JP2012175357A - 入力バッファ型スイッチおよび入力装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易なハードウエア構成で、高スループットを実現し、ポートの利用効率を向上させることができる入力バッファ型スイッチを得ること。
【解決手段】入力回線から入力されるデータを宛先の出力回線に出力する入力バッファ型スイッチであって、入力バッファ４−１〜４−１６と、入力バッファ４−１〜４−１６に格納されたデータを宛先の出力回線に出力可能なクロスバスイッチ部５と、入力回線から入力されるデータを宛先の出力回線に基づいて２つ以上に分配して出力可能な１入力６出力分配機２−１〜２−６と、入力バッファ４−１〜４−１６のうちの１つと接続され、１入力６出力分配機２−１〜２−６と接続され、１入力６出力分配機２−１〜２−６のうちの１つを入力元として選択して、選択した入力元から出力されたデータを、接続する入力バッファ４−１〜４−１６に格納する６入力セレクタ３−１〜３−６と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、入力バッファ型スイッチおよび入力装置に関する。

入力バッファ型スイッチは、優先クラスに関する対応を別とすれば、一般に入力ポートごとに１つのキューしか持たない。入力パケットの優先クラスに対処するためには優先クラス別にキューを持つのが一般的であるが、宛先出力ポート別にパケットを溜めておくためのキュー、すなわちＶｏＱ（Virtual Output Queue）としては入力ポートごとに１つである。なお、ＶｏＱが１つであるとは通常ＶｏＱがないことを意味するが、本件では以降の説明において、「宛先出力ポート別のＶｏＱ（あるいはキュー）が１つ」とは入力バッファが入力ポート毎に１つであること、を表し、「宛先出力ポート別のＶｏＱ（あるいはキュー）がｎ個(ｎ≦出力ポート数)」とは、ある１つの入力ポートから入力するデータを宛先別に振り分けて溜めておくためのキューがｎ個あり、当該入力ポートについて不完全または完全なＶｏＱを実装した状態であること、を表すものとする。

宛先出力ポート別にパケットを溜めておくためのキューが入力ポートごとに１つである構成では、ＨｏＬ（Head of Line Blocking）によってスループットの低下が発生し、現実的な回線数のスイッチで６０％程度に留まることが知られている。なお、優先クラス別のキューを備える場合にも優先クラス毎に同様の問題が生じるため、ここでは優先クラス別のキューの有無を問わない。入力バッファ型スイッチにおけるこのスループットの低下の問題に対して多くの改善案が提案されている（例えば、下記特許文献１〜３参照）。

また、このＨｏＬによる問題を解決するための手段として、完全なＶｏＱを搭載する（入力ポートごとに出力ポート別のキューを備える）入力バッファ型スイッチが提案されている（例えば、下記特許文献４，５参照）。廃棄率などの細かい性能の違いはあっても、これによって均等トラヒックに対しては９９％以上の１００％に近いスループットを達成することが可能となる。

完全なＶｏＱを搭載した入力バッファ型スイッチでは、各入力ポートの各出力ポート宛のパケットは、出力ポート別のキュー（ＶｏＱ）で待機するため、パケット転送の際にはそのうち１つを自由に選択することができる。従って、全体として、宛先出力ポート別にパケットを溜めておくためのキューが入力ポートごとに１つである構成に比べ遅延時間は小さくなり、効率的になる。なお、下記特許文献５に記載のバッファ構成はクロスポイントバッファ型であり、ＶｏＱの最も効果的な構成である。

一般に、完全なＶｏＱを搭載する場合、ＶｏＱの数は回線数の２乗に比例し、それぞれの深さ（キューの容量）を十分深く持つことが困難となるためパケット廃棄が発生しやすくなる。これを防ぎつつスループットを１００％に近づけるにはパケット転送を効果的にスケジュールしなければならない。このため、完全なＶｏＱを備える入力バッファ型スイッチに関して、ＶｏＱを生かすためのスケジューリング方式が提案されている（例えば、下記特許文献６，７参照）。

特開平０５−３２７７５５号公報 特開平１０−１１７１９６号公報 特開２００１−１３６１７０号公報 特開２００７−２６６７８９号公報 特開２０００−２６１４３８号公報 特開２００２−１６４９０２号公報 特開２００３−０５１８３９号公報

しかしながら、上記特許文献１では、ＨｏＬを回避するため、クロスポイントにキューを設けている。これは小容量のＶｏＱを備えたに等しく、回線数Ｎに対して、Ｎ×Ｎ個のバッファを小容量とはいえ実装することになる。このため、スイッチを構成するハードウエア（ＬＳＩ（Large Scale Integration）等）が大規模、高価格になる、という問題があった。また高速アクセス可能な外付けのメモリを備える必要が生じることもある。

上記特許文献２では、上記特許文献１よりもキューの搭載を抑え、出力側だけに留めているため回線数Ｎに対してＮ個のキューの増加で済む。しかし、クロスバスイッチを２倍にしているためその回路量が増加し、また出力側で２つのクロスポイントからの入力を多重化する部分で２倍の速度が要求されている。速度が変わる箇所には必ずバッファ類が実装されることになる。さらに、２つのクロスバスイッチをどのように各入力ポートで選択するかという制御回路も必要になり、効果を上げるためにはこの回路も高速かつ大きなものとなってしまう可能性がある。そのため、やはりハードウエアの大規模化、高価格化が生じる、という問題がある。

上記特許文献３は、基本的な考え方は特許文献２に類似しており、上記特許文献２と同様の問題が生じる。

上記特許文献４は、完全なＶｏＱを備え、かつ出力ポートの前段に接続されるセレクタの各入力に各キューが直結している構成である。これは出力ポートがそれぞれ都合の良いタイミングでキュー内の待機セルを読み出せば良く、高スループットを最も発揮しやすい構成と考えられるが、深さの十分なキューを全てＬＳＩの内部に実装する必要がある。そのため、ハードウエアの大規模化、高価格化が生じる、という問題がある。また、キューを外部メモリに構成すると、スイッチのＬＳＩとメモリ間のアクセスＩ／Ｆ（Interface）の速度は、回線数Ｎの場合に回線速度の２×Ｎ倍以上におよび、近年の数Ｇ（ギガ）ｂ／ｓにおよぶ回線速度に対応するには、実装が困難となるか、特に高価なものになってしまう、という問題がある。上記特許文献５は、上記特許文献４と構成、目的等同様であり、同様の課題が発生する。

上記特許文献６は、完全なＶｏＱを搭載するものの、特許文献４および５に比べて、実体を含めたキューの構成をスイッチＬＳＩの外部に構成することが比較的容易になる。具体的には、例えば、上記特許文献４および５では、キュー制御機能はスイッチＬＳＩの内部に搭載し、パケットの保存域としてのメモリを外部に持つことになるため、メモリはＬＳＩ専用の外付けメモリの位置付けとなるが、上記特許文献６ではキューを含めた入力バッファ部全体をスイッチＬＳＩ外部に配置することが可能になる。

上記特許文献６の構成で低廃棄、高スループットを実現するためには、効果的なパケット転送スケジューリングアルゴリズムを搭載する必要がある。スイッチＬＳＩ内部のバッファを多数持たなくて済むためメモリ搭載量などは少なくなるが、高性能維持には複雑なスケジューラの搭載が必要になり、実装時の回路量、設計コストは嵩む。装置全体としてもやはり多数のキューを備える必要があるため、ハードウエアの大規模化、高価格化が避けられない、という問題がある。上記特許文献７は、特許文献６とアプローチが同じであり、同様の問題が発生する。

一方、ＨｏＬの発生する宛先出力ポート別にパケットを溜めておくためのキューが入力ポートごとに１つであるような入力バッファ型スイッチは、低価格で多ポートのスイッチを構成可能であるが、実際に運用される環境において、全てのポートまたは装置で言えばスロットが利用されていることは希である。また、各ポートに接続される装置は、サーバと端末など、利用帯域が大きく異なる場合が多い。したがって、サーバと端末に適用する場合には効率的ではない場合が多い、という問題がある。

