JP2005260780A - フレームを送信する送信装置およびフレーム送信の際の優先制御方法 - Google Patents

フレームを送信する送信装置およびフレーム送信の際の優先制御方法 Download PDF

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Abstract


【課題】 端末やスイッチ等のフレームを出力する機能をもつ装置におけるフレームスケジューラにおいて、固定長セルに対応することができ、イーサネット(登録商標)のような可変長フレームに適用することができ、また、IPフラグメントを実装する必要がなく、レイヤ2スイッチ等に適し、さらに、フラグメント後にCRCの再計算を行う必要がなく、フラグメントやCRCの再計算等の処理が複雑になっても、高速ネットワークにおける処理に対応できるフレームの優先制御装置およびフレームの優先制御方法を提供することを目的とする。

【解決手段】 端末やスイッチ等のフレームを出力する機能を持つ装置であって、リアルタイム性が要求される時間に、制約のあるフレームを送信する送信装置において、最も優先されるべきフレームを、それ以外のフレームである非優先フレームよりも必ず優先することを特徴とするフレームの優先制御装置である。

【選択図】 図1

Description

本発明は、フレームを送信する送信装置およびフレーム送信の際の優先制御方法に関する。
CSMA/CD方式や全2重方式によるベストエフォート型ネットワークにおいて、音声や映像等のリアルタイムデータのストリームを伝送するニーズが高まっている。
しかし、ベストエフォート型ネットワークの性質上、リアルタイムな映像や音声のストリーム(情報)を、決められた時間内に決められた量を確実に伝送することは、そのままでは困難である。これは、リアルタイム性を必要とするアプリケーションに対するQoS(Quality Of Service)の保証の課題として捉えることができる。
これを大きく分類すると、遅延保証、遅延分散(揺らぎ)保証、帯域保証、パケット損失率保証の4つの課題として捉えることができる。これらの課題を解決する従来例として、以下の4つの技術要素が知られている。
(1)クラス分類(Classifier)
ルータやスイッチにおいて、到着したフレームを送信元や送信先、TCP/UDPポート番号、Tosフィールドに基づいて、トラフィックを分類する。
(2)アドミッション制御(Admition control)
セッション毎に資源の予約をコントロールする方法。セッション開始時に、セットアッププロトコルによってパス上の資源を確保し、確保に失敗すると、セッションは開始されない。
(3)フレームスケジューラ(Frame scheduler)
グループ分類されたフレームを送出するスケジュールを調整する方法。キューイング方法やバッファ管理方法によって様々な方法がある。
(4)トラフィックシェーピング(Shaper)
流入するバーストトラフィックを、一定レートにならす技術。
これの課題の中でも、端末やスイッチ等、フレームを出力する機能をもつ装置において、CoSやQoSに対応するためには、上記(3)のフレームスケジューラの技術が重要である。
通常、フレームスケジューラでは、複数の出力キューへフレームを入れた後に、望ましい優先処理を実現するために適切な送信スケジュールを作成する。スケジューリングアルゴリズムには、さまざまな種類があり、各アルゴリズムは、それぞれ異なる動作を提供し、パフォーマンスについて、取捨選択を必要とする。広く普及しているものとしては、WFQ(Weighted Fair Queuing)と厳格優先処理とが挙げられる。
「WFQ方式」は、優先度の高いキューを優遇するにしても、優先度の低いキューを全て除外する程まで極端なことはしない方法のうちで、最も一般的な手法である。この方式では、各キューに“重み”が割り当てられている。
図8は、従来例において、各フレームが送信される状態を示す図である。
図8に示すように、優先度の高いキューの重みは、優先度の低いキューよりも大きい。出力スケジューラは、示されている重みを考慮するラウンドロビンアルゴリズムを使い、スケジューリングする。重みを帯域幅に比例して割り当てたり、フレーム単位で割り当てることによって、ある程度のフレームの優先性を保つことができる。
一方、「厳格優先処理方式」は、スケジューラは、空でないキューのうちで、常に、優先度が最も高いキューからフレームを取り出す方式であり、この厳格優先処理方式では、その名前が示す通り、優先度を文字通りに解釈する。この場合、優先度の高いキューが、常に、優先度の低いキューに先立って処理される。
