WO2016132402A1 - 通信フレーム転送装置および通信システム - Google Patents

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WO2016132402A1
WO2016132402A1 PCT/JP2015/000828 JP2015000828W WO2016132402A1 WO 2016132402 A1 WO2016132402 A1 WO 2016132402A1 JP 2015000828 W JP2015000828 W JP 2015000828W WO 2016132402 A1 WO2016132402 A1 WO 2016132402A1
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WO
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frame
low
delay
transmission
communication
Prior art date
Application number
PCT/JP2015/000828
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English (en)
French (fr)
Inventor
礼子 井上
善文 堀田
浩資 別所
Original Assignee
三菱電機株式会社
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.)
Filing date
Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L12/00—Data switching networks
    • H04L12/28—Data switching networks characterised by path configuration, e.g. LAN [Local Area Networks] or WAN [Wide Area Networks]
    • H04L12/44—Star or tree networks

Definitions

  • the present invention relates to a communication frame transfer device for transferring a communication frame transmitted from a communication device on a transmission side to a communication device on a reception side, and a communication system using the communication frame transfer device.
  • Ethernet registered trademark
  • a communication frame that handles device control information
  • a communication frame information system frame
  • control system frames have strict delay requirements
  • communication frame transfer apparatuses are required to have low delay transfer according to the characteristics of the communication system.
  • a communication frame that requires low-delay transfer such as a control frame, that is, a communication frame with a short allowable delay time is called a low-delay frame.
  • a frame such as an information frame that has a longer allowable delay time than a low-delay frame or that does not require a delay time is called a normal frame.
  • the assumed application is the same when there are a plurality of low-delay frames, that is, the priorities are the same, and the time zone in which the low-delay frames arrive is known. .
  • the cycle of the low delay frame inputted to each port is different.
  • the priority of low-delay frames differs depending on the type of application, and high-priority frames (hereinafter referred to as high-priority frames) that have severe delay requirements on the order of ⁇ s, and delays that are relatively loose compared to high-priority frames.
  • high-priority frames high-priority frames
  • low priority frame there is a problem that the low-delay frames compete with each other at the transmission port, the output of the high-priority frame is awaited by the low-priority frame, and the delay request cannot be satisfied.
  • the present invention has been made to solve the above-described problem, and performs output control based on frame priority when a plurality of low-delay frames having different frame priorities compete at the same transmission port,
  • An object of the present invention is to obtain a communication frame transfer apparatus that realizes low-delay transfer that satisfies the delay requirement of a low-delay frame.
  • a communication frame transfer device is connected to a plurality of communication devices, and transmits a normal frame transmitted from the communication device and a plurality of low delay frames set with different frame priorities to another communication device.
  • a transfer device that has a plurality of reception ports that receive normal frames and low-delay frames from a communication device, and searches for transmission ports to which low-delay frames received by the receiver are transmitted.
  • Destination search unit that extracts the frame priority, a transmission queue that stores low-delay frames according to the transmission port searched by the destination search unit and the received reception port, and reception time when the low-delay frame is received
  • the output order of low-delay frames is determined based on the frame priority and reception time of low-delay frames.
  • the read queue management unit and the output order determined by the read queue management unit read out the low-delay frame from the transmission queue and transmit it to another communication device, and the low-delay frame is not stored in the transmission queue. And a transmitter for transmitting a normal frame to another communication device.
  • the communication system includes a plurality of communication devices, a normal frame transmitted from the communication device, and a plurality of low-delay frames set with different frame priorities.
  • a communication frame transfer device for transferring to a device the communication frame transfer device having a receiver having a plurality of reception ports for receiving normal frames and low-delay frames from the communication device, and received by the receiver Searches the transmission port to which the low-delay frame is transmitted, and extracts the frame priority of the low-delay frame, the destination search unit, and the low-delay frame according to the transmission port searched by the destination search unit and the received reception port
  • the transmission queue to store and the reception time when the low-delay frame is received is calculated, and the frame of the low-delay frame is calculated.
  • a read queue management unit that determines the output order of low-delay frames based on priorities and reception times, and another communication device that reads low-delay frames from the transmission queue based on the output order determined by the read queue management unit And a transmitter that transmits a normal frame to another communication device when a low-delay frame is not stored in the transmission queue.
  • the output control based on the frame priority is performed, and the low delay transfer satisfying the delay request of each low delay frame Can be realized.
  • FIG. 1 is a block diagram illustrating a configuration of a communication system according to the present embodiment.
  • devices with the same number represent the same or the same type of device, and multiple devices of the same type in the communication system have a “ ⁇ ” after the number.
  • the communication device 2-1 When the devices and the like are generically referred to or not distinguished from each other, description will be made using “ ⁇ ” and a code without a number attached after that (for example, reception MAC unit 11).
  • the communication system 1 includes a plurality of communication devices 2-1 to N (N is an integer of 2 or more), and each is connected via a communication path 3 and a communication frame transfer device 4.
  • the communication device 2 here is a communication device such as a communication terminal, and may be any device that can transmit or receive a communication frame.
  • the communication path 3 is a transmission path capable of transmitting an optical signal or an electrical signal, such as an optical fiber or a coaxial cable, and may be a wireless path.
  • a communication frame having a short allowable delay time such as a control frame
  • a communication frame such as an Express frame
  • a communication frame such as an information-related frame that has a longer allowable delay time than a low-delay frame or that does not require a delay time
  • a normal frame a communication frame such as an information-related frame that has a longer allowable delay time than a low-delay frame or that does not require a delay time
  • a normal frame is referred to as a normal frame in the following description.
  • multiple frame priorities are set for low-delay frames, and low-delay frames with high delay priority that have stricter delay requirements are designated as high-priority frames.
  • Loose low-delay frames are designated as low priority frames.
  • FIG. 2 shows a block diagram of the configuration of the communication frame transfer apparatus 4.
  • the communication frame transfer apparatus 4 includes a receiver 10, a transmitter 20, an Express transmission queue 30-1 to N, a normal transmission queue 40-1 to N, a read queue management unit 50, a destination search unit 60, a destination port allocation. It consists of dividing parts 70 and 71.
  • the receiver 10 has a plurality of reception ports, and reception MAC (Media Access Control) units 11-1 to 11-N are provided for each reception port.
  • the reception MAC unit 11 is connected to each of the communication devices 2-1 to N shown in FIG. 1 and includes both an Express frame and a Normal frame defined by the standard related to IET (Interspersing Express Traffic) transmitted from the communication device 2.
  • the received traffic is received, distributed internally to an Express frame and a Normal frame, and output to different paths. Further, when receiving the Express frame, the reception MAC unit 11 outputs an Express reception trigger to notify the read queue management unit 50 that the Express frame has been received.
  • the transmitter 20 has a plurality of transmission ports, and transmission MAC units 21-1 to 21-N are provided for each transmission port.
  • the transmission MAC unit 21 is connected to each of the communication devices 2-1 to N shown in FIG. 1, and outputs traffic in which an Express frame and a Normal frame are mixed.
  • the reception port and the transmission port having the same port number are connected to the same communication device 2, for example, the reception port 1 (reception MAC unit 11-1) and the transmission port 1 (transmission MAC unit 21- 1) is assumed to be connected to the communication device 2-1. Therefore, here, it is assumed that there is no communication frame transferred from the reception port having the same port number to the transmission port.
  • the reception MAC units 11-1 to 11-N and the transmission MAC units 21-1 to 21-N have an IET function that is being standardized by IEEE 802.3br, and can transfer an Express frame to a normal frame by interrupt.
  • the reception MAC units 11-1 to 11-N distribute communication frames in which Express frames and Normal frames are mixed into Express frames and Normal frames, and output them from different paths.
  • the transmission MAC unit 21 interrupts the output of the Normal frame and preferentially outputs the Express frame. This makes it possible to perform frame transfer that satisfies the Express frame delay requirement.
  • the normal frame is divided when the interrupt of the Express frame is generated by using the IET function. However, after the transfer of the Express frame is completed, the untransmitted part is transferred and the Normal frame is divided in the communication apparatus on the receiving side. By combining these, the normal frame can be reproduced.
  • the communication frame transfer apparatus 4 includes Express transmission queues 30-1 to 30-N that store Express frames and Normal transmission queues 40-1 to 40N that are storage devices that store Normal frames.
  • the Express transmission queues 30-1 to 30-N are connected to the destination port distribution unit 70, and have dedicated queues 31-1-2 to 31-N- (N-1) corresponding to the respective reception ports. Then, the Express frame output from the destination port allocating unit 70 is stored in each dedicated queue 31 according to the reception port from which the Express frame is received. In this way, it is possible to store the Express frame according to the transmission port to which the Express frame is transmitted and the received reception port.
  • the Express transmission queue 30 includes a number of dedicated queues corresponding to the reception port and the transmission port, and in a communication frame transfer apparatus having N reception ports and transmission ports as shown in FIG. There are N ⁇ (N ⁇ 1) dedicated queues.
