JP3792538B2 - ネットワークインタフェースカードを用いるピアレベル通信用システムおよび方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、概してコンピュータシステムに関し、特に、コンピュータシステムにおけるネットワークインタフェースカードを用いたピアレベル通信のためのシステムおよび方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
コンピュータ処理の初期の時代、コンピュータシステムは、表示装置、プリンタおよび入力装置などの周辺装置が接続されたスタンドアロンプロセッサであった。各コンピュータシステムは独立しており、他のコンピュータシステムと通信することはほとんどなかった。しかしながら、今日、ローカルエリアネットワークまたは広域ネットワークなどのコンピュータネットワークにおいてコンピュータシステムを相互接続することにより、ネットワークの一部である種々のコンピュータシステムから入手可能なデータ、サービスおよびリソースの共有が非常に強化されることは周知である。
【0003】
ネットワークに沿って異なるコンピュータシステム間で通信するために、多くの通信プロトコルが開発されてきた。周知のネットワークプロトコルのいくつかの例として、システムネットワークアーキテクチャ(System Network Architecture(SNA))、伝送制御プロトコル/インタネットプロトコル(Transmission Control Protocol/Internet Protocol(TCP/IP))、ネットワーク基本入出力システム(Network Basic Input Output System(NetBIOS))およびインタネットパケット交換/シーケンスパケット交換(Internet Packet Exchange/Sequence Packet Exchange(IPX/SPX))がある。当業者は、他のものと同様にこれらプロトコルの各々に熟知している。
【0004】
今日販売されている従来からのネットワークインタフェースカード(NIC)は、ホストインタフェース、媒体アクセス層ロジックおよび物理インタフェースからなる。NIC設計の目的は、可能な限り迅速に常駐ホストとの間でネットワークパケットを転送することであり、それは通常、パケットストリームが強制的に移動させられるハードウェアを最小限にすることを意味する。ネットワークドライバ、トランスポートスタック(TCP/IPであってよい)およびソケット層インタフェースからなるホスト常駐ソフトウェアは、パケットストリームを処理して、比較的一様なアプリケーションプログラムインタフェース(「API」)によりアプリケーションに渡されるバッファ層転送にする。Unix/Linux環境では、APIは通常「ソケット」と呼ばれる。Windows(商品名)NT/2000環境では、APIは「Winsock 2」として具体化される。Windows NT内のカーネルアクセス用のTDIインタフェース層など、他のインタフェース層も可能である。しかしながら、これらインタフェース点はすべてトランスポートスタックの上で発生する、ということを留意しなければならない。
【0005】
目下、コンピュータシステム内でネットワークとの通信を望む装置は、ソケット層においてそれを行う。例えば、独立ディスクの冗長アレイ(Redundant Array of Independent Disks(RAID))コントローラがシステム内にある場合、ネットワークファイルシステム要求により、ホスト内にそれら要求をサービスするアクティビティがもたらされる。RAIDコントローラから読出されるディスクI/Oブロックは、まずコンピュータシステムの主メモリに転送され、そこからAPIを介してトランスポートスタックに転送される。トランスポートスタックにおいて、ブロックは選択されたプロトコル内でカプセル化され、1つまたは複数のIPパケットとして伝送されるためにNICに転送される。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、これらインタフェース点のすべてがトランスポートスタックの上で発生するということに留意することが重要である。従って、上記論考から、すべてのデータがシステムのI/Oバスを2回移動すること、およびそのためにこの無駄なデータ移動がネットワークスループットの主なボトルネックとなるということが明らかなはずである。
【0007】
