JP2007181049A - スイッチングハブ - Google Patents

Abstract

【課題】障害発生時のフレームロスとフラッディングを防止する機能を有するスイッチングハブを提供する。
【解決手段】フィルタリング機能が求めた転送先のポートを冗長化プロトコルで有効又は無効とされたポートに振り替えるための転送先振り替えテーブル２を有し、有効ポートに障害がないときは、フィルタリング機能が求めた転送先のポートを転送先振り替えテーブル２によって有効ポートに振り替え、有効ポートに障害があることが検知されたとき以降は、フィルタリング機能が求めた転送先のポートを転送先振り替えテーブル２によって無効ポートに振り替えるようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、障害発生時のフレームロスとフラッディングを防止する機能を有するスイッチングハブに関する。

スイッチングハブは、複数のポートと、各ポートへの到着フレームに書かれている送信元アドレスによりポートごとに対応付けたアドレスを学習するアドレス学習テーブルとを有し、ポートへの到着フレームに書かれている宛先アドレスで上記アドレス学習テーブルを検索して転送先となるポートを求めるフィルタリング機能を有すると共に、共通した接続先がある複数のポートを検出して１つのポートだけを論理的に有効とし他のポートを論理的に無効とする冗長化プロトコルが搭載されている。なお、アドレス学習テーブルとフィルタリング機能とを合わせて、ＦＤＢ（フィルタリングデータベース）と呼ぶ。

冗長化プロトコルが搭載されているスイッチングハブのことを、正／副ポートを切り換えるリダンダント機能を有するスイッチングハブとも言う。正ポートは有効ポートのことであり、副ポートは無効ポートのことである。

この種のスイッチングハブにおいて、ネットワーク障害が発生し、正ポートが副ポートへ、副ポートが正ポートへ切り換えられるものとする。この際、従来のスイッチングハブは、まず、アドレス学習テーブルを参照し、正ポート以外のＭＡＣアドレスを送信元アドレスとして持つフレームを生成し、そのフレームを副ポートからブロードキャストフレームとして送信する。このようにして、強制的にＭＡＣアドレスを再学習させ、その後で、通常経路から冗長経路へと切り替えを行う（副ポートが正ポートへ切り替える際も同様の手順となる）。

なお、スイッチングハブにおいては、全てのポートがそれぞれ個別のＭＡＣアドレスを持っている。よって、前述の正ポート以外のＭＡＣアドレスとは、正ポートを除く全てのポートのＭＡＣアドレスのことである。

いま、図６に示した構成のネットワークがあるものとする。すなわち、端末ａがスイッチングハブＳＷＡのポートＰ１に接続され、スイッチングハブＳＷＡのポートＰ２は別のスイッチングハブＳＷＢ（ポートは問わない）に接続され、スイッチングハブＳＷＡのポートＰ３はまた別のスイッチングハブＳＷＤ（ポートは問わない；以下同）に接続され、そのスイッチングハブＳＷＢがスイッチングハブＳＷＣを介してスイッチングハブＳＷＤに接続され、そのスイッチングハブＳＷＤに端末ｂが接続されている。端末ａのＭＡＣアドレスをａ、端末ｂのＭＡＣアドレスをｂとする。

このネットワークは、端末ａから端末ｂ間の経路が冗長化されたネットワークである。すなわち、経路Ｋ１は端末ａ→スイッチングハブＳＷＡ→スイッチングハブＳＷＤ→端末ｂという経路であり、経路Ｋ２は端末ａ→スイッチングハブＳＷＡ→スイッチングハブＳＷＢ→スイッチングハブＳＷＣ→スイッチングハブＳＷＤ→端末ｂという経路である。これら２つの経路のうち、経路Ｋ２は冗長化プロトコルによってブロッキング（すなわち無効化）され、経路Ｋ１のみが有効である。よって、端末ａから端末ｂへ通信されるフレームは経路Ｋ１だけを使用して通信される。

特開２００４−１８６７４５号公報

ここで、図７に示されるように、スイッチングハブＳＷＡのポートＰ３に直接接続されているリンクにおいて障害が発生したとする。このとき、端末ａから端末ｂへ経路Ｋ１を経由してフレームが送信されていたとすると、そのフレームは消失してしまう。これをフレームロスの発生と言う。

