JP2006005941A - パケット・ネットワークにおけるサービス毎の障害保護および復旧のための方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】パケット・ネットワークにおけるサービス毎の障害保護および復旧のための方法および装置を提供。
【解決手段】受信パケットは各エンドポイントで、受信パケットを保護すべきであるかどうか決定する１つまたは複数のルールを使用して、パケットのヘッダ部の情報に基づいて分類される。入口ノードで、パケット分類が受信パケットを保護すべであると決定した場合には、受信パケットは少なくとも２つの経路で送信される。出口ノードで、パケット分類が受信パケットを保護すると決定した場合には、受信パケットの複数のバージョンが予想され、受信パケットの１つのバージョンだけが送信される。トラフィックに集約レベルからミクロ・フロー・レベルまで優先順位を付けて保護することを可能にする。保護は障害感受性サービスに限定することができる。リンク障害の後、保護されたデータは、顕著なサービス中断無く、迅速かつ効率的に復旧することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、一般的に障害保護および復旧技術に関し、さらに詳しくは、コンバージド・アクセス・ネットワーク（ｃｏｎｖｅｒｇｅｄ ａｃｃｅｓｓ ｎｅｔｗｏｒｋ）などのパケット・ネットワークにおける障害保護および復旧技術に関する。

アクセス・ネットワークでは、サービス・コンバージェンス（ｓｅｒｖｉｃｅ ｃｏｎｖｅｒｇｅｎｃｅ）に向かう傾向が強い。そのようなネットワークは一般的に「コンバージド・ネットワーク」と呼ばれる。そのようなコンバージェンスは、少なくとも一部には、単一のアクセス・プラットフォームへのサービスの統合および別個のネットワークの単一のマルチサービス・ネットワークへの統合による機器および運営費削減の期待によって動機付けられる。

ネットワーク運営者は現在、多数のサービスをサポートするために、多種多様なアクセス「ボックス」（機器）を維持することを要求される。例えば、音声サービスはデジタル・ループ・キャリア（ＤＬＣ）を介して展開することができる一方、データ・サービスは、ＤＳＬアクセスＭｕｘ（ＤＳＬＡＭ）を介して展開することができる。さらに、このトラフィックを搬送するネットワークは完全に異なることができる。機器およびネットワークの統合は、費用を節約することができると理解されている。さらに、単一のプラットフォーム（本明細書ではマルチサービス・アクセス・ノード（ＭＳＡＮ）と呼ばれる）から全てのサービスを提供することはまた、以前は経済的にまたは技術的に不可能であったサービスの向上を可能にすることができる。しかし、コンバージェンスに対する障壁の１つは、歴史的にデータ・ネットワークが、音声および映像のような時間依存性のミッション・クリティカルなサービスに対し、容認できるサービス品質（ＱｏＳ）を提供してこなかったことであった。

ＱｏＳ方式の主要な構成要素は、信頼できる接続を達成する能力である。言い換えると、ネットワークは、ファイバの切断またはノードの故障のようなネットワーク障害が発生した場合に備えて、弾力性機構を設けなければならない。時間依存性サービスのために、ネットワークは一般的に、数十ミリ秒程度で、影響を受けたサービスの迅速な回復を達成しなければならない。さらに、時間依存性に加えて、様々な理由による障害に敏感な（パケット損失感受性等）サービスがあり得る。そのような障害に敏感なサービスを本明細書では、一般的に「障害感受性サービス」と呼ぶ。コンバージド・プラットフォームを展開するには、「通信事業者グレード」のサービス・レベルで一次音声のような時間依存性サービスを提供する能力が必要である。同時に、サービスをプロバイダにとって実行可能にするために、これを経済的に行わなければならない。

パケット指向アクセス・ネットワークの現在の装置は、利用可能な保護機構の選択肢を提供してもわずかである。代わりに、アクセス・データ装置は一般的に、隣接ルータ、スイッチまたはＳＯＮＥＴアッド・ドロップ・マルチプレクサ（ＡＤＭ）に依存して、トラフィックの保護を達成する。しかし、これらの方式は必ずしも要求されるほど柔軟、効率的、経済的ではない。例えば、ネットワーク・コアに提供される少量の全データ・トラフィックだけを保護することが望ましいかもしれない。そのような場合、データの一部分だけが高速復旧を必要としているかもしれないので、ＭＳＡＮからの全てのデータを（例えばＳＯＮＥＴ単方向経路交換リング（ＵＰＳＲ）に基づく保護スキームを使用して）保護することは、経済的ではないかもしれない。

加えて、パケット・ネットワークの障害検出およびネットワーク回復の現在利用可能な方法は、往々にして十分に高速ではない。例えば、イーサネット（登録商標）・ネットワークはスパニング・ツリー・プロトコル（ＳＴＰ）または高速ＳＴＰを使用して、障害経路を迂回することができるが、プロトコルのコンバージェンス時間の上限が高すぎることがあり得る。さらに、そのようなスパニング・ツリー・プロトコル・機構は、ポートまたは仮想ローカル・エリア・ネットワーク（ＶＬＡＮ）の細分性でしか動作しないが、ＶＬＡＮ上のデータのほんの一部分が保護および復旧を必要としているだけであるかもしれない。

したがって、集約または個別サービス・フロー・レベルのデータを選択的に保護し復旧することのできる、データを保護し復旧するための方法および装置の必要性が存在する。障害感受性サービスの要求事項を満たすように、影響を受けたサービスの十分に高速の復旧を達成することのできる、データを保護し復旧するための方法および装置のさらなる必要性が存在する。パケット・トランスポート・プロトコルまたは物理トランスポート・トポロジに関係なく、既存のネットワークでデータを保護し復旧するための方法および装置のさらなる必要性が存在する。

