JPWO2007063585A1 - 通信装置およびフレーム制御方法 - Google Patents

Abstract

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、フレームのデータ領域に送信順を示す順番情報を付与する。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順番情報が付与されたフレームをネットワークへ出力する。受信装置において、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順番情報を読み出す。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。

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 (5)

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、
   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
   ことを特徴とするフレーム制御方法。
2. 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
   ことを特徴とする請求項１に記載のフレーム制御方法。
4. 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３に記載のフレーム制御方法。
5. 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、
   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判断手段と
   を備えたことを特徴とする通信装置。

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