通信方法。
　［構成８］
　前記優先度定義は、ストリームの識別情報（６２１，６３１，６４１）と、フレームに含まれる識別情報（６２２，６３２，６４２）と、フレームに設定すべき優先度（６２３，６３３，６４３）とを含む、構成１～７のいずれか１項に記載の通信方法。
　［構成９］
　ＴＳＮ（Time　Sensitive　Networking）に従うネットワークを含む通信システム（１）であって、
　ネットワークコントローラ（３００）と、
　スイッチ（２００）と、
　前記ネットワークに接続される１または複数のデバイス（１００）とを備え、前記１または複数のデバイスの少なくとも一部は、ＯＰＣ　ＵＡ（OPC　Unified　Architecture）に従う通信プロトコルでデータ通信を行うように構成されており、前記通信システムは、
　前記ネットワークを構成するスイッチのポートに対応付けて、ストリームの優先度を規定した優先度定義を生成する手段（Ｓ１００～Ｓ１０６）と、
　転送されるフレームのストリームを特定する手段（Ｓ２０２）と、
　前記優先度定義を参照してフレーム（５４，７３，７９）の優先度を変更した上で後段に転送する手段（Ｓ２０４～Ｓ２１２）とを備える、通信システム。
　［構成１０］
　ＴＳＮ（Time　Sensitive　Networking）に従うネットワーク（１）を構成するスイッチ（２００）であって、前記ネットワークに接続される１または複数のデバイス（１００）の少なくとも一部は、ＯＰＣ　ＵＡ（OPC　Unified　Architecture）に従う通信プロトコルでデータ通信を行うように構成されており、
　前記スイッチは、
　転送されるフレームのストリームを特定する手段（Ｓ２０２）と、
　前記ネットワークを構成するスイッチのポートに対応付けて、ストリームの優先度を規定した優先度定義を参照して、フレーム（５４，７３，７９）の優先度を変更した上で後段に転送する手段（Ｓ２０４～Ｓ２１２）とを備える、スイッチ。
　＜Ｊ．利点＞
　本実施の形態に係る制御システムによれば、ＴＳＮとＯＰＣ　ＵＡを組み合わせたネットワークにおいて、優先度に応じた帯域割り当ての最適化を実現できる。
　今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明ではなく、請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
　１　制御システム、２０，２２，２４，２６，２８　リンク、３０　フィールドバス、４０　フィールドデバイス、５１，５２，５３，５４，７１，７２，７３，７４，７６，７７，７８，７９　フレーム、６２，６３，６４，６５，６６，６７，６８　優先度定義、８１　宛先ＭＡＣアドレスフィールド、８２　送信元ＭＡＣアドレスフィールド、８３　ＴＰＩＤフィールド、８４　Ｐｒｉｏｒｉｔｙフィールド、８５　ＣＦフィールド、８６　ＶＬＡＮ　ＩＤフィールド、８７　ＥｔｈｅｒＴｙｐｅフィールド、８８　Ｄａｔａフィールド、８９　ＦＣＳフィールド、１００，１５０　エンドデバイス、１０２，１５２，３０２　プロセッサ、１０４，１５４，３０４　主メモリ、１１０，１６０，３１０　ネットワークインターフェイス、１１２，１６２，２１２，３１２　送受信制御回路、１１４，１６４，２１４，３１４　送信回路、１１６，１６６，２１６，３１６　受信回路、１２０，１７０，３２０　ストレージ、１２２，１７２　システムプログラム、１２４，１７４　ユーザプログラム、１３０　内部バスインターフェイス、１３２　フィールドバスインターフェイス、１３４，１８４　メモリカードインターフェイス、１３６，１８６　メモリカード、１３８，１８８，３３８　バス、１４０　Ｉ／Ｏユニット、１８０　ディスプレイ、１８２　入力部、２００　スイッチ、２０１，２０２，２０３，２０４，２０５，２０６，２０７　ポート、２１８　転送エンジン、２２０　キュー、２２２　ゲート、２２４　振分回路、２２６　タイミング制御回路、２２８　スケジュール、２３０　優先度変更部、３００　ネットワークコントローラ、３２２　ＯＳ、３２４　ネットワーク設定プログラム、４００，４０２，４０４　ユーザインターフェイス画面、６２１，６３１，６４１　ストリームＩＤ、６２３，６３３，６４３　優先度。