フレームロスなく正常な通信が再開されるためには、フレーム中継を担うスイッチングハブのアドレス学習テーブルからの無効なエントリの削除と、端末ｂに関する新しいエントリの登録が必要になる。以下に既存技術における問題点の詳細を述べる。

（１）フレームロスの問題点
従来より、一般にスイッチングハブは、ある端末からの通信が一定期間ない場合、アドレス学習テーブルよりその端末に関するエントリを削除する。言い換えると、その一定期間が経過しない間はその端末に関するエントリが保持される。従って、図７のスイッチングハブＳＷＡではスイッチングハブＳＷＤとの間のリンクにおいて障害が発生した後も、端末ｂに関する実質的に無効なエントリが一定期間経過によって削除されるまでの間、残っていることになる。なお、実質的に無効なエントリとは、当該端末と通信不可能であるにも関わらずアドレス学習テーブルに登録されたままであるため、フィルタリングに使用されてしまうエントリを言う。

宛先が端末ｂのフレームＦは、端末ｂに関する実質的に無効なエントリが残っているため、ポートＰ３から端末ｂへ向けて中継される。しかし、この経路Ｋ１においては障害が発生しているため、そのフレームＦはフレームロスとなってしまう。

（２）フラッディングの問題点
前述した端末ｂに関する実質的に無効なエントリが削除されたとする。この後、端末ｂに関する有効なエントリ、つまり通信が可能な経路を選択できるエントリが新しく登録されるまでの間は、端末ｂに関するエントリがアドレス学習テーブルに存在しない。よって、端末ｂを宛先とするフレームＦがスイッチングハブＳＷＡに到着すると、そのフレームＦは到着ポートを除く全ポートに対して転送され、ネットワークへ中継される。このような中継動作をフラッディングと言う。図７ではスイッチングハブＳＷＡのポートの個数を少なく描いているので目立たないが、実際にはポートは多数存在し、各々のポートからフレームＦが中継される。よって、フラッディングは、ネットワークの帯域を圧迫する原因の一つとなる。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、障害発生時のフレームロスとフラッディングを防止する機能を有するスイッチングハブを提供することにある。

上記目的を達成するために本発明は、フィルタリング機能を有するスイッチングハブにおいて、上記フィルタリング機能が求めた転送先のポートとは異なるポートを転送先に振り替える振り替え機能を備えたものである。

また、本発明は、複数のポートと、各ポートへの到着フレームに書かれている送信元アドレスによりポートごとに対応付けたアドレスを学習するアドレス学習テーブルとを有し、ポートへの到着フレームに書かれている宛先アドレスで上記アドレス学習テーブルを検索して転送先となるポートを求めるフィルタリング機能を有すると共に、共通した接続先がある複数のポートを検出して１つのポートだけを論理的に有効とし他のポートを論理的に無効とする冗長化プロトコルが搭載されたスイッチングハブにおいて、上記フィルタリング機能が求めた転送先のポートを上記冗長化プロトコルで有効又は無効とされたポートに振り替えるための転送先振り替えテーブルを有し、有効ポートに障害がないときは、上記フィルタリング機能が求めた転送先のポートを上記転送先振り替えテーブルによって有効ポートに振り替え、有効ポートに障害があることが検知されたとき以降は、上記フィルタリング機能が求めた転送先のポートを上記転送先振り替えテーブルによって無効ポートに振り替えるようにしたものである。

上記転送先振り替えテーブルは、有効ポートに障害がないときは、転送先のポートが有効ポートであっても無効ポートであっても振り替え先のポートとして有効ポートを登録しており、有効ポートに障害があることが検知されたとき、振り替え先のポートに無効ポートを登録しなおしてもよい。

本発明は次の如き優れた効果を発揮する。

（１）障害発生時のフレームロスを防止することができる。

（２）障害発生時のフラッディング多発を防止することができる。

以下、本発明の第一の発明の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

本発明は、フィルタリング機能を有するスイッチングハブにおいて、上記フィルタリング機能が求めた転送先のポートとは異なるポートを転送先に振り替える振り替え機能を備えたものである。振り替え機能は、以下に説明する構成によって実現される。

図１に示されるように、本発明に係るスイッチングハブ１は、フィルタリング機能が求めた転送先のポートを上記冗長化プロトコルで有効又は無効とされたポートに振り替えるための転送先振り替えテーブル２を有する。

