JP2011171826A

JP2011171826A - パケット転送装置およびパケット転送方法

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Publication number: JP2011171826A
Application number: JP2010031388A
Authority: JP
Inventors: Hidenori Iwashita; 秀徳岩下; Yoshiki Matsusue; 佳樹松末
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2010-02-16
Filing date: 2010-02-16
Publication date: 2011-09-01
Anticipated expiration: 2030-02-16
Also published as: JP5456507B2

Abstract

【課題】複数のEthernet（登録商標）フレームをバインド化し、さらにバインド化条件を規定して帯域増加を抑えて収容率を向上させることができるパケット転送装置およびパケット転送方法を提供する。
【解決手段】パケット転送網でパスを構築して転送処理を行うパケット転送装置において、同じヘッダ情報をもつＮ個（Ｎは２以上の整数）のフレームをバインド化し、バインド化したＮ個のフレームをデバイドするためのフレーム１〜（Ｎ−１）のサイズを示すレングス長を格納するフィールドを備えて転送する処理手段を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、パケット転送網において、同じラベルをもつ複数のパケット（フレーム）を１つにまとめて転送するパケット転送装置およびパケット転送方法に関する。

ＭＰＬＳ(Multiprotocol Label Switching) −ＴＰ等のパケット転送網内で、パスと呼ばれる特定の通信経路を構築し転送を行う方式がある。これらの方式は、ＵＮＩ信号に対してラベルと呼ばれる短い固定長の識別標識を付与してパスを識別する。このラベルをもとに転送を行うことにより、転送処理と経路計算処理の分離が可能となり、処理の高速化が実現できる。図１は、ＭＰＬＳ−ＴＰにEthernet（登録商標）信号を収容するフレーム構成例を示す。図１(1) はＵＮＩEthernet信号、図１(2) はＮＮＩ信号を示す。ＮＮＩ信号のＭＡＣヘッダには、ＮＮＩ−ＤＡ，ＮＮＩ−ＳＡ，Type（合計14byte）が含まれる。ＮＮＩ信号のＭＰＬＳ−ＴＰヘッダには、ラベルスタック＝２の場合で、Shim1 ，Shim2 ，ＣＷ（合計12byte）が含まれる。

このようなラベルを元に転送経路を決める方式では、ＵＮＩ信号に対してラベル分の帯域が増加することになる。また、ラベルスタック数が多くなるにつれて帯域が増加する。

クライアントEthernet信号のフレームサイズＦに対する帯域増加率Ｒ(Ｆ)は、EthernetのオーバヘッドをＰ_OH（byte）、EthernetのＰＣＳ（Physical Coding Sublayer）で付与される信号をＰＣＳ（byte）としたときに、
Ｒ(Ｆ)＝（Ｆ＋Ｐ_OH＋ＰＣＳ)／(Ｆ＋ＰＣＳ）
で表される。ここで、Ｐ_OHは、ＭＡＣヘッダ（14byte）とＭＰＬＳ−ＴＰヘッダ（ａbyte）とＦＣＳ（４byte）を合せた（ａ＋18）byteである。ＰＣＳは、ＰＡ＋ＳＦＧ（８byte）とＩＦＧ（12byte）を合せた20byteである。したがって、帯域増加率Ｒ(Ｆ)は、
Ｒ(Ｆ)＝（Ｆ＋ａ＋18＋20)／(Ｆ＋20）
で表され、ラベルスタック＝２（ａ＝12byte）の場合は、
Ｒ(Ｆ)＝（Ｆ＋50)／(Ｆ＋20）
となる。これをグラフにしたのが図２である。フレームサイズＦが小さくなるに従って帯域増加率が大きくなり、最小フレーム64byteのときに帯域増加率が最大値1.36になる。

これは、特にＵＮＩ信号の帯域を確実に保証した場合、収容数が圧迫されることを示す。例えば、ＵＮＩ信号がＧｂＥ(Giga Bit Ethernet) で、ＮＮＩが10ＧｂＥの場合、Ethernetのショートフレーム(64byte)を確実に転送しようとすると、10ＧｂＥ中にＧｂＥを収容したパスを７本しか設定できないことになる。