一般的に、１つまたは複数のパケット・ネットワークにおいてデータをサービス・フロー毎に保護し復旧するための方法および装置を開示する。開示する保護および復旧技術は、トラフィックに集約レベルからミクロ・フロー・レベルまで優先順位を付けて保護することを可能にする。したがって、保護は障害感受性サービスに限定することができる。保護されたデータは一次経路および１つまたは複数のバックアップ・データ経路を介して二重化される。リンク障害の後、保護されたデータは、顕著なサービス中断無く、迅速かつ効率的に復旧することができる。

入口ノードで、受信されたパケットはパケットのヘッダ部の情報に基づいて分類される。分類は、パケットを保護すべきであるか否かを決定する１つまたは複数のルールに基づく。パケット分類が受信パケットを保護すべきであると決定した場合には、受信パケットは少なくとも２つの経路で送信される。出口ノードで、受信パケットは再び、１つまたは複数のルールを使用して、パケットのヘッダ部の情報に基づいて分類される。パケット分類が受信パケットを保護すると決定した場合、受信パケットの複数のバージョンが予想され、受信パケットの１つのバージョンだけが送信される。

本発明はしたがって、音声および映像サービスのようなクリティカルな加入者サービスの移送を高い信頼度で達成する一方、インターネット・アクセスまたはテキスト・メッセージングのようなあまりクリティカルでないサービスは、たとえあったとしても低減されたネットワーク保護レベルで移送する。ネットワーク接続のエンドポイントだけが、本発明の保護および復旧技術を実施する必要がある。したがって、本発明の保護および復旧技術は既存のネットワークにおいて実施することができ、パケット・トランスポート・プロトコルまたは物理トランスポート・トポロジに関係なく、複数の異種ネットワークを横断するフローの保護を達成することができる。

本発明のより完全な理解は、本発明のさらなる特長および利点と共に、以下の詳細な説明および図面を参照することによって得られるであろう。

本発明は、１つまたは複数のパケット・ネットワークでデータをサービス・フロー毎に保護および復旧するための方法および装置を提供する。開示するサービス・フロー毎の保護および復旧技術は、同一の基本的機構を使用して、トラフィックに集約レベルからミクロ・フロー・レベルまで優先順位を付けて保護することを可能にする。したがって、障害感受性サービスを保護することができる一方、あまりクリティカルでないサービスは、例えば「最善の努力」手法を使用して処理することができる。一般的に、本発明のサービス・フロー毎の保護および復旧技術は、一次経路および１つまたは複数のバックアップ・データ経路を介して保護データを二重化する。したがって、保護データだけが、ネットワークのアクセス側を通る別個の物理経路に二重化される。以下でさらに詳述するように、リンク障害の後、保護データは迅速かつ効率的に復旧することができ、サービスは接続されたままである。

本発明は、音声および映像サービスのようなクリティカルな顧客サービスの移送を高い信頼度で達成する一方、インターネット・アクセスまたはテキスト・メッセージングのようなあまりクリティカルでないサービスは、保護無しで、または基礎を成すネットワークによって、例えばイーサネット（登録商標）通信の場合はスパニング・ツリー・プロトコルに基づいて、提供される低減されたネットワーク保護レベルで移送する。保護トラフィックのサービスに基づく選択は、全データの保護を必要とした技術とは対照的に、利用可能な帯域幅の効率的な利用をもたらす。本発明のサービス・フロー毎の保護および復旧技術は、障害感受性サービスの要求事項を満たすように、影響を受けたサービスの十分に高速の復旧を達成する。このようにして、ＳＯＮＥＴと同様の信頼性が効率的に達成される。

１つの例示的実施では、本発明のサービス・フロー毎の保護および復旧技術は、レイヤ４で動作する。したがって、ネットワーク接続のエンドポイントだけが本発明の保護および復旧技術を実施する必要がある。その結果、本発明は既存のネットワークにおいて実施することができ、複数の異種ネットワークを横断するフローの保護を達成することができる。したがって、本発明の更なる態様では、本発明は、インターネット・プロトコル（ＩＰ）、イーサネット（登録商標）、非同期転送モード（ＡＴＭ）、もしくはマルチ・プロトコル・ラベル・スイッチング（ＭＰＬＳ）のようなパケット・トランスポート・プロトコル、またはリングもしくはメッシュ・ネットワークのような物理トランスポート・トポロジに関係なく、既存のネットワークでデータを保護し復旧することができる。加えて、本発明は、ＡＴＭプライベート・ネットワーク−ネットワーク・インタフェース（ＰＮＮＩ）、ＭＰＬＳ高速経路変更、またはＳＯＮＥＴ双方向回線交換リング（ＢＬＳＲ）／単方向経路交換リング（ＵＰＳＲ）経路変更機構のような既存のネットワーク弾力性機構とは独立して、またはそれと一緒に働くことができる。したがって、復旧能力が最小限であるかまたは全く無い既存のシステムに本発明を任意選択で組み込んで、徐々に弾力性を追加する（「成長するにつれて支払う」）ことができる。例えば、保護ライン・カードをレガシＤＳＬＡＭに追加することができる。

図１は、本発明が動作することができる例示的ネットワーク環境を示す。図１に示すように、図２に関連して以下でさらに詳述する、対応する加入者ハブ２００−１乃至２００−Ｎを各々有する１人またはそれ以上の加入者が、ネットワーク１００を介して通信することができる。各加入者は、これもまた図２に関連して以下でさらに詳述する１つまたは複数の加入者装置２１０−１_１乃至２１０−１_Ｎおよび２１０−Ｎ_１乃至２１０−Ｎ_Ｎを使用することができる。一般的に、音声、映像、およびケーブルのような加入者サービスは全て、ホームまたはビジネス・ハブ２００を介して集中化される。統合されたデータは単一の広帯域リンクを介して送信または受信される。