データ転送レートを加速するために、従来技術の解決法では、コンピュータシステム内でトランスポートスタックがメザニンバスのレベルまで移動する必要があった。これには、TCP/IPスタックを実行するためにNIC自体に配置されたコプロセッサ(一般に、「インテリジェントプロセッサ」として知られる)を使用する必要があった。残念ながら、インテリジェントプロセッサは高価であることが分かっており、時には実際にネットワークスループットを低下させた。
【0008】
従って、本技術分野で必要なことは、全体としてコンピュータシステムのコストを実質的に増大させることなくネットワークスループットを確実に増大させる方法である。
【0009】
【課題を解決するための手段】
従来技術の上述した欠点を解決するために、本発明は、第1および第2の装置とネットワークインタフェース回路とに連結されたバスを有するコンピュータシステムにおいて使用するための、第1および第2の装置のうちの1つがネットワークインタフェース回路を介してコンピュータネットワークと通信できるようにするシステムおよび方法、並びにそのシステムまたは方法を組込んだコンピュータシステムを提供する。1つの実施の形態では、本システムは、(1)バスとネットワークインタフェース回路との間に連結され、バスを介するネットワークインタフェース回路に対するソケット層アクセスを提供するトランスポートスタック回路と、(2)トランスポートスタック回路に関連し、コンピュータシステム内の第1および第2の装置とトランスポートインタフェース回路との間のピアツーピアのソケット層アクセスを可能にする固有のチャネルを確立するチャネル制御回路と、を含む。
【0010】
従って、本発明は、ソケット層ネットワークインタフェースハードウェアに対するチャネル化されたアクセスを提供することにより、コンピュータシステムの複数の装置がインタフェースハードウェアを介してコンピュータネットワークと通信することができるようにするという、広い概念をもたらす。これにより、コンピュータシステム内でピアツーピア通信を行うことができ、介入する装置(ホストおよび更なるバス帯域幅など)を他のタスクに対して解放することができる。
【0011】
本発明の1つの実施の形態では、ネットワークインタフェース回路は、コンピュータシステム内で取外し可能に連結されたNICに配置され、(1)10Base−Tネットワークインタフェース回路と、(2)10/100Base−Tネットワークインタフェース回路と、(3)100Base−Tネットワークインタフェース回路と、(4)OC−12光ネットワークインタフェース回路と、(5)OC−48光ネットワークインタフェース回路と、(6)OC−192光ネットワークインタフェース回路と、(7)Gigabit Ethernet(商品名)光ネットワークインタフェース回路と、(8)Token Ring(商品名)ネットワークインタフェース回路と、からなるグループから選択される。しかしながら、当業者は、本発明が、あらゆる従来からのまたは後に開発されたリンクあるいは物理インタフェーステクノロジと共に有利に動作可能であることを認めるであろう。
【0012】
本発明の1つの実施の形態では、トランスポートスタック回路は、コンピュータシステム内に取外し可能に連結されたNICに配置されている。本発明の関連する実施の形態では、チャネル制御回路は、コンピュータシステム内に取外し可能に連結されたNICに配置されている。例示され説明される実施の形態では、トランスポートスタック回路およびチャネル制御回路は、共にNICに配置されている。
【0013】
本発明の1つの実施の形態では、トランスポートスタック回路はTCP/IPスタックを含む。しかしながら、ソケット層と物理層との間に存在することができるいかなるプロトコルスタック(ネットワークインタフェース回路)も、本発明の広い範囲内にある
【0014】
本発明の1つの実施の形態では、第1の装置はバスに対するホスト装置である。ホスト装置は、例えば、コンピュータシステムのプロセッサであってよい。
【0015】
本発明の1つの実施の形態では、第2の装置はコンピュータシステムのディスクコントローラである。このため、ディスクまたはディスクアレイは、コンピュータシステムのプロセッサまたはメモリを拘束する必要なく、ネットワークインタフェース回路を介して直接コンピュータネットワークと通信することができる。当然ながら、従来からのまたは後に開発されたコンピュータシステムの一部を形成し得るすべての装置が、本発明の広い範囲内にある。
【0016】
上記は、当業者が続く発明の詳細な説明をよりよく理解するよう、本発明の好ましいおよび代替的な特徴をむしろ広く概説した。本発明の特許請求の範囲の主題を形成する本発明の追加の特徴を、以下に説明する。当業者は、本発明の同じ目的を実行する他の構成を設計または変更するための基礎として、開示された概念および特定の実施の形態を容易に使用することができる、ということを認めるべきである。また、当業者は、かかる等価な構成がその最も広い形態で本発明の精神および範囲から逸脱しない、ということも認めるべきである。
