JP6464932B2

JP6464932B2 - 中継装置

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Publication number: JP6464932B2
Application number: JP2015114902A
Authority: JP
Inventors: 加来　芳史; 芳史加来
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2015-06-05
Filing date: 2015-06-05
Publication date: 2019-02-06
Anticipated expiration: 2035-06-05
Also published as: US20160359731A1; US9973413B2; DE102016209767A1; JP2017005367A

Description

本発明は、通信ネットワークを構成する中継装置に関する。

例えばイーサネット（登録商標）のネットワークにおいて、通信経路を冗長化するために、中継装置としてのイーサネットスイッチをループ状に接続する場合がある。その場合、イーサネットスイッチの複数のポートのうち、ループ状に接続される特定ポートの各々からブロードキャストフレームが送信されると、そのブロードキャストフレームは、同じイーサネットスイッチの他の特定ポートに戻ってくる。そして、その戻ってきたブロードキャストフレームが、再び他の特定ポートから送信される。このような転送が無限に繰り返されることにより、ブロードキャストフレームがネットワーク内で永遠に回り続けることとなる。このようにブロードキャストフレームが回り続ける現象は、ブロードキャストストームと呼ばれる。

一方、ブロードキャストストームを解決する技術として、例えばＳＴＰ（スパニング・ツリー・プロトコル）やＲＳＴＰ（ラピッド・スパニング・ツリー・プロトコル）がある（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１１−４０４８号公報

ＳＴＰやＲＳＴＰでは、ブロードキャストフレームの周回を終了させるまでに長い時間がかかってしまう。
そこで、本発明は、ブロードキャストフレームの周回を素早く回避することが可能な中継装置の提供を目的としている。

第１発明の中継装置は、複数のポートと、ポートの各々について、そのポートの先に接続されている装置のアドレスが登録されるアドレステーブルと、を備える。
そして、この中継装置は、ポートの何れかからフレームを受信すると、その受信したフレームに含まれている宛先アドレスとアドレステーブルとに基づいて、複数のポートのうち、前記受信したフレームの転送先とするポートを決定して、その決定したポートから、前記受信したフレームを送信する機能を有する。更に、この中継装置は、受信したフレームがブロードキャストフレームである場合には、そのブロードキャストフレームを、複数のポートのうち、当該ブロードキャストフレームを受信したポート以外の全てのポートから送信する。

また、複数のポートのうちの少なくとも２つである特定ポートは、その特定ポートから送信されたブロードキャストフレームが他の前記特定ポートから受信されるように、当該中継装置が構成要素となっている通信ネットワークにおいて接続されている。

そして、この中継装置は、判定手段と、破棄手段とを備える。
判定手段は、特定ポートからブロードキャストフレームが受信された場合に、その受信されたブロードキャストフレームに含まれている送信元アドレスが、アドレステーブルにおいて、特定ポート以外のポートに対して登録されているか否かを判定する。破棄手段は、判定手段により肯定判定された場合に、前記受信されたブロードキャストフレームを破棄する。すると、前記受信されたブロードキャストフレームのポートからの送信は実施されない。

この中継装置を複数用いて通信ネットワークを構成する場合に、各中継装置の特定ポートを他の中継装置の特定ポートに接続することにより、複数の中継装置をループ状に接続したとする。その場合、何れかの中継装置の特定ポートからブロードキャストフレームが送信されると、そのブロードキャストフレームは、他の中継装置を経由して、同じ中継装置の他の特定ポートから受信される。

ここで、ループ状に接続された複数の中継装置の何れかが、特定ポート以外のポート（以下、通常ポートという）から受信したブロードキャストフレームを、特定ポートから送信したとする。尚、特定ポートからブロードキャストフレームを最初に送信した中継装置のことを、起点中継装置という。

そして、この場合、起点中継装置から送信されるブロードキャストフレームに含まれる送信元アドレスは、そのブロードキャストフレームの送信元となった装置のアドレスであるため、起点中継装置の通常ポートの先に接続されている装置のアドレスとなる。

