JP2010171468A

JP2010171468A - スイッチングハブ

Info

Publication number: JP2010171468A
Application number: JP2009009425A
Authority: JP
Inventors: Norio Tsuchiya; 紀雄土屋
Original assignee: Meidensha Corp; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Meidensha Corp; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2009-01-20
Filing date: 2009-01-20
Publication date: 2010-08-05

Abstract

【課題】ポート間の接続形態をループ構成にした通信ネットワークにおいて、伝送経路の障害発生時からネットワーク復旧までの再構築時間を短縮できる。
【解決手段】エッジポート間の結合を制御するエッジポート用スイッチファブリック１１およびＭＡＣアドレステーブル１２と、ループポート間の結合を制御するループポート用スイッチファブリック＆ＭＡＣアドレステーブル１５とを分離した構造とする。制御部１３は、障害発生時にはループポート用のＭＡＣアドレスのみを消去制御し、障害復旧後の新たな経路状態での経路再構築に該ループポート用のＭＡＣアドレスのみについて再学習制御を行う。または、経路再構築処理時に、送信パケットをブロードキャストフレーム化することによりＭＡＣアドレスの消去および再学習を不要にする。
【選択図】図１

Description

本発明は、通信ネットワークの情報伝送経路を選択的に接続するスイッチングハブに係り、特にポート間の接続形態（トポロジ）をループ構成にした冗長化ネットワークの再構築に好適なスイッチングハブに関する。

通信ネットワークの冗長性を確保するため、様々な手法が提案されており、そのうちのいくつかは規格化されている。代表的な例が、スパニングツリー・プロトコルであり、ＩＥＥＥ８０２．１Ｄとしてアルゴリズムおよび実装が規定されている。

一般的に、ネットワークの冗長性を確保するためには、任意のノード間を複数の伝送路で接続し、そのうちの一つに障害が発生した場合でも他の情報伝送ルートに切り替えることにより伝送経路を確保する。

このルート切り替えの際、ネットワーク接続がループ状になってしまうと、パケットの輻輳を招き、伝送不能な状態に陥る。よって、冗長化のどの手法においても、全てのノード間においてループ状の接続が発生せず、かつ最適な経路接続を行うことは必須の処理条件となっている。

冗長性を持ったバックボーンネットワークを構築する場合、採用するネットワークトポロジとしてはリング状のものが最も多い。これはノード間に伝送経路をメッシュ状に張り巡らせるよりもインフラ的な投資が最も少なくて済むということが大きな理由である。

ノード間に伝送経路をリング状に張り巡らせた冗長化ネットワークにおいて、伝送経路が物理的にループ接続されていてもパケットの受信を阻止（ブロッキング）することにより、ループ接続発生を未然に防止している。そして、ループ接続状態でいずれかの伝送経路に障害が発生した場合、各々のアルゴリズムに従って冗長経路を使用したネットワークの再構築が実行される。

図３は、ループ構成ネットワークの一般的な構成を示す。全ノードＮ１〜Ｎ６にはスイッチングハブが適用されている。各ノード間は伝送路で接続されており、ループ状に接続されている。この状態のままでは、ネットワークが文字通りループ接続になり、伝送パケットの輻輳が発生する。

レープ状に接続されるのを防止するため、図中のようなブロッキングポートが論理的に指定される。このポートは論理的に閉鎖状態となっており、一般パケットは通過することができない。このブロッキングポートを定めるため、例えばスパニングツリープロトコル（ＳＴＰ）等が適用される。

図４に、伝送路に断線が発生した場合に、伝送経路を再構築する例を示す。ノードＮ４とＮ５間の伝送路に断線が発生したとき、これを検出したノードＮ４とＮ５は、特殊パケットを使用して全ノードに対して断線を通知する。全ノードは、一時的なループ発生による輻輳を防止するため、伝送を停止する。断線情報のやりとりの結果、ノードＮ３のブロッキングポートが解除される。断線状態なので、ここを解除しても輻輳は発生しない。上記の状態変化を受けた全ノードが、断線関連の情報を更新する。このとき、ＭＡＣアドレステーブルを全消去する。上記までの処理を終了した後、各ノードは伝送を再開する（例えば、特許文献１参照）。