この他、近年、バックプレーンバスの代用としてスイッチを適用することが多く見られるが、こうした環境においても全スロットを利用していない場合が多い。またコントローラとインタフェースといった具合に、役割の大きく異なる装置が通信Ｉ／Ｆとして同一のスイッチに接続されるポートに接続されるのはあまり効率的ではない。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、簡易なハードウエア構成で、高スループットを実現し、ポートの利用効率を向上させることができる入力バッファ型スイッチおよび入力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、Ｎ（Ｎは１以上の整数）本の入力回線から入力されるデータを前記データの宛先の出力回線に出力する入力バッファ型スイッチであって、Ｍ（ＭはＮ以上の整数）個の入力バッファと、前記Ｍ個の入力バッファに格納されたデータを当該データの宛先の出力回線に出力するスイッチ部と、１つの前記入力回線と接続され、接続された入力回線から入力されるデータを宛先の出力回線に基づいて２つ以上に分配して出力可能な１つ以上の分配機と、前記Ｍ個の入力バッファのうちの１つと接続され、１つ以上の前記分配機と接続され、接続される前記分配機のうちの１つを入力元として選択して、選択した入力元から出力されたデータを、接続する前記入力バッファに格納するセレクタと、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、簡易なハードウエア構成で、高スループットを実現し、ポートの利用効率を向上させることができるという効果を奏する。

図１は、実施の形態１の入力バッファ型スイッチの機能構成例を示す図である。 図２は、従来の入力バッファ型スイッチにおいてＨｏＬの発生する様子を示す図である。 図３は、完全なＶｏＱを備える従来の入力バッファ型スイッチにおけるパケット転送の様子を示す図である。 図４は、実施の形態１の入力バッファ型スイッチの論理的接続関係の一例を示す図である。 図５は、実施の形態１の入力バッファ型スイッチの論理的接続関係の一例を示す図である。 図６は、実施の形態２の入力バッファ型スイッチの機能構成例を示す図である。 図７は、実施の形態２の入力バッファ型スイッチの設定例を示す論理構成図である。 図８は、実施の形態３の入力バッファ型スイッチの機能構成例を示す図である。 図９は、４台の装置を接続する場合のシミュレーション結果の一例を示す図である。 図１０は、８台の装置を接続する場合のシミュレーション結果の一例を示す図である。 図１１は、１０台の装置を接続する場合のシミュレーション結果の一例を示す図である。 図１２は、１２台の装置を接続する場合のシミュレーション結果の一例を示す図である。 図１３は、１４台の装置を接続する場合のシミュレーション結果の一例を示す図である。 図１４は、実施の形態４の入力バッファ型スイッチの機能構成例を示す図である。

以下に、本発明にかかる入力バッファ型スイッチおよび入力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、本発明にかかる入力バッファ型スイッチの実施の形態１の機能構成例を示す図である。図１に示すように、本実施の形態の入力バッファ型スイッチは、１６入力１６出力の入力バッファ型スイッチであり、入力回線１−１〜１−１６と、１入力６出力分配機２−１〜２−６と、６入力セレクタ３−１〜３−６と、入力バッファ４−１〜４−１６と、出力回線６−１〜６−１６と、入力バッファ４−１〜４−１６に格納されたパケットを宛先の出力回線６−１〜６−１６へ出力するクロスバスイッチ部（スイッチ部）５と、接続線７−１〜７−６と、を備える。

入力回線１−１〜１−１６は、それぞれ異なる入力ポートに接続されている。また、出力回線６−１〜６−１６もそれぞれ異なる出力ポートに接続されている。入力バッファ４−１〜４−１６は入力バッファ部を構成する。また、入力バッファ部と、入力回線１−１〜１−１６と、１入力６出力分配機２−１〜２−６と、６入力セレクタ３−１〜３−６と、はクロスバスイッチ部５への入力を行う入力装置を構成する。

宛先出力ポート別にパケットを溜めておくためのキューが入力ポートごとに１つである構成では、ＨｏＬによってスループットの低下が発生する。図２は、従来の入力バッファ型スイッチにおいてＨｏＬの発生する様子を示す図である。図２では、ｎ個の入力ポート＃１〜＃ｎに対して入力ポートごとに入力バッファ２０−１〜２０−ｎを備える入力バッファ型スイッチを示している。

図２の入力バッファ２０−１に出力ポートａ宛パケット３１と出力ポートｂ宛パケット３３とが格納され、入力バッファ２０−２に出力ポートａ宛パケット３２が格納されているとする。この場合、中継機能部２１は、出力ポートａへ出力ポートａ宛パケット３１と出力ポートａ宛パケット３２のうちの一方を選択して出力することになる。例えば出力ポートａ宛パケット３２が先に出力ポートａへ出力され（図２の（１））、その後に出力ポートａ宛パケット３１が出力ポートａへ出力されたとする（図２の（２））。出力ポートｂ宛パケット３３は、出力ポートａ宛パケット３１が出力された後に出力される（図２の（３））ため、図２の右側の図に示すような順でパケットが出力される。図２の右側では、右側ほど早い時刻を示している。

出力ポートｂ宛パケット３３が出力ポートａ宛パケット３１より前（出力ポートｂ宛パケット３３が先頭）に格納されている場合には、出力ポートｂ宛パケット３３の出力と出力ポートａ宛パケット３２の出力とを同時に行うことができるが、上述したような図２に示した状況では、出力ポートｂ宛パケット３３の出力は、出力ポートａ宛パケット３１および出力ポートａ宛パケット３２の出力の後となり、パケット転送の遅延が大きくなってしまう。このような現象がＨｏＬである。

図３は、完全なＶｏＱを備える従来の入力バッファ型スイッチにおけるパケット転送の様子を示す図である。図３に示した入力バッファ型スイッチでは、各入力ポート＃１〜＃ｎに対して出力ポートごとに入力バッファ２０−１〜２０−２ｎを備えている。なお、ここでは説明を簡単にするため、出力ポートの数は２個としている。このような場合に、図２と同様に、入力ポート＃１から入力された出力ポートａ宛パケット３１および出力ポートｂ宛パケット３３が待機しており、入力ポート＃ｎから入力された出力ポートａ宛パケット３２が待機しているとする。この場合、出力ポートｂ宛パケット３３と出力ポートａ宛パケット３２は同時に出力され（図３の（１））、その後出力ポートａ宛パケット３１が出力される（図３の（２））。

図３の構成では、出力ポートａ宛パケット３１と出力ポートｂ宛パケット３３は異なる入力バッファ（入力バッファ２０−１と入力バッファ２０−２）に格納されているため、図２の例のような出力ポートｂ宛パケット３３の遅延は生じない。しかし、このように完全なＶｏＱを備える場合、ポート数が増えるとハードウエアが増大しコストも増大する。

そこで、本実施の形態では、ハードウエアの増大を防いでスループットの低下を防ぐために、入力回線１−１〜１−１６の数分の入力バッファ４−１〜４−１６を備える入力バッファ部の間の入力バッファ部側に、６つの入力から１つを選択してパケットを出力する６入力セレクタ３−１〜３−６を設置する。そして、さらにその６入力セレクタ３−１〜３−６の各入力には異なる１入力６出力分配機２−１〜２−６の出力の１つを接続し、１入力６出力分配機２−１〜２−６の入力には入力回線１−１〜１−６のうちの１つをそれぞれ接続した構成とする。

そして入力バッファ４−１〜４−６のうち未使用となる入力バッファ４−１〜４−６を重要な位置付けの機器を接続した入力回線（入力回線１−１〜１−６のうち１つ以上）の入力バッファとして追加して用い、各６入力セレクタ３−１〜３−６および各１入力６出力分配機２−１〜２−６を設定する。そして、入力されたパケットの宛先別にこれらの設定された入力バッファ４−１〜４−６に振り分けるようにすることで、スイッチ全体のスループットを向上させることができる。特に入力バッファを追加した入力回線のスループットを１００％またはそれに近い値にすることができる。