特に、リアルタイム性を要求される音声や動画のアプリケーションを伝送する場合、そのフレームを優先度が最も高いフレームとして処理しなければならない。上記厳格優先処理方式では、優先度の高いキュー、優先度の低いキューの両方にフレームが存在する場合、優先度の低いキューのフレームの送信を開始した後に、優先度の高いキューにフレームが到着すると、優先度の低いフレームの送信が完了するまで、優先度の高いキューに存在するフレームを送信することができず、リアルタイム性を損なことがあるという欠点がある。
この欠点を解消する方式として、予め設定したタイムスケジュールによって、セルをスイッチする方式が知られている(たとえば、特許文献1参照)。
また、上記欠点を解消する方式として、優先度の低いパケットをフラグメントし、優先度の高いパケットの間に挿入する方法が知られている(たとえば、特許文献2参照)。
特開2000−151703号公報 特開2002−016637号公報
しかし、上記特許文献1に記載されている予め設定したタイムスケジュールによってセルをスイッチする方式では、固定長セルにしか対応することができず、イーサネット(登録商標)のような可変長フレームには適用できないという問題がある。
また、上記特許文献2に記載されている優先度の低いパケットをフラグメントし、優先度の高いパケットの間に挿入する方式では、IPフラグメントを実装する必要があり、レイヤ2スイッチ等に適する方式ではないという問題がある。また、フラグメント後には、CRCの再計算を行わなければならず、フラグメントやCRCの再計算など処理が複雑になると、高速ネットワークにおいては、処理が間に合わなくなることがあるという問題がある。
本発明は、端末やスイッチ等のフレームを出力する機能をもつ装置におけるフレームスケジューラにおいて、イーサネット(登録商標)のような可変長フレームに適用することができ、また、IPフラグメントを実装する必要がなく、レイヤ2スイッチ等に適したフレームスケジューラを提供する。
また、高速ネットワークにおける処理に対応できるフレームの優先制御装置およびフレームの優先制御方法を提供する。
本発明は、フレームを送信する際に、たとえば、優先度の高いフレームを送信するまでに、優先度の低いフレーム送信を完了できるか判断し、できる場合は、優先度の低いフレーム送信し、できない場合には、優先度の低いフレーム送信を優先度の高いフレーム送信の後にする。
本発明によれば、フレームスケジューラにおいて、固定長フレームだけでなく、可変長フレームに適用することができ、高速ネットワークにおける処理に対応できるという効果を奏する。
発明を実施するための最良の形態は、次の実施例である。
図1は、本発明の実施例1である出力キュー制御を示すブロック図である。
実施例1では、優先度が互いに異なるフレームを優先制御する3つの出力キュー101、102、103と、優先フレーム情報部104と、送信可能フレーム長指示部105と、送信判断部106、107と、優先度順のスケジューラ108とを有する。
優先度が最も高いキュー101には、最も優先されるべきフレームを入れ、音声や動画像を伝送するフレーム等、リアルタイム性が要求されるフレームを入れる。優先度が2番目に高いキュー102には、リアルタイム性を保証する必要はないが、ある程度優先すべきフレームを入れる。優先度が最も低いキュー103には、上記以外のフレームを入れる。優先フレーム情報部104は、次に到着する優先度が最も高いフレームの送信タイミングの情報を保持し、送信可能フレーム長指示部105にそのタイミングを通知する。
送信可能フレーム長指示部105は、次に送信しなければならないフレームであって、優先度が最も高いフレームを送信するタイミングまでに、送信することができるフレームの長さを計算し、送信判断部106と送信判断部107とに通知する。送信判断部106と送信判断部107とは、それぞれに接続されているキューの次に送信するフレームの長さと、送信可能フレーム長指示部105から通知されたフレーム長とを比較し、次に送信する送信フレームの長さが送信可能フレーム長指示部105から通知されたフレーム長より長ければ、送信を拒否し、次に送信する送信フレーム長が短ければ、送信を許可する。
優先度順のスケジューラ108は、基本的には、空でないキューのうちで、優先度の高い順にフレームを取り出すが、送信判断部106、107が送信を拒否する状態にあれば、取り出さない。本実施例では、優先度が最も高いキュー101以外のキュー102、103について、優先度順のスケジューラ108において、厳格優先処理方式を採用しているが、上記キューに他の方式を採用するようにしてもよい。
