JP2010148031A - Ｌａｎ中継装置 - Google Patents

Abstract

【課題】中継遅延を低減し、不正フレームの中継頻度を低減するができる、ＬＡＮ中継装置を得ること。
【解決手段】ＬＡＮ中継装置であって、フレームバッファ３５と、受信フレームの所定の範囲に基づいてエラー確認値を求め、送信側が生成して受信フレームに格納したエラー確認のためのエラー検出情報と求めたエラー確認値とが一致しない場合にその受信フレームを不正フレームと判断するチェックサム確認部３４と、受信フレームをそのフレームの先頭からバッファリングし、判断結果が通知された場合にバッファリングを終了し、不正フレームと判断された場合にその受信フレームを廃棄するバッファ制御部３６と、を備える。
【選択図】 図２

Description

本発明は、イーサネット（登録商標）フレームの交換および中継（スイッチング）を行なうＬＡＮ中継装置に関する。

従来のイーサネット（登録商標）スイッチは、フレーム（イーサネット（登録商標）フレーム）の先頭６バイトの宛先アドレスを確認し次第、目的のポートに送出することによって装置内の中継遅延の低減を行う、カットスルー中継を行なっている（たとえば、下記非特許文献１文献参照）。

また、フレーム全てをバッファリングし、フレーム最終に付与されているＦＣＳ（フレームチェックシーケンス）をチェックして、フレームが正常であることを確認してから目的のポートに送出する方法である、ストアアンドフォワード方式と呼ばれる方式も多く採用されている。

カットスルー中継を行う方式（カットスルー方式）では、エラーフレームも他のポートに中継してしまうという問題点がある。ストアアンドフォワード方式では、エラーフレームを中継することはないものの、カットスルー方式に比べて装置内の中継遅延が大きいという問題点がある。ただし、このような中継遅延があったとしても、一般的にネットワークを利用する上では大きな問題とはならないため、多くのスイッチではストアアンドフォワード方式が利用されている。

上記の両方式の問題を回避する方法の１つとして、フラグメントフリー方式が提案されている（たとえば、非特許文献２参照）。フラグメントフリー方式は、フレームの先頭６４バイトまでバッファリングし、フレームが短すぎないことを確認して、正常であれば目的のポートに送出する。なお、イーサネット（登録商標）では、６４バイト未満のフレームは不正フレームである。

リッチ・サイファイト著「ＬＡＮスイッチング徹底解説」日経ＢＰ社，2001年8月6日，P.145〜150 アライドテレシス社著「ネットワーク機器講座｜スイッチ編」アライドテレシス社，http://www.allied-telesis.co.jp/library/nw＿guide/device/switch.html，２００８年１１月２３日

しかしながら、上記非特許文献１のフラグメントフリー方式では、フレームの先頭６４バイトまでバッファリングし、フレームの長さを確認することにより、不正フレームを検出している。そのため、不正フレームのうち６４バイト未満の不正フレームしか検出できない、という問題があった。特に工場などノイズが多い場所に設置されたネットワークでは、一般的なネットワークよりビットエラーの発生頻度が高くなる可能性があり、そのような場合に、検出できない不正フレームが多くなる。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、中継遅延を低減し、かつ、不正フレームの中継頻度を低減することができる、ＬＡＮ中継装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、レイヤ２フレームの中継を行うＬＡＮ中継装置であって、受信フレームをバッファリングするためのバッファと、前記受信フレームのうちの所定の範囲のデータである確認用データに基づいてエラー確認のためのエラー確認値を求め、送信側が生成して前記受信フレームに格納したエラー確認のための情報であるエラー検出情報と前記エラー確認値とを比較し、比較結果が一致しない場合にその受信フレームを不正フレームと判断するエラー確認手段と、前記受信フレームをそのフレームの先頭から前記バッファへバッファリングし、前記判断結果が通知された場合に前記バッファへのバッファリングを終了し、不正フレームと判断された場合にはその受信フレームを廃棄するバッファ制御手段と、を備えることを特徴とする。

