JP2011004048A

JP2011004048A - Ｌ２冗長通信装置

Info

Publication number: JP2011004048A
Application number: JP2009144254A
Authority: JP
Inventors: Chieko Shimada; 千江子嶋田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2009-06-17
Filing date: 2009-06-17
Publication date: 2011-01-06
Anticipated expiration: 2029-06-17
Also published as: JP5328502B2

Abstract

【課題】管理されたネットワークに接続した冗長構成の予備系Ｌ２スイッチを用い、より簡易にＬ２ループ発生を検出可能にする。
【解決手段】予備系Ｌ２スイッチ１３は、通常のＥｔｈｅｒｎｅｔフレームで、既存のＧＡＲＰのフォーマットを使用し、自己のＭＡＣアドレスを送信元として生成したＬ２ループ検出制御フレーム１１１を所定の周期で運用系Ｌ２スイッチ１２を介してネットワーク１８に送信し、一方、ネットワーク１８から受信したＬ２ループ検出制御フレーム１１１の送信元アドレスが自己のＭＡＣアドレスである場合にＬ２ループ発生検出として動作する。
【選択図】図２

Description

この発明は、Ｌ２ループ発生を検出するＬ２冗長通信装置に関するものである。

ＬＡＮを構築する際、単一のＬＡＮ内のパソコン同士を中継する装置としてＬ２スイッチが用いられる。Ｌ２スイッチとは、スイッチングハブのことで、ＯＳＩ参照モデルのデータリンク層（第２層）の識別子であるＭＡＣアドレスを使って動作することから「Ｌ２スイッチ」と呼ばれている。Ｌ２スイッチは、端末から送られてきたデータを解析して宛先を検出し、検出された宛先の端末に対してしかデータを送信しない。そのため、Ｌ２スイッチを用いることでネットワーク全体の負荷が軽減し、セキュリティも向上させることができる。また、宛先を解析するために一時的にデータを蓄えるため、速度の違うネットワーク同士の接続にも使用される。しかし、Ｌ２スイッチの故障や誤配線はネットワークの停止に繋がる。そのため、Ｌ２スイッチを冗長構成にする方法が採られるようになって来た。冗長構成は、入出力間に２台のＬ２スイッチを並列に接続し、その一方を運用系（マスター）、他方を予備系（バックアップ）として設定し、運用系が故障等で使用できなくなると、その状況を検出してスイッチングハブ動作を予備系に切り替え、通信が遮断するのを防止するというものである。

ＬＡＮには中継装置（スイッチ）や端末類が多数接続されているが、スイッチやブリッジがループ状に繋がっている場合がある。上記Ｌ２スイッチの冗長構成もループ状接続の一例である。例えば冗長構成のようなループ状接続にブロードキャスト(一斉配信)信号が到来した場合について説明すると、運用系、予備系のＬ２スイッチでブロードキャスト・フレームを受信し、受信したポート以外の全てのポートにフレームを転送するフラッディングを行う。これにより、運用系と予備系のＬ２スイッチ間にはループ（Ｌ２ループ）が形成され、運用系から予備系へ、また予備系から運用系へブロードキャスト・フレームが転送され始め、転送が無限に繰り返される。その結果、同じ経路をブロードキャストが延々と巡ることになり、帯域が瞬く間にブロードキャストで埋まってしまう、所謂ブロードキャストストーム現象が起こり、通常の通信が不能になる。

上記のようなブロードキャストストーム現象が起こらないようにするためには、ループの検出を行い、ループができないようにネットワークを管理すればよいわけであるが、その方法としては、スパニング・ツリー・プロトコル（Spanning Tree Protocol；以下ＳＴＰとする）が知られている（非特許文献１参照）。ＳＴＰは、Ｌ２ループが発生しないようにループの無い木構造を作るデータリンク層のルーティング・プロトコルであり、規格IEEE802.1Dで標準化されており、スイッチがある特定のポートをブロックすることにより、冗長性を失うことなくフレームのループを回避する。また、ＳＴＰはＬ２スイッチ間でＢＰＤＵ（Bridge Protocol Data Unit；ループの検出を行い、論理的ループを切断するためのブロードキャスト・フレーム）と呼ばれる制御フレームをやり取りし、Ｌ２スイッチに与えられているＩＤやＬ２スイッチに接続されたネットワークの情報を交換する。交換した情報を元にＬ２スイッチの優先度と使用するポートを決定する。ＳＴＰは、通常一つの経路を使い、それ以外の経路は障害時の代替経路となる。さらに、最近ではＳＴＰを高速化したプロトコルであるＲＳＴＰ（Rapid spanning tree protocol）も出現している。

