JP4890427B2 - ネットワークシステム及びノード - Google Patents

Description

本発明は、パケットを転送するネットワークシステムに関し、特に、ネットワークシステム内で多重化されたパケットを転送するネットワーク装置の電力消費量削減技術に関する。

ルータやスイッチなどのネットワークノード（以下、ノード）は、パケットを受信する際、受信したパケットのヘッダ情報に基づいて、ネットワークアドレスと送信インタフェースとが対応付けられた経路表を検索し、受信したパケットを送信インタフェースから送信する（このパケット転送動作を“ｐａｃｋｅｔ−ｂｙ−ｐａｃｋｅｔ転送”と呼ぶ）。ｐａｃｋｅｔ−ｂｙ−ｐａｃｋｅｔ転送を実行するノードで生じる電力消費量は、時間あたりの経路表の検索回数に比例する。

そこで、パケット伝送路上のノードにおけるパケット転送時の電力消費量を抑制する手段として、送信先方向が同一である複数のパケットを多重化して送信する方式が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。この方式では、ノードが送信待ちのパケット（パケット１）の送信先方向と該パケット１に連続する後続パケットの送信先方向とを比較し、両パケットの送信先方向が同一である場合にパケット１と後続パケットとを多重化し、多重化されたパケットを送信する（多重化によって得られるパケットを多重化パケットと呼ぶ）。

このとき、パケットを多重化するノード（以下、パケット多重化ノード）から送信される多重化パケットのサイズが送信回線の最大伝送単位（ＭＴＵ：Ｍａｘ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｕｎｉｔ）を越えない限り、パケット１とパケット１に連続する１つ以上の後続パケットとを用いて、パケットの多重化が実行される。多重化パケットは、多重化された各パケットの宛先の装置が収容されるノード（以下、パケット分離ノード）で分離される。

その後、パケット分離ノードは、分離したパケットについて経路表を検索し、検索結果として得られる回線から分離したパケットを送信する。一方、後続パケットの宛先が先行するパケット１の宛先と異なる場合、パケット多重化ノードは、多重化パケットのサイズにかかわらず多重化パケットを分離し、分離されたパケット１及び後続パケットを送信する。

また、パケットを多重化して送信する他の技術として、特許文献１に記載された技術が提案されている。特許文献１に記載された技術によると、複数のネットワークの間に配置されるパケット多重化ノードは、パケット１の送信を完了するまでの間に、送信先がパケット１と同一方向である後続パケットを受信した場合、送信回線のＭＴＵを超えない範囲でパケット１と後続パケットとを多重化する。

特許文献１に記載されたパケット多重化ノードは、非特許文献１に記載されたノードと異なり、パケットの送信先ネットワーク毎に多重化実行領域を設けている。故に、パケット多重化ノードは、パケット１と後続パケットとの送信先ネットワークを意識せず、各多重化実行領域にてパケットの多重化を実行する。すなわち、特許文献１に記載された技術では、パケット１の送信先ネットワークと後続パケットの送信先ネットワークとが異なる場合であっても、パケットを多重化することができる。

パケットを多重化する他の技術として、ネットワークを伝送するトラフィック総量を抑制する為、同一データを持つパケットのヘッダを多重化する方式が提案されている（例えば、特許文献２参照）。この方式では、パケット多重化ノードが受信したパケット１を経路表検索後に装置内のデータ格納領域へ蓄積する。ここで、パケット１が送信されていないとき、「上記後続パケットのデータ部が該パケット１のデータ部と同一」且つ「該パケット１と該後続パケットとの送信先が同一方向」である場合、パケット多重化ノードは、パケット１のヘッダ部と一つ以上の後続パケットのヘッダ部とを多重化し、パケット１のデータ部と多重化されたパケットのヘッダ部とを統合し、上記パケット分離ノードに向けて送信する。

このとき、パケット多重化ノードは、多重化されたデータに付加すべき新たなヘッダの宛先アドレスとして、パケット分離ノードの装置アドレスを用いる。パケット分離ノードは、多重化された後続パケットのヘッダ数だけパケット１のデータ部を複製する。複製後、パケット１を生成し、多重化された後続パケットのヘッダを分離し、複製したパケット１のデータ部に分離した後続パケットヘッダを付加する。パケット分離ノードは、これらのパケットについて経路表を検索し、検索結果として得られる送信回線からパケットを送信する。
特開２０００−８３０６２号公報 特開２００５−２２３６５６号公報 堀内晋也、外１名，「高効率パケット多重化転送ネットワークの検討」，電子情報通信学会技術報告，社団法人電子情報通信学会，平成１２年１０月，ＣＱ２０００−３８，ｐｐ．１−６

前述した非特許文献１に記載された技術では、連続するパケットの出力先が異なる場合、パケット多重化ノードはｐａｃｋｅｔ−ｂｙ−ｐａｃｋｅｔ転送を実行する。このとき、パケット多重化ノードとパケット分離ノードとの間に存在する経路上のノード（以下、コアノード）は、パケット多重化ノードから送信された各パケットを、ｐａｃｋｅｔ−ｂｙ−ｐａｃｋｅｔ転送しなければならない。このため、パケット転送に必要な消費電力を低減することができない。

前述した特許文献１に記載された技術では、パケット多重化ノードは、パケットを可能な限り多重化する。このとき、コアノードにおける時間当たりの経路表検索回数は、ｐａｃｋｅｔ−ｂｙ−ｐａｃｋｅｔ転送と比べて低減することができる。しかし、特許文献１に記載された技術では、コアノードにおけるパケット転送用モジュールの動作周波数を低減していない為、パケット転送に必要な消費電力の低減が十分でない。

前述した特許文献２に記載された技術では、パケット多重化ノードは、受信した各パケットのデータ部の内容を比較する。パケット多重化ノードにおいて、比較に要する時間はパケットサイズに比例する。また、パケット分離ノードにおいて、パケットの複製に要する時間はパケット１のデータ部のサイズに比例する。故に、特許文献２に記載された技術では、映像や音声等のリアルタイムパケット転送には適さない。

以上から、本発明の課題は、通信ネットワーク内で特にトラフィック量が多いバックボーンネットワークにおいて、リアルタイムパケットの伝送遅延増加を抑制しつつ、コアノードのパケット転送に要する消費電力を低減することである。

