(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】
(24)【登録日】2024-01-15
(45)【発行日】2024-01-23
(54)【発明の名称】TSNネットワーク接続方式、TSNネットワーク接続方法
(51)【国際特許分類】
H04L 12/28 20060101AFI20240116BHJP
【FI】
H04L12/28 200Z
H04L12/28 100A
H04L12/28 100S
H04L12/28 100F
(21)【出願番号】P 2020030077
(22)【出願日】2020-02-26
【審査請求日】2022-09-22
(73)【特許権者】
【識別番号】000006105
【氏名又は名称】株式会社明電舎
(74)【代理人】
【識別番号】100086232
【氏名又は名称】小林 博通
(74)【代理人】
【識別番号】100092613
【氏名又は名称】富岡 潔
(74)【代理人】
【識別番号】100104938
【氏名又は名称】鵜澤 英久
(74)【代理人】
【識別番号】100210240
【氏名又は名称】太田 友幸
(72)【発明者】
【氏名】立石 靖
【審査官】鈴木 香苗
(56)【参考文献】
【文献】特開2000-286813(JP,A)
【文献】特開2018-129708(JP,A)
【文献】米国特許出願公開第2019/0297025(US,A1)
【文献】特開2020-107943(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
H04L 12/28
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
TSN(Time Sensitive Networking)によりネットワーク
の拠点間毎に時分割して伝送するネットワーク接続方式であって、
前記各拠点内にそれぞれ中継装置を設置し、前記拠点のTSNスケジュールに応じて送信元からの伝送を前記中継装置にて遅延させ、
送信先の前記スケジュールの
伝送開始タイミングに一致させることを特徴とするTSNネットワーク接続方式。
【請求項2】
前記中継装置の記憶装置に伝送データを格納することで前記遅延を生成することを特徴とする請求項1記載のTSNネットワーク接続方式。
【請求項3】
前記スケジュールが、
時分割された期間内に一周する長いネットワークシステムについては、
隣接する前記拠点間で前記中継装置の伝送開始タイミングが、[前記スケジュールの一周の時間]の半分ずらされている
ことを特徴とする請求項1または2記載のTSNネットワーク接続方式。
【請求項4】
前記中継装置の遅延時間は、
前記中継装置が送信元と送信先との間の伝送遅延を測定することを前提として、
前記各拠点の前記スケジュールが同一で同じタイミングの場合には、式1,2で算出される
式1:[倍率]=[伝送遅延]÷[TSNスケジュールの一周の時間](小数点以下、切り捨て)
式2:[中継装置の遅延時間]=[TSNスケジュールの一周の時間]×([倍率]+1)-[伝送遅延]
ことを特徴とする請求項1または
2記載のTSNネットワーク接続方式。
【請求項5】
前記中継装置の遅延時間は、
前記中継装置が送信元と送信先との間の伝送遅延を測定することを前提として、
伝送遅延測定することを前提として、
隣接拠点のTSNスケジュールの開始タイミングがTSNスケジュールの一周の半分ずれている場合には、式3~5で算出される
式3:[半分]=[TSNスケジュールの一周の時間]÷2
式4:[倍率]=([伝送遅延]+[半分])÷[TSNスケジュールの一周の時間](小数点以下、切り捨て)
式5:[集計装置の遅延時間]=[TSNスケジュールの一周の時間]×[倍率]+[半分]-[伝送遅延]
ことを特徴とする請求項3記載のTSNネットワーク接続方式。
【請求項6】
TSN(Time Sensitive Networking)によりネットワーク
の拠点毎に時分割して伝送するネットワーク接続方法であって、
前記各拠点内にそれぞれ中継装置を設置し、前記拠点のTSNスケジュールに応じて送信元からの伝送を前記中継装置にて遅延させ、