次に、本実施の形態の動作について説明する。図１の例では、入力回線１−７〜１−１６については、通常と同様に入力バッファ４−ｉ（ｉ＝７，８，…，１６）を入力回線１−ｉに１対１に直接接続している。一方、ポート＃１からポート＃６までの６ポートに対応する入力回線１−１〜１−６については、入力バッファ部と、１入力６出力分配機２−１〜２−６および６入力セレクタ３−１〜３−６を介して接続している。６入力セレクタ３−１〜３−６は、それぞれ１入力６出力分配機２−１〜２−６のうちの１つに接続されている。ここでは、６入力セレクタ３−ｉ（ｉ＝１，２，…，６）のｊ番目（ｊ＝１，２，…，６）の入力信号が、１入力６出力分配機２−ｊのｉ番目の出力信号にそれぞれ接続しているとする。そしてこれらの１入力６出力分配機２−１〜２−６の入力は、入力回線１−１〜１−６にそれぞれ接続されている。

まず、入力回線１−１〜１−１６の接続先、すなわち本実施の形態の入力バッファ型スイッチへデータを入力する装置が、サーバ（または上流のコアネットワーク機器）２台と、端末（または端末が接続されたネットワーク機器）１０台と、である場合を例に説明する。これらの装置全てを入力バッファ型スイッチへ通常と同様に接続すると４ポートが未使用の状態となる。これに対し、本実施の形態では、２台のサーバに接続した入力ポート（入力回線）を１入力６出力分配機２−１〜２−６の接続されたポートに接続し、端末１０台は、入力バッファに直接接続された入力ポート（入力回線１−７〜１−１６）に接続する。そして、１台目のサーバを入力回線１−１へ接続し、２台目のサーバを入力回線１−２に接続し、端末を入力回線１−７〜１−１６へ接続し、１入力６出力分配機２−１〜２−６および６入力セレクタ３−１〜３−６を以下のように設定する。なお、本実施の形態では、パケットの宛先の出力ポートにより分配するが、出力回線６−１〜６−１６が１対１にそれぞれ出力ポートに接続している。このため、以下の説明では、簡単のため、宛先の出力ポートに接続する出力回線６−１〜６−１６を、宛先の出力回線６−１〜６−１６と表現する。

（Ａ）６入力セレクタ３−１〜３−３の入力元を入力回線１−１に接続する１入力６出力分配機２−１とするよう設定する。そして、１入力６出力分配機２−１を、出力回線６−１，６−７〜６−９宛（出力回線６−１，６−７〜６−９が接続する出力ポート宛）のパケットを６入力セレクタ３−１へ入力し、出力回線６−２および６−１０〜６−１２宛のパケットを６入力セレクタ３−２に入力し、出力回線６−１３〜６−１６宛のパケットを６入力セレクタ３−３に入力するよう設定する。

（Ｂ）６入力セレクタ３−４〜３−６の入力元を入力回線１−２に接続する１入力６出力分配機２−２とするよう設定する。そして、１入力６出力分配機２−２を、出力回線６−１，６−７〜６−９宛のパケットを６入力セレクタ３−４へ入力し、出力回線６−２および６−１０〜６−１２宛のパケットを６入力セレクタ３−５に入力し、出力回線６−１３〜６−１６宛のパケットを６入力セレクタ３−６に入力するよう設定する。

６入力セレクタ３−１〜３−６は、上記（Ａ），（Ｂ）により自身に入力されるよう決定された入力元から入力されたパケットを自身に接続する入力バッファ４−１〜４−６へそれぞれ格納する。

図４は、上記の（Ａ），（Ｂ）の設定を行った場合の論理的接続関係の一例を示す図である。図４に示すように、上記の（Ａ），（Ｂ）の設定を行った場合は、入力回線１−１からの入力を宛先に応じて３つに分配する分配機１１−１と、入力回線１−２からの入力を宛先に応じて３つに分配する分配機１１−２と、を備えるのと同様の接続関係となる。

具体的には、入力回線１−１から入力されたパケットは、宛先に応じて以下のように分配される。
・出力回線６−１，６−７〜６−９宛てのパケット：入力バッファ４−１に格納（６入力セレクタ３−１経由）。
・出力回線６−２，６−１０〜６−１２宛てのパケット：入力バッファ４−２に格納（６入力セレクタ３−２経由）。
・出力回線６−１３〜６−１６宛てのパケット：入力バッファ４−３に格納（６入力セレクタ３−３経由）。

また、入力回線１−２から入力されたパケットは、宛先に応じて以下のように分配される。
・出力回線６−１，６−７〜６−９宛てのパケット：入力バッファ４−４に格納（６入力セレクタ３−４経由）。
・出力回線６−２，６−１０〜６−１２宛てのパケット：入力バッファ４−５に格納（６入力セレクタ３−５経由）。
・出力回線６−１３〜６−１６宛てのパケット：入力バッファ４−６に格納（６入力セレクタ３−６経由）。

図４に示すように、この場合、４つの出力ポート（出力回線６−３〜６−６）が未使用となる（図４では点線で示している）。

次に、上記（Ａ），（Ｂ）とは異なる設定例について説明する。ここでは、入力バッファ型スイッチへデータを入力する装置が、サーバ２台と、端末１２台と、であるとする。そして、１台目のサーバを入力回線１−１へ接続し、２台目のサーバを入力回線１−２に接続し、端末を入力回線１−５〜１−１６へ接続し、１入力６出力分配機２−１〜２−６および６入力セレクタ３−１〜３−６を以下のように設定する。

（ａ）６入力セレクタ３−１〜３−２の入力元を入力回線１−１に接続する１入力６出力分配機２−１とするよう設定する。そして、１入力６出力分配機２−１を、出力回線６−１，６−５〜６−１０宛のパケットを６入力セレクタ３−１へ入力し、出力回線６−２，６−１１〜６−１６宛のパケットを６入力セレクタ３−２に入力するよう設定する。

（ｂ）６入力セレクタ３−３〜３−４の入力元を入力回線１−２に接続する１入力６出力分配機２−２とするよう設定する。そして、１入力６出力分配機２−２を、出力回線６−１，６−５〜６−１０宛のパケットを６入力セレクタ３−３へ入力し、出力回線６−２，６−１１〜６−１６宛のパケットを６入力セレクタ３−４に入力するよう設定する。

（ｃ）６入力セレクタ３−５の入力元を入力回線１−５（端末に接続）に接続する１入力６出力分配機２−５とするよう設定する。そして、１入力６出力分配機２−５を、全出力ポート（出力回線）宛のパケットを６入力セレクタ３−５に入力するよう設定する。

（ｄ）６入力セレクタ３−６の入力元を入力回線１−６（端末に接続）に接続する１入力６出力分配機２−６とするよう設定する。そして、１入力６出力分配機２−６を、全出力ポート宛のパケットを６入力セレクタ３−６に入力するよう設定する。

６入力セレクタ３−１〜３−６は、上記（ａ）〜（ｄ）により自身に入力されるよう決定された入力元から入力されたパケットを自身に接続する入力バッファ４−１〜４−６へそれぞれ格納する。

図５は、上記（ａ）〜（ｄ）の設定を行った場合の論理的接続関係の一例を示す図である。図５に示すように、上記の（ａ）〜（ｄ）の設定を行った場合は、入力回線１−１からの入力を宛先に応じて２つに分配する分配機１２−１と、入力回線１−２からの入力を宛先に応じて２つに分配する分配機１２−２と、入力回線１−５からの入力を全ての宛先について入力バッファ４−５に出力する分配機１２−３と、入力回線１−６からの入力を全ての宛先について入力バッファ４−６に出力する分配機１２−４と、を備えるのと同様の接続関係となる。

