JP3800338B2 - 通信制御システム - Google Patents
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Description
通信局STはEバスB上に接続されている。
通信局STはネットワークアダプタNAを介してEバスBに接続されている。
UDP(User Data Protocol)は、まとまった単位のデータを送信するのに使用される。送信側と受信側の通信はこのデータ送信1回だけで、通信失敗に対する回復機能はない。TCPは、送信側と受信側の間にコネクションを張り、通信失敗後の回復などが行える。どちらのプロトコルも、送受信相手はIPアドレスとプロトコルポート番号で認識する。
TCPとUDPの上にユーザアプリケーションプログラムAPがある。
ネットワークアダプタNAは、その上のソフトウエアの負担を軽くするため、自局あてのフレームだけを受信する。そのため、図11に示したEthernetヘッダには6バイトのあて先アドレス(これをMACアドレスという)が付加されている。MACアドレスはネットワークアダプタに固有のものとして、世界中で重複がないように指定される。TCP/IPの伝送単位はIPパケットと呼ばれ、Ethernetフレームのデータ部に格納されている。TCP/IP通信はEthernet以外の媒体、例えばATM(Asynchronous Transfer) 、WAN(Wide Area Network) 等を通っても伝送されるように設計されている。そのため、IPパケットはあて先としてInternetアドレス(IPアドレスという)を持っている。
図13で、 EバスはB1とB2が引かれている。通信の送信側と受信側でネットワークアダプタNAからTCPあるいはUDPまでを冗長化する。冗長化された経路のどちらを使うかはユーザアプリケーションプログラムAPが選択する。IPアドレスとMACアドレスが1:1の関係にあるので、IPおよびその上のTCPあるいはUDPも冗長化せざるを得なくなっている。冗長化の制御はユーザアプリケーションプログラムAPで行う。
(1)冗長化の制御はユーザアプリケーションプログラムで行わなければならず、負荷になる。
(2)TCPを二重化すると、コネクション管理などの資源(メモリ)を2倍必要とする。
(3)TCPはストリーム型の通信で、データの単なる流れとして通信されるので、 TCPのコネクションを二重化すると切り替えとデータの切れ目の相関がつけにくい。
(4)TCPのコネクション維持のための通信が必要で、二重化するとネットワークの負荷を増やしてしまう。
(5)UDPを二重化すると上の問題はなくなるが、データの順番がわからなくなる。
(6)UDPの二重化ではデータが失われても回復できない。
(7)上の問題解決のためにはユーザアプリケーションプログラムで回復処理が必要になり、負荷が大きい。
(8)一般のTCP/IPアプリケーションはこのような冗長化を仮定しておらず、特殊なアプリケーション以外は冗長化の効果を享受できない。
前記通信制御手段は1つの通信局に1個だけ搭載され、
1つの通信局に冗長化して設けられ、1つは常用側、他は待機側となるポートと、
このポートと通信制御手段の間に介在し、 MACアドレスを持っていて、ポートに入出力される通信フレームを送受信するネットワークコントローラと、
常用側のポートを切り替えたときに、通信制御手段が認識しているMACアドレスが付いたネットワークコントローラを新たな常用側のポートに接続するポート制御手段と、
ネットワークを診断するための診断フレームを所定の周期で常用側と待機側の両方のポートから送信する診断手段と、
を具備したことを特徴とする通信制御システム。
請求項1の発明によれば次の効果が得られる。
(1)特殊なハードウエアを使用しない。パソコンなどでは市販のネットワークアダプタがそのまま使用できる
(2)冗長化していない局も、このシステムに同居できる(常用側になる)ので、全体的なコストを押さえられる。
(3)IPより上に特殊な機能を要求しないので、ユーザアプリケーションプログラムの負荷にならない。
(4)ユーザアプリケーションプログラムは冗長化を意識しないので、従来からある他のアプリケーションもそのままで冗長化の利点を享受できる。
(5)TCPコネクションは冗長でないので、メモリを多く必要としない。MACアドレス管理テーブルは相手局あたり例えば数十バイトで足りる。
