JP2006197176A

JP2006197176A - パケット通信における物理回線監視方法

Info

Publication number: JP2006197176A
Application number: JP2005005989A
Authority: JP
Inventors: Fuyuki Miura; 冬樹三浦; Takeshi Isagoda; 健沙田
Original assignee: Alaxala Networks Corp
Current assignee: Alaxala Networks Corp
Priority date: 2005-01-13
Filing date: 2005-01-13
Publication date: 2006-07-27
Anticipated expiration: 2025-01-13
Also published as: JP4477512B2

Abstract

【課題】
OSI参照モデルにおける物理層でケーブルやコネクタ部分の劣化による回線品質の低下といった物理的問題を検出するために、SONET/SDHでは、パケットの先頭部分に物理回線情報を付加していた。その結果、回線上にパケットが流れていないと物理層の障害を検出できず、物理回線情報付加分のスループット低下を招くといった問題があった。
【解決手段】
パケット通信において、データパケット間に物理回線監視情報として一定のサンプルデータをある一定間隔で送受信し、受信したサンプルデータを前に受信して保持してあるチェックデータと比較することでサンプルデータ誤り率をチェックする。サンプルデータ誤り率がある一定期間ある閾値を上回ると回線品質が低下したとみなす。イーサネットでは、IFGは、最低12バイト確保することが規定されている。物理回線情報を7バイト以内とすることで、スループットに影響を与えない。
【選択図】図２

Description

本発明は、パケット通信における物理層での障害監視方法に関する。

従来、通信ネットワークにおける物理回線の監視を可能とする技術として、SONET/SDH（Synchronous Optical Network/Synchronous Digital Hierarchy）がある。SONET/SDHでは、フレームの先頭部分5760バイトに物理回線情報を付加することで、OSI参照モデルにおける物理層で障害を検出する機能を持つ。

また、イーサネット（登録商標）に特化した物理回線品質測定手法として、下記特許文献１に記載の技術が知られている。この技術では、測定対象の物理回線に対して物理回線品質測定用のサンプルデータを定期的に送信し、受信側でサンプルデータのビット誤り率を算出することで回線の品質を測定する。物理回線の品質測定には、物理回線品質測定用の装置を用いる。２台の測定用の装置を、測定対象の物理回線と測定用制御情報を送受信するための物理回線で接続し、制御情報でサンプルデータの送信開始・終了点の同期をとりながら測定用のサンプルデータを定期的に送信する。
特開２００４−１２０５０４

上述のSONET/SDHでは、フレームが回線上に流れていなければ物理回線の監視ができず、また、フレームの先頭に物理回線情報を付加するため、その分送信するデータ量が少なくなり、スループットが低下するという問題がある。

また、上記特許文献１に記載の技術は、品質測定対象の物理回線に測定専用の装置を接続しなければならないため、用途は、実際の運用で使用されないときに限定される。

本発明の目的は、スループットに影響を与えることなく、かつ実際の運用において定期的に物理回線の品質を測定することで物理回線の品質を監視する技術を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明では、パケット通信において、パケット間に物理回線監視情報として一定のサンプルデータをある一定間隔で送受信し、受信したサンプルデータを前回受信したものと比較することで、サンプルデータ誤り率をチェックする。サンプルデータ誤り率がある一定期間、ある閾値を上回ると、回線品質が低下したとみなす。

例えば、1000BASE-X/10GBASE-Rでは、イーサネットフレーム間隔（Inter-frame Gap:以下、IFGと呼ぶ）は、12バイト以上確保しなければならないことが規格として定められている。これは、イーサネット規格化当初の通信装置のイーサネットフレーム処理時間を考慮して割り当てられたものであり、現在では、通信装置ごとのクロック周波数（イーサネットフレームを処理するための基準信号の周波数）の差を調整するために使用されている。しかし、現在の装置では、最低5バイトあればクロック周波数の差を調整できるよう規格化されているため、物理回線監視情報を7バイト以内とし、かつ物理回線監視情報とイーサネットフレームとを並列処理させることで、スループットに影響を与えないようにすることが可能である。

