特許 5720615 無線ネットワークシステム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5720615

(24)【登録日】2015年4月3日

(45)【発行日】2015年5月20日

(54)【発明の名称】無線ネットワークシステム

(51)【国際特許分類】

   H04L 29/06 20060101AFI20150430BHJP

【ＦＩ】

   H04L13/00 305C

【請求項の数】1

【全頁数】10

(21)【出願番号】特願2012-92855(P2012-92855)

(22)【出願日】2012年4月16日

(65)【公開番号】特開2013-223065(P2013-223065A)

(43)【公開日】2013年10月28日

【審査請求日】2013年4月16日

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】000006507

【氏名又は名称】横河電機株式会社

(72)【発明者】

【氏名】高橋 洋海

【審査官】 森谷 哲朗

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０００−２０１２００（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１０−３２７１８８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１１−５２５３３３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０４Ｌ ２９／０６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

互換性のない異なる規格に基づいて動作する複数の機器が接続される無線ネットワークシステムにおいて、
前記機器には、
受信データから前記規格のバージョンの新旧を表す識別子を検出する規格バージョン識別子検出手段と、
この規格バージョン識別子検出手段で検出された識別子に基づき検出された規格のバージョンの新旧を判断する規格バージョン判定手段と、
前記規格の新旧バージョンごとに改ざん検出コードを演算する改ざん検出コード演算手段と、
前記規格バージョン識別子検出手段で検出された改ざん検出コードと前記改ざん検出コード演算手段で演算された改ざん検出コードを比較して両者が一致しているか否かを判断する改ざん検出コード比較手段を設け、
前記判定手段により旧バージョンと判定されると、比較手段で一致している場合には確認信号に改ざん検出コード演算手段で送信側と共通する暗号鍵を含む旧バージョンのアルゴリズムに基づいて演算された旧バージョンの改ざん検出コード（ＭＩＣ）を付加して送信し、比較手段で一致していない場合には非確認信号に旧バージョンの改ざん検出コード演算手段で送信側と共通する暗号鍵を含む旧バージョンのアルゴリズムに基づいて演算された旧バージョンの改ざん検出コード（ＭＩＣ）を付加して送信し、
前記判定手段により新バージョンと判定されると、比較手段で一致している場合には確認信号に改ざん検出コード演算手段で送信側と共通する暗号鍵を含む新バージョンのアルゴリズムに基づいて演算された新バージョンの改ざん検出コード（ＭＩＣ）を付加して送信し、比較手段で一致していない場合には非確認信号に新バージョンの改ざん検出コード（ＭＩＣ）を付加して送信することを特徴とする無線ネットワークシステム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、無線ネットワークシステムに関し、詳しくは、互換性のない異なる規格に基づいて動作する複数の機器が接続される無線ネットワークシステムにおいて、それぞれの規格に基づいて動作する複数の機器が混在しながらも安定に動作できる無線ネットワークシステムに関するものである。

【背景技術】

【0002】

近年のインダストリアルオートメーションにおけるプロセス制御システムは、無線通信装置の一種である無線フィールド機器を用いて構成されることが多い。これらの無線フィールド機器としては、たとえば国際計測制御学会（ISA: International Society of Automation）のISA100委員会により策定され２００９年９月に発行されたインダストリアルオートメーション用無線通信規格ISA100.11aに基づいて設計されたものが用いられる。

【0003】

これは、従来のプロセス制御システムがケーブル配線を介して接続される有線フィールド機器を用いて構成されていた結果、
１）通信距離の制限
２）ケーブル配線引き回しの制約
などの影響を受けることになり、温度や流量などの測定対象とする所定の物理量を測定するセンサをプラント内の最適位置に設置することができず、プロセス制御システムの制御精度が低下してしまうという不都合を解消するためのものである。

【0004】

図４は、従来から用いられている無線ネットワークシステムの一例を示す構成説明図である。図４において、無線ネットワーク１は、複数のＩ／Ｏデバイス２〜６、ルーティングデバイス７，８、ゲートウェイ９などにより、スター・メッシュ型のトポロジーとして構成されている。