図１に示すように、ネットワーク１００は１つまたは複数のアクセス・ネットワーク１２０、１６０から構成することができる。アクセス・ネットワーク１２０、１６０は、例えばリングまたはメッシュ・ネットワークとして実施することができる。本発明のサービス・フロー毎の保護および復旧技術は、アクセス・ネットワーク１２０、１６０の１つまたは複数に独立して設けることができることに留意されたい。任意の加入者は、対応するマルチサービス・アクセス・ノード（ＭＳＡＮ）１１０、１７０によって、関連するアクセス・ネットワーク１２０、１６０にアクセスする。マルチサービス・アクセス・ノード１１０、１７０は、例えば、Ｃａｌｉｘ Ｃ７システムをはじめとする複数の次世代広帯域ループ・キャリア（ＢＬＣ）のいずれかを使用して、実施することができる。以下でさらに詳述するように、マルチサービス・アクセス・ノード１１０、１７０は、本発明によって保護すべき障害感受性サービスを検出して区別することができる。各アクセス・ネットワーク１２０、１６０はルータ１３０、１５０それぞれによって、公知の方法でコア・ネットワーク１４０に接続される。マルチサービス・アクセス・ノード１７０とルータ１５０との間の例示的加入者ハブ２００−Ｎの接続については、図３に関連して以下でさらに詳述する。

コア・ネットワーク１４０は、例えば公衆交換電話網（ＰＳＴＮ）またはインターネット（あるいはそれらの任意の組合せ）を含むことができるコンバージド・ワイヤレスまたはワイヤライン広帯域ネットワークで、例えば音声、映像、およびデータを搬送するコンバージド・ネットワークである。単一の統合広帯域ネットワークでコンバージド・サービスを配信する場合、ネットワークは規定されたサービス品質およびクリティカルな情報の信頼できる配信をサポートすることができなければならない。したがって、本発明に従って、アクセス・ネットワーク１２０、１６０はクリティカルな情報を検出し、管理し、優先順位付けし、かつ保護する能力を提供するトラフィック管理技術を実施する。

前に示したとおり、本発明は障害保護および復旧機構を提供する。ネットワーク環境１００のようなネットワーク環境で、誤ってケーブルまたはカードを引き抜くなどの技術者のエラー、物理ファイバまたは銅線リンクの断線のみならず、ノードまたはカード内のポート・エラーをはじめとする多くの理由から、物理的切断が発生することがあり得る。

図２は、図１の例示的加入者環境をさらに詳しく示す。加入者は例えば住居顧客または商業顧客とすることができることに留意されたい。図２に示すように、加入者は、単一の加入者ハブ２００に接続された１つまたは複数の加入者装置２１０−１乃至２１０−Ｎを使用することができる。例えば、加入者はポータブル・コンピューティング装置２１０−１、ワイヤレス電話機２１０−２、広帯域電話機２１０−３、および電子メールまたはテキスト・メッセージ装置２１０−４を使用することができる。前に示したように、これらの装置２１０−１乃至２１０−４の各々からのデータはハブ２００によって集約され、単一の物理広帯域接続でＭＳＡＮ１７０を介してアクセス・ネットワーク１６０に提供される。

図３は、マルチサービス・アクセス・ノード１７０とルータ１５０との間の例示的加入者ハブ２００の接続をさらに詳しく示す。一般的に、本発明は保護されたフローの２つのエンドポイントで動作する。図３のデータ・フローを右から左の方向に検討する（反対方向のデータ・フローは同様に挙動するので、ここでは一方向だけを検討する）。加入者ハブ２００から発し、ＭＳＡＮ１７０を介してルータ１５０に伝わる全てのサービス（例えば音声、インターネット・アクセス、ストリーミング・オーディオ）の複合データ・フローは実線で示され、一次経路３６０と呼ばれる。前に示したとおり、本発明のサービス・フロー毎の保護および復旧技術は、一次経路３６０および１つまたは複数のバックアップもしくは二次データ経路３７０（図３に破線で示す）で保護データを二重化する。

加入者からのデータはＭＳＡＮ１７０に伝わり、その段階で保護フローとして提供された集約フローのサブセットは識別され、二重化され、別個のポートから送出される。これは、ネットワーク内の区別される別個の保護された二次経路３６０、３７０の開始を標示する。全集約フローのうち、フローのサブセットは、破線の二次経路３７０で送信される、対角ハッシングを持つパケットによって図示される保護フローとなるように提供される。二重化保護フローは、全トラフィックが伝わる一次経路３６０とは空間的に異なる物理経路３７０に沿って経路選択される。一次および二次経路の一部分は二重化保護トラフィックの搬送専用とすることができ、帯域幅の残りは「最善の努力」データ（図３では格子状ハッシングによって示される）を搬送することができることに留意されたい。例えば全トラフィックの１０パーセント（１０％）が保護され、一次および二次経路が同等の帯域幅である場合、トラフィック・サービス・レベルで区別することができず、したがってトラフィックの１００％を保護する必要がある技術（例えばＳＯＮＥＴ ＵＰＳＲ）の場合の５０％に比較して、９５％の全帯域幅利用度を得るために、一次および二次経路は各々二重化保護トラフィックの１０％および非保護トラフィックの９０％を搬送することができる。

図３に示すように、ＭＳＡＮ１７０およびルータ１５０は、保護フローの「エンドポイント」である。ＭＳＡＮ１７０およびルータ１５０は各々、本発明の特長および機能をそれぞれ実施するネットワーク・プロセッサ３４０、３１０を含む。ＭＳＡＮ１７０は、アクセス・ネットワーク１６０および加入者ハブ２００とインタフェースするために幾つかの物理層インタフェース（ＰＨＹ）３３０、３５０を含む。ルータ１５０は、アクセス・ネットワーク１６０およびコア・ネットワーク１４０とインタフェースするために幾つかの物理層インタフェース（ＰＨＹ）３２０を含む。