図５に示すように、この場合、２つの出力ポート（出力回線６−３，６−４）が未使用となる（図５では点線で示している）。

このような構成を取ることによって、未使用の入力バッファをサーバのＶｏＱの一部として利用することができる。すなわち、例えば、サーバが１つの入力バッファを用いる場合、図３の例では、入力および出力ポート数が１２であるため、１２の宛先についてＨｏＬの発生の可能性がある。これに対し、上記（Ａ），（Ｂ）の設定例では、３つの入力バッファにそれぞれ４つの宛先（４つの出力ポート）のパケットを分配することで、サーバからの入力パケットについてはそれぞれ４つの宛先についてのＨｏＬに抑えることが可能となる。

また、状況により異なるが、一般には、１台のサーバが用いるそれぞれの入力バッファに対するパケットの入力帯域もサーバが１つの入力バッファを用いる場合に比べそれぞれ３分の１程度となるので、バッファあふれの発生も大きく抑えることが可能になる。またこの構成はポート数などを固定せず、柔軟に、利用状況、目的などに応じて分配数、分配可能ポートへの適用接続先（サーバ、端末）などを決定することができる。もちろん全ポートを利用するときには通常の入力バッファ型スイッチとして利用することができる。

なお、本実施の形態では、１入力６出力分配機２−１〜２−６および６入力セレクタ３−１〜３−６の回路が追加されることになる。しかし、これらの追加される回路は、基本構成としては、レジスタによる設定が可能であることは当然求められるが、動作中は１入力６出力分配機２−１〜２−６の分配内容、６入力セレクタ３−１〜３−６の選択先共に、いわゆる固定（レジスタによる半固定）で良い。このため、バッファなどのメモリも特に必要なく、多量の入力バッファを備える場合や高度なスケジューリング機能を追加する場合の回路量の増分に比較すれば、ハードウエアの追加量はずっと少なく済む。

従って、低価格、小規模を維持したまま、完全なＶｏＱを備えることなく、高負荷が予想される回線に対して高いスループットを実現することができる。特に未使用ポートが存在する場合は、未使用のままにされていたポートを有効利用し、スイッチ全体としての性能、およびデバイスの利用効率を向上させることができる。

なお、上記（Ａ），（Ｂ）および上記（ａ），（ｂ）の設定で、宛先ごとに分配する場合の宛先の振り分け方は、上述の例に限定されない。上記（Ａ），（Ｂ）の場合には、３つに分配するような振り分け方であればよく、上記（ａ），（ｂ）の場合は２つに分配するような振り分け方であればよい。

また、上述の例では、サーバが２台の場合に、入力回線１−１，１−２にそれぞれサーバを接続したが、これに限らず入力回線１−１〜１−６のいずれか２つにサーバを接続すればよい。そして、１入力６出力分配機は、前記のサーバを接続した入力回線に接続されているものを使用すればよい。

また、サーバが接続される入力回線に接続される１入力６出力分配機２−１〜２−６は、１入力６出力分配機２−１，２−２に限らず１入力６出力分配機２−１〜２−６のうちいずれか２つであればよい。そして、サーバが接続される入力回線に接続される１入力６出力分配機２−１〜２−６は、宛先ごとに入力されたパケットをｋ（上記（Ａ），（Ｂ）の場合はｋ＝３、上記（ａ），（ｂ）の場合はｋ＝２）個に振り分け、６入力セレクタ３−１〜３−６のうちのそれぞれｋ個ずつに入力するようにすればよい。

また、上述の例では、サーバが２台の場合を例に説明したが、本実施の形態の入力バッファ型スイッチに接続されるサーバおよび端末の台数は、上述の例に限定されない。ここでは、サーバからの入力パケットが端末より多いと想定し、サーバからの入力パケットを宛先ごとに２つ以上の入力バッファ４−１〜４−６を用いて転送を行っている。従って、各サーバから入力されるパケットをそれぞれ宛先ごとに２つずつに分配する場合は、６／２＝３台までのサーバが接続可能である。また、サーバによってトラフィック量が異なる場合等には、１台目のサーバには３つの入力バッファ４−１〜４−６を用い、２台目のサーバには２つの入力バッファ４−１〜４−６を用いるなど、サーバによって用いる入力バッファ４−１〜４−６の数を異なるようにしてもよい。

また、本実施の形態では、１入力６出力分配機２−１〜２−６と、６入力セレクタ３−１〜３−６を備えるようにしたが、Ｍ個（Ｍは２以上かつ総入力回線数以下の整数）の１入力Ｍ出力分配機と、Ｍ個のＭ入力セレクタを用いて本実施の形態と同様の動作を実施してもよい。

このように、本実施の形態では、入力回線１−１〜１−１６のうち入力回線１−１〜１−６にそれぞれ接続される１入力６出力分配機２−１〜２−６と、６入力セレクタ３−１〜３−６と、６入力セレクタ３−１〜３−６にそれぞれ接続される入力バッファ４−１〜４−６と、を備え、入力回線１−１〜１−６のうちのいずれか１つ以上にサーバを接続し、サーバから入力されたパケットを宛先ごとに２つ以上の入力バッファ４−１〜４−６に振り分けて格納するようにした。そのため、簡易なハードウエア構成で、高スループットを実現し、ポートの利用効率を向上させることができる。

実施の形態２．
図６は、本発明にかかる入力バッファ型スイッチの実施の形態２の機能構成例を示す図である。図６に示すように、本実施の形態の入力バッファ型スイッチは、１６入力１６出力の入力バッファ型スイッチであり、入力回線１−１〜１−１６と、１入力８出力分配機８−１〜８−４と、４入力セレクタ９−１〜９−４と、５入力セレクタ１０−１〜１０−４と、入力バッファ４−１〜４−１６と、出力回線６−１〜６−１６と、入力バッファ４−１〜４−１６に格納されたパケットを宛先の出力回線６−１〜６−１６へ出力するクロスバスイッチ部５と、５入力セレクタ１０−１〜１０−４および４入力セレクタ９−１〜９−４とバッファ４−１〜４−８とをそれぞれ接続する接続線７−１〜７−８と、を備える。

１入力８出力分配機８−１〜８−４は、４入力セレクタ９−１〜９−４および５入力セレクタ１０−１〜１０−４に接続される。また、１入力８出力分配機８−１の入力元は入力回線１−１であり、１入力８出力分配機８−２の入力元は入力回線１−２であり、１入力８出力分配機８−３の入力元は入力回線１−３であり、１入力８出力分配機８−４の入力元は入力回線１−４である。４入力セレクタ９−１〜９−４は、１入力８出力分配機８−１〜８−４を入力元とし、５入力セレクタ１０−１〜１０−４は、１入力８出力分配機８−１〜８−４および入力回線１−５〜１−８のうちの１回線を入力元とする。

実施の形態１では、６つの入力バッファをセレクタ（実施の形態１では、６入力セレクタ）の接続対象としたが、本実施の形態では、８つの入力バッファ（入力バッファ４−１〜４−８）をセレクタ（４入力セレクタ９−１〜９−４、５入力セレクタ１０−１〜１０−４）の接続対象としている。そして、入力回線１−５〜１−８については、１入力８出力分配機８−１〜８−４を介さずに、直接５入力セレクタ１０−１〜１０−４に接続している。すなわち、入力回線１−５〜１−８からの入力に対しては、パケットの分配が行われないため、スループットを向上させる対象のポートとはならない。しかし、入力回線１−５〜１−８に接続される入力バッファ４−５〜４−８は、以下の（１），（２）のいずれかの用途に用いることができる。

（１）未使用の入力バッファとして、他の入力回線のスループット改善のために用いられる入力バッファの１つとして使用される。
（２）通常の入力バッファとして用いられる。すなわち、５入力セレクタ１０−１〜１０−４に直接接続される入力回線１−５〜１−８から入力されるパケットを直接入力バッファ４−５〜４−８にそれぞれ出力する。

図６で示したような構成にすることにより、実施の形態１で述べたセレクタに接続される入力回線全てを対等に構成する場合と同様の効果を得つつ、実施の形態１より追加するハードウエア量を少なくする効果がある。

