JP6718739B2 - 通信装置および通信方法 - Google Patents

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Description

本発明は、通信装置および通信方法に関し、特に、レイヤ3ネットワークへレイヤ2ネットワークのオーバーレイを行う通信装置および通信方法に関する。
近年、ネットワークの仮想化によるサーバの集約・統合、クラウド化などにより、データセンターなどにおいて複数のテナント(ユーザー組織やそのシステム)を大規模かつ効率的に収容するインフラへの要望が高まっている。複数のテナントを大規模かつ効率的に収容するインフラを実現する方法の1つとして、既存のレイヤ3ネットワーク上に論理的なレイヤ2ネットワークを構築するオーバーレイ方法がある。オーバーレイ方法はレイヤ2のイーサネット(登録商標)フレームをレイヤ3のIPパケットにカプセル化するトンネル通信を仮想スイッチ間で行う。このようなオーバーレイ方法にはVXLAN(Virtual Extensible VLAN)、GRE(Generic Routing Encapsulation)等がある。
オーバーレイ等の仮想ネットワークにより、企業やグループ等の利用者毎にネットワークを区別して管理する通信システムとして、特許文献1に開示されたような技術がある。オーバーレイ等の仮想ネットワークを利用する場合に、パケットのMTU(Maximum Transmission Unit)を調整することで、カプセル化処理を実行すべきパケット数を調整し、性能ボトルネックが改善される可能性もあるが、コンピューティングユニットがVPN(Virtual Private Network)に接続する度に、ネットワーク接続機器が、ネットワーク制御装置に、VPNに対応するMTUを問合せると、MTUの問合せにより生じるボトルネックが問題になる。
特許文献1は、この性能ボトルネックを低減することを目的としたもので、通信データを複数のパケットにより送信するコンピューティングユニットと、仮想ネットワークを介して前記パケットを伝送するためのパケット処理を実行する通信ユニットとを備える通信システムにおいて、コンピューティングユニットは、複数のパケットサイズの候補から、通信ユニットに送信する送信パケットの転送経路に関する情報に基づいて選択されたパケットサイズにより、送信パケットのサイズを調整する技術が開示されている。
WO2014/050091(特表2015−533045号公報)
引用文献1に記載された発明は、コンピューティングユニットがVPN(Virtual Private Network)に接続する度に行ってしまうMTUの問合せを低減することを目的とした発明であり、フラグメントを抑止することは目的としていない。
例えば、イーサネット(登録商標)フレームにより通信を行うレイヤ2ネットワークをレイヤ3ネットワークにオーバーレイを行う場合には、通常、仮想スイッチにおいてカプセル化処理を行う際に、ホストから送信されたイーサネット(登録商標)
フレームに対してトンネル用のカプセル化ヘッダー情報を付加する。このため、ホストが送信するフレームは、ホストに設定された通信経路のMTU長を超えていなくても、仮想スイッチにおいてヘッダー情報を付加することで通信経路のMTU長を超えてしまい、仮想スイッチにおいてパケットのフラグメントが発生する場合がある。フラグメントとは、ネットワーク上で一度に送信するできるパケット長であるMTUをオーバーした際、元のパケットをMTUに収まるように分割して送信することである。
このように、ホストが、仮想スイッチなどの通信装置においてトンネル用のカプセル化ヘッダー情報が付加されることを知らずに、通信経路のMTU長のフレームを送信してくると、そのようなフレームを受信する度に、通信装置は、ヘッダー情報付加後のフレームに対してフラグメント処理を行う必要が生じ、通信装置においてパケットの分割・再構築を頻繁に繰り返すため通信装置の処理負荷が増大してしまい通信装置の性能が低下する恐れがある。また、パケットを分割するためパケット数の増加によりパケット転送効率が低下する恐れがある。また、分割したパケットのいずれかが破損した場合はパケットの再構築が不可能となる。さらには、パケット分割禁止(パケット内のDF(Don’t Fragment)ビットが有効)の場合には、通信装置においてフラグメント処理が行えずにパケットの転送が行えない結果となる。しかし、レイヤ3ネットワークにレイヤ2ネットワークをオーバーレイしている場合には、通信装置においてカプセル化ヘッダー情報が付加されるためにMTUを超えてパケットが送信できないということをホストが知る手段がなく、ホストから見ると何度フレームを送信しても相手側に届かない原因を知ることができない。
