JP3970138B2 - イーサネットスイッチにおける輻輳制御装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は輻輳制御装置に関し、特にイーサネットスイッチが複数接続される環境において輻輳が発生した際に、PAUSEフレームによって送信トラフィックを抑制する輻輳制御方式に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来よりイーサネット(登録商標)において輻輳が発生すると、輻輳が発生しているスイッチングハブ等のスイッチからその前段のスイッチに対して、IEEE802.3で規定されるPAUSEフレームを送出して入力トラフィックを抑制している(例えば、非特許文献1参照)。
図1にはPAUSEフレームによる輻輳制御の一例を、そして図2にはPAUSEフレームのフォーマットを示している。
【0003】
図1において、スイッチ(SW1)1の送信ポート側のリンクαで輻輳が発生すると、スイッチ1内部のバッファ(キュー)の閾値によってその輻輳を検出する。次に、スイッチ1は前段のスイッチ(SW2〜5)2〜5からの送信トラフィックを抑制させるため、スイッチ2〜5へPAUSEフレームを送信する。図2に示すように、PAUSEフレームは、その宛先アドレス(DA:Destination Address)にPAUSEフレームであることを示すマルチキャストアドレスを設定する。
【0004】
また、そのパラメータフィールドには、例えばXX(ms)等のPAUSEタイム (Pause time) のタイマ値を設定する。タイマ値がゼロの場合は、PAUSE状態が解除されて送信状態に復帰することを示す。その他の各フィールドは一般的なイーサネットフレームのものと同様であり、ここではそれらについて説明しない。
【0005】
一方、受信側の各前段のスイッチ2〜5は、受信したPAUSEフレーム中に含まれるタイマ値に基づいて、輻輳が発生した次段のスイッチ1(PAUSEフレームの送信元)へのトラフィック転送を一定時間抑制する。また、PAUSEフレームを受信したノードが端末の場合にも、その端末がPAUSEフレームをサポートするNIC (Network Interface Card) を有していれば、そのタイマ値に基づいて送信を一時的に抑制する。PAUSEタイムが満了すると、その間中断していた送信が再開される。
【0006】
【非特許文献1】
岡部泰一、“詳説TCP/IPプロトコル 第9回 イーサネット(その4)フロー制御とVLAN、トラブルシューティング 1.イーサネットのフロー制御”、[online]2001年10月2日、ネットワーク技術解説講座、[平成14年9月9日検索]、インターネット〈URL :http://www.atmarkit.co.jp/fwin2k/network/tcpip009/tcpip 01.html〉
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、IEEE802.3で規定されるPAUSEフレームは、輻輳を検出したスイッチ1から前段のスイッチ2〜5やその配下の端末に対して全てのトラフィックの送出を一定時間抑制させるように依頼するものである。しかしながら、このような従来の動作には以下に示すような問題点があった。
【0008】
(1)QoS (Quality of Service)の確保
PAUSEフレームはトラフィックの種別を区別していないため、例えば遅延時間やジッタ条件の厳しい音声や動画像などのトラフィックと、これらの条件が厳しくないFTP (File Transfer Protocol) などのデータトラフィックとが同等に扱われ、特に前者のQoSが確保されないという問題があった。
【0009】
(2)実効スループットの向上
また、スイッチ1から前段のスイッチ2〜5やその配下の端末に対して全トラフィックの送出を一律に一定時間抑制するため、同時期にPAUSEタイムが満了して輻輳状態と非輻輳状態との繰り返し状況が発生する恐れがあった。スループットを向上させるには、トラフィック量が波打たない定常的な状態を維持するのが好ましく、従来技術の輻輳制御では実効スループットの向上が図れないという問題があった。
【0010】
(3)トラフィックの公平性
さらに、輻輳の原因となっているフローの特定を行わずに全てのフローを止めてしまうため、存在する複数のフローに対して公平な帯域の割り当てが行われないという問題があった。すなわち、輻輳を引き起こしているトラフィック以外のトラフィックまでもが一律にその送信を抑制されてしまうという問題があった。
【0011】
