JP4658142B2 - 通信装置およびフレーム制御方法 - Google Patents

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Description

本発明は、マルチパス機能を実装する通信システムにおいて、データを送受信する技術に関する。
従来より、通信装置間に複数のパスを設定してデータを送受信するマルチパス機能を実装する通信システムが実用化されている。マルチパス機能を実現する通信方式としては、例えば、マルチパス方式およびマルチリンクイーサネット方式が知られている。
マルチパス方式は、複数のネットワークインタフェースカード(Network Interface Card、以下NICとする)を使用し、NIC−スイッチングハブ間の伝送路を冗長化して、NICを排他使用することでマルチリンクを実現する。
マルチリンクイーサネット方式は、複数のイーサネット(登録商標)カードを使用し、マルチリンクイーサネット機能を内蔵するスイッチと接続することで、NIC−スイッチ間の伝送路を冗長化し、NICを同時使用することでマルチリンクを実現する。このマルチリンクイーサネット方式には、具体的には、MACアドレス分散方式、ラウンドロビン分散方式、相手IPアドレス分散方式、相手/自IPアドレス分散方式等がある。
なお、マルチリンク方式においては、受信装置がパケットを受信する順序については保証されていない。このため、マルチリンク通信システムの受信側の装置において未到着パケットと消失パケットとを区別することのできる技術が提案されている(例えば、特許文献1)。
特開2004−80139号公報
上記の4つのマルチリンクイーサネット方式のうち、MACアドレス分散方式、相手IPアドレス分散方式および相手/自IPアドレス分散方式においては、送信側および受信側の通信装置にはそれぞれ1つのMACアドレスまたはIPアドレスが割り当てられ、それら通信装置間に設けられている複数の伝送路の中の任意の1つが使用されることになる。このため、通信装置間のある1つのデータに着目すると、1本のパスを利用して伝送されるので、通信帯域を増加させることはできない。
ラウンドロビン分散方式においては、冗長構成された複数のNICを実質的に同時に使用することができる。これにより、例えば、1Gbpsの通信能力を備えるNICを2つ備える構成においては、通信帯域を2Gbpsとすることが可能となる。しかし、この方式においては、複数の伝送路を介してデータフレームが伝送されるので、受信装置におけるフレームの到着の順序は保障されない。そして、フレームの到着順序が逆転している場合やフレーム廃棄された場合等には、受信装置の上位層によってデータ再送が発生してしまい、データの転送性能に影響が生じる。更には、4つのいずれの方式においても、使用するNIC数が増えるにつれてCPU使用率も増加してしまう、という問題がある。
本発明は、フレームの転送効率が高く、且つネットワークの伝送路を多重化して通信帯域幅を最大限に利用することができる技術を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明は、マルチパス機能を提供する通信システムにおいてヘッダ領域およびデータ領域を含むフレームを制御する方法であって、送信装置において、前記フレームのデータ領域に送信順を示す順番情報を付与し、前記送信装置において、複数のパスの中から選択されたパスを介して前記順番情報が付与されたフレームをネットワークへ出力し、受信装置において、前記ネットワークを介して受信したフレームのデータ領域から前記順番情報を読み出し、前記受信情報において、読み出した順番情報に基づいて、受信したフレームをそのフレームのヘッダ領域に格納されている制御情報を処理するための上位層処理部へ転送するか否かを判断する構成とする。
受信装置は、送信装置からのフレームの送信順を示した順番情報を読み出し、読み出した順番情報に基づいて、そのフレームを上位層処理部に転送するか否かを判断する。送信装置からネットワークに対して送信した順番で、上位層処理部にフレームを転送することができる。
前記受信装置において、各受信フレームの順番情報を解析することによって新たに受信したフレームの直前に受信すべきフレームを既に受信していたことが検出されたときは、その新たに受信したフレームを前記上位層処理部へ転送する。これにより、順番情報が示す順に上位層へとフレームが転送される。
