JP2016134130A - マルチリングネットワーク - Google Patents

Abstract

【課題】故障への耐性を向上させることのできるマルチリングネットワークを得る。
【解決手段】リングネットワーク３ａとリングネットワーク３ｂとは同心円状に配置されている。リングネットワーク３ａは、プロセッサ１ａ〜１ｃが接続され、リングネットワーク３ｂはプロセッサ１ｄ〜１ｈが接続されている。二つのスイッチ２ａ，２ｂはリングネットワーク３ａ，３ｂに跨るように二つのリングネットワーク３ａ，３ｂを接続する。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数のプロセッサ間のネットワーク接続を行うマルチリングネットワークに関するものである。

プロセッサ間のネットワークには、例えば非特許文献１で示されるバス型及びスター型をはじめ、非特許文献２で示されるライン、リング、ツリー、フルコネクト、２次元メッシュ、２次元トーラスと様々な形がある。このうち、スター型は、スイッチ（ハブ）を必要とする代わりに、プロセッサ間の接続距離が近く、プロセッサが必要とする腕も１本で良いという特徴がある。一方、ラインやリング型では、スイッチが不要な代わりに、プロセッサ間の接続距離が長くなり、必要とする腕も２本になる。ツリー以上では、距離は短くなる代わりに、必要とする腕が増える。その中、例えば特許文献１に示された装置では、リングの連結による拡張を行っていた。

特開平１０−３２２３７８号公報

竹下・荒井・苅田共著，「マスタリングＴＣＰ／ＩＰ入門編」オーム社，１９９４ Ｈｉｓａ Ａｎｄｏ著，「コンピュータアーキテクチャ技術入門」技術評論社，２０１４

しかしながら、例えば、特許文献１に示された従来の装置では、例えば、リングを連結するスイッチが故障した場合、リング型ネットワークを跨いだプロセッサ間通信が行えない、といった故障への耐性が低いという問題があった。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、故障への耐性を向上させることのできるマルチリングネットワークを得ることを目的とする。

この発明に係るマルチリングネットワークは、複数のプロセッサをリング型に接続したリング型ネットワークを複数備え、かつ、複数のリング型ネットワークの全てに接続するための端子を有するスイッチを複数備えたものである。

この発明のマルチリングネットワークは、複数のリング型ネットワークの全てに接続するための端子を有するスイッチを複数備えたので、故障への耐性を向上させることができる。

この発明の実施の形態１によるマルチリングネットワークを示すブロック構成図である。 この発明の実施の形態２によるマルチリングネットワークを示すブロック構成図である。 スター型での故障対策として、スイッチを二重化する例を示すブロック構成図である。 この発明の実施の形態３によるマルチリングネットワークを示すブロック構成図である。 この発明の実施の形態４によるマルチリングネットワークを示すブロック構成図である。 この発明の実施の形態５によるマルチリングネットワークを示すブロック構成図である。 三つのリングネットワークを二つのスイッチで接続した例を示す構成図である。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１によるマルチリングネットワークを示すブロック構成図である。
図示のマルチリングネットワークは、８個のプロセッサ１ａ〜１ｈと、２個のスイッチ２ａ，２ｂと、二つのリングネットワーク３ａ，３ｂとを用いて構成されている。プロセッサ１ａ〜１ｈは、それぞれ２口の接続ポートを持ち、リングネットワーク３ａ，３ｂを介してデータを転送するプロセッサであり、プロセッサ１ａ〜１ｃがリングネットワーク３ｂに、プロセッサ１ｄ〜１ｈがリングネットワーク３ａに接続されている。スイッチ２ａ，２ｂは、４口の接続ポートを持ち、プロセッサ間のデータ転送を仲介するためのスイッチであり、これらスイッチ２ａ，２ｂは、二つのリングネットワーク３ａ，３ｂ間を接続するよう配置されている。

このようなマルチリングネットワークにおいて、プロセッサ１ａ〜１ｈのそれぞれがボード１枚ずつで構成され、スイッチ２ａ，２ｂのそれぞれもボード１枚ずつで構成されるとした場合、ボード１０枚収納の筐体に収めることができる。