【0017】
本発明をより完全に理解するために、ここで、添付図面とともに以下の説明を参照する。
【0018】
【発明の実施の形態】
最初に図1を参照すると、本発明のシステムまたは方法を組込むことができるコンピュータネットワーク100が示されている。図1に示すネットワーク100は、ローカルエリアネットワーク(「LAN」)であるが、本発明は決してLANに限定されるものではない。「LAN」という名前が意味するように、ネットワーク内のコンピュータは、種々のタイプのデータが個々のコンピュータ間で交換されるように、ローカルに(すなわち、部屋または建物内で)ネットワーク化されている。
【0019】
ネットワーク100には、コンピュータ105、110、115、120、125がある。コンピュータ105、110、115、120、125は、可能性として個々のユーザに単にローカルアプリケーションを提供するのと同様に、ユーザに対しインタフェースを提供する。ネットワーク100は、10Base−Tネットワークとして示されているが、本発明は、特定の媒体アクセス制御/物理層トポロジに決して限定されるものではない。
【0020】
コンピュータ105、110、115、120、125には、サーバ130が接続されている。サーバ130は、ネットワーク100内のトラフィックの流れを管理する。また、サーバ130は、コンピュータ105、110、115、120、125のユーザによって使用されるために中央記憶システム140のすべてのデータを管理する。中央記憶システム140は、RAIDコントローラで制御されるRAIDであってよい。
【0021】
ここで図2を参照すると、図1のコンピュータネットワーク100と共に使用することができ、本発明のシステムまたは方法を組込むことができるNIC200が示されている。NIC200は、コンピュータ105、110、115、120、125の1つに接続されることにより、コンピュータ105、110、115、120、125を図1のネットワーク100に接続する。NIC200は、コンピュータ(例として、コンピュータ240)に直接接続するバスインタフェース210を含む。また、NIC200は、コンピュータ105、110、115、120、125のうちの1つとネットワークとの間で渡されるデータを符号化および復号化する、入力/出力チップ220も含む。
【0022】
入力/出力チップ220は、バッファ225に関連付けられている。バッファ225は、宛先装置がデータを受取ることができるのを待つために一時的に情報を保持する、というタスクが与えられているメモリを有する。従って、サーバ130がデータを受入れることができる前に数ミリ秒遅延した場合、バッファ225はサーバ130が受入れることができるまでデータを保持する。
【0023】
最後に、NIC200は、ネットワークインタフェース230を含む。ネットワークインタフェース230は、NICが図1のネットワーク100に直接接続することができる部分である。
【0024】
ここで図3を参照すると、本発明の原理に従って構成されたネットワーク通信インタフェースを説明するために使用することができる、一例としての7層のオープンシステム相互接続(Open Systems Interconnect(OSI))モデルが示されている。当業者は、ホストシステムとネットワークとの間のインタフェースの記述としてOSIモデルを熟知している。OSIモデルは、ネットワーク通信の最も周知の理論的記述の1つであるが、多くの通信の実現では、OSI層の1つまたは複数を結合するかまたは省略する。物理層370は、最下層であり、ネットワークと直接相互作用する。物理層370は、ネットワークに対する物理的接続による実際のビットストリーム伝送を含む。
【0025】
第2層はデータリンク層360であり、物理層ストリームの多重化およびメッセージへのフレーム化を提供する。また、データリンク層360は、誤り検出、同期情報および物理チャネル管理も提供する。
【0026】
第3層はネットワーク層350であり、ネットワークにおける情報の経路指定を制御する。ネットワーク層350では、アドレス指定、ネットワーク初期化、スイッチング、セグメント化およびフォーマット化などのサービスが提供される。データ配信の応答は、ネットワーク層350かまたはデータリンク層360のいずれかにおいて達成される。
【0027】