更に、前記受信装置において、各受信フレームの順番情報を解析することによって新たに受信したフレームの直前に受信すべきフレームを受信していないことが検出されたときは、タイマを起動し、前記タイマの起動時から所定時間内に前記直前に受信すべきフレームを受信したときは、前記新たに受信したフレームを前記上位層処理部へ転送し、前記タイマの起動時から所定時間内に前記直前に受信すべきフレームを受信しなかったときは、前記新たに受信したフレームを廃棄する構成としてもよい。フレームの受信順序がその送信順序と異なっていた場合であっても、所定の時間内にそれらのフレームを受信できたときは、上位層処理部には正規の順序で転送される。これにより、フレームの順序入替えに起因して上位層が送信装置に対して再送要求を送信することを防止する。
本発明によれば、不要なデータ再送処理が発生することを防止することができるので、データの転送効率を向上させることができる。
一般的なマルチパス機能を備えた通信システムの構成図である。 一般的なマルチパス機能を備えた通信システムにおける、データの送信処理を説明するための図である。 一般的なマルチパス機能を備えた通信システムにおける、データの受信処理を説明するための図である。 本発明に係る通信システムの構成図である。 本実施形態に係る通信システムにおけるフレームの送信処理を説明するための図である。 本実施形態に係るフレーム制御方法を用いて送信されるフレームのフォーマットを示した図である。 本実施形態に係るフレーム制御方法を用いて送信されるフレームのヘッダのフォーマットである。 本実施形態に係る通信システムにおけるフレームの受信処理を説明するための図である。 受信管理情報の管理方法の一例を説明するための図である。 受信管理情報の例である。 送信装置におけるフレームの送信処理を示したフローチャートである。 受信装置におけるフレームの受信処理を示したフローチャートである。 生存時間タイマがタイムアウトになったときの処理を示したフローチャートである。
図1は、一般的なマルチパス機能を備えた通信システムの構成図である。説明のため、通信システムAがデータの送信側、通信システムBが受信側であることとし、送信側、受信側の通信システム双方において、マルチパス機能を実装しているものとする。ここで、マルチパス機能とは、通信装置間に複数のパスを設定してデータを送受信する機能のことをいう。また、マルチパス機能は、複数のNICによってNIC−スイッチングハブ間の伝送路が冗長化され、伝送路あるいはNICにおいて障害等を検出すると、通信パスを切り替えて通信を継続させることのできる機能を含むようにしてもよい。
例えば、図1に示す通信システムAおよびBのいずれもがマルチリンクイーサネット方式を採用する場合、複数(図1においては、3つ)のNICを同時に使用してデータ転送を行う。例えば、各NICがそれぞれ1Gbpsの通信能力を備えているものとすると、3枚のNICを並列的に動作させることにより、実質的に3Gbpsの通信帯域を得るようにしている。すなわち、全体として通信帯域が拡大される。なお、伝送路あるいはNICにおいて何らかの障害が検出された場合には、障害の発生していない伝送路のみを利用して通信を継続させる機能を備えるようにしてもよい。
図2および図3は、一般的なマルチパス機能を備えた通信システムにおける、データの送信処理および受信処理を説明するための図である。データの送信時には、各プロトコル処理部においてヘッダが付与されてネットワークに対して送出される。受信装置においてデータを受信すると、受信した順に各プロトコル処理部においてヘッダが順次削除されて上位層に転送されていく。下位層からデータを受信した各プロトコル処理部においては、一旦バッファ等にそのデータをコピーし、必要な処理を実行してから上位層に転送している。
本発明に係るフレーム制御方法においては、図2および図3に示す基本手順をベースに加えて、受信装置のTCP/IP層よりも下位の層においてフレームの送信順序を確認する手順を含んでいる。
図4は、本発明に係る通信システムの構成図である。通信システム1は、複数のNIC2(2A、2B、2C)を備えている。そして、通信システム1は、複数のNIC2を利用してラウンドロビン分散方式でデータをネットワークに送出する。データの送出時に、フレーム(パケット)の順番情報や待ち合わせ制御のための情報を付与する。
