JP2007507990A - 分散スイッチング構造を備えるスイッチングシステム - Google Patents

Abstract

スイッチは、ヘッダを用いて到来情報をカプセル化し、出口でヘッダを取り除く。ヘッダは、スイッチングを容易にするため、分散入口ノードおよび分散コア内の両方で使用される。好ましくは、入口および出口エレメントは、イーサネット（登録商標）と、コネクションレス媒体にステートフルコネクションを提供する他のプロトコルとをサポートする。好ましいスイッチは、どのエレメントが接続されているかを見出し、適切な接続テーブルを構成し、マスタエレメントを指定し、かつ故障ならびにスイッチ間のオフライン状態を解決するための管理プロトコルを含む。好ましくは、セキュアデータプロトコル（ＳＤＰ）、ポートツーポート（ＰＴＰ）プロトコル、およびアクティブ／アクティブ保護サービス（ＡＡＰＳ）がすべて実装されている。ここで考慮されるシステムおよび方法は、有利にはストリクトリングトポロジ（ＳＲＴ）を使用し、自動的にトポロジを構成する。分散スイッチング構造のコンポーネントは、少なくとも１キロメートル、場合により１５０キロメートル以上も地理的に離されることができる。

Description

（関連出願）
本出願は、２００３年１０月１４日に出願された米国特許仮出願第６０／５１１，１４５号、２００３年１０月１４日に出願された米国特許仮出願第６０／５１１，１４４号、２００３年１０月１４日に出願された米国特許仮出願第６０／５１１，１４３号、２００３年１０月１４日に出願された米国特許仮出願第６０／５１１，１４２号、２００３年１０月１４日に出願された米国特許仮出願第６０／５１１，１４１号、２００３年１０月１４日に出願された米国特許仮出願第６０／５１１，１４０号、２００３年１０月１４日に出願された米国特許仮出願第６０／５１１，１３９号、２００３年１０月１４日に出願された米国特許仮出願第６０／５１１，１３８号、２００３年９月１４日に出願された米国特許仮出願第６０／５１１，０２１号、および２００４年４月１６日に出願された米国特許仮出願第６０／５６３，２６２号に対する優先権を主張するものであり、上記仮出願のすべては、参照により全内容が本明細書に組み込まれる。

本発明の分野は、ネットワークスイッチである。

最近のコンピュータネットワークは、通常、事前に定義されたプロトコルに従って、データの個別パケットまたはフレームを使用して通信する。広く普及したＴＣＰおよびＩＰ規格を含む、このような規格は多数存在する。最も簡単なローカルトポロジを除いたすべてについては、ネットワークは、端末装置間に中間ノードを使用する。ブリッジ、スイッチ、および／またはルータは、全て中間ノードの例である。

ここで使用されているとおり、ネットワークスイッチは、端末装置および／または他の中間装置間でパケットを転送する任意の中間装置である。スイッチは、ＯＳＩ参照モデルのデータリンク層（レイヤ２）、および場合によりネットワーク層（レイヤ３）において動作し、したがって、通常、任意のパケットプロトコルをサポートする。スイッチは、複数の入力および出力ポートを備える。典型的なスイッチは、８個、１６個、または他の比較的少数のポートだけを備えるが、スイッチを互いに接続して、多数の入力および出力を実現できることは知られている。従来技術の図１は、１２８個の入力および１２８個の出力を提供する大きなスイッチへの、スイッチモジュールの典型的な配置を示している。

図１Ａ、Ｂの従来技術の構成の簡単な実施形態に伴う問題の１つは、いずれかのある特定のスイッチの故障が、スイッチングシステム全体の完全性を破壊することである。解決方法の１つは、全体の冗長バックアップシステム（外部冗長性）を備えることであり、それにより、予備システムが、欠陥システムの機能に迅速に取って代わることができる。しかし、この解決方法は、動作中のシステムそれぞれに対して全体バックアップを配置する必要があるために、極めて高価である。さらにこの解決方法での問題点は、冗長システムが、動作中のシステム内の実質的にすべてのコンポーネントの故障に関与しなければならないことである。別の解決方法は、システム内に冗長モジュールを備え、これらのモジュールをインテリジェントに配置する（内部冗長性）ことである。しかし、この解決方法は、全てのコンポーネントが、相互にローカルに位置するので問題である。火災、地震、または他の大災害は、依然として、システム全体の機能を致命的に混乱させる。

Ｂｅｓｈａｉへの米国特許第６２５６５４６号（２００２年３月）は、パケットのルーティングを簡単し、スイッチモジュール間の転送速度を増加する、適応パケットヘッダを使用するプロトコルを記載している。Ｂｅｓｈａｉのシステムは、有利である。なぜなら、Ｂｅｓｈａｉのシステムは、非同期転送モード（ＡＴＭ）システムの５３バイト長などの固定セル長に限定されないからであり、かつ、報告によると、インターネットワーキングプロトコル（ＩＰ）で切替されるネットワークのサービスより良い品質およびより高い処理能力を有するからである。Ｂｅｓｈａｉの特許は、ここに述べられている他のすべての付帯的資料と共に、参照により本明細書に組み込まれる。