ところで、ネットワーク同士を接続するルーティング機能を備えたＬ３スイッチがあるが、このスイッチは、ＴＴＬ（Time To Live＝生存時間）カウンタが実装されていて、ＴＴＬの数値は、中継するルータの数（または秒数）で指定され、ＩＰパケットがインターネットの中で生存できる最大の数（または最大時間）を示していて、ルータ（Ｌ３スイッチ）を通過するたびに１ずつ減り、この値が０になると、そのＩＰパケットが破棄されるようになっている。そのため、ブロードキャストストームが起こってループが形成されても沈静化しやすいが、Ｌ２ネットワークにおいてはこの種のカウンタがなく、一旦ループが発生するとブロードキャストストームにより、他の通信が遮断される可能性が高い。

また、Ｌ２ループ発生の検出に関しては、独自に定義した監視フレームを定周期に送信し、受信した各Ｌ２スイッチがフレーム内に自身のＭＡＣアドレスが設定されているか否かのチェックを行い、設定されていない場合には自身のＭＡＣアドレスを設定して受信ポート以外へ転送し、一方、自身のＭＡＣアドレスが設定されている場合にはループ発生と判断するようにする技術が提案されている（例えば特許文献１参照）。

特開２００７−１２４１８４号公報

"スパニング・ツリー・プロトコル（ＳＴＰ）の基礎"、「検索日：20009.5.28」、インターネット（http://lantech.up.seesaa.net/subpage/stp.html）

上記従来のＬ２ループ発生の検出技術では、ネットワークを構成するＬ２スイッチ全てにＳＴＰ、ＲＳＴＰ、あるいは特許文献１のように独自監視フレームを定義したプロトコルを実装する必要があり、設計、試験などに工数がかかり、また全てのＬ２スイッチに実装して動作させるため、全Ｌ２スイッチに負荷がかかるという問題がある。また、管理されたネットワークでは基本的にはＬ２ループが発生しないよう運用されている筈だが、実際には設定間違いなどにより発生しており、Ｌ２ループ発生の可能性はゼロではない。

この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたもので、管理されたネットワークに接続した冗長構成の予備系Ｌ２スイッチを用い、より簡易にＬ２ループ発生を検出可能にする冗長通信装置を得ることを目的とする。

この発明のＬ２冗長通信装置は、管理されたネットワーク内の中継を行うスイッチングハブとして運用系と予備系のＬ２スイッチの冗長構成を備えたＬ２冗長通信装置において、予備系Ｌ２スイッチは、通常のＥｔｈｅｒｎｅｔ（登録商標。以下省略）フレームで、既存のＧＡＲＰ（Gratuitous Address Resolution Protocol）のフォーマットを使用して、自己のＭＡＣアドレスを送信元として生成したＬ２ループ検出制御フレームを所定の周期で運用系Ｌ２スイッチを介してネットワークに送信し、一方、ネットワークから受信したＬ２ループ検出制御フレームの送信元アドレスが自己のＭＡＣアドレスであった場合にＬ２ループ発生検出として動作するものである。

この発明によれば、既存のフレームを用いて既存のフォーマットで作成したＬ２ループ検出制御フレームと通常のＬ２スイッチ・チップが持ち合わせているフィルタ機能とを組み合わせてＬ２ループ検出を実現しているため、簡易な方法で構成でき、かつ実装を容易にしている。特に、Ｌ２スイッチの故障対策としてよく用いられる冗長構成の予備系Ｌ２スイッチを利用し、単体で動作させるだけでＬ２ループ発生を検出できるので、他の装置には影響を与えることがなく、負荷がかかることもない。また、ネットワーク回線として一般の広域ネットワークサービスを利用する場合、基本的にはループとならないように回線側にて管理（管理されたネットワーク）となっているはずであるが、それが設定間違いや何らかの理由でループとなってしまった場合、ネットワーク外の装置で検出できるようにしている。つまり、回線側の構成や管理方法が不明である場合でもＬ２ループ検出を可能にしている。