一方、データの受信時には、NIC2を介して受信したフレームは、ドライバ層3やTCP/IP層4を介して、不図示のアプリケーション層へと転送される。マルチパス機能を実装するドライバ層3においては、上記の順番制御や待ち合わせ制御のための情報を利用してフレーム順番制御および待ち合わせ制御が実行される。なお、以降の説明においては、これらの制御のための情報を格納する領域を帯域制御ヘッダと呼ぶことがある。ただし、この帯域制御ヘッダは、IPヘッダまたはTCPヘッダ等とは異なり、データ領域内に設けられる。以下、本発明を実施するための好適な実施形態について説明する。
図5は、本実施形態に係る通信システムにおけるフレームの送信処理を説明するための図である。ネットワークアプリケーションから送信されたフレームの送信要求をTCP/IPプロトコル処理部を介して受信すると、マルチパス(Multi-Path)プロトコル処理部は、まず、ネゴシエーション処理を実行する。そして、ネゴシエーション処理の結果得られたネゴシエーション情報を、TCP/IP層に通知する。ネゴシエーション情報は、送受信するフレームの長さ(MTU長、Maximum Transmission Unit)を含む。MTU長に関しては、一般的には、イーサネットにおいては最大1.5キロバイトのMTU長でデータの送受信を行い、ジャンボフレームの場合は、最大9キロバイトのMTU長でデータの送受信を行う。本実施形態においては、マルチパスプロトコル処理部において4バイトのデータ(すなわち、帯域制御ヘッダ)を付与するために、TCP/IP層においてデータリンク層から受信したMTU長から4減算する。
更に、マルチパスプロトコル処理部は、TCP/IP層を介して受信した送信要求に対し、イーサネットヘッダを作成し、フレームの最後尾部分に、受信装置側においてフレームの順番制御に使用するための情報を付与する。IPヘッダの「全長」に「4」を加算し、TCPヘッダのチェックサムを再設定する。こうして、帯域制御ヘッダをデータストリームの一部に付与したフレームを、ラウンドロビン方式でネットワークに送出する。
図6は、本実施形態に係るフレーム制御方法を用いて送信されるフレームのフォーマットを示した図である。イーサネットヘッダ、IPヘッダおよびTCPヘッダがデータストリームの前に付与されている点においては従来のフレームのフォーマットと同様であるが、データストリームの最後尾に、帯域制御ヘッダが付与されている点において異なる。帯域制御ヘッダは、順番情報および生存時間情報を含む。
図7は、本実施形態に係るフレーム制御方法を用いて送信されるフレームのヘッダのフォーマットである。イーサネットヘッダについては、従来のフレームのヘッダフォーマットと同様である。IPヘッダは、4バイトの帯域制御ヘッダを付与した分、「全長」に「4」が加算されている。TCPヘッダは、主にTCPヘッダやデータから算出されるチェックサムが、付与された帯域制御ヘッダを含めた値が格納されている。帯域制御ヘッダには、既に図6を用いて述べた通り、順番情報(シリアルナンバ)と生存時間とを含む。順番情報とは、送信装置からネットワークに送出される順序を示す情報である。生存時間とは、詳しくは後述するが、受信装置のマルチパスプロトコル処理部において、先に上位プロトコル処理部に転送すべきフレームを受信するまでの待ち時間についての情報である。
ここで、帯域制御ヘッダとは、送受信されるデータに付与されて、受信装置のマルチパスプロトコル処理部においてそのフレームを上位層に転送するときのフレーム制御に使用される。データストリーム自体ではなく、フレームの制御に使用されるという意味で「帯域制御ヘッダ」の語を用いている。
なお、既述の通り、図7の帯域制御ヘッダは、本実施形態においてはデータストリームの最後尾に付与されているが、これに限られるものではない。図6に示す位置の他に、例えばTCPヘッダとデータストリームとの間であってもよい。
受信装置は、受信したフレームを一旦受信バッファに格納する。格納したフレームを解析して、それがTCPフレームである場合に、本実施形態に係るフレーム制御を実行する。すなわち、送信装置から出力されるフレームは、ラウンドロビン方式を利用して複数の伝送路を介して伝送されるため、受信装置は、シリアルナンバ通りにフレームを受信できないことがある。このため、受信装置は、受信したフレームの帯域制御ヘッダを参照して、一旦受信バッファに格納したフレームを、シリアルナンバ通りに上位層に転送する。