従来技術の図１Ａは、Ｂｅｓｈａｉの米国特許第６２５６５４６号によるシステムを示している。複数のエッジモジュール（入口モジュール１１０Ａ〜Ｄおよび出口モジュール１３０Ａ〜Ｄ）は、受動コア１２０により相互接続されている。各入口モジュール１１ＯＡ〜Ｄは、複数フォーマットでデータパケットを受け取り、パケットに対して宛先を指示する標準化ヘッダを追加し、受動コア１２０を通して適切な出口モジュール１３０Ａ〜Ｄにパケットをスイッチングする。出口モジュール１３０Ａ〜Ｄでは、ヘッダはパケットから取り除かれ、パケットは、固有フォーマットで受信側に転送される。１１２Ａ〜１１２Ｄの実線は、回路ポート、ＡＴＭポート、フレームリレーポート、ＩＰポート、およびＵＴＭポートに到着するカプセル化されない情報を示している。同様に、１３２Ａ〜Ｄの実線は、情報の固有フォーマットのさまざまなポートから送出されるカプセル化されない情報を示している。コア１２０の点線、および入口モジュール１１０Ａ〜Ｄおよび出口モジュール１３０Ａ〜Ｄの対向している部分の点線は、含まれるＵＴＭのヘッダの付いたパケットである情報を示している。システム全体１００は、単一の分散スイッチとして動作し、全てのスイッチングは、エッジ（入口および出口モジュール）で行われる。

多くの潜在的な利点にも関わらず、米国特許第６２５６５４６号におけるＢｅｓｈａｉの解決方法は、重大な欠点を有する。第１に、システムは、（回路ポート、ＡＴＭポート、フレームリレーポート、ＩＰポート、およびＵＴＭポートを備える）マルチサービススイッチとして記載されているが、スイッチをイーサネット（登録商標）スイッチとして使用することを想定していない。イーサネット（登録商標）は、コネクションレスステートフル通信を含む、他のプロトコルに勝る重要な利点を提供する。第２の欠点は、光学コアは、全体的に受動的であると想定されていることである。パケットがコアをわたってスイッチングされる前に、ルートは設定完了され、切り離される必要がある。このようにＢｅｓｈａｉの特許は、分散スイッチング構造を提案しておらず、光学的な交差互接続コアを備える分散エッジ構造を開示しているだけである。第３には、関連する欠点は、Ｂｅｓｈａｉの概念は、ある１つのモジュールから別のモジュールへの単一チャネルをサポートするだけである。これらの欠陥の全ては機能性を、低減する。

Ｂｅｓｈａｉの米国特許出願公開第２００１／０００６５２２号（２００１年７月）は、米国特許第６２５６５４６号の欠陥の１つ、すなわちモジュール間の単一チャネルの制限を解決している。米国特許出願公開第２００１／０００６５２２号において、Ｂｅｓｈａｉは、パケットスイッチングエッジモジュールおよびチャネルスイッチングコアモジュールを有するスイッチングシステムについて教示している。従来技術の図１Ｂに示されているとおり、ポート１６２Ａを通りシステムに入るトラフィックは、各エッジモジュール１６０Ａ〜Ｄにおいて分類され、パス１７０を介してさまざまなコアエレメント１８０Ａ〜Ｃにスイッチングされる。コアエレメントは、最終宛先への配送のため、トラフィックを他の宛先エッジモジュール１８０ＡからＣにスイッチングする。Ｂｅｓｈａｉは、コアエレメントが、チャネルスイッチングを使用して、純粋なＴＤＭ（時分割モード）システムにおいて潜在的に浪費される時間を最小化することを想定し、またシステム全体が、時間カウンタ調整を使用して、エッジモジュールおよびコアモジュールの調和再構成を実現することを想定している。

コアエレメント間およびコアエレメント内のスイッチング機構は別にして、米国特許出願公開第２００１／０００６５２２号のチャネルスイッチングコアは、エッジ装置間の仮想チャネルを提供するに過ぎず、データの個々のパケットをスイッチングしない。したがって、米国特許第００６５２２号が、大容量パケットスイッチに関して参照によってＢｅｓｈａｉの米国特許出願公開第０９／２４４８２４号（２００４年４月に米国特許６７２１２７１号として発行）をたとえ組み入れても、米国特許出願公開第２００１／００６５２２号は、依然として、単一スイッチとして動作する完全な分散ネットワーク（エッジおよびコア）を提供するために、当業者に対して教示し、示唆し、または動機付けることに成功していない。

依然として必要とされていることは、スイッチングが、分散エッジノードでおよび分散コア内の両方においてなされ、かつシステム全体が単一スイッチとして動作する、スイッチングシステムである。

本発明は、スイッチングが、分散エッジノードでおよび分散コア内の両方においてなされ、かつシステム全体が、入口でシステムにより追加されかつ出口でシステムにより取り除かれる特定のヘッダを使用して、情報をカプセル化することにより、単一スイッチとして動作する、装置、システム、および方法を提供する。

ルーティングヘッダは、少なくとも宛先エレメントアドレスを含み、好ましくはさらに、宛先ポートアドレスおよびソースエレメントアドレスを含む。システムが、エレメントのクラスタをアドレス指定するように構成される場合、好ましくは、ヘッダは、さらに、宛先クラスタアドレスおよびソースクラスタアドレスを含む。

好ましくは、入口および出口エレメントは、イーサネット（登録商標）、またはステートフル接続を備えるコネクションレスメディアを提供する他のプロトコルをサポートする。入口および出口エレメントの少なくともいくつかは、好ましくは、最小でも８つの入力ポートおよび８つの出力ポートを有し、少なくとも１Ｇｂｓ、さらに好ましくは少なくとも１０Ｇｂｓの速度で通信する。

