JP2012120079A

JP2012120079A - フレーム転送装置及び帯域制御方法

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Publication number: JP2012120079A
Application number: JP2010270103A
Authority: JP
Inventors: Tetsuya Hitomi; 哲哉仁見; Tsutomu Suzuki; 励鈴木; Yoshimasa Kusano; 慶将草野
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2010-12-03
Filing date: 2010-12-03
Publication date: 2012-06-21

Abstract

【課題】フラグメント化されたフレームの送出間隔の広がりを抑制し、フレームの遅延を低減する。
【解決手段】受信したフレームを他のフレーム転送装置に転送するフレーム転送装置であって、受信したフレームのフレーム長を計測する計測部と、前記計測されたフレームが所定長より長い場合、受信したフレームを前記所定長以下のフレームに分割するフラグメント部と、前記分割されたフレームを格納するキューと、予め設定された帯域に応じて、前記分割されたフレームを前記キューから出力するタイミングを制御する帯域制御部と、を備え、前記帯域制御部は、前記分割されたフレームと、分割されていないフレームとを識別し、前記分割されたフレームが連続して送出されるように帯域制御処理を切り替える。
【選択図】図６

Description

本発明は、フレーム転送装置に関し、特に、フラグメントによって分割された複数フレームを転送する帯域を制御する方式に関する。

ネットワーク技術の発展に伴う通信量の増加により様々な問題が発生している。その中には、通信データの遅延やロスなどの帯域不足による問題があり、通信網の帯域を制御する必要性がある。帯域制御の一つの方法としてトラフィックシェーピング方式がある。トラフィックシェーピングとは、帯域制御対象のトラフィックが、予め設定された帯域を超えない様に、その帯域に応じた時間間隔でフレームをフレーム転送装置から出力することによって帯域を制御する方法である。

通常のイーサネット（ＭＡＣ：ＭｅｄｉａＡｃｃｅｓｓＣｏｎｔｒｏｌ）フレームのフレーム長は６４〜１５１８バイトとなる（イーサネットは登録商標、以下同じ）。ＭＡＣフレームは、フレームの送信から１２バイト以上の間隔をあけて次のフレームを送信するように規定されており、このアイドル間隔はＩＦＧ（ＩｎｔｅｒＦｒａｍｅＧａｐ）と呼ばれる。このため、フレーム長が短くなるとフレーム長に対しＩＦＧの割合が増えるため伝送効率が低下する。そこで、ネットワークの伝送効率を向上させるために、フレーム長が１５１８バイトを超えるジャンボフレームが提案された。ジャンボフレームを使用すると、一度に送信できるデータサイズが大きくなり、通常フレームよりもＩＦＧの割合を減らすことができるため、伝送効率を向上することができる。

しかし、ジャンボフレームは規格化されたものではないため、ジャンボフレーム対応装置と非対応装置が混在するネットワークにおいて問題が生じる。すなわち、ジャンボフレームに対応していないネットワークを経由してクライアント装置から他のクライアント装置にジャンボフレームを送信する場合、ジャンボフレーム非対応ネットワークの入口のエッジノード（フレーム転送装置）にてフレームが廃棄される問題がある。

これを解決する技術として、ＩＥＴＦＲＦＣ４６２３（非特許文献２）やＩＴＵ−ＴＹ．１４１５（非特許文献３）で規定されるフラグメント化技術がある。フラグメント化とは、大きなフレームをネットワーク内で対応可能な最大ＭＴＵ以下に分割して送信する技術である。例えば、ジャンボフレーム非対応のネットワークのエッジノードに、このフラグメント化技術を適用し、ジャンボフレームをネットワークが許容する最大ＭＴＵ以下のフレームに分割することによって、ジャンボフレーム非対応のネットワークにおいてフレーム転送を可能とする。