冗長化ネットワークのノード（ブリッジ）には、スイッチングハブが使用されることが多い。このスイッチングハブは、送信元ＭＡＣアドレスとそのポートを受信したポートとを対応づける表（ＭＡＣアドレステーブル）を更新することにより、ユニキャストフレームが必要なポート間でのみ情報をやり取りすることを可能にする。その結果、不要なパケットが不要なノード間に蔓延することが防止され、ネットワーク伝送帯域の低下を防止できる。

図５に、一般的なスイッチングハブの基本構造を示す。スイッチファブリック１は、ポート間をメッシュ状に結合するクロスバースイッチであり、ＭＡＣアドレステーブル２の参照結果により制御される。ＭＡＣアドレステーブル２は、送信元ＭＡＣアドレスと、受信したポートの識別子が記録される。このテーブル２は、連想メモリ構造で、一定時間参照されないＭＡＣアドレス消去機能や一括消去機能を有する。制御部３は内部各ブロックの制御、外部インタフェース、ＰＨＹ部制御などを行う。複数構成の汎用ポートは、一部がエッジポート４として使用され、２つがループポート５として使用される。このポートの物理仕様は各規定に準ずる。

特開２００4−１２９１００号公報

冗長化されたネットワークにおいて、障害発生時にかかる再構築時間は、重要な性能として位置づけられる。再構築時間が短いほど、障害発生から復旧に至るまでの伝送停止時間が短くなるからである。

スイッチングハブは、他ノードからのパケットに含まれる送信元ＭＡＣアドレスと受信した物理的ポートを対応させ、動的な連想メモリ構造のＭＡＣアドレステーブルを更新することにより、関連ポート間の１対１伝送を可能にする。スイッチングハブは、図５に示すように、ループポートと一般ポートが同一構造であり、ネットワーク設計のポートアサインに基づいて一意的に使用するポートが指定されるだけである。

ループ状にネットワークが構成されている場合、全てのノードには２つのループポートがアサインされる。そのポートをループポートＡおよびＢと定義する。各ノードにおいて、ＭＡＣアドレスの学習過程を終了した後は、その他のノードに対して送信するループポートは一意的に決まっている。例えば、図６に示すように、ノードＮ１においてノードＮ
６に属するＰＣなどのノードに送信するポートはＡである。

断線が発生し、その後復旧した際には上記のルールが当てはまらなくなる場合がある。図６において、ノードＮ５とノードＮ４の間の伝送は断線発生前後では、伝送経路が必然的に変更されなくてはならない。スイッチングハブの場合、ＭＡＣアドレステーブルに送り先ポートのＭＡＣアドレスが学習されているため、その変更は容易ではなく、特殊処理を実行してＭＡＣアドレスを消去する必要がある。この消去時間はネットワーク再構築後の伝送復旧に大きく影響を与える。短時間で消去すれば復旧がそれだけ早くなる。一般的にＭＡＣアドレスは、一定期間参照されないとテーブルから消去される（エイジアウト処理）。この時間は通常数分に設定され、さらに伝送路再構築処理との関連性がないため、エイジアウト処理は議論対象外となる。

ＭＡＣアドレステーブルが消去された後、新たな経路状態にてＭＡＣアドレスの再学習を行う必要がある。スイッチングハブの仕様として、学習されていない（未知の）ＭＡＣアドレスを送信先に含むパケットを受信した際は、そのパケットを受信したポート以外の全ポートに送信（フラッディング）することになる。このような動作を通じてスイッチングハブはＭＡＣアドレステーブルにＭＡＣアドレスを学習していくことになるが、各ノードに固定して接続されている機器の学習内容も消去され再学習される。この動作によるフラッディングフレームに、ネットワークの帯域が一時的ではあるが占有されてしまい、ネットワーク帯域の低下につながる。