このような問題を回避するためには、ネットワーク環境構築時に、通信装置のすべての通信経路に対して予めさまざまなケースを想定してMTUを設定しておくという構築方法もあるが、ネットワークの構築を複雑化し難しくする要因となってしまう。
フラグメントを避ける別の方法として、レイヤ3ネットワーク上のMTUを増やすことが考えられるが、公共的なネットワークの場合、MTU変更はリスクが高い。また、一般的なイーサネット(登録商標)環境の場合、レイヤ2ネットワーク内の通信装置はジャンボフレームに対応していることが必要となる場合もある。
一方、レイヤ3ネットワーク上のMTUを変更せずにMTUをオーバーしないようにパケット長を減らす場合、通信経路毎にMTUが異なるため、ネットワーク管理者・利用者に、通信経路毎にMTUの管理を行わせるとネットワーク管理者・利用者の負担が大きくなる。
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、レイヤ2ネットワークからレイヤ3ネットワークへオーバーレイする場合に、ネットワーク管理者・利用者の負担を増やすことなく通信装置におけるフラグメントを防ぐことを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明は一例として、レイヤ2ネットワークのホスト間の通信をレイヤ3ネットワークにオーバーレイする通信装置において、レイヤ3ネットワークにおける複数の通信経路について、通信経路毎の第1のMTU長を管理するとともに、レイヤ2ネットワークのホスト間の通信を複数の通信経路を介してオーバーレイする場合に付加する情報に基づき第2のMTU長を求め、求めた第2のMTU長をホストに通知するようにしたものである。
また、通信装置においてホストから受信したパケットに付加する情報を付加後のパケット長が第1のMTU長を超えていた場合に、パケットを送信してきたホストに対し、第2のMTU長を通知するようにしたものである。
また、より詳しくは、第2のMTU長を、ICMP(Internet Control Message Protocol)のフォーマットに基づいて作成したメッセージに含めて通知するようにしたものである。
また、第2のMTU長は、第1のMTU長から、前記付加する情報を減算した値としたものである。
本発明によれば、レイヤ2ネットワークからレイヤ3ネットワークへオーバーレイする際、ネットワーク管理者・利用者の負担を増やすことなく通信装置におけるフラグメントを防ぐことができる。
レイヤ2ネットワークからレイヤ3ネットワークへオーバーレイする通信ネットワークの構成を説明する図である。 本発明の一実施例における通信装置の構成を説明する図である。 本発明の一実施例におけるオーバーレイネットワークのホスト間通信の処理を説明するシーケンス図である。 本発明の一実施例における通信装置のMTU管理部の処理を説明するフローチャートである。 本発明の一実施例における通信装置のMTU管理部の処理を説明するフローチャートである。 本発明の一実施例におけるパケット編集結果ログを示す図である。 本発明の一実施例におけるMTU管理テーブルを示す図である。 本発明の一実施例におけるMACアドレステーブルを示す図である。
以下、本発明の実施の形態について、図1〜図6を用いて説明する。なお、実質同一部位には、同じ参照番号を振り、説明は繰り返さない。
図1は、レイヤ2ネットワークからレイヤ3ネットワークへオーバーレイする通信ネットワークの構成を説明する図である。
図1を参照してレイヤ2ネットワークからレイヤ3ネットワークへオーバーレイする構成を説明する。