ＩＥＥＥ８０２．３ＩＥＴＦＲＦＣ４６２３ＩＴＵ−ＴＹ．１４１５

前述した通り、ネットワークＢは、ジャンボフレーム非対応のネットワークであり、前述したフラグメント化機能を有する必要があるため、エッジノード２００−３にジャンボフレームが入力された場合、フラグメント化により分割されたフレームに対しトラフィックシェーピングが行われる。

しかし、前述のフラグメントと帯域制御（トラフィックシェーピング）の両方の機能を有する装置が、フラグメント化されたフレームに対してトラフィックシェーピングを行うと、フラグメント化された後続のフレームの送信が遅くなり、遅延が生じる問題がある。これは、元々一つのフレームをフラグメント化によって分割し、それぞれのフレームに対しトラフィックシェーピングを行うことによって、制御帯域に応じてフレームの送出間隔が広がるためである。フレーム間隔が広がるに従って、フレームの到着が遅延するため、フラグメント化されたフレームを組み立てるまでの時間が長くなり、遅延が発生する。

例えば、従来のトラフィックシェーピングにおいて、一つのフレームをフラグメント化によって複数のフレームに分割した場合、図１０（Ａ）に示すように、分割されたフレーム毎に設定帯域に応じた時間間隔でフレーム転送装置から出力されるため、図１０（Ｂ）のようにフレームの先頭が送出されてから、フレームの最後が送出されるまでの間隔が、元のフレームに比べて広くなる。受信側の装置では最終フラグメントフレーム（図１０（Ｂ）のａ１'''フレーム）を待たないとフレームを組み立てることができないため、結果としてフラグメントフレームを組み立てる際、図１０（Ｃ）に示すように信号フレームの遅延による影響が生じる問題があった。

すなわち、受信したフレームを他の装置に転送するフレーム転送装置（エッジノード）が、フラグメント及び帯域制御（トラフィックシェーピング）の両方に対応している場合、フラグメント化によって分割されたフレームにトラフィックシェーピングを行うと、分割されたフレームの送出間隔が広がるため、遅延が生じる問題がある。

本発明は、フレーム転送装置から送出される、フラグメント化されたフレーム送出間隔の広がりを抑制し、フレームの遅延を低減することを目的とする。

本願において開示される発明の代表的な一例を示せば以下の通りである。すなわち、受信したフレームを他のフレーム転送装置に転送するフレーム転送装置であって、受信したフレームのフレーム長を計測する計測部と、前記計測されたフレームが所定長より長い場合、受信したフレームを前記所定長以下のフレームに分割するフラグメント部と、前記分割されたフレームを格納するキューと、予め設定された帯域に応じて、前記分割されたフレームを前記キューから出力するタイミングを制御する帯域制御部と、を備え、前記帯域制御部は、前記分割されたフレームと、分割されていないフレームとを識別し、前記分割されたフレームが連続して送出されるように帯域制御処理を切り替えることを特徴とする。

本発明の代表的な実施の形態によれば、フレーム転送装置からフレームが送出される間隔の広がりを抑制し、フレームの遅延を低減することができる。

ジャンボフレーム対応装置と非対応装置で構成されたネットワークの一例を示す図である。イーサネットフレームフォーマットを示す図である。フラグメントを説明する図である。トラフィックシェーピングを説明する図である。リーキーバケットによるトラフィックシェーピングを説明する図である。本発明の実施形態のフレーム転送装置の構成を示すブロック図である。本発明の実施形態によるトラフィックシェーピング方法のフローチャートである。本発明の実施形態におけるジャンボフレームのフラグメント化を説明する図である。本発明の実施形態による効果を説明する図である。フラグメントフレームのトラフィックシェーピングを説明する図である。