第4層はトランスポート層340であり、トランスペアレントデータ配信、多重化およびマッピングを制御する。確実な配信(下にある物理、データリンクおよびネットワーク層370、360、350におけるベストエフォートとは対照的に)は、特定のアプリケーションにおいて望ましい場合はトランスポート層340によって達成される。欠損データの再伝送、順序が誤って配信されたデータの再順序付けおよび伝送誤りの補正などのサービスは、通常トランスポート層340で達成される。
【0028】
第5層は、セッション層330である。セッション層330は、トランスポート層340からの情報を使用して、一般にセッションと呼ばれる、ネットワークの2つのノード間の共通のアクティビティとして、複数のデータを1まとまりにする。
【0029】
第6層は、プレゼンテーション層320であり、セッション層330とアプリケーション層310である最上位の第7層との間のインタフェースを含む。プレゼンテーション層320は、セッション層330の安全性を危うくすることなく、アプリケーション層310で使用される情報を提示する。プレゼンテーション層320は、データ補間とフォーマットおよび符号変換とを提供し、アプリケーション層310は、ユーザアプリケーションインタフェースと管理機能とを提供する。
【0030】
ここで図4を参照すると、本発明の1つの実施の形態に従って構成された、概して400で示されるチャネルスイッチング機構が示されている。図2には示されていないが、チャネルスイッチング機構400は、有利にはNIC200に配置されている。
【0031】
チャネルスイッチング機構400は、データをその適当な宛先に送信することにより、サーバの外部の装置がサーバ帯域幅を使用するのではなくピアツーピアベースで通信することができるようにする。チャネルスイッチング機構400は、好ましくはハードウェアベースであり、トラフィックの複数のチャネルを同時に割当てることができる。
【0032】
チャネルスイッチング機構400は、8つの入力410と8つの出力420とを含むように示されている。各出力は、チャネル、すなわちホストかまたはピア装置のいずれかとのインタフェースに対応する。従って、ネットワークインタフェースは、複数の並行チャネルをサポートすることができる。チャネルスイッチング機構400は8つのチャネルしか処理することができないが、本発明は、特定の数または一定の数のチャネルに決して限定されるものではない。
【0033】
チャネルスイッチング機構400によって処理されるデータは、チャネルスイッチング機構400に対し、いずれの装置がデータを発生したか、およびデータの宛先が何であるかに関する情報を提供する、入力/出力記述子が関連付けられている。チャネルスイッチング機構400は、入力/出力記述子を読出し記述子比較回路440に送信する。
【0034】
また、図4には、専用のインタフェースレジスタ430のセットが示されている。インタフェースレジスタ430のセットが、チャネルスイッチング機構400が入力データの入力/出力記述子を適当なチャネル出力に関連付けることができるようにする情報を含むため、それを適当な宛先に送信することができる。記述子比較回路440は、入力/出力記述子を、専用のインタフェースレジスタ430のセットに存在する値と比較する。そして、記述子比較回路440は、チャネルスイッチング機構400のコントローラに値を通信する。チャネルスイッチング機構400のプロセッサは、その値を使用してデータをその意図された宛先に送信する。この処理のネット効果は、ピア装置およびホストシステムが各々、発信装置を直接知ることなくNICと通信することができるということであり、関係する情報はすべてNIC自体に置かれている。
【0035】
従って、本発明のこの実施の形態によれば、データはまずポイント410においてチャネルスイッチング機構400に入る。データと共に(好ましくは先行して)、その入力/出力記述子がある。チャネルスイッチング機構400は、入力/出力記述子を記述子比較回路440に送信する。記述子比較回路440が専用のインタフェースレジスタ430のセットに所定の入力/出力記述子に対応する値を見つけると、チャネルスイッチング機構400はポイント420において適当な出力にそのデータを送信する。ポイント420は、データの宛先となる第2の装置に対応している。
【0036】
ここで図5を参照すると、従来技術によるネットワークのサーバ付近でのデータの流れを示す、概して500で示すフローチャートが示されている。この図では、データの流れは、第1の装置から第2の装置であり、それらは共にサーバに接続されている。第1および第2の装置は、コンピュータ、プリンタ、個々のディスクドライブ、RAIDコントローラ、またはネットワークおよびサーバにより共に接続することができる他のあらゆる装置であってよい。
【0037】