本発明の代表的な一例を示せば以下の通りである。すなわち、本発明の一例のネットワークシステムは、外部のネットワークと接続するための外部回線から入力されるパケットを受信するエッジノード、前記エッジノードが受信したパケットをネットワークシステム内で転送するコアノード、及び、前記ネットワークシステム内のノードの動作を制御するセンターノードを備えるネットワークシステムであって、前記センターノードは、前記ネットワークシステム内の回線の最大伝送単位の最小値及び前記外部回線の最大伝送単位の最大値を取得し、前記取得した前記ネットワークシステム内の回線の最大伝送単位の最小値と前記外部回線の最大伝送単位の最大値との比を計算し、前記エッジノードは、前記ネットワークシステム内の回線の最大伝送単位の最小値を超えない範囲で入力されたパケットを多重化し、前記多重化されたパケットを前記コアノードに転送し、前記コアノードは、前記計算された比の値に基づいて、内部のプロセッサの動作周波数を低下することを特徴とする。

本発明の一実施形態によると、伝送遅延の増加を抑制しつつ、パケット転送に必要な消費電力を低減することができる。

本発明は、バックボーンネットワークを構成するネットワーク装置と、ネットワークシステムとに適用可能である。

本発明の実施の形態では、バックボーンネットワークにおいてｐａｃｋｅｔ−ｂｙ−ｐａｃｋｅｔ転送を実行する場合、全ノードにおけるルーティングモジュールの動作周波数の初期値を同一とすることを前提としている。該バックボーンネットワークに含まれるノードのうち、バックボーンネットワークの境界に配置されるノードをエッジノードと呼び、エッジノードではないノードをコアノードと呼ぶ。また、コアノードの内、バックボーンネットワークの制御を担うノードをセンターノードと呼ぶ。なお、センターノードはコアノードの一つであってもよいし、パケット転送機能を備えなくてもよい。また、各ノードに備わるルーティングモジュールには、動作周波数や内部構成を動的に変更することができるプロセッサ及びメモリを用いる。

コアノードのパケット転送に要する消費電力の低減を図る為、該バックボーンネットワーク内のノード同士を接続する回線ＭＴＵの最小値と、該バックボーンネットワークの各エッジノードと外部ネットワークのエッジノードとの間における回線ＭＴＵの最大値との比を、２以上に設定することが必要である。このとき、該バックボーンネットワークの入力側エッジノードでは、コアノード経由で同一の出力側エッジノードに送信予定のパケットを多重化することができる為、センターノードを含むコアノードのパケット転送に要する消費電力を低減することができる。従って、コアノードのパケット転送プロセッサの動作周波数は、初期値より低減することができる。

ここで、可変長の多重化パケットをコアノードで紛失させない為には、ルーティングモジュールの動作周波数を、動作周波数の初期値を前記ＭＴＵの比で割った値未満に設定してはならない。すなわち、コアノードにおけるルーティングモジュールの動作周波数は、該初期値を上記比で割った値に低減するのが最適である。

上記比を決定する為、各エッジノードは外部ネットワークのエッジノードと共有する全回線のＭＴＵ（ｅＭＴＵ）を上記センターノードに通知する。また、各コアノードは全収容回線のＭＴＵ（ｃＭＴＵ）を該センターノードに通知する。該センターノードは、上記比である“（最小ｃＭＴＵ／最大ｅＭＴＵ）の商”を求めた後、求められた商及び最小ｃＭＴＵを該バックボーンネットワーク内の全ノードに通知する。

このとき、各コアノードのルーティングモジュールの動作周波数が該初期値を該商で割った値に変更される。また、各エッジノードは多重化パケットサイズの最大値を最小ｃＭＴＵに設定する。また、各エッジノードは、外部ネットワークから受信したバックボーンネットワークを伝送するパケットを上記最小ｃＭＴＵ近くまで多重化した上で、コアノードに向けて送信する（但し、受信パケットが映像や音声等のリアルタイムパケットである場合、伝送遅延の増加を抑制する為、上記最小ｃＭＴＵより小さなサイズの多重化パケットをコアノードに向けて送信してもよい）。

＜実施形態１＞
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

本実施の形態では、ＩＰｖ４（Ｉｎｔｅｒｎｅｔ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ Ｖｅｒｓｉｏｎ ４）パケットを伝送するバックボーンネットワークについて説明する。但し、本発明の効果を奏する限り、本発明が適用される装置、パケットの種類は、実施の形態で開示されたものに限られない。

図１は、本発明の実施の形態のネットワークの構成を示す図である。

バックボーンネットワーク１００は、センターノード１１０、コアノード１２０−１〜１２０−６及びエッジノード１３０−１〜１３０−４を含む。なお、コアノード１２０−１〜１２０−６は、区別する必要がない場合は、コアノード１２０と総称して説明する。エッジノード１３０−１〜１３０−４は、区別する必要がない場合は、エッジノード１３０と総称して説明する。

コアノード１２０は、バックボーンネットワーク１００内に設置されるパケット転送装置であり、コアノード１２０のうち一つがセンターノード１１０となる。エッジノード１３０は、バックボーンネットワーク１００の端部に設置されるパケット転送装置であって、回線Ｌ５１を経由して他のネットワークのエッジノード１４と接続されている。なお、回線Ｌ５１−１〜Ｌ５１−６は、区別する必要がない場合は、回線Ｌ５１と総称して説明する。バックボーンネットワーク１００に属さない外部ネットワークのエッジノード１４０−１〜１４０−６は、区別する必要がない場合は、エッジノード１４０と総称して説明する。

本実施の形態では、各エッジノード１３０及び各コアノード１２０は、センターノード１１０のアドレスを保持しており、センターノード１１０は各エッジノード１３０のアドレス及び各コアノード１２０のアドレスを保持している。

ここで、バックボーンネットワーク１００の全てのノードがイーサネット（登録商標、以下同じ）回線で接続され、且つ、１５１８バイト以上のジャンボフレームを転送可能である。

また、バックボーンネットワーク１００内の全てのノードにおけるパケットルーティングモジュールの動作周波数は同一であり、初期状態のバックボーンネットワーク１００内の各ノードがパケット・バイ・パケット転送を実行する。