次に、マルチリングネットワークの構成方法について説明する。
・リングネットワーク３ａは、プロセッサ１ｄ，１ｅ，１ｆ，１ｇ，１ｈをリング状に繋いだネットワークを形成する。
・リングネットワーク３ｂは、プロセッサ１ａ，１ｂ，１ｃをリング状に繋いだネットワークを形成する。
・この二つのリングネットワーク３ａ，３ｂに跨がるように、スイッチ２ａ，２ｂを挿入する。
なお、二つのリングネットワーク３ａ，３ｂは、図面上では同心円の複数のリングとして示しており、二つのスイッチ２ａ，２ｂは、それぞれのリングネットワーク３ａ（または３ｂ）上の接続、及び二つのリングネットワーク３ａ，３ｂ間の直接接続を行う機能を有している。これにより、単一故障であれば、故障が発生しても、ネットワーク上で孤立するプロセッサが無い状態を維持できる。

例えば、プロセッサ１ａに故障が生じても、プロセッサ１ｂは、プロセッサ１ｃを介してスイッチ２ｂと繋がっており、ネットワーク上で孤立しない。従って、プロセッサ１ｂは、故障したプロセッサ１ａ以外であれば、どのプロセッサとも、データを送受信することができる。このプロセッサ１ｂの送受信の際、プロセッサ１ｃは、その送受信を中継する役割を担う。また、スイッチ２ａに故障が生じても、プロセッサ１ａは、プロセッサ１ｂとプロセッサ１ｃを介してスイッチ２ｂと繋がっており、どのプロセッサとも、データを送受信することができる。結果、故障が生じても、スター型とライン型の混合構成となるネットワークを形成することができる。

以上の構成により、実施の形態１のマルチリングネットワークでは、故障が生じても、プロセッサの孤立が無いネットワークを維持したまま、装置を利用することができる。

以上説明したように、実施の形態１のマルチリングネットワークによれば、複数のプロセッサをリング型に接続したリング型ネットワークを複数備え、かつ、複数のリング型ネットワークの全てに接続するための端子を有するスイッチを複数備えたので、故障への耐性を向上させることができる。

また、実施の形態１のマルチリングネットワークによれば、複数のスイッチのうち、いずれかのスイッチが故障した場合、故障したスイッチに接続されたプロセッサは、故障したスイッチとは逆方向の接続でデータの送受信を行い、かつ、送受信を行う方向に位置するプロセッサがデータの転送を仲介するようにしたので、スイッチの故障が生じても、プロセッサの孤立が無いネットワークを維持することができる。

実施の形態２．
図２は、実施の形態２のマルチリングネットワークを示すブロック構成図である。
実施の形態２では、二つのスイッチ２ａ，２ｂ間を直接接続する接続路４を設けている。このため、実施の形態２のスイッチ２ａ，２ｂでは、それぞれが５口の接続ポートを有している。また、実施の形態２では、全てのプロセッサ１ａ〜１ｈが、いずれかのスイッチ２ａ，２ｂに必ず接続されるよう構成されている。これ以外の構成は図１に示した実施の形態１と同様であるため、ここでの説明は省略する。

実施の形態２の構成では、スイッチ２ａ，２ｂと直接接続を持たないプロセッサが存在せず、実施の形態１より、プロセッサ間の距離を近くすることができる。プロセッサ間の距離とは、データを送受信する際に仲介に入るプロセッサの数である。実施の形態２では、スイッチ２ａ，２ｂと接続路４に故障が生じるまでは、プロセッサ間距離０で互いにデータを送受信することができる。また、それらに故障が生じても、単一故障であれば、プロセッサ間距離１以下で互いにデータを送受信することができる。

以上の構成により、実施の形態２では、故障が生じても、プロセッサの孤立が無いネットワークを維持したまま、装置を利用することができると共に、実施の形態１よりもプロセッサ間の距離が近い状態を維持できる。

図３は、スター型での故障対策として、スイッチを二重化する例を示している。この例では、プロセッサ１００ａ〜１００ｅとスイッチ２００ａ，２００ｂは、それぞれがボード１枚ずつで構成されており、スイッチ２００ａ，２００ｂが持つポート数は５口、装置に使用する筐体に挿入できるボード枚数の上限が１０枚であるとした。スイッチ２００ａ，２００ｂを二重化して故障に備える場合、使用できるプロセッサの数は、図３にあるように、５個が上限である。一方、実施の形態２の構成であれば、プロセッサを８個まで使用することができる。

