JP4031803B2 - 同期式イーサネット(登録商標)システムにおける時間臨界の情報伝送方法 - Google Patents

同期式イーサネット(登録商標)システムにおける時間臨界の情報伝送方法 Download PDF

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Description

本発明は、同期式イーサネットシステムに関し、特に、アップリンク非同期データの輻輳によりイーサネットスイッチの受信バッファの閾値(threshold)の超過時に生成される休止(pause)信号のような時間臨界(time-critical)の制御信号を、同期フレーム伝送期間でも伝達可能にする方法に関するものである。
イーサネット(Ethernet:登録商標、以下同じ)は、最も広く使用されている近距離通信網(Local Access Network:LAN)技術の一つであり、IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers)802.3として標準化されている。イーサネットは、Xerox社によって発明されたもので、その後、Xerox社,Intel社,DEC社によって発展されている。
従来のイーサネット装置(Ethernet devices)は、IEEE802.3で規定されたCSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access/Collision Detect)プロトコルを用いて、ネットワークに競争的にアクセスする。このイーサネット装置(以下、「イーサネットデバイス」或いは単に「デバイス」ともいう。)は、IFG(Inter Frame Gap)の間隔を維持しつつ、上位階層のサービスフレームをイーサネットフレームとして生成し伝送する。このとき、上位サービスフレームは、そのメッセージ等の種類に関係なく発生順に伝送が行われる。
このようなイーサネットは、動画像や音声のような時間遅延に敏感なデータの伝送には適合しない技術であることが知られているが、最近では、既存のイーサネットを用いて動画像/音声のような同期式データ(synchronous data)を伝送するための技術が活発に研究されている。このような同期式データの伝送のためのイーサネットは、同期式イーサネット(Synchronous Ethernet)と呼ばれる。
同期式イーサネットでは、サイクル単位でフレームを伝送する。そして、一般的に、1サイクルは、125μsとして定義され、同期フレーム期間と非同期フレーム期間とに分けられる。ここで、同期フレームは固定長を有し、非同期フレームは可変長を有する。
同期式イーサネットにおいては、同期フレームは所定サイズのフォーマットでデータを伝送するため、生成された制御信号を同期フレームで伝達することが不可能である。したがって、時間臨界(time-critical)の制御信号が生成される場合には、この制御信号を処理することが難しい問題となる。以下に、これについてより詳細に説明する。
図1A及び図1Bは、従来のイーサネットシステムにおける休止フレームの生成及び伝送を示す例示図である。
図1A及び図1Bを参照すると、従来のイーサネットシステムにおいて、デバイスA(10)は、デバイスB(11)とデバイスC(12)にダウンリンク信号108〜112を伝送する。デバイスBとデバイスCは、デバイスAにアップリンク信号101〜107を伝送する。イーサネットスイッチ13は、これらデバイスA,B,Cの間のスイッチングを遂行する。
イーサネットスイッチ13は、デバイスBから受信されるアップリンク信号103,104とデバイスCから受信されるアップリンク信号105,106,107とを順次に出力できるように、これら信号を一時的にバッファリングするための受信バッファ131を含む。
ここで、図1Aに示すように、受信バッファ131のデータ容量が一定の水準を維持している場合には、アップリンク信号の伝送率を制御する必要はない。一方、図1Bに示すように、受信バッファ131のデータ容量が閾値を超える場合には、イーサネットスイッチ13は、デバイスAに休止信号100を伝送し、続いてデバイスAが休止フレーム113を生成する。この休止フレーム113は、それぞれのデバイスB,Cが所定の期間の間はアップリンク信号を伝送しないように制御ないし通知する役割を担う。
休止フレーム113は、MAC(Media Access Control)階層での明示的なフロー制御用の制御フレームである。イーサネットデバイスは、相手方デバイスから受信されるパケットデータの容量が受信バッファの閾値を超えてしまい対応できなくなる場合に、相手方のイーサネットデバイスからのデータフレームの送信を抑制するために、休止フレーム113を送信する。
図2は、一般的な同期式イーサネットにおける伝送サイクルの構造を示す図である。