よって、起点中継装置の特定ポートから送信されたブロードキャストフレームが、複数の中継装置からなる通信経路のループを１周して、起点中継装置の他の特定ポートから受信されると、起点中継装置においては、判定手段が肯定判定することとなる。つまり、判定手段は、特定ポートから受信されたブロードキャストフレームに含まれている送信元アドレスが、アドレステーブルにおいて、通常ポートに対して登録されている、と判定することとなる。このため、通信経路のループを１周して起点中継装置に戻ってきたブロードキャストフレームは、破棄手段により破棄されて、起点中継装置から再び送信されることがなくなる。

このように、ブロードキャストフレームは、複数の中継装置からなる通信経路のループを１周して破棄され、２周目の周回が阻止される。従って、この中継装置によれば、ブロードキャストフレームの周回を素早く回避することができる。

また対比例として、例えば、起点中継装置が、その中継装置に付与されているアドレスである自アドレスを、送信するブロードキャストフレームに挿入し、自アドレスを含むフレームを受信したなら、そのフレームが通信経路を１周してきたと判定する、といった手法も考えられる。しかし、そのようにするには、中継装置の各々にアドレスを持たせる必要がある。これに対して、第１発明によれば、中継装置にわざわざアドレスを持たせる必要がない。

なお、特許請求の範囲に記載した括弧内の符号は、一つの態様として後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであって、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

実施形態の通信ネットワークの構成を表す構成図である。ＭＡＣアドレステーブルの説明図である。ループ回避処理を表すフローチャートである。

以下に、本発明が適用された実施形態の通信ネットワークについて説明する。
［本実施形態の構成］
図１に示す実施形態の通信ネットワーク１は、例えば乗用車等の車両に搭載されたイーサネットネットワークであり、車両内の通信システムを構成している。

図１に示すように、通信ネットワーク１は、電子制御装置であるＥＣＵ１１〜２２と、通信線３１〜４２と、を備える。ＥＣＵは、「Electronic Control Unit」の略である。
ＥＣＵ１１〜１４の各々は、他のＥＣＵ１５〜２２間の通信を中継する中継装置として、イーサネットのネットワークスイッチであるイーサネットスイッチ（以下単に、スイッチという）５１〜５４を備える。更に、ＥＣＵ１１〜１４の各々は、演算装置としてのマイクロコンピュータ（以下、マイコンという）６１〜６４も備える。尚、図示を省略しているが、マイコン６１〜６４は、ＣＰＵ、ＲＯＭ及びＲＡＭ等を備える。

スイッチ５１〜５４は、例えばレイヤ２スイッチ（Ｌ２スイッチ）であり、イーサネット規格に従った中継のための通信を行う。このため、スイッチ５１〜５４の各々は、複数（この例では４つ）のポートＰ１〜Ｐ４と、ＭＡＣアドレステーブル７１と、イーサネット規格に従った中継のための通信処理を行う通信制御部７３とを、備える。ＭＡＣアドレステーブル７１は、図示しない記憶部としてのメモリに記憶されている。通信制御部７３は、例えば集積回路やマイコン等によって構成されている。以下に説明するスイッチ５１〜５４の動作は、通信制御部７３によって実現される動作である。

この通信ネットワーク１では、ＥＣＵ１１のスイッチ５１のポートＰ１と、ＥＣＵ１２のスイッチ５２のポートＰ１とが、通信線３１で接続されており、ＥＣＵ１２のスイッチ５２のポートＰ２と、ＥＣＵ１３のスイッチ５３のポートＰ１とが、通信線３２で接続されている。更に、ＥＣＵ１３のスイッチ５３のポートＰ２と、ＥＣＵ１４のスイッチ５４のポートＰ２とが、通信線３３で接続されており、ＥＣＵ１４のスイッチ５４のポートＰ１と、ＥＣＵ１１のスイッチ５１のポートＰ２とが、通信線３４で接続されている。