図8は、本実施形態に係る通信システムにおけるフレームの受信処理を説明するための図である。図5から図7を参照して説明したように、本実施形態においては、送信装置は、フレームの最後尾、すなわちデータストリームの領域の一部を用いて帯域制御ヘッダを付与したフレームを、ネットワークに対してラウンドロビン分散方式で送出する。受信装置は、このフレームを受信すると、帯域制御ヘッダに基づいて、フレームの制御を行い、帯域制御ヘッダをデータストリームから削除したフレームを、適当なタイミングで上位層に転送する。
ラウンドロビン分散方式で複数の伝送路を介して送信されるフレームは、受信装置における受信順序については保証されない。このため、マルチパスプロトコル処理部において帯域制御ヘッダの情報を参照して、帯域制御ヘッダの示す順序通りに上位層であるTCP/IPプロトコル処理部に対して、受信バッファに格納されているフレームを読み出して転送する。順序通りに受信しなかったフレームについては、マルチパスプロトコル処理部において待ち合わせ処理を実行する。
待ち合わせ時間は、帯域制御ヘッダの生存情報を参照して行われ、生存時間を経過してもそのフレームよりも先に上位層に転送されるべきフレームを受信装置において受信できなかったときは、そのフレーム以降のシリアルナンバを帯域制御ヘッダに保有するフレーム全てを、マルチプロトコル処理部において廃棄する。マルチパスプロトコル処理部においてあるシリアルナンバ以降のフレームが廃棄されると、上位のTCP/IPプロトコル処理部においては、所定の時間内にフレームが受信されないときはデータの欠損が生じたと判断して、再送要求を送信装置に対して送信する。
受信装置において受信バッファに格納したフレームについては、受信管理情報を用いて管理する。受信管理情報を参照することにより、マルチパスプロトコル処理部におけるフレームの転送処理や廃棄処理が実行される。ここで、受信管理情報とは、受信バッファに格納されているTCPフレームを上位層に転送する際に必要な情報を含んで構成される。
図9は、受信管理情報の管理方法の一例を説明するための図である。図9に示すように、受信管理情報は、受信管理情報先頭ポインタSP、受信管理情報最終ポインタEPおよび受信フレーム通知ポインタUPを含む。受信管理情報先頭ポインタSPは、受信管理情報の先頭フレームについての受信管理情報の格納先を示すポインタであり、順番情報すなわちシリアルナンバが1の受信管理情報の格納先を示す。受信管理情報最終ポインタEPは、受信管理情報の最後のフレームについての受信管理情報の格納先を示すポインタであり、順番情報すなわちシリアルナンバが最後の受信管理情報の格納先を示す。受信フレーム通知ポインタUPは、次に上位プロトコル処理部、ここではIPプロトコル処理部へ通知する受信フレームについての受信管理情報の格納先を示すポインタである。なお、ここではシリアルナンバは1から開始することとしているが、これに限定されるものではない。例えば、TCPヘッダのシーケンス番号に対応させて設定してもよい。
図10は、受信管理情報の例である。図10に示すように、受信管理情報は、フレームごとに、受信フラグRF、通知フラグUFおよび受信バッファアドレスを含んで構成される。受信フラグRFは、そのフレームを受信したタイミングで設定され、上位層のIPプロトコル処理部に転送したタイミングで解除される。通知フラグUFは、そのフレームを上位層に転送したタイミングで設定され、そのフレームについての受信バッファを解放したタイミングで解除される。受信バッファアドレスは、対応するシリアルナンバのフレームを格納した受信バッファのアドレスが格納され、受信フラグRFおよび通知フラグUFが設定されている間有効とされる。
図11は、送信装置におけるフレームの送信処理を示したフローチャートである。図11に示す処理は、マルチパスプロトコル処理部において、ネットワークに送出すべきフレームを受信するごとに実行される。
まず、ステップS1で、TCPヘッダとデータストリームの後に、帯域制御ヘッダを付加する。帯域制御ヘッダが付与される位置については、先に図6を参照して説明した通りである。次に、ステップS2で、IPヘッダの「全長」に「4」を加算し、ステップS3で、TCPヘッダのチェックサムを再計算し、設定する。最後に、ステップS4で、複数のネットワークパスに対してラウンドロビン分散方式でフレームを送信して処理を終了する。