入口および出口経路のために適宜ネットワーク・プロセッサ３１０、３４０によって実施されるプロセスについては、図４乃至６に関連して以下でさらに詳述する。一般的に、ネットワーク・プロセッサ３１０、３４０は検出、管理、二重化、および保護機能を実施する。ネットワーク・プロセッサ３１０、３４０は、例えばペンシルベニア州アレンタウンのアギア・システムズ社から市販されているアギアＡＰＰファミリ・プロセッサを使用して、実施することができる。

例えば、図４に関連して以下でさらに詳述するように、加入者エッジ・アクセス・システム（ＭＳＡＮ１７０）では、分類技術を使用して、例えばＩＰアドレス、ＵＤＰポート、またはＲＴＰ／ＴＣＰセッション情報のようなレイヤ４の属性に従って、保護サービス・フローが選択される。フローは２つの異なる論理接続３６０、３７０を経て二重化され、任意選択でアクセス・ネットワークを通して移送するために同様のサービスと集約される。トラフィック管理は、非障害感受性トラフィックに対する障害感受性サービスの優先順位付けを確実にする。ネットワークは、完全または部分的に分離した（ネットワーク要件に依存する）一次および二次経路の確立を可能にする、基礎を成す適切な機構を有することを前提とする。例えば、ＤＳＬＡＭでは、（例えばロード・シェアリングを介して）２つの別個のネットワーク経路でデータを移送する既存の能力は、二重化データを搬送するために活用することができる一方、各経路の残りは非保護トラフィックを搬送するために使用することができる。

同様に、図５に関連して以下でさらに詳述するように、サービス・エッジ・アクセス・システムでは、分類を使用して、フロー群内で保護サービスが検出される。トラフィック管理およびポリシング（ｐｏｌｉｃｉｎｇ）エンジンは、例えば運用、管理、およびマネジメント（ＯＡ＆Ｍ）、パケット・カウント、シーケンス数、およびタイム・スタンプを含むレイヤ３および４の情報を使用して、「良い」サービスを選択するために使用される。「良い」フローは次いで転送される一方、二重化パケットは廃棄される。こうして、保護フローの終端では、ルータ１５０は通常、一次フロー３６０からのトラフィックを受け入れ、二次フロー３７０からのトラフィックを廃棄する。しかし、ネットワーク障害が発生した場合、ルータは一次経路３６０の途絶を検出し、迅速に二次経路３７０に切り替えることができる。

中間ネットワークおよびその構成要素は、接続の各端１７０、１５０で作動している保護方式に「気付かない」ことに留意されたい。したがって、ネットワークが別個の一次および二次経路３６０、３７０（例えばＭＰＬＳラベル・スイッチング経路またはＡＴＭ仮想回線）を受け入れるように備えることができる限り、ネットワーク・エンドポイントをＵＡにアップグレードするために、これらの要素の変更は不要である。したがって、一次および二次フローのための終端間経路を設ける方法がある限り、本発明のプロトコルおよびトランスポートにとらわれない技術は、複数の異種ネットワークに適用することができる。

ネットワーク・プロセッサ３４０は、プロトコルのカプセル化および転送のようなデータ経路の処理を実行する。制御プロセッサ（図示せず）は、制御経路の対応する機能を処理する。ネットワーク・プロセッサ３１０、３４０は制御プロセッサと一体化することができることに留意されたい。図４に関連して以下でさらに詳述するように、ネットワーク・プロセッサ３４０は、ＭＳＡＮ１７０で幾つかの重要なデータ経路機能を達成する。第一に、ネットワーク・プロセッサ３４０は、フローが保護されているかどうかを決定するために、着信加入者データを分類する。ここで分類とは、パケット・フローを一意に識別するビット、一般的にパケット・ヘッダの部分（例えばＩＰヘッダおよびＵＤＰポート番号）の検査を意味する。保護フローが識別されると、ネットワーク・プロセッサ３４０はフローに適切な優先度を割り当て、一次および二次経路３６０、３７０の両方にスケジューリングされるフローをバッファリングしなければならない。優先順位付けは、保護パケットを非保護パケットより優先させることを可能にするので、重要である。

保護フローの一次および二次経路３６０、３７０は、フロー保護が終了する対応するネットワーク要素１５０にそれらが達するまで、２つの異なる物理経路で透過的に（つまり中間機器の知識無しに）送信される。この段階で、ネットワーク・プロセッサ３１０は再び、保護フローを識別するために分類を使用しなければならない。正常な動作条件下では、ネットワーク・プロセッサ３１０は一次フローだけを維持し、二次フローを廃棄する。ネットワーク・プロセッサ３１０が一次フロー３６０でネットワーク障害を検出すると、それは直ちに二次フロー３７０に切り替え、一般的にネットワーク管理システムに通知が行われ障害が修復された後で、ネットワーク管理機構（本発明の範囲外）がシステムに一次フローに戻るように命令するまで、これらのフローで到着した全てのデータを維持し、一次フローで到着する二重化データを廃棄する。

切替が行われたとき、次の工程は、任意選択で同じフローの遠端受信機に通知して、それが二次経路に切り替えることができるようにすることである。理論的には、障害が一方向だけであった場合、その一次経路で作動し続けることができる。しかし、ほとんどのネットワーク運用システムはアクティブ・フロー「対」がネットワークで同じ経路に現れることを期待する。遠端に障害のことを通知するために多種多様な適切な選択肢がある。例えば、保護スイッチが形成される基準がパケットのシーケンス番号付けに依存する場合には、シーケンス番号を誤った値に「ジャミング」させて、切替を強制することができる。代替的に、保護スイッチが単に一次フローにおけるパケットの有無に依存する場合、近端送信機は、遠端受信機を切り替させるために、一次フローのパケットを一時的に「遮断」することができる。