なお、物理回線監視情報を送信する際のサンプルデータとしては、イーサネット通信装置組み立て時に割り当てられたMACアドレス（Media Access Control Address）を用いると良い。これにより、物理回線監視情報を受信する装置では、接続先のMACアドレスを認識でき、接続先を一意に特定できる。イーサネット通信機器には物理的接続先を管理する機能がないため、ネットワークの遠隔管理おいて接続先を特定することが困難である。また、実際の1000BASE-X/10GBASE-Rの運用では、通信装置間の長距離化に伴う遠隔管理、及び装置の多ポート化が主流となってきているため、目視により品質が低下した物理回線に接続しているポートを特定することが困難である。しかし、上述したようにサンプルデータとしてMACアドレスを用いれば、品質が低下した物理回線に接続しているポートを容易に特定できる。なお、サンプルデータとして採用するMACアドレスは、イーサネットフレーム内のMACアドレスと必ずしも一致しない。これは、VRRP（Virtual Router Redundancy Protocol）やリンクアグリゲーションなどのプロトコルにより、イーサネットフレーム内のMACアドレスは適宜変更される場合があるためである。

本発明によれば、パケット通信において、イーサネット物理層での物理回線品質監視が可能となり、物理回線の品質低下を即時に検出することが可能となる。また、物理回線監視情報をデータパケット間に格納することで、データパケットが流れていない間に物理回線の品質低下を検出でき、また、スループットに影響を与えない。また前述の監視方式において、MACアドレスを用いることにより物理的接続先を一意に特定でき、通信装置内で接続先を管理できる。

以下、図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。ここでは、1000BASE-X/10GBASE-Rに本発明を適用した例で説明する。

図１に、1000BASE-X/10GBASE-Rインタフェースをもつイーサネット通信機器（以降、単にイーサネット通信機器と呼ぶ）における本発明の実装例を示す。このイーサネット通信機器は、OSI参照モデルにおけるレイヤ1の処理を行うLSI（Physical Layer LSI:以降、PHYと呼ぶ）101、レイヤ2およびレイヤ3の処理を行うLSI（Switching LSI:以降、スイッチ・チップと呼ぶ）102、それらのLSIを制御するファームウェア103、並びに、ルーティングプロトコルの制御機能、装置管理機能、および／またはSNMPエージェント機能等を持つ汎用プロセッサ104を備える。

図２に、本実施形態で用いる物理回線監視情報のフォーマットを示す。図２（a）は、図１に示したイーサネット通信機器間で送受信されるデータを時間の流れに沿って表したものである。201は機器間で送受信されるイーサネットフレームを示す。1000BASE-X/10GBASE-Rでは、イーサネットフレーム201間に、IFG202が少なくとも12バイト分確保されている。そのうち7バイト分を物理回線監視情報203として用いる。図２（b）に、物理回線監視情報203のフォーマットを示す。物理回線監視情報203は、1バイトのプリアンブル211と、6バイトのサンプルデータ212から成る。プリアンブル211は、イーサネットフレームとサンプルデータとを区別するためのデータであり、当該プリアンブルを含みこれに引き続く7バイト分が物理回線監視情報であることを示すためのデータである。サンプルデータ212としては、MACアドレスを用いる。接続先の通信機器は、このMACアドレスにより、接続先ポートの特定が可能となる。

図３に、図１のイーサネット通信機器を用いて本発明に係る処理を動作させるための流れを示す。動作開始が指示されると、汎用プロセッサ104は、ファームウェア103に物理回線アップ指示を通知する（301）。ファームウェア103は、汎用プロセッサ104から物理回線アップ指示を受けると、まず、スイッチ・チップ102に当該回線を動作させるための設定を行う（302）。続いて、PHY101に当該回線を動作させるための設定を行う（303）。このとき、ファームウェア103は、回線品質を判断するための基準となる「サンプルデータ誤り率閾値」111と物理回線監視情報としてIFG202に挿入するサンプルデータ（固定値）212となる「MACアドレス」112を、当該回線のPHYレジスタ105に設定する（303）。このMACアドレスは、当該通信機器が保持している固有のMACアドレスである。リンクアップ後、PHY101は、図２に示したようにIFG202にサンプルデータ212（図３の112）を設定した物理回線監視情報203を挿入し、一定間隔で送信する。以上が、物理回線監視情報の送信側としての動作である。

次に、物理回線監視情報の受信側としての動作を説明する。PHY101は、リンクアップ後、まず、定期的に受信するサンプルデータ212と比較するための「チェックデータ」113を決定する。このチェックデータは、本来、接続先ポートが送信してくるサンプルデータと同値である。リンクアップ後、まず受信したサンプルデータをチェックデータとすることになるが、初回に受信したサンプルデータをそのままチェックデータとしてしまうと、リンクアップ直後にビット誤りが発生していた場合、チェックデータが不正値となってしまう。そのため、PHY101は、初回から数十回分の受信サンプルデータをサンプリングし、それらのうち、最も多い同値のものをチェックデータとして採用する。