(6)経路の切替があっても、TCPのコネクションは維持される。故障の影響がユーザアプリケーションプログラムにおよばない。
(7)ネットワークの通信負荷は増えない。冗長化アルゴリズムでは、ケーブルが独立している場合が多い。
(8)従来型の冗長化ネットワークとも共存できる。
(9)故障したポート(あるいは経路)からの切り替えがスムーズに行える。
図1は本発明の一実施例を示す概念的構成図である。図1で、前出の図と同一のものは同一符号を付ける。
図1では通信局STNは2つのネットワークアダプタNA1,NA2と単一のTCP/IPを持ち、その間に冗長化ソフトウエアSがある。冗長化ソフトウエアSは内部にMACアドレス変換表Tを持つ。TCP/IPの上には、 TCP/IPの機能を使用する通常のユーザーアプリケーションプログラムAPが存在する。
ネットワークアダプタNA1,NA2は、1つの通信局に冗長化して設けられ、それぞれに固有のMACアドレスが割り付けられている。
通信制御手段1は、1つの通信局に1個ずつ搭載され、TCP/IPの通信規約に従って通信を行う。
冗長化制御手段3は、ネットワークアダプタNA1,NA2と通信制御手段1の間に介在し、通信制御手段1から送信要求があったときは、送信要求の中にある送信先のMACアドレスを通信相手となるネットワークアダプタのMACアドレスに変換するとともに、受信をしたときは、受信フレームに付いてきた送信元のMACアドレスを自局の通信制御手段1が認識しているMACアドレスに変換する。冗長化制御手段3が冗長化ソフトウェアSを実行する。
診断手段5は、通信が正常に行われているかどうかを診断する。
図3は冗長化した通信局を3局設けたネットワークを示す。局A,B,C はそれぞれ2個ずつネットワークアダプタNA1,NA2を持ち、それぞれのMACアドレスを MA1, MA2, MB1,MB2, MC1, MC2 とする。3局はそれぞれ冗長化されたEバスB1,B2で接続されているが、バスの接続には依存しない。単一のバスに接続されても動作する。
IPのプロトコルで通信を行う通信制御手段1は、「1」を付けた側の相手局のMACアドレス(この例ではMA1, MB1, MC1,)を認識している。これは、相手局のMACアドレスを知るため、IPアドレスを知るためのEthernetフレームをブロードキャストし、そのIPアドレスを持った局が応答してくること(ARP: Address Resolution Protocol)を利用して、受信時にIPに1側のMACアドレスを渡すことで実現できる。
(1)局Aの冗長化ソフトウエアが1側に送信する場合は、MB1に送信する。
(2)局Aの冗長化ソフトウエアが2側に送信する場合は、アドレス変換表に従いMB2に送信する。
(3)局BでMB1側からフレームを受信した場合、そのフレームには送信元ネットワークアダプタが自局のMACアドレス(MA1)をつけてくる。局Bでは変換表からMA1をそのまま使う。
(4)局BでMB2側からフレームが受信した場合、そのフレームには送信元ネットワークアダプタが自局のMACアドレス(MA2)をつけて来ている。局Bでは変換表からMA1を送信元のMACアドレスとして使う。
以上の動作により、局Aからの送信データは局Bに到達する。通信に用いるネットワークアダプタが切り替えられても、送信側と受信側のIPでは、常に1側のMACアドレスが扱われる。
第1の冗長化アルゴリズムでは、送信側は必ず1つの常用ネットワークアダプタに送信する。2局間で通信をするとき、それぞれの方向で常用側が異なっていてもいい。同じ通信フレームが重複して受信されることはないので、受信側の冗長化ソフトウエアはMACアドレスの変換だけを行い、すべての受信フレームをIPに送る。
IPは仮想MACアドレスだけを知らされる。 IPに仮想MACアドレスを知らせるのは前述したARPを利用して行う。局Aで局Bへの送信要求が発生した場合、局Aの冗長化ソフトウエアはMAC-Bへ送るIPパケットを与えられる。この時1側に送る場合はMACアドレスをMB1に、2側に送る場合はMACアドレスMB2に変更して送信する。局B側では送信元MACアドレスがMA1の場合もMA2の場合もMACアドレスをMAC-Aに変更してIPに伝える。