好ましいスイッチは、どのエレメントが接続されているかを見出し、適切な接続テーブルを構成し、マスタエレメントを指定し、かつ故障ならびにスイッチ間のオフライン状態を解決するための管理プロトコルを含む。好ましくは、セキュアデータプロトコル（ＳＤＰ）、ポートツーポート（ＰＴＰ）プロトコル、およびアクティブ／アクティブ保護サービス（ＡＡＰＳ）は、すべて実装されている。

ここで考慮されているシステムおよび方法は、有利には、ストリクトリングトポロジ（Ｓｔｒｉｃｔ Ｒｉｎｇ Ｔｏｐｏｌｏｇｙ，ＳＲＴ）を使用し、自動的にトポロジを構成することができる。これに代えて、または、付加的に他のトポロジを使用することができる。分散スイッチング構造のコンポーネントは、少なくとも１キロメートル、場合により１５０キロメートル以上も地理的に離すことができる。

本発明のさまざまな目的、特徴、態様、および利点は、同一参照符号が同一コンポーネントを表す添付図面と共に、本発明の好ましい実施形態の以下の詳細な説明からさらに明らかになるであろう。

図２では、スイッチングシステム２００は、一般に、入口エレメント２１０Ａ〜Ｃ、出口エレメント２３０Ａ〜Ｃ、コアスイッチングエレメント２２０Ａ〜Ｃ、およびコネクタエレメント２４０Ａ〜Ｃを含む。入口エレメントは、到来するパケットをルーティングヘッダ（図３参照）とカプセル化し、最初のスイッチングを実行する。次に、カプセル化されたパケットは、別のスイッチングのためコアエレメントに入る。中間エレメントは、コアエレメント間の通信を促進する。出口エレメントは、ヘッダを取り除き、パケットを受信側または最終宛先に転送する。

当業者には明らかなことであるが、スイッチング（カプセル化）ヘッダは、最低限、少なくとも宛先エレメントアドレスを含む必要がある。好ましい実施形態では、ヘッダは、さらに宛先ポートＩＤも含み、エレメントがクラスタ化された場合には、オプションとしての宛先クラスタＩＤも含む。また、ソースクラスタ、ソースエレメント、およびソースポートＩＤのためのフィールドは、オプションである。ここで使用されている「ＩＤ」は、アドレスと同一であるか、またはアドレスに帰着されることができるものである。図３では、好ましいスイッチングヘッダ３００は、一般に、宛先クラスタＩＤ３１０、宛先エレメントＩＤ３２０、宛先ポートＩＤ３３０、ソースクラスタＩＤ３４０、およびソースエレメントＩＤ３５０を含む。この特定の例では、フィールドのそれぞれは、少なくとも１バイトであり、２バイトまでの長さを有する。さらに当業者には明らかなことであるが、ここで使用される用語「ヘッダ」は、婉曲的な意味で使用され、他の情報をカプセル化するパッケージに含まれる任意の付加的なルーティングデータを意味する。ヘッダは、フレームまたはパケットのヘッドエンドに配置される必要はない。

入口エレメント２１０Ａ〜Ｃおよび出口エレメント２３０Ａ〜Ｃは、別個のエレメントとして図２に示されている。実際、それらは、構成において類似しており、単一装置として実現できる。このようなエレメントは、任意の適切な数のポートを有することができ、任意の適切な論理を使用して動作することができる。この構成を実現するための一般に好ましいチップは、１つまたは複数の優先米国特許仮出願に含まれる詳細図によれば、Ｂｒｏａｄｃｏｍ（登録商標）のＢＣＭ５６９０、ＢＣＭ５６７０、およびＢＣＭ５４６４Ｓチップである。

図４は、高レベル構成の入口／出口エレメント４００の好ましい組み合わせを示しており、入口エレメント２１０Ａ〜Ｃおよび出口エレメント２３０Ａ〜Ｃのいずれかに利用できる。入口／出口エレメント４００は、通常、論理スイッチングフレーム４１０、イーサネット（登録商標）入口／出口ポート４２０Ａ〜Ｌ、カプセル化されたパケットＩ／Ｏポート４３０、レイヤ２テーブル４４０、レイヤ３テーブル４５０、およびアクセス制御テーブル４６０を含む。

入口／出口エレメントは、一般にはエレメントＩＤを割当てられたエレメントのみである。パケットが、入口／出口ポート４２０に到達すると、全てのＩＳＯレイヤ２の故障パラメータが満たされ、パケットが正常であると仮定される。宛先ＭＡＣアドレスは、宛先エレメントＩＤおよび宛先ポートＩＤが既に格納されているレイヤ２ＭＡＣテーブル４４０において検索される。一致すると、エレメントＩＤおよびポートＩＤは、宛先クラスタＩＤおよびソースエレメントＩＤと共にスイッチングヘッダ内に置かれる。結果として得られるフレームは、次にコアエレメントに送られる。

カプセル化されたフレームが到達すると、ＩＤを検査して、パケットが、そのパケットが到達した特定のエレメントを宛先にしていたことを確認する。不具合がある場合、フレームを検査し、そのフレームがマルチキャストまたはブロードキャストフレームであるかどうかを決定する。マルチキャストフレームの場合、内部のスイッチングヘッダは取り除かれ、結果として得られるパケットは、すべての関連パーティ（登録済のＩＧＭＰ「インターネットグループ管理プロトコル」関連部分）に対して複製される。ブロードキャストフレームの場合、ＲＡＳＴヘッダは取り除かれ、結果として得られるパケットは、フレームが到達した到来ポートを除くすべてのポートに対して複製される。フレームがユニキャストフレームの場合、エレメントＩＤは取り除かれ、パケットは、対応する物理ポートを通過する。