図２は、本発明の実施の形態のバックボーンネットワーク１００によって伝送されるパケットフォーマットの１例を示す説明図である。

可変長のパケット２００は、Ｌ２ヘッダ２１０、ＩＰヘッダ２２０、及び、ペイロード２３０を含む。Ｌ２ヘッダ２１０は、ＯＳＩ（Ｏｐｅｎ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ）参照モデルにおける第２層（データリンク層）ヘッダである。ＩＰヘッダ２２０は、ＯＳＩ参照モデルにおける第３層（ネットワーク層）のヘッダである。なお、ＩＰヘッダ２２０及びペイロード２３０から構成される（Ｌ２ヘッダを含まない）パケットをＩＰパケット３００と呼ぶ。

図３は、本発明の実施の形態のバックボーンネットワーク１００に含まれるノード９００の構成を示すブロック図である。

バックボーンネットワーク１００に含まれるセンターノード１１０、コアノード１２０及びエッジノード１３０は、ノード９００である。

ノード９００は、物理ポート９１１−ｉ（ｉ＝１〜Ｎ）を収容する回線インタフェース９１０、パケットルーティングモジュール９２０、パケットクラスタ処理部９３０、装置制御部９４０及びバッファ９５０を備える。

装置制御部９４０は、ネットワーク管理者が利用する管理端末３０に接続され、ネットワークを伝送する制御パケットを解析し、パケットルーティングモジュール９２０を含む装置全体を制御する。また、装置制御部９４０は、解析結果を用いて装置内の状態を更新し、解析結果をバックボーンネットワーク１００の全ノードに通知する。

ネットワーク間の経路情報の交換を制御するルーティングプロトコルとしてＢＧＰ−４（Ｂｏｒｄｅｒ Ｇａｔｅｗａｙ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ ４）を用い、ネットワーク内制御のルーティングプロトコルにＯＳＰＦｖ２（Ｏｐｅｎ Ｓｈｏｒｔｅｓｔ Ｐａｔｈ Ｆｉｒｓｔ Ｖｅｒｓｉｏｎ ２）を用いるとよい。この場合、エッジノード１３０の装置制御部９４０は、ＢＧＰ−４により、外部ネットワークのエッジノード１４０が保持する全ての経路情報（ネットワークアドレス）を取得することができる。

更に、エッジノード１３０の該装置制御部９４０は、ＯＳＰＦｖ２によって、バックボーンネットワーク１００内の全ノードに、取得したネットワークアドレスを配信する。従って、全てのパケット多重化ノードは各ネットワークアドレスに最も近いエッジノード（パケット分離ノード）を認識することができる。

パケットルーティングモジュール９２０は、受信パケットに含まれる情報によって、受信パケットの種別を識別し、後段において受信パケットに必要となる処理を決定する。受信パケットに対する後段の処理として、パケットルーティングモジュール９２０内の経路表８００（図４参照）を検索する処理、及び、経路表８００の検索結果として得られる送信物理ポート９１１−ｉに向けてパケットを出力する処理がある。

経路表８００は、図４に示すように、パケットルーティングモジュール９２０内のパケット転送データベース９２２に含まれており、受信パケットの宛先を含むネットワークアドレスと送信先情報とが対応付けられている情報である。

更に、受信パケットに対する後段の処理として、パケットクラスタ処理部９３０へ受信パケットを出力する処理、及び、装置制御部９４０へ受信パケットを出力する処理がある。パケットクラスタ処理部９３０は、後述するように、多重化可能なパケットを多重化し、分離可能なパケットを分離する。

図４は、パケットルーティングモジュール９２０の構成を示すブロック図である。

パケットルーティングモジュール９２０は、パケット転送プロセッサ９２１及びパケット転送データベース９２２を備える。パケット転送プロセッサ９２１は、主に受信したパケットを転送し、パケット転送データベース９２２を検索する。パケット転送データベース９２２は、受信パケットの転送に必要な経路表８００を格納する。更に、パケットルーティングモジュール９２０は、動作周波数や内部構成を動的に変更することができるパケット転送プロセッサ９２１及びメモリ（図示省略）を用いる。

図５は、経路表８００の一例として、エッジノード１３０−１に備わる経路表８００の例を示す。

経路表８００には、ネットワークアドレス又は装置アドレスと、検索結果情報とが対応付けられて登録されている。

パケットルーティングモジュール９２０が、受信パケットを特定の多数の宛先に送信するマルチキャストや、受信したパケットを全物理ポート９１１から送信するブロードキャストへ対応するために、経路表８００は一つの宛先に一つ以上の送信先情報を登録することができる。更に、各ノードで受信したパケットに対する多重化の要否を設定することができる。

経路表８００の各エントリは、前述したルーティングプロトコルの制御情報によって登録される。検索結果情報は、送信用の物理ポート９１１−ｉ及び前述した多重化要否フラグを含む。更に、検索結果情報は、パケット分離ノードの装置ＩＰアドレス、送信先隣接ノードの装置ＭＡＣ（Ｍｅｄｉａ Ａｃｃｅｓｓ Ｃｏｎｔｒｏｌ）アドレス、及び、バックボーンネットワーク１００内の最小ｃＭＴＵを格納する。最小ｃＭＴＵに関しては後述する。

パケット転送プロセッサ９２１は、ノード９００が受信したパケット２００が入力されると、受信パケットに含まれるＬ２ヘッダ２１０を削除する。その後、Ｌ２ヘッダ２１０が削除されたＩＰパケット３００に含まれる情報を用いて、ＩＰパケット３００の種別を識別する。

種別を識別した結果、ＩＰパケット３００が装置制御部９４０又はパケットクラスタ処理部９３０に送出すべきパケットである場合、該ＩＰパケットに変更を加えずに信号線Ｌ４経由で装置制御部９４０、又はパケットクラスタ処理部９３０へ送出する。一方、ＩＰパケット３００が装置制御部９４０又はパケットクラスタ処理部９３０に送出すべきパケットではない場合、該ＩＰパケットに含まれる情報からパケット転送データベース９２２を検索するための検索キーを生成し、生成した検索キーを信号線Ｌ１０へ出力することによって、パケット転送データベース９２２に格納される経路表８００を検索する。