この発明の実施の形態１に係るＬ２冗長通信装置が適用されたネットワークシステムの大略構成を示すブロック図である。この発明の実施の形態１によるＬ２冗長通信装置の内部接続を示すブロック図である。この発明の実施の形態１に係る予備系Ｌ２スイッチに設定するフィルタ情報を示す説明図である。この発明の実施の形態１に係るループ監視フレームのフォーマット例を示す説明図である。この発明の実施の形態１に係るＬ２ループの検出方法を示す説明図である。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係るＬ２冗長通信装置が適用されたネットワークシステムの大略構成を示すブロック図である。
図１において、ネットワークシステムは、端末１、Ｌ２ネットワーク回線１８、通信装置３、Ｌ２冗長通信装置１１、端末５、回線終端装置１６，１７、管理サーバ７等で構成されている。端末１，５はパソコンであり、通信装置３は例えばルータである。Ｌ２ネットワーク回線１８は広域のＥｔｈｅｒｎｅｔサービスで、管理されているネットワークを表す。管理されているネットワークとは、例えば回線側で障害が発生した場合、回線が自身でそれを検出し、回線内で回避を実施するようにしたネットワークで、勿論、この発明が対策対象としているＬ２ループ発生が起こらないようにも管理されている。Ｌ２冗長通信装置１１は、Ｌ２スイッチの冗長構成を持ち、かつ後述するように、この発明によるＬ２ループ発生を検出する機能をも備えた装置である。Ｌ２冗長通信装置１１は、端末５とＬ２ネットワーク回線１８の間に接続されている。

図２は、この発明の実施の形態１によるＬ２冗長通信装置の内部接続を示すブロック図である。
Ｌ２冗長通信装置１１は、運用系Ｌ２スイッチ１２と予備系Ｌ２スイッチ１３の２枚の基板を搭載しており、それぞれのスイッチはインタフェース１２１，１３１を介して、管理されたネットワーク１８の運用系回線１４および予備系回線１５に接続されている。また、運用系Ｌ２スイッチ１２と予備系Ｌ２スイッチ１３は、それぞれのインタフェース１２２とインタフェース１３２でＬ２接続されている。入出力の主信号導通は運用系回線１４を介して行われ、予備系回線１５は使用されない。したがって、端末５側から予備系Ｌ２スイッチ１３のインタフェース１３３に到達したデータは、インタフェース１３２を介して運用系Ｌ２スイッチ１２へ中継され、運用系回線１４へ送出される。なお、この動作を行わせるため、当初予備系Ｌ２スイッチ１３において、インタフェース１３１と１３２は同一Ｌ２ネットワークに設定する。最初のインタフェース１３３に外部から到達したデータの中継時、ＭＡＣ情報とポートのマッピングを未学習の場合、まずインタフェース１３１と１３２の両ポートに送信する。その後、応答データの受信の際にあて先ＭＡＣ情報とポートのマッピングを学習し、次回からは外部からインタフェース１３３へ入力したデータをインタフェース１３２のポートのみに送信するようになる。

主信号導通には予備回線１５は使用されないため、Ｌ２ループ発生を危惧して、予備系Ｌ２スイッチ１３はＬ２チップのフィルタ機能を用いて、ユーザデータをブロックする設定としておく。予備系のＬ２チップに設定するフィルタ情報は図３に示されるような既存の形態のＬ２チップフィルタテーブルで管理される。予備系回線１５は、主信号導通に使用されず、また、Ｌ２ループ発生時に導通断の危険性があることから、Ｌ２ループ検出制御フレームだけを通す設定とし、それ以外の全てのユーザフレームは廃棄する設定としておく。また、この処理は上位のアプリケーションで処理する設定としておく。Ｌ２ループ検出制御フレームは、例えば図４に示すようなＡＲＰフレームフォーマットで表わした内容を持つ。ここで、「宛先ＭＡＣアドレス」は、マルチキャスト（ＢＰＤＵ）ＭＡＣアドレスとしてもよいし、またはループ検出用特定ユニキャストＭＡＣアドレスとしてもよい。また、フレームの内容は、フレーム定義および実装の容易性を考えて例えばＧＡＲＰとするが、特に決まったものとする必要はない。
なお、上記ＡＲＰ（Address Resolution Protocol）とは、ＩＰアドレスからＭＡＣアドレスを知るためのプロトコルである。ＴＣＰ／ＩＰの通信においては、ＩＰアドレスとともに通信相手のネットワークインタフェースに割り振られているＭＡＣアドレスを知る必要があるが、そのためＡＲＰにより、セグメント内の全ホストに対してブロードキャストを行ない、対応するホストからのみＭＡＣアドレスの返答を得る。また、ＧＡＲＰ（Gratuitous ARP）とは、ＡＲＰパケットの一つであり、主としてホストにＩＰアドレスがアサインされる際に、他のホストがすでに同じＩＰアドレスを持っていないかどうかを確認するために使用される。