図2を参照すると、典型的な同期式イーサネットシステムでは、データ伝送のための1サイクル20は125μsである。このサイクル20は、非同期式データの伝送のための非同期フレーム期間210と、同期式データの伝送のための同期フレーム期間200と、に分けられる。
同期フレーム期間200は、データ伝送のためのサイクル20内では非同期フレーム期間210よりも優先権を有する。この同期フレーム期間200は、738バイトで構成されたサブ同期フレーム201〜204を含む。しかしながら、このバイト数について変更され得ることは当然である。
非同期フレーム期間210は、該当領域に、それぞれ可変的なサイズを有するサブ非同期フレーム211,212,213を含む。
この同期式イーサネットの伝送サイクルで、図1に示したように時間臨界の制御信号を伝送する必要がある場合に、現在の同期式イーサネットシステムでは、非同期フレーム期間210内でのみ、時間臨界の制御信号を伝達することが可能である。したがって、同期フレーム期間200の時間臨界の制御信号の伝達は、必ず時間遅延を伴う。その結果、時間臨界の制御信号は、データ損失を防止するための適正時間内に伝達できない、という問題点があった。
図3は、通常の同期式イーサネットシステムにおける時間臨界の制御信号である休止フレームの生成及び伝送を示す例示図である。
図3を参照すると、同期式イーサネットシステムにおいて休止イベントが非同期フレーム期間32で発生する場合に、休止フレームは、図1Bに示したように通常的な方法で伝送される。しかしながら、休止イベントが同期フレーム期間31で発生する場合(301)には、休止フレームは、同期フレーム期間31内で伝送されることができない。そのため、イーサネットデバイスは、同期フレーム期間31が終了するまで待機する必要があり、この後の非同期フレーム期間32で休止フレームを生成する(302)ことができる。この場合、休止イベントの発生時点301と休止フレーム生成時点302との間には、Δtの時間差303が生じる。
ここで、休止イベントは受信バッファのデータ容量が閾値に至った場合に発生することを考慮すると、Δtの時間差303の間(最中)に受信バッファの容量を超えていると、アップリンク非同期フレームの伝送損失が発生する。したがって、Δtの時間差303を発生することなく、同期フレーム期間31で休止情報などの時間臨界の信号を伝達するための方法に関する研究が求められる。
したがって、上記のような問題点を解決するために、本発明の目的は、非同期トラフィックがアップリンクで過度に密集される場合に、非同期フレーム期間では既存の休止フレームを使用し、同期フレーム期間では休止情報を伝送することによって、受信バッファでアップリンクデータの損失(loss)を防止することができる同期式イーサネットシステムにおける時間臨界の情報伝送方法を提供することにある。
上記の目的を達成するために、本発明の一の側面は、同期式イーサネット(登録商標)システムにおける時間臨界(time-critical)の情報伝送方法であって、時間臨界のイベントを検知し、現在の伝送期間を確認する第1の段階と、前記第1の段階の確認の結果、現在の伝送期間が同期フレーム期間であると、時間臨界の制御情報を生成する第2の段階と、時間臨界のイベントを検知した後の最初のサブ同期フレームに、前記生成された時間臨界の制御情報を挿入して伝送する第3の段階と、前記第1の段階の確認の結果、現在の伝送期間が非同期フレーム期間であると、時間臨界の制御情報を含む制御フレームを生成して伝送する第4の段階と、を含むことを特徴とする。
また、本発明の他の側面は、同期式イーサネット(登録商標)システムにおける時間臨界(time-critical)の情報伝送方法であって、当該同期式イーサネットシステムの性能に影響を及ぼす状態(status)を検知する第1の段階と、前記状態が同期フレーム期間で検知されると、制御情報を生成し、前記状態を検知した後の最初のサブ同期フレームに、前記制御情報を挿入して伝送する第2の段階と、前記状態が非同期フレーム期間で検知されると、前記制御情報を含む制御フレームを生成して伝送する第3の段階と、を含むことを特徴とする。
なお、同期式イーサネットシステムの性能に影響を及ぼす状態(status)とは、伝送されるデータを失う虞がある場合をいい、代表的には、データの容量が受信バッファの所定の閾値を超える場合が挙げられる。
本発明によれば、非同期トラフィックがアップリンクで過度に密集されるなどの同期式イーサネットシステムの性能に影響を及ぼす状態(或いは休止イベント)が発生しこれが検知された場合に、かかる状態(或いは休止イベント)が非同期フレーム期間で発生すると、従来と同様に休止フレームが伝送され、一方、上記状態(或いは休止イベント)が同期フレーム期間で発生すると、休止フレームはサブ同期フレームで伝送される。したがって、従来システムと比較して、受信バッファでのアップリンクデータの損失が防止され、或いは減少する効果が得られる。
以下、本発明の望ましい実施形態を添付図面を参照して詳細に説明する。
なお、下記説明において、本発明の要旨を不要にぼかすと判断される場合には、関連する公知の機能や構成についての詳細な説明を省略する。
