(57)【要約】【課題】ネットワークを構成する各ノードには特殊な機能を必要とせずに、一般的な産業用ネットワーク（例えば、イーサネット（登録商標）など）を使用することができ、しかもサイクリック情報のリアルタイム性を保証することが可能な通信用スイッチ装置を提供する。【解決手段】  他の通信用スイッチ装置の回線使用時間帯に上位ポートから受信したサイクリック情報及び随時に下位ポートから受信したＩ／Ｏデータを蓄えるバッファと、自分の回線使用時間帯にバッファに蓄えたＩ／Ｏデータの最新情報を読み出し、上位ポートへ送信する手段とを具備する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
他の通信用スイッチ装置に対して接続するための上位ポートと、
他の通信用スイッチ装置との間でサイクリックな回線使用時間帯を順次に割り振る手段と、
Ｉ／Ｏデータを扱うノードを接続するための下位ポートと、
他の通信用スイッチ装置の回線使用時間帯に上位ポートから受信したサイクリック情報及び随時に下位ポートから受信したＩ／Ｏデータを蓄えるバッファと、
自分の回線使用時間帯にバッファに蓄えたＩ／Ｏデータの最新情報を読み出し、上位ポートへ送信する手段とを具備することを特徴とする通信用スイッチ装置。
【請求項２】
回線使用時間帯の開始時刻並びに終了時刻を登録するための開始レジスタ及び終了レジスタをさらに有することを特徴とする請求項１に記載の通信用レジスタ装置。
【請求項３】
下位ポートに接続されるノードがＰＬＣであることを特徴とする請求項１に記載の通信用レジスタ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、サイクリックにリアルタイムデータ（Ｉ／Ｏデータ等）を通信するネットワーク（例えば、イーサネット（登録商標）／ＩＰなど）に好適な通信用スイッチ装置（スイッチングハブ）に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、産業用イーサネット（登録商標）において、サイクリック情報のリアルタイム性を保証するためには、通信用スイッチ装置を用いてＱＯＳ制御を行う方法（第１の方法）やイーサネット（登録商標）に対応する機器のそれぞれにおいて、送信タイミングを時間分割することによって輻輳を回避する方法（第２の方法）が採用されている（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００１−２４４９８７
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上述した第１の方法にあっては、通信用スイッチ装置にかかるトラフィックの最悪状態は、すべてのノードが同時に送信動作を行った場合となる。この場合にも、パケットのロスの発生しないことやレイテンシを保証するためには、ノードの送信動作に制限（例えば、送信間隔を１０ｍｓｅｃ間隔にする）を与えるなどして、非常に小さい帯域しか使用しないようにし、かつ、場合によってはノード数を制限する場合もある。この傾向は、マルチキャストを多用する場合に顕著となる。
【０００４】
一方、上述の第２の方法にあっては、システム全体で同期している時計を各ノードに持たせねばならないことから、同期機能はハードウェア的に実現せねばならず、しかもかなりの高精度を要求されるのが通例である。そのため、各ノードにそれぞれ特殊な機能を持たせねばならないことから、各ノードのコストアップが招来される。
【０００５】
加えて、各ノードは初期設定でバス管理局が定めた時間にのみパケットを送信せねばならず、各ノードに特殊な機能を持たせねばならないことから、この点からもノードのコストアップが招来される。
【０００６】
この発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、その目的とするところは、ネットワークを構成する各ノードには特殊な機能を必要とせずに、一般的な産業用ネットワーク（例えば、イーサネット（登録商標）など）を使用することができ、しかもサイクリック情報のリアルタイム性を保証することが可能な通信用スイッチ装置を提供することにある。