  • N ⁇ (N ⁇ 1) dedicated queues As described above, it is assumed that there is no communication frame transferred from the reception port having the same port number to the transmission port. Therefore, the reception port having the same port number is set in the Express transmission queue 30 provided for each transmission port.
  • a corresponding dedicated queue 31 is not provided.
  • the dedicated queue 31-1-1 corresponding to the reception port 1 is not provided in the Express transmission queue 30-1 of the transmission port 1.
  • the Express transmission queue 30 here may be a storage device that can store and read the transmission port to which the Express frame is transmitted and the received reception port in association with each other.
  • the destination of the Express frame received at the reception port 1 is the transmission port 2 (transmission MAC unit 21-2)
  • this Express frame is sent to the Express queue 30- of the transmission port 2.
  • 2 is stored in the dedicated queue 31-2-1 of the receiving port 1.
  • the dedicated queue 31 for each reception port can perform cut-through output. By receiving a control signal for performing cut-through transfer from the transmission MAC unit 21, it is not stored in the transmission port Express transmission queue. It can be transferred as it is.
  • the normal transmission queues 40-1 to 40-N are storage devices that are connected to the destination port allocating unit 71 and temporarily store normal frames transmitted from the destination port allocating unit 71. Further, N normal transmission queues 40 are provided corresponding to the respective transmission ports. The normal frames are stored in the normal transmission queues 40-1 to 40-N in the order of arrival, and the normal frames are output to the transmission MAC units 20-1 to 20-N based on the control signals from the transmission MAC units 20-1 to 20-N.
  • the read queue management unit 50 is provided after the reception MAC unit 11 and performs priority output control of an Express frame received by the reception MAC unit 11. That is, reception time information and frame priority information of an Express frame received by the reception MAC unit 11 are acquired, and in what order the Express frame is output from the transmission port is determined based on these information.
  • the read queue management unit 50 can perform control for each transmission port, and in order to perform appropriate priority output control, the reception port dedicated queue 31 in the Express transmission queue 30 to be read next by the transmission MAC unit 21. Is sent to the transmission MAC unit 21.
  • the read queue management unit 50 includes a time information management unit 51, a frame priority management unit 52, and a read queue determination unit 53.
  • the time information management unit 51 and the frame priority management unit 52 store and manage information related to the time at which the reception MAC unit 11 receives the Express frame and the priority of the received Express frame, respectively. Further, the read queue determination unit 53 determines the priority output control of the transmission MAC unit 21, that is, the output order of the Express frames to be output based on these pieces of information.
  • FIG. 3 shows a detailed configuration diagram of the read queue management unit 50.
  • the time information management unit 51 includes a time information counter 510 and registers 511-1 to 511-1 corresponding to the respective reception ports, and a reception trigger sent from the reception MAC unit 11 and time information sent from the time information counter 510. Based on the above, the reception time information of the Express frame is calculated and stored in the register 511 for each reception port.
  • the frame priority management unit 52 includes priority management units 520-1 to 520 -N for managing the priority information of the Express frame for each reception port.
  • the priority management unit 520 holds the priority information of the Express frame received by the reception MAC unit 11 for each reception port based on the priority information of the Express frame output from the destination search unit 60.
  • the read queue determination unit 53 includes a reception time comparison unit 531, a priority comparison unit 532, and a read queue determination calculation unit 533.
  • the reception time comparison unit 531 reads the reception time information stored in the registers 511-1 to 51-1, and compares the difference in reception time between a plurality of Express frames output from the same transmission port with a threshold value to be described later.
  • the priority comparison unit 532 reads the priority information held by the priority information management unit 520, and compares the priority among a plurality of Express frames output from the same transmission port.
  • the read queue determination calculation unit 533 determines the output order of the Express frames at each transmission port based on the comparison results in the reception time comparison unit 531 and the priority comparison unit 532, and then determines which of the Express transmission queues. It is determined whether the Express frame is read from the reception port dedicated queue. After making these determinations, the transmission MAC unit 21 is notified of the determined read queue number.
  • the destination search unit 61 extracts the destination information (MAC destination address) of the frame from the Express frame and the Normal frame output from the reception MAC unit 11, determines a transmission port to be output based on the destination information, and determines this determination.
  • the transmission port information of the Express frame is transmitted to the read queue management unit 50.
  • the destination search unit 61 extracts priority information from the Express frame output from the reception MAC unit 11 and transmits it to the read queue management unit 50 together with the transmission port information.
  • the destination search unit 61 outputs an Express frame and a Normal frame to the destination port sorting unit 70 and the destination port sorting unit 71, respectively.
  • the destination port allocating units 70 and 71 distribute the Express frame and the Normal frame to the Express transmission queues 30-1 to 30-N or the normal transmission queues 40-1 to 40-N corresponding to the transmission ports determined by the destination search unit 60, respectively. .
  • FIG. 2 an Express frame and a Normal frame are mixedly input to the communication frame transfer apparatus of the present invention.
  • operations of the Express frame and the Normal frame will be described separately.
  • the destination search unit 60 that has received the Express frame from the reception MAC unit 11 extracts destination information included in the Express frame, and determines a transmission port to be output based on the destination information. Information regarding the determined transmission port (transmission port information) and priority information extracted from the Express frame (frame priority information) are output to the read queue management unit 50. In addition, the destination search unit 60 outputs the received Express frame to the destination port distribution unit 70.
  • the read queue management unit 50 operates for each transmission port and performs priority output control of the Express frame. Details of the operation will be described below.
  • FIG. 4 shows a priority output control flow of the Express frame in the read queue management unit 50.
  • the time information management unit 51 in the read queue management unit 50 uses the time information from the time information counter 510. Based on the above, the time when the reception trigger is received is acquired as the frame reception time of the Express frame. Further, the acquired frame reception time is stored in the register 511 corresponding to the reception port that has received the Express frame (step S102).
  • the read queue management unit 50 acquires the transmission port information and frame priority information of the Express frame output from the destination search unit 60, and stores them in the priority management unit 520 corresponding to the reception port that has received the Express frame ( Step S103).
  • the frame priority information is information indicating the priority class of the Express frame when different classes of priority are provided for a plurality of types of Express frames.
  • different allowable delay times are set for different frame priority classes, and the higher the frame priority, the shorter the allowable delay time. It should be noted that even an Express frame in which the same allowable delay time is set, a different frame priority may be set, and either one may be preferentially output from the transmission port.
  • the number of frame priority classes is not limited, and the present invention can be applied to two or more classes.
  • the read queue management unit 50 determines whether Express frames compete with each other at the same transmission port using the reception time and transmission port information of each Express frame. (Step S104).
  • the read queue management unit 50 determines that a plurality of Express frames satisfy a predetermined condition and is received by the reception MAC unit 11 and these Express frames compete with each other (Yes in step S104)
  • the read queue management unit 50 determines which reception port the Express frame input from is preferentially output.
  • the read queue management unit 50 notifies the transmission MAC unit 21 of the reception port number of the output frame, that is, the read queue number in the Express transmission queue 30.
  • the calculation flow is shown in FIG.
  • step S104 determines that there is no contention between Express frames at the transmission port. If the read queue management unit 50 determines that there is no contention between Express frames at the transmission port (step S104: No), the Express frames are output in order of reception time (step S106).
  • a method for determining whether or not there is an Express frame conflict in step S104 will be described.
  • the predetermined condition refers to a case where a difference between reception times of a plurality of Express frames is within a certain time, and a user or the like can determine the time according to the priority of the Express frame. For example, when no output control is performed, an Express frame output from the same transmission port is received with a time difference such that an Express frame collides. Even if there is no collision, the user can set a case where a plurality of Express frames have a specific priority and are equal to or less than a certain reception time difference.
  • FIG. 5 shows a calculation flow of the read queue determination unit 513.
  • the read queue management unit 50 receives the Express frame at the reception MAC unit 11, passes through the time required for destination search and destination port allocation, and other processing time until the frame reaches the Express transmission queue 30.
  • the total time (transfer delay time) is held, and this transfer delay time becomes a threshold value to be described later.
  • This transfer delay time may differ depending on the reception port from which the Express frame is received and the transmission port to which the Express frame is transmitted.
  • the transfer delay time includes a delay time required for processing in each device through which an Express frame such as the destination search unit 60 or the transmission queue passes.
  • step S104 it is determined whether or not the difference in the reception times of the Express frames determined to cause competition is smaller than this threshold (step S201).
  • step S201 If the difference in the reception times of the Express frames competing in step S201 is smaller than the threshold value, the high priority frame can be output first even if the high priority frame arrives later than the low priority frame.
  • the order is controlled (step S201: Yes). Otherwise (step S201: No), the competing Express frames are output in the order of reception time (step S204).
  • step S202 the priority of competing frames is compared.
  • the priority of the late-arrived Express frame (late-arrival frame) is higher than the priority of the early-arrival Express frame (first-arrival frame)
  • the order of output is changed, and the late-arrival frame is set as the next output frame.
  • frames with the same priority it is assumed that the user can determine which receiving port outputs a frame input preferentially. For example, among the competing Express frames, an Express frame received from a younger receiving port is selected as the next output frame, an Express frame received from a receiving port with a lower output count is selected as the next output frame, etc. is there.