この発明によれば、レイヤ２の中継をする場合に、レイヤ３であるＩＰヘッダのチェックサムを算出できるまでフレームをバッファリングし、チェックサム算出後にバッファリングを終了してスイッチング部へ転送するようにしたので、中継遅延を低減し、かつ、不正フレームの中継頻度を低減するができる、という効果を奏する。

以下に、本発明にかかるＬＡＮ中継装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明にかかるＬＡＮ中継装置の実施の形態１の機能構成例を示す図である。本実施の形態のＬＡＮ中継装置１は、カットスルー中継を行うイーサネット（登録商標）スイッチであり、ＬＡＮ（Local Area Network）２−１〜２−Ｎ（Ｎは自然数；２−１〜２−３のみを図示）に接続されている。また、ＬＡＮ中継装置１は、図１に示すように、自装置情報管理部１０，自装置フレーム処理部１１，スイッチング部１２，ＬＡＮ入出力処理部２０−１〜２０−Ｎ（２０−１〜２０−３のみを図示）で構成される。また、ＬＡＮ入出力処理部２０−１は、入力処理部２１と出力処理部２２で構成される。ＬＡＮ入出力処理部２０−２〜２０−ＮもＬＡＮ入出力処理部２０−１と同様の構成である。

ＬＡＮ入出力処理部２０−１〜２０−Ｎは、異なる入出力ポートにそれぞれ対応しておりＬＡＮ入出力処理部２０−ｉ（ｉ＝１〜Ｎ）の入力処理部２１は、ＬＡＮ２−ｉから入力されるフレームに対して所定の処理を行った後にスイッチング部１２に転送し、また、ＬＡＮ入出力処理部２０−ｉの出力処理部２２は、スイッチング部１２から転送されたフレームをＬＡＮ２−ｉに出力するなどの処理を行なう。自装置情報管理部１０は、ＬＡＮ中継装置１の設定情報やフレーム情報の更新など自装置に関する情報である装置内情報を管理する。また、自装置フレーム処理部１１は、送信するフレームに対して所定の送信処理を行い、また、受信したフレームに対して所定の受信処理を行う。スイッチング部１２は、ＬＡＮ入出力処理部２０−ｉから入力したフレームを、別のＬＡＮ入出力処理部２０−ｊ（ｊ＝１〜Ｎ；ｉ≠ｊ）へ転送する。

図２は、ＬＡＮ入出力処理部２０−１〜２０−Ｎの入力処理部２１の構成例を示す図である。入力処理部２１は、フレーム解析部３１，出力インタフェース判定部３２，アドレス学習部３３，チェックサム確認部３４，フレームバッファ３５，バッファ制御部３６で構成される。また、入力処理部２１は、フレーム中継情報３７を保持している。フレーム中継情報３７は、イーサネット（登録商標）レベルでブリッンジングやスイッチングなどのフレーム中継を行なう装置が、一般的に使用しているフレーム中継情報であるフィルタリングデータベースと呼ばれるものと同様である。

フレーム解析部３１は、フレームの受信を認識してバッファ制御部３６にフレームのバッファリングやスイッチング部１２への転送を指示し、また、受信フレームを解析してイーサネット（登録商標）ヘッダやＩＰヘッダの位置を特定し他の処理部に通知するなどの処理を行なう。出力インタフェース判定部３２は、フレーム解析部３１からの指示に従って受信フレームの宛先アドレスを取り出し、フレーム中継情報３７を参照し、フレーム中継情報３７に基づいて出力先のＬＡＮ入出力処理部２０−１〜２０−Ｎを決定する。なお、フレーム中継情報３７を参照して出力先を決定する処理は、スイッチングを行う一般的な装置で実施されている処理と同様とする。

アドレス学習部３３は、フレーム解析部３１からの指示に従って受信フレームの送信元アドレスを取り出し、取り出したアドレスをその受信フレームが入力されたＬＡＮ入出力処理部２０−１〜２０−Ｎと対応づけてフレーム中継情報３７として登録する。

チェックサム確認部３４は、フレーム解析部３１からの指示に従って受信フレームのＩＰヘッダ情報からヘッダチェックサム値を算出し、ＩＰヘッダ情報内に格納されているヘッダチェックサム値と比較し、比較結果をフレーム解析部３１に通知する。