【０００７】
この発明の他の目的ならびに作用効果については、明細書の以下の記述を参照することにより、当業者であれば容易に理解されるであろう。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明は、上記の目的を達成するために、次のような構成を採用するものである。すなわち、本発明の通信用スイッチ装置は、他の通信用スイッチ装置に対して接続するための上位ポートと、他の通信用スイッチ装置との間でサイクリックな回線使用時間帯を順次に割り振る手段と、Ｉ／Ｏデータを扱うノードを接続するための下位ポートと、他の通信用スイッチ装置の回線使用時間帯に上位ポートから受信したサイクリック情報及び随時に下位ポートから受信したＩ／Ｏデータを蓄えるバッファと、自分の回線使用時間帯にバッファに蓄えたＩ／Ｏデータの最新情報を読み出し、上位ポートへ送信する手段とを具備することを特徴とするものである。
【０００９】
このような構成によれば、他の通信用スイッチ装置の回線使用時間帯に上位ポートから受信したサイクリック情報及び随時に下位ポートから受信したＩ／Ｏデータを蓄えるバッファと、自分の回線使用時間帯にバッファに蓄えたＩ／Ｏデータの最新情報を読み出し、上位ポートへ送信する手段を有するものであるから、ネットワークを構成する各ノードには特殊な機能を必要とせずに、一般的な産業用ネットワーク（例えば、イーサネット（登録商標）など）を使用することができ、しかもサイクリック情報のリアルタイム性を保証することが可能となる。
【００１０】
好ましい実施の形態においては、回線使用時間帯の開始時刻並びに終了時刻を登録するための開始レジスタ及び終了レジスタをさらに有するものであってもよい。このような構成によれば、適当なサポートツールを接続することで、各ノードの通信予定パケットに合わせて、回線使用時間帯を自在に設定することができる。
【００１１】
好ましいし実施の形態においては、下位ポートに接続されるノードがＰＬＣであってもよい。このような構成によれば、ＰＬＣシステムにおけるサイクリック情報のリアルタイム性を保証することができる。
【発明の効果】
【００１２】
この発明の通信用スイッチ装置によれば、ネットワークを構成する各ノードには特殊な機能を必要とせずに、一般的な産業用ネットワーク（例えば、イーサネット（登録商標）など）を使用することができ、しかもサイクリック情報のリアルタイム性を保証することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下に、この発明に係る通信用スイッチ装置の好適な実施の一形態を添付図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１４】
本発明の通信用スイッチ装置が適用されたシステム構成例が図１に示されている。
【００１５】
図示のシステムにおいては、３台の通信用スイッチ装置１１，１２，１３が示されている。これらの通信用スイッチ装置１１，１２，１３は、産業用ネットワーク（例えば、イーサネット（登録商標）／ＩＰなど）を介して接続されている。
【００１６】
通信用スイッチ装置１１，１２，１３のそれぞれには、この例にあっては、それぞれ最大４個の下位ポートＰ１１，Ｐ１２，Ｐ１３，Ｐ１４と２個の上位ポートＰ０１，Ｐ０２が設けられている。
【００１７】
より具体的には、図中左端に位置する通信用スイッチ装置１１の場合、下位ポートＰ１１にはノードとしてプログラマブルコントローラ（以下、ＰＬＣと言う）１１１が、下位ポートＰ１２にはノード１１２が、下位ポートＰ１３にはノード１１３がそれぞれ接続されている。これらのノード１１２，１１３としては、例えばＰＬＣ１１に接続されるリモートＩ／Ｏユニット等を挙げることができる。
【００１８】
同様にして、図中真中に位置する通信用スイッチ装置１２の場合、下位ポートＰ１１，Ｐ１２，Ｐ１３，Ｐ１４のそれぞれには、ノード１２１，１２２，１２３，１２４がそれぞれ接続されている。これらのノードとしても、例えばＰＬＣ１１のリモートＩ／Ｏユニット等を挙げることができる。
