JP2009512345A - 衝突型データネットワークのキャパシティーを増大させるシステムと方法 - Google Patents

Abstract

集中制御を使用せず、かつデータに含まれる情報も使用しない、ローカルエリアネットワークのための多重アクセス無競合環境が開示される。バス（又は他の共通伝送媒体）が即座に利用可能でない場合、接続された装置からのデータをバッファリングすることによってデータ衝突を無くす。一実施例において、バッファリングは、情報を受け取ることができるか、もしくは、それをバッファがクリアするまでの時間保持することができるハブによって制御される。所望の場合、どのバッファから最初に取り出すかの指標としてバッファ占有率（buffer fullness）を利用することができる。バッファがフルの場合、ステーションに信号が送られて一時的にネットワークに対するそれらのアクセスを減少させる。

Description

本出願は、ここにそれらの開示内容を参考文献として合体させる、２００６年１０月３日出願の「衝突型データネットワークのキャパシティーを増大させるシステムと方法」と題する米国特許出願［Attorney Docket No. 66816-P009US-10606750］と、２００５年１０月１４日出願の「ローカルエリアネットワーク用フレームマルチプレクサ」と題する同時係属米国仮特許出願Ｎｏ．６０／７２６，４５９との優先権を主張するものである。
技術分野
本発明は、多重アクセスデータネットワーク、詳しくは、スループットを増大させながら衝突を回避するシステム及び方法に関する。

発明の背景
イーサネットは、ローカルエリアネットワークにおいてデータフローを扱うのに使用される一般的な多重アクセス制御（ＭＡＣ）プロトコルである。複数のポイントからのデータが一つの共通の伝送媒体上に流れるので、異なるポイントからのデータ間で、同じ媒体に対する複数の同時競合としての衝突が発生する可能性がある。そのような競合に対処するために、ネットワークは、競合を最小限にするべく確率に基づいてサイズ設計され、複数の同時アクセス間を調停するためにトークンが使用される。競合の問題を低減するようにネットワークをサイズ設計することによって、スループットによる測定でのキャパシティーが減少する。

競合を減らすための一つの公知の可能性は、各ステーションをスイッチ、ルータ、又はブリッジによって互いに接続する方法である。そのような解決法は高コストである。別の高コストな解決方法は、ローカルネットワーク中のスイッチの数を増やし、それによって競合を減らしながらステーションを分離するという方法である。この方法ではデータを高速で流すことはできないが、衝突を減らし、それによって再試行を減少させるという利点はある。より多くのスイッチを使用することの一つの利点は、例えばプリンタへのトラフィックなどのようなある種のローカルトラフィックは、ネットワーク全部を移動する必要はなく、むしろ、プリンタ部にスイッチングすることが可能である点である。各追加スイッチのコストは高く、ハブのコストの約６倍又は７倍であり、従って、これは効果的な解決法ではない。

衛星通信用に実行されている多重アクセスシステムの一つの例として、ハワイと米国本土との間のＡｌｏｈａ（アロハ）システムがある。その多重アクセスプロトコルは、時間分割区間（partitioned interval in time）に基づいている。それぞれの区間の始まりにおいてのみ、全てのステーションが媒体にアクセスする同等の機会を有している。もしも二つ以上のステーションが同じ区間に送信を試みるとき、衝突が起こり、送信は失われてしまう。この「失われた」送信は、短時間の後に再送信されることになる。前記Ａｌｏｈａプロトコルは、最大で３６．８％のスループット発現（throughput expression）を有する。従って、衝突率が６３．２％であるということは、全ての送信のほとんど２／３を繰り返さなければならないということを意味する。その再送信の６３％も衝突するので、実際のスループットは非常に低い。

このタイプのシステムから導くことが可能な一つの結論は、衝突又は中程度の競合を許容することは、スループットに対して大きなネガティブな影響を与えるということである。もう一つの結論は、トラフィック制御が重要であり、そして前記Ａｌｏｈａシステムの場合、約１０％のレベルが理想的である、ということである。