本発明の実施形態では、時間臨界の制御を要求するためのイベントとして、休止フレームを例示しているが、これは単なる例示に過ぎないものである。したがって、本発明の実施形態では、休止フレームでなく他の時間臨界のOAM(Operations, Administration and Maintenance)情報を伝送することも可能である。
図4は、本発明の実施形態による同期式イーサネットシステムで、時間臨界の制御信号である休止フレームの生成及び伝送を示す例示図である。
図4を参照すると、同期式イーサネットシステムにおいて、125μsの伝送サイクルの非同期フレーム期間42内で、時間臨界の制御信号を生成すべき休止イベントが発生する場合には、図1Bに示したように、通常のイーサネットシステムと同様に休止フレームを生成して時間臨界の制御信号として伝送する。一方、休止イベント401が同期フレーム期間41で発生する場合には、休止情報(402)が同期フレーム期間41のサブ同期フレーム403内に伝送される。なお、休止フレームの生成や伝送の主体は、同期式イーサネット(登録商標)システム(ないしレジデンシャル(Residential)イーサネット(登録商標)システム)のノードを形成する装置で、時間臨界に関するイベントを検知等できる装置であれば良く、典型的には、図1A,図1Bで説明したイーサネットスイッチ(13)或いはデータを送信する側の装置装置(デバイス)が行うことができる。
同期フレーム期間41には、複数のサブ同期フレーム(403)が存在する。それぞれのサブ同期フレームは、同期フレーム期間41で時間臨界の制御信号を伝達するように提供される。このように同期フレーム期間41で時間臨界の制御信号を伝達するためのサブ同期フレームの構造は、図6及び図7を参照して詳細に説明する。
本発明の実施形態において、それぞれのサブ同期フレーム(403)は、イーサネットフレームの宛先アドレス(destination address)、ソースアドレス(source address)、タイプ(type)情報のようなヘッダー情報を含む22バイトのイーサネットヘッダーフィールド404と、同期化又は非同期化を示す情報、フレームカウント情報、サイクルカウント情報のような同期化フレームに関する情報を含む32バイトの同期ヘッダーフィールド405と、4バイトのHCS(Header Check Sequence)フィールド406と、192個の4バイトの同期データスロットを含む768バイトの同期データスロットフィールド407と、4バイトのFCS(Frame Check Sequence)フィールド408と、を含む。
図5は、従来のイーサネットシステムで使用される休止フレームの構造を示す図である。
図5を参照すると、休止フレームは、休止フレームの伝送の宛先を示す6バイトのDA(Destination Address)501と、休止フレームのソースを示す6バイトのSA(Source Address)502と、休止フレームのタイプ(type)を示すための2バイトのタイプフィールド503と、休止フレームの制御動作のコード(Operation Code)を示す2バイトのOPCODE504と、休止フレームを受信するイーサネットデバイスで休止動作を遂行する時間領域を示す2バイトの休止時間フィールド505と、休止フレームが46バイトに至らない場合に、イーサネットフレームのフォーマットに従って残りの領域にダミービットを詰めるためのPADフィールド506と、休止フレームでの誤りをチェックする4バイトのFCS(Frame Check Sequence)フィールド507と、を含む。
OPCODE504は、当該フレームを受信するイーサネットデバイスに、伝送フレームが休止フレームであることを示し、該イーサネットデバイスに休止動作を遂行させるように命令する制御メッセージを含む。休止時間フィールド505は、イーサネットデバイスに、該デバイスが遂行する休止動作の期間を伝える役割を担う。この休止時間フィールド505は、512ビット単位で0〜65535の値を有する。1Gbpsのイーサネットでは、実際の休止タイマーの最大値は33.6msである。
このような休止フレームを受信したイーサネットデバイスは、休止タイマーを指定された値に設定し、このタイマーが終了するまでデータ伝送を休止する。
このような従来の休止フレームでは、同期フレーム期間に伝達された時間臨界の情報は、OPCODE504及び休止時間505に制限される。この時間臨界の情報の伝送は、4バイトで十分である。
図6は、本発明の実施形態により時間臨界の情報を伝送するためのサブ同期フレームの構造を示す図である。
図6を参照すると、それぞれのサブ同期フレームは、イーサネットフレームの宛先アドレス、ソースアドレス、タイプ(type)情報のようなヘッダー情報を含む22バイトのイーサネットヘッダーフィールド404と、同期化又は非同期化を示す情報、フレームカウント情報、サイクルカウント情報のような同期化フレームに関する情報を含む32バイトの同期ヘッダーフィールド405と、4バイトのHCSフィールド406と、192個の4バイトの同期データスロットを含む768バイトの同期データスロットフィールド407と、4バイトのFCSフィールド408と、を含む。