入口／出口エレメントは単一ポートでもよいが、好ましい実施形態では、それらは、通常、少なくとも１つのカプセル化されたパケットポートおよび少なくとも１つの標準基本ポート（ギガビットイーサネット（登録商標）など）を含む複数のポートを有する。一般に好ましい入口／出口エレメントは、１ギガビットイーサネット（登録商標）マルチポートモジュール、および１０ギガビットイーサネット（登録商標）シングルポートモジュールを含む。好ましい実施形態の別の態様では、入口／出口エレメントは、コアエレメントを備える同一の物理的デバイスに含まれてもよい。このような場合には、デバイスは、ハイブリッドコア入口／出口デバイスを備える。図６および図７を参照のこと。

図５は、任意のコアスイッチングエレメント２２０Ａ〜Ｃに利用されることができる、高レベル構成の好ましいコアエレメント５００を示している。コアエレメント５００は、通常、論理スイッチングフレーム５１０、複数の入口および／または出口ポート５２０Ａ〜Ｈ、１つまたは複数のユニキャストテーブル５３０、１つまたは複数のマルチキャストテーブル５４０を含む。

カプセル化されたフレームが、コアエレメントのいずれかのポートの入口側に到着すると、ヘッダの宛先ＩＤが読み取られる。このＩＤを使用して、ＩＤが登録されている特定の出口側ポートまでフレームを通過させる。ユニキャストテーブルは、コアエレメントに認識されている全ての登録されたエレメントＩＤのリストを含む。エレメントは、ＭＤＰ（管理発見プロトコル（Ｍａｎａｇｅ Ｄｉｓｃｏｖｅｒｙ ｐｒｏｔｏｃｏｌ））の始動段階の間に登録される。マルチキャストテーブルは、マルチキャストプロトコルの結合シーケンスの「発見段階」中に登録されるエレメントＩＤを含む。これは、マルチキャストプロトコルが関連パーティを明からにし、これらのＩＤを使用して、どのポートが、フレームのハードウェア複製に関係するかが決定される。エレメントＩＤが、このコアエレメントに対して認識されていない場合、またはフレームが、ブロードキャストフレームに指定されている場合、フレームは全ての出口ポートに送られる。

コネクタエレメント２４０Ａ〜Ｃ（Ｒａｐｔｏｒ Ａｄａｐｔｉｖｅ Ｓｗｉｔｃｈ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（登録商標）、ＨｅａｄｅｒのためのＲＡＳＴ（登録商標）として図２に示されている）は、コアエレメントが、ケーブルまたはファイバを介して他のコアエレメントと通信することを可能とする低レベルデバイスである。それらは、プロトコルを強化するのを援助するが、スイッチング機能は有していない。このようなエレメントの例は、ＭＳＡ ＸＦＰを使用するファイバ接続を介する銅コネクタＸＡＵ１／ＸＧｍｉｌのＸＡＵ1である。

図６は、Ｒａｐｔｏｒ（登録商標）１０１０スイッチとして表される、ハイブリッドコア入口デバイスの好ましい商用の実施形態の図である。スイッチ６００は、一般に、２つの１０Ｇベースの入口エレメント６１０Ａ〜Ｂ、１０Ｇベース以外の２つの入口エレメント６１５Ａ〜Ｂ、コアエレメント６２０、および中間コネクタエレメント６３０Ａ〜Ｄを含む。システムは、１２．５Ｇｂｐｓのスループットを提供することが可能である。

図７は、Ｒａｐｔｏｒ（登録商標）１８０８スイッチとして表される、ハイブリッドコア入口デバイスの好ましい商用の実施形態の図である。スイッチ７００は、８つの１０Ｇベースの入口エレメント７１０Ａ〜Ｄ、コアエレメント７２０、または８つの中間コネクタエレメント７３０Ａ〜Ｄ、または合計８つまでのエレメントの任意の組み合わせを含むことができる。

図８では、スイッチングシステム８００は、２つのＲａｐｔｏｒ（登録商標）１０１０スイッチ６００Ａ〜Ｂおよび４つのＲａｐｔｏｒ（登録商標）１８０８スイッチ７００Ａ〜Ｄ、ならびに接続光ラインまたは他のライン８１０を含む。ラインは、好ましくは、１０ＧＢまたはより大きなバックプレーンを含む。この実施形態では、１０１０スイッチ間のリンクは、現在は１０〜４０ｋｍであることができ、将来的により長くできる可能性がある。コアスイッチ間のリンクは、４０ｋｍを超えることができる。

（イーサネット（登録商標））
本発明の主題の主な利点は、分散スイッチング構造を使用するイーサネット（登録商標）パケットのスイッチングを実現することである。ただし、考慮される実施形態は、厳密にはイーサネット（登録商標）に限定されない。例えば、入口エレメントは、ＳＯＮＥＴからイーサネット（登録商標）に変換でき、上述されるとおりパケットのカプセル化およびルーティングを行い、その後イーサネット（登録商標）からＳＯＮＥＴに変換し戻されることができることが考慮される。

（トポロジ）
ここで考慮されているスイッチングシステムは、任意の適切なトポロジを使用することができる。興味深いことに、ここで考慮されている分散スイッチ構造は、さらに、スパニングツリー回避（Ｓｐａｎｎｉｎｇ Ｔｒｅｅ Ａｖｏｉｄａｎｃｅ）アルゴリズムにより制御されるルーピングを備える、リング、メッシュ、スター、およびバストポロジの混合体をサポートすることもできる。

