JP4520134B2 - デュアルリングネットワークのためのリング選択方法 - Google Patents

Description

本発明はデュアルリングネットワーク(dual ring network)でのリング選択方法に関し、特に帯域幅再活用技術(spatial reuse protocol)を利用するデュアルリングネットワークにおいて、二つのリングが同時にデータを伝送することができるようにするデュアルリングネットワークのリング選択方法に関する。

リング型ネットワーク構造を使用する方式は多様なものあるが、まず、トークンリング方式が最初に登場したリング型ネットワークである。

トークンリングは、伝送リング内に只1個だけ存在するトークンと呼ばれるフレームを受信したノードだけが、データ（パケット）をフレームに書き込んで伝送できるように考案された方式で、必ず空きトークンを送信ノード自身に保留し、同時にリング上から消去した場合にだけ、データ付きのビジートークンを送信することができるが、空きトークンを捕獲できるまで待機しなければならないという問題がある。

また、FDDI（Fiber Distributed-Data Interface）はトークンリングとは異なり、デュアルにリングを構成して、信頼性を向上させる方法を使用する。

FDDIでは、データ伝送路に一つのリングを用い、他の一つのリングは、第１のリングが物理的な障害で切れたりリングを構成するノードで障害が発生した時に動作するバックアップ用として用いられ、トークンリングと同様に、トークンパッシング(Token Passing)方式を使用するので、伝送路上に常にデータが乗っているとは言えず、データ伝送効率が落ちる短所を持っている。

リングプロトコルを使用している他の技術にはSONET/SDH（Synchronous Optical Network/Synchronous Digital Hierarchy）がある。

SONET/SDHはTDM（時分割多重）を基盤とする回線交換網であって、２つのリングを使用してFDDIと同様に一つのリングはデータ伝送のために活性化され、他の一つのリングは障害発生時のための待機モードである。

したがって、SONET/SDHの場合も、実際に使用可能なリング帯域幅は５０％に過ぎず、残り５０％は障害復旧のために予約されている。

また、RPR（Resilient Packer Ring）も、FDDIまたはSONET/SDHリングのように二つのリングで構成される。

しかし、RPRの二つのリングは、互いに反対方向に運用されるだけでなく、FDDIやSONET/SDHとは異なって、二つのリングが全てデータ伝送のために同時に使用可能である。

図１は、一般的な帯域幅再活用性両方向リングネットワークの基本的な論理構造をブロック図として示す。

図１に示す帯域幅再活用性両方向リングネットワークは、複数個のノード１〜６（１０１〜１０６）が二つのリング、外部リング１１１と内部リング１１２に連結され、両リングは各々独立して同時にデータ伝送が可能であり、両リングに記入された矢印にしたがって信号が流れるとするならば、この限りでは、前記RPRも含まれる。

また図示されない細部事項であるが、前記二つのリングを流れるフレームが、宛先に到着し受信された後で、リングから除去される形式の、宛先-リリース方式で運用されるので、フレームが宛先（目的地ともいう）つまり受信ノードで取り去られて、それより下流域は未使用の自由空間になる。

また、ノード１（１０１）からノード３（１０３）にデータを伝送する場合、ノード３（１０３）からノード６（１０６）までの経路は用いられていないために、その経路上のノード相互間ではデータ送受信が可能である。したがって、網全体での帯域幅を画期的に増加させることができる。

図２は従来の両方向リングネットワークを支援するMAC（Media Access Control）の構造、つまり各ノードにおけるパケットの流れ方を示したブロック図である。

図２には、デュアルリングネットワーク（Ring0、Ring１）に含まれるMAC構造として、MACクライアント２０１、MAC制御部２０２、MACデータ部２０３、Ring0信号制御部２０４、Ring１信号制御部２０５、PHY0ネットワークスイッチ２０６、PHY1ネットワークスイッチ２０７を含む。

前記構造においてMACクライアント２０１からのデータ（丸１）はMACデータ部２０３で任意のリングに伝達されなければならず、経路（パス）の選択はMAC制御部２０２の制御信号（丸２）によって決定される。