以上説明したように、実施の形態２のマルチリングネットワークによれば、複数のプロセッサは、少なくともいずれか一つのスイッチに接続されているようにしたので、実施の形態１の効果に加えて、故障が生じてもプロセッサ間の距離が近い状態を維持することができる。

また、実施の形態２のマルチリングネットワークによれば、複数のスイッチを直接接続したので、他のネットワークよりも使用できるプロセッサの数を多くすることができる。

実施の形態３．
図４は、実施の形態３のマルチリングネットワークを示すブロック構成図である。
図示のように、実施の形態３のマルチリングネットワークは、実施の形態１のマルチリングネットワークを一つの単位ネットワーク８ａ，８ｂとした場合、これらの単位ネットワーク８ａ，８ｂを、それぞれのスイッチ２ａ，２ｂとスイッチ６ａ，６ｂを介してリング型に接続した構成である。
図４において、プロセッサ１ａ〜１ｈ、スイッチ２ａ，２ｂ、リングネットワーク３ａ，３ｂは、実施の形態１と同様の構成であり、プロセッサ５ａ〜５ｈ、スイッチ６ａ，６ｂ、リングネットワーク７ａ，７ｂは、プロセッサ１ａ〜１ｈ、スイッチ２ａ，２ｂ、リングネットワーク３ａ，３ｂと同様の構成である。また、接続路９ａ，９ｂは、単位ネットワーク８ａ，８ｂをリング型に接続するための接続路である。すなわち、接続路９ａはスイッチ２ａとスイッチ６ａを接続し、接続路９ｂはスイッチ２ｂとスイッチ６ｂとを接続している。

実施の形態３のマルチリングネットワークにおいても、単一故障であれば、故障が発生しても、連結状態を維持したまま、ネットワーク上で孤立するプロセッサが無い状態を維持することができる。例えば、スイッチ２ａ，２ｂ，６ａ，６ｂのいずれかに故障が生じても、残る３台のスイッチはライン型の接続が維持される。従って、ネットワーク上のどのプロセッサも、故障していない任意のプロセッサとデータの送受信を行うことができる。

なお、上記例では、二つの単位ネットワーク８ａ，８ｂを連結した構成としているが、３つ以上のマルチリングネットワークも同様に連結することができる。この時、マルチリングネットワークには、最低２個のスイッチを持つため、そのスイッチを二つの異なるマルチリングネットワークの接続部として、マルチリングネットワーク同士をリング型で接続していく。
また、上記例では、二つの単位ネットワーク８ａ，８ｂとして、それぞれ実施の形態１の構成のマルチリングネットワークとしたが、実施の形態２の構成のマルチリングネットワークとしてもよい。

以上の構成により、実施の形態３では、複数のマルチリングネットワークを連結したネットワークにおいても、故障が生じても、プロセッサの孤立が無いネットワークを維持したまま、装置を利用することができる。

以上説明したように、実施の形態３のマルチリングネットワークによれば、実施の形態１または実施の形態２のマルチリングネットワークを一つの単位ネットワークとし、単位ネットワークを、複数個、それぞれのスイッチを介してリング型に直接接続したので、故障への耐性を向上させることができる。

実施の形態４．
実施の形態４は、複数のプロセッサが分担して処理を行うことにより、マルチリングネットワークとして複数の処理を行うようにした構成に関するものである。
図５は、実施の形態４のマルチリングネットワークを示すブロック構成図である。図示のマルチリングネットワークは、プロセッサ１ａ〜１ｈ、スイッチ２ａ，２ｂ、リングネットワーク３ａ，３ｂ，３ｃ、データ受信インタフェース１０ａ，１０ｂ、データ送信インタフェース１１ａ，１１ｂを備えている。
ここで、プロセッサ１ａ，１ｂ，１ｇ，１ｈはリングネットワーク３ａに接続され、プロセッサ１ｃ，１ｆはリングネットワーク３ｂに、また、プロセッサ１ｄ，１ｅはリングネットワーク３ｃに接続されている。スイッチ２ａ，２ｂは、７口の接続ポートを有するスイッチであり、スイッチ２ａは、プロセッサ１ａ，１ｃ，１ｄ，１ｅ，１ｆ，１ｇに接続され、スイッチ２ｂは、プロセッサ１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅ，１ｆ，１ｈに接続されている。また、スイッチ２ａ，２ｂは接続路４で直接接続されている。さらにデータ受信インタフェース１０ａ，１０ｂは、外部からのデータを受信するためのインタフェースであり、データ送信インタフェース１１ａ，１１ｂは、外部へのデータを送信するためのインタフェースである。