Ｌ２ループの検出方法を図５に示す。
予備系Ｌ２スイッチ１３のインタフェース１３２より、任意の周期でＬ２ループ検出制御フレーム１１１を送出する。この場合の送出周期は、ユーザにて可変設定できるようにしておき、数秒おきの送信とし、デフォルト値としては、例えば５秒としておけばよい。Ｌ２ループ検出制御フレーム１１１は、図４に示したように、「宛先ＭＡＣ」を例えばマルチキャストとするＢＰＤＵフレームを用い、「送信元ＭＡＣ」を送出インタフェース１３２のＭＡＣアドレスとする。

Ｌ２ループ検出制御フレーム１１１は、運用系Ｌ２スイッチ１２のインタフェース１２２で受信され、インタフェース１２１から運用回線１４およびＬ２ネットワーク回線１８へ送信される。なお、運用系Ｌ２スイッチ１２は、「宛先ＭＡＣ」が現在例であるマルチキャストＭＡＣアドレスの場合、自身も受信し中継もすることになるが、一方、「宛先ＭＡＣ」が特定ユニキャストＭＡＣアドレスの場合は、通常、自身のＭＡＣアドレスでない場合には中継するが、自身では受信は行わないことになる。

Ｌ２ネットワーク回線１８へ送信されたＬ２ループ検出制御フレーム１１１は、宛先ＭＡＣがマルチキャスト（ＢＰＤＵフレーム）であるため、ネットワーク回線１８上にある全Ｌ２スイッチに到達する。各Ｌ２スイッチではマルチキャスト転送すると共にマルチキャストを受信する設定になっている場合は自身で受信し、中身のＧＡＲＰを処理する。ここで、通常のＡＲＰは転送時に宛先ＭＡＣ情報を入手するためにＡＲＰリクエストを送信し、ＡＲＰレスポンスを受信して解決する。ＧＡＲＰは、要求とは無関係に自身のＭＡＣ情報を他へマルチキャスト通知するために送信するもので、受信した装置はその情報をＡＲＰテーブルへ登録する。

Ｌ２ネットワーク回線１８内にループが発生していない場合は、Ｌ２ループ検出制御フレーム１１１はネットワーク内のＬ２スイッチで処理、終端し、予備回線１５に送出されることはない。一方、Ｌ２ネットワーク回線１８内にループが発生している場合には、Ｌ２ネットワーク回線１８から予備回線１５にＬ２ループ検出制御フレーム１１１が現われ、これを予備系Ｌ２スイッチ１３がインタフェース１３１で受信することになる。予備系Ｌ２スイッチ１３は受信したＬ２ループ検出制御フレーム１１１の送信元ＭＡＣアドレスが自身のインタフェース（この例では１３２）のアドレスであった場合に、Ｌ２ループが発生していると判断する。
なお、上記動作説明では、予備系Ｌ２スイッチ１３はＬ２ループ検出制御フレーム１１１をインタフェース１３２から送信してインタフェース１３１で受信してＬ２ループ発生を検出しているが、逆にインタフェース１３１からＬ２ループ検出制御フレーム１１１を送信してインタフェース１３２で受信することでＬ２ループ発生を検出するようにしてもよい。

以上のように、この実施の形態１によれば、予備系Ｌ２スイッチ１３が、通常のＥｔｈｅｒｎｅｔフレームで、既存のＧＡＲＰのフォーマットを使用し、自己のＭＡＣアドレスを送信元として生成したＬ２ループ検出制御フレーム１１１を所定の周期で運用系Ｌ２スイッチ１２を介してネットワーク１８に送信し、一方、ネットワーク１８から受信したＬ２ループ検出制御フレーム１１１の送信元アドレスが自己のＭＡＣアドレスであった場合にＬ２ループ発生検出として動作するようにしている。したがって、既存のフレームを用いて既存のフォーマットで作成したＬ２ループ検出制御フレーム１１１と通常のＬ２スイッチ・チップが持ち合わせているフィルタ機能とを組み合わせてＬ２ループ検出を実現しているため、簡易な方法で構成でき、かつ実装を容易にしている。特に、Ｌ２スイッチの故障対策としてよく用いられる冗長構成の予備系Ｌ２スイッチ１３を利用し、単体で動作させるだけでＬ２ループ発生を検出できるので、他の装置には影響を与えることがなく、負荷がかかることもない。