リングネットワーク上の各ノードは同様なMAC構造を有し、他ノードから送信されるデータはデータ内の宛先アドレスとリング番号を参照・確認して当該MACデータ部２０３で受信される。

図３は、従来のリングネットワークに適用されるパケットのフォーマットを示したブロック図である。

現在、デュアルリングネットワークのパケットフォーマットは標準化が進められており、図３はCisco社のSRP（Spatial Reuse Protocol）に使われるパケット形態である。

図３によれば、リングネットワークのパケットは既存のイーサネット（登録商標）フレームにデュアルリング用ヘッダ（RPRヘッダ）３１０だけを添付した形態で用いられており、ヘッダの内容はTTL（生存時間）３０２と、RI（リング番号）３１１、宛先MACアドレス（DA）、送信元MACアドレス（SA）などで構成されている。

TTL３０２はパケットの無限繰り返し(unlimited repetition)を防止するために用いられ、RI３１１はパケット伝送時に当該リングを選択する役割を果たす。

したがって、受信の場合、ヘッダを検査してRIが一致しないパケットは受信せず、送信時検索によってRIに当該リングの番号を書き込まなければならない。

図４は、従来のリング選択方法を示す流れ図である。
図４によれば、受信ノード４１０と送信ノード４２０間を結ぶリングを選択するために、まず、デュアルリングネットワークが初期化されて、リング上の全てのノードが位置情報を記入できるように、先ずトポロジー（接続形態）を知らせるためのトポロジーパケットを循リングさせる。

この時、各ノードで受信したトポロジーパケットに各自のトポロジー情報を順次に付け加えて、パケットがリング全体を回ると、各ノードのMACアドレス、ポート番号、ノード間のホップ数などが明示されたトポロジーマップを完成させ、全ノードがマップを記憶する。

トポロジーマップが構成された状態で、特定ノードが他のノードにパケットを伝送しようとすれば、送信ノード４２０から受信ノード４１０のMACアドレスを知るためにARP（Address Resolution Protocol）リクエストをする（S４０１）。この時、ARPリクエストメッセージは全てのノードに伝達される。

前記全てのノードに伝達されるARPリクエストメッセージを受信した受信ノード４１０は、ARPリクエストメッセージに応じて、自身が有するトポロジーマップを参照してホップ数（＝中間接続点個数＋１）が少ないリングを選択してARP応答を送る（S４０２）。

ARP応答を受けた送信ノード４２０は受信したリングの反対リング、つまり、外部リング１１１で受信した場合、内部リング１１２の番号を送信リングとしてルーティングテーブルに追加し、他の情報を更新する。

そして、送信ノード４２０はルーティングテーブルを参照してパケットを伝送する（S４０３）。

この時、送信リングとして前記反対リングを選択する理由は、多くの場合、ARP応答を受信したリングの反対リングがホップ数の少ない速い経路になるためである。

このように、従来のデュアルリングネットワークにおいて、リングを選択する要因は、保護の有無とトポロジー情報に含まれているホップ数の数値である。すなわち、リングネットワーク上の断絶あるいはノード故障による失敗を生じない状態ならば、ホップ数が少ないリングを選択するようになっている。また、ネットワークに問題があって、ノードの経路がラップ（使用禁止）状態であれば、ホップ数の数値に関係無くラップされている経路を避けてリングを選択するようになっている。

しかし、この従来技術では、パケット生成時、パケットヘッダにリング番号RIを記入しようとルーティングテーブルを参照してリングを選択する時に、ノード間のホップ数だけを参照しても帯域幅を最大限に活用することができるとは限らず、同一リングに一時的に多くのパケットが送信されて混雑状況を起こすことがあり、一方のリングにだけパケットが集中してリング暴走現象を生ずる問題がある。

前記問題を解決するために、本発明はリング選択時に各ノードに与えられた帯域幅割当状態を参照できるようにして、特定リングにパケットが集中する現象を防止し、リングの使用頻度を分散することによって結果的にリング帯域幅を最大限効率的に使用できるようにするデュアルリング型ネットワークのリング選択方法を提供することにその目的がある。