  • the read queue management unit 50 notifies the transmission MAC unit 21 of the reception port number of the next output frame determined in step S202 as the read queue number in the transmission queue.
  • the transmission MAC unit 21 reads the Express frame from the dedicated queue 31 with the notified number, and transmits it to the communication device 2 connected to the own device.
  • the maximum allowable delay time of the low-priority frame time that can stay in the transmission queue
  • the transmission queue is monitored from the transmission MAC unit 21, and the frame that stays in the transmission queue exceeding the maximum allowable delay time is low. Control may be performed so that priority frames are output with priority. Thereby, transfer within the maximum allowable delay time can be controlled more appropriately.
  • the destination search unit 60 determines the transmission port to be output from the frame destination information.
  • the destination port allocating unit 70 uses the transmission port information determined by the destination search unit 60 to send the Express frame received from the destination search unit 60 to the receive port dedicated queues 31 of the Express transmission queues 30-1 to 30-N. To do.
  • the transmission MAC unit 21 sends a control signal to the Express transmission queues 30-1 to 30-N according to the read queue number information notified from the read queue management unit.
  • the Express transmission queue 30 outputs an Express frame from each reception port dedicated queue based on the control signal.
  • the transmission MAC unit 21 outputs the Express frame output from the Express transmission queue 30 to the communication device 2 to which the frame is connected based on the IET transfer method.
  • the destination search unit 60 searches for the destination port as in the case of the Express frame.
  • the destination search unit 60 transfers the received normal frame to the destination port distribution unit 71.
  • the destination port allocating unit 71 that has received the normal frame stores the destination frame in one of the normal transmission queues 40-1 to 40 -N for each transmission port, using the destination search result in the destination search unit 60.
  • the transmission MAC unit 21 transfers the Normal frame if the Express frame is not being transferred by the IET transfer method. That is, the transmission MAC unit 21 outputs a control signal to the normal transmission queue 40 unless the Express frame is being transferred.
  • the normal transmission queue 40 outputs the normal frame to the transmission MAC unit 21 from the normal transmission queue 40 instructed based on the control signal.
  • the normal frame output control method can be determined by the user.
  • the normal frame is output by a method such as transfer from a young port, transfer by absolute priority control, or selection of a reception port number with a low output count.
  • the output order of the Express frame when the communication system and the communication frame transfer apparatus according to Embodiment 1 of the present invention are used will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 6, it is assumed that the Express frame is input in the order of priority (high) to the reception port 2, priority (low) to the reception port n, and priority (medium) to the reception port 1. . Although these frames are in a contention relationship, in the conventional communication system, as shown in the upper part of FIG. 6, the order of input to each receiving port, that is, priority (high), priority (low) ) And in order of priority (medium).
  • the communication system and the communication frame transfer apparatus in the relationship between the priority (high) input to the reception port 2 and the priority (low) input to the reception port n, Since the first frame has a higher priority, the output order is not changed, but the relationship between the priority input to the reception port n (low) and the priority input to the reception port 1 (medium) is Since the arrival frame has a higher priority, the express frame of the priority (medium) input to the receiving port 1 which is the later arrival frame is output first by the processing of step S203 and step S203 shown in FIG. It becomes. Therefore, as shown in the lower part of FIG. 6, the output order of the priority (low) input to the reception port n and the priority (medium) input to the reception port 1 is switched, and the low delay frame satisfying the delay request Transfer is possible.
  • the receiver and transmitter that constitute the communication frame transfer apparatus 4 include a communication module, and a memory, a processor, and the like are provided as necessary.
  • the receiver and the transmitter are described separately, but they may be integrated.
  • Other configurations of the read queue management unit 50 and the like can be realized by using logic ICs such as FPGA (Field Programmable Gate Array) that is a general-purpose IC and ASIC (Application Specific Specific Integrated Circuit) that is an application specific IC. .
  • logic ICs such as FPGA (Field Programmable Gate Array) that is a general-purpose IC and ASIC (Application Specific Specific Integrated Circuit) that is an application specific IC.
  • FPGA Field Programmable Gate Array
  • ASIC Application Specific Specific Integrated Circuit
  • the logic IC includes a processor, a memory, and an input / output interface circuit as shown in FIG.
  • the signal input from the input / output interface circuit may be processed by the processor executing the program stored in the memory and output from the input / output interface circuit.
  • the frame priority information is extracted immediately after the reception MAC unit, so that the frame is received and arrives at the transmission queue. Using the time, the next read queue in the transmission MAC unit can be determined. Therefore, even if an Express frame competes, an Express frame having a high priority can be cut-through output, and a low-delay frame transfer that satisfies a delay request is possible.
  • the Express frame transmission queue is basically cut-through transfer, but when Express frames compete with each other on the same transmission port, the low-priority Express frame is stored in the transmission queue until the transfer of the high-priority Express frame is completed. However, it can be read and transferred after the transfer of the high-priority Express frame is completed (store-and-forward format).
  • FIG. 8 and 9 are block diagrams showing configurations of the Express transmission queue 30 and the read queue management unit 50 according to Embodiment 2 of the present invention, respectively. Other configurations are the same as those in the first embodiment, and a description thereof is omitted.
  • the Express transmission queue 30 is further prioritized in the dedicated queues 31-1-2 to 31-N- (N-1) for each reception port in the Express transmission queues 30-1 to 30-N for each transmission port.
  • Dedicated queues 32-1-2-1 to 32-N- (N-1) -2 are provided for each degree.
  • the Express frame is stored in one of the dedicated queues 32-1-2-1 to 32-N- (N-1) -2 according to the transmission port, the reception port, and the priority. That is, the reception port of the receiver, the transmission port of the transmitter, and the number of dedicated queues corresponding to the number of priority classes are provided, the transmission port searched by the destination search unit 60, the received reception port, and the low delay frame Can be stored in a dedicated queue in accordance with the priority.
  • dedicated queues 521-1 to 52N-2 for each priority level are provided in each priority level management unit 520 provided for each reception port in the frame priority level management unit 52. Yes.
  • This dedicated queue manages the frame priority of the input Express frame for each reception port (managed by the frame priority management unit 520) and for each priority class (managed by the dedicated queue 521 for each priority).
  • the priority arrival information management units 54-1 to 54-N indicate information indicating whether or not priority information exists from the priority dedicated queue 521 (hereinafter referred to as priority arrival information). Enter 1 to N.
  • the priority arrival information management unit notifies the read queue determination unit 53 of the priority of the highest priority of the priority arrival information and the reception port number.
  • the reception MAC unit 11 of the received reception port When an Express frame is input to the communication frame transfer device 4, as in the case of the first embodiment, the reception MAC unit 11 of the received reception port outputs an Express trigger to the read queue management unit 50, and the read queue The management unit 50 acquires the reception time information and transmission port information of the Express frame.
  • step S204 shown in FIG. 4 it is determined whether or not there is contention not only for the Express frames received from different receiving ports but also for a plurality of Express frames received from the same receiving port.
  • the predetermined conditions for contention are the same as in the case of the first embodiment. For example, the first arrival frame that is output from the same transmission port as the first arrival frame after the arrival of the first arrival Express frame is received. Whether or not an Express frame has been received.
  • step S204 the difference between the reception times of the competing Express frames and the transfer delay time are compared in the same manner as in the first embodiment. If this difference in reception time is smaller than the transfer delay time, output control is performed.
  • the priority dedicated queue 521 displays information on whether or not priority information exists inside (hereinafter referred to as priority arrival information) as priority arrival information management units 54-1 to N. To enter.
  • the priority arrival information management unit 54 notifies the read queue determination unit 53 of the priority of the Express frame having the highest priority among the Express frames of the priority for which the priority arrival information is set, and the reception port number.
  • the read queue determination unit 53 compares the priority information between the reception ports and sets the frame with the highest priority as the next output frame.
  • the transmission MAC unit 21 is notified of the reception port number and priority information of the next output frame.
  • the transmission MAC unit 21 outputs a control signal to the Express transmission queue 30 based on the notified information.
  • the Express transmission queue 30 outputs an Express frame based on the control signal.
  • the communication device and the communication frame transfer device have the above-described configuration, even if the Express frame competes as in the first embodiment, the Express with a high priority is used. Frames can be cut-through output, and low-delay frame transfer that satisfies delay requirements is possible. Furthermore, when a high priority frame arrives later for a low priority frame from the same reception port for a single transmission port, the high priority frame can be output first.