そこで本発明の目的は、上記問題点に鑑み、イーサネットスイッチが複数接続される環境において輻輳が発生し、PAUSEフレームにより送信トラフィックを制御する際に、そのトラフィック特性を分析することで各トラフィックのQoS、実行スループットの向上、及び各トラフィックの公平性を実現する輻輳制御装置を提供することにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、第1スイッチの受信ポートに接続され、一つ又は複数の第3スイッチの送信ポートに接続された第2スイッチを含み、該第1スイッチから該第2スイッチへPAUSEフレームが送信されるイーサネットスイッチにおける輻輳制御装置であって、前記第1スイッチにおいて輻輳が検出されたときに、該第1スイッチからPAUSEフレームを受信する受信手段と、前記第3スイッチから前記第2スイッチを介して前記第1スイッチに送信されるトラフィックに係る複数の送信キューを格納するキュー手段と、前記PAUSEフレームの受信により前記送信キューからの送信トラフィックを抑制する抑制手段と、を有し、前記抑制手段は、通常の送信時に前記PAUSEフレームを受信した場合、前記複数の送信キューのうち最も優先度の低い送信キューからの前記送信トラフィックを抑制し、該PAUSEフレームに含まれたPAUSEタイム中に前記第1スイッチから別のPAUSEフレームを受信した場合、より優先度の高い送信キューからの前記送信トラフィックを抑制する輻輳制御装置が提供される。
【0013】
また本発明では、前記抑制手段は、前記PAUSEフレームの受信により前記送信キューからの前記送信トラフィックをシェ−ピングするシェ−ピング手段を有し、前記シェ−ピング手段は、前記PAUSEフレームに含まれたフレーム長によって、前記送信キューからの前記送信トラフィックを予め定められたシェ−ピング値に基づく送信速度以下に抑制する輻輳制御装置が提供される。
【0014】
さらに、前記送信速度の抑制は、前記送信トラフィックにギャップを挿入することによって行なうこととした。
【0015】
【発明の実施の形態】
図3は、本発明が適用されるネットワーク構成の一例を示したものである。
本例は、先に示した図1と基本的には同じ構成を有しており、例えばスイッチ1の受信ポートの1つに接続されるスイッチ2及び6や他の受信ポートに接続されるスイッチ3、7及び8等はそれぞれがPAUSEフレームマルチキャストの伝達単位を構成している。本例でもスイッチ1の送信ポートのリンクαで輻輳が発生している。
【0016】
図4は、本発明による第1の実施例を示したものである。また、図5には、図4の制御フローの一例を示している。
本例ではQoSを確保するための輻輳制御を行なう。先ず、バッファの閾値等により輻輳を検出したスイッチ1から前段の各スイッチ2〜5へPAUSEフレームが送信される(S101及び102)。
【0017】
PAUSEフレームは、各スイッチ2〜5内部のCPU21により検出されて(S103)、スケジューラ22へ渡される。ここで、スケジューラ22は、高、中、低の優先度が付された各送信キュー23〜25を制御して優先度に基づく送信トラフィックを制御する。例えば、高優先度にはリアルタイム性の要求される動画や音声データ等が、また低優先度にはFTP等のデータ転送が割当てられる。
【0018】
スケジューラ22は、渡されたPAUSEフレームを判断して、PAUSEフレームをPAUSEタイム中以外の時(通常の送信時)に受信した場合には低優先度のキュー25からの送信を抑制する(S104及び105)。一方、PAUSEタイム中に別のPAUSEフレームを受信した場合には、さらに中優先度のキュー24からの送信を抑制する(S104及び106)。
【0019】
そして、PAUSEタイムのタイマが満了するか、又はPAUSE終了通知(PAUSEフレームのタイマ値=“0”)を受信すると、送信を抑制しているキューの送信を開始する(S107及び108)。このように、本例によれば優先度を考慮したPAUSE動作が可能となる。その結果、本例の場合にはPAUSEフレームを受信しても高優先度の動画や音声等のトラフィックは中断せず、そのQoSは確保される。
【0020】
図6は、本発明による第2の実施例を示したものである。また、図7には、図4の制御フローの一例を示している。
本例ではシェーピングにより実効スループットの向上を図った輻輳制御を行なう。ここでも、先ずバッファの閾値等により輻輳を検出したスイッチ1から前段の各スイッチ2〜5へPAUSEフレームが送信される(S201及び202)。
【0021】
PAUSEフレームは、各スイッチ2〜5内部のCPU21により検出されて(S203)、シェーパ31へ渡される。次に、シェーパ31は、送信キュー32に対してその送出速度を本来の物理速度の50パーセントに抑制するシェ−ピング操作を開始する(S204)。