【００１９】
同様にして、右端に位置する通信用スイッチ装置１３の場合、下位ポートＰ１１はノード１３１が、またそれ以外の下位ポートについてもそれぞれノードが接続されている。
【００２０】
一方、図中左端に位置する通信用スイッチ装置１１の上位ポートＰ０１には図中真中に位置する通信用スイッチ装置１２の上位ポートＰ０２が接続されている。同様にして、図中真ん中に位置する通信用スイッチ装置１２の上位ポートＰ０１には図中右端に位置する通信用スイッチ装置１３の上位ポートＰ０２が接続されている。
【００２１】
以上により、このネットワークによれば、１台のＰＬＣ１１１と、複数台のノード１１２，１１３，１２１〜１２４，１３１との間をネットワークで結ぶことにより、それらのノード間において、サイクリックなデータのやり取りが可能になされている。
【００２２】
なお、以下の説明では、図中、中央に位置する通信用スイッチ装置１２に接続された４台のノード１２１，１２２，１２３，１２４には、アドレスとして、＃ａ，＃ｂ，＃ｃ，＃ｄがそれぞれ割り付けられている。また、アドレス＃ａが割り付けられたノード１２１は、リアルタイムパケット（優先度＃１）とリアルタイムパケット（優先度＃２）からなる２種類のリアルタイムパケットを扱うように設定されている。
【００２３】
同様に、アドレス＃ｂが割り付けられたノード１２２は、リアルタイムパケット（優先度＃１）である１種類のリアルタイムパケットを扱うように設定されている。同様にして、アドレス＃ｃが割り付けられたノード１２３の場合、リアルタイムパケット（優先度＃２）である１種類のリアルタイムパケットを扱うように設定されている。同様にして、アドレス＃ｄが割り付けられたノード１２４にあっては、リアルタイムパケット（優先度＃１）である１種類のリアルタイムパケットを扱うように設定されている。
【００２４】
通信用スイッチ装置１１，１２，１３の構成図が図２に示されている。同図に示されるように、通信用スイッチ装置１１，１２，１３のそれぞれは同一構成を有するものであって、それぞれリアルタイム保証処理部Ａと、時間同期処理部Ｂと、スイッチロジック部Ｃと、４個の下位ポートＰ１１〜Ｐ１４と、２個の上位ポートＰ０１，Ｐ０２を有している。
【００２５】
リアルタイム保証処理部Ａ内には、同図に示されるように、転送パケットの登録テーブルＴＢＬが設けられている。この登録テーブルＴＢＬ内には、図２及び図３に示されるように、各下位ポートＰ０１〜Ｐ０４に接続されたノードアドレスに対応して、＃ａ用バッファ、＃ｂ用バッファ、＃ｃ用バッファ、＃ｄ用バッファがそれぞれ設けられている。
【００２６】
転送パケット登録テーブルの説明図が図４に示されている。同図から明らかなように、＃ａ〜＃ｄ用バッファのそれぞれには、転送パケットの種別並びにパケットサイズがそれぞれ登録されている。すなわち、先に説明したように、ノードアドレス＃ａに関しては、パケットサイズ１２８バイトを有するリアルタイムパケット＃１と、パケットサイズ６４バイトを有するリアルタイムパケット＃２とが登録されている。同様にして、ノードアドレス＃ｂに対しては、６４バイトを有するリアルタイムパケット＃１が登録されている。同様にして、ノードアドレス＃ｃに関しては、２５６バイトを有するリアルタイムパケット＃２が登録されている。同様にして、ノードアドレス＃ｄに関しては、２５６バイトを有するリアルタイムパケット＃１が登録されている。なお、ここで言うノードアドレスには、ＭＡＣアドレスやＩＰアドレスが使用される。
【００２７】
一方、時間同期処理部Ｂ内には、同期時間生成部Ｂ１と、自スイッチの回線使用許可開始時間レジスタＢ２１と、自スイッチの回線使用許可終了時間レジスタＢ２２と、アイドル開始時間レジスタＢ２３と、アイドル終了時間レジスタＢ２４とが内蔵されている。
【００２８】
同期時間生成部Ｂ１においては、システムで同期した時間情報を生成する（例えば、ＩＥＥＥ１５８８などによる時間同期をサポートしている）。なお、時間同期に関わるパケットの転送はアイドル時間に行う。これは、本発明でのスイッチの処理の影響を受けないようにするためである。以下、時間同期に関わるパケットは一般パケットに含めて説明している。