イーサネットは搬送波感知多重アクセス／衝突検出方式（ＣＳＭＡ／ＣＤ） と呼ばれるエンハンスト多重アクセスプロトコルを使用する。そのスキームは、データ送信を希望する各ステーションに、共用送信媒体上の信号レベルをサンプリングさせる。もしも送信媒体が一定の時間アイドル状態であれば、そのステーションはそのときにデータを送信することができる。もしも複数のステーション（それらの全てがほぼ同時間に送信を開始する）間で衝突が起これば、すべての送信ステーションが送信を停止することを求められる。さもなくば（その衝突が無ければ）送信されていたであろうデータは、ランダムな遅延後に再送信される。従って、遅延はランダムであって、ステーションごとに異なる。

イーサネットプロトコルのスループットモデルは変数の数があまりにも多いため、イーサネットプロトコルにおいてスループットの計算を行うことは困難である。いくつかの状況においては、高スループットのための条件が存在し、他の条件では非常に悪いスループットになる。高トラフィック条件下では、衝突率の減少は示されていない。最後に、あるステーションは「広告」スループットを有するかもしれないが、実際のスループットは、そのステーションの制御外で、従って、そのステーションによっては計算又は管理不能な要素によって、遥かに低いものとなる可能性がある。従って、トラフィック管理は困難である。

発明の要旨
ここに記載されるコンセプトは、集中制御を使用せず、かつデータに含まれる情報も使用しない、ローカルエリアネットワークのための多重アクセス無競合環境を提供することに関する。

バス（又は他の共通伝送媒体）が即座に利用可能でない場合、接続された装置からのデータをバッファリングすることによって潜在的なデータ衝突を減少させるためのシステムと方法とが開示される。一実施例において、バッファリングは、情報を受け取ることができるか、もしくは、それをバッファがクリアするまでの時間保持することができるハブによって制御される。前記ハブアプローチを使用することによって、データパケットをバッファリングし、その後、バスが利用可能になった時に、そのバスに多重化することができる。必要であれば、バッファリングは複数回行うことができる。いくつかの実施例において、どのバッファから最初に取り出すかの指標としてバッファ占有率を利用することができる。バッファがフルの場合、ステーションに信号が送られて一時的にネットワークに対するそれらのアクセスを減少させる。このようにして、ネットワークがヘッダ情報を得るべくパケットの中身を調べることを必要とせずに、衝突が回避される。ここに記載のコンセプトはバス構造又はツリー構造のいずれにも使用することができる。

以上、下記の本発明の詳細説明がより良く理解されるように本発明の特徴と技術的利点とについて大まかに説明した。本発明の特許請求の範囲の課題を構成する本発明のその他の特徴と利点については後述する。尚、ここに開示される概念と特定の実施例は、本発明の同じ目的を実行するために改造又はその他の構成を設計するためのベースとして利用可能であることが当業者には理解されるはずである。又、そのような均等構造は添付の特許請求の範囲と関連させて記載される本発明の要旨と範囲から逸脱するものではないことも当業者には理解されるはずである。その組織と動作方法との両方において本発明を特徴付けるものと考えられる新規な特徴構成は、その他の課題と利点とともに、添付の図面を参照して、以下の説明からより良く理解されるであろう。ただし、これら図面のそれぞれは図示の目的に提供されるものであって、本発明の限定の定義として意図されたものではないと理解される。

本発明のより完全な理解のために、次に、添付の図面を参照して以下の記載について言及する、ここで、
図１は本発明の一態様によるバストポロジーに使用されるフレームマルチプレクサの一実施例を図示している、
図２Ａは、前記フレームマルチプレクサのツリーネットワークトポロジーにおける使用を図示している、
図２Ｂは従来技術のツリーネットワーク構造を図示している、
図３Ａおよび３Ｂは、一方向フレームマルチプレクサを図示している、そして
図４は全二重動作式に構成されたフレームマルチプレクサを図示している。
発明の詳細な説明
本発明のいくつかの例示的実施例について詳細に説明する前に、イーサネットプロトコル実行の基本アーキテクチャについて概観しておくことが有用であるかもしれない。イーサネットローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）コンフィグレーションに関して、バスコンフィグレーションとツリーコンフィグレーションとがある。バスコンフィグレーションは、各ステーションによる直接アクセスを許容する。イーサネットＣＳＭＡ／ＣＤは、この目的、すなわち、全てのステーションに対して共用媒体を提供するために設計された。