実施の形態２．
実施の形態１で述べたＬ２冗長通信装置１１の予備系Ｌ２スイッチ１３でＬ２ループの発生を検出した場合、予備系Ｌ２スイッチ１３は図１に示す管理サーバ７に対してＬ２ループ発生の警報を通知するようにする。この警報にはＬ２冗長通信装置１１を一意に決定する装置ＩＤとＬ２ループ発生を検出したインタフェース（上記例では１３１）のＩＤを含める。管理サーバ７の管理下には複数の装置あるいはネットワークがあるが、ループ検出箇所（検出したＬ２冗長通信装置１１のＩＤとそのポート）が分かることによって、ループ発生箇所（ネットワーク）が即座に特定可能となる。
このように、実施の形態２によれば、Ｌ２ループ検出通知にＬ２冗長通信装置１１のＩＤおよびＬ２ループを検出したインタフェースのＩＤを含めるため、管理サーバ７ではＬ２ループの発生箇所を即座に特定可能にする。

実施の形態３．
実施の形態１で説明したように、予備系Ｌ２スイッチ１３は、Ｌ２ループ検出制御フレーム１１１を送信し、予備回線１５より受信するＬ２ループ検出制御フレーム１１１が自己が送信したものか否かをチェックすることによってＬ２ループの発生を監視している。このとき、運用系Ｌ２スイッチ１２は、Ｌ２ループの監視に関しては関与していない。しかし、運用系Ｌ２スイッチ１２は、自身に何らかの問題が起こった場合には冗長機能により予備系Ｌ２スイッチ１３を運用系に切り替える。そして今度は、新予備系となったＬ２スイッチ（旧運用系、あるいはこれと交換した正常なＬ２スイッチ）がＬ２ループ検出制御フレーム１１１を用いて監視を行う。その場合、送信元ＭＡＣアドレスは新規予備系Ｌ２スイッチのインタフェースに設定されているＭＡＣアドレスを用いる。また、この場合、旧予備系Ｌ２スイッチに設定していた、図３に示すＬ２チップフィルタは削除して新予備系Ｌ２チップ側に設定することで、Ｌ２ループ発生の監視を行いつつ、ブロードキャストストームの対策を行う。
上記の運用とすることで、冗長切り替えが発生しても、新予備系にて同様にＬ２ループ検出の継続監視が可能となる。

１，５端末、３通信装置、７管理サーバ、１１Ｌ２冗長通信装置、１２運用系Ｌ２スイッチ、１３予備系Ｌ２スイッチ、１４運用回線、１５予備回線、１６，１７回線終端装置、１８管理されたＬ２ネットワーク回線、１１１Ｌ２ループ検出制御フレーム、１２１，１２２，１２３，１３１，１３２，１３３インタフェース（Ｉ／Ｆ）。

Claims

管理されたネットワーク内の中継を行うスイッチングハブとして運用系と予備系のＬ２スイッチの冗長構成を備えたＬ２冗長通信装置において、
前記予備系Ｌ２スイッチは、通常のＥｔｈｅｒｎｅｔフレームで、既存のＧＡＲＰ（Gratuitous Address Resolution Protocol）のフォーマットを使用し、自己のＭＡＣアドレスを送信元として生成したＬ２ループ検出制御フレームを所定の周期で運用系Ｌ２スイッチを介して前記ネットワークに送信し、一方、前記ネットワークから受信したＬ２ループ検出制御フレームの送信元アドレスが自己のＭＡＣアドレスである場合にＬ２ループ発生検出として動作することを特徴とするＬ２冗長通信装置。
Ｌ２ループ検出制御フレームは、宛先をＢＰＤＵ（Bridge Protocol Data Unit）フレームのマルチキャストＭＡＣアドレスとしたことを特徴とする請求項１記載のＬ２冗長通信装置。
Ｌ２ループ検出制御フレームは、宛先を特定ユニキャストＭＡＣアドレスとしたことを特徴とする請求項１記載のＬ２冗長通信装置。
予備系Ｌ２スイッチは、Ｌ２ループ発生を検出した場合に、自身が属するＬ２冗長通信装置の装置ＩＤとループを検出したインタフェースのＩＤを含む警報をネットワークに接続された管理サーバに通知することを特徴とする請求項１から請求項３のうちのいずれか１項記載のＬ２冗長通信装置。
冗長機能により今までの予備系Ｌ２スイッチが運用系に切り替えられた後には、新予備系となるＬ２スイッチがＬ２ループ発生検出動作を継続して行うことを特徴とする請求項１から請求項４のうちのいずれか１項記載のＬ２冗長通信装置。