ステップ505において、1つまたは複数のフレームにカプセル化されたデータは、ネットワークを離れてサーバのNICに入る。そして、(ステップ510において)NICにおいてフレームヘッダが剥取られパケット形式になったデータは、サーバのプロセッサに向かってサーバのバスを移動する。データパケットは、NICソフトウェアドライバによって処理され(ステップ515)、ソフトウェアに組込まれたTCP/IPプロトコルに従って解釈される(ステップ520)。データはそのパケットから抽出され、この時点でソケット層に到達し(ステップ525)、バッファに配置される。その時点でデータの宛先となっているアプリケーションは、ソケット層を介してバッファからデータを読出し(ステップ530)、それに従ってデータを処理する(ステップ535)。
【0038】
ここで、アプリケーションがネットワークにデータを戻すよう希望するとすると、ソケット層を介してバッファにデータを書込むことが必要となる(ステップ540)。そして、データはソケット層を離れ(ステップ545)、TCP/IPに従って解釈されて(ステップ550)パケットをもたらす。パケットは、NICドライバによってアウトバウンドデータとして処理され(ステップ555)、NICに向かってサーバのバスを移動し(ステップ560)、NICにおいてフレーム化されてネットワークに転送される(ステップ565)。これは、冗長であり潜在的にリソースハングリな処理であることは明らかである。
【0039】
ここで、図6を参照すると、本発明の1つの実施の形態に従ったNIC200に接続されることによりサーバとして動作するコンピュータ付近のネットワークを介したデータの流れを示す、概して600で示すフローチャートが示されている。上記図5について説明したデータの流れは、図6について説明するものと非常に対照的である。データフレームは、初期ステップ610においてサーバとして動作するコンピュータに接続されたNIC200に入る。
【0040】
ステップ620において、データフレームはそれらのフレームヘッダが剥ぎ取られ、TCP/IPに従って解釈され、ペイロードとしてソケット層に入りまだNIC内にある。そして、ステップ630において、NIC内のチャネル回路がデータを適当なチャネルに向け、最後に第2の装置に送信する。この時点でのみ、データはバスを渡る(ステップ640)。例えば、第2の装置がRAIDコントローラに関連する場合、(ディスクI/O)データは、ソケット層を介してRAIDコントローラに入る(任意ステップ650)。データは、決してサーバハードウェアに入る必要がない。本発明の原理によれば、データが移動するために必要な経路は、従来技術が提供する経路より短く、必要なサーバリソースが大幅に少ない。実際には、例示した実施の形態では、サーバハードウェア自体、NICによるデータの伝送に関するいかなる動作も実行する必要がない。これにより、サーバは、ネットワークに接続されたユーザにサービスを提供するなどの他のタスクの実行に注意を向けることができる。
【0041】
上記内容をTCP/IPに関して説明したが、当業者は、本発明が特定のプロトコルに限定されないことを理解するであろう。
【0042】
また、サーバハードウェアの設計は、本発明の原理から利益を得ることができる。サーバハードウェアは、ネットワークデータ伝送を実行することが要求されないため、サーバが実行するよう要求される可能性のある他のジョブに対して最適化することができる。
【0043】
本発明を詳細に説明したが、当業者は、その最も広い形態で本発明の精神および範囲から逸脱することなく本明細書において種々の変更、代用および改変を行うことができる、ということを理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のシステムまたは方法とともに動作することができるコンピュータネットワークシステムを示す。
【図2】図1のコンピュータネットワークと共に使用可能であり本発明のシステムまたは方法を組込むことができるNICを示す。
【図3】本発明の原理に従って構成されたネットワーク通信インタフェースを説明するために使用することができる一例としての7層のオープンシステム相互接続(Open Systems Interconnect(OSI))モデルを示す。
【図4】本発明の1つの実施の形態に従って構成されたチャネルスイッチング機構を示す。
【図5】従来技術によるネットワークのサーバ付近でのデータの流れを示すフローチャートを示す。
【図6】本発明の1つの実施の形態によるネットワークのサーバ付近でのデータの流れを示すフローチャートを示す。
Claims (10)