送信先の前記スケジュールの
伝送開始タイミングに一致させることを特徴とするTSNネットワーク接続方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、TSN(Time Sensitive Networking)により時分割されたネットワークの接続に関する。
【背景技術】
【0002】
現在、非特許文献1のTSNと呼ばれるイーサネット(登録商標)規格が「IEEE802.1」にて策定中である。TSNによれば各通信機器は、非特許文献2に示すPTP(Precision Time Protocol)の時刻同期を行い、時分割された期間中に送受信を実行する。
【0003】
なお、TSNの規格は、例えば自動車などの車内および車外の通信や証券の高速取引、測定機器の通信、ロボット、産業用機器の制御、監視制御システムなどに適用できる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0004】
【文献】“ITとOTネットワークを融合する「TSN」の概要と実装”,〔online〕,平成30年11月22日検索,インターネット<URL:http://ednjapan.com/edn/articles/1803/23/news014.html>
【文献】“Endrum IEEE1588 PTP グランドマスタークロック”,〔online〕,平成30年10月15日検索,インターネット<URL:https://www.shoshin.co.jp/c/endrum/1588ptp.html>
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
TSNでは、前述のように各通信機器は時刻同期により同期したタイミングで、時分割された期間のスケジュールに従って通信する。ところが、大きなネットワークは伝送距離が長いため、遅延により大きな影響を受けてしまう。
【0006】
特に自動車など車内ネットワークであれば伝送距離は10m以内で伝送遅延は無視できるほど小さいが、監視制御システムなどで伝送距離が合計20kmあると伝送遅延が「10μsec」となるため、時分割された期間は「10μsec」遅れても問題が生じないように調整しなければならない。
【0007】
このとき時分割の期間を長くすれば前記スケジュールが一周する時間が長くなり、ネットワークシステムの応答性が低下するおそれがある。また、フレームの受信まで待たなければならず、伝送回線に対する伝送効率が低下するおそれがある。
【0008】
また、遠方の離れた拠点が追加されると伝送距離、台数、ネットワーク構造に合わせて、ネットワーク全体に合うようにTSNのスケジュールを設計しなければならないが状況によっては困難な場合が多い。
さらに重要なシステムは伝送路に冗長性を持たせることがあり、別ルートに迂回したときに対応できなければならず、スケジュールの設計が煩雑となってしまう。
【0009】
本発明は、このような従来の問題を解決するためになされ、伝送距離の長いネットワークについてTSNのスケジュールを簡単に作成することを解決課題としている。
【課題を解決するための手段】
【0010】
(1)本発明の一態様は、TSNによりネットワークを拠点毎に時分割して伝送するネットワーク接続方式であって、
前記時分割された拠点間に中継装置を配置し、前記拠点のTSNスケジュールに応じて送信元からの伝送を前記中継装置にて遅延させ、
前記送信先の前記スケジュールのタイミングに一致させることを特徴としている。
【0011】
(2)本発明の他の態様は、TSNによりネットワークを拠点毎に時分割し、時分割された拠点間に中継装置を配置して伝送するネットワーク接続方法であって、
前記拠点のTSNスケジュールに応じて送信元からの伝送を前記中継装置にて遅延させ、
前記送信先の前記スケジュールのタイミングに一致させることを特徴としている。
【発明の効果】
【0012】
本発明によれば、伝送距離の長いネットワークのTSNのスケジュールを簡単に作成することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【