図2は、実施例1におけるキュー制御の動作を示すフローチャートである。
制御が開始されると(S201)、優先度順のスケジューラ108は、優先度順にキューを巡回し(S202)、ステップS203では、優先度が最も高いキュー101にフレームがあるかどうかを判断する。優先度が最も高いキュー101に、フレームが存在すれば(S203)、優先度順のスケジューラ108が、フレームを取り出し、送信する(S204)。
優先度が最も高いキュー101に、フレームが存在しなければ(S203)、優先度が次に高いキューにフレームがあるかどうかを判断する(S205)。フレームがなければ(S205)、優先度が最も低いキューまで巡回したかどうかを判断する(S206)。優先度が最も低いキューまで巡回した場合(S206)、ステップS202へ戻り、優先度順にキューの巡回を開始する。
優先度が最も低いキューまで巡回していない場合(S206)、再びステップS205に戻り、優先度が次に高いキューにフレームがあるかどうかを判断する。優先度が次に高いキューにフレームがあれば(S205)、そのキューに接続されている送信判断部がフレーム長を比較し(S207)、優先度が最も高いフレーム送信タイミングまでに、優先度が次に高いキューに入れられているフレームの送信を終了できるかどうかを判断する(S208)。
優先度が最も高いフレーム送信タイミングまでに、優先度が次に高いキューに入れられているフレームを送信終了できれば(S208)、優先度順のスケジューラ108が、フレームを取り出し、送信する(S209)。優先度が最も高いフレーム送信タイミングまでに、優先度が次に高いキューに入れられているフレームを送信できなければ(S208)、ステップS206に戻り、優先度が最も低いキューまで巡回したか否かを判断する。
次に、上記実施例において、スイッチングHUBの出力ポートに適用し、リアルタイム性が要求されているアプリケーションと、その他のアプリケーションとが混在する環境におけるフレーム制御について説明する。
図3は、フレームの優先制御装置100のシステム構成を示す図である。
フレームの優先制御装置100において、スイッチングHUB301のポート1には、管理主体304が接続されている。管理主体304は、システム全体を管理し、優先度が最も高いフレーム通信のコネクション管理、スイッチの優先設定等を実行する。スイッチングHUB301のポート2には、スイッチングHUB302のポート4が接続され、ポート3には、スイッチングHUB303のポート4が接続されている。
スイッチングHUB302のポート1には、端末305が接続され、ポート2には、端末306が接続され、ポート3には、端末307が接続されている。また、スイッチングHUB303のポート1には、端末308が接続され、ポート2には、端末309が接続され、ポート3には、端末310が接続されている。
図4は、実施例1における優先度タグ付きのイーサフレームを示す図である。
スイッチングHUBに接続されている各端末は、図4に示す優先度タグ付きのイーサフレーム400を送信する。フレーム400のフォーマットは、6Byteの宛先アドレスDA、6Byteの送信元アドレスSA、そして、その後に、VLANプロトコル識別子(0x8100)を持つタイプフィールドType、VLANプロトコル識別子の後に、2Byteのタグ制御情報フィールドVLANTag、ペイロード部Payload、エラー検出用のフレームエラーシーケンスFCSを持っている。
タグ制御情報フィールドにおける先頭の3ビットが、そのフレームのユーザ優先度を示す。このフィールドには、0から7の値を入れることができる。たとえば優先度7(最も高い優先度)のフレームによって、リアルタイム性を要求されているアプリケーションを伝送する等、システムで定義づけることができる。次のフィールドのCFIは、カノニカル形式指定子であり、フレームにおけるバイトのビット順序(リトルエンディアンまたはビッグエンディアン)に関係する用語である。
VLAN識別子は、そのフレームのVLANへの関連性を明示的に示している。特に、図4に示すように、VLAN識別子の値が0x000である場合、VLAN関連性を表すものではなく、優先度を示すためだけに使われる。この実施例は、優先度を明示的に示す手段として、VLANタグを使用しているが、その他IPのTOSフィールドを用いる方法等、様々な手段を使用するようにしてもよい。
次に、スイッチングHUB301の内部について説明する。
図5は、スイッチングHUB301の内部を示すブロック図である。