以下、実施形態について図面を用いて説明する。

図１は、本発明の実施形態のネットワークの構成を示す図である。

図１に示すネットワークは、ジャンボフレーム対応装置と非対応装置とを含む。具体的には、ネットワークには、クライアント装置１００−１からクライアント装置１００−２の間に、ジャンボフレーム対応のネットワークＡ（所定ｂｙｔｅ長以上のフレームに対応する最大伝送単位（ＭＴＵ：ＭａｘｉｍｕｍＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎＵｎｉｔ）を備えるネットワーク、すなわち、プリアンブル部を除く通信回線のＭＴＵが１５１８ｂｙｔｅ超のネットワーク）、ジャンボフレーム非対応のネットワークＢ（所定Ｂｙｔｅ長未満のフレームに対応する最大伝送単位を備えるネットワーク。プリアンブル部を除く通信回線のＭＴＵが１５１８ｂｙｔｅ以下の意味）、及び、ジャンボフレーム対応のネットワークＣが含まれ、各ネットワークは同一の伝送規格によって繋がっている。

図２（Ａ）は、通常のイーサネット（ＭＡＣ）フレームフォーマットを示す。イーサネットフレームは、ＭＡＣフレームが開始することを示すプリアンブル８バイトと、データの送信先のＭＡＣアドレスを示す宛先アドレス（ＤＡ）６バイトと、データの送信元のＭＡＣアドレスを示す送信元アドレス（ＳＡ）６バイトと、フレーム長またはプロトコルタイプを表す２バイトのＴｙｐｅ／Ｌｅｎｇｔｈと、送信データ領域（ｄａｔａ）４６〜１５００バイトと、ＭＡＣフレームの宛先アドレス（ＤＡ）からｄａｔａまでの範囲についてチェックサム計算を行った結果が格納されるＦＣＳの４バイトを含む。通常、プリアンブルを除いた部分が有効フレーム範囲であり、フレーム長は６４〜１５１８バイトとなる。

図２（Ｂ）は、ジャンボフレームのフォーマットを示す。ジャンボフレームは、通常フレームと同じフォーマットで、フレーム長がＩＥＥＥ８０２．３（非特許文献１）において規定される１５１８バイト以上のＭＡＣフレームである。

前述したように、ジャンボフレーム非対応のネットワークＢでも、ジャンボフレームを伝送する技術として、フラグメント化技術がある。

図３は、本発明の実施形態のフレーム転送装置２００−３に入力されるフレームのフラグメントフォーマットの例である。

フラグメント処理において、ジャンボフレーム３００は、先頭フラグメントフレーム３０１、中間フラグメントフレーム３０２及び最終フラグメントフレーム３０３に分割される。入力されるフレーム長をＬ［ｂｙｔｅ］、等間隔に分割されるフラグメント長の設定値をＡ［ｂｙｔｅ］、最終フラグメント長をｂ［ｂｙｔｅ］とする。フラグメント化された各フレームには、フラグメント化されたことを識別するためのヘッダが付与される。このフラグメント技術を使用すると、ネットワーク上のフレーム転送装置のＭＴＵを満たす長さでフレームを分割でき、ジャンボフレーム非対応の装置でもジャンボフレームを送信することができる。

図１に示すネットワークにおいては、ジャンボフレーム非対応ネットワークＢのエッジノード２００−３に流入するトラフィックに対してトラフィックシェーピングが適用され、分割されたフレームがネットワークＢに出力される。

図４は、本発明の実施形態に適用されるトラフィックシェーピング方法の概念を示す。

トラフィックシェーピングとは、入力されたフレームをキュー４０１に一旦格納し、トラフィックシェーピング制御部（４０２）にて、設定された帯域に応じた時間間隔でフレームを装置から出力することによって帯域を制御する技術である。トラフィックシェーピングの実現方法としてリーキーバケットがある。

図５は、リーキーバケットによる帯域計測及びトラフィックシェーピングの概念を示す。

リーキーバケットを実現する方法の１例としてダウンカウンタを用いる方法がある。装置からフレームａ１を出力する際に、フレーム長Ｘ［ｂｙｔｅ］分だけ帯域計測部のダウンカウンタに加算し、設定帯域に応じた値で、定期的にカウンタ値を減算（この傾きが設定帯域に相当）して、カウント値が０より大きい場合は、フレーム（ａ２）をメモリ内で待機させ、カウントが０になったときに次のフレームａ２を出力することによってフレーム間隔を調整し、帯域を制御する。