図４に、物理回線監視情報の受信側のPHY101が、チェックデータ113を決定するまでの流れを示す。まず、PHY101起動時に、PHYレジスタ105内の保存サンプルデータのエリアと個別カウンタ、及びサンプルデータ受信回数を示す総カウンタをクリアする（401）。保存サンプルデータのエリアとは、受信側のPHY101が、受信した物理回線監視情報中のサンプルデータを取り出して一時保存しておくためのエリアであり、異なる保存サンプルデータの値をすべて一時保存できるように複数のエリアが設けられている。個別カウンタとは、それらの各保存サンプルデータのエリアごとに設けられ、それらの各エリアに保存された保存サンプルデータの値の受信回数を記憶するためのカウンタである。総カウンタは、サンプルデータの総受信回数を格納するカウンタである。なお、保存サンプルデータのエリアと個別カウンタ及び総カウンタは、図３では不図示である（112は、物理回線監視情報の送信側がサンプルデータ212として送信するためのデータであり、ステップ401でクリアする保存サンプルデータのエリアとは異なる）。

ステップ401の後、接続先ポートから物理回線監視情報203（図２）を受信すると、そこからサンプルデータ212を取り出し、物理回線監視情報の受信回数を示す総カウンタをカウントアップする（402,403,404）。次に、当該総カウンタの値（物理回線監視情報の総受信回数）と閾値とを比較する（405）。この閾値は、図３で説明したサンプルデータ誤り率閾値111であり、その値は任意に設定できる。総受信回数が閾値より少ない場合、ステップ403で取り出したサンプルデータと、前に受信し、保存サンプルデータのエリアに保存してあるサンプルデータとの比較を行う（406）。比較の結果、同値のものがあれば、当該保存サンプルデータの値の受信回数を示す個別カウンタをインクリメントし（407）、同値のものがなければ取り出したサンプルデータを、空いている保存サンプルデータのエリアに、保存する（408）。ステップ408の後、ステップ407に進み、当該保存サンプルデータの個別カウンタをカウントアップする（ここで、個別カウンタ＝１となる）。

一方、ステップ405で物理回線監視情報の総受信回数が閾値以上の場合、保存サンプルデータのエリアに保存した複数のサンプルデータのうち個別カウンタの値が最大のものをサーチし、そのサンプルデータをチェックデータ113として設定する（409,410）。チェックデータ決定後、保存サンプルデータのエリアと個別カウンタ、及び総カウンタをクリアする（411）。

図５は、物理回線監視情報の受信側の機器において、汎用プロセッサ104が、接続先のMACアドレスを認識するまでの流れを示す。PHY101は、図４で説明したように接続先ポートのMACアドレスであるチェックデータ113を決定したとき、「チェックデータ決定イベント」と決定した「チェックデータ」をファームウェア103に通知する（501,502）。さらにファームウェア103は、「チェックデータ決定イベント」と決定した「チェックデータ」を汎用プロセッサ104に通知する（503）。これにより、汎用プロセッサ104は、利用者に対して当該ポートの接続先をMACアドレスにより認識させることが可能となる。さらに、汎用プロセッサ104にSNMPエージェント・ソフトが実装されていれば、遠隔地にあるSNMPマネージャに対して発行するトラップに接続先のMACアドレスを乗せることで、遠隔地にいる利用者は接続先ポートを一意に特定できる（504）。

物理回線監視情報の受信側の機器における物理回線の品質低下の検出方法を説明する。接続先のポートから物理回線監視情報203（図２）が順次送られてくるので、PHY101は、チェックデータ113と、受信した物理回線監視情報203内のサンプルデータ212との差分有無をチェックする。本来、チェックデータ113と受信したサンプルデータ212との差分はないはずであるが、差分があった場合、物理回線の品質が低下したとみなす。物理回線の品質は、サンプルデータ誤り率により判定する。サンプルデータ誤り率は以下の数１の式（１）より算出する。

サンプルデータ誤り率の算出処理は、チェックデータ113を決定したとき、または、サンプルデータ誤り率をリセットした後にチェックデータ113と異なる受信サンプルデータをはじめて受信したとき、開始する。すなわち、この条件が満たされたことを契機とし、ある一定期間、順次受信する受信サンプルデータとチェックデータ113とを比較する。そして、前記一定期間中に受信したサンプルデータの総数をカウントするとともに、チェックデータ113と異なる受信サンプルデータの数をカウントする。前記一定期間経過後、上記の式（１）からサンプルデータ誤り率を算出する。

