EtherCAT Open Modeとは？

EtherCATには2つの動作モード、Direct mode と Open mode があります。
Direct mode は一般的に使用され、効率的なリアルタイム性能で知られています。一方、Open mode は標準的なスイッチングデバイスを介して既存のITインフラとの統合を可能にしますが、その分遅延が大きくなります。本書では、両方のモードについて探り、それぞれの主要な特性を解説します。

EtherCATの最初の仕様である V1.0（2004年）ですでに Direct mode と Open mode の2つのモードが定義されていました。しかし、現在ほとんどのEtherCATネットワークは Direct mode を使用しており、多くのユーザーは Open mode の存在すら知らないのが現状です。

現在、この仕様は「ETG.1000.3 EtherCAT Specification Part 3 – Data Link Layer service definition」で提供されています。

EtherCAT Direct Mode

Direct mode では、1つのEtherCATセグメントが MainDevice に直接接続されます（図1参照）。ここではEthernetフレームのMACアドレスフィールドは無視されます。Direct mode 通信には、すべての EtherCAT SubDevice が EtherCAT SubDevice Controller (ESC) を使用し、MainDevice は標準のEthernetポートを使用します。

Direct mode は、EtherCAT Device Protocol (EDP) を使用するアプリケーションの標準方式です。スイッチを必要とせず、SubDevice は通常2つ以上のポートを持ち、デイジーチェーン接続やその他のトポロジーが可能です。また、MainDevice のEthernetコントローラーは EtherCAT専用となります。

Direct mode の大きな利点の1つは「Processing on the Fly（フレームが通過しながら処理される）」という原則です。SubDevice での遅延が非常に低いため、1ミリ秒以下のサイクルタイムでのハードリアルタイム測定や制御アプリケーションに適しています。
EtherCATネットワーク内での Propagation Delay（伝搬遅延）は一貫性が高く、温度変動の影響もほとんど受けません。これは、SubDevice 内のESCによるハードウェアベースの処理によるものです。各SubDeviceでの遅延は最大でも1マイクロ秒です。

図1: Direct Mode の EtherCAT セグメント

EtherCAT Open Mode (EOM)

Direct mode は効率性とリアルタイム性能で一般的に使われていますが、Open mode は既存のITインフラとの統合を可能にする柔軟性を提供します。EtherCAT Open Mode (EOM) では、1つまたは複数のEtherCATセグメントが標準のスイッチングデバイスに接続されます（図2参照）。これにより、EtherCATネットワークを大規模なIT環境に統合することが可能になります。

EOMを使用するには、MainDeviceがEOMをサポートし、EtherCAT Configurationツール（例：EC-Engineer）で適切に設定されている必要があります。また、セグメント内の最初のデバイスは Segment Address Device としての追加機能を持ち、MainDeviceからEtherCATセグメントへのアクセスを提供します。

MainDeviceはEOMをサポートし、設定されている必要がある
Segment Address Device は、MainDevice からEtherCATセグメントへアクセスする役割を持つので、Segment Address Device以降のSubDeviceは、Direct Modeと同様に動作し、変更不要

EtherCATセグメント内の最初のデバイスは、ISO/IEC 8802-3のMACアドレスを持ち、EOMポートを備えています。このEOMポートは、Ethernetフレーム内の送信元アドレスと宛先アドレスを入れ替えることで、EtherCATのフレーム構造に従い、すべてのSubDeviceで処理された後にMainDeviceに返送されることを保証します。

UDPを使用する場合は、EOMポートがUDPヘッダの送信元・宛先IPアドレスとUDPポート番号を同様に処理し、EtherCATフレームがUDP/IPプロトコル規格に適合するようにします。

さらに、EOMポートは、不正なMainDeviceや一般的なEthernetデバイスからのアクセスを遮断するセキュリティ機能も備えています。

EtherCAT Open Mode では、スイッチを介したネットワーク内で EtherCAT Device Protocol (EDP) を使用して MainDevice と SubDevice の間の通信を行います。さらに、TCP/IP などの他のプロトコルも同じ IT インフラを共有することが可能です。

EtherCAT Open Mode でスイッチングネットワークを使用すると、いくつかのトレードオフが生じます。利点として、Open Mode は柔軟性を提供し、既存の IT インフラとの統合を可能にします。しかし、すべての Ethernet フレームが同じインフラを共有し、スイッチが通常「Store and Forward」方式で動作するため、EtherCAT セグメント内の遅延が大幅に増加します。この遅延は一貫性がなく、事前に正確に計算することができません。その結果、最小達成可能なサイクルタイムにも影響を及ぼします。実際のパフォーマンスは、特定の IT ネットワークやその設定、現在のネットワーク負荷によって大きく左右されます。