図1】(a)は伝送時間が短い場合における伝送距離とTSNスケジュールとの関係を示す説明図、(b)は伝送時間が長い場合における伝送距離とTSNスケジュールとの関係を示す説明図。
【
図2】大きいネットワークのTSNスケジュールが長くなることを示す説明図。
【
図3】(a)は拠点間に中継装置を配置した状態のネットワーク構成図、(b)は(a)の中継装置による遅延を示す模式図。
【
図4】(a)は従来の送信元から送信先へ送信する際の伝送データの経路図、(b)は本実施形態の同伝送データの経路図。
【
図5】(a)は従来の時分割されたスケジュールを示す説明図、(b)は実施例1の時分割されたスケジュールを示す説明図。
【
図6】実施例2により隣接拠点と時分割スケジュールを半分ずらした場合の中継装置による遅延を示す説明図。
【発明を実施するための形態】
【0014】
以下、本発明の実施形態に係るTSNネットワーク接続方式(方法)を説明する。ここでは遠方の離れた拠点が複数存在するときにネットワークシステム全体でTSNのスケジュールを設計することは困難ため、各拠点内にてTSNの時分割された期間(時間)内でスケジュール設計する。
【0015】
また、拠点間は、PTP時刻同期によりTSNの時分割された通信とし、伝送路上にタイミング調整するための中継装置(スイッチングハブ:L2スイッチ)を用意する。
【0016】
例えば時分割が「500μsec」で一周するスケジュールのときに、拠点間の伝送距離が「10km」あると「50μsec」遅れによってスケジュールが一致しない。そこで遠方のとき「500μsec―50μsec=450μsec」遅らせて次のスケジュールに一致させる。
【0017】
各拠点のTSNのスケジュールは完全に同じ内容であり、次のスケジュールに一致するように遅延させている。
【0018】
例えば
図1(a)に示すように、HUB-A,B間の伝送では、伝送遅延よりもスケジュールの期間を長くしないと期間中に受信が完了しないおそれがある。
【0019】
そのため、
図1(b)に示すように、HUB-A,B間の伝送時間が長い場合には、伝送遅延が長いため、スケジュールの期間も長くなる。なお、拠点間の伝送遅延が極端に大きい場合には次のスケジュールではなく、さらにその次のスケジュールに合わせる場合もありうる。
【0020】
また、
図2に示すように、HUB-Aから送信されたフレームはネットワークの構成と距離によりバラバラなタイミングで受信する。そのためTSNのスケジュールは一番長い経路を考慮して、スケジュールは長くなり、応答性の低下と、伝送効率の低下となる。
【0021】
拠点間で次のスケジュールに合わせて遅延させるとしても、スケジュールが一周する時間が長ければ応答性が大きく低下する。そのため、隣接する拠点の開始タイミングを「TSNスケジュール一周の時間」の半分ずらす手法を採用し、中継装置の遅延時間を削減して応答性を向上させる。なお、開始タイミングをスケジュール一周の半分としたのは、逆方向の通信も同様に動作させるためである。
【0022】
ここまでは各拠点のスケジュールは同一であり、中継装置では遅延させてタイミング調整するだけである。ネットワークのシステムによっては複雑な仕様により複数の異なるスケジュールを結合する場合がある。このとき中継装置は、相手側のスケジュールに応じてフレームの送信順序と送信タイミングとを再構成しなければならない。この再構成時には伝送距離による伝送遅延を考慮した遅延処理が同様に必要となる。以下、前記接続方式を具体的に説明する。
【0023】
≪構成例≫
図3基づき前記接続方式の構成例を説明する。ここでは各拠点間に通信装置として中継装置を設置する。
図3(a)中の破線P内を拠点とし、各拠点内中継装置1が設置され、端末2間のフレーム送受信を中継している。
【0024】
ここで各拠点内の伝送距離(中継装置1・端末2間)は、それぞれ短いのでTSNスケジュールは短い。一方、拠点間の伝送距離は長いため、中継装置1が隣接する拠点のTSNネットワークに応じて遅延処理を行う。
【0025】
この点を
