JPH0752883B2

JPH0752883B2 - ランダムアクセス方式のｌａｎ

Info

Publication number: JPH0752883B2
Application number: JP1308811A
Authority: JP
Inventors: 啓義湯浅
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 1989-11-27
Filing date: 1989-11-27
Publication date: 1995-06-05
Anticipated expiration: 2010-06-05
Also published as: JPH03167934A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、ランダムアクセス方式のLANに関するもので
あり、例えばインテリジェントビル、ビル群、工場構内
などの情報通信ネットワークに利用されるものである。

［従来の技術］ LANのアクセス方式は、一定のアルゴリズムで１つのス
テーションのみが送信権を取得する制御アクセス方式
と、２つ以上の端末が同時にデータを送信しデータの衝
突が起こり得るランデムアクセス方式に大別される。制
御アクセス方式には、トークンパッシングリング方式
（IEEE802.5規格）やトークパッシングバス方式（IEEE8
02.4規格）等がある。一方、ランダムアクセス方式とし
ては、米国のゼロックス社、DEC社及びインテル社が開
発したEthernetを始め、IEEE802.3規格として標準化さ
れているCSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access wit
h Collision Detection）が代表的であり、これらはAT
＆Ｔ社のUNIX系のOSを使用するエンジニアリングワーク
ステーション（EWS）やマイクロソフト社のMS−DOSを使
用するポーソナルコンピュータ（PC）などで使用されて
いる。

CSMA/CD方式は、単一の伝送媒体に接続されている複数
のステーションがそれぞれ対等で、各ステーションのア
クセスをコントロールするセンター装置を持たない。各
ステーションは他のステーションが送信中であるかどう
かを伝送媒体上のキャリアの有無で判断し、キャリアが
無い場合にMACフレーム（媒体アクセス制御フレーム）
を送信するが、複数のステーションがほぼ同時にMACフ
レームを送信し衝突することが避けられない。そこで、
各ステーションは自己の送信するデータと受信したデー
タとを比較し、データが相違する場合には、衝突が発生
したと判断し、ジャム信号を送信して他のステーション
に衝突を知らせ、衝突したそれぞれのステーション毎に
乱数を用いて異なるバックオフタイムを算出し、バック
オフタイムの終了を持って再送信を試行する。試行回数
が所定回数を超過すると、送信を打ち切る。

LANの性能を評価する場合、スループット、平均待ち時
間、チャンネル使用効率などのトラヒック特性によるの
が一般的である。これらのパラメータの定義は、解析・
シミュレーションのモデルにより異なるが、例えば、ス
ループットを「単位時間に伝送できる情報のビット数
（実効スループット）」もしくは「単位時間に成功した
パケットのビット数の総和を媒体の伝送速度で正規化し
た値」とし、平均待ち時間を「送信要求してから送信を
開始するまでの時間」とし、平均遅延時間を「送信要求
から送信を終了するまでの時間を正味のパケット送信時
間で正規化した値」とし、チャンネル使用効率を「送信
要求してから送信が完了するまでの時間に対して実際に
パケットを送信している時間の割合」とする例がある。
そして、リトルの公式により、待ち状態のパケットのビ
ット数の総和の平均値＝スループット×平均待ち時間、
という関係がある。

第８図（ａ），（ｂ）は、CSMA/CD方式のスループット
を横軸に取り、平均遅延時間を縦軸に取ってグラフに現
したスループット−平均遅延特性である。伝送媒体の長
さは2Km、ステーション数は50、平均パケット長は1000
ビットである。また、伝送媒体の伝送速度は、第８図
（ａ）では1Mb/sであり、第８図（ｂ）では10Mb/sであ
る。伝送媒体の伝送速度が10Mb/sの場合、スループット
が0.6で平均遅延時間が100倍以上となるのに対して、伝
送媒体の伝送速度が1Mb/sの場合、スループットが0.9で
平均遅延時間が100倍以上となる。したがって、10Mb/s
の伝送媒体に比べると、1Mb/sの伝送媒体の方が、同一
の遅延時間に対するスループットが高くなる。そこで、
10Mb/sの伝送媒体が１本よりも1Mb/sの伝送媒体が10本
の方がスループットは高く、同一伝送量の持ち時間を短
くできる。しかし、ランダムアクセス方式の特徴を生か
すために複数の伝送媒体を総てのステーションに配線
し、各ステーションを同時に複数の伝送媒体に接続する
と、複数の伝送媒体へのアクセス・送信制御及び複数の
伝送媒体からの並列的な受信制御を行うことが単一の伝
送媒体を用いる場合に比べて複雑となり、コストアップ
の要因となる。なお、同一のデータ量を伝送するために
は、パケット長を長くして、送信パケット数を少なくす
る方が衝突回数が少なくなり、スループットが高い時の
平均待ち時間が短くなるが、極端に長いと、送信受信の
一対のステーションが伝送媒体を独占し、他のステーシ
ョンが使えないので、ステーション数の制約が多くな
る。