図６は、本発明の実施形態のフレーム転送装置（エッジノード）の構成を示すブロック図である。

エッジノード２００−３は、フレーム長を計測するフレーム長計測部８００、入力されたフレームを所定の長さに分割するフラグメント実行部８０１、送信されるフレームが一時的に格納されるキュー８０２、及び、送出帯域を制御するトラフィックシェーピング制御部８０３を有する。トラフィックシェーピング制御部８０３は、フレームを解析するフレーム解析部８０４、フレーム解析結果に応じて送出帯域を測定する帯域計測部８０５、及び、フレーム送信を指示する送信制御部８０６を有する。

また、エッジノード２００−３は、プログラムを実行するプロセッサと、プロセッサで実行されるプログラムやデータを格納するメモリとを有する。このプロセッサが所定のプログラムを実行することによって、前述した各部が機能する。なお、各部の全部又は一部をファームウェア又はハードウェアによって実装してもよい。

図７は、本発明の実施形態によるトラフィックシェーピング方法のフローチャートである。

エッジノード２００−３にフレームが入力されると、まず、フレーム長計測部８００が、入力されたフレームのフレーム長を計測し（７０１）、フラグメント化が必要か否かを判定する（７０２）。そして、フラグメント化が必要であると判定された場合、フラグメント実行部８０１が、入力されたフレームを所定の長さに分割し（７０３）、フラグメント化されたフレームであることを識別するための情報（例えば、先頭フラグメントフレーム識別子、中間フラグメントフレーム識別子、最終フラグメントフレーム識別子）をヘッダに付与する（７０４）。

フレーム解析部８０４は、フラグメント実行部８０１から出力されたフラグメント情報を参照して、帯域制御に用いるフレーム長を生成し、帯域計測部８０５に出力する。すなわち、フレーム解析部８０４は、フラグメント実行部８０１から出力されたフレームがフラグメント化されたフレームであるか否か（７０５）、さらに、フラグメント化されたフレームが先頭フラグメントフレームであるか否か（７０６）を判定する。

その結果、フラグメント実行部８０１から出力されたフレームが先頭フラグメントフレームである場合（ステップ７０５でＹｅｓ、ステップ７０６でＹｅｓ）、フラグメント前のフレーム長を出力し、フラグメント対象外のフレームの場合（ステップ７０５でＮｏ）、フレーム計測部８００によって計測されたフレーム長を出力する。

フレーム解析部８０４は、フラグメント実行部８０１から出力されたフレーム長情報と、フラグメント実行部８０１によってヘッダに付与されたフラグメント情報とを解析し、フレーム解析結果に応じて、帯域計測部８０５における帯域計測方法、及び、送信制御部８０６におけるフレーム送信指示方法を切り替える。

次に、ステップ７０５からステップ７０９の処理を具体的に説明する。

フレーム解析部８０４が、フラグメント実行部８０１から出力されたフレームが先頭フラグメントフレームであると判定し（ステップ７０６でＹｅｓ）、且つ、帯域計測部８０５は制御帯域内であると判定した場合（すなわち、帯域計測部８０５内の帯域計測回路であるダウンカウンタが”０”である場合）、送信制御部８０６は、キュー８０２にフレーム送信を指示し、送信されるフレームのフレーム長を帯域計測部８０５に通知する（７０７）。帯域計測部８０５は、通知されたフレーム長を帯域計測部８０５内のダウンカウンタに加算する。この時、加算されるフレーム長は、フラグメント化前のフレーム長である。なお、帯域計測部８０５が、制御帯域外であると判定した場合（すなわち、帯域計測部８０５内のダウンカウンタが”０”より大きい場合）、制御帯域内と判定されるまでフレーム送信指示の出力を待ち、制御帯域内と判定された後に前述と同様の処理を行う。