請求項１に係る本発明は、複数の送信ノードおよび受信ノードを含むデュアルリングネットワークのノード間パケット伝送のためのリング選択方法において、（a）パケット伝送のための受信ノードアドレスリクエストメッセージを全てのノードに伝送し、前記受信ノードから伝送される短い経路の情報を利用してルーティングテーブルを更新するステップと、（b）前記ルーティングテーブルに含まれているノード間ホップ数に関する情報を利用して、前記受信ノード間の最少ホップ数を有するリングを選択するステップと、（c）前記選択されたリングのラップ有無を判断し、前記選択されたリングがラップされていない場合、その使用率およびホップ数と、リング選択アルゴリズムに基づいた基準値とを比較するステップと、（d）前記比較の結果、前記選択されたリングがパケット伝送に適したリングである場合、パケット伝送のためのリングを選択するステップとを含むことを特徴とする。

請求項２に係る本発明は、請求項１に記載のリング選択方法において、前記ステップ（a）において、送信ノードおよび受信ノードの各々は、ノード間のホップ数、ポート情報、MACアドレスおよびラップの有無情報を含むトポロジーマップを有していることを特徴とする。

請求項３に係る本発明は、請求項１に記載のリング選択方法において、前記ステップ（c）のリング選択アルゴリズムは、前記受信ノード間の経路に基づいたホップ数および遅延時間ならびにノード間の使用率を用いて伝送係数を計算し、前記ルーティングテーブルに計算した伝送計数を保存し、前記ルーティングテーブルに保存されている伝送係数のうちその値が小さいリングを基準値として選択するステップを含むことを特徴とする。

請求項４に係る本発明は、請求項１に記載のリング選択方法において、前記ステップ（c）における基準値と比較する処理は、前記選択されたリングと、前記リング選択アルゴリズムにより選択されたリングが、前記基準値と同一であるか否かを判断することを特徴とする。

請求項５に係る本発明は、請求項３に記載のリング選択方法において、前記伝送係数は、前記送信ノードと前記受信ノードとの間のホップ数、各ノードの使用率、および、ノード間の遅延時間を参照して決定することを特徴とする。

請求項６に係る本発明は、請求項３に記載のリング選択方法において、前記使用率および前記伝送係数は予め定められたサイクルで計算され、前記ルーティングテーブルの内容が更新されることを特徴とする。

請求項７に係る本発明は、請求項１に記載のリング選択方法において、前記選択されたリングがラップされているとき、他のリングを選択するステップをさらに含むことを特徴とする。

請求項８に係る本発明は、デュアルリングネットワークにおいてパケット送信のためのリングを選択する方法であって、ラップされたリングがない場合、１）各リングの各ノードに対するホップ数、使用率、および遅延時間に基づいて、各リングの伝送係数を計算するステップと、２）計算された伝送係数が最も低いリングをパケット送信用リングとして選択するステップとを含むことを特徴とする。

請求項９に係る本発明は、請求項８に記載のリング選択方法において、前記ホップ数および前記使用率は、ルーティングテーブルの値を基準として決定されることを特徴とする。

本発明の一形態によるデュアルリングネットワークのリング選択方法は、複数のノードを含むデュアルリングネットワークのノード間パケット伝送のためのリング選択方法において、（a）送信ノードがパケット伝送のための受信ノードアドレスリクエストメッセージを全てのノードに伝送して、前記受信ノードから伝送される短い経路に関する情報を利用しルーティングテーブルを更新するステップと、（b）前記送信ノードが自身のルーティングテーブルに含まれた各ノード間ホップ数情報を利用して、 前記送信ノードから前記受信ノードまでの最短ホップ数を有するリングを選択するステップと、（c）前記送信ノードが前記選択されたリングのラップ有無を判断し、ラップされなかったリングである場合、前記送信ノード自身の使用率と、前記受信ノードまでのホップ数をリング選択アルゴリズムによる基準値と比較するステップと、（d）前記比較の結果、前記選択されたリングが基準値に適したリングである場合、前記送信ノードでパケット送信のために当該リングを選択するステップとを含む。