しかし、現時点での好まれるトポロジは、ストリクトリングトポロジ（Ｓｔｒｉｃｔ Ｒｉｎｇ Ｔｏｐｏｌｏｇｙ，ＳＲＴ）であり、エレメント間にはただ１つの物理的または論理的リンクが存在する。ＳＲＴを実現するために、各ソースエレメントアドレスは、任意の物理的または論理的リンクによりコアエレメントに入る際に検査される。ソースエレメントアドレスが、コアエレメントに直接接続されているものである場合、データストリームは遮断される。ソースエレメントアドレスが、このコアエレメントに直接接続されているものでない場合、パッケージは、通常ルールを使用して転送される。リングの中断は、すべてのエレメントに対するエレメントテーブルの更新を生じる、ストレートバストポロジへの復帰を含む、いくつかの知られている方法のいずれかで扱われることができる。

好ましくは、トポロジの管理は、有利にはエレメント管理ユニット（ＥＭＵ）により生成され知らされることができる、エレメントメッセージを使用して遂行される。ＥＭＵは、通常、入口／出口エレメントおよびコアスイッチングエレメントを含む、複数の種類のエレメントを管理する。

（管理発見プロトコル）
分散スイッチ構造が動作するためには、全ての個別のエレメントは、その構造に寄与するエレメントを見出す必要がある。そのプロセスは、ここでは、管理発見プロトコル（ＭＤＰ）と称される。ＭＤＰは、個別の管理ユニットを含む構造エレメントを見出し、どのエレメントがマスタユニットになるか、またどれがバックアップユニットになるかを決定する。通常、ＭＤＰは、電力が安定し、個々の管理ユニットが起動し、かつポートの接続性が確立された後に、全てのエレメントにおいて再始動される必要がある。好ましいＭＤＰ操作のシーケンスは、以下のとおりである。

各エレメントは、そのＭＡＣアドレスおよびユーザ割当優先番号（設定されていない場合、割当てられた０を使用する）を含む、最初のＭＤＰ確立メッセージを送信する。各エレメントは、さらに、このような情報を含む到来ＭＤＰメッセージを受け取ろうとする。各エレメントがＭＤＰメッセージを受信すると、２つの決定のうちの１つがなされる。受信されたＭＡＣアドレスが、受信エレメントに割当てられたＭＡＣアドレスより低い場合、メッセージは、本来のＭＡＣアドレス、受信されたリンク番号、およびメッセージを転送するシステムのＭＡＣアドレスを有する、全てのアクティブリンクに転送される。優先度が設定される場合、（０より大きく）最も低い優先度は、最も低いＭＡＣアドレスとして見なされそのように処理される。他方では、受信されたＭＡＣアドレスが、受信エレメントに割当てられたＭＡＣアドレスより高い場合、メッセージは転送されない。優先度が、受信された優先度よりも高く設定される場合、同一プロセスが実行される。

最終的に、システムは、マスタエレメントユニットのＭＡＣアドレスを識別し、見出されたエレメントのＭＡＣアドレス、アクティブポート番号、および各エレメントならびにそれらの各ポートのＭＡＣアドレスに基づいて、接続マトリックスを作成する。このマトリックスは、全てのエレメントに分配され、分散スイッチ構造の基本を形成する。マトリックスは、任意の妥当なサイズにでき、現時点では合計１０２４エレメントに対するサポートを含むことが好ましい。

新しい各エレメントが確立されたクラスタに加わると、隣接テーブルの記憶された複製により回答される、ＭＤＰ初期化メッセージを発行する。新しいエレメントは、それ自体の情報をテーブルに挿入し、マスタに更新エレメントメッセージを発行し、次にマスタが、変更を確認し、全てのエレメントにエレメント更新メッセージを発行する。

（ハートビートプロトコル）
ハートビートプロトコルは、擬似エレメントの検出を可能にする。エレメントが、機能しなくなるかまたはマトリックスから取り除かれる場合、ハートビートプロトコル（ＨＢＰ）を使用して、エレメントへの特定のリンクが機能しないことを信号で出力することができる。たとえシステムが動作中でも、ＨＢＰは、マスタにエレメント更新メッセージを送り、マスタが、次にテーブルを再フォーマットし、全てのエレメントにエレメント更新メッセージを発行する。

また、ハードウェアのさまざまな部品が、マネージャに対して割り込みまたはトラップを送信し、ＨＢＰが故障を見つける前に、エレメント更新メッセージを発行させることも可能である。ハードウェアにより早期に検出される可能性がある故障は、光インターフェースでの信号の損失、銅線インターフェースの接続性の損失、インターフェースチップのハードウェアの故障を含む。ユーザ選択インターフェース無効化コマンドまたは遮断コマンドを用いて、エレメント更新メッセージを発行させることもできる。

（トラフィック負荷）
トラフィック負荷係数は、任意の適切な方法で計算されることができる。一般に好ましいシステムおよび方法において、トラフィック負荷は、ローカル管理ユニットにより計算され、周期的にマスタにエレメント負荷メッセージで通信される。このような情報は、エレメント間の複数の物理的または論理的なリンクの負荷バランスのために使用されることが考慮される。

（セキュリティ）
好ましくは、エレメントメッセージは、全てのメッセージに対してＡＣＫ／ＮＡＫ機能を実行してメッセージの配信を保証する、セキュアデータプロトコル（ＳＤＰ）を使用して送られる。ＳＤＰは、好ましくは、エレメント間のエレメントメッセージを暗号化する能力も含むレイヤ２セキュアデータプロトコルとして操作される。