ツリー構造は、ステーションがその階層構造の底部に位置し、外部ネットワークへのゲートウエイが階層の頂部に位置する階層構造である。頂部と底部との間のレイヤの数は、ステーションの数とトラフィックの量とに基づく。ツリー構造において、各ステーションは、階層中の次のレベルに対するそれ自身の媒体（ケーブル、エアリンク）を有する。理想的には、二番目に低いレベルは共用媒体問題を無くすルータであるべきである。経済的理由により、全ての入力に対して共通のバスを設けることによって個々の媒体を共有媒体に変換するためにしばしばハブが使用される。ハブは、複数のポートを備え、各ポートは（図３Ａに示されているように）一対のＴＸ（送信）およびＲＸ（受信）ポートを備え、これらがステーションと次のレベルの装置に接続されている。ハブがＣＳＭＡ／ＣＤと共に動作するようにするために、全てのＴＸおよびＲＸポートはバスに接続される。ＲＸポートがデータをバス上に置き、同時に全てのＴＸポートは、ポートに接続された目的地に対してデータをブロードキャストするのと同様に、そのバスから同じデータを取り出す。なおこの状況において、ハブはパケット中のコンテンツを読み取らない物理レイヤ装置である。送信は、ＴＸポートが接続されている任意の伝送媒体を介して行われる。ＲＸポートはバス媒体にデータを供給プレース （feeds place）するので、各ＲＸポートは共有媒体に供給し、そこで衝突が起こりうる。もしもデータが衝突しなければ、ＣＳＭＡ／ＣＤプロトコルによって決められているようにＴＸポートはその起源に対してデータが到着したことをブロードキャストしなければならない。もしも衝突があると判定されると、データを所定時間バッファリングするべく信号が送られる。

前記ネットワークコンフィグレーションは、ステーションに対する、二重（２ワイヤ、１つの双方向媒体）又は全二重（４ワイヤ、２つの一方向媒体）の接続の選択肢を有する。ここに記載の実施例では、４ワイヤ動作について説明するが、同じ原理を２ワイヤ媒体にも適用することができる。以下に理解されるように、ここに記載されるコンセプトの利点のいくつかは、バッファを使用することによる衝突の除去と、過負荷を引き起こしているソースに対して停止送信信号を送ることによるトラフィック過負荷の除去である。これらのコンセプトによってスループットトラフィックが少なくとも６倍増加するものと予想される。その理由は以下の通りである。

ａ．ＣＳＭＡ／ＣＤは一方向送信であるのに対して、両方の媒体が同時に送信と受信を行うことができる。従って、スループットキャパシティーは２倍である。
ｂ．衝突が回避され、それによって再送信の必要性が無くなる。従って、スループットキャパシティーは２．５倍増加する。
ｃ．送信が要求されるまでの媒体休止時間がない。従って、スループットキャパシティーは、１．２倍増加する。そして
ｄ．再送信が減少するためサービスの質が改善され、それによって待ち時間が改善される。

ここでの説明を容易にするために、「フレームマルチプレクサ」という用語は、ここで説明されているように改造されたハブのことを言う。

装置が媒体ビジー信号を受け取ったときにその媒体に対する送信を停止するために既存のＣＳＭＡ／ＣＤプロトコルの特性を利用する。イーサネットＣＳＭＡ／ＣＤに対する逆行順守（backward compliance）の場合は、そのステーションからのトラフィックを、そのステーションに対してキャリア信号を送ることによって停止させることができる。イーサネット基準の増強の場合は、ユニークな開始および停止信号を使用してステーションからスーパーハブへのトラフィックフローを停止することができる。しかしながら、たとえステーションがネットワークにデータを送っていない時でも、データはまだステーションに流れうる。例えば、もしもステーションがスーパーハブへあまりにも多くのデータを送信したのであれば、スーパーハブはそのステーションに対して停止信号を送る。この停止信号を受け取ると、ステーションは、パケットを完了するべくそのデータを伝送し続け、再開信号が受け取られるまでは新たなパケットの伝送を停止する。このようにして、中断無く常時データを送ることができる。このスキームは、標準ＣＳＭＡ／ＣＤプロトコルよりも２倍効率的な双方向トラフィックを提供する。