【0005】

ここで、Ｉ／Ｏデバイス２〜６はＩＳＡ１００．１１ａで規定された無線通信機能を有するものであり、差圧／圧力伝送器や温度伝送器などの各種センサ、バルブ７やポジショナなどの各種操作端を含む。

【0006】

ルーティングデバイス７，８は、広告ルーターとして定期的に広告を近隣デバイスに発行する機能を有し、ルート情報やメッセージの伝達を行う。なお、これらのルーティング機能は、場合によっては、差圧／圧力伝送器や温度伝送器などのセンサや、バルブやポジショナなどの操作端に搭載してもよい。

【0007】

ゲートウェイ９は、無線ネットワーク１とプラントネットワーク１０とを接続する機能を有するとともに、複数のＩ／Ｏデバイス２〜６とプラントネットワーク１０に設けられているホストアプリケーション１１とを結合する機能も有している。

【0008】

また、ゲートウェイ９には、必要に応じて、無線ネットワークトポロジー１のシステムマネージャ機能およびセキュリティマネージャ機能を備えることも可能であり、無線ネットワークトポロジー１のシステムおよびセキュリティの管理が行える。さらには、無線接続機器との接続を行うバックボーンルータ機能を設けることもできる。

【0009】

ホストアプリケーション１１は、ルーティングデバイス７，８やＩ／Ｏデバイス２〜６の設定、機器の診断およびファームウェアのアップグレードなどを行う。

【0010】

図４のように構成される無線ネットワーク１内における無線通信に着目すると、Ｉ／Ｏデバイス２，３はルーティングデバイス８を介してゲートウェイ９に対して行い、Ｉ／Ｏデバイス４〜６はルーティングデバイス７を介してゲートウェイ９に対して行う。

【0011】

これら無線通信を行うのにあたっては、送信エラーの有無を的確に把握するために、送信側であらかじめ設定された暗号に基づくＭＩＣ（Message Integrity Code；改ざん検出コード）の演算結果を付加して送信し、受信側でも送信側と共通する暗号鍵に基づくＭＩＣの演算を行ってその演算結果と受信したＭＩＣとを比較照合し、両者のＭＩＣが一致するか否かで送信エラーの有無を判断することが行われている。

【0012】

図５は受信側の受信処理部２０の一例を示すブロック図、図６は図５の受信処理部２０におけるデータ受信時のＭＩＣ処理の流れの一例を説明するフローチャートである。図５および図６において、データ受信部２１が送信側から送信されたデータを受信すると（ステップＳ１）、ＭＩＣ検出部２２は送信側で演算されデータに付加して送信されたＭＩＣを検出し（ステップＳ２）、ＭＩＣ演算部２３は送信側と共通する暗号鍵に基づいてＭＩＣを演算する（ステップＳ３）。

【0013】

ＭＩＣ比較部２４は、ＭＩＣ検出部２２で検出されたＭＩＣとＭＩＣ演算部２３で演算されたＭＩＣを比較照合し、両者が一致しているか否かを判断する（ステップＳ４）。

【0014】

そして、両者が一致している場合は、ＡＣＫ生成部２５で生成された確認信号ＡＣＫにＭＩＣ演算部２３で演算されたＭＩＣを付加してデータ送信部２６を介して送信側に送信する（ステップＳ５）。

【0015】

これに対し、両者が一致していない場合には、ＮＡＣＫ生成部２７で生成された非確認信号ＮＡＣＫにＭＩＣ演算部２３で演算されたＭＩＣを付加してデータ送信部２６を介して送信側に送信する（ステップＳ６）。

【0016】

非特許文献１には、ISA100.11aに準拠したフィールド無線ソリューションのコンセプトと、ＤＣＳを中心としたフィールド無線システムのコンセプトが記載されている。

【0017】

非特許文献２には、ISA100.11aに準拠した無線フィールド機器およびフィールド無線システムに関連する技術が記載されている。

【0018】

特許文献１には、既に存在する旧プロトコルに従って動作する旧端末と、前記旧プロトコルに修正を加えた新プロトコルを採用した新端末とが混在するように通信網を構成する場合であっても、各端末が誤動作するのを防止する技術が記載されている。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0019】