  • 1 communication system 1 communication system, 2 communication device, 3 communication path, 4 communication frame transfer device, 10 receiver, 11 reception MAC unit, 20 transmitter, 21 transmission MAC unit, 30 Express transmission queue, 31 reception port dedicated queue, 32 priority Dedicated queue, 40 Normal transmission queue, 50 Read queue management unit, 51 Time information management unit, 52 Frame priority management unit, 53 Read queue determination unit, 60 Destination search unit, 70 Destination port distribution unit, 71 Destination port distribution Section, 510 time information counter, 511 register, 520 priority management section, 521 priority priority queue, 531 reception time comparison section, 542 priority comparison section, 533 read queue determination calculation section

Abstract

　通信装置から送付された通信フレームを他の通信装置に転送する通信フレーム転送装置であって、低遅延フレームの送信ポートと受信ポートに応じて格納する送信キューと、低遅延フレームのフレーム優先度および受信時刻に基づいて、出力順を決定する読出しキュー管理部と、読出しキュー管理部によって決定された出力順に応じて送信キューから低遅延フレームを読出し通信装置に送付する送信器を備えることにより、フレーム優先度の異なる複数の低遅延フレームが同じ送信ポートにおいて競合する場合に、フレーム優先度に基づいた出力制御を行い、各低遅延フレームの遅延要求を満足する低遅延転送を実現することができる。

Description

通信フレーム転送装置および通信システム
　本発明は、送信側の通信装置より送信された通信フレームを受信側の通信装置に転送する通信フレーム転送装置、および、この通信フレーム転送装置を用いた通信システムに関する。
　近年、車両間または車両内通信、列車、工場等の産業分野におけるネットワークのイーサネット（登録商標）化が進んでいる。これらの産業用ネットワークでは、一般に、機器の制御情報を扱う通信フレーム（制御系フレーム）と映像や音声などの制御以外の情報を扱う通信フレーム（情報系フレーム）が用いられる。高速性、高信頼性の実現のため、制御系フレームには厳しい遅延要求があり、通信フレーム転送装置には、通信システムの特性に応じた低遅延転送が求められる。なお、制御系フレームのように低遅延転送が要求、すなわち、許容される遅延時間が短い通信フレームを低遅延フレームという。また、情報系フレームのように低遅延フレームに比べ許容される遅延時間が長い、または、遅延時間の要求のないフレームを通常フレームという。
　通信フレーム転送装置における低遅延フレームの通信フレーム転送方法として、タイムスロット制御によって低遅延フレームを遅延要求が比較的厳しくないフレーム(通常フレーム)よりも優先して転送する技術がある（例えば、特許文献１参照）。これは、低遅延フレームを予約転送する予約転送区間と、通常遅延フレームを転送する自由転送区間を一定周期で繰り返すサイクル型転送を行うものである。予約転送区間はサイクルの前半、自由転送区間はサイクルの後半に設けられており、予約転送区間中に通常遅延フレームが到着しても、予約されている低遅延フレームを転送する。この動作によって、低遅延フレームを優先的に転送できる。
特開２００９－２３９４５３号公報
　しかしながら、従来技術では、想定するアプリケーションは単一、すなわち複数の低遅延フレームがあった場合それらの優先度は同じであり、低遅延フレームが到着する時間帯は既知である場合に限定されている。しかし、複数のアプリケーションデータを一つのネットワーク内で転送するとき、各ポートに入力する低遅延フレームのサイクルは異なる。さらに、アプリケーションの種別によって、低遅延フレームの優先度が異なり、μsオーダの厳しい遅延要求がある優先度の高いフレーム(以下、高優先フレーム)と、高優先フレームに比べ比較的緩い遅延要求で遅延優先度の低いフレーム(以下、低優先フレーム)が存在する。この場合、送信ポートで低遅延フレーム同士の競合が発生し、高優先フレームが低優先フレームによって出力を待たされ、遅延要求を満足できないという課題があった。
　本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、フレーム優先度の異なる複数の低遅延フレームが同じ送信ポートにおいて競合する場合に、フレーム優先度に基づいた出力制御を行い、各低遅延フレームの遅延要求を満足する低遅延転送を実現する通信フレーム転送装置を得ることを目的とする。
　この発明に係る通信フレーム転送装置は、複数の通信装置に接続され、通信装置より送信された通常フレームおよび異なるフレーム優先度が設定された複数の低遅延フレームを他の通信装置に転送する通信フレーム転送装置であって、通信装置より通常フレームおよび低遅延フレームを受信する複数の受信ポートを有する受信器と、受信器において受信した低遅延フレームが送信される送信ポートを検索するとともに、低遅延フレームのフレーム優先度を抽出する宛先検索部と、　低遅延フレームを、宛先検索部において検索された送信ポートと受信した受信ポートに応じて格納する送信キューと、低遅延フレームを受信した受信時刻を算出し、低遅延フレームのフレーム優先度および受信時刻に基づいて、低遅延フレームの出力順を決定する読出しキュー管理部と、読出しキュー管理部において決定された出力順に基づいて、送信キューより低遅延フレームを読出して他の通信装置に送信し、送信キューに低遅延フレームが格納されていない場合に通常フレームを他の通信装置に送信する送信器と、を備える。
　また、この発明に係る通信システムは、複数の通信装置と、複数の通信装置に接続され、通信装置より送信された通常フレームおよび異なるフレーム優先度が設定された複数の低遅延フレームを他の通信装置に転送する通信フレーム転送装置とを備える通信システムであって、通信フレーム転送装置は、通信装置より通常フレームおよび低遅延フレームを受信する複数の受信ポートを有する受信器と、受信器において受信した低遅延フレームが送信される送信ポートを検索するとともに、低遅延フレームのフレーム優先度を抽出する宛先検索部と、低遅延フレームを、宛先検索部において検索された送信ポートと受信した受信ポートに応じて格納する送信キューと、低遅延フレームを受信した受信時刻を算出し、低遅延フレームのフレーム優先度および受信時刻に基づいて、低遅延フレームの出力順を決定する読出しキュー管理部と、読出しキュー管理部において決定された出力順に基づいて、送信キューより低遅延フレームを読出して他の通信装置に送信し、送信キューに低遅延フレームが格納されていない場合に通常フレームを他の通信装置に送信する送信器と、を備える。
　本発明によれば、フレーム優先度の異なる複数の低遅延フレームが同じ送信ポートにおいて競合する場合に、フレーム優先度に基づいた出力制御を行い、各低遅延フレームの遅延要求を満足する低遅延転送を実現することができる。
この発明の実施の形態１に係る通信システムの構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態１に係る通信フレーム転送装置の構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態１に係る読出しキュー管理部の構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態１に係る読出しキュー管理部の動作を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態１に係る読出しキュー決定部の動作を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態１に係る通信フレーム転送装置の通信フレームの出力制御の動作を示す図である。 この発明の実施の形態１に係る通信フレーム転送装置のハードウェア構成の例を示すブロック図である。 この発明の実施の形態２に係るＥｘｐｒｅｓｓ送信キューの構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態２に係る読出しキュー管理部の構成を示すブロック図である。