EtherCAT Open Modeの利点とトレードオフ

EOMは、EtherCAT Device Protocol (EDP) を使用して、スイッチを介したMainDeviceとSubDeviceの通信を可能にします。また、TCP/IPなどの他のプロトコルと同じITインフラを共有できます。

しかし、スイッチを利用することで次のようなトレードオフが発生します。

柔軟性：既存のITインフラとの統合が可能
遅延：スイッチングネットワークによる高い遅延と遅延の不安定性
サイクルタイムの影響：ネットワークの構成や負荷によって最小サイクルタイムが大きく変動

図2:　Open ModeのEtherCAT セグメント

EtherCAT Open Modeの通信タイプ

EOMでは、ネットワークセグメントの通信タイプを RAW または UDP に設定できます。

RAW:RAW 通信は、処理負荷を最小限に抑え、可能な限り高いパフォーマンスを求めるアプリケーションで一般的に選択される通信方式です。RAW 通信では、EtherCAT フレームを追加のカプセル化なしに直接 Ethernet フレームとして利用するため、遅延が低く抑えられます。
UDP: UDP 通信は、IP ベースのネットワークとの互換性が必要な場合に使用される通信方式です。EtherCAT フレームを UDP/IP 内にカプセル化することで、ネットワークが既存の IP ルーティングや IT インフラを活用できるようになりますが、その代償として遅延が増加します。

通信方式: RAW

RAW 通信方式では、VLAN タグが使用されます。送信フレームの宛先 MAC アドレスは EtherCAT セグメントのアドレスに対応し、セグメントアドレスデバイスの EOM ポートによって検証されます。検証が完了すると、フレームは SubDevice にルーティングされます。

送信元 MAC アドレスは MainDevice のネットワークカードによって割り当てられます。その後、EOM ポートが送信元アドレスと宛先アドレスを入れ替えることで、処理されたフレームが MainDevice に確実に戻るようにします。

VLAN タグを含む EtherCAT フレームの基本的なフレーム構造は以下の通りです。

送信フレーム: MainDevice から SubDevice へ

受信フレーム: SubDevice から MainDevice へ

通信方式: UDP

UDP 通信方式では、EtherCAT フレームが UDP/IP フレーム内にカプセル化されます。この場合、EtherType には IP (0x0800) が使用され、宛先ポート番号には Internet Assigned Numbers Authority (IANA) によって割り当てられた 0x88A4 が指定されます。この形式のフレームの最大長は 1,518 バイトです。

MAC アドレス（宛先および送信元）の処理は RAW 通信方式と同様ですが、UDP では IP アドレスが適切に設定されます。送信フレームでは、送信元フィールドに MainDevice のアドレスが、宛先フィールドにセグメントアドレスデバイス（EOM ポート）のアドレスが設定されます。受信フレームでは、これらのアドレスが入れ替えられ、適切に MainDevice へルーティングされるようになっています。

送信フレーム: MainDevice から SubDevice へ

受信フレーム: SubDevice から MainDevice へ

Segment Address Deviceの例：Beckhoff EK1000 Coupler

Beckhoff EK1000 は、EtherCAT Open Mode と EtherCAT Direct Mode を接続するための Segment Address Deviceとして利用可能です。

主な機能：

Ethernet Port X001：スイッチに接続し、MACおよびIDアドレスを処理
内部EOMポート：データ処理を行い、EtherCATフレームをESCに転送
EtherCAT Port X002：追加のEtherCAT SubDeviceを接続可能
右側拡張：Beckhoff EtherCATスライスモジュールを追加接続可能

詳細情報は Beckhoff EK1000 製品ページを参照

Beckhoff^®, EtherCAT^®, are registered trademarks of Beckhoff Automation GmbH.

まとめ

EtherCAT には Direct Mode と Open Mode の 2 つの動作モードがあり、それぞれの用途に応じた役割を果たします。Direct Mode は高い効率性を持ち、低遅延かつリアルタイム性に優れた性能を提供するため、迅速な応答が求められる制御アプリケーションに最適です。一方、Open Mode は標準的な IT インフラとの統合を可能にする柔軟性を備えていますが、その代償として遅延が増加し、かつ変動しやすくなります。性能と柔軟性のトレードオフを理解し、用途に適したモードを選択することが重要です。