【非特許文献1】山本 周二、外２名、「計装を革新するISA100.11a準拠フィールド無線ソリューション」、横河技報、横河電機株式会社、２０１０年、Ｖｏｌ．５３ Ｎｏ．２（２０１０） ｐ．７−ｐ．１２

【非特許文献2】山本 周二、外３名、「世界初ISA100.11a準拠無線フィールド機器」、横河技報、横河電機株式会社、２０１０年、Ｖｏｌ．５３ Ｎｏ．２（２０１０） ｐ．１３−ｐ．１６

【特許文献】

【0020】

【特許文献1】特開２００８−１５４０８７

【発明の開示】

【発明が解決しようとする課題】

【0021】

ところで、前述の無線通信規格は、技術の進歩や環境変化などに対応できるように、適宜見直し改定作業が行われている。

【0022】

この結果、既設のプロセス制御システムで初期から用いられている無線フィールド機器はたとえば初期規格バージョンISA-100.11a-2009に基づいて動作するが、その既設のプロセス制御システムに新規に追加する無線フィールド機器は改定されようとしている改定規格バージョンISA-100.11a-2011に基づいて動作する場合も考えられる。

【0023】

これら初期規格バージョンISA-100.11a-2009と改定規格バージョンISA-100.11a-2011のように互換性のない異なる規格では、
ａ）ＭＩＣ計算に使用するパラメータが異なる
ｂ）フィールド機器が持つパラメータにアクセスするときに必要となるパラメータＩＤ(Attribute ID)が異なる
ｃ）フィールド機器が持つパラメータのデータ構成が異なる
などの違いがあることから、異なる規格に基づいて動作するフィールド機器を混在させて接続できないという問題がある。

【0024】

この場合、既存の全フィールド機器のファームウェアを改定規格ISA-100.11a-2011に基づいて動作するように変更することにより対応できるが、既設のプロセス制御システムで初期から用いられている全ての無線フィールド機器のファームウェアを変更するためには膨大なコストがかかることになる。

【0025】

したがって、プロセス制御システムとしては、既存の規格に基づいて動作するフィールド機器と改定される新規格に基づいて動作するフィールド機器とが混在できることが望ましい。

【0026】

本発明は、これらの課題を解決するものであり、その目的は、既存の規格に基づいて動作する機器と改定される新規格に基づいて動作する機器が同一のシステム内で動作できる無線ネットワークシステムを実現することにある。

【課題を解決するための手段】

【0027】

このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
互換性のない異なる規格に基づいて動作する複数の機器が接続される無線ネットワークシステムにおいて、
前記機器には、
受信データから前記規格のバージョンの新旧を表す識別子を検出する規格バージョン識別子検出手段と、
この規格バージョン識別子検出手段で検出された識別子に基づき検出された規格のバージョンの新旧を判断する規格バージョン判定手段と、
前記規格の新旧バージョンごとに改ざん検出コードを演算する改ざん検出コード演算手段と、
前記規格バージョン識別子検出手段で検出された改ざん検出コードと前記改ざん検出コード演算手段で演算された改ざん検出コードを比較して両者が一致しているか否かを判断する改ざん検出コード比較手段を設け、
前記判定手段により旧バージョンと判定されると、比較手段で一致している場合には確認信号に改ざん検出コード演算手段で送信側と共通する暗号鍵を含む旧バージョンのアルゴリズムに基づいて演算された旧バージョンの改ざん検出コード（ＭＩＣ）を付加して送信し、比較手段で一致していない場合には非確認信号に旧バージョンの改ざん検出コード演算手段で送信側と共通する暗号鍵を含む旧バージョンのアルゴリズムに基づいて演算された旧バージョンの改ざん検出コード（ＭＩＣ）を付加して送信し、
前記判定手段により新バージョンと判定されると、比較手段で一致している場合には確認信号に改ざん検出コード演算手段で送信側と共通する暗号鍵を含む新バージョンのアルゴリズムに基づいて演算された新バージョンの改ざん検出コード（ＭＩＣ）を付加して送信し、比較手段で一致していない場合には非確認信号に新バージョンの改ざん検出コード（ＭＩＣ）を付加して送信することを特徴とする。