本明細書のほかの部分で述べられているとおり、エレメントメッセージおよびＳＤＰを使用して、エレメント間で他のデータを通信し、それにより所望の管理機能をサポートできる。特に、エレメントメッセージを使用して、エレメント／ポートのペアの間に存在するソフトの永久仮想接続を提供する、ポートツーポートプロトコル（ＰＴＰＰ）をサポートできる。一般に考慮されているとおり、ＰＴＰＰは、単にエレメントツーエレメントメッセージであって、このメッセージは、ソースおよび宛先の特定のエレメントアドレス／ポートアドレスに対してデフォルトのカプセル化を設定する。したがって、ＰＴＰＰは、代用の仮想回路を生成する点において、マルチプロトコルラベルスイッチング（Ｍｕｌｔｉｐｒｏｔｏｃｏｌ Ｌａｂｅｌ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ，ＭＰＬＳ）に類似している。しかし、ＭＰＬＳとは異なり、故障が発生すると、「ローカル」エレメントが、問題周辺のデータを自動的に再ルーティングする。このように実現すると、別のリンクが、発生側（入口）および終端側（出口）の両方で利用可能であり、介在リンク（セキュリティ／アクセス制御リスト（ＡＣＬ）／サービス品質（ＱｏＳ）など）において他の遮断が存在しない場合、ＰＴＰＰは、故障周辺の極めて有利なルーティングを可能にする。

また、リンクが故障の場合でも、データのパケットを１つも損失しない無損失のフェイルオーバシステムを提供することが可能である。このようなシステムは、同一データが並列に送られる、アクティブ／アクティブ保護サービス（ＡＡＰＳ）を使用して実現できる。この方法は、ハードウェアが、マスタリンクから二次リンクにデータを複製する点でマルチキャスティングに類似している。理想的には、ＡＡＰＳの受信端は、（正確に）受信されるあらゆるデータの第１の複製を終端ノードに転送するだけである。

（スーパー構造）
有利には、多数のエレメントは、論理的なクラスタに共にマッピングされ、スイッチングヘッダ内に宛先およびソースクラスタＩＤを含むことによりアドレス指定されることができる。ある意味では、クラスタ使用可能エレメントは、単に通常のエレメントであるが、クラスタアドレス番号の加算／減算が可能な１つまたは複数のリンクを備える。この方法でクラスタを利用するシステムは、本明細書ではスーパー構造と称される。スーパー構造は、特に、１０２４個のエレメントの２５５個のクラスタまでを「単一」スイッチシステムに接続可能にする、スーパー構造の現行版を含む、任意の妥当な大きさに構成されることができる。

一般に考慮されているとおり、スーパー構造モードで操作する管理ユニットは、全てのクラスタについて詳細を保持するが、ＭＡＣアドレスデータは保持しない。クラスタ間の通信は、クラスタレベルＡＣＬが、事前に規定されている一致シーケンスを検出すると生成される、動的仮想ＬＡＮ（ＶＬＡＮ）トンネルを介する。一般に考慮されている一致は、（ａ）ＭＡＣアドレスまたはＭＡＣアドレスペア、（ｂ）ＶＬＡＮＩＤペア、（ｃ）ＩＰサブネットまたはサブネットペア、（ｄ）ＴＣＰ／ＵＤＰプロトコル番号またはペア、レンジ等、（ｅ）プロトコル番号、および（ｆ）特定のデータのレイヤ２−７の一致、のいずれかを含む。管理ユニットは、また最近のブロードキャストのリストを保持し、受信されたブロードキャストに対して一致操作を実行することができる。それにより、以前に送られたブロードキャストの転送は防止されることができ、したがって、学習期間後は、新しいブロードキャストのみ他のリンクに転送される。

クラスタは、管理ユニットにより管理されるが、マスタの故障下でも動作し続ける。マスタエレメント管理ユニットが機能しなくなると、新しいマスタエレメントが選択され、クラスタは動作し続ける。好ましい実施形態では、任意のスイッチユニットがマスタユニットであってもよい。前の管理のみが機能しない場合は、入口／出口エレメントおよびコアエレメントは、インバンド接続を通じて新しいマスタエレメントにより管理可能である。

好ましくは、クラスタ間通信は、厳密なＰＴＰＰベースのリンクアドレスのマトリックスを介する。リンクが、カプセル化されたパケットを受信したエレメント間に存在する場合、ＭＤＰはこのリンクを見出し、ＨＢＰがリンクの健全性を検査し、かつＳＤＰは、管理エレメント間の通信を可能にして、クラスタをいずれかの変更を通告されるままにする。上記のすべてが適切に実施されると、スイッチエレメントのクラスタは、論理的なスイッチ全体にわたり利用可能なすべての標準ベースのスイッチ機能を有する、単一の論理的ギガビットイーサネット（登録商標）または１０ギガビットイーサネット（登録商標）ＬＡＮスイッチとして動作できる。