図3(b)に基づき説明する。ここでは拠点―Aから送信されたスケジュールによる期間が時間経過により拠点―B、拠点―Cに到達する状況を示している。この四角い箱はスケジュールが一周している時間である。
拠点A-B間の距離が長いため拠点Aは矢印Sの時間だけ遅らせて送信すると、伝送距離により矢印Tだけ遅れてTSNスケジュール2個分の位置に一致させることができる。
【0026】
拠点-Bの中継装置1は、自己のTSNスケジュールに合致した時期にフレームを受信して、同様に拠点-Cの中継装置への送信も遅延させて送信することができる。
【0027】
(1)中継装置1の構成例
図4に基づき中継装置1の構成例を説明する。
図4(a)はTSNに対応した一般的なHUBであり、送信元の装置(端末)2から送信先の装置(端末)2にフレーム送信する際、中継装置1により中継される伝送経路の機構を示している。
【0028】
ここでは装置2の「OSとLAN機構」2bは、送受信データを格納する比較的大容量のバッファを備えている。その一方で中継装置10のバッファ10aは、通信速度に対して小さいため、送受信データを長期間保持できない。そのため、中継装置10に送られたフレームは、すぐに転送できる状態になければならない。
【0029】
この点でネットワークの帯域制御は、バッファに余裕のある送信元の端末2にてフレームが滞りなく流れるタイミングで送信しなければならない。ただし、伝送距離による遅延が生じると、時分割された期間が一致しなくなってしまう。その結果、中継装置10がフレーム送信できず、バッファ10aに溜め込んで、バッファ10aがパンクするおそれがある。
【0030】
これに対して
図4(b)の中継装置(Hub)1は、CPU1a(FPGAでもよい。)などの機構により大きなメモリ1bを格納することでバッファ1cの容量を増大させ、長時間の送信待機を実現させた。これにより中継装置1は、送信先の装置(端末)2の時分割された期間と一致させるように遅延処理が可能である。
【0031】
(2)中継装置1の通信処理
中継装置1は、主に次の通信処理(S01~S07)を実行する。
【0032】
S01:各中継装置1は、フレームを格納して転送する(初期状態では遅延させていない。)。
【0033】
S02:通信相手(スレーブ側)からPTPフレームによる伝送遅延時間の測定を受信して処理する。これにより通信相手の通信機器は、当該伝送路の伝送遅延を測定して時刻補正を実行するが、中継装置1が伝送遅延の結果を取得することはできない。
【0034】
S03:通信相手(マスター側)から「Sync」メッセージのPTPフレームを受信しても転送しない。すなわち、他のポートに時刻を配信する必要があるが、他のポートの伝送遅延を測定していないため、時刻同期の補正ができず転送することができない。
【0035】
S04:各中継装置1は、該当ポートに対してPTPフレームを使い伝送遅延時間を測定する。また、その伝送時間を記録する。この記録データはTSNのスケジュールを合わせるための遅延調整に使用する。
【0036】
S05:前記伝送遅延の測定値に基づきTSNスケジュールを合わせるため、中継装置1の遅延時間を式1~5により算出する。
【0037】
・各拠点のTSNスケジュールが同一で同じタイミングの場合
式1:[倍率]=[伝送遅延]÷[TSNスケジュールの一周の時間](小数点以下、切り捨て)
式2:[中継装置の遅延時間]=[TSNスケジュールの一周の時間]×([倍率]+1)-[伝送遅延]
・隣接拠点のTSNスケジュールの開始タイミングが、TSNスケジュールの一周の半分ずれている場合
式3:[半分]=[TSNスケジュールの一周の時間]÷2
式4:[倍率]=([伝送遅延]+[半分])÷[TSNスケジュールの一周の時間](小数点以下、切り捨て)
式5:[中継装装置1の遅延時間]=[TSNスケジュールの一周の時間]×[倍率]+[半分]-[伝送遅延]
S06:中継装置1の各ポートにおいて算出された遅延時間分をTSNスケジュールの開始タイミングに遅延させて送信する。
【0038】
S07:PTP時刻同期のフレームを受信すれば応答又は時刻の配信を行う。
