JP2006041686A - パケット交換機 - Google Patents

Abstract

【課題】限られたリソースを各ポートの負荷に応じて最適に割当てることができるパケット交換機を提供する。
【解決手段】複数のポートを収容するパケット送受信部３と、パケット送受信部３を制御する送受信制御部１と、パケット送受信部３によるパケットの送受信用バッファのリソースとなるメモリ２と、パケット送受信部３の構成定義の設定を行うユーザインタフェース４と、パケット送受信部３の各ポートが単位時間当たりに処理するパケット数をカウントして負荷を計算する負荷計算部５とを有し、負荷計算部５による計算結果に基づいて、送受信制御部１により、各ポートの処理性能が使用状況に応じて最適となるように、各ポートへのリソースの割当てを制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えばルータ装置のようにソフトウエアによる複数ポートのルーティング機能を有するパケット交換機に関するものである。

近年、ＡＤＳＬやＣＡＴＶなどのブロードバンドの普及により、映像・音声などのデータ種別が多様化し、データ量も増加していることから、ルータ装置などのパケット交換機においては、さらなる転送性能の向上が求められている。

図８は従来のパケット交換機の概略構成を示す機能ブロック図である。このパケット交換機は、ＣＰＵや送受信制御ドライバを備える送受信制御部１、パケットの送受信用バッファのリソースとして使用されるメモリ２、複数のポート（図８では４ポート）を収容してパケットの送受信処理を行うパケット送受信部（回線コントローラ）３、パケット送受信部３の構成定義の設定を行うユーザインタフェース４を有している。

かかるパケット交換機においては、装置トータルの最大転送性能（回線容量）が決まっており、その限られたトータル性能を複数のポートへ均等に、あるいはポート毎に異なった転送性能で振り分けている。また、この際、メモリ２は、ユーザインタフェース４を介して各ポートに設定された転送性能に応じて固定値が割当てられている。なお、図８では、わかりやすくするために、４ポートすべて同じ最大転送性能となるようにメモリ２を分配してある。

このようなパケット交換機における転送性能を向上させる方法として、例えば、あるポートの負荷がそのポートに設定された最大転送性能を超えた場合には、送受信制御部１の制御のもとに、超過した負荷分のパケットを他の低負荷ポートに振り分けて、複数ポートに負荷を分散させることにより、パケットロスなどのデータ廃棄処理を低減させて、装置全体としての転送性能を向上させることが知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、パケットの送受信処理においては、一般的にパケット送受信部３が割込みを発生させることにより、送受信完了のＤＭＡ動作完了事象を送受信制御部１に通知する仕組みとなっている。このため、パケット送受信部３により処理されるデータレートが増加すると、それに伴って割込みの量が増加して送受信制御部１の負荷が増大し、システムの性能低下を招くことになる。

この割込みの増加によるシステムの性能低下を防止する方法として、例えば、割込みを発生させるための閾値を設定して、送受信パケット数が閾値に達したときに割込みを発生させることにより、割込み数を減少させて転送性能を向上させることが知られている（例えば、特許文献２参照）。
特開２００１−１３６２０８号公報 特開平１０−２０７８２２号公報

しかしながら、特許文献１に開示の負荷分散処理では、メモリ２が、各ポートに振り分ける最大転送性能に応じて予め固定的に設定されているため、各ポートは割当てられた転送性能以上の性能を発揮することができないと共に、運用中に、各ポートの最大転送性能を各ポートの使用状況に応じて、例えば低負荷ポートの最大転送性能を低下させる代わりに、高負荷ポートの最大転送性能を向上させるなど、柔軟に変更することができないという問題がある。また、ポートの最大転送性能を変更したい場合には、その都度、ユーザインタフェース４を介して、メモリ２を各ポートに再分配する必要があるため、操作が面倒になるという問題もある。