実施の形態１．
　本発明の実施の形態１に係る通信システムについて図面を参照して説明する。図１は、本実施の形態に係る通信システムの構成を示すブロック図例である。図および以下の説明において、同一の数字が付された装置は同一または同種の装置を表し、また、通信システム内において複数存在する同種の装置等には、数字の後に「－」と数字を付して区別している（例えば、通信装置２－１）。当該装置等を総称する場合、または、区別しない場合には、「－」およびその後に付す数字のない符号を用いて説明することとする（例えば、受信ＭＡＣ部１１）。
　図１において、通信システム１は複数の通信装置２－１～Ｎ（Ｎは２以上の整数）を備えており、それぞれが通信路３および通信フレーム転送装置４を介して接続されている。ここでいう通信装置２は通信端末などの通信装置であり、通信フレームを送信または受信可能な装置であればどのようなものでもよい。また、通信路３は、光ファイバや同軸ケーブルなど光信号または電気信号を伝送可能な伝送路であり、無線を用いるものであってもよい。
　ここで、通信装置２－１～Ｎから、他の通信装置２－１～Ｎに対して送信する通信フレームのうち、制御系フレームのように許容される遅延時間が短い通信フレームを低遅延フレームといい、以下、適宜Ｅｘｐｒｅｓｓフレームと称する。また、情報系フレームのように低遅延フレームに比べて許容される遅延時間が長い、または、遅延時間に関する要求がない通信フレームを通常フレームとし、以下の説明で適宜Ｎｏｒｍａｌフレームと称する。さらに、低遅延フレームは複数のフレーム優先度が設定されており、より厳しい遅延要求がある遅延優先度の高い低遅延フレームを高優先フレームとし、低遅延フレームのうち高優先フレームに比べ遅延要求の緩い低遅延フレームを低優先フレームとする。
　図２に、通信フレーム転送装置４の構成のブロック図を示す。図２において、通信フレーム転送装置４は受信器１０、送信器２０、Ｅｘｐｒｅｓｓ送信キュー３０－１～Ｎ、Ｎｏｒｍａｌ送信キュー４０－１～Ｎ、読出しキュー管理部５０、宛先検索部６０、宛先ポート振分部７０,７１から構成されている。
　受信器１０は、複数の受信ポートを有しており、受信ポートごとに受信ＭＡＣ（Media　Access　Control）部１１－１～Ｎが設けられている。受信ＭＡＣ部１１は、それぞれ図１に示す通信装置２－１～Ｎに接続されており、通信装置２より送信されるＩＥＴ(Interspersing Express Traffic)に関する規格で規定されるＥｘｐｒｅｓｓフレームとＮｏｒｍａｌフレームが混在したトラフィックを受信し、内部でＥｘｐｒｅｓｓフレームとＮｏｒｍａｌフレームに振り分け、別々の経路に出力する。また、受信ＭＡＣ部１１は、Ｅｘｐｒｅｓｓフレームを受信した場合、読出しキュー管理部５０に対して、Ｅｘｐｒｅｓｓフレームを受信したことを通知するため、Ｅｘｐｒｅｓｓ受信トリガを出力する。
　同様に、送信器２０は、複数の送信ポートを有しており、送信ポートごとに送信ＭＡＣ部２１－１～Ｎが設けられている。送信ＭＡＣ部２１は、それぞれ図１に示す通信装置２－１～Ｎに接続されており、ＥｘｐｒｅｓｓフレームとＮｏｒｍａｌフレームとが混在したトラフィックを出力する。ここで、受信ポートと送信ポートで同じポート番号のものは同じ通信装置２に接続されているものとし、例えば、受信ポート１（受信ＭＡＣ部１１－１）と送信ポート１（送信ＭＡＣ部２１－１）は通信装置２－１に接続されているものとする。したがって、ここでは同じポート番号の受信ポートから送信ポートに転送される通信フレームはないものとする。
　また、受信ＭＡＣ部１１－１～Ｎおよび送信ＭＡＣ部２１－１～Ｎは、ＩＥＥＥ８０２．３ｂｒで標準化中のＩＥＴ機能が実装されており、ＮｏｒｍａｌフレームにＥｘｐｒｅｓｓフレームを割り込み転送することができる。すなわち、受信ＭＡＣ部１１－１～Ｎは、ＥｘｐｒｅｓｓフレームとＮｏｒｍａｌフレーム混在した通信フレームをＥｘｐｒｅｓｓフレームとＮｏｒｍａｌフレームに振り分け、別々の経路から出力させる。また、送信ＭＡＣ部２１では、Ｎｏｒｍａｌフレームの送信中にＥｘｐｒｅｓｓフレームを受信した場合には、Ｎｏｒｍａｌフレームの出力を中断させ、Ｅｘｐｒｅｓｓフレームを優先的に出力させる。これにより、Ｅｘｐｒｅｓｓフレームの遅延要求を満たすフレーム転送を行うことができる。また、ＩＥＴ機能を用いることによりＮｏｒｍａｌフレームは、Ｅｘｐｒｅｓｓフレームの割り込み発生時に分断されることとなるが、Ｅｘｐｒｅｓｓフレームの転送完了後に未送信部分が転送され、受信側の通信装置において分断されたＮｏｒｍａｌフレームを結合することにより、Ｎｏｒｍａｌフレームを再生することができる。
　通信フレーム転送装置４は、Ｅｘｐｒｅｓｓフレームを格納するＥｘｐｒｅｓｓ送信キュー３０－１～ＮとＮｏｒｍａｌフレームを格納する記憶装置であるＮｏｒｍａｌ送信キュー４０－１～Ｎをそれぞれ備えている。Ｅｘｐｒｅｓｓ送信キュー３０－１～Ｎは、宛先ポート振分部７０に接続されており、内部に各受信ポートに対応した専用キュー３１－１－２～３１－Ｎ－（Ｎ－１）を備えており、宛先ポート振分部７０から出力されたＥｘｐｒｅｓｓフレームをこのＥｘｐｒｅｓｓフレームが受信された受信ポートに応じて各専用キュー３１に格納する。このように、Ｅｘｐｒｅｓｓフレームが送信される送信ポートと受信した受信ポートとに応じて格納することが可能である。ここでは、Ｅｘｐｒｅｓｓ送信キュー３０は、内部に受信ポートと送信ポートに応じた数の専用キューを備えており、図２に示すようなＮ個の受信ポートと送信ポートを持つ通信フレーム転送装置では、Ｎ×（Ｎ－１）個の専用キューを備えている。なお、ここでは上述のように同じポート番号の受信ポートから送信ポートに転送される通信フレームはないものとしているため、送信ポート毎に設けられたＥｘｐｒｅｓｓ送信キュー３０内に同じポート番号の受信ポートに対応する専用キュー３１は設けられていない。たとえば、送信ポート１のＥｘｐｒｅｓｓ送信キュー３０－１内に受信ポート１に対応する専用キュー３１－１－１は設けられていない。したがって、受信ポートから送信ポートに転送される通信フレームが存在するようなシステムであればＮ個の受信ポートと送信ポートを持つ通信フレーム転送装置では、Ｎ×Ｎ個の専用キューを設けるようにしてよい。すなわち、ここでのＥｘｐｒｅｓｓ送信キュー３０は、Ｅｘｐｒｅｓｓフレームを送信される送信ポートと受信した受信ポートとを対応付けて格納および読み出しを行うことができる記憶装置であればよい。
　例えば、受信ポート１（受信ＭＡＣ部１１－１）で受信されたＥｘｐｒｅｓｓフレームの宛先が送信ポート２（送信ＭＡＣ部２１－２）である場合、このＥｘｐｒｅｓｓフレームは、送信ポート２のＥｘｐｒｅｓｓキュー３０－２内の、受信ポート１の専用キュー３１－２－１に格納される。また、受信ポート毎の専用キュー３１はカットスルー出力が可能であり、送信ＭＡＣ部２１からのカットスルー転送を行う旨の制御信号を受信することにより、送信ポートＥｘｐｒｅｓｓ送信キューには格納せずにそのまま転送させることができる。
　Ｎｏｒｍａｌ送信キュー４０－１～Ｎは、宛先ポート振分部７１に接続されており、宛先ポート振分部７１より送信されるＮｏｒｍａｌフレームを一時的に格納する記憶装置である。また、Ｎｏｒｍａｌ送信キュー４０は各送信ポートに対応してＮ個設けられている。Ｎｏｒｍａｌフレームは、Ｎｏｒｍａｌ送信キュー４０－１～Ｎに到着順に格納され、送信ＭＡＣ部２０－１～Ｎからの制御信号に基づいてＮｏｒｍａｌフレームを送信ＭＡＣ部２０－１～Ｎに出力する。
　読出しキュー管理部５０は、受信ＭＡＣ部１１の後段に設けられており、受信ＭＡＣ部１１において受信されたＥｘｐｒｅｓｓフレームの優先出力制御を行う。すなわち、受信ＭＡＣ部１１において受信されたＥｘｐｒｅｓｓフレームの受信時刻情報、フレーム優先度情報を取得し、これらの情報に基づいて送信ポートからどのような順番でＥｘｐｒｅｓｓフレームを出力するかを決定する。読出しキュー管理部５０は、送信ポート毎に制御を行うことが可能であり、適切な優先出力制御を行うために、送信ＭＡＣ部２１が次に読み出すべきＥｘｐｒｅｓｓ送信キュー３０内の受信ポート専用キュー３１の番号を、送信ＭＡＣ部２１に通知する。また、読出しキュー管理部５０は、時刻情報管理部５１、フレーム優先度管理部５２および読出しキュー決定部５３を備えている。時刻情報管理部５１およびフレーム優先度管理部５２は、それぞれ受信ＭＡＣ部１１においてＥｘｐｒｅｓｓフレームを受信した時刻および受信したＥｘｐｒｅｓｓｓフレームの優先度に関する情報を格納および管理する。また、読出しキュー決定部５３では、これらの情報に基づいて送信ＭＡＣ部２１の優先出力制御、すなわち、出力するＥｘｐｒｅｓｓフレームの出力順を決定する。