図７は、図６の構成の入力バッファ型スイッチの設定例を示す論理構成図である。図７では、入力バッファ型スイッチの入力元の装置が、サーバ３台と端末１０台である場合の設定例を示しており、入力回線１−１〜１−３には、サーバを１台ずつそれぞれ接続している。図７に示すように、入力回線１−１〜１−３から入力されるパケットを２つにそれぞれ分配する分配機１３−１〜１３−３を備えることと等価となる、サーバ１台につき１つの入力バッファを追加し合計２つの入力バッファを用いることとし、残りの入力バッファ４−７〜４−１６については、通常のポートとして１台ずつ端末を接続する。このときの各分配機、セレクタの設定を以下に示す。

（ｉ）入力回線１−１に接続する１入力８出力分配機８−１に対して、出力回線６−１〜６−９宛のパケットを４入力セレクタ９−１（入力バッファ４−１）へ出力し、出力回線６−１０〜６−１６宛のパケットを４入力セレクタ９−２（入力バッファ４−２）へ出力するよう設定する。

（ｉｉ）入力回線１−２に接続する１入力８出力分配機８−２に対して、出力回線６−１〜６−９宛のパケットを４入力セレクタ９−３（入力バッファ４−３）へ出力し、出力回線６−１０〜６−１６宛のパケットを４入力セレクタ９−４（入力バッファ４−４）へ出力するよう設定する。

（ｉｉｉ）入力回線１−３に接続する１入力８出力分配機８−３に対して、出力回線６−１〜６−９宛のパケットを５入力セレクタ１０−１（入力バッファ４−５）へ出力し、出力回線６−１０〜６−１６宛のパケットを５入力セレクタ１０−２（入力バッファ４−６）へ出力するよう設定する。

（ｉｖ）４入力セレクタ９−１および４入力セレクタ９−２の入力元を１入力８出力分配機８−１とし、４入力セレクタ９−３および４入力セレクタ９−４の入力元を１入力８出力分配機８−２とし、５入力セレクタ１０−１および５入力セレクタ１０−２の入力元を１入力８出力分配機８−３とし、５入力セレクタ１０−３の入力元を入力回線１−７とし、５入力セレクタ１０−４の入力元を入力回線１−８とする。

上記（ｉ）〜（ｉｖ）の設定を実施することにより、図７に示すように入力回線１−１〜１−３については、宛先ごとにパケットを２つに分配する分配機１３−１〜１３−３に接続されているのと同様の接続関係となる。

なお、ここでは各分配機（１入力８出力分配機８−１，８−２）が分配する出力ポート数について、１つ目の出力先（４入力セレクタ９−１，９−３）に対して９ポート（出力ポート１〜９）、２つ目の出力先（４入力セレクタ９−２，９−４）に対して７ポート（出力ポート１０〜１６）と偏っている。このような偏った設定は、例えば３台のサーバが他の２台とは基本的に異なる役割を担っていて、サーバ間の通信がサーバと端末の間の通信よりも少ない場合等に有効な設定である。すなわち、１つ目の出力先にはサーバ間の通信に用いる出力ポート（出力回線６−１〜６−３）を含んでいるため、割り当てる宛先出力ポート数を多めに設定している。もちろん、３台のサーバが、例えば同じ役割を持っていて、常にレプリケーションなどをサーバ間で行うような構成では、サーバ間の通信が多くなるため、上述の設定とは異なる設定とすればよい。このように、本実施の形態では、実施の形態１と同様の効果が得られるとともに、システムの利用状況に応じて各分配機が分配する出力先ごとの出力ポート数を設定することができる。本実施の形態では、このようにシステムに応じた最適な設定を行うことで、こうした個別の条件にそれぞれ対応させることが可能である。

実施の形態３．
図８は、本発明にかかる入力バッファ型スイッチの実施の形態３の機能構成例を示す図である。図８に示すように、本実施の形態の入力バッファ型スイッチは、１６入力１６出力の入力バッファ型スイッチであり、入力回線１−１〜１−１６と、１入力２出力分配機４１−１〜４１−４と、２入力セレクタ４２−１〜４２−４と、入力バッファ４−１〜４−１６と、出力回線６−１〜６−１６と、入力バッファ４−１〜４−１６に格納されたパケットを宛先の出力回線６−１〜６−１６へ出力するクロスバスイッチ部５と、接続線７−１〜７−８と、を備える。

１入力２出力分配機４１−１の一方の出力は、接続線７−１によりバッファ４−１に接続される。２入力セレクタ４２−１とバッファ４−２は接続線７−２により接続される。同様に、１入力２出力分配機４１−２，３，４の一方の出力は接続線７−３，７−５，７−７によりそれぞれバッファ４−３，４−５，４−７に接続され、２入力セレクタ４２−２，４２−３，４２−４とバッファ４−４，４−６，４−８は接続線７−４，７−６，７−８によりそれぞれ接続される。また、２入力セレクタ４２−１〜４２−４の一方の入力にそれぞれ１入力２出力分配機４１−１〜４１−４を接続し、他方の入力に入力回線（入力回線１−２，１−４，１−６，１−８）をそれぞれ接続する。そして、各１入力２出力分配機４１−１〜４１−４は、入力回線１−１〜１−８のうち、２入力セレクタ４２−１〜４２−４に直接接続されていない入力回線（入力回線１−１，１−３，１−５，１−７）を入力元とする。

ここで、本実施の形態の効果を検証するため、トラヒックシミュレーションを実施した結果を以下に示す。ここでは、従来の入力バッファ型スイッチに、宛先（出力ポート）が全出力ポート宛に均等にランダムになるような固定長パケットを１００％の帯域でそれぞれの入力ポートに入力し、ランダムシードを変えて２回、それぞれのランダムシードについて約２０万回のパケット交換を行ったときのスループットの平均を回線数ごとに示している。

シミュレーション結果＃１
（０−１） ４入力４出力：スループット平均値６５．５％
（０−２） ８入力８出力：スループット平均値６１．８％
（０−３） １０入力１０出力：スループット平均値６１．２％
（０−４） １２入力１２出力：スループット平均値６０．７％
（０−５） １４入力１４出力：スループット平均値６０．４％

これらの値については古くから検証が行われており、それとの比較でも上記のシミュレーション結果は特に問題のない値である。比較すべき文献としては以下がある。
M．Karol et．al．，“Input versus output queuing on a space division switch”，ＩＥＥＥ Trans．Commun．，vol．35 no．12 pp1347−1356，1987．

次に、入出力ポート数がそれぞれ１６である入力バッファ型スイッチ（１６ポートの入力バッファ型スイッチ）に、所定の台数の入力元の装置を接続し、入力元の装置ごとにそれぞれ以下の分配条件（ＶｏＱ化の内容）で入力パケットを分配して入力バッファを用いる場合のシミュレーション結果を示す。なお、入力パケットについては、上述のシミュレーション結果＃１と同様の条件でランダムに入力している。

図９は、４台の装置を接続し、４ポートに出力する場合のシミュレーション結果の一例を示す図である。ＶｏＱ化の内容には、入力元の装置ごと（入力回線ごと）の分配条件（複数の入力バッファを用いるか否か、また複数の入力バッファを用いる場合にはいくつの入力バッファに分配するか）を示している。また、スイッチ構成は、クロスバスイッチ部５への入出力数を示している。

なお、図９の「（２）宛先、帯域割当 １：１：２」とは、入力回線ごとに３つの入力バッファ（ＶｏＱ）を用い、これら３つの入力バッファの宛先数の割り当てを、１つ目の入力バッファから順に出力ポート＃１宛、出力ポート＃２宛、出力ポート＃３および＃４宛のように、出力ポートの数を１：１：２となるよう割り当てたことを示している。上述のように、宛先の発生は均等で、パケット長が全て固定で同じであるため、帯域割り当ても割り当て出力ポート数の比と同じになる。ただし、４つの分配機（入力回線ごとにパケットを分配する分配機を備えている）の、２つの出力ポートを１つの入力バッファに割り当てる出力先（出力ポート）については、出力ポートを巡回させるよう設定した。すなわち、例えば、入力回線＃１のパケットを分配する分配機では上記設定であるが、入力回線＃２の分配機では出力ポート＃４および出力ポート＃１宛を１つの出力先（入力バッファ）、入力回線＃３の分配機では出力ポート＃１および出力ポート＃２宛を1つの出力先、入力回線＃４の分配機では出力ポート＃２および出力ポート＃３宛を１つの出力先のように設定する。