図12は、受信装置におけるフレームの受信処理を示したフローチャートである。図12に示す処理は、マルチパスプロトコル処理部において、ネットワークを介して受信したデータを認識するごとに実行される。
まず、ステップS11で、データを受信すると、ステップS12で、受信したフレームがTCPフレームであるか否かを判定する。TCPフレームか否かは、例えば、IPヘッダのプロトコル番号等をチェックすることにより判定する。TCPフレーム以外のフレームを受信した場合は、マルチパスプロトコル処理部においては特に処理を行わず、上位プロトコル処理部に対してそのデータを送信し、処理を終了する。TCPフレームを受信した場合は、ステップS14に進み、受信したフレームについて受信管理情報を作成する。このとき、受信フラグRFに「1」を設定し、受信バッファのアドレスを受信管理情報として格納する。
ステップS15で、受信フレーム通知ポインタUPの値が、先のステップS14で作成された受信管理情報を示しているか否かを判定する。受信フレーム通知ポインタUPが他のフレームについての受信管理情報を示しているときは、そのフレームの1つ前のフレームについてはまだ上位プロトコル処理部に転送されていないとして、ステップS16に進み、生存時間タイマを起動する。受信フレーム通知ポインタUPがステップS14で作成された受信管理情報を指しているときは、ステップS17に進み、次のシリアルナンバの受信管理情報の受信フラグRFに「0」が設定されているか否かを判定する。すなわち、次のフレームについて、既に受信して受信管理情報が作成されているか否かを判定する。
次のシリアルナンバのフレームをまだ受信していないときは、ステップS17からステップS18に進み、ステップS14で受信管理情報を作成したフレームについての帯域制御ヘッダを削除する。そして、ステップS19で、IPヘッダの「全長」から「4」を減算し、ステップS20で、TCPヘッダのチェックサムを再計算して設定し、ステップS21で、そのフレームを上位プロトコル処理部であるIPプロトコル処理部へ送信する。フレームの送信後、ステップS22で、受信フラグRFに「0」を、通知フラグUFに「1」を設定し、処理を終了する。
ステップS17で、既に次のシリアルナンバのフレームを受信していると判定されたときは、ステップS23に進み、次のシリアルナンバについての生存時間タイマを停止させる。そして、ステップS24からステップS28で、上記のステップS18からステップS22と同様の処理を行う。ステップS29で、受信フレーム通知ポインタUPを更新して、すなわち1加算して、ステップS15に戻る。
図13は、生存時間タイマがタイムアウトになったときの処理を示したフローチャートである。図13に示す処理は、図12のステップS16で起動された生存時間タイマがタイムアウトになったことを契機として開始される。
まず、ステップS31で、あるフレームの生存時間タイマがタイムアウトになったことを認識すると、ステップS32で、そのタイムアウトになったフレームを破棄し、対応する受信管理情報の受信フラグおよび通知フラグを「0」に設定し、受信バッファアドレスの値を「0」に設定する。なお、本実施形態においては、そのフレームについてのシリアルナンバを参照して、それ以降のシリアルナンバのフレームを全て廃棄し、処理を終了する。
以上、本実施形態に係るフレーム制御方法によれば、複数の伝送路を介してフレームが送信されて到着順序が送信順序を異なっている場合であっても、受信装置のマルチパスプロトコル処理部において帯域制御ヘッダの順番情報(シリアルナンバ)を参照することにより、順番情報が示す順で上位プロトコル処理部に送信される。入れ替わった順序で受信したフレームについては、帯域制御ヘッダの生存時間に基づいて、所定の期間内は受信装置の受信バッファに保有される。そして、次に上位プロトコル処理部に送信すべきフレームを生存時間内に受信した場合は、順番情報にしたがって上位に送信する。一方、次に上位プロトコル処理部に送信すべきフレームを生存時間内に受信しないときは、そのフレームの順番情報が示す順番以降のフレームを破棄し、上位プロトコル処理部には転送しない。