実施の形態４のマルチリングネットワークでは、プロセッサ１ａ〜１ｈとスイッチ２ａ，２ｂは、それぞれボード１枚ずつで構成されており、スイッチ２ａ，２ｂが持つポート数は７口、マルチリングネットワークに使用する筐体に挿入できるボード枚数の上限を１０枚であるとする。この構成において、例えば、５つの処理「データの受信処理、前処理、主処理、後処理、処理結果の送信処理」を行うものとする。また、各処理は、直前の処理の結果のみを使用して処理を行うものとする。ここで、各処理の負荷を、主処理でプロセッサ３個分、それ以外の処理毎にプロセッサ１個分とすると、必要なプロセッサ個数は、７個分となり、図のプロセッサ８個構成であれば、１個余る。そこで、データの受信処理にプロセッサ１ａ、前処理にプロセッサ１ｂ、主処理にプロセッサ１ｃ〜１ｅ、後処理にプロセッサ１ｇ、処理結果の送信処理にプロセッサ１ｈを割り当て、プロセッサ１ｆを予備として、処理を行うとする。

ここで、プロセッサ１ａに故障が発生したとする。この場合、データの受信処理の割り当てをプロセッサ１ｂに変更し、前処理の割り当てをプロセッサ１ｆに変更することで、装置の処理性能を落とすこと無く処理を継続することができる。

また、スイッチ２ａに故障が発生したとする。実施の形態４の構成でスイッチ２ａが使用されるのは、主処理担当のプロセッサ１ｃ〜１ｅから後処理担当のプロセッサ１ｇへのデータ転送のみである。そこで、後処理の割り当てをプロセッサ１ｈに、処理結果の送信処理の割り当てをプロセッサ１ｇに変更する。これにより、装置の処理性能を落とすこと無く処理を継続することができる。
なお、プロセッサの割り当てを変更しなくても、故障したスイッチを迂回したデータ転送は可能だが、プロセッサ１ｈによるデータ仲介が必要であり、仲介が発生する分、データの転送速度（しいては装置の処理性能）が落ちることになる。

以上のように、この構成では、単一故障であれば、プロセッサの故障でも、スイッチの故障でも、別のプロセッサにデータの中継を担わせる必要が無い。このため、装置の処理性能を落とすこと無く処理を継続することができる。

以上説明したように、実施の形態４のマルチリングネットワークによれば、複数のプロセッサは複数の処理のうち、いずれかの処理を行い、かつ、複数のプロセッサのうち、いずれかのプロセッサが故障した場合は、故障したプロセッサが実行していた処理を、他のプロセッサが実行するようにしたので、故障が生じても、プロセッサ間のネットワーク距離を最小に保つことができる。

実施の形態５．
実施の形態５は、実施の形態２のプロセッサ間距離を保ちつつ、筐体に１０枚を超えるボードを挿入できるようにした構成例である。この例では、プロセッサ及びスイッチはボード１枚ずつで構成されており、スイッチが持つポート数は６口、装置に使用する筐体に挿入できるボード枚数の上限が１５枚であるとした。

図６は、実施の形態５に係るマルチリングネットワークを示すブロック構成図である。
実施の形態５は、三つのスイッチ２ａ，２ｂ，２ｃによって三つのリングネットワーク３ａ，３ｂ，３ｃを接続し、かつ、全てのプロセッサ１ａ〜１ｌがいずれかのスイッチ２ａ，２ｂ，２ｃに接続されるようにした例である。すなわち、実施の形態５のマルチリングネットワークは、三重のリングネットワーク３ａ，３ｂ，３ｃを設け、これら三つのリングネットワーク３ａ，３ｂ，３ｃを接続する三つのスイッチ２ａ，２ｂ，２ｃを設けている。リングネットワーク３ａには、プロセッサ１ａ，１ｂ，１ｇ，１ｈ，１ｉ，１ｌが接続され、また、リングネットワーク３ｂには、プロセッサ１ｃ，１ｄ，１ｅ，１ｆ，１ｊ，１ｋが接続されている。さらに、リングネットワーク３ｃには三つのスイッチ２ａ，２ｂ，２ｃが接続されている。また、プロセッサ１ａ，１ｃ，１ｅ，１ｇはスイッチ２ａに、プロセッサ１ｂ，１ｄ，１ｉ，１ｊはスイッチ２ｂに、プロセッサ１ｆ，１ｈ，１ｋ，１ｌはスイッチ２ｃに接続されている。