スイッチングHUBには、複数のポートが実装され、図5には、1つのポートを示してある。
なお、スイッチングHUB302、303の内部は、スイッチングHUB301の内部と同様である。
受信部501は、フレームを受信しフレーム処理部502へ送信する。フレーム処理部502は、フレーム内の送信元アドレスを、アドレステーブル503で検索し、ヒットしなければ、その送信元アドレスとフレームを受信したポート番号とを、アドレステーブル503に登録する(学習する)。
さらに、フレーム内の宛先アドレスを、アドレステーブル503に基づいて検索し、ヒットすれば、アドレスに対応して登録されているポート番号を、スイッチング情報としてフレームに付加し、ヒットしなければ、フラッディング指示用のスイッチング情報をフレームに付加し、スイッチング部504へ送信する。
スイッチング部504は、フレームに付加されているスイッチング情報とフレームに明示的に示されている優先度情報とから、適正な宛先ポートの適正なキューに、フレームを送信する。キューは、優先度の高い順に、キュー507、508、509に接続されている。
また、フレームの宛先アドレスが、自スイッチングHUB宛であれば、スイッチング部504から管理部505に送信する。管理部505は、スイッチングHUBへの設定等の通信を管理する。特に、優先フレームに関する設定を、優先フレーム情報部506に通知する。優先フレーム情報部506は、優先度が最も高いキュー507に到着するフレームの次の送信タイミング情報を保持し、送信可能フレーム長指示部512に通知する。
送信可能フレーム長指示部512は、キュー507に到着するフレームであって、次の送信タイミングまでに、送信を完了することができるフレームの長さを計算し、送信判断部510と送信判断部511とに通知する。送信判断部510と送信判断部511とは、それぞれに接続されているキューの次に送信するフレームの長さと、送信可能フレーム長指示部512から通知されるフレーム長とを比較し、送信可能フレーム長指示部512から通知されるフレーム長が長ければ、送信を拒否し、送信可能フレーム長指示部512から通知されるフレーム長が短ければ、送信を許可する。
優先度順のスケジューラ513は、基本的には、空でない複数のキューのうちで、優先度の高いキューに入れられているフレーム順に、フレームを取り出すが、送信判断部510、511が送信を拒否していれば、取り出さない。優先度順のスケジューラ513が各キューから取り出したフレームは、送信部514へ送られ、ポートからフレームが送信される。
次に、図3において、端末306から端末308へ、システム全体からみて優先度が2番目に高いフレームが送信され、端末307から端末308へ、優先度が最も低いフレームが送信されるとする。この状態において、端末305から端末308へ、優先度が最も高いフレームを送信する手続きについて説明する。
図6は、実施例1において、端末305から端末308へ、優先度が最も高いフレームを送信する手続きを示す図である。
端末305は、管理主体304に対して、優先周期の情報と、宛先端末情報と、フレーム長を含む優先設定リクエストフレームとを送信する。管理主体304は、優先制御のコネクション管理をし、ネットワークの状況から、端末305からのリクエストを受け付けることができるかどうかを判断し、受け付けることができなければ、端末305に送信拒否フレームを送信する。
端末305からのリクエストを受け付けることができれば、図6に示すように、端末305から端末308までの経路であるスイッチングHUB302のポート4、スイッチングHUB301のポート3、スイッチングHUB303ポート1に優先周期を設定する。
各スイッチングHUBは、設定すべきポートに優先周期を設定し、設定が完了すると、管理主体304に、ACKを返す。管理主体304は、全てのスイッチングHUBからACKが返された場合にのみ、端末305に、送信許可フレームを送信し、全てのスイッチングHUBからACKが返されなかった場合、端末305に、送信拒否フレームを送信する。
管理主体304から送信許可フレームを受信した端末305は、優先フレームリクエストを行った優先周期通りに送信する。各スイッチングHUBは、受信した優先フレームを、他のフレームよりも優先して送信する。優先送信の詳細を、図7を用いて後述する。
端末305は、優先フレーム送信を完了すると、各スイッチングHUBに設定されている優先設定を解除するために、管理主体304に、優先解除リクエストフレームを送信する。