ところで、従来から収容率を向上させる転送方式として、複数のクライアントフレームを１つにまとめて転送するフレームバインド方式がある。

(1) ＤＳ１ over ＡＴＭ（非特許文献１）
動画コーデックが生成するＤＳ１ディジタルビットストリームをＡＴＭでエミュレートする場合、ＤＳ１フレームは１秒間に 8,000回繰り返す 193ビットのフレーム構造を持っている。193 ビットのフレームを47オクテット(376ビット) のＳＡＲ−ＰＤＵに詰め込む。

(2) ＡＴＭ over ＭＰＬＳ（非特許文献２）
ＩＥＴＦ４７１７では、ＡＴＭセルをＭＰＬＳパケットにカプセリングする方式を規定している。本方式では、１パケットに１セルをカプセリングするOne-to-One Cell Modeと、１パケットに複数のセルをカプセリングするN-to-One Cell Modeが規定されている。

David E.McDysan & Darren L.Spohn著、"ＡＴＭネットワーク"、科学技術出版、pp.258-259 ＩＥＴＦ４７１７

従来のフレームバインド方式では、カプセリング化する信号は固定長のフレーム／セルである。そのため、この方式でEthernetのような複数の可変長フレームをカプセリング化した場合、受信側で復元する際に分割位置を把握することができないため、Ethernet信号に復元することができなかった。

本発明は、複数のEthernetフレームをバインド化し、さらにバインド化条件を規定して帯域増加を抑えて収容率を向上させることができるパケット転送装置およびパケット転送方法を提供することを目的とする。

第１の発明は、パケット転送網でパスを構築して転送処理を行うパケット転送装置において、同じヘッダ情報をもつＮ個（Ｎは２以上の整数）のフレームをバインド化し、バインド化したＮ個のフレームをデバイドするためのフレーム１〜（Ｎ−１）のサイズを示すレングス長を格納するフィールドを備えて転送する処理手段を備える。

処理手段は、Ｎ＝２とし、第１のフレームのサイズをＦ１、第２のフレームのサイズをＦ２とし、バインドしなかった場合、収容率がｂ％を下回る合計フレームサイズの閾値条件として、ラベルスタック数に応じたＭＰＬＳ−ＴＰヘッダとレングス値フィールドを合せてａ₂byteとしたときに、
Ｆ１＋Ｆ２＜（ｂ(２ａ₂＋76)−40)／(１−ｂ）
であるときにバインド化を行う構成である。

また、処理手段は、Ｎ＝２とし、最初に入力するフレームのサイズをＦ、次に入力するフレームとの間のＩＦＧサイズをＩとし、収容率ｂ％以上となるＩＦＧサイズＩの閾値条件として、ラベルスタック数に応じたＭＰＬＳ−ＴＰヘッダとレングス値フィールドを合せてａ₂byteとしたときに、
Ｉ≧−(ｂ−１)Ｆ＋ｂ(２ａ₂＋140)−92
であるときに、次のフレームを待たずに送信する構成である。

第１の発明において、パケット転送網はＭＰＬＳ−ＴＰ網であり、ヘッダ情報はＭＡＣヘッダおよびＭＰＬＳ−ＴＰヘッダを含む。

第２の発明は、パケット転送網でパスを構築して転送処理を行うパケット転送方法において、同じヘッダ情報をもつＮ個（Ｎは２以上の整数）のフレームをバインド化し、バインド化したＮ個のフレームをデバイドするためのフレーム１〜（Ｎ−１）のサイズを示すレングス長を格納するフィールドを備えて転送する処理を行う。

Ｎ＝２とし、第１のフレームのサイズをＦ１、第２のフレームのサイズをＦ２とし、バインドしなかった場合、収容率がｂ％を下回る合計フレームサイズの閾値条件として、ラベルスタック数に応じたＭＰＬＳ−ＴＰヘッダとレングス値フィールドを合せてａ₂byteとしたときに、
Ｆ１＋Ｆ２＜（ｂ(２ａ₂＋76)−40)／(１−ｂ）
であるときにバインド化する処理を行う。

また、Ｎ＝２とし、最初に入力するフレームのサイズをＦ、次に入力するフレームとの間のＩＦＧサイズをＩとし、収容率ｂ％以上となるＩＦＧサイズＩの閾値条件として、ラベルスタック数に応じたＭＰＬＳ−ＴＰヘッダとレングス値フィールドを合せてａ₂byteとしたときに、
Ｉ≧−(ｂ−１)Ｆ＋ｂ(２ａ₂＋140)−92
であるときに、次のフレームを待たずに送信する処理を行う。