このように構成された実施の形態５のマルチリングネットワークでは、どのプロセッサ１ａ〜１ｌもいずれかのスイッチ２ａ，２ｂ，２ｃとの接続を持った形で、プロセッサ１ａ〜１ｌを１２個使用することができる。以下、これを図７に示す比較例を用いて説明する。

図７は、全てのプロセッサがいずれかのスイッチに接続されるという条件で三つのリングネットワーク３ａ，３ｂ，３ｃを二つのスイッチ２ａ，２ｂで接続した例である。この例に示すように、スイッチ２ａ，２ｂを２個しか使用しない場合は、プロセッサを１０個までしか使用することができない（プロセッサ１ａ〜１ｊ）。１１個以上では、スイッチとの接続を持たないプロセッサが生じる。

このように、実施の形態５のマルチリングネットワークでは、三つのスイッチ２ａ，２ｂ，２ｃを用いることで、プロセッサ間距離を抑えたまま、使用するマルチリングネットワーク内のプロセッサ数を増やし、処理性能を向上させることができる。

以上説明したように、実施の形態５のマルチリングネットワークによれば、複数のスイッチを直接接続し、かつ、複数のスイッチとして三つ以上のスイッチを備えたので、故障が生じてもプロセッサ間の距離が近い状態を維持することができると共に、使用するマルチリングネットワーク内のプロセッサ数を増やし、処理性能を向上させることができる。

また、実施の形態２及び実施の形態４における接続路４、実施の形態３における接続路９ａ，９ｂ、実施の形態５におけるリングネットワーク３ｃといったスイッチ同士を接続する部分にプロセッサを挿入するようにしてもよい。このように構成することにより、プロセッサ間距離を抑えたまま、使用するマルチリングネットワーク内のプロセッサ数を増やし、処理性能を向上させることができる。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

１ａ〜１ｌ，５ａ〜５ｈ プロセッサ、２ａ〜２ｃ，６ａ，６ｂ スイッチ、３ａ〜３ｃ，７ａ，７ｂ リングネットワーク、４，９ａ，９ｂ 接続路、８ａ，８ｂ 単位ネットワーク、１０ａ，１０ｂ データ受信インタフェース、１１ａ，１１ｂ データ送信インタフェース。

Claims (8)

1. 複数のプロセッサをリング型に接続したリング型ネットワークを複数備え、
   かつ、
   前記複数のリング型ネットワークの全てに接続するための端子を有するスイッチを複数備えたことを特徴とするマルチリングネットワーク。
2. 前記複数のプロセッサは、少なくともいずれか一つのスイッチに接続されていることを特徴とする請求項１記載のマルチリングネットワーク。
3. 前記複数のスイッチを直接接続したことを特徴とする請求項１または請求項２記載のマルチリングネットワーク。
4. 前記複数のスイッチを直接接続し、かつ、当該複数のスイッチとして三つ以上のスイッチを備えたことを特徴とする請求項２記載のマルチリングネットワーク。
5. 前記複数のスイッチのうち、いずれかのスイッチが故障した場合、当該故障したスイッチに接続されたプロセッサは、前記故障したスイッチとは逆方向の接続でデータの送受信を行い、かつ、当該送受信を行う方向に位置するプロセッサが前記データの転送を仲介する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項記載のマルチリングネットワーク。
6. 請求項１から請求項５のうちのいずれか１項記載のマルチリングネットワークを一つの単位ネットワークとし、当該単位ネットワークを、複数個、それぞれのスイッチを介してリング型に直接接続したことを特徴とするマルチリングネットワーク。
7. 前記複数のプロセッサは複数の処理のうち、いずれかの処理を行い、
   かつ、
   前記複数のプロセッサのうち、いずれかのプロセッサが故障した場合は、当該故障したプロセッサが実行していた処理を、他のプロセッサが実行することを特徴とする請求項１から請求項６のうちのいずれか１項記載のマルチリングネットワーク。
8. 前記複数のスイッチを直接接続する部分にプロセッサを挿入することを特徴とする請求項３、請求項４及び請求項６のうちのいずれか１項記載のマルチリングネットワーク。

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