上述のクラスタ化は、いくつかの点で有利である。
・ リンクアグリケーション（Ｌｉｎｋ Ａｇｇｒｅｇａｔｉｏｎ）ＩＥＥＥ ８０２．３ａｄは、クラスタ全体にわたって動作できる。これにより、ＩＥＥＥ ８０２．３ａｄを使用する他のベンダのシステムは、複数のハードウェアプラットフォームにわたってトラフィックを統合でき、従来可能であったものより優れたレベルの冗長性を提供する。
・ 仮想ＬＡＮ（ＶＬＡＮ）８０２．１Ｑは、ＶＬＡＮトランクまたはスイッチ間リンクにおけるＶＬＡＮタグ付けの必要なしに、クラスタ全体にわたって動作できる。なお、さらに、ポートミラーリング（事実上の標準）は、ある１つのクラスタの任意のポートを、そのクラスタの任意の別のポートにミラーリングを提供することにより、容易に実現される。
・ いずれかの入口／出口ポートで受信された休止フレームは、そのポートにおけるトラフィック流れに寄与するすべてのポートに対して、クラスタ全体にわたって反映されることができ、休止フレームをこれらの寄与ポートに送り、ボトルネックを回避できる。
・ クラスタが、地理的に１６０Ｋｍ以上離れていたとしても、ＩＳＯレイヤ３（ＩＰルーティング）は、単一のルーティングされたホップのように、クラスタ全体にわたって動作する。
・ ＩＳＯレイヤ４ＡＣＬは、いずれの標準レイヤ２／３／４スイッチ内にもあるかのように、クラスタにおいて任意のスイッチエレメントに割当てでき、単一ＡＣＬは、単一コマンドでクラスタ全体に適用できる。
・ ＩＥＥＥ ８０２．１Ｘは、クラスタ全体にわたって動作し、スイッチングシステムの標準セットが接続されている場合は動作しない。

図９では、分散スイッチング構造のスーパー構造の実装９００は、一般に、４つの２０Ｇｂｐｓパイプ９１０Ａ〜Ｄを含み、パイプは、それぞれ対応するクラスタ９２０Ａ〜Ｄに接続され、クラスタは、クラスタメッセージ構造を理解する制御エレメント９２２Ａ〜Ｄを含む。各クラスタ内には、互いに結合された多数の入口／出口エレメント４００が存在する。この特定の実施形態では、制御エレメント９２２Ａ〜Ｄのそれぞれは、クラスタ間通信のために入口／出口エレメント４００を接続する２つの１０Ｇｂｐｓパイプを有する。また、クラスタ間パイプ９３０Ａ〜Ｄも存在し、この例では、１０Ｇｂｐｓで通信する。

このように、分散スイッチング構造スイッチの特定の実施形態および用途を開示してきた。しかし、当業者には、すでに説明された以外の多くの修正形態が、本明細書の本発明の概念から逸脱することなく可能であることは明らかであろう。したがって、本発明の目的は、特許請求の範囲の精神を除いては制限されない。さらに、明細書および特許請求の範囲の両方の解釈において、全ての用語は、文脈に整合する最も広い可能な意味に解約されるべきである。特に、用語「備える」および「備えている」は、非排他的な意味で、エレメント、コンポーネント、またはステップを言及すると解釈すべきであり、言及されるエレメント、コンポーネント、またはステップは、存在するかまたは利用されるか、または明確に言及されていない他のエレメント、コンポーネント、またはステップと組み合わせることができることを示すと解釈すべきである。

協働して単一スイッチとして動作する、従来技術のスイッチモジュールの配置の図である。 アクティブコアにより接続されるスイッチモジュールの従来技術の配置の図であるが、モジュールは互いに独立して動作している。 完全な分散構造スイッチングシステムの図であり、エッジエレメントは、ヘッダに追加またはヘッダから取り除かれ、コアは、ヘッダによりアクティブにパケットをスイッチングすることを示している。 ルーティングヘッダの図である。 高レベル構成の入口／出口エレメントの好ましい組み合わせの図である。 高レベル構成の好ましいコアエレメントの図である。 Ｒａｐｔｏｒ（登録商標）１０１０スイッチの図である。 Ｒａｐｔｏｒ（登録商標）１８０８スイッチの図である。 本発明の好ましい態様による典型的な分散スイッチングシステムの図である。 分散スイッチング構造のスーパー構造実装の図である。

Claims (34)