第２の発明において、パケット転送網はＭＰＬＳ−ＴＰ網であり、ヘッダ情報はＭＡＣヘッダおよびＭＰＬＳ−ＴＰヘッダを含む。

本発明は、複数のフレームをバインド化し、さらに２フレームをバインド化する際に、２つのフレームサイズまたはその間のＩＦＧサイズに応じたバインド化条件を規定することにより、帯域増加を抑えて収容率を向上させることができる。

ＭＰＬＳ−ＴＰにEthernet信号を収容するフレーム構成例を示す図である。クライアントEthernet信号をＭＰＬＳ−ＴＰ網に入力したときの帯域増加率を示す図である。クライアントEthernet信号をＭＰＬＳ−ＴＰ網に入力したときの収容率を示す図である。２フレームバインドする場合のフレームサイズ条件を説明する図である。２フレームバインドする場合のＩＦＧサイズ条件を説明する図である。バインド化を行わずに収容率90％を達成可能なＩＦＧサイズの閾値を示す図である。パケット転送網の構成例を示す図である。パケット転送装置７１，７２の構成例を示す図である。

本発明のパケット転送装置におけるバインド化フレーム構成例を図１(3),(4) に示す。
図１(3) は、２フレームのバインド化フレーム構成を示す。各フィールドは、ＩＦＧ、ＰＡ＋ＳＦＧ、ＭＡＣヘッダ、ＭＰＬＳ−ＴＰヘッダ、レングス値Ｌ１、Ethernetフレーム１、Ethernetフレーム２、ＦＣＳである。

レングス値Ｌ１は、バインド化Ethernetフレーム１とEthernetフレーム２を分割するためのEthernetフレーム１のサイズである。例えば、フレームサイズが65536byte まで対応できるように２byteとする。ＭＰＬＳ−ＴＰヘッダは、ラベルスタック＝２の場合に12byteであるが、ラベルスタック数に応じ、さらにレングス値Ｌ１を合せてａ₂byteとする。

図１(4) は、Ｎフレームのバインド化フレーム構成を示す。各フィールドは、ＩＦＧ、ＰＡ＋ＳＦＧ、ＭＡＣヘッダ、ＭＰＬＳ−ＴＰヘッダ、バインド化したフレーム数Ｎ、バインド化するEthernetフレーム１〜(N-1) のレングス値Ｌ１〜Ｌ(N-1) 、Ethernetフレーム１〜Ｎ、ＦＣＳである。

このようなフレーム構成により、各Ethernetフレームの分割位置を把握することができ、さらにラベルを共有することにより、ペイロードに対するオーバーヘッドの割合を小さくし、帯域増加を低減することができる。

図３は、クライアントEthernet信号をＭＰＬＳ−ＴＰ網に入力したときの収容率を示す。ここに示すフレームサイズＦに対する収容率は、帯域増加率Ｒ(Ｆ)の逆数で表される。

２フレームバインドで収容率90％を超え、３フレームバインドで収容率 100％を超える。しかし、収容率 100％以上とすると、9600byteのジャンボフレームまてバインドすることになり、パケット転送網のジッタが増加することになる。そのため、収容率は90％以上とし、２フレームバインドに特化する。

図３に示すように、特にショートフレームの場合はフレームバインドの効果が高い。一方、フレームサイズが大きいと効果が小さく、バインド化によりフレームサイズが大きくなりすぎ、パケット転送網のジッタの最大値が増加してしまうデメリットもある。そこで、バインド化するパケットサイズの閾値を設定し、帯域削減の効果が高いショートフレームについてはフレームをバインドし、帯域削減の効果が低いジャンボフレームについてはフレームのバインドを行わないものとする。

ここで、２フレームバインドする場合のフレームサイズ条件について、図４を参照して説明する。図４(1) はクライアントEthernet信号であり、図４(2) は２フレームバインド化した信号である。

図３に示す収容率は、同じサイズのフレームがフルレートで到達した場合であるが、実際には１番目と２番目に到達するパケットのサイズは異なる。図４に示すように、１番目のクライアントEthernetフレームサイズをＦ１、２番目のクライアントEthernetフレームサイズをＦ２として、バインドしなかった場合、収容率がｂ％を下回る合計フレームサイズの閾値条件は次式で与えられる。なお、Ｐ_OH2＝ａ₂＋18（byte）であり、ａ₂はＭＰＬＳ−ＴＰヘッダ（ａbyte）とＬ１（例えば２byte）を合せた値であり、ＰＣＳは20（byte）である。