そして、ＥＣＵ１１のスイッチ５１のポートＰ３，Ｐ４には、通信線３５，３６を介してＥＣＵ１５，１６がそれぞれ接続されており、ＥＣＵ１２のスイッチ５２のポートＰ３，Ｐ４には、通信線３７，３８を介してＥＣＵ１７，１８がそれぞれ接続されている。また、ＥＣＵ１３のスイッチ５３のポートＰ３，Ｐ４には、通信線３９，４０を介してＥＣＵ１９，２０がそれぞれ接続されており、ＥＣＵ１４のスイッチ５４のポートＰ３，Ｐ４には、通信線４１，４２を介してＥＣＵ２１，２２がそれぞれ接続されている。

つまり、スイッチ５１〜５４は、当該スイッチのポートＰ１，Ｐ２が、他のスイッチのポートＰ１，Ｐ２に接続されることで、リング状に接続されている。リング状とは、ループ状のことでもある。そして、スイッチ５１〜５４のポートＰ１〜Ｐ４のうち、リング状接続に使用されていないポートＰ３，Ｐ４には、ＥＣＵ１５〜２２が接続されている。

このため、スイッチ５１〜５４間の通信経路としては、例えばスイッチ５１を起点とすると、スイッチ５１からスイッチ５２への方向である左回りの経路と、スイッチ５１からスイッチ５４への方向である右回りの経路との、二系統が存在することとなる。そして、その二系統の通信経路は、ＥＣＵ１５〜２２のうち、異なるスイッチ５１〜５４に接続されているＥＣＵ間の通信について、二重の冗長化された通信経路として機能することができる。尚、以下の説明において、スイッチ５１〜５４のリング状接続に用いられているポートＰ１，Ｐ２のことを、リングポートともいい、また、リング状接続に使用されていないポートＰ３，Ｐ４のことを、通常ポートともいう。

一方、各スイッチ５１〜５４のＭＡＣアドレステーブル７１は、そのスイッチにおけるポートの各々について、そのポートの先に接続されている装置のＭＡＣアドレスが登録されるテーブルである。ＭＡＣアドレステーブル７１はアドレステーブルに相当し、ＭＡＣアドレステーブル７１に登録されるＭＡＣアドレスは、装置のアドレスに相当する。

そして、各スイッチ５１〜５４は、周知のＭＡＣアドレス学習機能によってＭＡＣアドレステーブル７１を作成する。つまり、スイッチ５１〜５４は、ポートＰ１〜Ｐ４の何れかからフレームを受信すると、そのフレームを受信したポートの番号と、受信したフレームに含まれている送信元ＭＡＣアドレスとを、対応付けてＭＡＣアドレステーブル７１に登録する。

尚、通信ネットワーク１において通信されるフレームは、イーサネットフレームである。このため、フレームには、送信元ＭＡＣアドレスと、宛先ＭＡＣアドレスとが含まれる。送信元ＭＡＣアドレスは、フレームの送信元装置のＭＡＣアドレスであり、送信元アドレスに相当する。宛先ＭＡＣアドレスは、フレームの宛先装置のＭＡＣアドレスであり、宛先アドレスに相当する。

また、各スイッチ５１〜５４は、下記のフレーム転送機能を有する。
各スイッチ５１〜５４は、ポートＰ１〜Ｐ４の何れかからフレームを受信すると、その受信したフレームに含まれている宛先ＭＡＣアドレスと、ＭＡＣアドレステーブル７１とに基づいて、ポートＰ１〜Ｐ４のうち、受信したフレームの転送先とするポートを決定する。具体的には、ＭＡＣアドレステーブル７１から、宛先ＭＡＣアドレスと同じＭＡＣアドレスを検索し、該当のＭＡＣアドレスがあれば、ＭＡＣアドレステーブル７１において、その検索したＭＡＣアドレスが登録されているポートを、転送先のポートとして決定する。また、宛先ＭＡＣアドレスと同じＭＡＣアドレスがＭＡＣアドレステーブル７１に登録されていなかった場合には、フレームを受信したポート以外の全てのポートを、転送先のポートとして決定する。そして、各スイッチ５１〜５４は、受信したフレームを、転送先として決定したポートから送信する。尚、宛先ＭＡＣアドレスと同じＭＡＣアドレスがＭＡＣアドレステーブル７１に登録されていた場合のフレーム転送動作は、フィルタリングと呼ばれ、登録されていなかった場合のフレーム転送動作は、フラッディングと呼ばれる。