【００２９】
すなわち、レジスタＢ２１，Ｂ２２，Ｂ２３，Ｂ２４のそれぞれには、図１１〜図１３に示されるように、所定のフォーマットをもって、自スイッチの回線使用許可開始時間、自スイッチの回線使用許可終了時間、アイドル開始時間、アイドル終了時間がそれぞれ設定されている。なお、これらの設定例は、時間の最小単位を１μｓｅｃと転移した場合、１〜６５ｍｓｅｃの範囲に各スイッチの回線使用許可時間とアイドル時間を割り付けたものである。そして、時間同期処理部Ｂにおいては、それらのレジスタＢ２１〜Ｂ２４の各設定データと、同期時間生成部Ｂ１とに基づいて、決められた時間管理を実現するためのタイミング信号を発生するように構成されている。
【００３０】
図１１〜図１３に示されるフォーマット例と、それに対応して生成される時間割の例を示す説明図が図１４に示されている。同図に示されるように、本発明によれば、図１１〜図１３に示される各設定データの同期時間の下位１６ビットの内容に基づいて、スイッチＡの回線使用許可時間→スイッチＢの回線使用許可時間→スイッチＣの回線使用許可時間→アイドル→スイッチＡの回線使用許可時間→スイッチＢの回線使用許可時間→スイッチＣの回線使用許可時間の通り、各通信用スイッチ装置別に専用の回線使用時間が割り当てられるようになっている。なお、ここでスイッチＡ，スイッチＢ，スイッチＣとは、図９に示されるように、図中左から並べられた３個の通信用スイッチ装置のことを意味している。
【００３１】
図２に戻って、スイッチロジック部Ｃは例えばスイッチＬＳＩ等で構成されており、それに接続された４個の下位ポートＰ１１〜Ｐ１４と２個の上位ポートＰ０１，Ｐ０２との間における接続を制御するものである。ここで、上位ポートＰ０１，Ｐ０２は、受信したパケットを、他のポート（上位ポートと下位ポートとの両方）へフォワーディングするポートであり、通常のスイッチ動作も行うものである。これに対して、下位ポートＰ１１〜Ｐ１４とは、受信したリアルタイムパケットを、ノードアドレスなどごとにバッファリングする機能を有するポートである。ここで、下位ポートで受信したパケットの宛先が下位ポート宛のユニキャストであった場合、上記バッファに格納されずにフォワーディングしてもよい。この場合、マルチキャストであった場合は、サイクリック転送バッファに格納されるものとする。また、上位ポートから下位ポート宛の全てのパケットは、時間帯に拘わらず直ちにフォワーディングする。
【００３２】
また、後に詳述するように、下位ポートＰ１１〜Ｐ１４のそれぞれで受信したリアルタイムサイクリック転送パケットは、それぞれ対応するバッファ（＃ａ用バッファ〜＃ｄ用バッファ）に格納される。なお、＃ａ〜＃ｃに割り当てられたバッファは１つであり、新たに下位ポートからサイクリック転送パケットが到来した場合、そのリアルタイムパケットはバッファ上に上書きされる。
【００３３】
各スイッチは、上記同期時間に基づいて、図１０の表に示されるように、時間領域毎の処理を行う。すなわち、「自スイッチの回線使用許可時間」については、サイクリック転送バッファの内容を全ポートにフォワーディングする。また、下位ポートから受信した一般転送パケットを破棄する。また、他スイッチ（スイッチＡやスイッチＣ）の回線使用許可時間に関しては、下位ポートから受信したサイクリック転送パケットをサイクリック転送バッファに格納（上書き・更新）する。また、下位ポートから受信した一般転送パケットを破棄する。また、アイドル時間に関しては、下位ポートから受信した一般転送パケットをフォワーディングする。ここで言うフォワーディングとは、一般的な通信用スイッチ装置の機能としてのフォワーディングである。また、下位ポートから受信したサイクリック転送パケットをサイクリック転送バッファに格納（上書き・更新）する。
【００３４】
次に、下位ポートに関する処理を示すフローチャートが図５に示されている。同図において処理が開始されると、パケット受信を待機する状態となる（ステップ５０１）。この状態において、パケットが受信されると（ステップ５０１ＹＥＳ）、現在の時間領域はどの領域にあるかの判定が行われる（ステップ５０２）。