IEEEの802委員会（LANの標準化を推進するために1980年
２月に発足した機関）が発表したベル研究所の論文によ
ると、CSMA/CD方式で100台の端末が500ビットのパケッ
トをランダムに送信しようとすると、第７図（ｂ）に示
すように、伝送媒体の電伝送度が10Mb/sであっても衝突
のために実際の伝送速度は2Mb/sに満たず、伝送媒体の
伝送速度を20Mb/sにしても実際の伝送速度は2Mb/sに満
たない。そして、2000ビットのパケットでは、第７図
（ａ）に示すように、伝送媒体の伝送速度が10Mb/sのと
き、実際の伝送速度は5Mb/s程度で、媒体の伝送速度が2
0Mb/sのとき、実際の伝送速度は6Mb/s程度で、媒体の伝
送速度を増しても実際の伝送速度は飽和する。また、伝
送速度が遅い方がパケットの伝送時間が長くなって、相
対的に伝送媒体の伝送速度に対して実際の伝送速度の比
率が高くなる。すなわち、CSMA/CD方式は、第７図
（ａ），（ｂ）に併記したIEEE802.4規格（トークン・
バス方式）やIEEE802.5規格（トークン・リング方式）
に比べると、伝送媒体の伝送速度が比較的遅い場合に有
利となる方式であることが分かる。また、負荷が大きな
場合には待ち時間が増大する。

このようなCSMA/CD方式の改良した従来技術の代表例を
以下に列挙する。

まず、確認応答優先のCSMA/CD（Acknowledging Etherne
t）では、データを受信したステーションは、受信完了
後、伝送媒体の空きを検出すると直ちに受信確認パケッ
ト（ACKパケット）を返信し、その他のステーション
は、伝送媒体の空きを検出した後、所定の持ち時間を経
てからデータの送信を開始する。これにより、受信確認
パケットに対する衝突を回避することができ、その分だ
けスループットが増大し、待ち時間が短くなる。この方
式では、送信側のステーションは確認応答を受信するま
で送信データをバッファに保留しなければならない。

次に、再衝突回避型CSMA/CDでは、衝突後の再送信の順
位をステーションの位置に基づいて決めている。この方
式では、衝突したステーションは互いに衝突を回避する
ように動作するが、他のステーションの送信による再衝
突を避けることはできない。

次に、Network Systems社のHyper Channelの衝突回避型
CSMA/CDでは、各ステーションに優先順位を割り当て、
伝送媒体に空きが生じてから送信を開始するまでの待ち
時間を優先度が高いステーションでは短く設定すること
により優先度が高いステーションについてのみ遅延時間
を短くしている。

また、優先機能付きCSMA/CDでは、優先度の高いステー
ションが送信するパケットのプリアンブル（データの先
頭に付与される同期信号）を長くし、各ステーションは
プリアンブル送信後に衝突を検知したときには送信を打
ち切るようにしている。これにより、衝突が生じてもプ
リアンブルが長い方のパケットが優先的に伝送されるこ
とになり、優先度が高いステーションについてのみ遅延
時間を短くすることができる。

このように優先順位を各ステーションに割り当てる方式
では、すべてのステーションについての遅延時間を短く
することはできない。

［発明が解決しようとする課題］本発明は上述のような点に鑑みてなされたものであり、
その目的とするところは、媒体の伝送速度が速く、スル
ープットが高いときに、平均待ち時間が長くなり、実際
の伝送速度が速くならないという従来のランダムアクセ
ス方式のLANの問題点を解決することにある。

［課題を解決するための手段］本発明では、LANのノードが１個のマスター及び複数個
（Ｘ個）のステーションから成り、各ステーションをグ
ループ毎の発生トラヒック量がほぼ同じになるようにＮ
グループに分けている。そして、LANコントローラが、
１台のマスターコントローラ及び複数台のステーション
コントローラから成り、マスターコントローラが周期的
に同期制御パケットを送信し、この同期制御パケットの
送信周期をユニット・フレームとし、この同期制御パケ
ットの送信期間を同期制御スロットとしている。そし
て、第１図に示すように、ユニット・フレームから同期
制御スロットを差し引いた残りの期間を非同期転送スロ
ットとし、非同期転送スロットをＮ個に分割して、各コ
ントローラがＮ個の非同期転送スロットの中の１スロッ
トのみで送信するように各コントローラの送信権をグル
ープ単位にＮスロットのいずれかに割り当てるものであ
る。