本発明の目的は、ポート間の接続形態をループ構成にした通信ネットワークにおいて、伝送経路の障害発生時からネットワーク復旧までの再構築時間を短縮できるスイッチングハブを提供することにある。

本発明は、前記の課題を解決するため、ループ構築に用いるポートを専用化することにより障害復旧後のＭＡＣアドレスの再学習をループポート用ＭＡＣアドレスのみに局所化すること、または、経路再構築処理時に、送信パケットをブロードキャストフレーム化することによりＭＡＣアドレスの消去および再学習を不要にしたもので、以下の構成を特徴とする。

（１）制御部とスイッチファブリックとＭＡＣアドレステーブルとエッジポートとループポートを備え、ポート間の接続形態をループ構成にした通信ネットワーク用のスイッチングハブであって、
エッジポート間の結合を制御するエッジポート用のスイッチファブリックおよびＭＡＣアドレステーブルと、ループポート間の結合を制御するループポート用のスイッチファブリックおよびＭＡＣアドレステーブルとを分離した構造とし、
前記制御部は、障害発生時には前記ループポート用のＭＡＣアドレスのみを消去制御し、障害復旧後の新たな経路状態での経路再構築に該ループポート用のＭＡＣアドレスのみについて再学習制御を行う手段を備えたことを特徴とする。

（２）制御部とスイッチファブリックとＭＡＣアドレステーブルとエッジポートとループポートを備え、ポート間の接続形態をループ構成にした通信ネットワーク用のスイッチングハブであって、
エッジポート間の結合を制御するエッジポート用のスイッチファブリックと、ループポート間の結合を制御するループポート用のスイッチファブリックとを分離した構造とし、
前記ループポート用のスイッチファブリックとループポート間に、パケット加工用バッファを設け、
前記制御部は、経路再構築処理時に、前記パケット加工用バッファにおいて送信パケットをブロードキャストフレーム化する手段を備えたことを特徴とする。

以上のとおり、本発明によれば、ループ構築に用いるポートを専用化することにより障害復旧後のＭＡＣアドレスの再学習をループポート用ＭＡＣアドレスのみに局所化すること、または、経路再構築処理時に、送信パケットをブロードキャストフレーム化することによりＭＡＣアドレスの消去および再学習を不要にしたため、伝送経路の障害発生時からネットワーク復旧までの再構築時間を短縮できる。

本発明の実施形態１を示すスイッチングハブの構成図。本発明の実施形態２を示すスイッチングハブの構成図。ループ構成ネットワークの一般的な構成図。伝送経路の再構築例。従来のスイッチングハブの構成図。ループポートの決定例。

＜実施形態１＞
図１は、本実施形態を示すスイッチングハブの構成図である。本実施形態では、ループポート専用のＭＡＣアドレステーブル＆スイッチファブリック、および専用のループポートを設置する。

エッジポート用スイッチファブリック１１およびＭＡＣアドレステーブル１２は、主にエッジポート間の結合制御に使用する。すなわち、エッジポート用スイッチファブリック１１は、エッジポート間をメッシュ状に結合するクロスバースイッチであり、制御部１３によるＭＡＣアドレステーブル１２の参照結果としてポート間の結合を制御する。ＭＡＣアドレステーブル１２は、送信元ＭＡＣアドレスと、受信したポートの識別子が記録される。このテーブル１２は、連想メモリ構造で、一定時間参照されないＭＡＣアドレス消去機能や一括消去機能を有する。制御部１３は内部各ブロックの制御、外部インタフェース、ＰＨＹ部制御などを行う。複数構成の汎用ポート１４は、エッジポートとして使用され、このポートの物理仕様は各規定に準ずる。

ループポート専用のＭＡＣアドレステーブル＆スイッチファブリック１５は、ループポート間の結合のみを制御する。すなわち、制御部１３の制御によって、ループポート１６を介して外部のリング状にされたネットワーク上の他ノードとのループ接続をし、この接続にループポート専用のＭＡＣアドレステーブルを参照する。また、ＭＡＣアドレステーブル＆スイッチファブリック１５は、制御部１３の制御によって、エッジポート用スイッチファブリック１１を介して汎用ポート１４とループポート１６間の接続を得る。