図９では、当然ながら基本的な入力バッファ型の構成（入力回線当たり１つの入力バッファ：図９（０−１））から完全ＶｏＱを備える構成（図９（３））に近づくにつれてスループットが向上することを明確に示している。注目すべきは２ポートに分配したとき（図９（１））で、基本的な入力バッファ型の構成（図９の（０−１））に対するスループットの改善が大きく、２ポートに分配するだけで９０％近くに達している。完全ＶｏＱを備える構成（図９（３））では、特に難しいスケジューラを実装しなくても、均等のトラヒックにおいてはほぼ１００％といえる９９．５％程度のスループットが得られる。なお、完全ＶｏＱを備える構成で廃棄数（少）としているが、当然図９（１）および図９（２）の場合に比較すると廃棄数は０．５％と少ない。

また、図９（２）の場合において、不均等に各ポートへ宛先を振り分けた結果、最大の帯域（宛先ポート数が２）を割り当てた入力バッファのみ廃棄が発生し、宛先ポート数が１の入力バッファでは廃棄が発生していないことも注目すべきことである。総じて一部のポートのＶｏＱ化（入力バッファを複数用いる）は、ＶｏＱの１つとして用いられる入力バッファでは廃棄０を達成し、入力回線単位で見ると（ＶｏＱ化した入力回線では）スループット１００％を実現することも可能となる。

次に、１６ポートの入力バッファ型スイッチに８台の装置を接続する場合について説明する。図１０は、１６ポートの入力バッファ型スイッチに８台の装置を接続する場合のシミュレーション結果の一例を示す図である。

図１０の「（５）宛先、帯域割当 ３：３：２」とは、上述の図９（２）と同様に各入力回線に接続された３つの入力バッファ（ＶｏＱ）の宛先（出力ポート）数の割り当てを、１つ目の入力バッファから順に、出力ポート＃１〜＃３宛、出力ポート＃４〜＃６宛、出力ポート＃７および＃８宛にそれぞれ割り当てたことを示す。当該構成では、これらのＶｏＱ展開した（入力パケットを複数に分配した）入力バッファでの廃棄はない。このため、ＶｏＱ展開した４つの入力回線はスループットが１００％となった。

また図１０（６），（７）の「宛先・帯域割当 ４：４」とは、上述の図１０（５）と同様に各入力回線に分配機を介して論理的に接続された２つの入力バッファ（ＶｏＱ）の宛先数の割り当てを、１つ目の入力バッファから順に出力ポート＃１〜＃４宛、ポート＃５〜＃８宛のように、４ポートずつ割り当てたことを示す。

図１０の結果から見てとれる傾向をまとめると以下のようになる。
・分配する入力回線が多い方が全体としてのスループットは良い。
・一部の入力を分配する場合、３つに分配すれば廃棄０がほぼ期待でき、十分である。
・２つに分配するだけでも入力回線単位のスループットとしては十分なスループットが得られる。

なお、図１０（６）における廃棄状況は、分配のない１００％入力の回線では廃棄率が４８．６％であり、分配した入力回線では１．８％である。廃棄率が１．８％については、廃棄率が多いか少ないかの解釈は観点により異なるが、通常の運用では十分な性能と言うことができる。

次に、１６ポートの入力バッファ型スイッチに１０台の装置を接続する場合について説明する。図１１は、１６ポートの入力バッファ型スイッチに１０台の装置を接続する場合のシミュレーション結果の一例を示す図である。

図１１（８）の「宛先、帯域割当 ３：３：４」の意味は、上述の図１０（５）等と同様で、ここでは１０の宛先を３：３：４に振り分けている。図１１の例でも、やはり図１１（８）のように３つに分配した入力回線は廃棄がなくスループットが１００％となった。図１１（９），（１０）で２つに分配した入力回線はスループットがそれぞれ７５．６％，７１．４％となって廃棄なしとはならなかったが、これも通常の運用では十分な性能と言うことができる。

一方、未分配の入力回線のスループットは、図１１（９）は４８．４％、図１１（１０）は５２．８％、図１１（１１）は５７．４％であった。図１１の１０入力１０出力（図１１（０−３））の基本構成でのスループットは６１．２％であり、これがそのまま各入力回線のスループットであるので、図１１（９）〜（１１）はどれも基本構成のときよりスループットは低下している。

このように、傾向として、分配された入力回線は当然ながらキューが増えた分宛先出力ポートから選択される機会が分配されなかった入力回線よりも大きく増加して自らのスループットを限界に近づける一方、他（分配されない入力回線）を押し下げてしまう。このような傾向は、全ての接続ポートで均等帯域が望ましいようなシステムでは問題となるが、サーバと端末のように帯域が不均等な創始を接続する場合は逆に適当ということができる。なお、シミュレーションそのものはこうした傾向を掴むためにもまずは宛先均等で行う必要がある。

次に、１６ポートの入力バッファ型スイッチに１２台の装置を接続する場合について説明する。図１２は、１６ポートの入力バッファ型スイッチに１２台の装置を接続する場合のシミュレーション結果の一例を示す図である。

図１２（１２），（１３）の「宛先、帯域割当 ６：６」の意味は、上述の図１０（６）等と同様で、ここでは１２の宛先を６：６に振り分けている。図１２（１２），（１３）の２つに分配した入力回線のスループットは１００％で廃棄は観測されなかった。

ただし、これらのＶｏＱ内のパケットの待機状態を見る限り、図１２（１２）はシミュレーションを長時間続ければパケット廃棄が発生する可能性がある結果であり、図１２（１３）はシミュレーションを長時間続けてもパケット廃棄が発生しないと思われる結果であり、分配を適用する入力回線数を減らすに従って廃棄が減っていった図１１に示した１０出力の結果を踏襲するものであると言うことができる。

次に、１６ポートの入力バッファ型スイッチに１４台の装置を接続する場合について説明する。図１３は、１６ポートの入力バッファ型スイッチに１４台の装置を接続する場合のシミュレーション結果の一例を示す図である。

図１３（１４）の「宛先、帯域割当 ７：７」の意味は、上述図１０（６）等と同様である。この場合、２入力をそれぞれ２つに分配するだけで廃棄は発生していない。なお分配のない入力回線のスループットは５７．８％であり、分配した入力回線が少ない分、１４入力１４出力の基本構成（図１３（０−５）の値である６０．４％に対してスループットは低下しているが、低下量は少なくなっている。

図１３の結果から、特に分配によって効果を得たい回線において２つに分配するだけで１００％のスループットになるなど、十分な効果が得られることが確認できる。従って、実施の形態１，２で述べたように、一部の入力回線のパケットを分配する構成をとることにより、スループットの向上が見込める。

ここで、特に分配について上述のシミュレーション結果から推測できる傾向をまとめると以下のようになる。
・分配を適用した入力回線のスループットは向上する。
・分配を適用する入力回線数が多いほど全体のスループットが向上する。
・全入力回線数の２分の１以下の入力回線に分配を適用する場合、分配を適用する入力回線について、それぞれ３つに分配すると１００％のスループットをほぼ達成し、それぞれ２つに分配すると９０％以上のスループットをほぼ達成する。
・全入力回線数の３分の１以下の入力回線に分配を適用する場合、それぞれ２つに分配するだけでほぼ１００％の十分なスループットを達成する。