- 第1の装置と第2の装置とを接続するバスと、ネットワークインターフェイス回路とを備えたコンピュータシステムにおいて使用することにより、該第1の装置および第2の装置のうちの1つが該ネットワークインターフェイス回路を介してコンピュータネットワークと通信できるようにするシステムであって、
該バスと該ネットワークインターフェイス回路との間に連結され、該バスを介する該ネットワークインターフェイス回路に対するソケット層アクセスを提供するトランスポートスタック回路と、
該トランスポートスタック回路に関連し、該コンピュータシステム内の該第1の装置および第2の装置と該ネットワークインターフェイス回路との間のピアツーピアのソケット層アクセスを可能にする固有のチャネルを確立するチャネル制御回路と、
を具備するシステム。 - 請求項1に記載のシステムにおいて、該ネットワークインターフェイス回路は、該コンピュータシステム内に取外し可能に連結されるネットワークインターフェイスカードに配置され、
10Base−Tネットワークインターフェイス回路と、
10/100Base−Tネットワークインターフェイス回路と、
100Base−Tネットワークインターフェイス回路と、
OC−12光ネットワークインターフェイス回路と、
OC−48光ネットワークインターフェイス回路と、
OC−192光ネットワークインターフェイス回路と、
Gigabit Ethernet(商品名)光ネットワークインターフェイス回路と、
Token Ring(商品名)ネットワークインターフェイス回路と、
からなるグループから選択されるシステム。 - 請求項1に記載のシステムにおいて、該トランスポートスタック回路は、該コンピュータシステム内に取外し可能に連結されるネットワークインターフェイスカードに配置されているシステム。
- 請求項1に記載のシステムにおいて、該チャネル制御回路は、該コンピュータシステム内に取外し可能に連結されるネットワークインターフェイスカードに配置されているシステム。
- 請求項1に記載のシステムにおいて、該トランスポートスタック回路はTCP/IPスタックを含むシステム。
- 請求項1に記載のシステムにおいて、該第1の装置は、該バスに対するホスト装置であるシステム。
- 請求項1に記載のシステムにおいて、該第2の装置は、該コンピュータシステムのディスクコントローラであるシステム。
- 第1の装置と第2の装置とを接続するバスと、ネットワークインターフェイス回路とを備えたコンピュータシステムにおいて使用することにより、該第1の装置および第2の装置のうちの1つが該ネットワークインターフェイス回路を介してコンピュータネットワークと通信できるようにする方法であって、
該バスを介する該ネットワークインターフェイス回路に対するソケット層アクセスを提供することと、
該コンピュータシステム内の該第1の装置および第2の装置と該ネットワークインターフェイス回路との間のピアツーピアのソケット層アクセスを可能にする固有のチャネルを確立することと、
を含む方法。 - バスと、
バスを介して連結された第1の装置および第2の装置と、
バスを介して該第1の装置及び該第2の装置のいずれかに接続されたネットワークインターフェイス回路と、
該第1の装置および第2の装置のうちの1つが該ネットワークインターフェイス回路を介してコンピュータネットワークと通信できるようにするシステムと、
を具備するコンピュータシステムであって、
該バスと該ネットワークインターフェイス回路との間に連結され、該バスを介する該ネットワークインターフェイス回路に対するソケット層アクセスを提供するトランスポートスタック回路と、
該トランスポートスタック回路に関連し、該コンピュータシステム内の該第1の装置および第2の装置と該ネットワークインターフェイス回路との間のピアツーピアのソケット層アクセスを可能にする固有のチャネルを確立するチャネル制御回路と、
を含むコンピュータシステム。 - 請求項10に記載のコンピュータシステムにおいて、該ネットワークインターフェイス回路は、該コンピュータシステム内に取外し可能に連結されるネットワークインターフェイスカードに配置され、
10Base−Tネットワークインターフェイス回路と、
10/100Base−Tネットワークインターフェイス回路と、
100Base−Tネットワークインターフェイス回路と、
OC−12光ネットワークインターフェイス回路と、
OC−48光ネットワークインターフェイス回路と、
OC−192光ネットワークインターフェイス回路と、
Gigabit Ethernet(商品名)光ネットワークインターフェイス回路と、
Token Ring(商品名)ネットワークインターフェイス回路と、
からなるグループから選択されるコンピュータシステム。
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