経路表８００内のネットワークアドレスに検索キーと一致するアドレスが含まれる場合、パケット転送プロセッサ９２１は、検索結果として、該一致したネットワークアドレスに対応する検索結果情報をＬ１１経由で得る。得られた検索結果情報に含まれる多重化要否フラグが‘０’を示す場合、「自装置のＭＡＣアドレス」、及び、検索結果情報に記載された「送信先隣接ノードのＭＡＣアドレス」を用いてＬ２ヘッダ２１０を生成する。

その後、生成したＬ２ヘッダ２１０へＩＰパケット３００を付加することによって、パケット２００を生成する。パケット２００の生成後、得られた検索結果情報に含まれる物理信号線Ｌ８からポート９１１−ｉへ、パケット２００を出力する。

一方、得られた検索結果情報に含まれる多重化要否フラグが‘１’を示す場合、ＩＰパケット３００及び得られた検索結果情報を、信号線Ｌ１からパケットクラスタ処理部９３０へ出力する。

図６は、パケットクラスタ処理部９３０の構成を示すブロック図である。

パケットクラスタ処理部９３０は、パケット入力部９３１、パケット多重化部９３２、パケット分離部９３３、パケット出力部９３４、及びパケット多重化管理部９３５とを備える。パケット入力部９３１は、受信したパケットに必要な後段処理（パケットの多重化又は分離）を決定する。パケット多重化部９３２は、パケットを多重化する。パケット分離部９３３は、多重化されたデータ４３０を分離する。パケット出力部９３４は、パケットクラスタ処理部９３０へ入力されたパケットの出力先を決定する。パケット多重化管理部９３５は、パケットの多重化方式を伝達する。

本発明の第１の実施の形態では、センターノード１１０、コアノード１２０及びエッジノード１３０は、同一の構成（アーキテクチャ）を有するノード９００であるが、センターノード１１０、コアノード１２０及びエッジノード１３０が異なる構成でもよい。また、センターノード１１０、コアノード１２０及びエッジノード１３０が同一の構成である場合に、センターノード１１０及びコアノード１２０は、パケットクラスタ処理部９３０を使用しないので、パケットクラスタ処理部９３０へ供給される電源を遮断、またはパケットクラスタ処理部９３０の動作周波数を極めて低くしてもよい。同様に、エッジノード１３０は、バッファ９５０を使用しないので、バッファ９５０へ供給される電源を遮断、或いはバッファ９５０の動作周波数を極めて低くしてもよい。

（パケット多重化転送処理）
以下、上記バックボーンネットワーク１００が、ｐａｃｋｅｔ−ｂｙ−ｐａｃｋｅｔ転送からパケット多重化転送へ遷移する場合について説明する。

前述したコアノード１２０のパケット転送に要する電力消費の効率を向上させるためには、バックボーンネットワーク１００の各エッジノード１３０が受信パケットを多重化し、コアノード１２０が多重化パケットを転送する際にパケットルーティングモジュール９２０の動作周波数を初期値（ｆ０）より低減させる必要がある。そこで、本実施の形態では、最初に、バックボーンネットワーク１００内のノード同士を接続する回線ＭＴＵの最小値と、該バックボーンネットワーク１００の各エッジノード１３０と外部ネットワークのエッジノード１４０との間の回線Ｌ５１のＭＴＵの最大値を取得し、両取得した値の比を求める。

一般的に、バックボーンネットワーク１００内の各コアノード１２０に収容される回線のＭＴＵ（ｃＭＴＵ）は、対向ノード間で利用可能な最大値を用いてよい。本実施の形態では、バックボーンネットワーク１００内の各ノードは、ジャンボフレーム転送をサポートしている。ここで、ｃＭＴＵへ設定される値は、ジャンボフレーム転送ノードにおいて用いられることが多い‘９２１６’で統一する。このとき、各コアノード１２０の装置制御部９４０は、ｃＭＴＵの値を含む収容回線ＭＴＵ通知パケットを生成し、生成された収容回線ＭＴＵ通知パケットをセンターノードに送信する。

また、バックボーンネットワーク１００のエッジノード１３０と他のネットワークに属するエッジノード１４０とを接続する回線Ｌ５１のＭＴＵ（ｅＭＴＵ）は、バックボーンネットワーク１００と外部ネットワークとの接続であることを考慮し、イーサネットによって規定される値の‘１５００’で統一するのとよい。このとき、各エッジノード１３０の装置制御部９４０は、ｅＭＴＵの値を含む外部接続回線ＭＴＵ通知パケットを生成し、生成された外部接続回線ＭＴＵ通知パケットをセンターノード１１０に送信する。

センターノード１１０の装置制御部９４０は、バックボーンネットワーク１００の全エッジノード１３０の装置ＩＰアドレス及び全コアノード１２０の装置ＩＰアドレスを登録しているため、受信した収容回線ＭＴＵ通知パケットの送信元ノード及び受信した外部接続回線ＭＴＵ通知パケットの送信元ノードを分類することができる。センターノード１１０は、全エッジノード１３０及び全コアノード１２０から、収容回線ＭＴＵ通知パケットと外部接続回線ＭＴＵ通知パケットとを受信した後、ｅＭＴＵの最大値とｃＭＴＵの最小値を装置制御部９４０に記録する。ここで、ｅＭＴＵの最大値とｃＭＴＵの最小値を記録する理由は、バックボーンネットワーク１００がｅＭＴＵと同じサイズのパケットを連続して伝送する場合、エッジノード１３０にて生成された多重化パケットがコアノード１２０で紛失することを防止するためである。

センターノード１１０の装置制御部９４０は、求められる比である、最小ｃＭＴＵを最大ｅＭＴＵで割って商を求めた後、該求められた商及び最小ｃＭＴＵをバックボーンネットワーク内の全ノードにマルチキャストパケットで配信する。このとき、求められた比の値は‘６’となる。なお、このマルチキャストグループには、バックボーンネットワーク１００を構成するセンターノード１００、全てのコアノード１２０、及び全てのエッジノード１３０だけを含める。従って、このマルチキャストパケットは、バックボーンネットワーク１００の外部に伝達されない。