図示したポートＰ１，Ｐ２，Ｐ３、各ポートの転送制御部３、スイッチング機構部４、アドレス学習テーブル（ＦＤＢ）５の構成及び機能と、図示しない他の構成及び機能については従来公知のスイッチングハブと同様であり、当然、スイッチングハブ１には冗長化プロトコルも搭載されている。

転送先振り替えテーブル２には、転送先ポートの欄（図示上は、「転送先」）と振り替えポートの欄（図示上は、「振替」）が列ごとに１対１で対応させて設けられている。転送先ポートの欄にはポートが格納されており、フィルタリング機能によってアドレス学習テーブル５の中から求めた転送先のポートが転送先ポートの欄に格納されている列を探すことに用いられる。振り替えポートの欄には、振り替えるポート、つまり転送制御部３に対して通知するポートが格納されている。

本発明のスイッチングハブ１は、有効ポートに障害がないときは、フィルタリング機能が求めた転送先のポートを転送先振り替えテーブル２によって有効ポートに振り替え、有効ポートに障害があることが検知されたとき以降は、フィルタリング機能が求めた転送先のポートを転送先振り替えテーブル２によって無効ポートに振り替えるようになっている。

なお、障害発生の検出は、ハードウェア及び／又はソフトウェアで行う。例えば、リンクダウン（電圧が規定値でない）をハードウェアで検知する。また、リンクダウン以外の障害を検知する公知のソフトウェアが種々あるので、これらを使用してもよい。障害復帰の検知についても同様である。

いま、図１のスイッチングハブ１が図６と同じ構造の図２のネットワークのスイッチングハブＳＷＡに使用されており、このネットワークが障害のない正常な状態であるとする。そして、冗長化プロトコルの働きにより、ポートＰ３が有効ポート（正ポート）、ポートＰ２が無効ポート（副ポート）となっている。また、図１に示されるように、転送先振り替えテーブル２には、転送先ポートの欄にＰ２を格納した列とＰ３を格納した列があり、どちらの列も振り替えポートの欄に有効ポートであるＰ３が格納されている。さらに、アドレス学習テーブル５には、端末ａのＭＡＣアドレスａとポートＰ１が対応付けて学習され、端末ｂのＭＡＣアドレスｂとポートＰ３が対応付けて学習されている。

この状態での動作を説明する。ポートＰ１に送信元ＭＡＣアドレスがａで宛先ＭＡＣアドレスがｂのフレームＦが到着したとする。ポートＰ１の転送制御部３からアドレス学習テーブル５に対し宛先ＭＡＣアドレスｂに対応する転送先ポートを問い合わせる。

アドレス学習テーブル５は、転送先ポートＰ３を転送先振り替えテーブル２に通知する。転送先振り替えテーブル２では、図示のように転送先ポートＰ３は振り替えポートＰ３に振り替えることになる。なお、この例では、転送先ポートも振り替えポートも同じＰ３であるから、結果的に振り替えをしないのと等価であるが、転送先ポートと振り替えポートが異なる場合は、アドレス学習テーブル５が出力した転送先ポートを転送先振り替えテーブル２が別の振り替えポートに振り替えることになる。

ポートＰ１の転送制御部３は、スイッチング機構部４を介して目的のポートの転送制御部３にフレーム転送するようになっており、その目的のポートとして振り替えポートＰ３が通知されているので、ポートＰ３の転送制御部３にフレームＦを転送することになる。ポートＰ３の転送制御部３は、ポートＰ３からフレームＦをネットワークへ送信する。これにより、図２のネットワークで経路Ｋ１を通るフレーム中継が行われ、端末ｂはフレームＦを受信することができる。

以上がネットワーク正常時のスイッチングハブの動作である。

次に、障害が発生した場合の動作を説明する。例として、図３に示されるように、図７の例と同様にスイッチングハブＳＷＡのポートＰ３に直接接続されているリンクにおいて障害が発生したものとする。

図４に示されるように、ポートＰ３の転送制御部３は、障害が発生したリンクに繋がっているので、リンクダウンを検出することになる。また、スイッチングハブ１は、冗長化プロトコルのメッセージよりネットワーク障害を検知する。