　図３に、読出しキュー管理部５０の詳細な構成図を示す。時刻情報管理部５１は、時刻情報カウンタ５１０および各受信ポートに対応したレジスタ５１１－１～Ｎを備えており、受信ＭＡＣ部１１から送付される受信トリガと時刻情報カウンタ５１０から送付される時刻情報に基づいて、Ｅｘｐｒｅｓｓフレームの受信時刻情報を算出し、受信ポートごとにレジスタ５１１に記憶する。
　フレーム優先度管理部５２は、受信ポートごとのＥｘｐｒｅｓｓフレームの優先度情報を管理する優先度管理部５２０－１～Ｎを備えている。優先度管理部５２０は、宛先検索部６０より出力されるＥｘｐｒｅｓｓフレームの優先度情報に基づいて、受信ＭＡＣ部１１において受信したＥｘｐｒｅｓｓフレームの優先度情報を受信ポート毎に保持する。
　読出しキュー決定部５３は、受信時刻比較部５３１、優先度比較部５３２および読出しキュー決定演算部５３３を備えている。受信時刻比較部５３１は、レジスタ５１１－１～Ｎに記憶された受信時刻情報を読出し、同じ送信ポートから出力される複数のＥｘｐｒｅｓｓフレーム間の受信時刻の差と、後述する閾値とを比較を行う。優先度比較部５３２は、優先度情報管理部５２０で保持した優先度情報を読み出し、同じ送信ポートより出力される複数のＥｘｐｒｅｓｓフレーム間の優先度の比較を行う。また、読出しキュー決定演算部５３３は、受信時刻比較部５３１、優先度比較部５３２における比較結果を基に、各送信ポートにおけるＥｘｐｒｅｓｓフレームの出力順を決定し、次にＥｘｐｒｅｓｓ送信キュー内のいずれの受信ポート専用キューからＥｘｐｒｅｓｓフレームを読み出すかを決定する。これらの決定を行った後、決定した読出しキュー番号を送信ＭＡＣ部２１に通知する。
　宛先検索部６１は、受信ＭＡＣ部１１から出力されたＥｘｐｒｅｓｓフレームおよびＮｏｒｍａｌフレームから当該フレームの宛先情報(ＭＡＣ宛先アドレス)を抽出し、この宛先情報に基づいて出力する送信ポートを決定し、この決定したＥｘｐｒｅｓｓフレームの送信ポート情報を読出しキュー管理部５０に送信する。また、宛先検索部６１は、受信ＭＡＣ部１１から出力されたＥｘｐｒｅｓｓフレームから優先度情報を抽出し、送信ポート情報と併せて読出しキュー管理部５０に送信する。また、宛先検索部６１は、上述の処理を行った後、ＥｘｐｒｅｓｓフレームおよびＮｏｒｍａｌフレームを、それぞれ宛先ポート振分部７０および宛先ポート振分部７１に出力する。
　宛先ポート振分部７０,７１は、それぞれＥｘｐｒｅｓｓフレーム、Ｎｏｒｍａｌフレームを宛先検索部６０で決定された送信ポートに対応するＥｘｐｒｅｓｓ送信キュー３０－１～Ｎ、またはＮｏｒｍａｌ送信キュー４０－１～Ｎに振り分ける。
　次に動作について説明する。図２において、本発明の通信フレーム転送装置にはＥｘｐｒｅｓｓフレームとＮｏｒｍａｌフレームとが混在して入力されることとなる。以下に、ＥｘｐｒｅｓｓフレームとＮｏｒｍａｌフレームの動作について分けて説明する。
　(1) Ｅｘｐｒｅｓｓフレームに関する動作
　通信装置２より受信ＭＡＣ部１１にＥｘｐｒｅｓｓフレームが入力されると、Ｅｘｐｒｅｓｓフレームが入力された受信ＭＡＣ部１１は、Ｅｘｐｒｅｓｓフレームの受信トリガ(例えば、ＧＭＩＩ(Gigabit Media Independent Interface)の「data valid」信号等)を読出しキュー管理部５０に出力する。また、受信ＭＡＣ部１１は、受信したＥｘｐｒｅｓｓフレームを宛先検索部６０に出力する。
　受信ＭＡＣ部１１よりＥｘｐｒｅｓｓフレームを受信した宛先検索部６０は、Ｅｘｐｒｅｓｓフレームに含まれる宛先情報を抽出し、この宛先情報に基づいて出力する送信ポートを決定する。決定した送信ポートに関する情報（送信ポート情報）とこのＥｘｐｒｅｓｓフレームより抽出した優先度情報（フレーム優先度情報）を読出しキュー管理部５０に出力する。また、宛先検索部６０は、受信したＥｘｐｒｅｓｓフレームを宛先ポート振分部７０に出力する。
　読出しキュー管理部５０では、送信ポート毎にその機能が動作し、Ｅｘｐｒｅｓｓフレームの優先出力制御を行う。以下に、その動作の詳細を説明する。
　図４に、読出しキュー管理部５０におけるＥｘｐｒｅｓｓフレームの優先出力制御フローを示す。読出しキュー管理部５０は、Ｅｘｐｒｅｓｓフレームの受信トリガが入力されたことを検知した場合（ステップＳ１０１：Ｙｅｓ）、読出しキュー管理部５０内の時刻情報管理部５１では、時刻情報カウンタ５１０からの時刻情報に基づいて、受信トリガを受信した時刻を、Ｅｘｐｒｅｓｓフレームのフレーム受信時刻として取得する。また、取得したフレーム受信時刻をこのＥｘｐｒｅｓｓフレームを受信した受信ポートに対応するレジスタ５１１に記憶しておく（ステップＳ１０２）。
　読出しキュー管理部５０は、宛先検索部６０より出力されるＥｘｐｒｅｓｓフレームの送信ポート情報およびフレーム優先度情報を取得し、このＥｘｐｒｅｓｓフレームを受信した受信ポートに対応する優先度管理部５２０に記憶する（ステップＳ１０３）。ここで、フレーム優先度情報とは、複数種類のＥｘｐｒｅｓｓフレームの異なるクラスの優先度を設けてある場合に、当該Ｅｘｐｒｅｓｓフレームの優先度クラスを示す情報である。通常、異なるフレーム優先度クラスには異なる許容遅延時間が定められており、フレーム優先度が高いものほど許容遅延時間が短い。なお、同じ許容遅延時間が設定されているＥｘｐｒｅｓｓフレームであっても、異なるフレーム優先度を設定し、どちらかを優先的に送信ポートより出力する構成としてもよい。なお、フレーム優先度のクラス数について制限はなく、２つ以上のクラスであれば本発明を適用することができる。
　読出しキュー管理部５０では、同じ送信ポートに関する複数のＥｘｐｒｅｓｓフレーム受信トリガを受信した場合、各Ｅｘｐｒｅｓｓフレームの受信時刻及び送信ポート情報を用いて、同じ送信ポートでＥｘｐｒｅｓｓフレーム同士が競合するかを判断する（ステップＳ１０４）。ここで、読出しキュー管理部５０において、複数のＥｘｐｒｅｓｓフレームが予め定められた条件を満たして受信ＭＡＣ部１１において受信され、これらのＥｘｐｒｅｓｓフレーム同士が競合すると判断した場合（ステップＳ１０４においてＹｅｓ）は、ステップＳ１０２およびステップＳ１０３で取得したＥｘｐｒｅｓｓフレームのフレーム優先度及び受信時刻情報から、どの受信ポートから入力されたＥｐｘｒｅｓｓフレームを優先的に出力するかを読出しキュー管理部５０で決定する。
　読出しキュー管理部５０は、出力フレームの受信ポート番号、すなわちＥｘｐｒｅｓｓ送信キュー３０内の読出しキュー番号を、送信ＭＡＣ部２１に通知する。その演算フローを図５に示す。
　また、読出しキュー管理部５０において送信ポートにてＥｘｐｒｅｓｓフレーム同士の競合が発生しないと判断した場合（ステップＳ１０４：Ｎｏ）は、Ｅｘｐｒｅｓｓフレームを受信時刻の早い順に出力する（ステップＳ１０６）。
　ステップＳ１０４におけるＥｘｐｒｅｓｓフレームの競合の有無の判断方法について説明する。ここでは、予め定められた条件で複数のＥｘｐｒｅｓｓフレームが異なる受信ポートに受信された場合に競合すると判断する。予め定められた条件とは、複数のＥｘｐｒｅｓｓフレームの受信時刻の差が一定時間以内である場合をいい、ユーザ等がＥｘｐｒｅｓフレームの優先度などに応じてその時間を定めることができる。例えば、何ら出力制御をしない場合に、Ｅｘｐｒｅｓｓフレームが衝突するような時間差で同じ送信ポートより出力されるＥｘｐｒｅｓｓフレームが受信された場合などである。また、衝突しない場合であっても、複数のＥｘｐｒｅｓｓフレームが特定の優先度であって一定の受信時刻差以下の場合などとユーザが設定することもできる。
　次に、Ｅｘｐｒｅｓｓフレームの競合が発生すると判断した場合に、読出しキュー決定部５１３が行う、競合の生じる送信ポートの送信ＭＡＣ部２１における読出し順序の演算について説明する。図５に、読出しキュー決定部５１３の演算フローを示す。
　まず、読出しキュー管理部５０は、受信ＭＡＣ部１１においてＥｘｐｒｅｓｓフレームを受信してから、宛先検索・宛先ポート振り分けに要する時間、その他の処理時間を経て、フレームがＥｘｐｒｅｓｓ送信キュー３０に到達するまでの合計時間（転送遅延時間）を保持しており、この転送遅延時間が後述する閾値となる。この転送遅延時間は、Ｅｘｐｒｅｓｓフレームが受信された受信ポートと送信される送信ポートによって異なる場合もある。ここで、この転送遅延時間には、宛先検索部６０や送信キューなどのＥｘｐｒｅｓｓフレームが通過する各装置内の処理に要する遅延時間を含む。ステップＳ１０４で、競合が発生すると判断されたＥｘｐｒｅｓｓフレームの受信時刻の差がこの閾値より小さくなるかどうかの判断を行う（ステップＳ２０１）。