優先解除リクエストフレームを受信した管理主体304は、各スイッチングHUBに、設定解除フレームを送信する。設定を解除した各スイッチングHUBは、管理主体304にACKを返す。全てのスイッチングHUBからACKを受信した管理主体304は、端末305に優先設定を全て解除できたことを示す優先解除ACKフレームを送信し、優先度が最も高いフレームの送信手続きを完了する。
次に、スイッチングHUB302の出力ポート4において、優先送信がどのように行われているかについて説明する。
図7は、実施例1における優先送信の動作を詳細に示す図である。
通信状態は、図3に示すように、システム全体からみて優先度が2番目に高いフレーム(frame2)が、端末306から端末308へ送信され、優先度が最も低いフレーム(frame3)が、端末307から端末308へ送信され、さらに、優先度が最も高いフレーム(frame1)が、端末305から端末308に送信される。
スイッチングHUB302の出力ポート4には、3つの優先度別キューが設けられ、優先度が最も高いキュー1には、frame1を入れ、優先度が2番目に高いキュー2には、frame2を入れ、優先度が最も低いキュー3には、frame3を入れる。
スイッチングHUB302は、図6に示す優先フレームの送信手続きによって、優先度が最も高いフレームの送信タイミングを取得し、図2に示すキュー制御のフローチャートに従って、フレームを送信する。たとえば、図7に示す周期1において、優先度が2番目に高いキュー2から、frame2を送信するか否かを判断する。現在の時間とframe2のフレーム長とに基づいて、優先度が最も高いフレームを次に送信するタイミングまでに、frame2を送信完了することができると判断できる。
したがって、キュー出力から、frame2が送信される。続いて、優先度が最も低いキュー3から、frame3を送信するか否かを判断する。現在の時間とframe3のフレーム長とに基づいて、優先度が最も高いフレームを次に送信するタイミングまでに、frame3を送信完了できないと判断する。したがって、周期1では、キュー出力からframe3を送信しない。その後に、優先度が最も高いキュー1から、frame1がキュー出力を経て送信される。周期2では、周期1で送信できなかったframe3の送信判断を再び行う。
ここでは、現在の時間とframe3のフレーム長とに基づいて、優先度が最も高いフレームを次に送信するタイミングまでに、frame3を送信完了できると判断し、キュー出力からframe3が送信される。
さらに、図7に示す例において、周期2では、優先度が2番目に高いキュー2と優先度が最も低いキュー3とに、同時にframe2とFrame3とが到着している。
まず、優先度の高い順に、frame2の送信判断を行う。ここでは、現在の時間とframe2のフレーム長とに基づいて、優先度が最も高いフレームを次に送信するタイミングまでに、frame2を送信完了できない。したがって、frame2をキュー出力から送信せず、続いてframe3の送信判断を行う。frame3は、フレーム長が短く、優先度が最も高いフレームを次に送信するタイミングまでに、送信を完了することができるので、キュー出力からframe3を送信する。
その後、優先度が最も高いキュー1から、frame1が、キュー出力を経て送信される。周期3では、周期2で送信できなかったframe2の送信判断を再び行う。ここでは、現在の時間とframe2のフレーム長とに基づいて、優先度が最も高いフレームを次に送信するタイミングまでに、frame2を送信完了できると判断し、キュー出力から、frame2を送信する。周期3では、次に、優先度が最も低いキュー3から、frame3を送信するか否かを判断する。
現在の時間とframe3のフレーム長とに基づいて、優先度が最も高いフレームを次に送信するタイミングまでに、frame3を送信完了できないと判断する。したがって、周期3では、キュー出力からframe3を送信しない。その後に、優先度が最も高いキュー1から、frame1が、キュー出力を経て送信される。
周期4では、周期3で送信できなかったframe3に加え、優先度が2番目に高いキュー2に、frame2が到着している。
したがって、まず、優先度の高い順に、frame2の送信を判断する。ここでは、現在の時間とframe2のフレーム長とに基づいて、優先度が最も高いフレームを次に送信するタイミングまでに、frame2を送信完了できると判断し、キュー出力から、frame2を送信する。さらに、周期3で送信されなかったframe3の送信を判断し、送信可能であるので、frame3を、キュー出力から送信する。