図1は、レイヤ2ネットワーク120からレイヤ3ネットワーク130へオーバーレイする通信ネットワークを示しており、レイヤ2ネットワークのホスト101−1〜ホスト101−nと通信装置111が、レイヤ3ネットワークをオーバーレイすることで、通信装置112およびホスト102−1〜ホスト102−nを有するレイヤ2ネットワークと接続されている。
ホスト101と通信装置111、ホスト102と通信装置112は共に接続されており、レイヤ2ネットワーク120に属している。通信装置111はレイヤ3ネットワーク130を介して送信先の通信装置112と接続されている。
ホスト101および102は、それぞれ通信装置111および通信装置112と通信をするPC(パーソナル・コンピューター)などのコンピューター装置である。通信装置111は仮想スイッチなどのレイヤ3ネットワーク130へのゲートウェイ装置である。通信装置111、通信装置112は、レイヤ3ネットワーク130を介してホスト101、102から受信したフレームを送信先の通信装置112に転送する。なお、通信装置111および112は、レイヤ3ネットワーク130を介する際、オーバーレイ方式を用いてトンネル通信を行う。
図2は、本発明の一実施例における通信装置の構成を説明する図である。
図2を参照して、通信装置111の構成を説明する。図1の通信装置112も同様の構成である。
通信装置111は、パケット通信部200、通信制御部240、パケット編集部210、MTU管理部220、MTU管理テーブル250、MACアドレステーブル260、およびパケット編集結果ログ230から構成されている。
パケット通信部200はパケット送受信を行う。
通信制御部240は通信に関する制御、例えばスイッチやルータの基本動作の制御に該当する制御を行う。通信制御部240はパケットが送受信されたときにMACアドレステーブル260の作成・更新を行う。
図8に、本発明の一実施例におけるMACアドレステーブルを示す。
MACアドレステーブル260の構成は、図8に示す通りであり、MACアドレス800、L3ネットワーク側IPアドレス810、ホスト側ポート番号820、ホスト側VLAN ID830で構成される。MACアドレステーブル260はMTU管理テーブル250を作成するときに参照するテーブルである。
図2に戻り、パケット編集部210は、パケット通信部200が受信したパケットについて、内容の参照、および編集を行う。また、パケットをカプセル化する場合、適用されるオーバーレイ方式に基づいたヘッダー情報を付加および削除する。また、パケット長が対象経路のMTU長を超えた場合にICMPプロトコル(Internet Control Message Protocol)のフォーマットに基づくエラーメッセージを作成して送信するとともに送信したエラーメッセージの内容をパケット編集結果ログ230へ登録する処理も行う。
MTU管理部220は通信経路毎に、対象経路のMTU長を管理するMTU管理テーブル250の作成・更新を行うとともに、MTU管理テーブル250で管理されている通信経路毎のMTU長と、パケット編集部210においてパケットに追加されるヘッダー長に基づいて、受信したパケットが満たすべきMTU長(ホスト101、102からの送信パケットが満たすべきMTU長)を計算する。
図7に、本発明の一実施例におけるMTU管理テーブルの構成を示す。
MTU管理テーブル250の構成は、図7に示す通りであり、宛先IPアドレス710はパケットに保持されている宛先MACアドレスを用いて、MACアドレステーブル260から該当するMACアドレス800を検索してそのMACアドレス800に対応するL3ネットワーク側IPアドレス810を抽出し、宛先IPアドレス710に登録する。MTU長720は対象経路のMTU長を登録する。通信経路上のMTUの内、最小のものを調べる既存技術としてPath MTU Discovery(RFC1191)(以降、PMTUDと記載する)がある。MTU管理部220は、対象経路のMTU長についてPMTUDによるMTU長の通知があればMTU長720を更新する。また、パケット通信部200を介して受信したパケット長にパケット編集部210において追加されるヘッダー長を加えたパケット長と、対象経路のMTU長を比較する。
