Gatewayテクノロジの紹介

ゲートウェイ、機器のリンク、スイッチ、機器サーバ、メディア・コンバータ、モデム、ワイヤレス・・・混乱？あなた一人ではありません。2つの異なるネットワーク間の通信はチャレンジングです.

OSI モデル
まずすべてのデータ通信の基本モデル、OSI モデルをみることから始めましょう。

もっとも基本的な通信はOSIモデルのサブセットを使用しているだけです。第1層は一番下のレベル、つまり物理通信回線と電気シグナルを表します。第7層はユーザレベルで、データ・モデルが2つの機器を変換し、変換されたデータが分かるようにします。共通の例はもし誰かが我々が「データ」の意味を理解できるように彼の言語を理解しなければならない、と聞くことです。機器は同一言語を話す第7層を使用して双方の機器が理解するよう、自由にデータを交換します。

基本RS-232インターフェースは第1層を定義します。2つのRS-232機器が電気的に衝突せずに内部接続することができるのを確認します。2機器間のデータを通信し、中断できるようにするために、追加されたプロトコルソフトウェアが必要で、2機器に追加されます。通信規則とデータフォーマットを定義します。

使用頻度の高いCANプロトコルは、昨今自動車アプリケーションにほとんど使用されていますが、第2層でのみ通信します。自動車内部ではベンダはCANを通信リンクとして使用しますが、独自の第7層を、車内部で通信するすべてのノードがわかるようにCANの上に追加しています。車外部のどんなCANノードもこの第7層がインプリメントされていなければ通信に加わることができません。

市場に投入されている異なるベンダから提供されている産業機器は接続を行う必要があり、DeviceNetやCANopenのようなCANベースのオープンな第7層プロトコルがあります。異なるベンダから提供されるつのDeviceNetノードが通信、データ交換することができるのはこの同じ第7層プロトコルを使用しているからです。

EthernetとTCP/IPプロトコルはOSIモデルのCANテクノロジというよりは機能や特徴を提供する第1－4層をカバーします。2つの Ethernetノードは通信するために内部接続されますが、TCP/IPはデータの伝送メカニズムや接続の確立や通信ビットが正しく扱われなかったなど、再送する場合のサービス・タスクを提供します。しかしながら2つのノードが使用しているEthernetとTCP/IPは、話すことはできても理解することはできません。なぜなら同一言語を使用していないからです。つまり、第7層はTCP/IPプロトコルでは定義されていません。TCP/IP上ではネットワークからのデータを変換し生成するためにSNMP、HTTP、FTPのようなアプリケーションが必要です。

それではひとつのネットワークからもうひとつのネットワークへ、いかに交換されるかを見ていきましょう。

メディア・コンバータとリピータ
メディア・コンバータは通常 OSIモデルの第1層ならびに第2層で動作します。一台の物理的メディアからの電気シグナルを取り込み、もう一台への物理的メディアへ変換します。ひとつの例は2つのネットワーク間で電気的シグナルをリフォーマットするRS-232 <-> RS-422コンバータです。もうひとつの例はEthernet 100MビットCAT5ケーブル <->100Mビット・ファイバ・コンバータです。メディア・コンバータは1台の物理的メディアからもう一台の物理的メディアへ変換する場合、産業用アプリケーションでは非常に役立ちますが、ただ信号をリフォーマットするだけで、アプリケーションに追加値を供給はしません。

ネットワークを介し信号が伝送されるとき、「減衰」と呼ばれる過程で劣化し歪んでしまいます。ケーブルが長すぎる場合には、この減衰によって最終的に信号は認識できなくなります。リピータはシグナルをより長く移動させます。OSIの物理層で動作し、ネットワーク・シグナルを再生成、そのシグナルと他のセグメントに再送信します。
リピータは基本的にネットワーク上のノード間の距離を長くするために使用されます。リピータは弱まった電気シグナルをひとつのセグメントから取り込み、再生成し、次のセグメントに送ります。何も翻訳したりフィルタしたりしません。リピータが動作するために、接続されているセグメントと共に同じアクセス方法をとる必要があります。
例えばリピータはCSMA/CD (Ethernet)を使用してセグメントと接続し、トークン・パッシングを使用してセグメントへ接続します。