一方、フレーム解析部８０４が、フラグメント実行部８０１から出力されたフレームが中間フラグメントフレーム又は最終フラグメントフレームであると判定した場合（ステップ７０６でＮｏ）、帯域計測部８０５の制御帯域内外かの判定にかかわらず（帯域計測部８０５内のダウンカウンタ値によらず）、送信制御部８０６からキュー８０２に直ちにフレームを送信するように指示する（７０８）。このフレーム送信指示によって、最低間隔のＩＦＧ（例えば、規格上最短の１２バイト）がフレーム間に挿入されて、フレームが連続して送信される（７０８）。この場合、帯域計測部８０５内のダウンカウンタにはフレーム長を加算しない。

さらに、フレーム解析部８０４が、フラグメント実行部８０１から出力されたフレームがフラグメント化されていないフレームであると判定し（ステップ７０５でＮｏ）、且つ、帯域計測部８０５が、制御帯域内であると判定した場合、送信制御部８０６は、キュー８０２にフレーム送信を指示し、帯域計測部８０５内のダウンカウンタにフレーム長を加算する。この場合に加算されるフレーム長は、フレーム長計測部８００によって計測されたフレーム長である。帯域計測部８０５が、制御帯域外であると判定した場合（すなわち、帯域計測部８０５内のダウンカウンタが”０”より大きい場合）、制御帯域内と判定されるまでフレーム送信指示の出力を待ち、制御帯域内と判定された後に前述と同様の処理を行う。

次に、図８、図９を用いて本実施形態の効果を説明する。図８（Ａ）に示すジャンボフレームが送信された場合、ジャンボフレーム非対応のネットワークでは、図８（Ｂ）に示すように、ジャンボフレームが、先頭フラグメントフレームＡ、中間フラグメントフレームをＢ及び最終フラグメントフレームをＣにフラグメント化されて、トラフィックシェーピングがされる。

図９（Ａ）は、従来のトラフィックシェーピング方法によってフレーム転送装置から出力されるフレーム列を示し、図９（Ｂ）は、本実施の形態のトラフィックシェーピング方法によってフレーム転送装置から出力されるフレーム列を示す。

図９（Ａ）に示すように、従来のトラフィックシェーピング方法によると、フラグメント化されたフレームは所定の間隔で送信される。一方、本実施形態のトラフィックシェーピング方法によると、図９（Ｂ）に示すように、フラグメント化されたフレームを分割前の一つのフレーム長として連続して送出するようなトラフィックシェーピングを行う。これによって、フラグメント化されたフレームの送出間隔を狭くすることができ、フレーム転送装置から送出されるフレームの間隔が広がることを抑え、受信側でのフレーム組み立て時の遅延を低減することができる。

受信側のフレーム転送装置は、最終フラグメントフレームの受信時点から、フラグメント化されたフレームの組み立てを開始する。このため、本実施の形態のトラフィックシェーピング方法（図９（Ｂ））によると、従来のトラフィックシェーピング方法（図９（Ａ））と比較して、最終フラグメントフレームが早く送出されるので、受信側のフレーム転送装置でフレームを組み立てが終了するまでの時間の遅延を低減できる。

本発明の代表的な実施の形態によれば、フラグメント化されたフレームであるか否か、さらに、フラグメント化された先頭フレームであるか否かによって、帯域制御処理を切り替えるので、フラグメント化されたフレームは個々にシェーピングされずにフレーム転送装置から出力することができる。

また、フラグメント化された先頭フレームを分割前の一つのフレーム長としてトラフィックシェーピングを行い、後続のフラグメント化されたフレームは、規格上の最低間隔（１２バイトのＩＦＧ）を保ちつつフレーム転送装置から出力することによって、フラグメント化されたフレームの送出間隔が広がることを抑え、フレームの転送遅延の増大を抑制することができる。特に、トラフィックシェーピングによって、フラグメント化されたフレームの送出間隔が広がり遅延が増大するが、本実施形態では、フラグメント化されたフレームを分割前の一つのフレーム長としてトラフィックシェーピングするので、帯域が狭いネットワークにおいても、遅延を抑制することができる点で有利である。