　ステップＳ２０１において競合するＥｘｐｒｅｓｓフレームの受信時刻の差が閾値よりも小さければ、高優先フレームが低優先フレームに対して後着した場合でも高優先フレームを先に出力することが可能であるため、出力順序の制御を行う（ステップＳ２０１：Ｙｅｓ）。そうでなければ（ステップＳ２０１：Ｎｏ）、競合したＥｘｐｒｅｓｓフレームを受信時刻順に出力する(ステップＳ２０４)。
　ステップＳ２０１で、競合フレームの受信時刻の差が閾値よりも小さいと判断した場合、競合するフレームの優先度の比較を行う（ステップＳ２０２）。後着したＥｘｐｒｅｓｓフレーム（後着フレーム）の優先度が先着したＥｘｐｒｅｓｓフレーム（先着フレーム）の優先度よりも高い場合、出力する順番を入れ替え、後着フレームを次出力フレームとする。なお、同一優先度のフレームが競合する場合は、いずれの受信ポートから入力されたフレームを優先的に出力するかをユーザが決定できるものとする。例えば、競合するＥｘｐｒｅｓｓフレームのうち、より若番の受信ポートから受信されたＥｘｐｒｅｓｓフレームを次出力フレームとして選択する、より出力回数の少ない受信ポートから受信されたＥｘｐｒｅｓｓフレームを次出力フレーム選択するなどである。
　読出しキュー管理部５０は、ステップＳ２０２で決定した次出力フレームの受信ポート番号を、送信キュー内の読出しキュー番号として送信ＭＡＣ部２１に通知する。送信ＭＡＣ部２１では通知された番号の専用きゅー３１からＥｘｐｒｅｓｓフレームを読み出し、自装置に接続された通信装置２に送信する。ただし、低優先フレームの最大許容遅延時間(送信キューに滞留可能な時間)を設定して、送信ＭＡＣ部２１から送信キューを監視し、最大許容遅延時間を超えて送信キューに滞留するフレームは低優先フレームであっても優先的に出力する制御を行うようにしてもよい。これにより、最大許容遅延時間以下での転送をより適切に制御することができる。
　読出しキュー管理部５０の動作と並行して、宛先検索部６０ではフレームの宛先情報から、出力する送信ポートを決定する。宛先ポート振分部７０は、宛先検索部６０で決定された送信ポート情報を用いて、宛先検索部６０より受信したＥｘｐｒｅｓｓフレームを、Ｅｘｐｒｅｓｓ送信キュー３０－１～Ｎの受信ポート専用キュー３１に送付する。
　　送信ＭＡＣ部２１は、読出しキュー管理部から通知された読出しキュー番号情報に従って、Ｅｘｐｒｅｓｓ送信キュー３０－１～Ｎに制御信号を送付する。Ｅｘｐｒｅｓｓ送信キュー３０は、その制御信号を基づいて、各受信ポート専用キューからＥｘｐｒｅｓｓフレームを出力する。送信ＭＡＣ部２１は、Ｅｘｐｒｅｓｓ送信キュー３０より出力されたＥｘｐｒｅｓｓフレームを、ＩＥＴの転送方式に基づいてフレームを接続された通信装置２に出力する。
　(2) Ｎｏｒｍａｌフレームに関する動作
　次に、Ｎｏｒｍａｌフレームが入力された場合の動作について説明する。受信ＭＡＣ部１１からＮｏｒｍａｌフレーム信号が出力されると、Ｅｘｐｒｅｓｓフレームの場合と同様に宛先検索部６０において宛先ポート検索を行う。宛先検索部６０は、受信したＮｏｒｍａｌフレームを宛先ポート振分部７１に転送する。Ｎｏｒｍａｌフレームを受信した宛先ポート振分部７１は、宛先検索部６０における宛先検索結果を用いて、送信ポート毎のＮｏｒｍａｌ送信キュー４０－１～Ｎのいずれかに格納する。送信ＭＡＣ部２１は、ＩＥＴの転送方法で、Ｅｘｐｒｅｓｓフレームの転送中でなければＮｏｒｍａｌフレームを転送する。すなわち、送信ＭＡＣ部２１は、Ｅｘｐｒｅｓｓフレームの転送中でなければ、Ｎｏｒｍａｌ送信キュー４０に対して、制御信号を出力する。Ｎｏｒｍａｌ送信キュー４０は、制御信号に基づいて指示されたＮｏｒｍａｌ送信キュー４０からＮｏｒｍａｌフレームを送信ＭＡＣ部２１に出力する。Ｎｏｒｍａｌフレームの出力制御方法はユーザが決定できるものとし、例えば、若番ポートから転送する、絶対優先制御で転送する、出力回数の少ない受信ポート番号を選択するなどの方法でＮｏｒｍａｌフレームを出力させる。
　図６を用いて、本発明の実施の形態１に係る通信システムおよび通信フレーム転送装置を用いた場合のＥｘｐｒｅｓｓフレームの出力順について説明する。図６に示すように、受信ポート２に優先度（高）、受信ポートｎに優先度（低）、受信ポート１に優先度（中）のＥｘｐｒｅｓｓフレームのこれらの順で入力されたものとする。これらのフレームをいずれも競合の関係にあるが、従来の通信システムであれば、図６の上段に示すように各受信ポートに入力された順、すなわち、優先度（高）、優先度（低）、優先度（中）の順に出力されることとなる。一方で、本実施の形態に係る通信システムおよび通信フレーム転送装置を用いた場合、受信ポート２に入力された優先度（高）と受信ポートｎに入力された優先度（低）の関係では、先着フレームのほうが優先度が高いため出力順の変更は行われないが、受信ポートｎに入力された優先度（低）と受信ポート１に入力された優先度（中）との関係では、後着フレームのほうが優先度が高いため、図５に示すステップＳ２０３およびステップＳ２０３の処理により、後着フレームである受信ポート１に入力された優先度（中）のＥｘｐｒｅｓｓフレームが先に出力されることとなる。したがって、図６の下段に示すように、受信ポートｎに入力された優先度（低）と受信ポート１に入力された優先度（中）の出力順序が入れ替わり、遅延要求を満足する低遅延フレーム転送が可能となる。
　本発明の実施の形態１に示す通信フレーム転送装置を実現するハードウェアの例について説明する。通信フレーム転送装置４を構成する受信器、送信器は通信モジュールを備え、必要に応じてメモリやプロセッサ等が設けられている。ここでは、受信器および送信器を分けて記載しているが一体であってもよい。読出しキュー管理部５０等のその他の構成については、汎用ＩＣであるＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、特定用途向けＩＣであるＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）等のロジックＩＣを用いて実現することができる。また、上述のようにロジックＩＣを用いてハードウェア的に実行する場合以外にも、ソフトウェア的に実現してもよく、たとえば、図７に示すようにプロセッサ、メモリ、入出力インタフェース回路から構成されて、入出力インタフェース回路より入力された信号を、メモリに保存されたプログラムにプロセッサが実行することにより処理され、入出力インタフェース回路より出力されるような構成としてもよい。
　本実施の形態に係る発明では、上述のような構成をしているため、フレームの優先度情報を受信ＭＡＣ部の直後に抽出することで、フレームが受信されてから送信キューに到着するまでの時間を利用して、送信ＭＡＣ部における次の読出しキューを決定することができる。したがって、Ｅｘｐｒｅｓｓフレームが競合する場合であっても、優先度の高いＥｘｐｒｅｓｓフレームをカットスルー出力でき、遅延要求を満足する低遅延フレーム転送が可能となる。Ｅｘｐｒｅｓｓフレーム送信キューは、カットスルー転送を原則とするが、同一送信ポートでＥｘｐｒｅｓｓフレーム同士が競合した際は、高優先のＥｘｐｒｅｓｓフレームの転送が完了するまで、低優先のＥｘｐｒｅｓｓフレームを送信キューにストアし、高優先のＥｘｐｒｅｓｓフレームの転送が終了した後に読み出し、転送することができる（ストアアンドフォワード形式）。
実施の形態２．
　実施の形態１では、Ｅｘｐｒｅｓｓフレームを格納する送信キューは、送信ポートと受信ポートに応じた数の専用キューを備える構成としている。実施の形態２では、受信ポートに対応する専用キュー内にさらに、優先度別の専用キューを設けた場合について示す。図８および図９に、それぞれ本発明の実施の形態２に係るＥｘｐｒｅｓｓ送信キュー３０および読出しキュー管理部５０の構成を示すブロック図を示す。なお、その他の構成については、実施の形態１に示す場合と同様であり、説明を省略する。
　図８において、Ｅｘｐｒｅｓｓ送信キュー３０は、送信ポート毎のＥｘｐｒｅｓｓ送信キュー３０－１～Ｎにおいて、受信ポート毎の専用キュー３１－１－２～３１－Ｎ－（Ｎ－１）内に、さらに優先度別の専用キュー３２－１－２－１～３２－Ｎ－（Ｎ－１）－２が設けられている。Ｅｘｐｒｅｓｓフレームは、送信ポート、受信ポートおよび優先度に応じて専用キュー３２－１－２－１～３２－Ｎ－（Ｎ－１）－２のいずれかに格納される。すなわち、受信器の受信ポート、送信器の送信ポートおよび優先度のクラス数に応じた数の専用キューを備えており、宛先検索部６０において検索された送信ポート、受信した受信ポートおよび低遅延フレームの優先度に応じて専用キューに格納することができる。
　また、図９に示すように、フレーム優先度管理部５２内の受信ポートごとに設けられた優先度管理部５２０のそれぞれに、優先度別の専用キュー５２１－１～５２Ｎ－２が設けられている。この専用キューは、入力されたＥｘｐｒｅｓｓフレームのフレーム優先度を