［作用］伝送媒体の伝送速度が10Mb/sのとき、1000ビットのパケ
ットの伝送時間は、10³/10⁷ ^＝10^-4sec＝100μsecであ
る。これに対して通常のステーションで使用される16ビ
ットCPUの処理速度が1MIPS程度であるとすると、受信さ
れたパケットに対して1000インストラクションのプロセ
スを実行するために1msecの時間が掛かることになる。
現在のUNIX系のEWSで、割込の応答時間は10msec程度と
言われるいるが、ソフトウェアをＣなどの高級言語で記
述されたプロセスでは、通信処理のために、パケットを
連続的に伝送することができず、１台のステーションに
関しては、実際のパケットの送信時間に比べて長い無信
号状態が生じると考えられる。

したがって、実際のパケット送信時間を自局の非同期転
送スロットに合わせ、無信号状態の時間を他局の非同期
転送スロットに当てることにより、衝突の発生確率を小
さくすることができる。このためには、すべてのステー
ションの時計が合っている必要があるが、マスターコン
トローラからの同期制御パケットを定期的に一斉同報パ
ケットとして伝送することにより、各ステーションが同
期制御パケットを受け取った時間を同期制御スロットと
してフレーム同期を取り、非同期転送スロットの時間を
合わせることができる。

ここで、最大長のパケット送信時間を１として、無信号
状態の時間（ここでは、複数のパケットを続けざまに送
信している１台のステーションが１つのパケットを送信
終了してから、次のパケットを送信開始するまでの通信
処理のための待ち時間を意味する）をＮとすると、（１
＋Ｎ）×最大長のパケット送信時間をフレームユニット
として、フレームユニットを（１＋Ｎ）スロットに分
け、１スロットを同期制御スロットに割り当て、各ステ
ーションをＮ個のグループに分けて、各グループに１ス
ロットを割り当てることにより、衝突の確率を1/Nに低
減できる。すなわち、各ステーションをできるだけ発生
トラヒック量が等しくなるようにＮグループに分けて、
それぞれのステーションのグループに割り当てることに
より、グループ内のステーションとしか衝突する可能性
が無いようにすることができる。このことは、LANのス
テーション数が1/Nになったのと同等で、元々各ステー
ションが持っている無信号状態の時間に他のステーショ
ンの信号が伝送できるようにフレーム同期を取ったの
で、ステーションの伝送処理を妨げることはない。これ
により、本発明にあっては、第６図のシミュレーション
結果に示すように、従来の一般的なCSMA/CD方式に比べ
てスループット−遅延時間特性が大幅に改善される。

［実施例］第１図は本発明におけるスロット割り当ての一例を示し
ている。同図では非同期転送スロットをＡ〜Ｉの９個に
分割しているので、Ｎ＝９に相当する。したがって、LA
Nのステーションの数が1/9になったのと同等で、ステー
ションの総数が99台の場合、ステーションを11台づつの
９グループに分け、グループ毎に非同期転送スロットを
割り当てる。

第２図は本発明を適用したネットワークの構成例を示
す。同図では、各ステーションがＡ〜Ｉのいずれかの非
同期転送スロットに割り当てられていることを示してお
り、1/N台のステーションを接続するLANと同程度のスル
ープット−遅延特性が得られる。図中、１はマスターコ
ントローラ、２はトランシーバ、３は伝送媒体、４はマ
ルチポートリピータHUB、５は伝送媒体、６はステーシ
ョンコントローラである。

第３図は本発明に用いるマスターコントローラ１及びス
テーションコントローラ６の内部構成の一例を示してい
る。マスターコントローラ１のマスタークロック発生回
路11がLANシステムの標準時計となり、フレーム同期制
御回路12がフレーム・ユニットの周期で、定期的に同期
制御スロットに同期制御パケットを一斉同報で送信する
ように指令し、フレーム編集回路13がMACフレームフォ
ーマット（第５図参照）に従って、同期制御パケットを
編集し、リンク制御回路14がアクセス制御フロー（第４
図参照）に従って、自局の同期制御スロットに同期制御
パケットを送信する。伝送路符号化・複合化回路15は、
送信データをマンチェスタ符号のような伝送路符号に変
換すると共に、受信された伝送路符号を受信データに変
換する。送信・受信・衝突検出回路16は、伝送媒体３に
物理信号（光信号や電気信号等）を送信したり、伝送媒
体３から物理信号を受信したり、伝送媒体３での信号の
衝突を検出したりする。