１００クライアント装置
２００エッジノード
３００ジャンボフレーム
３０１先頭フラグメントフレーム
３０２中間フラグメントフレーム
３０３最終フラグメントフレーム
４００フレーム長計測部
４０１キュー
４０２トラフィックシェーピング制御部
８００フレーム長計測部
８０１フラグメント実行部
８０２キュー
８０３トラフィックシェーピング制御部
８０４フレーム解析部
８０５帯域計測部
８０６送信制御部

Claims

受信したフレームを他のフレーム転送装置に転送するフレーム転送装置であって、
受信したフレームのフレーム長を計測する計測部と、
前記計測されたフレームが所定長より長い場合、受信したフレームを前記所定長以下のフレームに分割するフラグメント部と、
前記分割されたフレームを格納するキューと、
予め設定された帯域に応じて、前記分割されたフレームを前記キューから出力するタイミングを制御する帯域制御部と、を備え、
前記帯域制御部は、
前記分割されたフレームと、分割されていないフレームとを識別し、
前記分割されたフレームが連続して送出されるように帯域制御処理を切り替えることを特徴とするフレーム転送装置。
前記帯域制御部は、前記分割されたフレームを分割前の一つのフレーム長として送信タイミングを制御することを特徴とする請求項１に記載のフレーム転送装置。
前記帯域制御部は、
前記分割されていないフレームには、当該フレームのフレーム長によって送信タイミングを制御する通常の帯域制御を実行し、
前記分割されたフレームのうち先頭フレームには、分割前のフレーム長によって帯域制御を実行し、
前記分割されたフレームのうち中間フレーム及び最終フレームには、帯域制御を行わず直ちに当該フレームを送出するように制御することを特徴とする請求項２に記載のフレーム転送装置。
前記帯域制御部は、前記フレームを送出する回線の帯域が小さければ、前記分割されていないフレームの送信間隔が長くなるように制御することを特徴とする請求項３に記載のフレーム転送装置。
第１のフレーム転送装置から第２のフレーム転送装置に転送されるフレームの帯域を制御する方法であって、
前記各フレーム転送装置は、受信したフレームのフレーム長を計測する計測部と、前記計測されたフレームが所定長より長い場合、受信したフレームを前記所定長以下のフレームに分割するフラグメント部と、前記分割されたフレームを格納するキューと、予め設定された帯域に応じて、前記分割されたフレームを前記キューから出力するタイミングを制御する帯域制御部と、を備え、
前記方法は、
前記帯域制御部が、前記分割されたフレームと、分割されていないフレームとを識別し、
前記帯域制御部が、前記分割されたフレームが連続して送出されるように帯域制御処理を切り替えることを特徴とする帯域制御方法。
前記方法は、前記帯域制御部が、分割されたフレームを分割前の一つのフレーム長として送信タイミングを制御することを特徴とする請求項５に記載の帯域制御方法。
前記方法は、
前記帯域制御部が、前記分割されていないフレームには、当該フレームのフレーム長によって送信タイミングを制御する通常の帯域制御を実行し、
前記帯域制御部が、前記分割されたフレームのうち先頭フレームには、分割前のフレーム長によって帯域制御を実行し、
前記帯域制御部が、前記分割されたフレームのうち中間フレーム及び最終フレームには、帯域制御を行わず直ちに当該フレームを送出するように制御することを特徴とする請求項６に記載の帯域制御方法。
前記方法は、前記帯域制御部が、前記フレームを送出する回線の帯域が小さければ、前記分割されていないフレームの送信間隔が長くなるように制御することを特徴とする請求項７に記載の帯域制御方法。