図１は、本発明の一態様による、ネットワーク１００等の、フレームマルチプレクサのネットワークの一つの実施例１０を図示している。ネットワーク１００は、次に、ステーション１２−１〜１２−５などの多数のステーションをイーサネットローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）に対して多重化する。以下説明するように、ネットワーク１００は衝突を減少させつつ、ＬＡＮに対するスループットを増大するように機能する。

図２Ａは、図２Ｂに図示されているような従来のツリー構造におけるハブに代わる、ツリーネットワークトポロジーに使用される本発明のフレームマルチプレクサを図示し、ここで、ハブ２０１−１〜２０１−Ｎによってステーションがルータ２０２−１〜２０２−Ｎに接続され、及び、ネットワークにスイッチ２０３を介して接続されている。

図３Ａおよび３Ｂは、本発明の一実施例による、一方向フレームマルチプレクサ３０および３００をそれぞれ図示している。

図３Ａを参照すると、接続されたステーション１２−１（又はその他任意のステーション１２−Ｎ）からくるデータは、ＲＸ入力３０１を通過してＴＸバッファ３２に入り、ＴＸ出力３１０を介して出力Ａへの伝送を待つ。前記バッファに出入りするデータは、ハードワイヤード式、又は、プロセッサ制御式、またはこれらの組み合わせとすることができるトラフィックフロー制御管理部３５によって制御される。同様に、入力ポートＡを介してネットワークから来るデータは、入力制御部３４のＲＸ３１１を介して、バッファ３３を介してポート１〜ＮのＴＸ制御部に向けられる。ＴＸおよびＲＸ制御部は、パッシブポートとしてもよいし、或いは、増幅や、ステーション（又は他のＦＭ）への、又はそれからの信号を「修飾（dress）」するためのその他の制御を提供するべく、アクティブ式にすることも可能である。

今、システムは通常の状態にあるものとする。この通常状態とは、データバッファがオーバフローしていないということを意味する。この状態において、単数又は複数のステーションがＦＭに対してパケットを送っている。ＦＭはこれらの受け取ったパケットをＴＸバッファバンク３２に格納し、バッファされたデータをできるだけ早くポートＡに送る。逆の経路も同じである。例えば、ポートＡに受け取られたパケットはＲＸバッファバンク３３に格納され、バッファされたデータはブロードキャスト式に全てのポート１〜Ｎに送られる。この動作は無競合、すなわち、無衝突、である。バッファをオーバフローする可能性のあるヘビートラフィック状態の状況について説明する前に、バッファコンフィグレーションの三つの選択肢、すなわち、すべてのポート１−Ｎによるバッファの完全共有、１−Ｎの個別ポートバッファ、又は、これら共有ポートバッファ及び個別ポートバッファの組み合わせ、について説明する。

前記共有バッファはバッファ内のすべてのメモリを使用して全てのポートからのデータを保持する。バッファがオーバフローに近づくと、トラフィックフロー制御信号が全てのポートに対して適用される。このように分割することの利点は、ポート１−Ｎからの不均一なトラフィックレートに対するストレージキャパシティーが増大することであるが、各ポート毎のトラフィックレート保障に対する制御度は低くなる。個別ポートバッファ分割は、ヘビートラフィックポートに対するストレージは少ないが、どれかのバッファがオーバフローに近くなっているときに、たとえ他のバッファに余裕があってもデータがストップするように、個々のポートのトラフィックを他のポートから独立して管理することが可能である。共有バッファと個別バッファとの組み合わせは、ストレージキャパシティーとトラフィックフローの個別制御との合理的な組み合わせである。