ここで、可変長の多重化パケット４００をコアノード１２０又はセンターノード１１０で紛失させないためには、コアノード１２０とセンターノード１１０のパケットルーティングモジュール９２０の動作周波数を、該初期値ｆ０を求められた比の値‘６’で割った値（ｆ’）未満に設定しないことが必要である。即ち、コアノード１２０におけるパケットルーティングモジュール９２０の動作周波数は、初期値ｆ０を上記商‘６’で割った値ｆ’まで低減するのが適切である。

また、各エッジノード１３０は多重化パケットサイズの最大値として最小ｃＭＴＵを用いる。更に、各エッジノード１３０は、バックボーンネットワーク１００で伝送されるべき、外部ネットワークから受信したパケットを、前記最小ｃＭＴＵ（＝９２１６）近くまで多重化し、多重化されたパケットをコアノード１２０に送信する。

各エッジノード１３０のパケットクラスタ処理部９３０は、装置制御部９４０より通知されたｃＭＴＵの範囲で、パケット転送プロセッサ９２１から入力されたコアノードに送信すべきＩＰパケット３００を多重化する。詳述すると、パケット多重化管理部９３５は、入力された該ｃＭＴＵ及び求められた商‘６’を信号線Ｌ９５に出力する。その後、ｃＭＴＵが入力されたパケット多重化部９３２は、入力されたｃＭＴＵ及び求められた商‘６’を記録する。

さらに、通常のデータパケットが含まれる多重化パケット４００を生成するための時間として、「求められた商‘６’と、最大サイズ（ｅＭＴＵ）パケット転送に必要な有効時間との積」を、パケット多重化部９３２内の多重化処理管理タイマに設定する。パケット多重化部９３２は、設定された有効時間を、パケット多重化管理部９３５を経由して装置制御部９４０に伝達する。従って、ネットワーク管理者は、管理端末３０から信号線Ｌ７を介して装置制御部９４０へアクセスすることにより、該タイマに設定された有効時間を確認することができる。また、ネットワーク管理者は、管理端末３０から設定された有効時間を設定値以下に変更することができる。

なお、センターノード１１０及びコアノード１２０は、パケットクラスタ処理部９３０を使用しないため、パケットクラスタ処理部９３０の電力及び／又はクロックを供給しなくてもよい。

映像や音声等のリアルタイムパケットの多重度数は、前述した求められた商を超えない範囲で、各エッジノード１３０に接続される管理端末３０から入力することができる。リアルタイムパケットの多重度数は、装置制御部９４０から信号線Ｌ３を介してパケットクラスタ処理部９３０に入力される。その後、パケット多重化部９３２は、リアルタイムパケットの入力された多重度数を記録する。

リアルタイムパケットの伝送遅延増加を抑制するためには、リアルタイムパケットの多重度数として、前述した求められた商より小さな値を設定するとよい。このとき、パケット多重化部９３２は、リアルタイムパケットから成る多重化パケット４００を生成するための有効時間として、「求められた商‘６’と、最小サイズ（＝６４バイト）パケット転送に必要な時間との積」を、多重化処理管理タイマに設定する。

各エッジノード１３０のパケット入力部９３１は、ＩＰパケット３００と共に入力された検索結果情報の多重化指示フラグに‘１’が設定されている場合、ＩＰパケット３００と検索結果情報とを信号線Ｌ９１へ出力する。パケット多重化部９３２は、ＩＰパケット３００及び検索結果情報が入力されると、ＩＰパケット３００に含まれる情報を用いてパケットの種別を認識し、その後、多重化パケット４００の生成を開始する。このとき、前述したパケットの種別毎の有効時間内に多重化可能なＩＰパケット３００を用いて多重化パケット４００を生成する。

パケット多重化の動作において、各エッジノード１３０のパケット多重化部９３２は、検索結果情報から多重化パケット４００に必要なＬ２ヘッダ２１０を生成する。また、多重化パケット４００は、パケットを多重化するパケット多重化ノードからパケットを分離するパケット分離ノードまでのバックボーンネットワーク１００中の伝送では、多重化されたパケットを単一のＩＰパケット３００のように伝送させる必要がある。そこで、多重化データ４３０をＩＰパケット３００のペイロード２３０として認識させるため、パケット多重化ノードは、多重化データ４３０のカプセル化に必要なトンネルＩＰヘッダ４１０を生成する。

ここで、多重化パケットの構造について説明する。図７は、多重化パケット４００のフォーマットの１例を示す説明図である。

多重化パケット４００は、Ｌ２ヘッダ２１０、トンネルＩＰヘッダ４１０、及び、多重化データ４３０を含む。多重化データ４３０は、多重化ラベル４２０及びペイロードを含み、ペイロードには、複数のＩＰパケット３００が含まれる。

トンネルＩＰヘッダ４１０は、該パケット多重化ノードの装置ＩＰアドレスを送信元ＩＰアドレスに用い、検索結果情報に含まれるパケット分離ノードの装置ＩＰアドレスを宛先ＩＰアドレスに用いる。このとき、トンネルＩＰヘッダ４１０に記載すべき多重化パケット４００のサイズは、トンネルＩＰヘッダ４１０のサイズと多重化データ４３０のサイズとの和が用いられる。

多重化データ４３０は、多重化されたＩＰパケット３００の個数及び全ての多重化されたＩＰパケット３００のサイズが記載された多重化ラベル４２０、及び、多重化されたＩＰパケット３００を含む。多重化データ４３０のサイズは、多重化データ４３０に含まれる各ＩＰパケット３００のサイズと多重化ラベル４２０との和から求めることができる。多重化ラベル４２０には、多重化ラベル４２０自体のサイズが記載される。

パケット多重化ノードのパケット多重化部９３２は、多重化されたＩＰパケット３００のサイズを計測するため、有効時間内において、全ての多重化されたＩＰパケット３００内のＩＰヘッダ２２０から読み取る。ここで、読み取った全ての多重化済みＩＰパケット３００のサイズを多重化ラベル４２０に記載する。多重化データ４３０のサイズは、ＩＰパケット３００を多重化データ４３０へ追加する毎に増加する。