フレームバッファ３５は、バッファ制御部３６の指示に従って受信フレームのバッファリングを行なう。バッファ制御部３６は、フレーム解析部３１の指示に従って受信フレームのバッファリングをフレームバッファ３５に指示したり、フレーム解析部３１の指示に従ってバッファリングしていたフレームをスイッチング部１２に転送するようにフレームバッファ３５に指示したり、またはバッファリングしていたフレームを廃棄するようフレームバッファ３５に指示したりの動作を行う。また、バッファ制御部３６は、フレーム解析部３１からの通知によりフレーム最終を判断し、受信フレームのフレームバッファ３５への書き込み終了を指示する。

図３は、イーサネット（登録商標）のフレームフォーマット示す図である。図３に示すように、イーサネット（登録商標）ヘッダとＩＰパケットとＦＣＳで構成され、イーサネット（登録商標）ヘッダは、宛先アドレス，送信元アドレス，Type／Lengthを含む。また、ＩＰパケットはＩＰヘッダとＩＰデータで構成される。図４は、ＩＰ（Internet Protocol）バージョン４のヘッダフォーマットを示す図である。また、図５は、ＩＰバージョン６のヘッダフォーマットを示す図である。

つづいて、本実施の形態の動作について説明する。ここでは、受信フレームにはＩＰハージョン４のＩＰパケットが含まれていることとし、ＩＰヘッダは図４に示すようなＩＰバージョン４のヘッダを指すこととする。まず、本実施の形態のＬＡＮ中継装置１のＬＡＮ入出力部２０の入力処理部２１では、ＬＡＮ２からフレーム（イーサネット（登録商標）フレーム）を受け取ると、フレーム解析部３１がバッファ制御部３６にフレームバッファ３５へのバッファリングを指示する。バッファ制御部３６は指示に従って、フレームバッファ３５に受信したフレーム（受信フレーム）のバッファリングを指示する。受信フレームは、フレームバッファ３５に送られるとともに、出力インタフェース判定部３２，アドレス学習部３３，チェックサム確認部３４にもそれぞれ転送される。

フレーム解析部３１は受信フレームを解析し、宛先アドレスの先頭を認識すると、出力インタフェース判定部３２に通知し、出力インタフェースの検索を促す。出力インタフェース判定部３２は、通知に基づいてフレーム中継情報３７からそのフレームの宛先アドレスに対応する出力インタフェース（装置内の出力インタフェース）を検索し、検索結果を出力インタフェース情報として取得し、フレーム解析部３１に通知する。

さらに、フレーム解析部３１は受信フレームの解析を続け、送信元アドレスの先頭を認識すると、アドレス学習部３３に通知し、送信元アドレスと入力インタフェース情報などのフレーム中継情報登録を促す。アドレス学習部３３は、通知に基づいて送信元アドレスとそのフレームが入力された入力インタフェース（装置内の入力インタフェース）を取得し、取得したアドレスと入力インタフェースを対応づけてフレーム中継情報３７に登録する。

さらにフレーム解析部３１は、受信フレームの解析を続け、ＩＰヘッダの先頭を認識すると、チェックサム確認部３４に通知する。チェックサム確認部３４は、通知に基づいてＩＰヘッダ情報を順に取得してチェックサムを算出し、ＩＰヘッダが終了するとチェックサムの算出処理を終了し、算出した結果が、ＩＰヘッダ内のヘッダチェックサム値と合致するかを確認し、チェックサム値の正否（合致したが否か）をフレーム解析部３１に通知する。

フレーム解析部３１は、チェックサム確認部３４から通知されたチェックサム値の正否が正であった場合、バッファ制御部３６に対して、バッファリング終了を指示し、また、受信フレームを出力インタフェース判定部３２が取得した出力インタフェース情報とともにフレームスイッチング部１２へ出力するよう指示する。バッファ制御部３６は、指示に基づいてフレームバッファ３５へのバッファリングを終了し、受信フレームが終了するまで順次フレームを読み出し、出力インタフェース情報とともにスイッチング部１２に転送する。