「組み合わせ」バッファシステムでは、任意のポートからのデータは、それがフルになるまで共有バッファに送られる。新しいデータはすべて個々のポートバッファに格納され、ここからデータはそのスペースが利用可能になり次第、共有バッファに伝送される。個々のバッファがキャパシティーに近くなると、新たに到来するデータは停止される。接続された装置（１２−１〜１２−Ｎ）からポートへの到来トラフィックを停止するには少なくとも二つの方法がある。一つの方法は、ポートから信号を接続装置に送る方法である。このスキームは、ＣＳＭＡ／ＣＤプロトコル互換である。たとえば、その信号はバッファ３３のポートＡから受け取られたトラフィックであるかもしれない。もしもバッファ３３がリアルデータを有していないならば、その場合には、何らかのアイドル信号を送ることができる。言い換えると、バッファ３３は、ポートＡからのリアルデータ又はアイドル信号を格納することになる。もう一つの方法は、接続装置からのトラフィックフローを制御するために停止および開始信号を送る方法である。その利点は、二つの一方向伝送を互いに独立した４ワイヤにすることにある。このトラフィックフロー制御は、ポートＡにも適用可能である（もしもバッファがアイドル信号を持っているならば、システムは図３Ａにおいてオフライン信号を必要としない）。

図３Ｂは、ポートＡがループバックによって置き換えられたことを除いて、図３Ａと同じである、別のフレームマルチプレクサコンフィグレーションを図示している。このように構成する場合、全てのポートを１からＮまで同じものにする。これらのポートの一つを、図３Ａ中のポートＡのように、ネットワークに対して及びネットワークから、割り当てることができる。残りのポートはステーションに接続される。主要な相違点は、ＦＭへの入力がループバックされ全てのポートに対してブロードキャストされることである。これにより、すべてのステーションは、ネットワーク全体を通過することなく、全ての内部トラフィックを受け取ることになる。この特徴構成によって、多量のネットワーク内トラフィックが存在する場合に、ネットワークトラフィックが減少される。

図４は、図１に図示されているバストポロジーで動作するように構成された２ポートフレームマルチプレクサ４０を図示している。その目的は、一つのステーションを競合無くバスに接続することを可能にすることにある。図３Ａに対する図４の相違点は、三つのポートにある。ＦＭとトラフィック制御は、ローカルステーション、ポート１に対してのみ適用される。ポート４０１に対して接続された複数のステーションが存在するので、バス上の個々のステーションのトラフィック制御は不可能である。この理由により、ポート４０３のトラフィック優先順位は、常に、ポート４０１のトラフィックに対するものであり、管理部４１とバッファ４５とによってポート４０２に対してトラフィック制御が適用される。一つのステーション１２−１への、および該ステーションからのバッファ４４および４２は、それぞれ独立的に管理される。

以上本発明とその利点について詳細に説明したが、添付の特許請求の範囲によって定義される本発明の要旨および範囲から逸脱することなく、種々の改造、置換および改変を行うことが可能であることが理解されるであろう。更に、本発明の範囲は、本明細書中に記載された処理、機械、製品、組成物、手段、方法、工程の特定の実施例に限定されるものではない。当業者は本発明の開示から容易に理解するように、ここに記載した対応の実施例と実質的に同じ作用又は効果を達成するべく開発されるであろう、処理、機械、製品、組成物、手段、方法、工程も本発明において利用可能である。従って、ここに添付の特許請求の範囲は、そのような処理、機械、製品、組成物、手段、方法、工程をその範囲に含むことが意図されている。

本発明の一態様によるバストポロジーに使用されるフレームマルチプレクサの一実施例 前記フレームマルチプレクサのツリーネットワークトポロジーにおける使用の図 従来技術のツリーネットワーク構造の図 一方向フレームマルチプレクサの図 一方向フレームマルチプレクサの図 全二重動作式に構成されたフレームマルチプレクサの図

Claims (20)