また、フレームのうち、一斉送信のフレームであるブロードキャストフレームには、宛先ＭＡＣアドレスとして、ブロードキャストフレームであることを示すブロードキャストアドレスが用いられる。そして、ブロードキャストアドレスは、ＭＡＣアドレステーブル７１に登録されない。このため、各スイッチ５１〜５４は、受信したブロードキャストフレームは、フラッディングによって転送することとなる。つまり、各スイッチ５１〜５４は、ポートＰ１〜Ｐ４の何れかからブロードキャストフレームを受信した場合には、その受信したブロードキャストフレームを、当該ブロードキャストフレームを受信したポート以外の全てのポートから送信する。

そして、各スイッチ５１〜５４のＭＡＣアドレステーブル７１には、スイッチ５１〜５４のＭＡＣアドレス学習機能とフレーム転送機能により、ポートＰ１〜Ｐ４の各々について、そのポートの先に接続されている装置のＭＡＣアドレスが登録されることとなる。

例えば、スイッチ５１のＭＡＣアドレステーブル７１では、図２に示すように、ポートＰ３に対しては、ＥＣＵ１５のＭＡＣアドレスが登録され、ポートＰ４に対しては、ＥＣＵ１６のＭＡＣアドレスが登録される。また、ポートＰ１，Ｐ２の各々に対しては、他のスイッチ５２〜５４のポートＰ３，Ｐ４に接続されているＥＣＵ１７〜２２のＭＡＣアドレスが登録される。スイッチ５１のポートＰ１，Ｐ２の先には、他のスイッチ５２〜５４を介してＥＣＵ１７〜２２が接続されていることになるからである。

このような通信ネットワーク１において、何れかのスイッチ５１〜５４のポートＰ１，Ｐ２からブロードキャストフレームが送信されたとする。その場合、ポートＰ１から送信されたブロードキャストフレームは、他のスイッチを経由して、同じスイッチのポートＰ２から受信される。また、ポートＰ２から送信されたブロードキャストフレームは、他のスイッチを経由して、同じスイッチのポートＰ１から受信される。つまり、各スイッチ５１〜５４のポートＰ１，Ｐ２は、そのポートＰ１，Ｐ２の各々から送信されたブロードキャストフレームが、ポートＰ１，２のうち、送信元のポートとは違う方のポートから受信されるように、通信ネットワーク１において接続されている。

例えば、スイッチ５１のポートＰ３に接続されているＥＣＵ１５が、ブロードキャストフレームを送信したとする。尚、ＥＣＵ１５から送信されるブロードキャストフレームには、送信元ＭＡＣアドレスとして、ＥＣＵ１５のＭＡＣアドレスが含まれる。

その場合、スイッチ５１は、ポートＰ３からブロードキャストフレームを受信し、その受信したブロードキャストフレームを、他のポートＰ１，Ｐ２，Ｐ４から送信することとなる。そして、スイッチ５１のポートＰ１から送信されたブロードキャストフレームは、他のスイッチ５２〜５４を経由して（換言すれば、スイッチ５１〜５４からなる通信経路のループを１周して）、スイッチ５１のポートＰ２から受信される。同様に、スイッチ５１のポートＰ２から送信されたブロードキャストフレームは、他のスイッチ５２〜５４を経由して、スイッチ５１のポートＰ１から受信される。

ここで、もし、スイッチ５１が何も処置しないと、スイッチ５１に戻ってきたブロードキャストフレームが、再びスイッチ５１のポートＰ１，Ｐ２から送信され、その結果、ブロードキャストフレームが通信ネットワーク１内で永遠に回り続けてしまうことになる。

［本実施形態の処理］
そこで、本実施形態の各スイッチ５１〜５４は、図３に示すループ回避処理を実施するようになっている。尚、ここでは、スイッチ５１の動作として説明するが、他のスイッチ５２〜５３の動作も同様である。