パケット多重化ノードのパケット多重化部９３２は、入力された各ＩＰパケット３００を多重化する際、該ＩＰパケット３００と共に入力される検索結果情報に含まれるパケット分離ノードの装置ＩＰアドレスと宛先アドレスが同一の後続するＩＰパケットを用いる。例えば、エッジノード１３０−１において、外部ネットワーク側エッジノード１４０−１から外部ネットワーク側エッジノード１４０−４へ伝送されるパケット（フロー１）と、外部ネットワーク側エッジノード１４０−２から外部ネットワーク側エッジノード１４０−６へ伝送されるパケット（フロー２）とを分離するパケット分離ノードは、エッジノード１３０−４である（フロー１とフロー２とは、最短経路上のコアノード１２０−１、１２０−２及び１２０−３を通過し、コアノード１２０−４、１２０−５及び１２０−６は通過しない）。

従って、エッジノード１３０−１のパケット多重化部９３２は、フロー１とフロー２とに属するＩＰパケット３００を第１の多重化パケット４００に含めることができるパケットとして取り扱う。ここで、外部ネットワーク側エッジノード１４０−１から外部ネットワーク側エッジノード１４０−３へ伝送されるパケット（フロー３）がパケット多重化部９３２に入力される場合、フロー３のパケット分離ノードがエッジノード１３０−３であるため、パケット多重化部９３２は、フロー３のパケットを第１の多重化パケット４００に含めることができるパケットとして取り扱わない（別途、第２の多重化パケット４００作成用領域と上記管理タイマとを用いて多重化パケットを生成する）。

多重化データ４３０を生成したパケット多重化ノードのパケット多重化部９３２は、該多重化データ４３０に生成済みのトンネルＩＰヘッダ４１０及びＬ２ヘッダ２１０を付加し、多重化パケット４００を生成する。その後、該パケット多重化部９３２は、生成した多重化パケット４００及び検索結果情報を信号線Ｌ９３に出力する。パケット出力部９３４は、信号線Ｌ９３から入力された多重化パケット４００及び検索結果情報を信号線Ｌ５へ出力する（この後、多重化パケット４００及び検索結果情報は回線インタフェース９１０に入力される）。

回線インタフェース９１０は、パケット２００及び検索結果情報が入力されると、検索結果情報に含まれる物理ポート９１１−ｉから入力されたパケット２００を送信する（多重化パケット４００はパケット２００と同様に扱われる）。また、エッジノード１３０−１のパケット多重化部９３２は、フロー１に属するＩＰパケット３００を一つ受信すると、前記有効時間内にフロー１に属するパケット又はフロー２に属するパケットが入力されるかを判定する。

その結果、前記有効時間内にフロー１に属するパケット又はフロー２に属するパケットのいずれも入力されない場合、パケット多重化部９３２は、該ＩＰパケット３００を多重化することなく、既に生成されたＬ２ヘッダ２１０をＩＰパケット３００に付加したパケット２００を生成し、生成されたパケット２００及び検索結果情報を信号線Ｌ５に出力する。回線インタフェース９１０は、検索結果情報に記載の物理ポート９１１−ｉから信号線Ｌ５から受け取ったパケット２００を送信する。

次に、該バックボーンネットワーク１００における入力エッジノードと出力エッジノードが隣接する場合について説明する。

例えば、外部ネットワーク側エッジノード１４０−１から外部ネットワーク側エッジノード１４０−５へ伝送されるパケット（フロー４）がエッジノード１３０−１のパケット転送プロセッサ９２１に入力されると、該パケット転送プロセッサ９２１は、入力されたパケットによってパケット転送データベース９２２を検索する。検索の結果、エッジノード１３０−１は、次転送先ノードが隣接するエッジノード１３０−２であることが分かる。この場合、エッジノード１３０−１は、伝送遅延の増加を抑制するため、ｐａｃｋｅｔ−ｂｙ−ｐａｃｋｅｔ転送を実行すべきである（多重化要否フラグが‘０’に設定されている筈なので、フロー４のＩＰパケット３００を多重化する必要はない）。

従って、エッジノード１３０−１のパケット転送プロセッサ９２１は、フロー４のＩＰパケット３００及び検索結果情報を信号線Ｌ１に出力せず、送信すべきパケット２００を検索結果情報を用いて生成する。その後、生成されたパケット２００及び検索結果情報を信号線Ｌ８に出力する。さらに、回線インタフェース９１０は、検索結果情報に含まれる物理ポート９１１−ｉから、フロー４のパケット２００を送信する。

次に、多重化パケット４００を受信したパケット分離ノードにおけるパケットの分離について説明する。

例えば、エッジノード１３０−３が前述した第１の多重化パケット４００を受信する際、パケット転送プロセッサ９２１は、最初に受信したパケット２００からＬ２ヘッダ２１０を削除する（すなわち、通常のＩＰパケット３００として取り扱う）。その後、Ｌ２ヘッダ２１０が削除されたＩＰパケット３００は、ルーティングプロトコルで用いられる制御パケットではなく、且つ、ＩＰヘッダ２２０（実際はトンネルＩＰヘッダ４１０）に記載される宛先ＩＰアドレスが自装置のＩＰアドレスであるため、該ＩＰパケット３００が多重化データ４３０を含むと判定する。

パケット転送プロセッサ９２１は、多重化データ４３０を含むパケットによるパケット転送データベース９２２の検索をせず、該多重化データ４３０を含むパケットを信号線Ｌ１に出力する。パケット入力部９３１は、該多重化データ４３０を含むパケットが入力されると、入力されたパケットのＩＰヘッダ部を確認する。このとき、ルーティングプロトコルで用いられる制御パケットではなく、且つ、ＩＰヘッダ部に記載された宛先ＩＰアドレスが自装置のアドレスであるため、該ＩＰヘッダ部がトンネルＩＰヘッダ４１０であると判定される。そのため、パケット入力部９３１は該多重化データ４３０付パケットを信号線Ｌ９２へ出力する。

パケット分離部９３３は、多重化データ４３０を含むパケットが入力されると、該多重化データ４３０を含むパケットからトンネルＩＰヘッダ４１０を削除した後、多重化ラベル４２０を参照する。パケット分離部９３３は、多重化ラベル４２０を参照して、多重化ラベル４２０に記載された多重化ラベル４２０のサイズと、各ＩＰパケット３００のサイズを得る。その後、パケット分離部９３３は、各ＩＰパケット３００のサイズを用いて、多重化データ４３０からＩＰパケット３００を分離し、分離したＩＰパケット３００を信号線Ｌ９４に出力する。