本発明の第1の実施形態では、このようなサブ同期フレームの同期データスロットフィールド407に含まれた複数の同期データスロットのうちの一つ(4バイト)が、時間臨界の制御情報を伝送するために割り当てられる。
この場合、時間臨界のイベントの発生が同期フレーム期間で検知されると、時間臨界の制御情報は、最大でも1サブ同期フレーム(約830バイト)のみで伝送可能である。したがって、同期フレーム期間全体(約8000乃至12000バイト)で遅延が発生する従来の技術と比較すると、時間臨界の制御情報の遅延によって発生する問題点が著しく減少する。
図7は、本発明の他の実施形態により時間臨界の情報を伝送するためのサブ同期フレームの構造を示す図である。
図7を参照すると、それぞれのサブ同期フレームは、イーサネットフレームの宛先アドレス、ソースアドレス、タイプ情報のようなヘッダー情報を含む22バイトのイーサネットヘッダーフィールド404と、同期化又は非同期化を示す情報、フレームカウント情報、サイクルカウント情報のような同期化フレームに関する情報を含む32バイトの同期ヘッダーフィールド405と、4バイトのHCSフィールド406と、192個の4バイトの同期データスロットを含む768バイトの同期データスロットフィールド407と、4バイトのFCSフィールド408と、を含む。
このような第2の実施形態によれば、既存の休止フレームのようにOPCODE504及び休止期間フィールド505のコンテンツをすべて含んで伝送されるものではない。その代わりに、予め休止期間に関する情報が設定され、かつ、休止情報を伝達するためのモアフラグ(More Flag)ビットが設定される。このようなサブ同期フレームをイーサネットデバイスが受信すると、その後、該デバイスは、当該休止期間の間はアップリンク動作を中止する。これが、本発明の第1の実施形態との相違点である。
モアフラグビットは、多様な方法で割り当てられることが可能である。例えば、イーサネットヘッダーフィールド404又は同期ヘッダーフィールド405に含まれた保留(reserved)フィールド内の1ビットは、モアフラグビットとして割り当てられる。
また、モアフラグビットは、イーサネットヘッダーフィールド404又は同期ヘッダーフィールド405内に含まれた特定のフィールド(すなわち、長さ(Length)/タイプフィールド等)を変更(modify)することによって割り当てることが可能である。例えば、4バイトで構成された長さ/タイプフィールドの1ビットは、モアフラグビットとして使用可能である。
図8は、本発明の実施形態による同期式イーサネットシステムで時間臨界の情報を伝送する方法を示すフローチャートである。なお、図8のフローチャートの処理主体は、本実施形態ではイーサネットスイッチであるが、上述のように、当該イーサネットシステムのノードを形成する他の装置が行っても良い。
図8を参照すると、受信バッファの閾値を超えるなどの時間臨界のイベントが検知されると(ステップS801)、現在の伝送期間をチェックし(ステップS802)、該伝送期間が非同期フレーム期間であるか否かについて判定する(ステップS803)。
その結果、ステップS803でNOすなわち同期フレーム期間であると判定された場合には、時間臨界の制御情報が生成される(ステップS804)。この時間臨界の制御情報は、図6に示すように同期データスロットに挿入され、或いは、図7に示すように時間臨界の制御情報があることを示すためのフラグ情報として設定される情報であって、これはシステムで採用した時間臨界の制御情報を伝送する方法に基づいて決定される。
時間臨界の制御情報は、サブ同期フレームのうちの時間臨界のイベントを検知した後の最初のサブ同期フレームに挿入され(ステップS805)、伝送される(ステップS806)。
一方、ステップS803でYESすなわち非同期フレーム期間であると判定された場合には、従来のイーサネットと同様に、時間臨界の制御情報を有する制御フレームが生成され(ステップS807)、この制御フレームがステップS808で伝送される。
以上、本発明を具体的な実施形態に則して詳細に説明したが、形式や細部についての種々の変更が、特許請求の範囲の記載により規定されるような本発明の精神及び範囲から逸脱することなく行われることが可能であることは、当該技術分野における通常の知識を有する者には明らかである。従って、本発明の範囲は、前述の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載及びこれと均等なものに基づいて定められるべきである。