上の２つの機構はデータ経路通知（一般的に最速の選択肢である）を利用している。代替的に、制御／管理プレーン・メッセージをネットワーク管理システムに伝播して、遠端にそれがその受信経路で切替を実行しなければならないことを通知することができる。切替はデータ・フローの途絶を引き起こすことがあるので（使用するアルゴリズムに依存する）、実際の障害が無い限り、実際には切替は望ましくないことに注意されたい。再び、ネットワーク運用者は、特定の要件に基づいて決定を下さなければならない。ネットワーク・プロセッサ３１０、３４０のプログラム可能な性質は、これらの機構のいずれをも容易にサポートすることができる。

図４は、入口ネットワーク・プロセッサ３４０によって実行される送信プロセス４００の例示的実施を記載するフロー・チャートである。図４に示すように、送信プロセス４００は、パケットの到着後に工程４１０中に開始される。送信プロセス４００は、工程４２０中にパケット分類サブルーチン６００（図６）を実行して、受信パケットを保護すべきであるかどうかを決定する。工程４３０中にテストが実行され、パケット分類サブルーチン６００が受信パケットを保護すべきであると決定したかどうかが決定される。受信パケットを保護すべきである場合、工程４４０中に、送信プロセス４００は受信パケットを１つまたは複数の保護経路に二重化する（例えば、複数の場所へのマルチキャストをトリガするフラッグをセットすることによって）。

マルチキャストまたはユニキャスト・パケットは次いで、工程４５０中に待ち行列に登録される。送信プロセス４００は次いで、工程４６０中にスケジューリング・ルーチンを実施して、予め定められた優先度基準に基づき次のパケットを選択する。次いでパケットは、工程４７０中にアクセス・ネットワーク１６０に送信される。保護パケットのスケジューリングおよび待ち行列登録については、図７に関連して以下でさらに詳述する。

図５は、出口ネットワーク・プロセッサ３１０によって実行される受信プロセス５００の例示的実施を記載するフロー・チャートである。図５に示すように、受信プロセス５００は、パケットの到着後に工程５１０中に開始される。受信プロセス５００は工程５２０中にパケット分類サブルーチン６００（図６）を呼び出し、受信パケットが保護されているかどうかを決定する。工程５３０中にテストが実行され、パケット分類サブルーチン６００が受信パケットを保護すると決定したかどうかが決定される。受信パケットが保護される場合、受信プロセス５００は工程５４０中に障害検出手順を実施して、障害が発生したかどうかを検出する。例えば、受信プロセス５００はパケット・ヘッダ内のタイム・スタンプおよびシーケンス番号を評価して、障害を検出することができる。さらなる変形形態では、受信プロセス５００は一次および二次フローの各々についてパケット・カウントを取り続け、カウント間の差が予め定められたしきい値を超える場合、障害を検出することができる。

工程５５０中に、受信パケットの中から経路またはパケットが選択される。例えば、工程５４０中に障害が検出された場合、二次経路への切替をトリガすることができる。さらなる変形形態では、様々なフローの中で最も早い到着パケットを選択することができる。選択されたパケットは次いで、工程５６０中に待ち行列に登録される。受信プロセス５００は次いで、工程５７０中にスケジューリング・ルーチンを実施して、予め定められた優先度基準に基づき、次のパケットを選択する。パケットは次いで工程５８０中にコア・ネットワーク１４０に送信される。

図６は、図４および５それぞれの送信プロセス４００および受信プロセス５００によって呼び出されるパケット分類サブルーチン６００の例示的実施を記載するフロー・チャートである。図６は、着信パケットを分類し、着信パケットを保護すべきかどうかを決定するための例示的技術を示すが、通常の当業熟練者には明らかなように、追加の分類技術を使用することができる。図６に示すように、パケット分類サブルーチン６００は最初に工程６１０中に、物理ポート情報、イーサネット（登録商標）ＭＡＣアドレス、ＡＴＭ仮想回線識別子、プロトコル識別子（例えばカプセル化プロトコルの場合）、またはポート番号のような、パケットに関連するパケット分類情報を得る。１つの変形形態では、サービスおよび加入者について記述して、サービス・フローを保護すべきかどうかを決定するために、ソケット（ポート番号および発信元／宛先情報）が使用される。

その後、パケット分類サブルーチン６００が工程６２０中に、例えば厳密照合、最長プレフィックス照合、または範囲検査のような１つまたは複数の技術に基づいて、パケットを分類する。１つの例示的実施では、分類は次のパケット・ヘッダ情報、つまり入力／出力物理インタフェース番号、イーサネット（登録商標）ＭＡＣ発信元／宛先アドレス、ＩＰ発信元／宛先アドレス、プロトコル識別子、およびＴＣＰ／ＵＤＰポート番号に基づく。工程６３０中に、パケットを保護すべきかどうかが決定され、工程６４０中に結果が呼び出したプロセス４００、５００に送られる。

図７は、本発明の一実施形態に係る保護パケットのスケジューリングおよび待ち行列登録を示す。図７に示すように、着信パケットは段階７１０でパケット分類サブルーチン６００によって分類され、パケットを本発明によって保護すべきかどうかが決定される。パケットが保護されない場合、パケットは、実線で示すように、単にユニキャスト用の待ち行列に入力されるだけである。パケットが保護される場合、破線で示すように、二重化段階７２０が少なくとも２つの異なるフローへの保護パケットのマルチキャストを実行する。この方法で、保護パケットはマルチキャスト待ち行列の対に二重化される。

図８は、本発明の一実施形態に係る保護パケットの障害の検出を示す。図８に示すように、受信プロセス５００は、段階８１０でパケット分類サブルーチン６００を使用して着信パケットを分類し、パケットを本発明によって保護するかどうかを決定する。着信パケットが保護されない場合、実線で示すように、それは待ち行列に直接入力することができる。パケットが保護される場合、保護パケットの二重化バージョンは段階８２０で、適切なフローに関連する待ち行列に入力される。選択およびスケジューリング段階８３０で各パケットの１つのバージョンが選択され、次いでそれは送信される。段階８４０で障害が検出されると、一次経路から二次経路への切替をトリガすることができる。