以上から、分配機とセレクタを実装するに当たり、明らかに通信形態の異なる機器（サーバと端末群など）を接続する場合には以下の特徴に基づいて構成することが望ましい。
・実施の形態１の図１や実施の形態２の図６に既に示したように、スイッチの入力回線のうち半分程度以下を分配の対象とする。
・分配機の分岐数は最大で３とし、多くの分配機では２つとするのが適当である。
・セレクタの入力数も分配機の分岐数に基づいて１つ当たり２つから多くても４つ程度の入力数となる。

図８に示した構成例は、これらの特徴を踏まえた構成例である。この構成は、かなり割り切った構成であり、入力回線１−１，１−３，１−５，１−７を分配対象とし、８つの入力回線１−１〜１−８に対して２つの入力回線毎に、分配機（１入力２出力分配機４１−１〜４１−４）とセレクタ（２入力セレクタ４２−１〜４２−４）とを１つずつ備える。そして、各セレクタの一方の入力に分配機を接続し、他方の入力に入力回線（入力回線１−２，１−４，１−６，１−８）を接続する。そして、各分配機は、入力回線１−１〜１−８のうち、セレクタに直接接続されていない入力回線（入力回線１−１，１−３，１−５，１−７）を入力元とする。

そして、サーバ等のトラフィックの多い装置を分配対象の入力回線１−１，１−３，１−５，１−７へ接続し、端末等のトラフィックの多くない装置を入力回線１−９〜１−１６および必要に応じて入力回線１−２，１−４，１−６，１−８、さらには入力回線１−１，１−３，１−５，１−７のうち使用可能なものへ接続すればよい。これにより、実施の形態１、実施の形態２と同様に、サーバ等については入力パケットを２分配することによりスループットが向上する。また、入力回線１−１〜１−８へ端末等を接続した場合には、通常の入力バッファ型スイッチと同様に入力パケットを分配しないように設定することができる。

この構成は、２分配で十分な効果を得られるという上記シミュレーション結果を強く反映したものである。また入力バッファ型スイッチの基本構成に対して分配機、セレクタとして加えられるハードウエア量も非常に少ない構成ということができる。

以上のように、本実施の形態では、２つの入力回線毎に、分配機（１入力２出力分配機４１−１〜４１−４）とセレクタ（２入力セレクタ４２−１〜４２−４）とを１つずつ備え、各セレクタの一方の入力に分配を接続し、他方の入力に入力回線を接続し、各分配機は、セレクタに直接接続されていない入力回線とするようにした。そのため、簡易なハードウエア構成で、高スループットを実現し、ポートの利用効率を向上させることができる。

実施の形態４．
図１４は、本発明にかかる入力バッファ型スイッチの実施の形態４の機能構成例を示す図である。図１４に示すように、本実施の形態の入力バッファ型スイッチは、入力回線１−８，１−１１〜１−１６と、１入力３出力分配機４３−１〜４３−４と、２入力セレクタ４４−１〜４４−６と、入力バッファ４−１〜４−１６と、出力回線６−１，６−２，６−４〜６−７，６−９〜６−１６と、入力バッファ４−１〜４−１６に格納されたパケットを宛先の出力回線６−１，６−２，６−４〜６−７，６−９〜６−１６へ出力するクロスバスイッチ部５と、接続線７−１〜７−１０と、を備える。

１入力３出力分配機４３−１の一つの出力は、接続線７−１によりバッファ４−１に接続される。２入力セレクタ４４−１とバッファ４−２、２入力セレクタ４４−２とバッファ４−３、はそれぞれ接続線７−２，７−３により接続される。１入力３出力分配機４３−２の一つの出力は、接続線７−４によりバッファ４−４に接続される。２入力セレクタ４４−３とバッファ４−５は接続線７−５により接続される。１入力３出力分配機４３−３の一つの出力は、接続線７−６によりバッファ４−６に接続される。２入力セレクタ４４−４とバッファ４−７、２入力セレクタ４４−５とバッファ４−８、はそれぞれ接続線７−７，７−８により接続される。１入力３出力分配機４３−４の一つの出力は、接続線７−９によりバッファ４−９に接続される。２入力セレクタ４４−６とバッファ４−１０は接続線７−１０により接続される。

また、１入力３出力分配機４３−１の２つの出力（接続線７−１へ接続されていない出力）は、２入力セレクタ４４−１，４４−２の入力にそれぞれ接続される。１入力３出力分配機４３−２の２つの出力（接続線７−４へ接続されていない出力）は、２入力セレクタ４４−２，４４−３の入力にそれぞれ接続される。１入力３出力分配機４３−３の２つの出力（接続線７−６へ接続されていない出力）は、２入力セレクタ４４−４，４４−５の入力にそれぞれ接続される。１入力３出力分配機４３−４の２つの出力（接続線７−９へ接続されていない出力）は、２入力セレクタ４４−５，４４−６の入力にそれぞれ接続される。このように、２入力セレクタ４４−１，４４−３，４４−４，４４−６（第１のセレクタ）は、一方の入力を入力回線（入力回線１−２，１−４，１−６，１−８）とし、他方の入力を分配機（１入力３出力分配機４３−１〜４３−４）としている。２入力セレクタ４４−２，４４−５（第２のセレクタ）は、２つの入力を両方とも分配機としている（２入力セレクタ４４−２は、１入力３出力分配機４３−１，４３−２を入力とし、２入力セレクタ４４−５は、１入力３出力分配機４３−３，４３−４を入力としている）。

図１４に示した本実施の形態の構成例は若干極端な例で、ハッチングをした２つの入力バッファ（入力バッファ４−３，４−８）は、入力回線と単独で接続する手段はあるもののこうした利用を前提とせず、分配先専用の入力バッファとしている。従って、図１４では入力回線１−９，１−１０をなくし、入力バッファ４−３，４−８の２つ分に対応する出力回線を削除している。図１４に示した構成例は、最大３つの分配までを考慮した構成である。また、分配機（１入力３出力分配機４３−１〜４３−４）は４つあるため、分配を適用可能なのは４つの入力回線であるが、３つの出力先へ分配する場合には２つの入力回線まで適用可能である。

図１４の構成例では、分配機（１入力３出力分配機４３−１〜４３−４）は、１つの入力バッファ（入力バッファ４−１等）と直接接続しており、分配を行わない場合は直接接続された入力バッファを使用する。セレクタに接続される入力バッファのうち、接続するセレクタ（例えば２入力セレクタ４４−１等）が直接入力回線に接続されている場合（入力バッファ４−２等）は、入力回線から入力されるパケットが分配せずに格納されるか、または、セレクタが接続される分配機が分配したパケットが格納される。入力バッファのうち、接続するセレクタ（例えば２入力セレクタ４４−２，４４−５）が２つの分配機に接続されている入力バッファ（入力バッファ４−３，４−８）は、いずれかの分配機により分配されたパケットが格納される。

本実施の形態の構成も、入力回線を減らしてしまうなど、分配機、セレクタを含めた追加ハードウエア量としては少なくなっている。また近年の入力回線は高速化されていることから電力消費が無視できず、実装しないで済むのであれば余計な電力を消費せずに済むという観点から有効な構成と考えられる。

以上、実施の形態１〜実施の形態４で述べたように、様々な構成とすることが可能であるが、図６の構成例は様々な条件に対応可能な柔軟性があり、図８の構成例はシンプルさで適用しやすく実用性も高く、用途や考慮する条件に応じて構成を選択すればよい。

なお、実施の形態１〜実施の形態４で述べた各種の分配機およびセレクタは、入力バッファ型スイッチの基本構成を含めて１つのＬＳＩに実装することが最も有効であると考えられる。しかし、これに限らず、ＬＳＩに実装するのは入力バッファ型スイッチの基本構成のみ（分配機とセレクタ以外）とし、分配機とセレクタは外部で構成することも可能である。その場合は、構成の自由度が圧倒的に増すが、装置全体の価格としては上がる傾向にあると考えられる。もちろん、自由度の高さが価格のデメリットを跳ね返す場合もあり得る。その場合は製品として十分に成立する。