パケット出力部９３４は、信号線Ｌ９４から入力されたＩＰパケット３００を信号線Ｌ２へ出力する。パケット転送プロセッサ９２１は、信号線Ｌ２からＩＰパケット３００が入力されると、パケット転送データベース９２２を検索し、検索結果として得られる検索結果情報からＬ２ヘッダ２１０を生成する。その後、生成したＬ２ヘッダを該ＩＰパケット３００に付加して、パケット２００を生成する。そして、生成されたパケット２００及び該検索結果情報を信号線Ｌ８に出力する。

回線インタフェース９１０は、検索結果情報に含まれる物理ポート９１１−ｉから該パケット２００を送信する。

以上説明したように、本発明の実施の形態によれば、バックボーンネットワーク１００を伝送されるパケットのサイズにかかわらず、バックボーンネットワーク１００内のパケット転送に要する電力消費効率の向上を実現することができる。

＜実施形態２＞
本発明の第２の実施の形態では、コアノード１２０及びセンターノード１１０におけるパケットルーティングモジュール９２０の動作周波数をｆ’から更に低減させる場合について説明する。

コアノード１２０及びセンターノード１１０のパケットルーティングモジュール９２０は、パケット転送し、周期的に（例えば、一定時間毎に）パケットルーティングモジュール９２０のプロセッサの使用率ｐ（０≦ｐ≦１）を監視する。該使用率ｐ＝１の時における該パケットルーティングモジュールの動作周波数は、ｆ’である。

すなわち、パケットルーティングモジュールの動作周波数は、ノードに入力されたパケット量に比例する。よって、パケットルーティングモジュール９２０のプロセッサの使用率を監視することによって、ノードに入力されたパケット量を監視することができる。これとは逆に、ノードに入力されたパケット量を監視することによって、パケットルーティングモジュール９２０のプロセッサの使用率を監視することもできる。

使用率ｐが所定の閾値を越える場合、パケットルーティングモジュール９２０の動作周波数はｆ’を維持する。一方、使用率ｐが所定の閾値以下である場合、パケットルーティングモジュール９２０の動作周波数をｆ’からｐｆ’に低減する。

このとき、パケット転送プロセッサ９２１とパケット転送データベース９２２を構成するデバイスとでは、一時的にパケット転送に必要な動作を停止しなければならない。故に、パケット転送プロセッサ９２１は、パケット転送動作を停止している間、受信パケット２００を自装置へ出力させないための調停信号を信号線Ｌ６経由で回線インタフェース９１０へ出力する。

回線インタフェース９１０は、調停が必要な間（例えば、調停信号が入力されている間）、受信パケットを損失させないため、受信パケットを信号線Ｌ９経由でバッファ９５０に出力する。バッファ９５０は、受信パケットを蓄積する。

パケット転送プロセッサ９２１は、自装置の動作周波数をｐｆ’に変更した後、パケット転送データベース９２２の構成デバイスの動作周波数をｐｆ’に変更するための設定コマンドを発行する。該設定コマンドの発行後、調停状態を解除し（例えば、該調停信号の出力を停止し）、パケット転送に必要な動作を再開する。

回線インタフェース９１０は、調停状態が解除されると、バッファ９５０に蓄積された受信パケットを受信順にバッファ９５０から読み出し、信号線Ｌ８に出力する。ここで，バッファ９５０へ蓄積されたパケットと新たに物理ポート９１１−ｉから受信したパケットとの間における転送順序の逆転を防止するため、回線インタフェース９１０は、新たに受信したパケットをバッファ９５０に蓄積する。回線インタフェース９１０は、バッファ９５０に蓄積されたパケットがなくなるまでの間、受信パケットのバッファ９５０への蓄積及び受信パケットのバッファ９５０からの読み出しを継続する。

第２の実施の形態では、コアノード１２０及びセンターノード１１０について説明したが、第２の実施の形態の動作をエッジノード１３０に適用してもよい。

＜実施形態３＞
本発明の第３の実施の形態では、エッジノード１３０が、バックボーンネットワーク１００を伝送されるパケットを多重化する際、パケットをクラス分けする場合について説明する。前述した第１の実施の形態では、多重化パケット４００を作成する順に多重化パケット作成用領域を割り当てていたが、第３の実施の形態では、パケットの種別毎に優先度を規定し、多重化パケット作成用領域を優先度に応じて割り当てる。複数の多重化パケットの生成処理が同時に実行される場合、優先度の高い多重パケット作成用領域で生成された多重化パケット４００を優先して送信する。

本発明の実施の形態のネットワークの構成を示す図である。 本発明の実施の形態のバックボーンネットワークによって伝送されるパケットフォーマットの１例を示す説明図である。 本発明の実施の形態のバックボーンネットワークに含まれるノードの構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態のパケットルーティングモジュールの構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態の経路表の一例を示す説明図である。 本発明の実施の形態のパケットクラスタ処理部の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態の多重化パケットのフォーマットの１例を示す説明図である。

符号の説明

１００ バックボーンネットワーク
１１０ センターノード
１２０ コアノード
１３０ エッジノード
１４０ 外部ネットワーク側エッジノード
９００ ノード

Claims (20)