また、特許文献２に開示のシステムの性能改善処理は、パケットの送受信処理完了の割込みを減らすもので、パケット種別により動的に最適な割込み回数を制御するようにはなっていない。このため、スループット性能を優先して割込み数を減少させることによりシステム性能は改善されても、結果として割込み発生間隔が長くなって遅延が大きくなることから、リアルタイム性を有する用途には適さないという問題がある。

したがって、上記の事情に鑑みてなされた本発明の第１の目的は、限られたリソースを各ポートの負荷に応じて最適に割当てることができるように適切に構成したパケット交換機を提供することにある。

さらに、本発明の第２の目的は、各ポートの負荷および処理されるパケット種別によって最適な転送性能または転送遅延時間になるように、割込み回数を動的に制御できるよう適切に構成したパケット交換機を提供することにある。

上記第１の目的を達成する請求項１に係るパケット交換機の発明は、複数のポートを収容するパケット送受信部と、該パケット送受信部を制御する送受信制御部と、上記パケット送受信部によるパケットの送受信用バッファのリソースとなるメモリと、上記パケット送受信部の構成定義の設定を行うユーザインタフェースと、上記パケット送受信部の各ポートが単位時間当たりに処理するパケット数をカウントして負荷を計算する負荷計算部とを有し、
上記負荷計算部による計算結果に基づいて、上記送受信制御部により、上記各ポートの処理性能が使用状況に応じて最適となるように、上記各ポートへの上記リソースの割当てを制御するよう構成したことを特徴とするものである。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載のパケット交換機において、
上記ユーザインタフェースを介して、上記送受信制御部によるリソースの割当て制御を自動的に実施する自動モードまたはユーザの希望するタイミングで実施するマニュアルモードを選択するよう構成したことを特徴とするものである。

さらに、上記第２の目的を達成する請求項３に係るパケット交換機の発明は、複数のポートを収容するパケット送受信部と、該パケット送受信部を制御する送受信制御部と、上記パケット送受信部によるパケットの送受信用バッファのリソースとなるメモリと、上記パケット送受信部の構成定義の設定を行うユーザインタフェースと、上記パケット送受信部の各ポートが単位時間当たりに処理するパケット数をカウントして負荷を計算する負荷計算部と、パケットのヘッダ情報を確認するヘッダ確認部とを有し、
上記負荷計算部による計算結果および上記ヘッダ確認部による確認結果に基づいて、上記送受信制御部により、上記各ポートの転送性能あるいは遅延時間が最適となるように、パケットの送受信処理完了時に発生させる割込み処理の発生間隔を制御するよう構成したことを特徴とするものである。

請求項４に係る発明は、請求項３に記載のパケット交換機において、
上記ユーザインタフェースを介して、上記送受信制御部による割込み処理の発生間隔制御を自動的に実施する自動モードまたはユーザの希望するタイミングで実施するマニュアルモードを選択するよう構成したことを特徴とするものである。

請求項１に係る発明によると、各ポートの使用状況に合わせて、限られたリソースを各ポートに最適に割当てることができるので、高負荷ポートと低負荷ポートとが存在する場合には、低負荷ポートに割当てられている未使用のリソースを高負荷ポートに割当てて、高負荷ポートで使用できるリソースを増加でき、これにより高負荷ポートの最大転送性能を向上させることができる。

請求項２に係る発明によると、ユーザの使用環境に合わせて、送受信制御部によるリソースの割当て制御の動作モードを、自動モードまたはマニュアルモードに使い分けることができるので、使い勝手を向上することができる。

請求項３に係る発明によると、各ポートの負荷状態および処理されるパケットのヘッダ情報（パケット種別）に応じて、割込み処理の発生間隔を動的に制御できるので、例えば最小遅延時間を優先させる場合は、リソースのバッファ単位毎に送信完了割込みを発生させることにより、遅延時間を最小にすることができ、また、転送速度を優先させる場合は、複数バッファ単位毎に送信割込みを発生させることにより、パケット単位当りの割込み処理時間を減少させて転送速度を向上させることができる。