PTPフレームは、スケジュールに合わせて送信する場合とスケジュールを無視して送信する方法がある。スケジュールに合わせて送信するとSyncフレームが中継装置内で待ちとなりPTPにより補正される。しかし、スケジュールが長いと待ち時間も長く、中継装置にある水晶などの精度の影響を受けてしまい時刻同期に影響を与えてしまう。そのためスケジュールに合わせて時刻同期するべきかは状況による。誤差を考慮してPTPフレームをスケジュールに合わせない方法ではTSNスケジュール設計にてPTPフレームが混入しても問題がないように時間的な余裕が必要である。
【0039】
≪実施例≫
TSNによる時分割は、近距離であれば伝送遅延による影響は無視できる。ところが伝送距離が長く高い応答性を必要とするネットワークシステムのとき伝送遅延により応答性が低下する。この伝送距離による遅延は物理的な現象なため、回避できず、TSNの時分割スケジュールを改善する。
【0040】
伝送距離の大きいネットワークのシステム全体をTSNによるスケジュールで調整するのは不可能で難しい。そこで、前述のように拠点内は短距離にて伝送距離の影響が小さいとみなす一方、拠点間は中継装置1によりTSNのスケジュールに合わせる方法を採用した。ここでは中継装置1の遅延処理により相手側(送信先の端末2)の次のTSNスケジュールに一致させる。
【0041】
このとき次の問題A,Bを解決する必要がある。
(A)拠点間の伝送遅延時間を計算しないと、中継装置1を遅延させる時間(遅延時間)を算出できない。
(B)中継装置1は遅延処理をするが、複数のグランドマスター(GM)によるPTP時刻同期の配信を妨害しないこと。
【0042】
まず、(A)伝送遅延については、最初に中継装置1の遅延処理を行うことなく、拠点間の伝送路の遅延時間を時刻同期プロトコル(PTP)にて測定することで対処できる。例えば最小「Meanpath(経路通過時間)」と現在の「Meanpath」との差を伝送遅延としてもよい。ここで「Meanpath」は、マスター・スレーブ間の往路と復路の平均伝送時間として算出されている。
【0043】
つぎに(B)のPTP時刻配信については、前述の遅延時間の測定後にGMからの時刻配信を中継装置1にて伝送遅延(遅延時間)を補正して送信することでPTP時刻同期を可能とする。その後、中継装置1は測定された伝送遅延(遅延時間)に基づき隣接する拠点の次のスケジュールに一致するように遅延処理すればよい。
【0044】
中継装置1が遅延処理しているときもPTP時刻同期は正しく動作できなければならいため、PTPフレームの遅延処理後の実際に送信されるタイミングに応じてタイムスタンプや時刻補正を調整する。この処理によりPTP時刻同期は、自装置1および相手側(送信先の端末2,GMなど)で正しく処理される。
【0045】
(1)実施例1
図5に基づき実施例1を説明する。ここでは時分割された拠点―A~Cの時分割スケジュールおよび中継装置1の遅延時間について説明する。また、
図5中では、各拠点―A~Cの時分割スケジュールは、期間A~Cの繰り返しとする。
【0046】
図5(a)は、従来の中継装置10を拠点-A~Cに設置した場合の時分割スケジュールを示している。拠点-Aの中継装置10の期間Bより送信されると伝送遅延により矢印Hだけ遅れて拠点―Bへ到達する。
【0047】
このとき拠点―Bの中継装置10では期間Cのフレームを送受信中なため、拠点―Cへ転送できない。すなわち、次の期間Bとなればフレームを送信できるものの、拠点―Aからのフレームを受信しても矢印Iの期間は送信待ちの状態となり、バッファ10aに保持しなければならなくなる。
【0048】
これに対して
図5(b)は、中継装置1を拠点-A~Cに設置した実施例1の時分割スケジュールを示している。ここでは拠点―Aの中継装置1は、矢印Kの期間だけ期間Bのフレーム送信を遅延させることにより、送信先の拠点―Bの期間Bに一致させて送信する。
【0049】
その結果、拠点―Bの中継装置1は、矢印Lに示すように、同じ期間Bにフレームを受信することができ、これにより受信フレームを直ちに拠点―Cの中継装置1に転送すること可能となる。
【0050】
ただし、