フレーム解析部２１は、チェックサム確認部３４から通知されたチェックサム値の正否が否の場合（チェックサム結果が誤っている場合、すなわち不正フレームであると判断した場合）、バッファ制御部３６にバッファリング終了を指示して受信フレームを廃棄するよう指示する。指示を受けたバッファ制御部３６はバッファリングを終了し、受信フレームが終了するまで順次フレームを読み出し、廃棄する。

また、フレーム解析部３１は、受信フレームの最終を認識すると、その旨をバッファ制御部３６に通知する。バッファ制御部３６は、フレーム解析部３１からフレーム最終を通知されると、フレームのバッファリングを開始してからフレームを出力し始めるまでの時間の差を求め、その時間差の分だけフレーム読み出しを継続し、受信フレームの転送または廃棄が終了後、読み出しを終了する。または、バッファ制御部３６のフレーム最終の認識を単純化させるため、フレーム解析部３１がフレームバッファ３５を通過するフレーム最終データと並列に、フレーム最終を示すビットなどを付加し、バッファ制御部３６が付加されたビットを参照してフレーム終了を認識するようにしてもよい。

なお、受信フレームがＩＰパケットを格納したものでない場合や図５で示すようなＩＰバージョン６パケットの場合には、フレーム解析部３１は出力インタフェース判定部３２が出力インタフェースを取得した際に、バッファ制御部３６にフレーム読み出しの指示を行ない、チェックサム確認部３４に対するＩＰヘッダ先頭の通知は行なわない。この動作は、従来のカットスルー中継と同様の動作である。

また、受信フレームがＩＰパケットを格納したものでない場合（ＩＰバージョン６パケットの場合も含む）にフラグメントフリー方式のカットスルー中継を行なうようにしてもよい。この場合、フレーム解析部３１は、受信フレームがＩＰパケットを格納したものでない場合、６４バイト分の受信フレームの入力を確認した場合、バッファ制御部３６にフレームバッファ３５からの読み出しの指示を行なう。そして、従来のフラグメントフリー方式のカットスルー中継と同様に、フレーム解析部３１が、読み出した６４バイト分のデータを確認し、そのフレームが６４バイト未満であれば不正フレームと判断して、バッファ制御部３５にそのフレームの廃棄を指示する。

以上のように、本実施の形態では、イーサネット（登録商標）レベル、すなわちレイヤ２の中継装置でありながら、レイヤ３であるＩＰヘッダのチェックサムを算出できるまでフレームをバッファリングし、チェックサム算出後にバッファリングを終了してスイッチング部１２へ転送するようにした。そのため、従来のフラグメントフリー方式より少ない装置内中継遅延でフレームを出力することが可能となる。また、ＩＰヘッダについてのビット誤りの有無を確認できるため、他のカットスルー中継方式より不正フレームを中継する確率を下げることができる。

実施の形態２．
図６は、本発明にかかる実施の形態２のＬＡＮ中継装置が用いるフレームの構成例を示す図である。実施の形態１では、ＩＰバージョン４のパケットを格納したイーサネット（登録商標）フレームの中継遅延を抑えるようにしたものであるが、本実施の形態では、独自にフォーマットを定義した独自フレームを用いる場合に対応する。図６に示すように、本実施の形態の独自フレームでは、イーサネット（登録商標）ヘッダは図３に示した通常のヘッダと同様であるが、その後に独自ヘッダを備える。独自ヘッダのうち、１５バイト目〜３０バイト目は、独自に用いる所定のヘッダとし、最後の２バイト（３１バイト目と３２バイト目）は、フレームの先頭から３０バイト目までのデータのチェックサム値（以下、独自チェックサム値という）が格納される。

図７は、本実施の形態の入力処理部２１ａの構成例を示す図である。本実施の形態のＬＡＮ中継装置は、実施の形態１の入力処理部２１を入力処理部２１ａに替える以外は、実施の形態１のＬＡＮ中継装置と同様である。図７に示すように、本実施の形態の入力処理部２１ａは、実施の形態１の入力処理部２１のフレーム解析部３１，チェックサム確認部２３を、それぞれフレーム解析部３１ａ，フレームエラー確認部４１に替える以外は実施の形態１の入力処理部２１ａと同様である。