従来は、ラウンドロビン分散方式で送信されたデータについては、受信装置においてはその順番によらずに、受信したフレームを順次上位のIPプロトコル処理部に転送していた。このため、上位プロトコル処理部において順序が逆転していることを認識すると、再送処理が発生し、データ伝送効率が低下していた。これに対し、本実施形態に係るフレーム制御方法によれば、順序が逆転してマルチパスプロトコル処理部で受信したフレームについては、順序通りに上位プロトコル処理部に転送され、無用な再送処理が発生することを防ぐことができる。これにより、転送効率を向上させることが可能とされる。

Claims (6)

  1. マルチパス機能を提供する通信システムにおいてヘッダ領域およびデータ領域を含むフレームを制御する方法であって、
    送信装置において、前記フレームのデータ領域に送信順を示す順番情報を付与し、
    前記送信装置において、複数のパスの中から選択されたパスを介して前記順番情報が付与されたフレームをネットワークへ出力し、
    受信装置において、前記ネットワークを介して受信したフレームのデータ領域から前記順番情報を読み出し、
    各受信フレームの順番情報を解析することによって新たに受信したフレームの直前に受信すべきフレームを既に受信していたことが検出されたときは、その新たに受信したフレームをそのフレームのヘッダ領域に格納されている制御情報を処理するための上位層処理部へ転送し、
    各受信フレームの順番情報を解析することによって新たに受信したフレームの直前に受信すべきフレームを受信していないことが検出されたときは、タイマを起動し、
    前記タイマの起動時から所定時間内に前記直前に受信すべきフレームを受信したときは、前記新たに受信したフレームを前記上位層処理部へ転送し、
    前記タイマの起動時から所定時間内に前記直前に受信すべきフレームを受信しなかったときは、前記新たに受信したフレームを廃棄する
    ことを特徴とするフレーム制御方法。
  2. 前記フレームのデータ領域は、フレームの順序制御のための情報を格納する帯域制御ヘッダに係る情報を有し、
    前記順番情報は、前記ヘッダ領域中に格納されるシーケンス番号とは別に付与される情報であり、前記帯域制御ヘッダの一部として前記データ領域中に格納される
    ことを特徴とする請求項1に記載のフレーム制御方法。
  3. 前記タイマの起動時から所定時間内に前記直前に受信すべきフレームを受信したときは、該直前に受信すべきフレームを前記上位層処理部へ転送してから、該新たに受信したフレームを該上位層処理部へ転送する
    ことを特徴とする請求項に記載のフレーム制御方法。
  4. 前記各フレームは、前記タイマが計時する所定時間を定める生存時間情報を有する
    ことを特徴とする請求項1に記載のフレーム制御方法。
  5. 前記帯域制御ヘッダは、各フレームについて前記タイマが計時する所定時間を定める生存時間情報を有する
    ことを特徴とする請求項2又は3のいずれか1項に記載のフレーム制御方法。
  6. マルチパス機能を提供する通信システムにおいて、ヘッダ領域及びデータ領域を含むフレームを制御する送信装置から送出された、データ領域にフレームの送信順を示す順番情報を付与されたフレームをネットワークを介して受信する通信装置であって、
    前記ネットワークを介して受信したフレームのデータ領域から前記順番情報を読み出す読み出し手段と、
    各受信フレームの順番情報を解析することによって新たに受信したフレームの直前に受信すべきフレームを既に受信していたことが検出されたときは、その新たに受信したフレームをそのフレームのヘッダ領域に格納されている制御情報を処理するための上位層処理部へ転送し、各受信フレームの順番情報を解析することによって新たに受信したフレームの直前に受信すべきフレームを受信していないことが検出されたときは、タイマを起動し、前記タイマの起動時から所定時間内に前記直前に受信すべきフレームを受信したときは、前記新たに受信したフレームを前記上位層処理部へ転送し、前記タイマの起動時から所定時間内に前記直前に受信すべきフレームを受信しなかったときは、前記新たに受信したフレームを廃棄する転送手段と
    を備えたことを特徴とする通信装置。
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