【0022】
図8及び9には、図6のシェ−ピング操作の一例を示している。
図8の例では、フレーム長時間からギャップを算出している。すなわち、各送信フレームのフレーム長時間とシェーピングレート値(50%)に基づいたギャップを下記式より算出して生成する。
ギャップ値[sec] = フレーム長時間[sec] × (100 - シェーピングレート[%])÷ 100
【0023】
その結果、送信キュー32からの各送信フレーム毎に同じフレーム時間長のギャップが付加されて、例えば送信速度をその物理速度の50パーセントに抑制するシェ−ピング操作が行なわれる。また、図9の例では、通常はΔt時間フレームを送出し続けるところを、その半分のΔ/2時間だけに抑制することによって50%のシェーピングを実現している。
【0024】
以降、PAUSEタイムのタイマが満了するか、又はPAUSE終了通知(PAUSEフレームのタイマ値=“0”)を受信すると、シェ−ピング操作を終了して通常のデータ送信が開始される(S205及び207)。本例では、スイッチ1において輻輳が発生し得ないように前段の各スイッチ2〜5のシェーピング値(%)が予め定められる。
【0025】
すなわち、シェーピング操作時に、前段の各スイッチ2〜5の実効送信速度の和が後段のスイッチ1の送信速度を超えないように各スイッチ2〜5のシェーピング値が定められる。このように、本例の場合にはPAUSEフレームを受信しても各スイッチ2〜5は送信が継続できるため、ネットワーク全体としての実効スループットを向上させる輻輳制御が可能となる。
【0026】
なお、本例を図4の第1の実施例と組み合わせて、例えば高優先キュー23にはシェ−ピング操作を行なわないとか、また低優先キュー25の送信を抑制する代わりにシェ−ピングの程度を80%に上げる等の処理を行なうことで、QoSの確保及び実効スループットの向上を両立させる輻輳制御も可能である。
【0027】
図10は、本発明による第3の実施例を示したものである。また、図11及び12には、図10の制御フローの一例を示している。
本例では、存在する複数のフローに対して公平な帯域の割り当てを行なうことにより、トラフィックの公平性を実現する輻輳制御を行なう。なお、前述した本発明による第1及び第2の各実施例が前段のスイッチ2〜5に適用されるのに対して、本例の場合は次段のスイッチ1に適用される。
【0028】
図10において、スイッチ1は、リンクαへの出力ポートの送信キュー42がある一定の閾値を超えることで輻輳を検出する(S301)。次に、本例では送信キュー42に滞留するパケットの属性(例えば、送信アドレスやTCP/UDPのポート番号)が分析される(S302)。この輻輳要因トラフィック分析ルーチンの詳細フローが図12に示されている。
【0029】
そこでは、先ず最近の入力フレームのX個(例えば、X=100(個))のパケットの送信元アドレスがチェックされ、その送信元アドレスをもとにMACアドレスの学習テーブルやルーティングテーブル等からなるテーブル43(図10)を参照して対応する入力ポートが検索される(S401及び402)。次に、検索された各入力ポート毎に受信パケット数がカウンタ41(図10)によってカウントされ、そのカウント値が最大となる入力ポートが特定される(S403及び404)。
【0030】
図13は、上記分析処理の一例を図式的に示したものである。
図13の(a)は、送信キュー42に滞留するフレーム(パケット)数が閾値に達していない場合を示している。やがて、そのフレーム数が図13の(b)に示すように閾値に達すると、本例では閾値に達したフレームを含めてそれ以前の100フレームの送信元アドレスがチェックされ、テーブル43を参照しながら対応する入力ポートが検索される。
【0031】
図10からも明らかなように、記号○、△、…はそれぞれ異なる入力ポートからのフレームを現している。従って、前記100フレーム内の各フレーム○、△、…の数をそれぞれのカウンタ41によって集計し、例えばフレーム○:フレーム△:フレーム…=l個:m個:n個、ここでl>m、nであるならば、フレーム○の入力ポートが輻輳原因と判断されて輻輳制御の対象となる(S403及び404)。
【0032】
なお、上記の例では最大フレーム数の入力ポートを輻輳原因と判断しているが、他にも例えば全滞留フレームの内の50%以上を占めた特定フレームの入力ポートを輻輳原因と判断するようにしてもよい。また、予め設定するフレーム数の幅で常時監視しながら、輻輳が検出された時点でそれまでの滞留フレームの情報から輻輳原因となるフローを識別するようにしてもよい。
【0033】