フレーム解析部３１ａは、実施の形態１で説明したフレーム解析部３１に独自フレームフォーマットを解釈する機能と、独自フレームフォーマットの開始を他の処理部に通知する機能を追加したものである。受信フレームが独自フレームであることは、イーサネット（登録商標）ヘッダのType/Lengthフィールドを用いて通知することとする。フレームエラー確認部４１は、受信フレームの先頭から３０バイト目までのチェックサムを算出し、算出した結果と独自フレームに格納された独自チェックサム値とを比較し、一致するか否かの結果をフレーム解析部３１ａに通知する。

つづいて、本実施の形態の動作について説明する。フレーム解析部３１ａは、フレームを受信すると、実施の形態１と同様に、バッファ制御部３６に受信フレームのバッファリングの指示、出力インタフェース判定部３２への宛先アドレス位置の通知、アドレス学習部３３への送信元アドレス位置の通知を行なう。本実施の形態では、フレーム解析部３１ａは、さらに、フレームエラー確認部４１に、フレームの先頭位置の通知を行なう。

イーサネット（登録商標）フレームの先頭位置を通知されたフレームエラー確認部４１は、フレームの先頭から３０バイト目までのチェックサムを算出し、算出した値とそのフレームの３１バイト目に格納されている２バイトの独自チェックサム値とを比較し、その比較結果を正否判定結果としてフレーム解析部３１ａに通知する。これ以外の動作は、実施の形態１と同様である。

なお、ここでは、不正フレームを判定するための情報として独自フレームにチェックサム値がフレームに格納されている場合について説明したが、これに限らず、独自フレームに、エラーを検出するための情報、たとえばＣＲＣ情報など他のエラー検出情報を格納する場合でも同様である。この場合、フレームエラー確認部４１は、そのエラー検出情報に対応した処理を実施し、エラー検出情報と比較するようにすればよい。

なお、ここでは、チェックサム確認部３４の替わりにフレームエラー確認部４１を備え、独自フレームに対応するようにしたが、チェックサム確認部３４とフレームエラー確認部４１の両方を備え、フレーム解析部３１が、フレームの種類に応じて実施の形態１の動作と実施の形態２の動作を切替えるようにしてもよい。また、チェックサム確認部３４も、フレームエラー確認を行う手段の一部であるため、フレームエラー確認部４１とチェックサム確認部３４の機能を統合して、１つのフレームエラー確認手段としてもよい。また、その場合に、さらに、独自フレームでもなくＩＰバージョン４パケットでもないパケットについて、実施の形態１で述べたようにフラグメントフリー方式を実施するようにしてもよい。

以上のように、本実施の形態では、イーサネット（登録商標）をもとにした独自のフレームを定義して使用する場合に、そのフォーマットに独自チェックサム値を含めるようにし、受信フレームのチェックサムを算出した値と独自チェックサムとを比較し、フレームの正否を判定するようにした。そのため、このような独自フレームを用いる場合にも、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

以上のように、本発明にかかるＬＡＮ中継装置は、イーサネット（登録商標）フレームの交換・中継（スイッチング）を行なうＬＡＮ中継装置に有用であり、特に、ビットエラーの多い通信システムにおけるＬＡＮ中継装置に適している。

本発明にかかるＬＡＮ中継装置の実施の形態１の機能構成例を示す図である。 ＬＡＮ入出力処理部の入力処理部の構成例を示す図である。 ＬＡＮ入出力処理部の入力処理部の構成例を示す図である。 ＩＰバージョン４のヘッダフォーマットを示す図である。 ＩＰバージョン６のヘッダフォーマットを示す図である。 実施の形態２のＬＡＮ中継装置が用いるフレームの構成例を示す図である。 実施の形態２の入力処理部の構成例を示す図である。

符号の説明

１ ＬＡＮ中継装置
２ ＬＡＮ
１０ 自装置情報管理部
１１ 自装置フレーム処理部
１２ スイッチング部
２０−１〜２０−Ｎ ＬＡＮ入出力処理部
２１，２１ａ 入力処理部
２２ 出力処理部
３１，３１ａ フレーム解析部
３２ 出力インタフェース判定部
３３ アドレス学習部
３４ チェックサム確認部
３５ フレームバッファ
３６ バッファ制御部
３７ フレーム中継情報
４１ フレームエラー確認部