好ましくは、前記（a）ステップで、送信ノードおよび受信ノードを含む全てのノードはシステム初期化時にトポロジーパケット交換を通じて、各ノード間のホップ数、ポート情報、MACアドレスおよびラップ有無情報を含むトポロジーマップを有していることを特徴とする。

好ましくは、前記（c）ステップのリング選択アルゴリズムは、前記送信ノードから前記受信ノードまでの経路によるホップ数および遅延時間並びに各ノード間の使用率を利用して伝送係数を計算し、前記ルーティングテーブルに保存した後、前記ルーティングテーブルに保存された伝送係数値が小さいリングを基準値の内容として選択するステップを含む。

好ましくは、前記（c）ステップの基準値比較は、前記選択されたリングと、リング選択アルゴリズムによって選択されたリングが基準値の内容に該当しているかどうかを比較することを特徴とする。

好ましくは、前記伝送係数は、前記送信ノードから前記受信ノードまでのホップ数および各ノードの使用率、そして各ノード間の遅延時間を参照して実現することを特徴とする。

好ましくは、前記使用率および伝送係数は一定の周期で計算して各ノード別ルーティングテーブルの内容を更新することを特徴とする。

好ましくは、前記（c）ステップの比較結果、選択されたリングがラップされている場合、他のリングを選択するステップを特徴とする。

本発明によるデュアルリングネットワークのリング選択方法は、リング選択時にノード間のホップ数だけでなく各ノードが許容する使用率および遅延時間まで参照することによって一層効率的な経路選択を可能にし、これによって特定ノードの混雑状況が発生する場合、混雑状況解消が行われるまで使用率を低くして伝送することよりは、リング選択アルゴリズムによって異なる代替経路を通じてパケット伝送が可能になることによって、伝送速度を高めてリング全体の効果的な利用が可能になる効果がある。

また、従来の帯域幅選択アルゴリズムを通じて得られた使用率を参照することによって、追加的な性能を要求せずにデータ伝送効率を高めることができる効果がある。

以下、添付した図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。
図５は、本発明の一実施形態によるデュアルリングネットワークのリング選択方法を示す流れ図である。

図５によれば、全てのリングネットワークに連結された各ノードはトポロジーパケットの交換を通じてトポロジーマップ(topology map)を保有する。

そして、トポロジーマップはノード間のホップ数に対する情報、ポート情報、MACアドレス、そしてラップの有無などに対する内容を含む。

前記トポロジーマップを全てのノードが保有するようにした後、送信ノード５２０は受信ノード５１０のMACアドレスを知るために、ARPリクエストメッセージを全てのノードに伝達（ブロードキャスト）する（S５０１）。

前記ARPリクエストメッセージを受信した受信ノード５１０はMACアドレス（DAおよびSA）を調べて（S５０２）、当該ARPリクエストメッセージのMACアドレス（DA）により受信ノードが自身であることを確認し、自身が有しているトポロジーマップを調べて（S５０３）、最もホップ数が少ないリングを選択し、MACアドレス（SA）に示された送信ノード５２０にARP応答メッセージを伝送する（S５０４）。

前記ARP応答メッセージを受信した送信ノード５２０はルーティングテーブルを更新し、帯域幅割当アルゴリズム（Fairness Algorithm）を遂行してノード別に割当てられる許容帯域幅を当該ノードの使用率（Usage Rate）として計算する（S５０５）。

前記使用率は当該ノードが伝送できる最大の帯域幅（伝送速度）を意味するので、帯域幅を超えるデータが伝送できないように制御する役割を果たす。

そして、送信ノード５２０は、リングネットワークを通じて送信する時、デュアルリングネットワーク用MACヘッダを付けるが、この時、送信用のリングを選択してリング番号を設定するために、リング選択アルゴリズムを遂行する。（S５０６）。

前記リング選択アルゴリズムは２個のリングの中から、いずれか一つのリングを選んでデータを送ることにより、帯域幅を効果的に利用する方法であって、本発明の核心アルゴリズムと言える。
したがって、以下に前記リング選択アルゴリズムについて詳細に説明する。