請求項４に係る発明によると、ユーザの使用環境に合わせて、送受信制御部による割込み処理の発生間隔制御の動作モードを、自動モードまたはマニュアルモードに使い分けることができるので、使い勝手を向上することができる。

（第１実施の形態）
図１乃至図３は本発明の第１実施の形態を示すもので、図１はパケット交換機の概略構成を示す機能ブロック図、図２は図１に示す負荷計算部の動作説明図、図３は負荷に応じたメモリ（リソース）割当て容量のデータベースを示す図である。

本実施の形態のパケット交換機は、図８と同様のパケット交換機、すなわち複数のポート（図１では、４ポート）を収容するパケット送受信部３、パケット送受信部３を制御する送受信制御部１、パケット送受信部３によるパケットの送受信用バッファのリソースとなるメモリ２、パケット送受信部３の構成定義の設定を行うユーザインタフェース４を有するパケット交換機において、パケット送受信部３で単位時間当たりに処理されるパケット数をカウントする負荷計算部５を付加すると共に、送受信制御部１に図３に示すデータベースを搭載して、メモリ２の各ポートへのリソース割当て容量を、負荷計算部５でのカウント結果に応じてデータベースに格納されているリソース割当て容量とするようにしたものである。

このため、本実施の形態では、まず、リソースの初期設定として、従来と同様にリソースを各ポート均等に割当てておく。その後、複数あるポートの内のどれか一つのポートにおいて、バッファを管理するキューが、ある使用率（例えば、８０％）を超える時、図２に示すように負荷計算部５においてタイマを起動し、タイマ満了までの一定時間内に各ポートで送受信したパケットの数をカウントして、単位時間当たりのパケット数を算出する。

その後、送受信制御部１は、算出されたパラメータ（パケット数）を、予めメモリ（ＲＯＭ）などに格納しておいた図３に示すような負荷に応じたリソース割当て容量データベースに照らし合わせて、低負荷ポートに余剰リソースがある場合は、このリソースを高負荷ポートに再割当てする。

なお、図３のデータベースは、各ポートの負荷状況によって、ハードウエア性能が十分に発揮できるリソースの割当て容量を示すもので、基本的には高負荷ポートではリソース割当てが多く、低負荷ポートではリソース割当てが少なくなっており、これにより各ポートの処理性能が使用状況に応じて最適に制御される。このデータベースの内容や上記のキュー使用率の値は、ユーザにより構成定義の設定用のユーザインタフェース４を介して任意に変更することが可能である。

このように、本実施の形態では、パケット送受信部３の各ポートが単位時間当たりに処理するパケット数をカウントして負荷を計算する負荷計算部５を設け、この負荷計算部５での計算結果に基づいて、送受信制御部１により、各ポートの処理性能が使用状況に応じて最適となるように、各ポートへのリソースの割当てを制御するようにしたので、低負荷ポートに割当てられている未使用のリソースを高負荷ポートに割当てて、高負荷ポートで使用できるリソースを増加でき、これにより限られたリソースで高負荷ポートの最大転送性能を向上させることができる。

（第２実施の形態）
図４乃至図６は本発明の第２実施の形態を示すもので、図４はパケット交換機の概略構成を示す機能ブロック図、図５は図４に示すヘッダ確認部の動作説明図、図６はパケット種別および負荷に応じた割込み発生間隔のデータベースを示す図である。

本実施の形態のパケット交換機は、図１に示したパケット交換機において、さらに各ポートで処理するパケットのヘッダ情報（パケット種別）を確認するヘッダ確認部６を付加し、送受信制御部１には、図３に示したデータベースに代えて、図６に示すデータベースを搭載して、メモリ２の各ポートへの割込み発生間隔を、ヘッダ確認部６での確認結果および負荷計算部５でのカウント結果に応じてデータベースに格納されている割込み発生間隔とするようにしたものである。その他の構成は、図１と同様であるので、同一作用をなす構成要素には、同一参照符号を付して、その説明を省略する。