1. 複数の装置が一つ共通の媒体を介して通信可能な多重アクセスネットワークに使用されるネットワーク構成要素であって、
   前記複数の装置の少なくとも一つからデータを受け取る受取手段であって、前記データは、前記共通の媒体を介して前記複数の装置のうちの目的地となる一つの目的地装置に伝送される受取手段と、
   前記受取手段と連動して、媒体使用中信号に応答して、前記媒体がバッファリングされたデータを伝送するために利用可能になるまで、受け取った前記データをバッファリングする手段と、を備えるネットワーク構成要素。
2. 前記目的地装置は、前記受け取ったデータに含まれるアドレス情報によって決定される請求項１のネットワーク構成要素。
3. 前記バッファリングは、前記データに含まれるいかなる情報も参照することなく行われる請求項２のネットワーク構成要素。
4. 前記媒体は、ファイバケーブル、同軸ケーブル、ツイストペアケーブルのリストから選択される請求項３のネットワーク構成要素。
5. 前記受取手段へデータを送信している装置に対して通信して、更なるデータを送信することを一時的に控えさせる手段を更に備える請求項１のネットワーク構成要素。
6. 複数の装置が共通の媒体を介して通信することが可能な多重アクセスローカルエリアネットワークにおいて一つのポイントから別のポイントにデータを送る方法であって、
   前記複数の装置のうちの少なくとも一つの装置から送られるデータをバッファリングポイントで受け取る工程であって、前記データは、前記共通の媒体を介して前記バッファリングポイントから前記装置のうちの一つの目的地装置に対して伝送される工程と、
   前記バッファリングされたデータを伝送するために前記共通の媒体が利用不能である期間中、受け取った前記データを前記バッファリングポイントにおいて格納する工程とを含む方法。
7. 前記媒体の利用不能状態は、時々、前記バッファリングポイントに通信される請求項６の方法。
8. 前記目的地装置は、前記受け取ったデータに含まれるアドレス情報によって決定される請求項６の方法。
9. 前記バッファリングは、前記データに含まれるいかなる情報も参照することなく行われる請求項８の方法。
10. 前記データを送信中の装置に対してデータを前記バッファリングポイントに対して送信することを一時的に停止するように信号を送る工程を更に含む請求項６の方法。
11. データをポイントからポイントへと伝送する媒体と、
    前記媒体に接続可能であるとともに、データが送受信される複数の装置に対しても接続可能な複数の構成要素と、
    所定時間、接続された装置からのデータを格納するように動作する、前記複数の構成要素のうちの少なくとも一部に含まれるバッファと、
    共通の前記媒体の利用不能状態を前記複数の構成要素に対して通信する少なくとも一つの制御部であって、この通信された利用不能状態によって、前記データは、前記通信された利用不能状態に応じた時間、前記構成要素内に格納される制御部と、を備えるローカルエリアネットワーク。
12. 前記制御部は、前記バッファ内に格納されたデータを解放して、この解放されたデータが、前記媒体上での競合無く、前記データに含まれるアドレス情報に応じて特定の目的地に送られることを可能にする解放手段を有する請求項１１のローカルエリアネットワーク。
13. 前記解放手段は、複数のバッファがその中にデータを格納したときに、前記媒体上での競合を回避するべく、前記バッファからのデータ解放の順序を決定するための決定手段を有する請求項１２のローカルエリアネットワーク。
14. 前記決定手段は、前記バッファの相対的占有率、前記バッファ間の予め設定された優先順位、ラウンドロビン式の順番、前記バッファが格納するべくデータを受け取った順序、からなるリストから選択される単数又は複数のパラメータに基づいて、前記バッファからのデータ解放の順序を決定する請求項１３のローカルエリアネットワーク。
15. 前記接続された装置に対して、前記バッファにデータを送信することを停止するように指令する手段を備える請求項１１のローカルエリアネットワーク。
16. 少なくとも一つの共通の媒体を有する多重アクセスネットワークにおいて一つの装置から別の装置にデータを送る方法であって、
    前記媒体が別の装置からのデータを伝送している時間、前記複数の装置のうちの選択された装置からのデータをバッファリングする工程と、
    前記媒体がその伝送のために利用可能となった時に、バッファリングされたデータを、該データに含まれるアドレスに対して伝送するべく前記媒体上に配置する配置工程と、を有する方法。
17. 前記配置工程は、内部にデータを格納した複数のバッファ間で前記媒体上での競合を回避するように、前記バッファからのデータ解放の順序を決定する決定工程を含む請求項１６の方法。
18. 前記決定工程は、前記バッファの相対的占有率、前記バッファ間の予め設定された優先順位、ラウンドロビン式の順番、前記バッファが格納するべくデータを受け取った順序、からなるリストから選択される単数又は複数のパラメータに基づいて、前記バッファからのデータ解放の順序を決定する請求項１７の方法。
19. 前記バッファリングは、前記データに含まれるいかなる情報も参照することなく行われる請求項１７の方法。
20. 前記選択された装置に対して、前記バッファにデータを送信することを一時的に停止するように指令する工程を更に含む請求項１９の方法。

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