受信ポート毎(フレーム優先度管理部５２０で管理)かつ優先度クラス毎(優先度毎の専用キュー５２１で管理)に管理する。また、優先度到達情報管理部５４－１～Ｎは、優先度専用キュー５２１より優先度情報が存在するか否かの情報（以下、優先度到着情報）を、優先度到着情報管理部５４－１～Ｎに入力する。優先度到着情報管理部では、優先度到着情報のある優先度のうち最高優先であるものの優先度と、受信ポート番号を、読出しキュー決定部５３に通知する。
　次に、動作について説明する。実施の形態２におけるＥｘｐｒｅｓｓフレームが入力された場合の動作に係るフローチャートは、図４、図５に示す場合と同様であり、動作の異なるステップについてのみ説明し、同様の動作を行うステップについては説明を省略する。なお、Ｎｏｒｍａｌフレームが入力された場合の動作については、実施の形態１に示す場合と同様である。
　Ｅｘｐｒｅｓｓフレームが通信フレーム転送装置４に入力された場合、実施の形態１に示す場合と同様に、受信した受信ポートの受信ＭＡＣ部１１は、Ｅｘｐｒｅｓｓトリガを読出しキュー管理部５０に出力し、読出しキュー管理部５０では、Ｅｘｐｒｅｓｓフレームの受信時刻情報および送信ポート情報を取得する。ここで、図４に示すステップＳ２０４では、異なる受信ポートから受信されたＥｘｐｒｅｓｓフレームだけでなく、同じ受信ポートから受信された複数のＥｘｐｒｅｓｓフレームについても競合の有無を判断する。競合のあらかじめ定められた条件は実施の形態１に示す場合と同様であり、例えば、先着のＥｘｐｒｅｓｓフレームが受信されてから、一定時間経過前までに先着フレームと同一送信ポートから出力する後着のＥｘｐｒｅｓｓフレームが受信されたか否かなどである。
　ステップＳ２０４において競合すると判断した場合には、実施の形態１に示す場合と同様に競合するＥｘｐｒｅｓｓフレームの受信時刻の差と転送遅延時間との比較を行う。この受信時刻の差が転送遅延時間より小さい場合には、出力制御を行う。また、その処理と併せて、優先度の専用キュー５２１は、内部に優先度情報が存在するか否かの情報(以下、優先度到着情報)を、優先度到着情報管理部５４－１～Ｎに入力する。優先度到着情報管理部５４では、優先度到着情報が設定された優先度のＥｘｐｒｅｓｓフレームのうち最高優先であるＥｘｐｒｅｓｓフレームの優先度と、受信ポート番号を、読出しキュー決定部５３に通知する。読出しキュー決定部５３は、受信ポート間で優先度情報を比較し、最高優先度のフレームを次出力フレームとする。そして、実施の形態１と同様に送信ＭＡＣ部２１に、次出力フレームの受信ポート番号と優先度情報を通知する。送信ＭＡＣ部２１は、通知された情報に基づいて、Ｅｘｐｒｅｓｓ送信キュー３０に制御信号を出力する。また、Ｅｘｐｒｅｓｓ送信キュー３０は、制御信号に基づいてＥｘｐｒｅｓｓフレームを出力する。
　実施の形態２に係る通信装置および通信フレーム転送装置は、以上のような構成となっているため、実施の形態１と同様に、Ｅｘｐｒｅｓｓフレームが競合する場合であっても、優先度の高いＥｘｐｒｅｓｓフレームをカットスルー出力でき、遅延要求を満足する低遅延フレーム転送が可能となる。さらに、一つの送信ポートに対して、同一受信ポートから低優先フレームに対して高優先フレームが後着する場合、高優先フレームを先に出力できる。
１　通信システム、２　通信装置、３　通信路、４　通信フレーム転送装置、１０　受信器、１１　受信ＭＡＣ部、２０　送信器、２１　送信ＭＡＣ部、３０　Ｅｘｐｒｅｓｓ送信キュー、３１　受信ポート専用キュー、３２　優先度専用キュー、４０　Ｎｏｒｍａｌ送信キュー、５０　読出しキュー管理部、５１　時刻情報管理部、５２　フレーム優先度管理部、５３　読出しキュー決定部、６０　宛先検索部、７０　宛先ポート振分部、７１　宛先ポート振分部、５１０　時刻情報カウンタ、５１１　レジスタ、５２０　優先度管理部、５２１　優先度専用キュー、５３１　受信時刻比較部、５４２　優先度比較部、５３３　読出しキュー決定演算部

Claims (7)

  1. 　複数の通信装置に接続され、前記通信装置より送信された通常フレームおよび異なるフレーム優先度が設定された複数の低遅延フレームを他の前記通信装置に転送する通信フレーム転送装置であって、
    　前記通信装置より前記通常フレームおよび前記低遅延フレームを受信する複数の受信ポートを有する受信器と、
    　前記受信器において受信した前記低遅延フレームが送信される送信ポートを検索するとともに、前記低遅延フレームの前記フレーム優先度を抽出する宛先検索部と、
    　前記低遅延フレームを、前記宛先検索部において前記検索された送信ポートと受信した前記受信ポートに応じて格納する送信キューと、
    　前記低遅延フレームを受信した受信時刻を算出し、前記低遅延フレームの前記フレーム優先度および受信時刻に基づいて、前記低遅延フレームの出力順を決定する読出しキュー管理部と、
    　前記読出しキュー管理部において決定された出力順に基づいて、前記送信キューより低遅延フレームを読出して前記他の通信装置に送信し、前記送信キューに低遅延フレームが格納されていない場合に前記通常フレームを前記他の通信装置に送信する送信器と、
    　を備えることを特徴とする通信フレーム転送装置。
  2. 　前記読出しキュー管理部は、前記受信器があらかじめ定められた条件を満足して前記複数の低遅延フレームを受信した場合に、前記低遅延フレームの出力順の決定を行うこと、
    　を特徴とする請求項１記載の通信フレーム転送装置。
  3. 　前記低遅延フレームが前記受信器に受信してから前記送信キューに到達するまでに要する時間である転送遅延時間を記憶しておき、前記受信器により受信された複数の低遅延フレームの受信時刻の差が、前記複数の低遅延フレームのうち先着した低遅延フレームに対応する転送遅延時間以下である場合に、前記読出キュー管理部は、前記低遅延フレームの出力順の決定を行うこと、
    　を特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の通信フレーム転送装置。
  4. 　前記送信キューは、前記受信器の受信ポートと前記送信器の送信ポートに応じた数の専用キューを備え、前記宛先検索部において前記検索された送信ポートと受信した前記受信ポートに応じて前記専用キューに格納すること、
    　を特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載の通信フレーム転送装置。
  5. 　前記送信キューは、前記受信器の受信ポート、前記送信器の送信ポートおよび優先度のクラス数に応じた数の専用キューを備え、前記宛先検索部において前記検索された送信ポート、受信した前記受信ポートおよび当該低遅延フレームの優先度に応じて前記専用キューに格納すること、
    　を特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載の通信フレーム転送装置。
  6. 　前記送信キューは、対応する送信ポートがフレーム転送中でない場合には前記低遅延フレームをカットスルー出力し、対応する送信ポートがフレーム転送中であれば、前記低遅延フレームをストアアンドフォワード形式で出力すること、
    　を特徴とする請求項１～５のいずれか１項に記載の通信フレーム転送装置。
  7. 　　複数の通信装置と、前記複数の通信装置に接続され、前記通信装置より送信された通常フレームおよび異なるフレーム優先度が設定された複数の低遅延フレームを他の前記通信装置に転送する通信フレーム転送装置とを備える通信システムであって、
    　前記通信フレーム転送装置は、
    　前記通信装置より前記通常フレームおよび前記低遅延フレームを受信する複数の受信ポートを有する受信器と、
    　前記受信器において受信した前記低遅延フレームが送信される送信ポートを検索するとともに、前記低遅延フレームの前記フレーム優先度を抽出する宛先検索部と、
    　前記低遅延フレームを、前記宛先検索部において前記検索された送信ポートと受信した前記受信ポートに応じて格納する送信キューと、
    　前記低遅延フレームを受信した受信時刻を算出し、前記低遅延フレームの前記フレーム優先度および受信時刻に基づいて、前記低遅延フレームの出力順を決定する読出しキュー管理部と、
    　前記読出しキュー管理部において決定された出力順に基づいて、前記送信キューより低遅延フレームを読出して前記他の通信装置に送信し、前記送信キューに低遅延フレームが格納されていない場合に前記通常フレームを前記他の通信装置に送信する送信器と、
    　を備えることを特徴とする通信システム。
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