ステーションコントローラ６も、同様の送信・受信・衝
突検出回路61と、伝送路符号化・復号化回路62を備えて
おり、一斉同報の同期制御パケットを受信すると、フレ
ーム同期制御回路66の制御下で、フレーム同期タイミン
グ回路67のクロックを同期制御スロットに同期させる。
データ送信時には、フレーム編集回路64がMACフレーム
フォーマット（第５図参照）に従って、非同期転送パケ
ットを編集し、フレーム同期送信制御回路65の制御下
で、自局に割り当てられた非同期転送スロットにパケッ
トを送信するように制御する。リンク制御回路63はアク
セス制御フロー（第４図参照）に従って、自局の属する
グループの非同期転送スロットに非同期転送パケットを
送信する。

マスターコントローラ１は、LANのネットワーク管理コ
ンソール７のLANインターフェースボードとして接続さ
れている。ネットワーク管理コンソール７には、上位プ
ロトロル制御部71、各ステーションのグループ割当管理
部72、構成管理・障害管理・セキュリティ管理を行うネ
ットワーク管理部73及びトラヒック計測などを行う統計
処理部74が含まれている。また、表示及び操作を可能と
するために、コンソールインターフェース部75とコンソ
ール部76を備えている。

ステーションコントローラ６は、PC、EWSなどのステー
ションコンソール８のLANインターフェースボードとし
て接続されている。ステーションコンソール８は、上位
プロトコル制御部81、コンソールインターフェース部8
2、コンソール部83を備えており、ステーションコント
ローラ６にデータを入出力する。

第４図は本発明で使用するアクセス制御フローを示して
いる。フレーム送信に際しては、フレーム編集回路64が
第５図に示すMACフォーマットに従ってフレーム組み立
てを行う（ステップ）。そして、リンク制御回路63は
自局の非同期転送スロットが否かを判定し、自局の非同
期転送スロットでなければ待機する。ただし、マスター
コントローラ１の場合には、自局の同期制御スロットか
否かを判定し、自局の同期制御スロットでなければ待機
する（ステップ）。自局の非同期転送スロットであれ
ば、送信延期中か否かを判定する（ステップ）。送信
延期中であれば、ステップからステップに戻る。送
信延期中でなければ、フレーム編集回路64で編集された
非同期転送パケットをフレーム同期送信制御回路65の制
御下で、自局の非同期転送スロットで送信開始する（ス
テップ）。そして、送信が完了するまで、送信・受信
・衝突検出回路61により衝突検出を続ける（ステップ
及び）。衝突が検出されることなく、送信が完了すれ
ば、正常にフレーム送信を終了する。一方、送信が完了
する前に、衝突が検出されれば、ジャム送信を行い、衝
突が発生したことを他のステーションに知らせる（ステ
ップ）。そして、試行回数を１回カウントアップする
（ステップ）。試行回数が所定回数を超えていれば、
衝突回数超過として送信を打ち切る（ステップ）。試
行回数が所定回数以下であれば、乱数によりバックオフ
タイムを算出する（ステップ）。そして、バックオフ
タイムをタイマーにセットして、このタイマーをスター
トさせ、ステップに戻る（ステップ）。このタイマ
ーがタイムアップするまでは、ステップで送信延期中
と判定される。

第５図は本発明に用いるMACフレームフォーマットを示
している。このフォーマットについては、IEEE802.3規
格と同じであるので、説明は省略する。

［発明の効果］本発明にあっては、ランダムアクセス方式のLANにおい
て、各ステーションをＮグループに分け、LANシステム
全体の非同期転送スロットのタイミングを同期させたの
で、ステーションの数が1/Nになったのと同じ程度に衝
突確率が低くなり、スループットが向上し、待ち時間が
短くなり、送信状態のステーションの実効的な数を増大
させることができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のスロット割り当ての構成例を示す図、
第２図は本発明の一実施例の全体構成図、第３図は本発
明に用いるマスターコントローラ及びステーションコン
トローラの構成を示すブロック図、第４図は本発明に用
いるステーションコントローラの制御フローを示す流れ
図、第５図は本発明に用いるフレームフォーマットを示
す図、第６図は本発明の特性を示す図、第７図及び第８
図は従来例の特性を示す図である。１はマスターコントローラ、６はステーションコントロ
ーラである。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ランダムアクセス方式のLANにおいて、LAN
コントローラが１台のマスターコントローラと複数台の
ステーションコントローラから成り、マスターコントロ
ーラがLANシステム全体のタイミングを制御し、ステー
ションコントローラがマスターコントローラに同期した
タイミングで動作し、伝送される信号フォーマットがマ
スターコントローラからの同期制御スロット、及び各コ
ントローラからのＮ個の異なった非同期転送スロットか
ら成るフレーム・ユニットで構成され、各コントローラ
がＮ個の非同期転送スロットの中の１スロットのみで送
信するように各コントローラをＮグループに分割し、送
信権をＮ個の非同期転送スロットのいずれかに割り当て
ることを特徴とするランダムアクセス方式のLAN。