産業用イーサネット（13）EtherCATのフレーム構造

EtherCATのフレーム構造

図1(A) に示すように、EtherCAT は標準イーサネットフレームを使用し、マスタは On The Fly 処理がないため、マスタ側のEtherCAT インタフェースは一般的なイーサネット・コントローラが使用できる。マスタ側に特別なハードウェアは必要ない。スレーブ側は、前述したように EtherCAT 専用のコントローラ（ESC）が必要だ。

EtherCAT を他のプロトコルと区別するために、上位プロトコルを示す「TYPE」は「0x88A4」が割り当てられている。オフィスネットワークのイーサネット上で他のプロトコル（例えば IP プロトコル）との混在が可能だ。図2で示すように、EtherCAT は TCP や IP プロトコル上で動作するのではなく、アプリケーションが第2層の ESC を直接制御する考え方だ。一般的なイーサネットでは IP パケットが入るところに EtherCAT データが入る（図1(B))。 EtherCAT データはヘッダとデータグラムで構成される（図1(C))。

EtherCAT はIEEE802.1Q VLAN タグを追加することも可能だ。しかし、スレーブの ESC は VLAN タグを受け付けるが処理はしないため 、VLAN ID や優先度は無視される（図1(D))。EtherCAT に IP プロトコルは必要ないが、UDP/IP にカプセル化することで、オフィスネットワークを通過することができる。UDP の宛先ポート番号が EtherCAT（0x88A4） のため、オフィスネットワークなどの標準イーサネットを「EtherCAT の経路」として使用することが狙いだ。この時、VLAN タグが付加されていると、通過するネットワークのポリシーに従い優先制御等が適用される（図1(E)、図1(F)) 。

参考 EtherCATフレーム詳細

EtherCAT 四方山話!?

EtherCAT は、正確なサイクル時間、極めて短い時間での全ノードの巡回、応答時間そのものの消滅、どれを取っても「革新的なアイデア」に満ち溢れている。イーサネットに長年携わってきたエンジニアには EtherCAT を発想することは容易ではない。図4 のように同じ回線を同じフレームが戻る仕組みや、独自のアドレス空間の設定などは、標準イーサネットからは大きく乖離した「別物」に近い。

EtherCAT の根幹である ESC は、イーサネット物理層（第１層）のEncoding/Decoding 方式や第2層のフレーム構造を流用している。しかし、制御方式は全くの独自方式だ。今後、 ESC 高速化には、標準イーサネットの転用は難しく、独自開発が必要になりそうだ。

100Mbps では、EtherCAT の処理性能は抜きん出ている。しかし、TSN を含む標準イーサネットの伝送速度が 1Gbps になると処理性能の優劣は逆転する。10Gbps ではその差はさらに広がる。今後の EtherCAT 高速版の動向を注視したい。