図３に示すように、スイッチ５１は、リングポートＰ１，Ｐ２の何れかからブロードキャストフレームを受信すると（Ｓ１１０）、その受信したブロードキャストフレームから送信元ＭＡＣアドレスを抽出する（Ｓ１２０）。尚、図３では、ＭＡＣアドレスのことを、単に「アドレス」と記載している。

そして、スイッチ５１は、ブロードキャストフレームに含まれていた送信元ＭＡＣアドレスが、当該スイッチ５１のＭＡＣアドレステーブル７１において、通常ポートＰ３，Ｐ４に対して登録されているか否かを判定する（Ｓ１３０）。このＳ１３０の動作は、判定手段としての動作に相当する。

スイッチ５１は、Ｓ１３０で「ＮＯ」と否定判定した場合には、受信したブロードキャストフレームの送信を行う（Ｓ１４０）。つまり、受信したブロードキャストフレームを、そのブロードキャストフレームを受信したポート以外の全てのポートから送信する。

また、スイッチ５１は、Ｓ１３０で「ＹＥＳ」と肯定判定した場合には、受信したブロードキャストフレームが通信経路のループを１周してきたフレームであると判断し、そのブロードキャストフレームを破棄して、再び送信しないようにする（Ｓ１５０）。このＳ１５０の動作は、破棄手段としての動作に相当する。更に、スイッチ５１は、ブロードキャストフレームが破棄されたことを、例えば、当該スイッチ５１が備えられているＥＣＵ１１のマイコン６１に通知する（Ｓ１６０）。このＳ１６０の動作は、通知手段としての動作に相当する。

よって、例えば、ＥＣＵ１５，１６の何れかが送信したブロードキャストフレームが、スイッチ５１のポートＰ１，Ｐ２から送信され、通信経路のループを１周して、スイッチ５１のポートＰ２，Ｐ１に戻ってきた場合、スイッチ５１は、上記Ｓ１３０で肯定判定することとなる。このため、スイッチ５１は、受信したブロードキャストフレームを破棄する。

尚、例えば図２に示すスイッチ５１のＭＡＣアドレステーブル７１において、ポートＰ１，Ｐ２の各々に対しては、そのスイッチ５１のポートＰ３，Ｐ４に接続されているＥＣＵ１５，１６のＭＡＣアドレスは登録されない。スイッチ５１は、ＥＣＵ１５，１６から送信されたブロードキャストフレームを、ポートＰ１，Ｐ２から受信した場合に、そのブロードキャストフレームを破棄して、ＭＡＣアドレステーブル７１の作成に用いないからである。

［本実施形態による効果］
本実施形態のスイッチ５１〜５４によれば、通信経路のループを１周したブロードキャストフレームを確実に検知して、そのブロードキャストフレームの２周目の周回を阻止することができる。よって、ブロードキャストフレームの周回を素早く回避することができる。

また、装置のアドレスとしては、ＭＡＣアドレス以外の識別情報でも良いが、本実施形態では、ＭＡＣアドレスを用いているため、イーサネットへの適用が容易である。
また、前述した対比例のように、スイッチ５１〜５４の各々にわざわざアドレスを持たせる必要がない。特に、Ｌ２スイッチでは、ＭＡＣアドレスを持たないことが一般的であり、そのようなＬ２スイッチでも本実施形態は適用できる。

また、スイッチ５１〜５４は、１周したブロードキャストフレームを破棄した場合に、そのことを、当該スイッチ５１〜５４が備えられているＥＣＵのマイコン６１〜６４に通知する（Ｓ１６０）。このため、マイコン６１〜６４は、スイッチ５１〜５４からの通知により、通信経路のループが存在すること、換言すれば、冗長の通信経路が存在することを、確認することができる。尚、Ｓ１６０での通知先は、例えば他のＥＣＵのマイコンでも良い。

［他の実施形態］
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されることなく、種々の形態を採り得る。また、ＥＣＵやスイッチやポート等の数は一例であり他の値でも良い。

例えば、上記実施形態において、スイッチ５１〜５４の接続形態（換言すればネットワークトポロジー）は、リング型であったが、通信経路のループが生じる接続形態であれば何でも良く、メッシュ型やフルコンタクト型等でも良い。