1. 情報のパケットをルーティングするネットワークスイッチであって、
   それぞれが複数の入口ポートおよび出口ポートを備える、複数の入口スイッチングエレメントと、
   複数の入口スイッチングエレメントの入口ポートに入るパケットにルーティングヘッダを付加するハードウェアと、
   それぞれが複数の入口ポートおよび出口ポートを備える、複数の出口スイッチングエレメントと、
   複数の入口スイッチングエレメントおよび出口スイッチングエレメントの間にアクティブなスイッチングを提供するバックボーンとを備え、
   各スイッチングエレメントが、ルーティングヘッダを使用して、入口スイッチングエレメントの１つから、１つの入口スイッチングエレメントがそうでなければ直接接続されていない出口スイッチングエレメントの少なくとも１つに、バックボーンを通してパケットを送る、ネットワークスイッチ。
2. 各複数の入口および出口スイッチングエレメントが、ステートフル接続を備えるコネクションレス媒体を提供するプロトコルをサポートする、請求項１に記載のスイッチ。
3. ステートフル接続が、イーサネット（登録商標）を含む、請求項２に記載のスイッチ。
4. 各複数の入口および出口スイッチングエレメントが、少なくとも８つの入力ポートおよび８つの出力ポートを有する、請求項１に記載のスイッチ。
5. 複数の入口スイッチングエレメントの少なくとも１つが、少なくとも１ギガビット／秒の能力を備える、請求項１に記載のスイッチ。
6. 複数の入口スイッチングエレメントの少なくとも１つが、少なくとも１０ギガビット／秒の能力を備える、請求項１に記載のスイッチ。
7. 複数の入口および出口スイッチングエレメントのどれがマスタエレメントになるかを随時決定する管理発見プロトコルを実行するハードウェアを有する、請求項１に記載のスイッチ。
8. ハートビートプロトコルを使用して、既存のマスタの故障時にどのエレメントが新しいマスタになるかを決定する管理発見プロトコルを実行するハードウェアを有する、請求項１に記載のスイッチ。
9. 各複数の入口および出口スイッチングエレメントが、管理発見プロトコルを実行する、請求項７に記載のスイッチ。
10. スイッチ内でパケットをルーティングするのに使用されるルーティングヘッダを、情報のパケットにカプセル化する第１のハードウェアと、ルーティングヘッダを取り除く第２のハードウェアとをさらに備える、請求項１に記載のスイッチ。
11. ルーティングヘッダが、ソースエレメントアドレス、宛先エレメントアドレス、および宛先ポートアドレスを含む、請求項１０に記載のスイッチ。
12. 複数の出口スイッチングエレメントの少なくともいくつかが、クラスタ内で論理的に結合され、ルーティングヘッダが、宛先クラスタアドレスを含む、請求項１０に記載のスイッチ。
13. 複数の入口および出口スイッチングエレメントが、ストリクトリングトポロジ（ＳＲＴ）を使用して結合される、請求項１０に記載のスイッチ。
14. 複数の入口および出口スイッチングエレメントの少なくともいくつかにエレメントメッセージを送るエレメント管理ユニットをさらに備える、請求項１に記載のスイッチ。
15. エレメントメッセージの少なくとも１つが、メッセージに対してのＡＣＫ／ＮＡＫ機能を実行するセキュアデータプロトコル（ＳＤＰ）を実現する、請求項１４に記載のスイッチ。
16. エレメントメッセージの少なくとも１つが、ポートツーポート（ＰＴＰ）プロトコルを実現する、請求項１４に記載のスイッチ。
17. エレメントメッセージの少なくとも１つが、アクティブ／アクティブ保護サービス（ＡＡＰＳ）を実現する、請求項１４に記載のスイッチ。
18. 最近のエレメントメッセージのリストを維持するハードウェアをさらに備える、請求項１４に記載のスイッチ。
19. 請求項１に記載のスイッチの第１および第２のクラスタを含む、スイッチングシステム。
20. クラスタ間通信が、動的ＶＬＡＮトンネルにより実現される、請求項１９に記載のスイッチングシステム。
21. クラスタ間通信が、ＰＴＰプロトコルベースのリンクアドレスのマトリックスにより実現される、請求項１９に記載のスイッチングシステム。
22. 第１および第２のクラスタが、少なくとも１キロメートル離れている、請求項１９に記載のスイッチングシステム。
23. さらに第３のクラスタを含み、第１、第２、および第３のクラスタが、自動的にトポロジの設定を実行する、請求項１９に記載のスイッチングシステム。
24. イーサネット（登録商標）パケットをルーティングする方法であって、
    システム内ルーティングヘッダを有するフレームにイーサネット（登録商標）パケットをカプセル化する複数の入口スイッチモジュールを設けるステップと、
    パケットからヘッダを取り除く複数の出口スイッチモジュールを設けるステップと、
    入口および出口スイッチモジュール間およびコアエレメント間で、フレームをアクティブにルーティングするコアを設けるステップとを含み、
    少なくとも１つの入口スイッチモジュールおよび少なくとも１つの出口スイッチモジュールが、相互に少なくとも１ｋｍ離れ、少なくとも２つのコアエレメントが、相互に少なくとも１ｋｍ離れている、方法。
25. 複数の入口および出口スイッチモジュール間で少なくとも１６個のポートを接続するコアをさらに含む、請求項２４に記載のシステム。
26. コアのコンポーネントとして光キャリアを設けることをさらに含む、請求項２４に記載のシステム。
27. ＩＥＥＥ規格に準拠するシステム全体にわたってリンクアグリゲーションを機能させることをさらに含む、請求項２４に記載のシステム。
28. ＶＬＡＮトランクまたはＶＬＡＮタグ付けを必要とせずに、システム全体にわたって仮想ＬＡＮ（ＶＬＡＮ）を実行することをさらに含む、請求項２４に記載のシステム。
29. データが、ポートの選択された１つに送信されることを少なくとも一時的に防止するプロトコルを提供することをさらに含む、請求項２４に記載のシステム。
30. 複数のモジュール間でレイヤ３（ＩＰ）ルーティングを実現することをさらに含む、請求項２４に記載のシステム。
31. ＩＥＴＦ規格に準拠するポートベースのネットワークアクセス制御能力を備える複数のモジュールを設けることをさらに含む、請求項２４に記載のスイッチ。
32. レイヤ７（アプリケーション）データに対するレイヤ２（イーサネット（登録商標））の検出と、前記データの動的ルーティングまたはハンドリングの決定とを、複数のモジュールに提供することをさらに含む、請求項２４に記載のシステム。
33. 複数のモジュールの少なくともいくつかに管理メッセージを送ることをさらに含み、メッセージの少なくとも１つが、メッセージに対して肯定応答機能を使用するセキュアデータプロトコル（ＳＤＰ）を実現し、別のエレメントメッセージの少なくとも１つが、ポートツーポート（ＰＴＰ）プロトコルを実現し、別のエレメントメッセージの少なくとも１つが、イーサネット（登録商標）フレームベースのアクティブ／アクティブ保護サービス（ＡＡＰＳ）を実現することをさらに含む、請求項２４に記載のシステム。
34. 複数のモジュールの少なくともいくつかを、第１および第２のクラスタに論理的に結合し、クラスタを少なくとも１キロメートル離すことをさらに含む、請求項２４に記載のシステム。

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