図3は、本発明の一実施例におけるオーバーレイネットワークのホスト間通信の処理を説明するシーケンス図である。
図3を参照して、図1の通信ネットワークにおけるホスト1(101)、ホスト2(102)間通信の処理シーケンスを説明する。なお、ホスト1(101)、通信装置1(111)、通信装置2(112)およびホスト2(102)のそれぞれの通信経路のMTU長は例として1500Byteとする。
ホスト1(101)がホスト2(102)へパケット転送する場合、まず通信装置1(111)へパケットが送信される(300)。通信装置1(111)は、MTU管理テーブルを参照し、受信したパケットのパケット長にカプセル化に必要なヘッダー長を足したサイズと、通信経路のMTU長を比較する(310)。比較した結果、受信したパケットのパケット長にカプセル化に必要なヘッダー長を足したサイズが、通信経路のMTU長より大きければ、ICMPプロトコルのフォーマットに従ったメッセージを作成して、ホスト1(101)からの送信パケットが満たすべきMTU長を埋め込んだエラーメッセージをホスト1(101)へ通知する(320)。詳細について図4に示し、後述する。
ホスト1(101)は受け取ったエラーメッセージから抽出したホスト1(101)からの送信パケットが満たすべきMTU長にパケット長をあわせて、通信装置1(111)へパケットを再送する(330)。
通信装置1(111)は、ホスト1(101)から受信したパケットのパケット長が、そのパケットの送信先の通信経路のMTU長を超えていなければ(340)、パケットのカプセル化処理を行い(350)、通信装置2(112)へパケットが送信する(360)。通信装置2(112)でも処理310、処理340と同様に、MTU管理テーブルを参照して通信経路を介して通信装置1(111)から受信したパケットのパケット長とそのパケットの通信経路のMTU長を比較し(370)、パケット長が通信経路のMTU長を超えていなければカプセル化処理(350)で付加した情報を削除し(380)、ホスト2(102)へパケットを送信する(390)。
図4は、本発明の一実施例における通信装置のMTU管理部の処理を説明するフローチャートである。
図4を参照して、通信装置111または通信装置112のMTU管理部220における受信パケット長にパケット編集部210で付加するヘッダー情報を追加後のパケット長と通信経路のMTU長の比較、および受信パケット長にパケット編集部210で付加するヘッダー情報を追加後のパケット長が通信経路のMTU長をオーバーする時のパケット編集部210のエラー通知の処理フローを説明する。
MTU管理部220は、まず、図7に示すMTU管理テーブル250から受信パケットの宛先IPアドレスに該当する通信経路のMTU長を抽出する(S400)。
MTU管理部220は、受信したパケットのパケット長と、パケット編集部210でパケットのカプセル化を行う際に追加する必要があるヘッダー長を足したサイズと抽出したMTU長を比較して(S410)、受信したパケットのパケット長とヘッダー長を足したサイズが抽出した通信経路のMTU長以下であれば、そのままパケットを転送可能とする(S420)。
MTU管理部220において、受信したパケットのパケット長とヘッダー長を足したサイズが、抽出した通信経路のMTU長より大きいと判断した場合には、パケット編集部210は、ICMPプロトコルのフォーマットを用いて、ホスト1(101)へエラーメッセージを通知する。パケット編集部210は、ICMPプロトコルのフォーマットを用いて、以下のようなエラーメッセージを作成する。まず、ICMPのTypeフィールドには3(Destination Unreachable)、Codeフィールドには4(Fragmentation needed and Don’t Fragment was set)を設定する。Next−Hop MTUフィールドには通信装置1(111)のMTU管理テーブル250に格納された該当する通信経路のMTU長から、パケット編集部210においてパケットのカプセル化に必要なヘッダー長を引いたパケット長を、ホスト1(101)に通知する、ホスト1(101)が満たすべきMTU長として算出し、設定する。