Claims (8)

1. レイヤ２フレームの中継を行うＬＡＮ中継装置であって、
   受信フレームをバッファリングするためのバッファと、
   前記受信フレームのうちの所定の範囲のデータである確認用データに基づいてエラー確認のためのエラー確認値を求め、送信側が生成して前記受信フレームに格納したエラー確認のための情報であるエラー検出情報と前記エラー確認値とを比較し、比較結果が一致しない場合にその受信フレームを不正フレームと判断するエラー確認手段と、
   前記受信フレームをそのフレームの先頭から前記バッファへバッファリングし、前記判断結果が通知された場合に前記バッファへのバッファリングを終了し、不正フレームと判断された場合にはその受信フレームを廃棄するバッファ制御手段と、
   を備えることを特徴とするＬＡＮ中継装置。
2. 前記受信フレームがＩＰバージョン４パケットを含むフレームの場合、前記確認用データをＩＰバージョン４パケットのヘッダ情報とし、前記エラー検出情報をＩＰバージョン４パケットのヘッダとして格納されているチェックサム値とすることを特徴とする請求項１に記載のＬＡＮ中継装置。
3. 前記受信フレームがＩＰバージョン４パケットを含むフレームであるか否かを判断するフレーム解析手段、
   をさらに備え、
   前記フレーム解析手段がＩＰバージョン４パケットを含むフレームであると判断した場合に、そのフレームに対して、前記エラー確認手段の処理および前記バッファ制御手段の処理を実施することを特徴とする請求項２に記載のＬＡＮ中継装置。
4. 前記受信フレームが、その受信フレームの所定のデータ範囲に基づいて求めた独自エラー検出情報を含む独自フレームの場合、前記確認用データ部分を前記データ範囲とし、前記エラー検出情報を独自エラー検出情報とすることを特徴とする請求項１に記載のＬＡＮ中継装置。
5. 前記受信フレームが独自フレームであるか否かを判断するフレーム解析手段、
   をさらに備え、
   前記フレーム解析手段が独自フレームであると判断した場合に、そのフレームに対して、前記エラー確認手段の処理および前記バッファ制御手段の処理を実施することを特徴とする請求項４に記載のＬＡＮ中継装置。
6. 前記フレーム解析手段は、さらに、前記受信フレームが、その受信フレームの所定のデータ範囲に基づいて求めた独自エラー検出情報を含む独自フレームであるか否かを判断し、独自フレームと判断した場合に、そのフレームに対して、前記エラー確認手段の処理および前記バッファ制御手段の処理を実施することを特徴とする請求項３に記載のＬＡＮ中継装置。
7. 前記フレーム解析手段は、前記受信フレームがＩＰバージョン４パケットでないと判断した場合に、その受信フレームを先頭から所定のビット数分バッファリングを行うよう前記バッファ制御手段に指示し、
   前記バッファ制御手段は、前記バッファに前記指示に基づいてバッファリングを行い、
   前記フレーム解析手段は、前記バッファにバッファリングされた受信フレームのフレーム長が所定のしきい値未満である場合に、その受信を不正フレームの受信と判断して前記フレーム制御手段にその旨を通知し、
   前記バッファ制御手段は、前記通知を受信すると、その受信フレームを破棄することを特徴とする請求項３または６に記載のＬＡＮ中継装置。
8. 前記フレーム解析手段は、前記受信フレームが独自フレームでないと判断した場合に、その受信フレームを先頭から所定のビット数分バッファリングを行うよう前記バッファ制御手段に指示し、
   前記バッファ制御手段は、前記バッファに前記指示に基づいてバッファリングを行い、
   前記フレーム解析手段は、前記バッファにバッファリングされた受信フレームのフレーム長が所定のしきい値未満である場合に、その受信を不正フレームの受信と判断して前記フレーム制御手段にその旨を通知し、
   前記バッファ制御手段は、前記通知を受信すると、その受信フレームを破棄することを特徴とする請求項５に記載のＬＡＮ中継装置。

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