例えば、ラベルスタック＝２の場合でａ₂＝14、ｂ＝90％（0.9 ）とすれば、、Ｆ１＋Ｆ２が536byte を下回った場合は収容率90％に達しないため、バインド化を行う必要がある。なお、Ｆ２の最小値は64byteであるため、Ｆ１が472byte 以上のフレームは、バインドを行う必要はない。

次に、２フレームバインドする場合のフレームバインド待ち時間について、図５を参照して説明する。図５(1) はクライアントEthernet信号であり、図５(2) は２フレームバインド化した信号である。

Ethernet信号はバースト的にフレームが到達するため、２フレームバインドを行う場合、２番目のフレームを永遠と受信しない可能性もある。そのため、フレームの最大待ち時間を決める必要がある。待ち時間はパケット間のＩＦＧサイズに比例するため、ＩＦＧの大きさで決める。ＩＦＧが大きいということは、クライアントから入力される帯域が少ないということである。そこで、入力されるフレーム間のＩＦＧのサイズからクライアントの帯域を求め、ＭＰＬＳ−ＴＰにカプセリングした場合に、収容率ｂ％以上になるＩＦＧサイズＩを求める。図５に示すように、最初に到達するフレームサイズをＦbyteとし、収容数ｂ％以上となるＩＦＧサイズになり次第、次のパケットを待たずに最初のフレームを送出するため、次に到達するフレームサイズは最悪値である64byteとした。

収容率ｂ％以上となるＩＦＧサイズＩの閾値条件は次式で与えられる。なお、Ｐ_OH2＝ａ₂＋18（byte）であり、ａ₂はＭＰＬＳ−ＴＰヘッダ（ａbyte）とＬ１（例えば２byte）を合せた値であり、ＰＣＳは20（byte）である。

例えば、ラベルスタック＝２の場合でａ₂＝14、ｂ＝90％（0.9 ）とすれば、最初に到達するフレームサイズＦに対してＩＦＧサイズＩが
Ｉ≧−0.1 Ｆ＋59.2
となれば、バインド化しなくても収容率90％の達成が可能と判断し、次のパケットを待たずに最初のフレームを送出する。

図６は、バインド化を行わずに収容率90％を達成可能なＩＦＧサイズの閾値を示す。
図において、横軸が最初に到達するクライアントフレームサイズＦ、縦軸がＩＦＧサイズＩである。実線はＩ＝−0.1 Ｆ＋59.2による閾値を示し、破線はＩＦＧサイズが12byteの倍数であることを考慮した閾値を示す。次に到達するフレームは、収容率が最も悪くなる64byteとした。このグラフから、閾値以上のＩＦＧサイズを超えた場合、次のフレームをこれ以上待たずに送信すれば、収容率90％達成可能となる。

図７は、パケット転送網の構成例を示す。
図において、クライアント信号を入力するパケット転送装置７１は、クライアント信号をＭＰＬＳ−ＴＰ網にカプセリングする際にバインド化を行う。ＭＰＬＳ−ＴＰ網内ではバインド化したパケットを１つのパケットとして転送処理を行う。パケット転送装置７２は、ＭＰＬＳ−ＴＰ網からクライアント信号に戻す際に、バインド化したフレームのデバイドを行う。

図８は、パケット転送装置７１，７２の構成例を示す。
図において、バインド処理を行うパケット転送装置８１およびデバイド処理を行うパケット転送装置７２は、クライアント装置に接続されるＵＮＩEthernet盤８１、スイッチ（ＳＷ）８２、ＭＰＬＳ−ＴＰ網に接続されるＮＮＩ−ＩＦ８３により構成される。ＵＮＩEthernet盤８１は、クライアント装置に接続される光トランシーバ（ＳＦＰ）８１１、ＰＣＳ終端部８１２、ラベル処理部８１３、スイッチ８２に接続される物理層処理部（ＰＨＹ）８１４により構成される。バインド／デバイド処理は、ＵＮＩEthernet盤８１のＭＰＬＳ−ＴＰのラベル処理部８１３で行う。ラベル処理部８１３では、２つのフレームのバインド処理でラベルの付与を行い、デバイド処理でラベルを外し、２つのフレームに分割してクライアント装置へ転送を行う。