図９は、本発明の１つの特定の実施形態に係る保護パケットの障害の検出を示すフロー・チャートである。図９に示すように、心拍モニタ（カウンタ）９１０、９２０がそれぞれ２つのパケット・フローＱおよびＰＱの各々に対し維持される。心拍モニタ９１０、９２０はパケットが受信されるたびに対応するカウンタを増分する。比較器９３０は周期的にまたは連続的に２つのカウンタの間の差値を評価し、パケットが各経路で受信されている限り、アクティブ・フロー標識（例えばフラッグ）をセットする。障害を検出すると、アクティブ・フロー標識が除去され、検出された障害の標識が提供される。

図１０は、本発明の特長を組み込んだ例示的障害検出プロセス１０００を記載するフロー・チャートである。図１０に示すように、障害検出プロセス１０００はパケットの到着後に、工程１０１０中に開始される。受信フローの心拍カウンタは工程１０２０中にリセットされる。関連する代替（または二重化）フローの心拍カウンタが工程１０３０中に識別され、工程１０４０中に増分される。カウンタ間の差が工程１０５０中に評価される。

工程１０６０中にテストが実行され、差が予め定められたしきい値を超えるかどうかが決定される。工程１０６０中に、差が予め定められたしきい値を超えると決定された場合には、工程１０７０中に障害の通知が送られる。しかし、工程１０６０中に差が予め定められたしきい値を超えないことが決定された場合には、プログラム制御は終了する。この方法で、フローＱのカウンタはフローＱに関連する心拍モニタによってリセットすることだけができ、代替フローＰＱによって増分することだけができる。障害検出プロセス１０００は、パケットを受信した場合に、経路がまだ有効であることを前提としている。

ネットワークの弾力性および保護
弾力性とは、ネットワークが障害にも拘わらずサービスを実行し続ける能力を指す。弾力性のあるネットワークは、それ自体を自動的に修理することによって、障害から回復する。さらに詳しくは、障害回復は、トラフィックをネットワークの障害部分からネットワークの別の部分に経路変更することによって達成される。経路変更は幾つかの制約を受ける。エンドユーザは、リンク障害によるサービス中断時間が気付かない程度または最小限のいずれかとなるように、経路変更が十分に高速であることを希望する。経路変更されたトラフィックが取る新しい経路は、障害の検出の前または直後のいずれかに計算することができる。前者の場合、経路変更は事前計画されると言われる。経路変更を事前計画しない回復機構と比較して、事前計画された経路変更機構はサービス中断時間を低減するが、ネットワークに冗長性を提供するために追加のハードウェアを必要とし、バックアップ経路を計算するために計算サイクルのような貴重な資源を消費する。回復速度と事前計画によって被るコストとの間のバランスが要求される。

図１１は、リンクＣ−Ｄがポイント１１３０で故障した場合の一次経路１１２０の発信元および宛先ノードＡおよびＢ間のトラフィックのバックアップ経路１１１０による経路変更を示す。経路変更は、回線交換ネットワークおよびパケット交換ネットワークの両方で使用することができる。ネットワークのリンクが故障した場合、故障したリンクを使用していたトラフィックは、その宛先に到達するために、その経路を変更しなければならない。トラフィックは一次経路１１２０からバックアップ経路１１１０に経路変更される。一次経路１１２０およびバックアップ経路１１１０は完全に切り離すか、あるいは部分的に併合することができる。

図１１は、発信元ノードＡが宛先ノードＦにトラフィックを送信し、一次経路のリンクＣ−Ｄが故障する例を表す。完全な経路変更技術は、次の７つの工程から構成される。
１）障害検出
２）障害通知
３）バックアップ経路の計算（障害の前または後）
４）「活動」トラフィックの一次から二次経路への切替
５）リンク修理検出
６）回復通知
７）「活動」トラフィックの二次から一次への切替

工程１乃至４は、リンクが故障した後でトラフィックを一次経路１１２０からバックアップ経路１１１０に切り替える経路変更に関係し、工程５乃至７は、故障したリンクが修理された後でトラフィックを一次経路に戻す経路変更に関係する。

第一に、ネットワークはリンク障害を検出することができなければならない。リンク障害検出は、故障したリンクのエンド・ノードＣおよびＤによって専用ハードウェアまたはソフトウェアによって実行することができる。第二に、リンク障害を検出したノードは、ネットワーク内の特定のノードに障害のことを通知しなければならない。実際にどのノードに障害を通知するかは、経路変更技術に依存する。第三に、バックアップ経路を計算しなければならない。しかし、事前計画経路変更方式では、この工程はリンク障害検出の前に実行される。第四に、トラフィックを一次の故障した経路で送信する代わりに、経路交換ノードと呼ばれるノードがバックアップ経路でトラフィックを送信しなければならない。経路変更プロセスにおけるこの工程は切替と呼ばれる。切替により、リンク障害後のネットワークの修理の準備が整う。

故障したリンクが物理的に修理されると、トラフィックは一次経路に経路変更するか、あるいはバックアップ経路で送信し続けることができる。後者の場合、トラフィックを一次経路に経路変更するためにさらなる機構は不要であるが、前者の場合には、経路変更を完了するために３つの追加工程が必要である。第一に、機構はリンク修理を検出しなければならない。第二に、ネットワークのノードに回復を通知しなければならず、第三に、経路交換ノードがトラフィックをいわゆる切戻工程で一次経路で送信しなければならない。

ユニキャスト通信について検討する。送信機と受信機との間の経路のリンクが故障すると、ユーザは経路が修理されるまでサービスの中断を経験する。中断の長さは、障害前に故障したリンクを通過した最後のビットを受信した瞬間と、障害後にバックアップ経路を使用したデータの最初のビットが受信機に到着する瞬間との間の時間である。Ｔ_{Ｄｅｔｅｃｔ}が障害検出時間を、Ｔ_{Ｎｏｔｉｆｙ}が通知時間を、Ｔ_{Ｓｗｉｔｃｈｏｖｅｒ}が切替時間を、ｄ_ｉｊが１ビットのデータが２つのノードｉおよびｊの間を送信するために必要な待ち行列登録、伝送、および伝播遅延の合計を表すとする。そうすると、図１１に掲げた例の場合、通信Ｔ_{Ｓｅｒｖｉｃｅ}の全サービス中断時間は、次式によって与えられる。
T_Service＝T_Detect＋T_Notify＋T_Switchover＋(d_BE-d_EF)−(d_DE-d_EF) （１）