図5(b)中、拠点―Bの中継装置は次の拠点―Cへ転送するため、矢印Mに示す期間の遅延処理を実行している。これにより矢印Nに示すように、拠点―Cの期間Bに一致させてフレームを送信することができる。このような実施例1の遅延処理によれば、次の作用効果を得ることができる。
【0051】
(A)TSNによる時分割された期間のスケジュールは、ネットワーク全体で調整する必要がある。ところが、様々な距離の複雑なネットワークについてTSNのスケジュールを設計することは難しい。
【0052】
そこで、伝送距離の短い拠点内の通信をTSNにて設計する一方、拠点間には中継装置1を設置して対応させることで解決を図っている。このとき拠点間の通信は、中継装置1が遅延処理して相手側(送信先の拠点)のTSNスケジュールに合わせる。
【0053】
したがって、システム全体でTSNスケジュールを調整する必要がなく、スケジュールの作成が簡略される。これによりTSNスケジュールを簡単に設計でき、また複雑度が低下してトラブルを回避することができ、この点で伝送距離の長いネットワークシステムにもTSNを適用可能となる。
【0054】
(B)長い伝送距離によりTSNの時分割の期間を長くする必要はなく、TSNのスケジュールが一周する時間が短くなる。このとき応答性は中継装置1の遅延処理の影響はあるものの、中継装置1を使用しない場合と比較すれば、応答性は改善されている。この点で応答性が確保される効果が得られる。
【0055】
(C)長い伝送距離によりTSN時分割の期間を長くすると、
図5(a)のようにフレーム送信待ちの状態が生じ易く、伝送距離が長くなるに従い伝送効率が低下する。すなわち、TSNは高負荷でも帯域制御にて安全に通信可能な利点があるものの、伝送距離が長くなるに従い負荷を下げる必要がある。
【0056】
この点につき本実施例は、前述のように伝送距離の短い拠点内の通信をTSNにて設計し、あとは中継装置1に対応させるので、時分割の期間は短いままでよく、伝送効率の低下は小さい。
【0057】
(D)最初は中継装置1による遅延処理を行うことなく、拠点間の伝送路の遅延時間を時刻同期プロトコル(PTP)にて測定する。また、遅延時間の測定後にGMからの時刻配信を中継装置1にて伝送遅延を補正して送信して時刻同期を可能とする。その結果、PTP時刻同期に影響を与えることなく、PTP時刻同期を利用して伝送路の遅延時間を測定することが可能となる。
【0058】
(2)実施例2
図6に基づき実施例2を説明する。実施例1は各拠点―A~Cにおいて同じタイミングでスケジュールを動作させているが、隣接する拠点にとっては次の周期となるので、拠点間の通信の応答性が悪化するおそれがある。
【0059】
そこで、実施例2において、中継装置1は隣接する拠点とスケジュールの周期を半分ずらしてフレームの送信を開始させる。
図6中では、拠点-Bのスケジュールを拠点-A,Cのスケジュールと周期の半分の期間分、即ち矢印Rの期間分ずらしている。
【0060】
このとき中継装置1は、矢印Q間の期間だけ遅延させれば隣接する拠点―Bの同じ期間Bに一致させて送信することができる。また逆方向の送信、即ち拠点―Cから拠点Bへの送信も同様にずれているので、遅延時間が短縮され、通信の応答性が向上する。
【0061】
したがって、実施例2は、TSNの時分割スケジュールが一周する長いネットワークシステムに特に有効である。すなわち、前記長いネットワークシステムは、実施例1のように次の時分割スケジュールに調整すると中継装置1の遅延時間が大きくなり応答性が低下する。この点を解消するため、実施例2では、隣接する拠点の開始タイミングを[TSNの時分割スケジュール一周の期間(時間)]の半分をずらし、中継装置の遅延時間を削減し、応答性の向上を図っている。なお、隣接拠点間の時分割スケジュールが半分ずれていれば、逆方向の通信も同様に遅延させることで半分の時間で調整することが可能となる。
【符号の説明】
【0062】
1…中継装置
1a…CPU
1b…メモリ
1c…バッファ
1d…PHY
2…端末(装置)
2a…アプリケーションソフトウェア
2b…OSとLAN機構
2c…ドライバとLANチップ