【００３５】
このとき、自スイッチの回線使用許可時間であると判定されると、続いてパケットの種別が判定される（ステップ５０３）。ここでは、リアルタイムパケットと判定される場合と、一般転送パケットと判定される場合とがある。
【００３６】
リアルタイムパケットと判定されると、そのパケットはサイクリック転送バッファに格納（上書き・更新）される（ステップ５０６）。その後、サイクリック転送バッファに格納されたパケットはフォワーディングされる（ステップ５０７）。これに対して、パケットの種別が一般転送パケットと判定されると、そのパケットは破棄される（ステップ５０８）。
【００３７】
現在の時間領域が他スイッチの回線使用許可時間と判定された場合、そのパケットの種別が一般転送パケットであるかリアルタイムパケットであるかの判定が行われる（ステップ５０４）。ここで、一般転送パケットと判定された場合、そのパケットは破棄されるのに対し、リアルタイムパケットと判定された場合には、サイクリック転送バッファに格納（上書き・更新）される（ステップ５０９）。
【００３８】
現在の時間領域がアイドル時間と判定されると、続いてパケットの種別がリアルタイムパケットであるか一般転送パケットであるかが判定される（ステップ５０５）。ここでリアルタイムパケットと判定されると、続いてそのパケットはサイクリック転送バッファに格納（上書き・更新）される（ステップ５０９）。これに対して、一般転送パケットと判定されると、そのパケットはフォワーディング（一般的なスイッチング処理）される。
【００３９】
以上の処理（ステップ５０１〜５１０）が、パケットの受信のたびに繰り返されることにより、あらかじめ割り当てられた各時間帯別にリアルタイム性を保証しつつ、サイクリック情報の送受信が行われる。
【００４０】
なお、上位ポートに関する処理については、図６に示されるように、パケットの受信を待機し（ステップ６０１）、パケットの受信ならば、そのパケットをフォワーディング（一般的なスイッチング処理）する（ステップ６０２）。すなわち、上位ポートに関する限り、本発明においても、一般的なスイッチング処理が行われる。
【００４１】
下位ポートＰ１１がパケットを受信した場合のパケットの流れを示す説明図が図７に示されている。同図に示されるように、この場合、下位ポートＰ１１に受信されたパケットは、下位ポートＰ１３及び上位ポートＰ０２から送信される。
【００４２】
また、上位ポートＰ０２がパケットを受信した場合におけるパケットの流れを示す説明図（その２）が図８に示されている。同図に示されるように、上位ポートＰ０２がパケットを受信した場合、そのパケットは、下位ポートＰ１２及び上位ポートＰ０１から送信される。
【００４３】
最後に、スケジューリングの実施例を示す説明図が図１５に示されている。この例にあっては、３台の通信スイッチ装置ＳＷ−１，ＳＷ−２，ＳＷ−３を介してネットワーク（１５８８による時間管理下）が構成されている。通信スイッチ装置ＳＷ−１には３台のノード（スレーブ）１−Ａ，１−Ｂ，１−Ｃの他に、１台のＰＬＣが接続されている。
【００４４】
同様にして、通信スイッチ装置ＳＷ−２には、３台のノード（スレーブ）２−Ａ，２−Ｂ，２−Ｃがそれぞれ接続されている。同様に、通信スイッチ装置ＳＷ−３には、３台のノード（スレーブ）３−Ａ，３−Ｂ，３−Ｃが接続されている。
【００４５】
そして、これらの通信スイッチ装置ＳＷ−１〜３のそれぞれは、（ＳＷ−１の時間帯）→（ＳＷ−２の時間帯）→（ＳＷ−３の時間帯）→（アイドル）の順に１通信サイクルを構成するか（１通信サイクルの例−１）、あるいは（ＳＷ−１の時間帯）→（アイドル）→（ＳＷ−２の時間帯）→（アイドル）→（ＳＷ−３の時間帯）→（アイドル）の順に通信サイクルを構成している（１通信サイクルの例−２）。
【００４６】