数量（ｄ_ＢＥ−ｄ_ＥＦ）−（ｄ_ＤＥ−ｄ_ＥＦ）は経路変更技術に依存せず、むしろ障害の場所に依存する。したがって、我々は経路変更機構にのみ依存する全修理時間Ｔ_{Ｒｅｐａｉｒ}を次式によって定義する。
T_Repair＝T_Detect＋T_Notify＋T_Switchover （２）
全修理時間は、リンクが故障した後、通信を回復するために経路変更機構によって実際に費やされるサービス中断時間の一部である。

ＭＡＣおよび物理層における保護：セルフヒーリング・リング
リング・ネットワークとは、全てのノードが同一セットの物理リンクに接続されたネットワーク・トポロジである。各リンクはループを形成する。逆回転リング・トポロジでは、全てのリンクが単方向であり、トラフィックはリンクの半分が一方向に流れ、残りの半分が逆方向に流れる。セルフヒーリング・リング（ｓｅｌｆ−ｈｅａｌｉｎｇ ｒｉｎｇ）とは、次のように経路変更を実行する特定の逆回転リング・ネットワークである。通常の動作中、トラフィックは発信元から宛先に一方向にだけ送信される。リンクが故障した場合には、故障したリンクを回避するように宛先に到達するために、反対方向が使用される。セルフヒーリング・リングは高価な特定のハードウェアを必要とし、完全な冗長性を達成するために利用可能な帯域幅の半分までを無駄にする。他方、セルフヒーリング・リングは５０ミリ秒未満でトラフィックを経路変更することができるので、より低層の保護機構は利用可能な最速の経路変更機構である。そのようなセルフヒーリング・リングの例として、全て逆回転リング・トポロジに依存する次の４つのＭＡＣおよび物理経路変更機構がある。
・ＳＯＮＥＴ ＵＰＳＲ自動保護スイッチング
・ＳＯＮＥＴ ＢＬＳＲ自動保護スイッチング
・ファイバ分散データ・インタフェース（ＦＤＤＩ）保護スイッチング
・ＲＰＲインテリジェント保護スイッチング

ネットワーク層保護
インターネットのようなパケット交換ネットワークは、本質的にリンク障害に対し弾力性がある。経路選択プロトコルは、リンク障害のようなトポロジの変化を考慮に入れ、それに応じて最短経路アルゴリズムを使用して経路選択テーブルを再計算する。ネットワークの全ての経路選択テーブルが再計算され、収束されると、故障したリンクを使用していた全ての経路が他のリンクを介して経路変更される。しかし、コンバージェンスはかなり遅く、通常数十秒かかる。これは、少なくとも部分的に、粗い細分性（１秒）でリンク障害を検出するために経路選択プロトコルによって使用されるタイマが、数式（２）のＴ_{Ｄｅｔｅｃｔ}項を、より低層の経路選択機構に比べて、大きくするためである。第二に、ネットワーク内の全てのルータに障害のことを通知しなければならない。通知メッセージの伝播は数十ミリ秒程度の大きさで行われ、それはＴ_{Ｎｏｔｉｆｙ}をＴ_{Ｄｅｔｅｃｔ}に比較して無視できるほど小さくする。実際、ルータは追加処理無しにメッセージを転送することが必要なだけである。最後に、経路を切り替える前に、経路選択テーブルを再計算しなければならない。経路選択テーブルの再計算は、大型ネットワークでは数百ミリ秒の時間Ｔ_{Ｓｗｉｔｃｈｏｖｅｒ}が掛かることがあり得る、ＣＰＵ集約型の最短経路アルゴリズムを使用することを含意する。

最近、数式（２）のＴ_{Ｄｅｔｅｃｔ}項およびＴ_{Ｓｗｉｔｃｈｏｖｅｒ}項を縮小することによって、ＩＰ経路変更を１秒未満で実行することが可能であるという主張がなされてきた。該方法は、サブ秒タイマを使用して障害を検出し、Ｔ_{Ｄｅｔｅｃｔ}項の値を低減することを提案する。さらに、経路選択コンバージェンスは、現在の経路選択プロトコルで使用される最短経路アルゴリズムの陳腐化のために遅いことが示唆され、それは、より高速かつより最新のアルゴリズムを使用した場合に、ミリ秒規模で経路選択テーブルを再計算することができる。改良された経路選択プロトコルを使用するネットワークの予想経路変更時間は、有利な条件下ではおそらく１秒未満かかることがあり得るが、ミリ秒の回復時間を達成することが要求されるガイドラインの実施には、現在の経路選択アルゴリズムおよびルータの大規模な改良が必要である。

システムおよび製品の詳細
当業界で周知のように、本明細書に記載した方法および装置は、そこで実施されるコンピュータ可読コード手段を有するコンピュータ可読媒体をそれ自体が含む製品として配布することができる。コンピュータ可読プログラム・コード手段は、本明細書で述べた方法を実行しあるいは装置を作成するために実行される工程の全部または一部を実行するために、コンピュータ・システムと一緒に動作可能である。コンピュータ可読媒体は記録可能な媒体（例えばフロッピ・ディスク、ハード・ドライブ、コンパクト・ディスク、またはメモリ・カード）とすることができ、あるいは伝送媒体（例えば光ファイバ、ワールドワイド・ウェブ、ケーブルを含むネットワーク、または時分割多元接続、符号分割多元接続、もしくは他の無線周波数チャネルを使用するワイヤレスチャネル）とすることができる。コンピュータ・システムが使用するのに適した情報を格納することのできる、公知または開発されたいずれかの媒体を使用することができる。コンピュータ可読コード手段は、磁気媒体上の磁気変動またはコンパクト・ディスクの表面の高さ変動のように、コンピュータが命令およびデータを読み出すことを可能にするための任意の機構である。