デュアルリングネットワークで或るノード（送信ノード）から他のノード（受信ノード）にパケットを伝送する経路（パス）は２つ、内リングと外リングが存在する。ホストでパケットが生成されれば、まず、送ろうとする宛先MACアドレスを確認してリングを１次的に初期値として選択する。

この時の選択方法は、前記ステップS５０５で更新されたルーティングテーブルを参照して、ホップ数が少ないリングを選択する方法である。

この時、前記ルーティングテーブルはARP要求とARP応答を行ってIPアドレスとMACアドレスを一致させ、この２種の方法を用いてルーティングテーブルの完全性を維持する。

そして、次には選択されたリングのトポロジー状態を検査してラップの有無を判断する。もし当該リングがラップ（使用禁止）されていれば(wrapped)、他のリングを選択する。

もし、そのリングがラップされない(not wrapped)で正常な状態であれば、当該ノードの使用率および受信ノードまでのホップ数を、基準値と比較するリング選択アルゴリズムを実行する。

前記選択されたリングがリング選択アルゴリズムによる基準値を満足すれば、選択されたリングでパケットを伝送し、基準値を満足しなければ帯域幅を超えて使用できないことを意味するので他のリングを探す。

この時、リング選択アルゴリズムは本実施の形態では、以下に示す式（１）のように伝送係数(transmission coefficient)を利用して実現する。
伝送係数=ホップ数×（１００M bit / 使用率）+ノード当りの遅延時間 ・・・式（１）
ここで、伝送係数と遅延時間の単位は10 ns、使用率は帯域幅割り当てアルゴリズムによって当該ノードに許容された帯域幅（ビット数／時間）を意味する。

式（１）によってパケットを送信する前に２つのリングに対する伝送係数を計算して伝送係数の小さい値を有するリングを選択する。

前記リング選択アルゴリズムによってリングを選択する一方で、パケットを生成し（S５０７）、前記選択されたリングの番号を設定して（S５０８）、受信ノード５１０にパケットを伝送する（S５０９）。

上述したような図５の方法を実施した例は次の通りである。
図６は、本発明の一実施形態によるデュアルリングネットワークのリング選択方法によるリング選択構造を示したブロック図である。

図６を参照すれば、リング選択アルゴリズムを伝送係数に含むアルゴリズムに選択する場合、ノード１（１０１）からノード４（１０４）にパケット伝送をしようとする場合、伝送係数は１００M bitのデータを伝送するためにかかる時間を基準にしており、ノード１（１０１）とノード４（１０４）とのホップ数(inter-node hop number)、使用率(usage rate)、そしてノード当りの遅延時間(delay time per node)を参照して計算する。

この時、「使用率(usage rate)」とは帯域幅割当アルゴリズムを遂行した結果によるノード当り許容帯域幅を意味し、ノード当り遅延時間は各ノードが受信フレームを中継処理したり、パケットを処理するための遅延時間を意味する。したがって、ノード当り遅延時間はノードの設計方法とパケット処理方法によって決められ、リング境によって変化する変数である。
伝送係数は上記の式（１）により計算される。

図６において、リング１（６１０）の使用率が１００M bps、リング２（６２０）の使用率が５０M bpsでノード当たり遅延時間を無視できる時、伝送係数は外部リング６２０の場合「６」であり、内部リング６１０を利用する場合「５」であることが分かる。

したがって、ノード１（１０１）はノード４（１０４）に内部リング６１０を利用してパケットを伝送する。これは従来の方式を利用する場合、外部リングを利用してノード１（１０１）からノード４（１０４）にパケットを伝送する方法と比較して説明することができる。

図６のような構造を有するデュアルリングネットワークでの各ノード別ホップ数と使用率および伝送係数によるパケット伝送のためのリング番号によるルーティングテーブルは次のようである。

図７は、本実施形態によるデュアルリングネットワークのための、リング選択方法のルーティングテーブル構成を示した図面である。

図７を参照すれば、図６の構造によってノード１（１０１）が有するルーティングテーブルを従来（a）および本発明の実施形態（b）によって比較して示した図面であって、従来のルーティングテーブルの構造（a）はノード１が有するルーティングテーブルは各ノードの間のホップ数とホップ数によるリング番号が既に選択されていることが分かる。