このため、本実施の形態では、まず、各ポートへの割込み発生間隔の初期設定を、遅延時間が最小になるように設定しておく。その後、複数あるポートの内のどれか一つのポートにおいて、バッファを管理するキューが、ある使用率（例えば、８０％）を超える時、図２に示したように負荷計算部５においてタイマを起動して、タイマ満了までの一定時間内に各ポートで送受信したパケットの数をカウントして単位時間当たりのパケット数を算出すると共に、ヘッダ確認部６において、図５に示すようにＩＰヘッダのサービスタイプによりパケット種別（最小遅延、最大スループット等）を確認する。

その後、送受信制御部１は、算出されたパラメータ（パケット種別およびパケット数）を、予めメモリ（ＲＯＭ）などに格納しておいた図６に示すようなパケット種別および負荷に応じた割込み発生間隔データベースに照らし合わせ、スループット性能が要求されている場合は、負荷に応じて割込み発生間隔が長くなるように再設定する。

なお、図６のデータベースは、各ポートの負荷状況およびパケット種別によって、遅延時間あるいはスループットが最適となる割込み発生間隔を示すもので、基本的には遅延時間を少なくすることを優先するポートでは割込み発生間隔が短く、スループットを向上させることを優先するポートでは割込み発生間隔が長くなっている。このデータベースの内容や上記のキュー使用率の値は、第１実施の形態と同様に、ユーザにより構成定義の設定用のユーザインタフェース４を介して任意に変更することが可能である。

このように、本実施の形態では、パケット送受信部３の各ポートが単位時間当たりに処理するパケット数をカウントして負荷を計算する負荷計算部５と、パケットのヘッダ情報を確認するヘッダ確認部６とを設け、負荷計算部５で計算した各ポートの負荷状態およびヘッダ確認部６で確認したパケットのヘッダ情報（パケット種別）に応じて、割込み処理の発生間隔を動的に制御するようにしたので、例えば最小遅延時間を優先させる場合は、リソースのバッファ単位毎に送信完了割込みを発生させることにより、遅延時間を最小にすることができ、また、転送速度を優先させる場合は、複数バッファ単位毎に送信割込みを発生させることにより、パケット単位当りの割込み処理時間を減少させて転送速度を向上させることができる。

（第３実施の形態）
図７は、本発明の第３実施の形態に係るパケット交換機のモード選択コマンド例を示す図である。

本実施の形態は、第１実施の形態のパケット交換機において、送受信制御部１に、リソースの割当て制御を自動的に実施する自動モードまたはユーザの希望するタイミングで実施するマニュアルモードを選択できる機能を搭載し、ユーザにより構成定義の設定用のユーザインタフェース４を介して図７に示すようなモード選択コマンドを発行することにより、送受信制御部１の動作モードを設定するようにしたものである。

これにより、本実施の形態においては、自動モードが設定された場合には、第１実施の形態で説明したように、メモリ（バッファ）２を管理するキューが、ある使用率を超える高負荷のタイミングでリソースの割当て制御を実行し、マニュアルモードが設定された場合には、モード選択コマンド発行後、続けてユーザが希望する各種パラメータ（負荷計算、実施間隔等）を入力することで、各ポートの負荷状態に関わらず、設定した時間あるいは一定時間毎に、負荷計算を実施して、状況に応じたリソースの割当て制御を実行する。

このようにすれば、ユーザの使用環境に合わせて、モード選択コマンドを発行することにより、送受信制御部１によるリソースの割当て制御の動作モードを、自動モードまたはマニュアルモードに使い分けることができるので、使い勝手を向上することができる。

なお、第３実施の形態では、第１実施の形態のパケット交換機において自動モードまたはマニュアルモードを選択できるようにしたが、第２実施の形態のパケット交換機においても、同様に、送受信制御部１に、割込み発生間隔制御を自動的に実施する自動モードまたはユーザの希望するタイミングで実施するマニュアルモードを選択できる機能を搭載して、ユーザにより構成定義の設定用のユーザインタフェース４を介して図７に示すようなモード選択コマンドを発行することにより、送受信制御部１の動作モードを設定することもできる。