従来のイーサネットシステムにおける休止フレームの生成及び伝送を説明するための例示図である。 従来のイーサネットシステムにおける休止フレームの生成及び伝送を説明するための例示図である。 一般的な同期式イーサネットにおける伝送サイクルの構造を示す図である。 通常の同期式イーサネットシステムで、時間臨界の制御信号である休止フレームの生成及び伝送を示す例示図である。 本発明の実施形態による同期式イーサネットシステムで、時間臨界の制御信号である休止フレームの生成及び伝送を示す例示図である。 従来のイーサネットシステムで使用される休止フレームの構造を示す図である。 本発明の一実施形態による時間臨界の情報を伝送するためのサブ同期フレームの構造を示す図である。 本発明の他の実施形態による時間臨界の情報を伝送するためのサブ同期フレームの構造を示す図である。 本発明の実施形態による同期式イーサネットシステムで時間臨界の情報を伝送する方法を示すフローチャートである。
符号の説明
41 同期フレーム期間
42 非同期フレーム期間

Claims (12)

  1. 時間臨界のイベントを検知し、現在の伝送期間を確認する第1の段階と、
    前記第1の段階の確認の結果、現在の伝送期間が同期フレーム期間であれば、時間臨界の制御情報を生成する第2の段階と、
    時間臨界のイベントを検知した後の最初のサブ同期フレームに、前記生成された時間臨界の制御情報を挿入して伝送する第3の段階と、
    前記第1の段階の確認の結果、現在の伝送期間が非同期フレーム期間であれば、時間臨界の制御情報を含む制御フレームを生成して伝送する第4の段階と、
    を含むことを特徴とする同期式イーサネット(登録商標)システムにおける時間臨界の情報伝送方法。
  2. 前記第3の段階は、時間臨界のイベントを検知した後の最初のサブ同期フレームの同期データスロットフィールドに含まれた複数の同期データスロットのうちの一つに、前記時間臨界の制御情報を挿入して伝送する段階を含むこと
    を特徴とする請求項1記載の同期式イーサネットシステムにおける時間臨界の情報伝送方法。
  3. 前記第3の段階は、時間臨界のイベントを検知した後の最初のサブ同期フレームのヘッダーフィールドに、時間臨界の制御情報を示すためのフラグビットを割り当て、前記時間臨界の制御情報を伝送する段階を含むこと
    を特徴とする請求項1記載の同期式イーサネットシステムにおける時間臨界の情報伝送方法。
  4. 前記フラグビットは、前記ヘッダーフィールドの保留フィールド内の1ビットであることを特徴とする請求項3記載の同期式イーサネットシステムにおける時間臨界の情報伝送方法。
  5. 前記フラグビットは、前記ヘッダーフィールド内の所定のフィールドを変更することによって割り当てられることを特徴とする請求項3記載の同期式イーサネットシステムにおける時間臨界の情報伝送方法。
  6. 前記時間臨界のイベントは、アップリンク受信バッファの所定閾値を超える容量のデータのイベントであることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の同期式イーサネットシステムにおける時間臨界の情報伝送方法。
  7. 前記時間臨界の制御情報は、アップリンクにデータを伝送するデバイスに対する休止(pause)情報であることを特徴とする請求項6記載の同期式イーサネットシステムにおける時間臨界の情報伝送方法。
  8. 同期式イーサネットシステムにおける時間臨界の情報伝送方法であって、
    当該同期式イーサネットシステムの性能に影響を及ぼす状態を検知する第1の段階と、
    前記状態が同期フレーム期間で検知されると、制御情報を生成し、前記状態を検知した後の最初のサブ同期フレームに、前記制御情報を挿入して伝送する第2の段階と、
    前記状態が非同期フレーム期間で検知されると、前記制御情報を含む制御フレームを生成して伝送する第3の段階と、
    を含むことを特徴とする同期式イーサネットシステムにおける時間臨界の情報伝送方法。
  9. 前記第2の段階は、前記状態を検知した後の最初のサブ同期フレームの同期データスロットフィールドに含まれた複数の同期データスロットのうちの一つに、前記制御情報を挿入して伝送する段階を含むこと
    を特徴とする請求項8記載の同期式イーサネットシステムにおける時間臨界の情報伝送方法。
  10. 前記第2の段階は、前記状態を検知した後の最初のサブ同期フレームのヘッダーフィールドに、前記制御情報を示すためのフラグビットを割り当て、前記制御情報を伝送する段階を含むこと
    を特徴とする請求項8記載の同期式イーサネットシステムにおける時間臨界の情報伝送方法。
  11. 前記フラグビットは、前記ヘッダーフィールドの保留フィールド内の1ビットであることを特徴とする請求項10記載の同期式イーサネットシステムにおける時間臨界の情報伝送方法。
  12. 前記フラグビットは、前記ヘッダーフィールド内の所定のフィールドを変更することによって割り当てられることを特徴とする請求項10記載の同期式イーサネットシステムにおける時間臨界の情報伝送方法。
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