通信装置1(111)のパケット編集部(210)がICMPプロトコルのフォーマットを用いて作成したエラーメッセージにより、ホスト1(101)は、送信したパケットが、MTU長(ホスト1(101)の送信パケットが満たすべきMTU長)をオーバーしていたことが分かり、ホスト1(101)は、ホスト1(101)の送信パケットが満たすべきMTU長を超えないパケット長にすることが可能となる。さらに、パケット編集部210は、このICMPプロトコルのフォーマットを用いたエラーメッセージのIPヘッダーの送信元IPアドレスフィールドにホスト2(102)のIPアドレスを設定することで、ホスト1(101)はあたかもホスト2(102)から通知を受け取ったみなし、経路途中にある通信装置(111)をレイヤ3の装置として見せないように隠蔽することが可能となる(S430)。最後に、パケット編集部210は、パケット編集結果ログ230に送信したエラーメッセージの内容を登録する(S440)。パケット編集結果ログ230の詳細については図6に示し、後述する。
なお、図4のS400のMTU長は、MTU管理テーブル250からパケットの宛先IPアドレスに該当する通信経路のMTU長を抽出するのではなく、予め固定値を設定することも可能である。通信経路のMTU長を固定値とすることで、通信経路に設定されているMTU長を抽出する処理が不要となり、通信装置(111)の処理効率が向上される。
図5は、本発明の一実施例における通信装置のMTU管理部の処理を説明するフローチャートである。
図5に通信経路のMTU長を固定値とした処理フローを示し、説明する。
MTU長は固定値を設定する(S500)。固定値については、例えば通信装置(111)のコンフィグレーションなどに設定させることが可能である。以降のS510からS540の動作については、図4のS410からS440と同じである。
図6は、本発明の一実施例におけるパケット編集結果ログを示す図である。
図6を参照して、パケット編集結果ログ230の構成を説明する。
日時600はパケット編集結果ログ230に登録した日付と時間、パケット長610は通信装置(111)に送信されたパケットのパケット長、カプセル化ヘッダー長620はパケットのカプセル化に必要なヘッダー長、MTU長630はパケット送信先経路のMTU長、送信元IPアドレス640は図4のS430にて設定した送信元IPアドレス、宛先IPアドレス650は図4のS430にて設定した宛先IPアドレス、Next−Hop MTU長660は図4のS430にて設定したNext−Hop MTU長(ホストの送信パケットが満たすべきMTU長)を登録する。これらのログ情報はネットワーク上で何かしらの不具合が発生した際に、原因解析の情報として利用することが可能である。
以上説明した実施例による効果としては、以下が挙げられる。
通信経路上のMTUの内、最小のものを調べる既存技術としてPath MTU Discovery(RFC1191)(PMTUD)があるが、オーバーレイネットワークのレイヤ2ネットワークの通信装置に対しては、本来PMTUDを用いることができない。しかし、本発明においては、上記構成とすることにより、ホストに対してホストが送信するパケットが満たすべきMTU長を通知することができる。
また、本発明は、通信経路のMTU長そのものではなく、トンネル用カプセル化ヘッダー情報の付加分を考慮したMTU長を、ホストが送信するパケットが満たすべきMTU長としてホストに通知することで、通信装置におけるパケットのフラグメントを防ぐことが可能になる。
MTU長をホストに通知する際、パケットの送信元IPアドレスを送信先ホストのIPアドレスに設定することで、ホストからみると経路途中にある通信機器の存在を表面化させずに、オーバーレイ方式によるメリットを生かしたまま、ホストに対してホストが送信するパケットが満たすべきMTU長を通知することができる。
また、パケットの編集結果を保存することで、不具合が発生した際の解決手段に備えることが可能となる。
101、102・・・ホスト
111、112・・・通信装置
120・・・レイヤ2ネットワーク
130・・・レイヤ3ネットワーク
200・・・パケット通信部
210・・・パケット編集部
220・・・MTU管理部
230・・・パケット編集結果ログ
240・・・通信制御部