産業用Ethernetスイッチ
スイッチはインテリジェントなリピータとして表示されます。物理的ネットワークのシグナルを増幅し 増幅し、またインテリジェントな解析を数ビット単位で行います。保存＆転送テクノロジを持つEthernetスイッチはポートで受信されるデータフレーム全体を検出します。通信ビットが誤った動作をしていないか、CRCチェックサムでチェックし、検証することからスタートします。正しくなければデータフレームは切り離されます。CRCチェックがうまくいってスイッチが到着アドレスを定め、そのアドレスのあるポートにデータフレームを転送します。

機器サーバ
機器サーバはブリッジとして参照されます。ブリッジはOSIモデルの第1－4層で動作します。接続、再伝送、エラー処理等を確立させます。データはブリッジ間で容易に交換されますが、データを大量の不明データとして送信するだけです。第4層はそれ自体、データ生成のメカニズムを持っていません。

Ethernetでは通常 RS-232のようなシリアル・ネットワークからEthernet間をブリッジするのに機器サーバを使用します。機器サーバはスタックを含む完全なTCP/IPプロトコルを持ち、シリアル・ポートに接続されたとき、そのポートからのデータがTCP/IPフレーム内でカプセル化されEthernet上に伝送されます。Ethernetの受け取り側ではシリアル・データは TCP/IPから抽出されます。メディア・コンバータのようですが機器サーバで生成される複雑なタイミングとプロトコル処理があります。

シリアル機器はPCベースのシステムで通信します。PCは通常TCP/IPlフレームからデータを抽出するアプリケーション・ソフトウェアを動作させます。
このPCソフトウェアは現行アプリケーションで使用できるように仮想シリアルポートをPC上に生成します。この方法ではオリジナル・アプリケーションに新しい機能は追加されませんが、ソリューションからは機器構成がよくわかり、ハードウェア/ソフトウェア共にほとんど変更することがありません。ほとんどの場合、エンドユーザはシリアル接続がEthernet (IP)上の仮想接続と置き換えられていることに気がつきません。
このアプリケーションでは機器サーバは遠く離れた場所からでもシリアル機器がデータ伝送するのを可能にします。

PLCを使用している場合、産業用アプリケーションにおいてどちらがより優れたソリューションですが、2台の機器サーバを使用する必要があります。1台はTCP/IPフレーム内のシリアルデータをカプセル化するシリアル機器の近く、もう一台はTCP/IPフレームからシリアルフォーマットするためにデータを抽出し戻しすPLCのシリアルポートの近くに必要です。

メッセージでアサイクリック・データ・パケットが再伝送することができるネットワークで機器サーバがオリジナル・ストラクチャとフォーマットを維持します。

ほとんどの産業用ネットワークはまた、組み込みI/Oデータ・トラフィックが真のリアルタイム・データ通信を行う高速更新のためのサイクリック・データ送信を行う組み込みI/Oデータ・トラフィックを備えています。異なる2つのネットワーク間のブリッジを生成するためにプロトコルは第7層を必要とします。

機器サーバのもうひとつの限界はwebベースのデータ処理ができないことです。多くの機器サーバは機器サーバ自体の組み込みコンフィギュレーションのため、スタティックwebサーバに組み込まれていますが、第4層のプロトコルレベルではデータ値を生成できない、という事実がSSIスクリプトあるいはJapaアプレットでwebサーバに組み込まれたアプリケーションからデータを表示するのを不可能にしています。

産業用ゲートウェイ（7層ゲートウェイ）
ゲートウェイは異なるアーキテクチャとプロトコル間の通信を可能にします。ゲートウェアは一つのネットワークからもう一つのネットワークへ、片側のアプリケーション・データが理解できるよう、データをリパッケージし変換します。