本明細書に記載したコンピュータ・システムおよびサーバは各々、本明細書で開示した方法、工程、および機能を実行するように関連するプロセッサを構成するメモリを含む。メモリは分散またはローカルとすることができ、プロセッサは分散または単数とすることができる。メモリは、電気、磁気、もしくは光学メモリ、またはこれらの任意の組合せ、あるいは他の種類の記憶装置として実施することができる。さらに、用語「メモリ」は、関連プロセッサによってアクセスされるアドレス指定可能な空間のアドレスからの読出しまたはそこへの書込みが可能な任意の情報を含むように十分に広義に解釈すべきである。関連プロセッサはネットワークから情報を検索することができるので、この定義により、ネットワーク上の情報は依然としてメモリ内に入る。

本明細書で示しかつ記載した実施形態および変形形態は本発明の原理を例示するものにすぎず、当業者は発明の範囲および精神から逸脱することなく、様々な修正を実施することができることを理解されたい。

本発明が動作することができる例示的ネットワーク環境１００を示す線図である。 図１の例示的加入者環境をさらに詳細に示す線図である。 図１のマルチサービス・アクセス・ノードとルータとの間の例示的加入者ハブの接続をさらに詳細に示す線図である。 入口ネットワーク・プロセッサによって実行される送信プロセスの例示的実施を記載するフロー・チャートである。 出口ネットワーク・プロセッサによって実行される受信プロセスの例示的実施を記載するフロー・チャートである。 図４および５それぞれの送信プロセスおよび受信プロセスによって呼び出されるパケット分類サブルーチンの例示的実施を記載するフロー・チャートである。 本発明の一実施形態に係る保護パケットのスケジューリングおよび待ち行列登録を示す線図である。 本発明の一実施形態に係る保護パケットの障害の検出を示す線図である。 本発明の特定の一実施形態に係る保護パケットの障害の検出を示すフロー・チャートである。 本発明の特徴を組み込んだ例示的障害検出プロセスを記載するフロー・チャートである。 リンク障害後のバックアップ経路による発信元ノードと宛先ノードとの間のトラフィックの経路変更を示す線図である。

Claims (10)

1. パケット・ネットワークでデータを保護するための方法であって、
   受信パケットを、前記パケットのヘッダ部の情報に基づいて、前記受信パケットを保護すべきであるかどうかを決定する１つまたは複数のルールを使用して分類する工程と、
   前記パケット分類が前記受信パケットを保護すべきであると決定した場合、少なくとも２つの経路で前記受信パケットを送信する工程と、を含む方法。
2. 前記１つまたは複数のルールが、前記受信パケットに関連するサービスを保護すべきであるかどうかを決定する、請求項１に記載の方法。
3. 前記１つまたは複数のルールが、前記受信パケットに関連する加入者を保護すべきであるかどうかを決定する、請求項１に記載の方法。
4. パケット・ネットワークでデータを保護するための方法であって、
   受信パケットを、前記受信パケットのヘッダ部の情報に基づいて、前記受信パケットが少なくとも１つの追加バージョンを有する保護パケットであるかどうかを決定する１つまたは複数のルールを使用して分類する工程と、
   前記パケット分類が前記受信パケットを保護パケットであると決定した場合、前記受信パケットの１つのバージョンだけを送信する工程と、を含む方法。
5. 前記受信パケットの１つのバージョンが一次経路で受信され、前記少なくとも１つの追加バージョンが二次経路で受信され、前記方法がさらに、前記一次経路で障害が検出された場合に、前記第二経路への切替の工程を含む、請求項４に記載の方法。
6. 前記受信パケットの前記バージョンの１つの関連する経路における障害を検出する工程をさらに含む、請求項４に記載の方法。
7. 受信パケットを、前記受信パケットのヘッダ部の情報に基づき、前記受信パケットを保護すべきであるかどうかを決定する１つまたは複数のルールに基づいて分類し、かつ
   前記パケット分類が前記受信パケットを保護すべきであると決定した場合、少なくとも２つの経路で前記受信パケットを送信するように動作するネットワーク・プロセッサ。
8. 受信パケットを、前記受信パケットのヘッダ部の情報に基づき、前記受信パケットが少なくとも１つの追加バージョンを有する保護パケットであるかどうかを決定する１つまたは複数のルールに基づいて分類し、かつ
   前記パケット分類が前記受信パケットを保護パケットであると決定した場合、前記受信パケットの１つのバージョンだけを送信するように動作するネットワーク・プロセッサ。
9. １人またはそれ以上の加入者からパケットを受信するための１つまたは複数のポートと、
   受信パケットを、前記受信パケットのヘッダ部の情報に基づいて、前記受信パケットを保護すべきであるかどうかを決定する１つまたは複数のルールに基づいて分類し、かつ
   前記パケット分類が前記受信パケットを保護すべきであると決定した場合、少なくとも２つの経路で前記受信パケットを送信するように動作するネットワーク・プロセッサとを備えたマルチサービス・アクセス・ノード。
10. パケットを受信するための１つまたは複数のポートと、
    受信パケットを、前記受信パケットのヘッダ部の情報に基づき、前記受信パケットが少なくとも１つの追加バージョンを有する保護パケットであるかどうかを決定する１つまたは複数のルールに基づいて分類し、かつ
    前記パケット分類が前記受信パケットを保護パケットであると決定した場合、前記受信パケットの１つのバージョンだけを送信するように動作するネットワーク・プロセッサとを備えた、パケット・ネットワークのルータ。
    

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