【発明の効果】

【0030】

これらにより、同じ無線ネットワークシステムに混在接続された互換性のない異なる規格に基づいて動作する複数の機器は、それぞれ識別した規格に基づいて動作する。

【0031】

具体的には、改定される新規格に基づいて動作するフィールド機器に、既存の規格と改定される新規格のどちらでも動作する規格識別手段としてたとえば改ざん検出コード演算機能を設けることにより、既存の規格に基づいて動作する機器と改定される新規格に基づいて動作する機器を同一の無線ネットワークシステム内に混在させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0032】

【図1】本発明の一実施例を示す構成説明図である。

【図2】図１の受信処理部２０におけるデータ受信時のＭＩＣ処理の流れの一例を説明するフローチャートである。

【図3】インダストリアルオートメーション用無線通信規格ISA100.11aに基づくデータ構成図である。

【図4】従来の無線ネットワークシステムの一例を示す構成説明図である。

【図5】従来の受信側の受信処理部２０の一例を示すブロック図である。

【図6】図５の受信処理部２０におけるデータ受信時のＭＩＣ処理の流れの一例を説明するフローチャートである。

【発明を実施するための最良の形態】

【0033】

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明で用いる新バージョンの機器における受信側の受信処理部３０の一例を示すブロック図、図２は図１の受信処理部３０におけるデータ受信時のＭＩＣ処理の流れの一例を説明するフローチャート、図３はインダストリアルオートメーション用無線通信規格ISA100.11aに基づくデータ構成図である。本発明で用いる新バージョンの規格に基づいて動作する機器における受信側の受信処理部３０には、旧バージョンＭＩＣ演算部３５ａと新バージョンＭＩＣ演算部３５ｂの両方が設けられている。

【0034】

図１および図２において、データ受信部３１が送信側から送信されたデータを受信すると（ステップＳ１）、ＭＩＣ検出部３２は送信側で演算されデータに付加して送信されたＭＩＣを検出する（ステップＳ２）。
一方、規格バージョン識別子検出部３３は、データ受信部３１が受信した図３に示すようなデータ構成の中から、受信データを生成した無線通信規格のバージョンを表す識別子を検出し（ステップＳ３）、規格バージョン判定部３４は規格バージョン識別子検出部３３で検出された識別子に基づきそのバージョンが旧バージョンか否かを判断する（ステップＳ４）。

【0035】

ここで、図３（Ａ）は機器間のＤＬ（データリンク層レベル）で授受されるデータフレームＤＰＤＵ（Datalink Protocol Data Unit）の構成図、図３（Ｂ）は改定規格バージョンISA-100.11a-2011のＤＨＤＲフレーム構成図、図３（Ｃ）は初期規格バージョンISA-100.11a-2009のＤＨＤＲフレーム構成図である。

【0036】

ＤＭＩＣによる認証の対象は、図３（Ａ）に示すようにＭＨＲ,ＤＨＲ,ＤＳＤＵ（DL Service Unit）である。ＤＨＲはＤＰＤＵのヘッダーであり、ＤＨＤＲ,ＤＭＸＨＲ,ＤＡＵＸ,ＤＲＯＵＴ,ＤＡＤＤＲで構成されている。

【0037】

インダストリアルオートメーション用無線通信規格ISA100.11aの規格バージョン（DL Version）の識別子はＤＨＤＲのフレームに含まれている。すなわち、改定規格バージョンISA-100.11a-2011の値は図３（Ｂ）に示すように「０１」であり、初期規格バージョンISA-100.11a-2009の値は図３（Ｃ）に示すように「００」である。

【0038】

再び図１および図２において、規格バージョン判定部３４で旧バージョンと判断されると、旧バージョンＭＩＣ演算部３５ａは送信側と共通する暗号鍵を含む旧バージョンのアルゴリズムに基づいてＭＩＣを演算する（ステップＳ５）。

【0039】

ＭＩＣ比較部３６は、ＭＩＣ検出部３２で検出されたＭＩＣと旧バージョンＭＩＣ演算部３５ａで演算されたＭＩＣを比較照合し、両者が一致しているか否かを判断する（ステップＳ６）。