ゲートウェイはシステム決定の要件に合うよう情報をリパッケージします。アプリケーション・プログラムを伝送受信の最後に一致させるためにメッセージのフォーマットを変更することができます。ゲートウェイは同じ通信プロトコルとデータ・フォーマット・ストラクチャを使用しないかもしれない2台のシステムをリンクさせます。ゲートウェイはOSIモデルの第1層から第7層まで全体を組み込みます。そのため2つの異なるネットワーク上で真のデータ翻訳/生成され、ネットワーク間のデータがリンクされます。ゲートウェイを使用してシリアル・プロトコルは、EthernetやDeviceNet、Profibus、他のシンプルなプロトコル等、他のプロトコル間をブリッジするゲートウェイは、ネットワークからのデータを直接webベースの制御やモニタリングを提供するためにwebサーバに組み込みます。


シリアル・ポートからEthernetへ
RS232/422/485 & ASCIIプロトコルからフィールドバス/Ethernetまでのデータ伝送は時々「シリアル・ゲートウェイ」により実行され、「プロトコル変換」として参照されます。例えばAnybus Communicatorはゲートウェイ内部で一時的なメモリ保存を使用してこの変換を解決しました。シリアル/機器のデータはゲートウェイのローカル・メモリにマップされ、コンフィギュレーション・ソフトウェアを介してゲートウェイは単なるコマンド情報ならびに制御情報のデータと容量であるシリアル・データ・ストリームからどのデータ容量を定義することができます。選択されたデータは使用しているネットワークの第7層にマップされ、第7層とそのためのデータを使用して他のノードに受信され判断されます。

このソリューションの大きな利点はシリアル機器は内部に組み込まれたネットワーク・カードのように見え、ネットワーク化可能な機器とユーザが期待きたいしているように動作します。つまり、ゲートウェイは選択されたデータバイトをシリアル・データ・ストリームからフィールドバス・システムを使用してPLCが理解できるフォーマに変換します。機器はフィールドバス上でもう一つの機器のように見えます。デジタル/アナログ値を持つI/O機器が一つの例です。

例の先進モードは、Modbus RTUのような共通プロトコルを使用して、ProfibusあるいはEthernet のような産業向けネットワークへ選択したデータをリンクさせてAnybus　Communicatorはまた制御しいくつかのシリアル機器（マルチドロップ機能）と通信するゲートウェイのように動作します。また、webベースでシリアル機器の管理、モニタリグ、制御機能を提供するためのwebイネーブラとなります。

Anybus Communicator - シリアルから Ethernet/Fieldbus ゲートウェイの例を見る

Ethernet/フィールドバスからEthernet/フィールドバスへ
工場フロア内での柔軟性と多様性がますます重要視されています。産業用ゲートウェイを使用して、新旧工場の、特に同じ工場ないあるいはフィールドに出た時異なるフィールドバスあるいはEthernet ネットワーク間でのリンクの一つの方法になります。 Anybus X-gateway群は2つのほとんど主要なフィールドバス、Ethernetネットワーク間のな産業用ブリッジ/ゲートウェイです。もう少し古い工場と新しい工場がお互いいかに2つのネットワークでI/Oデータを容易に互換するためにX-gatewayが使用されているかを詳しく見てみましょう。

Anybus-X Ethernet/フィールドバスからEthernet/フィールドバスへブリッジ/ゲートウェイをみる

サマリ
2つの異なるネットワーク機器の伝送データは平凡なものではなく、アプリケーション要件の解析に重要です。

電子的な相違が2つのネットワークに存在するとメディアは・コンバータが動作します。通常コンフィギュレーションは必要ありません。

機器サーバはEthernetベースのネットワークとPCによる制御を使用した場合、動作します

シリアル・ゲートウェイはRS232/422/485から他のネットワークへと2つのネットワーク間の全てのデータリンクの問題を解決します。ドローバックはゲートウェイは非常に複雑な機器で2つのネットワーク間でリンクされるべきデータを定義するためのインストールをしている間設定を必要とすることです。

ブリッジ/ゲートウェイは2つのネットワーク間のすべてのデータを解決します。今日ではこれが通常のI/Oデータのシンプルな互換を意味しますが、将来、その機能性はますますこれらの製品に組み込まれるでしょう。

レガシー・プロトコルを使用したシリアル機器からのwebイネーブル・データのために、実データを中断し、組み込まれたwebサーバにリンクするために第7層ゲートウェイ製品を持つ必要があります。