７１，７２パケット転送装置
８１ＵＮＩEthernet盤
８２スイッチ（ＳＷ）
８３ＮＮＩ−ＩＦ
８１１光トランシーバ（ＳＦＰ）
８１２ＰＣＳ終端部
８１３ラベル処理部
８１４物理層処理部（ＰＨＹ）

Claims

パケット転送網でパスを構築して転送処理を行うパケット転送装置において、
同じヘッダ情報をもつＮ個（Ｎは２以上の整数）のフレームをバインド化し、バインド化したＮ個のフレームをデバイドするためのフレーム１〜（Ｎ−１）のサイズを示すレングス長を格納するフィールドを備えて転送する処理手段を備えた
ことを特徴とするパケット転送装置。
請求項１に記載のパケット転送装置において、
前記処理手段は、Ｎ＝２とし、第１のフレームのサイズをＦ１、第２のフレームのサイズをＦ２とし、バインドしなかった場合、収容率がｂ％を下回る合計フレームサイズの閾値条件として、ラベルスタック数に応じたＭＰＬＳ−ＴＰヘッダとレングス値フィールドを合せてａ₂byteとしたときに、
Ｆ１＋Ｆ２＜（ｂ(２ａ₂＋76)−40)／(１−ｂ）
であるときにバインド化を行う構成である
ことを特徴とするパケット転送装置。
請求項１に記載のパケット転送装置において、
前記処理手段は、Ｎ＝２とし、最初に入力するフレームのサイズをＦ、次に入力するフレームとの間のＩＦＧサイズをＩとし、収容率ｂ％以上となるＩＦＧサイズＩの閾値条件として、ラベルスタック数に応じたＭＰＬＳ−ＴＰヘッダとレングス値フィールドを合せてａ₂byteとしたときに、
Ｉ≧−(ｂ−１)Ｆ＋ｂ(２ａ₂＋140)−92
であるときに、次のフレームを待たずに送信する構成である
ことを特徴とするパケット転送装置。
請求項１に記載のパケット転送装置において、
前記パケット転送網はＭＰＬＳ−ＴＰ網であり、前記ヘッダ情報はＭＡＣヘッダおよびＭＰＬＳ−ＴＰヘッダを含む
ことを特徴とするパケット転送装置。
パケット転送網でパスを構築して転送処理を行うパケット転送方法において、
同じヘッダ情報をもつＮ個（Ｎは２以上の整数）のフレームをバインド化し、バインド化したＮ個のフレームをデバイドするためのフレーム１〜（Ｎ−１）のサイズを示すレングス長を格納するフィールドを備えて転送する処理を行う
ことを特徴とするパケット転送方法。
請求項５に記載のパケット転送方法において、
Ｎ＝２とし、第１のフレームのサイズをＦ１、第２のフレームのサイズをＦ２とし、バインドしなかった場合、収容率がｂ％を下回る合計フレームサイズの閾値条件として、ラベルスタック数に応じたＭＰＬＳ−ＴＰヘッダとレングス値フィールドを合せてａ₂byteとしたときに、
Ｆ１＋Ｆ２＜（ｂ(２ａ₂＋76)−40)／(１−ｂ）
であるときにバインド化する処理を行う
ことを特徴とするパケット転送方法。
請求項５に記載のパケット転送方法において、
Ｎ＝２とし、最初に入力するフレームのサイズをＦ、次に入力するフレームとの間のＩＦＧサイズをＩとし、収容率ｂ％以上となるＩＦＧサイズＩの閾値条件として、ラベルスタック数に応じたＭＰＬＳ−ＴＰヘッダとレングス値フィールドを合せてａ₂byteとしたときに、
Ｉ≧−(ｂ−１)Ｆ＋ｂ(２ａ₂＋140)−92
であるときに、次のフレームを待たずに送信する処理を行う
ことを特徴とするパケット転送方法。
請求項５に記載のパケット転送方法において、
前記パケット転送網はＭＰＬＳ−ＴＰ網であり、前記ヘッダ情報はＭＡＣヘッダおよびＭＰＬＳ−ＴＰヘッダを含む
ことを特徴とするパケット転送方法。