また、以下に分配機の実装形態について述べる。分配は複数の入力バッファを利用した不完全ＶｏＱを構成するための機能であり、宛先出力ポート別に分配することが大前提である。その上で、分配の仕方は様々である。図４、図５および図７のどの例でもそうであったが、割り当てる出力ポート数は分配先毎に均等である必要はない。これは適用する環境に応じて自由に設定できるのが望ましい。

また、ネットワークの使い方は運用開始後にも変化するものであり、組織変更や新規サービスの開始などでも変化する。従って、分配機およびセレクタの設定を変更することで自由に、任意のタイミングで分配の論理構成を変換できるようにしておく。

なお、分配機のハードウエア量を少し増加させても良ければ、分配機にバッファを実装し、また宛先出力ポートと分配先の設定を変更する機能を実装し、さらに出力ポート単位で帯域（トラフィック量）を測定する機能を持たせ、分配帯域の偏りをなくすように随時設定を変更し、入力バッファでの廃棄を抑えるような機能を実装することも有効である。ただし、帯域の測定のみ分配機で行い、分配機やセレクタを設定するソフトウエア（ファームウエア）がその情報を取得して最適な分配割り当てを計算し、変更すべきときには設定し直すのがハードウエアとソフトウエアの役割分担として適当である。分配機にバッファを実装するのは、設定を変更する際、入力パケットの順番の逆転を防ぐために切り替える前の分配先の入力バッファが空になるのを確認してから切り替える必要があるためである。

また、分配帯域の偏りをなくすように随時設定を変更する切替を、分配機が、分配先の入力バッファの待機状態を監視することで行うようにしてもよい。この場合、例えば、待機状態の良くない（待機が多く発生している）分配先の入力バッファに割当てている宛先出力ポートの１つを、空きの状態が多い分配先へ切り替える。切替の際は上記のように、パケットの順番を保持する制御を行うのが望ましい。

なお、設定変更の切替については、測定などを行ってどう設定するのが最適であるかを決めておき、運用によってサービス停止・切替を行うようにしてもよい。このようにすると分配機にバッファなどの実装は不要となり、追加のハードウエア量を低く抑えることができる。

以上に示したように、宛先出力ポート単位で扱うという前提の下、分配割り当ての決定手段についても様々な方式が適用可能である。

１−１〜１−１６ 入力回線
２−１〜２−６ １入力６出力分配機
３−１〜３−６ ６入力セレクタ
４−１〜４−１６，２０−１〜２０−ｎ 入力バッファ
５ クロスバスイッチ部
６−１〜６−１６ 出力回線
７−１〜７−１０ 接続線
８−１〜８−４ １入力８出力分配機
９−１〜９−４ ４入力セレクタ
１０−１〜１０−４ ５入力セレクタ
１１−１，１１−２，１２−１〜１２−４，１３−１〜１３−３ 分配機
２１ 中継機能部
３１，３２ ａ宛パケット
３３ ｂ宛パケット
４１−１〜４１−４ １入力２出力分配機
４２−１〜４２−４，４４−１〜４４−６ ２入力セレクタ
４３−１〜４３−４ １入力３出力分配機
ａ，ｂ 出力ポート

Claims (11)

1. Ｎ（Ｎは１以上の整数）本の入力回線から入力されるデータを前記データの宛先の出力回線に出力する入力バッファ型スイッチであって、
   Ｍ（ＭはＮ以上の整数）個の入力バッファと、
   前記Ｍ個の入力バッファに格納されたデータを当該データの宛先の出力回線に出力するスイッチ部と、
   １つの前記入力回線と接続され、接続された入力回線から入力されるデータを宛先の出力回線に基づいて２つ以上に分配して出力可能な１つ以上の分配機と、
   前記Ｍ個の入力バッファのうちの１つと接続され、１つ以上の前記分配機と接続され、接続される前記分配機のうちの１つを入力元として選択して、選択した入力元から出力されたデータを、接続する前記入力バッファに格納するセレクタと、
   を備えることを特徴とする入力バッファ型スイッチ。
2. 前記分配機および前記セレクタをＬ（Ｌは１以上の整数）個備え、
   Ｌ個の前記セレクタは、それぞれがＬ個の前記分配機と接続される、ことを特徴とする請求項１に記載の入力バッファ型スイッチ。
3. 前記分配機をＬ（Ｌは１以上の整数）個備え、
   前記セレクタを２Ｌ個備え、
   ２Ｌ個のセレクタのうちＬ個の前記セレクタである第１のセレクタは、それぞれがＬ個の前記分配機と接続され、
   ２Ｌ個のセレクタのうち前記第１のセレクタ以外のセレクタである第２のセレクタは、それぞれが前記入力回線およびＬ個の前記分配機と接続され、接続される前記入力回線およびＬ個の前記分配機のうちの１つを入力元として選択して、選択した入力元から出力されたデータを、接続する前記入力バッファに格納する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の入力バッファ型スイッチ。
4. 前記分配機および前記セレクタをＬ（Ｌは１以上の整数）個備え、
   前記セレクタは、前記入力回線および前記分配機と接続され、接続される前記入力回線および前記分配機のうちの１つを入力元として選択して、選択した入力元から出力されたデータを、接続する前記入力バッファに格納する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の入力バッファ型スイッチ。
5. 前記分配機をＬ（Ｌは１以上の整数）個備え、
   前記セレクタをＫ（ＫはＬ以上の整数）個備え、
   前記分配機は、分配したデータの出力先の１つを前記入力バッファとし、
   Ｋ個のセレクタのうちＬ個の前記セレクタである第１のセレクタは、それぞれが前記入力回線および前記分配機と接続され、接続される前記入力回線および前記分配機のうちの１つを入力元として選択して、選択した入力元から出力されたデータを、接続する前記入力バッファに格納し、
   Ｋ個のセレクタのうち前記第１のセレクタ以外のセレクタである第２のセレクタは、２つ以上の前記分配機と接続される、ことを特徴とする請求項１に記載の入力バッファ型スイッチ。
6. 前記分配機は、宛先の出力回線と分配したデータの出力先との対応を変更可能とする、ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の入力バッファ型スイッチ。
7. 前記分配機は、宛先の出力回線と分配したデータの出力先との対応を動作中は固定とする、ことを特徴とする請求項６に記載の入力バッファ型スイッチ。
8. 前記分配機は、宛先の出力回線ごとのトラフィック量を監視し、前記トラフィック量に基づいて宛先の出力回線と分配したデータの出力先との対応を変更する、ことを特徴とする請求項６に記載の入力バッファ型スイッチ。
9. 前記分配機は、分配したデータが格納される入力バッファの滞留状態を監視し、滞留が多く発生している入力バッファへ格納されるデータのうちの少なくとも一部が滞留が少ない入力バッファへ格納されるよう、宛先の出力回線と分配したデータの出力先との対応を変更する、ことを特徴とする請求項６に記載の入力バッファ型スイッチ。
10. 前記分配機は、
    宛先の出力回線と分配したデータの出力先との対応を変更する際に、パケット廃棄を発生させないよう入力されたデータをバッファリングするためのバッファ、
    を備える、ことを特徴とする請求項６〜９のいずれか１つに記載の入力バッファ型スイッチ。
11. 入力バッファ型スイッチにおいて、Ｎ（Ｎは１以上の整数）本の入力回線から入力され入力バッファに格納されたデータを当該データの宛先の出力回線に出力するスイッチ部への入力を行う入力装置であって、
    Ｍ（ＭはＮ以上の整数）個の入力バッファと、
    １つの前記入力回線と接続され、接続された入力回線から入力されるデータを宛先の出力回線に基づいて２つ以上に分配して出力可能な１つ以上の分配機と、
    前記Ｍ個の入力バッファのうちの１つと接続され、１つ以上の前記分配機と接続され、接続される前記分配機のうちの１つを入力元として選択して、選択した入力元から出力されたデータを、接続する前記入力バッファに格納するセレクタと、
    を備えることを特徴とする入力装置。

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