図6では、2つのポートPA1,PA2と単一のTCP/IPを持ち、その間にポート管理手段PTがある。ポート管理手段PTは通常のオペレーティングシステム上ではデバイスドライバの一部として実装することができる。TCP/IPの上には、 TCP/IPの機能を使用する通常のユーザーアプリケーションプログラムAPが存在する。
ポートPA1,PA2は、通信フレームを入出力するだけでMACアドレスをもたない。ポートPA1,PA2の上位に接続されたネットワークコントローラNC1,NC2が MACアドレスを持っている。
ポート制御手段6は、常用側のポートを切り替えたときに、通信制御手段1が認識しているMACアドレスが付いたネットワークコントローラを新たな常用側のポートに接続する。
図8は冗長化通信局を3台接続したネットワークを示す。局A, B, Cはそれぞれ2個ずつポートを持ち、それぞれのポートに接続されたネットワークコントローラのMACアドレスを MA1, MA2, MB1,MB2, MC1, MC2 とし、常用側のMACアドレスを1(この例ではMA1, MB1, MC1,)とする。図では3局は単一のネットワークに接続されているが、これに限らない。任意のポート間に経路が設定できるなら、ブリッジBで接続された別個のネットワークであってもよい。
(a)局Aの送信回路
(b)2局AB間の常用側ポート間のネットワーク要素(ケーブルなど)
(c)局Bの受信回路
(d)局Bの送信回路
(e)局Aの受信回路
である。本実施例では、局Aでのポート切り替えの要因は(a),(e),(b)であり、他の要因は局B側での切り替えが起こることで回復される。
Eバスでは特定局間での通信は必要な時にしか起こらないので、これだけで常時監視することはできない。診断のため、局AからICMPの echoを他局に送信する。レスポンスが返ってくれば、局Aの送受信回路と相手局との間のネットワークが正常であることが分かる。
(1)診断周期より長い一定時間以上受信が行われない場合(a)あるいは(e)に異常があるとする。
(2)診断用のechoレスポンスが帰ってこない局では(b)〜(d)に異常がある場合がある。一定時間以上待って回復しない場合は(b)の可能性があるので、自局側で切り替える。
待機側でも同様の診断が必要だが、その周期は常用側より長くてもいい。
図9では、ネットワークコントローラNC1,NC2毎にMACアドレスを指定しておき、どのポートを使用するかをスイッチSW1,SW2で切り替える。スイッチSW1,SW2の切り替えはポート制御手段6で行う。この構成例では切り替えに要する時間が短くて済む。ネットワークコントローラNC1,NC2は通信制御手段1とEバスB1,B2との間で通信フレームを受け渡すためのものである。
なお、図9と図10の両者を同時に実現してもよい。
B1,B2 バス
NA1,NA2 ネットワークアダプタ
PA1,PA2 ポート
NC1,NC2 ネットワークコントローラ
1 通信制御手段
2 変換表メモリ
3 冗長化制御手段
5 診断手段
6 ポート制御手段
Claims (3)
- ネットワーク上に通信局を接続し、この通信局には通信制御手段が設けられ、この通信制御手段はTCP/IPのプロトコルに従って通信を行い1つの相手の通信局について1つのMACアドレスだけを認識している通信制御システムにおいて、
前記通信制御手段は1つの通信局に1個だけ搭載され、
1つの通信局に冗長化して設けられ、1つは常用側、他は待機側となるポートと、
このポートと通信制御手段の間に介在し、 MACアドレスを持っていて、ポートに入出力される通信フレームを送受信するネットワークコントローラと、
常用側のポートを切り替えたときに、通信制御手段が認識しているMACアドレスが付いたネットワークコントローラを新たな常用側のポートに接続するポート制御手段と、
ネットワークを診断するための診断フレームを所定の周期で常用側と待機側の両方のポートから送信する診断手段と、
を具備したことを特徴とする通信制御システム。 - 前記診断手段は、所定の周期で診断フレームとしてICMPのエコーを送信し、この所定の周期よりも長い時間が経過しても応答が返ってこないときは異常が発生したと判断することを特徴とする請求項1記載の通信制御システム。
- 前記診断手段は、常用側のポートと他のポートとで診断フレームを送信する周期を異ならせたことを特徴とする請求項1記載の通信制御システム。
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