Claims (10)

  1. 　ＴＳＮ（Time　Sensitive　Networking）に従うネットワークにおける通信方法であって、前記ネットワークに接続されるデバイスの少なくとも一部は、ＯＰＣ　ＵＡ（OPC　Unified　Architecture）に従う通信プロトコルでデータ通信を行うように構成されており、
    　前記ネットワークを構成するスイッチのポートに対応付けて、ストリームの優先度を規定した優先度定義を用意するステップと、
    　転送されるフレームのストリームを特定するステップと、
    　前記優先度定義を参照してフレームの優先度を変更した上で後段に転送するステップとを備える、通信方法。
  2. 　前記優先度定義を用意するステップは、複数のデバイスに向けられたフレームのデータパスのうち、宛先のデバイスでの要求に応じて、優先度を下げることができる区間を決定するステップを含む、請求項１に記載の通信方法。
  3. 　前記優先度定義を用意するステップは、複数のデバイス間でデータ通信が行われている状態に加えて、新たなデバイスとの間でもデータ通信を行うとの設定変更に応じて、実行される、請求項１または２に記載の通信方法。
  4. 　データ通信を行う新たなデバイスの設定を受け付けるためのユーザインターフェイス画面を提供するステップをさらに備える、請求項３に記載の通信方法。
  5. 　前記優先度定義を用意するステップは、新たにデータを受信するデバイスについて選択された保証方法に基づいて、前記優先度定義を生成するステップを含む、請求項１～４のいずれか１項に記載の通信方法。
  6. 　前記スイッチは、優先度毎に用意された複数のキューと、スケジュールに従って、前記複数のキューに格納されたデータを順次出力する複数のゲートとを含む、請求項１～５のいずれか１項に記載の通信方法。
  7. 　ネットワークコントローラが前記優先度定義および前記スケジュールをスイッチへ送信するステップをさらに備える、請求項６に記載の通信方法。
  8. 　前記優先度定義は、ストリームの識別情報と、フレームに含まれる識別情報と、フレームに設定すべき優先度とを含む、請求項１～７のいずれか１項に記載の通信方法。
  9. 　ＴＳＮ（Time　Sensitive　Networking）に従うネットワークを含む通信システムであって、
    　ネットワークコントローラと、
    　スイッチと、
    　前記ネットワークに接続される１または複数のデバイスとを備え、前記１または複数のデバイスの少なくとも一部は、ＯＰＣ　ＵＡ（OPC　Unified　Architecture）に従う通信プロトコルでデータ通信を行うように構成されており、前記通信システムは、
    　前記ネットワークを構成するスイッチのポートに対応付けて、ストリームの優先度を規定した優先度定義を生成する手段と、
    　転送されるフレームのストリームを特定する手段と、
    　前記優先度定義を参照してフレームの優先度を変更した上で後段に転送する手段とを備える、通信システム。
  10. 　ＴＳＮ（Time　Sensitive　Networking）に従うネットワークを構成するスイッチであって、前記ネットワークに接続される１または複数のデバイスの少なくとも一部は、ＯＰＣ　ＵＡ（OPC　Unified　Architecture）に従う通信プロトコルでデータ通信を行うように構成されており、
    　前記スイッチは、
    　転送されるフレームのストリームを特定する手段と、
    　前記ネットワークを構成するスイッチのポートに対応付けて、ストリームの優先度を規定した優先度定義を参照して、フレームの優先度を変更した上で後段に転送する手段とを備える、スイッチ。
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JP2020136753A (ja) * 2019-02-14 2020-08-31 株式会社日立製作所 通信制御装置及び通信制御方法並びに通信システム
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