しかし、本実施形態によって構成されるルーティングテーブル（b）は２個のリングに対する使用率と、使用率に基づく各ノードに対する伝送係数に対する情報を含んでデータ伝送時最終的に参照するリング番号が伝送係数の小さいリングを選択するようになっている。なお、ノード毎の遅延時間は十分に小さいとして無視している。

したがって、図７に比較されているように、従来はノード１（１０１）からノード４（１０４）にパケットを伝送する時、外部リング６２０を利用することに比べて、本実施の形態では内部リング６１０を利用する。

一般的な帯域幅再活用性を有する両方向リングネットワークの基本的な論理構造を示したブロック図である。 従来の両方向リングネットワークを支援するMACの構造、つまり各ノードにおけるパケットの流れ方を示したブロック図である。 従来のリングネットワークに適用されるパケットのフォーマットを示したブロック図である。 従来のリング選択方法を示す流れ図である。 本発明の一実施形態によるデュアルリングネットワークのリング選択方法を示す流れ図である。 本発明の一実施形態によるデュアルリングネットワークのリング選択方法によるリング選択構造を示したブロック図である。 本発明の一実施形態によるデュアルリングネットワークのための、リング選択方法のルーティングテーブル構成を示した図面である。

符号の説明

１０１〜１０８ 第１ノード乃至第８ノード
１１１ 外部リング
１１２ 内部リング
２０１ MACクライアント
２０２ MAC制御部
２０３ MACデータ部
２０４ Ring0信号制御部
２０５ Ring1信号制御部
２０６ PHY0ネットワークスイッチ
２０７ PHY1ネットワークスイッチ
６１０ 内部リング
６２０ 外部リング

Claims (4)

1. 複数の送信ノードおよび受信ノードを含むデュアルリングネットワークのノード間パケット伝送のためのリング選択方法において、
   （ａ）パケット伝送のための受信ノードアドレスリクエストメッセージを全てのノードに伝送し、前記受信ノードから伝送される短い経路の情報を利用してルーティングテーブルを更新するステップと、
   （ｂ）前記ルーティングテーブルに含まれているノード間ホップ数に関する情報を利用して、前記受信ノード間の最少ホップ数を有する第１のリングを選択するステップと、
   （ｃ）前記選択された第１のリングのラップ有無を判断し、前記選択された第１のリングがラップされていない場合、前記選択された第１のリングおよびリング選択アルゴリズムにより選択された第２のリングを比較するステップであって、該第２のリングは、前記受信ノード間の経路に基づいたホップ数および遅延時間ならびにノード間の使用率を用いて伝送係数を計算し、前記ルーティングテーブルに計算した伝送係数を保存し、前記ルーティングテーブルに保存されている伝送係数のうちその値が最も小さいリングを選択することによって決められるステップと、
   （ｄ）前記比較の結果、前記選択された第１のリングが前記リング選択アルゴリズムによって選択された第２のリングと一致する場合、パケット伝送のために第１のリングを選択するステップと
   を含み、
   前記伝送係数は、
   各ノードの使用率に基づいて得られる設定値と、前記送信ノードと前記受信ノードとの間のホップ数を掛け算した値と、ノード当り遅延時間の合計に基づいて算出されることを特徴とするリング選択方法。
2. 請求項１に記載のリング選択方法において、
   前記ステップ（a）において、送信ノードおよび受信ノードの各々は、ノード間のホップ数、ポート情報、MACアドレスおよびラップの有無情報を含むトポロジーマップを有していることを特徴とするリング選択方法。
3. 請求項１に記載のリング選択方法において、
   前記使用率および前記伝送係数は予め定められたサイクルで計算され、前記ルーティングテーブルの内容が更新されることを特徴とするリング選択方法。
4. 請求項１に記載のリング選択方法において、
   前記選択されたリングがラップされているとき、他のリングを選択するステップをさらに含むことを特徴とするリング選択方法。

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