上記説明では、スイッチングHUB302のポート4に関するキュー出力動作を詳細に説明したが、スイッチングHUB301のポート3、スイッチングHUB303のポート1に関するキュー出力動作も、スイッチングHUB302のポート4に関する上記キュー出力動作と同様である。
以上のように本発明によれば、フレームスケジューラにおいて、固定長フレームだけでなく、可変長フレームに適用することができ、また、IPフラグメントを実装する必要がなく、レイヤ2スイッチ等に適したフレームスケジューラを提供できる。また、フラグメントの必要がないので、フラグメント後のCRCの再計算等も必要なく、高速ネットワークにおける処理に対応できる。
本発明の実施例1である出力キュー制御を示すブロック図である。 実施例1におけるキュー制御の動作を示すフローチャートである。 フレームの優先制御装置100のシステム構成を示す図である。 実施例1における優先度タグ付きのイーサフレームを示す図である。 スイッチングHUB301の内部を示すブロック図である。 実施例1において、端末305から端末308へ、優先度が最も高いフレームを送信する手続きを示す図である。 実施例1における優先送信の動作を詳細に示す図である。 従来例において、各フレームが送信される状態を示す図である。
符号の説明
101、102、103…出力キュー、
104…優先フレーム情報部、
105…送信可能フレーム長指示部、
106、107…送信判断部、
108…優先度順のスケジューラ。

Claims (7)

  1. リアルタイム性が要求される時間に、制約のあるフレームを送信する送信装置において、
    最も優先されるべきフレームを、それ以外のフレームである非優先フレームよりも必ず優先することを特徴とするフレームの優先制御装置。
  2. 請求項1において、
    優先度が最も高いキューとそれ以外のキューとに、フレームをキューイングする蓄積手段と;
    優先度が最も高いフレームの次に優先度が高いフレームを送信するタイミングを認識する認識手段と;
    上記次に優先度が高いフレームを送信するタイミングまでに、送信を完了することができるフレームの長さを計算する計算手段と;
    優先度が最も高いフレーム以外の非優先フレームを送信する際に、上記送信すべき非優先フレームの長さと、上記計算手段が計算したフレーム長とを比較する比較手段と;
    上記比較に基づいて、非優先フレームの送信の可否を判断する判断手段と;
    上記判断結果に基づいて、上記蓄積手段にキューイングされているキューに応じて、フレームを取り出し送信するスケジューリング手段と;
    を有することを特徴とするフレームの優先制御装置。
  3. 請求項1において、
    フレームを優先度別に分類し、上記分類された優先度別のフレームを、互いに異なるキューに蓄積することを特徴とするフレームの優先制御装置。
  4. 請求項1において、
    優先度が最も高いフレームの次に送信すべきフレームの送信タイミングまでに送信できるフレームの長さと、非優先フレームの長さとを比較し、優先度が最も高いフレームの次に送信すべきフレームの送信タイミングまでに、非優先フレームの送信を完了できる場合は、非優先フレームを送信し、完了できない場合は、非優先フレームを送信しない制御手段とを有することを特徴とするフレームの優先制御装置。
  5. リアルタイム性が要求される時間に、制約のあるフレームを送信する送信装置に置けるフレームの優先制御方法において、
    最も優先されるべきフレームを、それ以外のフレームである非優先フレームよりも必ず優先することを特徴とするフレームの優先制御方法。
  6. 複数の優先度のフレームを送信するための優先制御方法において、
    第1の優先度のフレームを送信するまでに、第2の優先度のフレーム送信を完了できるか否かを判別する判別工程と;
    上記判別工程における判別に応じて、前記第2の優先度のフレームを送信する送信工程と;
    を有することを特徴とする優先制御方法。
  7. 請求項6において、
    上記判別工程は、上前記第1の優先度のフレームを送信するまでに、第2の優先度のフレーム送信を完了できないと判別した場合には、第1の優先度のフレームを送信するまでに、第3の優先度のフレーム送信を完了できるか否かを判別することを特徴とする優先制御方法。
JP2004072088A 2004-03-15 2004-03-15 フレームを送信する送信装置およびフレーム送信の際の優先制御方法 Pending JP2005260780A (ja)

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