図10及び11に戻って、スイッチ1は輻輳原因として特定したトラフィック(フレーム○)の入力ポートだけにPAUSEフレームを送出する(S303)。図10の例では、前記入力ポートに接続されるスイッチ2に対してPAUSEフレームが送出される。従って、PAUSEフレームを受信したスイッチ2だけがこれまでに述べたPAUSE処理を開始して終了する(S304〜308)。
【0034】
さらに、PAUSEフレーム内に輻輳原因のトラフィックと特定したパケットの属性(例えば、送信アドレスやTCP/UDPのポート番号、等)を設定しておき、PAUSEフレームを受信したスイッチ2の側でそのトラフィックのみを抑制させるようにすることも可能である。この場合、スイッチ2の側に、そのような特定の属性を識別して、対応するトラフィックを動的に抑制する機能を備えている必要がある。
【0035】
このように、本例の場合には輻輳原因となっている特定のスイッチだけがPAUSE処理の対象となるため、そのスイッチだけがネットワークリソースを占有するような事態は回避され、存在する他のスイッチに対して公平な帯域の割り当てが可能となる。
【0036】
なお、本例は輻輳を検出する側のスイッチ1に関するものであり、その前段のスイッチ2〜5に関する第1及び第2の実施例と組み合わせることにより、QoSの確保、実効スループットの向上、及びトラフィックの公平性を同時に実現する輻輳制御も可能である。
【0037】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によればQoSを考慮した輻輳制御が可能となる。また、本発明によれば輻輳状態と非輻輳状態の反復状況が回避され、輻輳が発生したネットワークでの実効的なスループットを向上させることができる。さらに、本発明によれば輻輳発生時に輻輳原因となる特定の送信トラフィックのみが抑制され、ネットワークリソースの公平な利用が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】PAUSEフレームによる従来の輻輳制御の一例を示した図である。
【図2】PAUSEフレームのフォーマットの一例を示した図である。
【図3】本発明が適用されるネットワーク構成の一例を示した図である。
【図4】本発明による第1の実施例を示した図である。
【図5】図4の制御フローの一例を示した図である。
【図6】本発明による第2の実施例を示した図である。
【図7】図6の制御フローの一例を示した図である。
【図8】図6のシェ−ピング操作の一例(1)を示した図である。
【図9】図6のシェ−ピング操作の一例(2)を示した図である。
【図10】本発明による第3の実施例を示した図である。
【図11】図10の制御フローの一例(1)を示した図である。
【図12】図10の制御フローの一例(2)を示した図である。
【図13】トラフィック分析処理の一例を図式的に示した図である。
【符号の説明】
1〜11…スイッチ
21…CPU
22…スケジューラ
23〜25、32、42…送信キュー
31…シェーパ
41…カウンタ
43…テーブル
Claims (3)
- 第1スイッチの受信ポートに接続され、一つ又は複数の第3スイッチの送信ポートに接続された第2スイッチを含み、該第1スイッチから該第2スイッチへPAUSEフレームが送信されるイーサネットスイッチにおける輻輳制御装置であって、
前記第1スイッチにおいて輻輳が検出されたときに、該第1スイッチからPAUSEフレームを受信する受信手段と、
前記第3スイッチから前記第2スイッチを介して前記第1スイッチに送信されるトラフィックに係る複数の送信キューを格納するキュー手段と、
前記PAUSEフレームの受信により前記送信キューからの送信トラフィックを抑制する抑制手段と、を有し、
前記抑制手段は、通常の送信時に前記PAUSEフレームを受信した場合、前記複数の送信キューのうち最も優先度の低い送信キューからの前記送信トラフィックを抑制し、該PAUSEフレームに含まれたPAUSEタイム中に前記第1スイッチから別のPAUSEフレームを受信した場合、より優先度の高い送信キューからの前記送信トラフィックを抑制することを特徴とする輻輳制御装置。 - 前記抑制手段は、前記PAUSEフレームの受信により前記送信キューからの前記送信トラフィックをシェ−ピングするシェ−ピング手段を有し、
前記シェ−ピング手段は、前記PAUSEフレームに含まれたフレーム長によって、前記送信キューからの前記送信トラフィックを予め定められたシェ−ピング値に基づく送信速度以下に抑制することを特徴とする請求項1に記載の輻輳制御装置。 - 前記送信速度の抑制は、前記送信トラフィックにギャップを挿入することによって行なうことを特徴とする請求項2記載の輻輳制御装置。
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