転送制御部３がリンクダウンを検出するか又はスイッチングハブ１がネットワーク障害を検知すると、スイッチングハブ１は、転送先振り替えテーブル２の振り替えポートの欄を変更する。図示例の場合、有効ポートＰ３に対応する無効ポートはＰ２であるから、振り替えポートの欄をＰ３からＰ２へと変更する。

この状態での動作を説明する。前述の正常時と同様、ポートＰ１に送信元ＭＡＣアドレスがａで宛先ＭＡＣアドレスがｂのフレームＦが到着したとする。ポートＰ１の転送制御部３からアドレス学習テーブル５に対し宛先ＭＡＣアドレスｂに対応する転送先ポートを問い合わせる。

アドレス学習テーブル５は、転送先ポートＰ３を転送先振り替えテーブル２に通知する。転送先振り替えテーブル２では、転送先ポートＰ３は振り替えポートＰ２に振り替えることになる。

ポートＰ１の転送制御部３は、スイッチング機構部４を介して目的のポートの転送制御部３にフレーム転送するようになっており、その目的のポートとして振り替えポートＰ２が通知されているので、ポートＰ２の転送制御部３にフレームＦを転送することになる。ポートＰ２の転送制御部３は、ポートＰ２からフレームＦをネットワークへ送信する。図３のネットワークにおいてスイッチングハブＳＷＡのポートＰ２からフレームＦが送信され、経路Ｋ２を通るフレーム中継が行われるので、端末ｂはフレームＦを受信することができる。

以上の正常時及び障害時の手順から分かるように、アドレス学習テーブル５のフィルタリングによる転送先ポートは障害が検出される前後で同じであるが、振り替えが行われることにより、実際にフレームが転送されるポートは障害が検出される前後で異なる。

従来技術では、アドレス学習テーブル５のフィルタリングによる転送先ポートからそのまま実際にフレームが送信されたので、障害発生が検出されてから冗長化プロトコルによって障害発生後の新たな通信経路が使用可能になるまでの間のうち、端末ｂに関するエントリが削除される前はフレームロスが発生し、端末ｂに関するエントリが削除された後はフラッディングが発生した。これに対し、本発明では、障害発生が検出されてから冗長化プロトコルによって障害発生後の新たな通信経路が使用可能になるまでの間、無効ポートからフレームが送信されるようになるので、フレームロスは発生しないし、フラッディングも発生しない。端末ｂのように冗長化の対象となっている端末に対してフレームが送られる場合は、フラッディングは発生しないからである。

ここで、障害発生前後におけるスイッチングハブＳＷＡの転送先振り替えテーブル２及びアドレス学習テーブル５の内容の移り変わりを説明する。

図５に示されるように、ネットワークが正常なときを初期状態Ｔ１とする。初期状態Ｔ１におけるＦＤＢのエントリ、すなわちアドレス学習テーブル５の内容には、ＭＡＣアドレスａとポートＰ１の組、ＭＡＣアドレスｂとポートＰ３の組が含まれている。転送先振り替えテーブル２の内容には、転送先ポートＰ２と振り替えとなる有効ポートＰ３の組、転送先ポートＰ２と振り替えとなる有効ポートＰ３の組が含まれている。

経路Ｋ１に障害が発生して、この障害が検知された直後の状態Ｔ２は、転送先振り替えテーブル２の登録内容が変更されており、転送先ポートＰ２と振り替えとなる無効ポートＰ２の組、転送先ポートＰ２と振り替えとなる無効ポートＰ２の組が含まれている。

その後、エージングが行われたとき、すなわち端末ｂからのフレームが一定期間なかったために端末ｂに関するエントリが抹消された状態Ｔ３では、アドレス学習テーブル５に端末ｂに関するエントリが存在しない。しかし、転送先振り替えテーブル２は状態Ｔ２から変わらないので、転送先ポートがＰ３のフレームは無効ポートＰ２に転送されることになる。

その後、端末ｂからフレームがネットワークに出されると、アドレス学習テーブル５に端末ｂに関するエントリが登録される。このとき、スイッチングハブＳＷＡにはポートＰ２にフレームが到着するので、アドレス学習テーブル５にＭＡＣアドレスｂとポートＰ２の組が登録される（状態Ｔ４）。