250・・・MTU管理テーブル
260・・・MACアドレステーブル

Claims (10)

  1. レイヤ2ネットワークのホスト間の通信をレイヤ3ネットワークにオーバーレイする通信装置であって、
    前記通信装置は、レイヤ3ネットワークにおける複数の通信経路について、前記通信経路毎の第1のMTU長を管理するMTU管理情報を保持し、前記複数の通信経路はそれぞれIPアドレスによって示され、
    前記通信装置は、前記レイヤ2ネットワークのホスト間の通信を前記複数の通信経路を介してオーバーレイする場合に付加する情報に基づき第2のMTU長を求め、
    前記通信装置は、前記MTU管理情報を参照して、前記ホストから受信したパケットの宛先MACアドレスに対応する宛先IPアドレスに関連付けられている第1のMTU長を決定し、
    前記通信装置は、前記パケットに前記付加する情報を付加後のパケット長が前記宛先IPアドレスに関連付けられている第1のMTU長を超えていた場合に、前記パケットを送信してきたホストに対し、前記パケットの宛先IPアドレスを送信元IPアドレスに、前記パケットの送信元IPアドレスを宛先IPアドレスにそれぞれ設定したメッセージによって、前記第2のMTU長を前記ホストに通知することを特徴とする通信装置。
  2. 請求項1に記載の通信装置であって、
    前記メッセージは、ICMP(Internet Control Message Protocol)のフォーマットに基づいて作成したメッセージであることを特徴とする通信装置。
  3. 請求項1又は2に記載の通信装置であって、
    前記第2のMTU長は、前記第1のMTU長から、前記付加する情報を減算した値であることを特徴とする通信装置。
  4. 請求項1、2又は3に記載の通信装置であって、
    前記通信装置は、前記レイヤ3ネットワークを介して前記第1のMTU長に関する情報を受信すると、前記第1のMTU長を更新することを特徴とする通信装置。
  5. 請求項1、2又は3に記載の通信装置であって、
    前記第1のMTU長は、予め設定された値であることを特徴とする通信装置。
  6. レイヤ2ネットワークのホスト間の通信をレイヤ3ネットワークにオーバーレイする通信方法であって、
    MTU管理情報を参照して、前記ホストから受信したパケットの宛先MACアドレスに対応する宛先IPアドレスに関連付けられている第1のMTU長を決定し、
    前記MTU管理情報は、レイヤ3ネットワークにおける複数の通信経路について、前記通信経路毎の第1のMTU長を管理し、前記複数の通信経路はそれぞれIPアドレスによって示され、
    前記レイヤ2ネットワークのホスト間の通信を前記複数の通信経路を介してオーバーレイする場合に付加する情報に基づき前記パケットの第2のMTU長を求め、
    前記パケットに前記付加する情報を付加後のパケット長が前記宛先IPアドレスに関連付けられている第1のMTU長を超えていた場合に、前記パケットを送信してきたホストに対し、前記パケットの宛先IPアドレスを送信元IPアドレスに、前記パケットの送信元IPアドレスを宛先IPアドレスにそれぞれ設定したメッセージによって、前記第2のMTU長を前記ホストに通知することを特徴とする通信方法。
  7. 請求項6に記載の通信方法であって、
    前記メッセージは、ICMP(Internet Control Message Protocol)のフォーマットに基づいて作成したメッセージであることを特徴とする通信方法。
  8. 請求項6又は7に記載の通信方法であって、
    前記第2のMTU長は、前記第1のMTU長から、前記付加する情報を減算した値であることを特徴とする通信方法。
  9. 請求項6、7又は8に記載の通信方法であって、
    前記レイヤ3ネットワークを介して前記第1のMTU長に関する情報を受信すると、前記第1のMTU長を更新することを特徴とする通信方法。
  10. 請求項6、7又は8に記載の通信方法であって、
    前記第1のMTU長は、予め設定された値であることを特徴とする通信方法。
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