これにより、自動モードが設定された場合には、第２実施の形態で説明したように、メモリ（バッファ）２を管理するキューが、ある使用率を超える高負荷のタイミングで割込み発生間隔制御を実行し、マニュアルモードが設定された場合には、モード選択コマンド発行後、続けてユーザが希望する各種パラメータ（負荷計算、ヘッダ確認を実施する時間、実施間隔等）を入力することで、各ポートの負荷状態に関わらず、設定した時間あるいは一定時間毎に、負荷計算／ヘッダ確認を実施して、状況に応じた割込み発生間隔制御を実行する。

このようにすれば、ユーザの使用環境に合わせて、モード選択コマンドを発行することにより、送受信制御部１による割込み処理の発生間隔制御の動作モードを、自動モードまたはマニュアルモードに使い分けることができるので、使い勝手を向上することができる。

本発明の第１実施の形態に係るパケット交換機の概略構成を示す機能ブロック図である。 図１に示す負荷計算部の動作説明図である。 第１実施の形態によるリソース割当て容量のデータベースを示す図である。 本発明の第２実施の形態に係るパケット交換機の概略構成を示す機能ブロック図である。 図４に示すヘッダ確認部の動作説明図である。 第２実施の形態によるパケット種別および負荷に応じた割込み発生間隔のデータベースを示す図である。 本発明の第３実施の形態に係るパケット交換機のモード選択コマンド例を示す図である。 従来のパケット交換機の概略構成を示す機能ブロック図である。

符号の説明

１ 送受信制御部
２ メモリ
３ パケット送受信部
４ ユーザインタフェース
５ 負荷計算部
６ ヘッダ確認部

Claims (4)

1. 複数のポートを収容するパケット送受信部と、該パケット送受信部を制御する送受信制御部と、上記パケット送受信部によるパケットの送受信用バッファのリソースとなるメモリと、上記パケット送受信部の構成定義の設定を行うユーザインタフェースと、上記パケット送受信部の各ポートが単位時間当たりに処理するパケット数をカウントして負荷を計算する負荷計算部とを有し、
   上記負荷計算部による計算結果に基づいて、上記送受信制御部により、上記各ポートの処理性能が使用状況に応じて最適となるように、上記各ポートへの上記リソースの割当てを制御するよう構成したことを特徴とするパケット交換機。
2. 請求項１に記載のパケット交換機において、
   上記ユーザインタフェースを介して、上記送受信制御部によるリソースの割当て制御を自動的に実施する自動モードまたはユーザの希望するタイミングで実施するマニュアルモードを選択するよう構成したことを特徴とするパケット交換機。
3. 複数のポートを収容するパケット送受信部と、該パケット送受信部を制御する送受信制御部と、上記パケット送受信部によるパケットの送受信用バッファのリソースとなるメモリと、上記パケット送受信部の構成定義の設定を行うユーザインタフェースと、上記パケット送受信部の各ポートが単位時間当たりに処理するパケット数をカウントして負荷を計算する負荷計算部と、パケットのヘッダ情報を確認するヘッダ確認部とを有し、
   上記負荷計算部による計算結果および上記ヘッダ確認部による確認結果に基づいて、上記送受信制御部により、上記各ポートの転送性能あるいは遅延時間が最適となるように、パケットの送受信処理完了時に発生させる割込み処理の発生間隔を制御するよう構成したことを特徴とするパケット交換機。
4. 請求項３に記載のパケット交換機において、
   上記ユーザインタフェースを介して、上記送受信制御部による割込み処理の発生間隔制御を自動的に実施する自動モードまたはユーザの希望するタイミングで実施するマニュアルモードを選択するよう構成したことを特徴とするパケット交換機。

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