そして、同じグループ（同じスイッチ）に接続されたノードの中では、基本的に自由にパケットのやり取りを行うことができる。また、各スイッチを介して外部へ送出されようとするパケットに関しては、一旦各スイッチ内にバッファリングされる。但し、このときバッファリングされるのはサイクリックデータのみとされる。同じ送信元からのサイクリックデータはバッファの内容を上書きされる。さらに、外部からスイッチに入ってくるパケットに関しては、一切バッファリングは行われず、従前のスイッチング方式を利用して、フリーパスとされる。一方、各通信スイッチ装置毎に決められた時間帯が到来すれば、バッファリングされているサイクリックデータは宛先に向けて送信される。
【００４７】
以上の動作中、各ノード（スレーブ）のそれぞれは、時間管理（１５８８）もサイクルも意識することはない。そのため、本発明によれば、各ノードに対する時間管理の負担が一切かからず、各ノードが特殊なハードウェアを備えることによりコストアップに繋がることを回避しつつも、サイクリック情報のリアルタイム性を保証することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
以上の説明で明らかなように、本発明に係る通信用スイッチ装置によれば、上位ポートから入ってくるパケットに関しては従前の通信用スイッチ装置と同様にしてフリーパスを保証しつつも、外部へ出ていくパケットに関しては、サイクリックデータについてのみバッファリングを行い、しかも各スイッチ毎に割り当てられた時間帯の到来と共に外部へ送出するようにしているため、個々の下位ポートに接続されたノードにおいてシステム同期した時間管理を行う必要がなくなり、それらのノードの低コスト化を達成できる一方、システム全体としてはサイクリック情報のリアルタイム性を保証することができる。そのため、本発明によれば、イーサネット（登録商標）などの産業用ネットワークにおいて、サイクリック情報のリアルタイム性を確実に保証することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】システム構成例を示す説明図である。
【図２】本発明装置の構成図である。
【図３】バッファ構成例を示す説明図である。
【図４】転送パケット登録テーブルの説明図である。
【図５】下位ポートに関する処理を示すフローチャートである。
【図６】上位ポートに関する処理を示すフローチャートである。
【図７】パケットの流れを示す説明図（その１）である。
【図８】パケットの流れを示す説明図（その２）である。
【図９】システム構成の一具体例を示す説明図である。
【図１０】スイッチ−Ｂでの時間領域毎の処理例を示す説明図である。
【図１１】フォーマット例の説明図（その１）である。
【図１２】フォーマット例の説明図（その２）である。
【図１３】フォーマット例の説明図（その３）である。
【図１４】設定例に基づく時間割の例を示す説明図である。
【図１５】スケジューリングの実施例を示す説明図である。
【符号の説明】
【００５０】
１１，１２，１３  通信用スイッチ装置
１１１            ＰＬＣ
１１２，１１３    ノード
１２１，１２２，１２３，１２４  ノード
１３１    ノード
Ａ        リアルタイム保証処理部
Ｂ        時間同期処理部
Ｂ１      同期時間生成部
Ｂ２１    自スイッチの回線使用許可開始時間レジスタ
Ｂ２２    自スイッチの回線使用許可終了時間レジスタ
Ｂ２３    アイドル開始時間レジスタ
Ｂ２４    アイドル終了時間レジスタ
Ｃ        スイッチロジック部
ＴＢＬ    転送パケット登録テーブル
Ｐ０１，Ｐ０２  上位ポート
Ｐ１１，Ｐ１２，Ｐ１３，Ｐ１４  下位ポート
【図１】
2007251576.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
2007251576.tif 000013
【図１２】
2007251576.tif 000014
【図１３】
2007251576.tif 000015
【図１４】
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【図１５】
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