【0040】

そして、両者が一致している場合は、ＡＣＫ生成部３７で生成された確認信号ＡＣＫに旧バージョンＭＩＣ演算部３５ａで演算されたＭＩＣを付加してデータ送信部３９を介して送信側に送信する（ステップＳ７）。

【0041】

これに対し、両者が一致していない場合には、ＮＡＣＫ生成部３８で生成された非確認信号ＮＡＣＫに旧バージョンＭＩＣ演算部３５ａで演算されたＭＩＣを付加してデータ送信部３９を介して送信側に送信する（ステップＳ８）。

【0042】

一方、規格バージョン判定部３４で新バージョンと判断されると、新バージョンＭＩＣ演算部３５ｂは送信側と共通する暗号鍵を含む新バージョンのアルゴリズムに基づいてＭＩＣを演算する（ステップＳ９）。

【0043】

ＭＩＣ比較部３６は、ＭＩＣ検出部３２で検出されたＭＩＣと新バージョンＭＩＣ演算部３５ｂで演算されたＭＩＣを比較照合し、両者が一致しているか否かを判断する（ステップＳ１０）。

【0044】

そして、両者が一致している場合は、ＡＣＫ生成部３７で生成された確認信号ＡＣＫに新バージョンＭＩＣ演算部３５ｂで演算されたＭＩＣを付加してデータ送信部３９を介して送信側に送信する（ステップＳ１１）。

【0045】

これに対し、両者が一致していない場合には、ＮＡＣＫ生成部３８で生成された非確認信号ＮＡＣＫに新バージョンＭＩＣ演算部３５ｂで演算されたＭＩＣを付加してデータ送信部３９を介して送信側に送信する（ステップＳ１２）。

【0046】

このような構成により、既存の規格に基づいて動作する機器と改定される新規格に基づいて動作する機器を同一の無線ネットワークシステム内に混在させることができる。

【0047】

なお、上記実施例では、ＭＩＣの演算処理にあたり、規格バージョンを識別する手段として規格バージョン（DL Version）識別子を用いているが、データの中で数値などが規格によって異なる内容のものであれば規格バージョン識別子に限るものではなく、いずれを用いてもよい。

【0048】

また、新規格の機器から送信する相手の規格バージョンがわからない場合には、いずれかの規格バージョンのＭＩＣアルゴリズムに基づく演算結果を送信することにより送信相手から返信されるＡＣＫ／ＮＡＣＫに基づき、送信相手の規格バージョンを判断してもよい。判断した以降は、機器識別子と規格バージョンの対を格納しておき、機器識別子から所定の規格バージョンを選択して選択された規格バージョンのアルゴリズムでＭＩＣを計算してもよい。

【0049】

また、規格バージョンの違いによりAttributeIDが異なるパラメータにアクセスするときのAttributeIDの決定にあたっては、ＭＩＣの処理で使用したバージョンの識別方法を使用してもよい。

【0050】

さらに、規格ごとに異なるパラメータを事前に読み込んでおき、その応答内容から規格バージョンを識別して動作するように処理を行ってもよい。

【0051】

以上説明したように、本発明によれば、既存の規格に基づいて動作する機器と改定される新規格に基づいて動作する機器が同一のシステム内で動作できる無線ネットワークシステムを実現することができ、特に、インダストリアルオートメーションにおける既存の無線ネットワークシステムで構築されたプロセス制御システムに新規格で動作する機器を用いる場合に有効である。

【符号の説明】

【0052】

１ 無線ネットワーク
２〜６ Ｉ／Ｏデバイス
７，８ ルーティングデバイス
９ ゲートウェイ
１０ プラントネットワーク
１１ ホストアプリケーション
３０ 受信処理部
３１ 基板（モジュール基板）
３２ コアレス半田ボール
３３ 規格バージョン識別子検出部
３４ 規格バージョン判定部
３５ａ 旧バージョンＭＩＣ演算部
３５ｂ 新バージョンＭＩＣ演算部
３６ ＭＩＣ比較部
３７ ＡＣＫ生成部
３８ ＮＡＣＫ生成部
３９ データ送信部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】