1. 外部のネットワークに接続される外部回線と、内部のネットワークに接続される内部回線とを収容し、前記外部回線または前記内部回線から入力されるパケットを受信するエッジノード、
   前記内部のネットワークから送信されたパケットをネットワークシステム内で転送するコアノード、及び
   前記ネットワークシステム内のノードの動作を制御するセンターノードを備えるネットワークシステムであって、
   前記センターノードは、前記ネットワークシステム内の回線の最大伝送単位の最小値及び前記外部回線の最大伝送単位の最大値を取得し、取得した前記ネットワークシステム内の回線の最大伝送単位の最小値と前記外部回線の最大伝送単位の最大値との比を計算し、
   前記エッジノードは、前記ネットワークシステム内の回線の最大伝送単位の最小値を超えない範囲で前記外部回線から入力されたパケットを多重化し、前記多重化されたパケットを前記コアノードに転送し、
   前記コアノードは、前記計算された比の値に基づいて、内部のパケット転送モジュールの動作周波数を変更することを特徴とするネットワークシステム。
2. 前記エッジノードは、転送されるパケットの前記ネットワークシステムからの出口となる出口エッジノードが同一であるパケットを多重化し、
   前記出口エッジノードは、前記多重化されたパケットを分離して、前記分離されたパケットを最終宛先に向けて転送することを特徴とする請求項１に記載のネットワークシステム。
3. 前記センターノードは、前記ネットワークシステム内の回線の最大伝送単位の最小値と、前記計算された比の値とを前記エッジノード及び前記コアノードに通知することを特徴とする請求項１に記載のネットワークシステム。
4. 前記コアノードは、単位時間当たりに入力されるパケット量を監視し、前記監視された入力パケット量に基づいて前記パケット転送モジュールの動作周波数を変更することを特徴とする請求項１に記載のネットワークシステム。
5. 前記コアノードは、前記パケット転送モジュールの動作周波数の変更中に、入力されたパケットをバッファに蓄積することを特徴とする請求項１に記載のネットワークシステム。
6. 前記コアノードは、前記バッファに蓄積されたパケットを蓄積順に読み出して、前記パケット転送モジュールによって前記読み出したパケットを処理することを特徴とする請求項５に記載のネットワークシステム。
7. 前記エッジノードは、
   前記受信パケットのヘッダを参照して、前記入力されたパケットを多重化するか否かを判定し、
   前記判定結果に基づいて、前記受信パケットを多重化することを特徴とする請求項１に記載のネットワークシステム。
8. 前記エッジノードは、
   前記多重化される各パケットのサイズ及び多重化されるパケットの個数の情報を含む多重化ラベルを生成し、
   前記多重化される各パケットの宛先情報に基づいて、前記多重化されたパケットの転送に必要なヘッダを生成し、
   前記生成されたヘッダの後に前記生成された多重化ラベルを付加し、前記多重化されるパケットを含む多重化データを前記多重化ラベルの後に追加することによって多重化パケットを生成し、
   前記生成された多重化パケットを前記コアノードに転送することを特徴とする請求項１に記載のネットワークシステム。
9. 前記エッジノードは、
   多重化されるパケットの種類を識別し、
   所定の種類のパケットを多重化する際にタイマを起動し、
   前記タイマが所定の時間となった場合に、前記パケットの多重度数が所定値未満であっても、前記多重化されたパケットを前記コアノードに転送することを特徴とする請求項１に記載のネットワークシステム。
10. 前記エッジノードは、前記パケットの種別及び前記タイマ値の設定を受け付けることを特徴とする請求項９に記載のネットワークシステム。
11. 前記エッジノードは、前記所定の種類のパケットの多重度数が所定値となった場合に、前記タイマが所定の時間となっていなくても、前記多重化されたパケットを前記コアノードに転送することを特徴とする請求項９に記載のネットワークシステム。
12. 前記エッジノードは、前記多重度数の所定値の設定を受け付けることを特徴とする請求項１１に記載のネットワークシステム。
13. 前記エッジノードは、
    前記多重化されたパケットが入力されると、前記多重化ラベルに従って、前記多重化パケットから元のパケットを分離し、
    前記分離されたパケットを最終宛先に向けて転送することを特徴とする請求項１に記載のネットワークシステム。
14. 前記エッジノード及び前記コアノードは、受信したパケットを蓄積するバッファ及び前記パケットを多重化する多重化部を備える共通のアーキテクチャを有し、
    前記エッジノードは、前記バッファを蓄積するバッファを動作させず、
    前記コアノードは、前記多重化部を動作させないことを特徴とする請求項１に記載のネットワークシステム。
15. 外部のネットワークと接続する外部回線から入力されたパケットをネットワークシステム内の他のノードに転送するノードであって、
    パケットを送受信するインタフェースと、入力されたパケットを多重化する多重化部とを備え、
    前記多重化部は、前記ネットワークシステム内の回線の最大伝送単位の最小値に基づいて、入力されたパケットを多重化することを特徴とするノード。
16. 前記多重化部は、
    前記多重化された各パケットのサイズ及び多重化されたパケットの個数の情報を含む多重化ラベルを生成し、
    前記多重化された各パケットの宛先情報に基づいて、前記多重化されたパケットの転送に必要なヘッダを生成し、
    前記生成されたヘッダの後に前記生成された多重化ラベルを付加し、前記多重化されたパケットを含む多重化データを前記多重化ラベルの後に追加することによって多重化パケットを生成し、
    前記インタフェースは、前記生成された多重化パケットを前記他のノードに転送することを特徴とする請求項１５に記載のノード。
17. 外部のネットワークに接続される外部回線を有するネットワークシステムにおいて、入力されたパケットを転送するノードであって、
    前記ノードは、
    パケットを送受信するインタフェースと、前記ノードの動作を制御する制御部と、入力されたパケットの転送処理をする転送処理部とを備え、
    前記転送処理部は、前記ネットワーク内の回線の最大伝送単位の最小値と前記外部回線の最大伝送単位の最大値との比に基づいて、動作周波数を変更することを特徴とするノード。
18. 前記制御部は、前記ノードに入力されるパケット量を監視し、
    前記転送処理部は、前記監視された入力パケット量に基づいて、動作周波数を変更することを特徴とする請求項１７に記載のノード。
19. 入力されたパケットを蓄積するバッファを備え、
    前記インタフェースは、
    前記転送処理部の動作周波数の変更中に、入力されたパケットを前記バッファに蓄積し、
    前記バッファに蓄積されたパケットを蓄積順に読み出して、前記転送処理部に送り、
    前記転送処理部は、前記インタフェースから送られたパケットを処理することを特徴とする請求項１７に記載のノード。
20. 外部のネットワークに接続される外部回線を有するネットワークシステムにおいて、入力されたパケットを転送するノードであって、
    前記ノードは、
    前記ネットワーク内の回線の最大伝送単位の最小値及び前記外部回線の最大伝送単位の最大値を取得し、
    前記取得された前記ネットワーク内の回線の最大伝送単位の最小値と前記外部回線の最大伝送単位の最大値との比を計算し、
    前記ネットワーク内の回線の最大伝送単位の最小値と、前記計算された比の値を前記ネットワークシステム内の他のノードに通知することを特徴とするノード。

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