以上の構造としたスイッチングハブによれば、経路再構築後のＭＡＣアドレスの消去がループポート用のＭＡＣアドレスのみ（局所的）になり、エッジポート用のＭＡＣアドレステーブルのアドレスは経路再構築前後で保持される。すなわち、ネットワークに断線が発生し、その後復旧した際にはループポート用のＭＡＣアドレステーブルに書き込んだ送り先ポートのＭＡＣアドレスを消去し、新たな経路状態にてＭＡＣアドレスの再学習を行うが、このＭＡＣアドレス消去にはフレームを一時的にブロードキャストフレーム化することによりループポート用ＭＡＣアドレスの消去時間を実質的にゼロに短縮し、再学習にはループポート専用のＭＡＣアドレステーブル＆スイッチファブリック１５のＭＡＣアドレスのみで実行し、エッジポート用のＭＡＣアドレステーブル１２にはその消去と再学習を不要にする。

＜実施形態２＞
図２は、本実施形態を示すスイッチングハブの基本構造を示す。本実施形態では、ループポート専用のスイッチファブリック１７を設置し、さらに、スイッチファブリック１７とループポート１６間にパケット加工用バッファ１８を設置する。

制御部１３は、経路再構築処理時に、バッファ１８を使用して以下のパケット加工処理を行う。

（１）送信パケットをブロードキャストフレーム化する。送信先ＭＡＣアドレスを、データ部の空き部分にコピーし、ＦＣＳ（{ HYPERLINK "http://www.sophia-it.com/content/Frame+Check+Sequence" \o "Frame Check Sequence" ,ＦｒａｍｅＣｈｅｃｋＳｅｑｕｅｎｃｅ}）を再計算し、ループポート経由で送信する。

（２）受信パケットのデータ部の該当部分をＭＡＣアドレスと見なし、送信先ＭＡＣアドレスフィールドにコピーし、ＦＣＳを再計算し、スイッチファブリックに対して送り出す。

以上の構造としたスイッチングハブによれば、ループにおける伝送フレームは全てブロードキャストとなるため、経路再構築処理においてＭＡＣアドレステーブルの消去処理が不要になる。また、ＭＡＣアドレスは経路再構築前後で保持され、再学習が不要になる。

なお、本実施形態では、ループを構成する全てのノードがこの方式を実装している必要がある。

１１エッジポート用スイッチファブリック
１２エッジポート用ＭＡＣアドレステーブル
１３制御部
１４汎用ポート
１５ＭＡＣアドレステーブル＆スイッチファブリック
１６ループポート
１７ループポート用スイッチファブリック
１８パケット加工用バッファ

Claims

制御部とスイッチファブリックとＭＡＣアドレステーブルとエッジポートとループポートを備え、ポート間の接続形態をループ構成にした通信ネットワーク用のスイッチングハブであって、
エッジポート間の結合を制御するエッジポート用のスイッチファブリックおよびＭＡＣアドレステーブルと、ループポート間の結合を制御するループポート用のスイッチファブリックおよびＭＡＣアドレステーブルとを分離した構造とし、
前記制御部は、障害発生時には前記ループポート用のＭＡＣアドレスのみを消去制御し、障害復旧後の新たな経路状態での経路再構築に該ループポート用のＭＡＣアドレスのみについて再学習制御を行う手段を備えたことを特徴とするスイッチングハブ。
制御部とスイッチファブリックとＭＡＣアドレステーブルとエッジポートとループポートを備え、ポート間の接続形態をループ構成にした通信ネットワーク用のスイッチングハブであって、
エッジポート間の結合を制御するエッジポート用のスイッチファブリックと、ループポート間の結合を制御するループポート用のスイッチファブリックとを分離した構造とし、
前記ループポート用のスイッチファブリックとループポート間に、パケット加工用バッファを設け、
前記制御部は、経路再構築処理時に、前記パケット加工用バッファにおいて送信パケットをブロードキャストフレーム化する手段を備えたことを特徴とするスイッチングハブ。