図６は、物理回線の品質低下による当該ポート閉塞処理の手順を示す。PHY101は、上述したように求めたサンプルデータ誤り率が、リンクアップ時にファームウェア103によって設定された「サンプルデータ誤り率閾値」105以上になったとき（601）、ファームウェア103に回線品質が低下したことを示す「回線品質低下・イベント」を通知する（602）。回線品質低下・イベントを受信すると、ファームウェア103は、PHY101及びスイッチチップ102に対して、当該ポートの閉塞設定を行い（603,604）、また、汎用プロセッサ104に対して回線品質低下により当該ポートを閉塞したことを通知する（605）。これにより、イーサネット通信機器は、物理層での回線品質低下を即座に検出することが可能となる。

図７に、本発明の適用の一例を示す。本発明を実装するイーサネット通信機器（701,702,703,704,705）が、広域イーサネット（706）を構成している。ネットワーク利用者（707,708）は、広域イーサネット（706）により通信を行う。また、イーサネット通信機器（701,702,703,704,705）はSNMPエージェントを実装しており、管理用ネットワークを通じて、ネットワーク管理者のSNMPマネージャ（709）に対して管理情報を提供する。

ここで、イーサネット通信機器（702,703）間の物理回線（710）の片側で品質の低下が発生し、機器（702）から機器（703）へ送信するデータでビット誤りが多発したとする。本発明により、イーサネット通信機器（703）では品質低下を検出し、即時にSNMPによりSNMPマネージャ（708）に対してトラップを発行する。このトラップには、品質の低下した物理回線（710）がつながっているポートのMACアドレスが含まれているため、ネットワーク管理者は、品質低下した回線のつながっている機器（702）のポートを特定可能である。これにより、ネットワーク管理者は、機器（702）の当該ポートを閉塞し、機器（701,704,705）を経由してネットワーク利用者（707,708）間の通信を確保するための設定を直ちに行うことが可能である。また、リンクアグリゲーションやスパニングツリー・プロトコルなどが動作している場合、機器（701,704,705）を経由する通信経路への即時自動切替が可能となる。

本発明を実装するイーサネット通信機器の内部構成図物理回線監視情報のフォーマットを示す図本発明の動作設定を示す図チェックデータを決定するまでの流れを示す図接続先のMACアドレスの認識手順を示す図物理回線の品質低下による当該ポート閉塞手順を示す図 SNMPによる遠隔管理を実装した広域イーサネットを示す図

符号の説明

101…PHY、102…スイッチチップ、103…ファームウェア、104…汎用プロセッサ、201…IFG、202…サンプルデータ、203…プリアンブル、301…ファームウェアへの物理回線アップ指示、302…スイッチ・チップへの当該回線動作設定、303…PHYへの当該回線動作設定、401…保存サンプルデータエリア及びカウンタのクリア、402…物理回線監視情報受信有無判定、403…サンプルデータ取り出し処理、404…サンプルデータ受信回数インクリメント処理、405…サンプルデータ受信回数と閾値の比較処理、406…保存サンプルデータと受信サンプルデータとの同値判定、407…保存サンプルデータのカウンタインクリメント処理、408…受信サンプルデータ保存処理、409…カウンタが最大値の保存サンプルデータ検索処理、410…カウンタが最大値の保存サンプルデータのチェックデータ決定、411…保存サンプルデータエリア及びカウンタのクリア、501…チェックデータ決定処理、502…ファームウェアへのチェックデータ決定イベント通知、503…汎用プロセッサへのチェックデータ決定イベント通知、504…SNMPマネージャへのトラップ発行、601…サンプルデータ誤り率閾値判定処理、602…ファームウェアへの物理回線品質低下通知、603…スイッチ・チップへの論理ポート閉塞要求、604…PHYへの物理回線閉塞要求、605…汎用プロセッサへの物理回線品質低下通知、701,702,703,704,705…本発明を実装するイーサネット通信機器、706…広域イーサネット、707,708…ネットワーク利用者、709…SNMPマネージャ、710…イーサネット通信機器（702,703）間の物理回線。

Claims

OSI参照モデルにおける物理層で物理回線の品質を監視する障害監視方法であって、
第１の通信機器の制御手段が、第１の通信機器から送信するデータパケットの間の時間区間を用いて、所定のサンプルデータを含む物理回線監視情報を第２の通信機器に送信するステップと、
前記第２の通信機器のチェックデータ決定手段が、受信した前記物理回線監視情報内のサンプルデータをチェックデータとして保持するステップと、
前記第２の通信機器の検出手段が、前記保持してあるチェックデータと前記第１の通信機器から順次送信される前記物理回線監視情報内のサンプルデータとを比較し、ビット誤り発生有無を確認するステップと、
前記第２の通信機器の通知手段が、ビット誤りの発生の割合が所定の閾値以上になったとき、物理回線の品質が低下したことを示す通知を発行するステップと
を備えることを特徴とするパケット通信における障害監視方法。