また、スイッチ５１〜５４のポートのうち、スイッチ５１〜５４をループ状に接続するのに使用されるポートであって、何れかから送信したブロードキャストフレームが他の何れかに戻ってくる特定ポートは、２つのポートＰ１，Ｐ２に限らず、３つ以上であっても良い。例えば、４つのスイッチ５１〜５４の接続形態をフルコンタクト型にした場合には、各スイッチ５１〜５４の３つのポートが、特定ポートとなる。

また、上記実施形態における１つの構成要素が有する機能を複数の構成要素として分散させたり、複数の構成要素が有する機能を１つの構成要素に統合させたりしてもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、同様の機能を有する公知の構成に置き換えてもよい。また、上記実施形態の構成の一部を省略してもよい。なお、特許請求の範囲に記載した文言によって特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本発明の実施形態である。また、上述した中継装置としてのスイッチの他、当該スイッチを構成要素とする通信ネットワーク、当該スイッチとしてコンピュータを機能させるためのプログラム、このプログラムを記録した媒体、中継制御方法など、種々の形態で本発明を実現することもできる。

１…通信ネットワーク、５１〜５４…中継装置としてのスイッチ、Ｐ１〜Ｐ４…ポート、７１…ＭＡＣアドレステーブル

Claims

複数のポート（Ｐ１〜Ｐ４）と、
前記ポートの各々について、そのポートの先に接続されている装置のアドレスが登録されるアドレステーブル（７１）と、を備えると共に、
前記ポートの何れかからフレームを受信すると、その受信したフレームに含まれている宛先アドレスと前記アドレステーブルとに基づいて、前記複数のポートのうち、前記受信したフレームの転送先とするポートを決定して、その決定したポートから、前記受信したフレームを送信する機能を有し、更に、前記受信したフレームがブロードキャストフレームである場合には、そのブロードキャストフレームを、前記複数のポートのうち、当該ブロードキャストフレームを受信したポート以外の全てのポートから送信する中継装置（５１〜５４）であって、
前記複数のポートのうちの少なくとも２つである特定ポート（Ｐ１，Ｐ２）は、他の中継装置のポートに接続されると共に、その特定ポートから送信された前記ブロードキャストフレームが他の前記特定ポートから受信されるように、当該中継装置が構成要素となっている通信ネットワーク（１）において接続され、
更に、前記アドレステーブルにおいて、前記特定ポートの各々については、当該特定ポートに前記他の中継装置を介して接続されている少なくとも１つの装置のアドレスとして、同じアドレスが登録され、
当該中継装置は、
前記特定ポートから前記ブロードキャストフレームが受信された場合に、その受信されたブロードキャストフレームに含まれている送信元アドレスが、前記アドレステーブルにおいて、前記少なくとも２つの特定ポート以外のポートに対して登録されているか否かを判定する判定手段（Ｓ１３０）と、
前記判定手段により肯定判定された場合に、前記受信されたブロードキャストフレームを破棄する破棄手段（Ｓ１５０）と、備え、
更に、当該中継装置は、
前記ポートの何れかからフレームを受信すると、そのフレームを受信したポートの番号と、その受信したフレームに含まれている送信元アドレスとを、対応付けて登録することにより、前記アドレステーブルを作成する、アドレス学習機能を備え、
しかも、前記破棄手段により破棄されたブロードキャストフレームである破棄フレームを、前記アドレステーブルの作成に用いないことにより、前記破棄フレームに含まれていた送信元アドレスを、前記アドレステーブルに、当該破棄フレームが受信された前記特定ポートの先に接続されている装置のアドレスとして登録しないように構成されている、
中継装置。
請求項１に記載の中継装置において、
前記アドレステーブルに登録されるアドレス、前記宛先アドレス及び前記送信元アドレスは、ＭＡＣアドレスであること、
を特徴とする中継装置。
請求項１又は請求項２に記載の中継装置において、
前記破棄手段によって前記ブロードキャストフレームが破棄された場合に、前記ブロードキャストフレームが破棄されたことを、演算装置（６１〜６４）に通知する通知手段（Ｓ１６０）を備えること、
を特徴とする中継装置。