次に、転送先振り替えテーブル２の変更方法について説明する。まず、スイッチングハブ１が初めて電源を投入されたとき、もしくは毎回電源を投入されたとき、転送先振り替えテーブル２には初期値がデフォルトで設定されるものとする。その初期値は、転送先ポートＰ１に対して振り替えポートＰ１、転送先ポートＰ２に対して振り替えポートＰ２、転送先ポートＰ３に対して振り替えポートＰ３というように、結果的に振り替えをしないのと等価な結果が生じるような内容にしておく。

管理者より明示的にポートの冗長化がなされた場合は、同時に転送先振り替えテーブル２の変更が行われる。すなわち、互いに冗長な複数のポートのうち、ひとつが有効ポートに設定されると、振り替えポートがその有効ポートに対応する無効ポートになっているところは全て有効ポートに書き替えられる。

また、同一ＭＡＣアドレスに対して複数のポートが対応しているかどうか、アドレス学習テーブル５の検索を行い、該当する複数のポートが発見されれば、それらは冗長であるから、随時、転送先振り替えテーブル２を変更していくことになる。このときの検索処理は、フレームの転送先ポートを求めて行う通常の検索処理とは別途に行うことで、スイッチング性能には影響が及ばないようにすることができる。

次に、転送先振り替えテーブル２の実装場所について説明する。

転送先振り替えテーブル２は、アドレス学習テーブル５を実装しているメモリＬＳＩの中にアドレス学習テーブル５と一緒に実装することも可能である。しかし、アドレス学習テーブル５に登録されるエントリの数は膨大であり、アドレス学習テーブル５のエントリ検索や変更の処理はエントリの数が多くなるほど負荷が高くなる。つまり、このメモリＬＳＩの負荷は高い。そこで、アドレス学習テーブル５を実装しているメモリＬＳＩとは異なるメモリＬＳＩに転送先振り替えテーブル２を実装することで、アドレス学習テーブル５を実装しているメモリＬＳＩへの負荷が増えないようにするとよい。

本発明の一実施形態を示すスイッチングハブの内部構成図である。 本発明のスイッチングハブを用いたネットワークの構成図である。 図２のネットワークにおいて障害が発生した場合を示すネットワークの構成図である。 図１のスイッチングハブの障害発生検出後の内部構成図である。 本発明のスイッチングハブ内のアドレス学習テーブルと転送先振り替えテーブルの内容が遷移していくことを示す図である。 従来のスイッチングハブを用いたネットワークの構成図である。 図６のネットワークにおいて障害が発生した場合を示すネットワークの構成図である。

符号の説明

１ スイッチングハブ
２ 転送先振り替えテーブル
３ 転送制御部
４ スイッチング機構部
５ アドレス学習テーブル

Claims (3)

1. フィルタリング機能を有するスイッチングハブにおいて、上記フィルタリング機能が求めた転送先のポートとは異なるポートを転送先に振り替える振り替え機能を備えたことを特徴とするスイッチングハブ。
2. 複数のポートと、各ポートへの到着フレームに書かれている送信元アドレスによりポートごとに対応付けたアドレスを学習するアドレス学習テーブルとを有し、ポートへの到着フレームに書かれている宛先アドレスで上記アドレス学習テーブルを検索して転送先となるポートを求めるフィルタリング機能を有すると共に、共通した接続先がある複数のポートを検出して１つのポートだけを論理的に有効とし他のポートを論理的に無効とする冗長化プロトコルが搭載されたスイッチングハブにおいて、上記フィルタリング機能が求めた転送先のポートを上記冗長化プロトコルで有効又は無効とされたポートに振り替えるための転送先振り替えテーブルを有し、有効ポートに障害がないときは、上記フィルタリング機能が求めた転送先のポートを上記転送先振り替えテーブルによって有効ポートに振り替え、有効ポートに障害があることが検知されたとき以降は、上記フィルタリング機能が求めた転送先のポートを上記転送先振り替えテーブルによって無効ポートに振り替えるようにしたことを特徴とするスイッチングハブ。
3. 上記転送先振り替えテーブルは、有効ポートに障害がないときは、転送先のポートが有効ポートであっても無効ポートであっても振り替え先のポートとして有効ポートを登録しており、有効ポートに障害があることが検知されたとき、振り替え先のポートに無効ポートを登録しなおすことを特徴とする請求項２記載のスイッチングハブ。
   

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