WO2022049751A1 - コネクション数計測装置、方法、およびプログラム - Google Patents

コネクション数計測装置、方法、およびプログラム Download PDF

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WO2022049751A1
WO2022049751A1 PCT/JP2020/033721 JP2020033721W WO2022049751A1 WO 2022049751 A1 WO2022049751 A1 WO 2022049751A1 JP 2020033721 W JP2020033721 W JP 2020033721W WO 2022049751 A1 WO2022049751 A1 WO 2022049751A1
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WO
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state
connection
memory
state information
value
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PCT/JP2020/033721
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English (en)
French (fr)
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祐太 右近
悠介 関原
晶子 大輝
奈美子 池田
周平 吉田
寛之 鵜澤
高庸 新田
Original Assignee
日本電信電話株式会社
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Publication date
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    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L43/00—Arrangements for monitoring or testing data switching networks
    • H04L43/08—Monitoring or testing based on specific metrics, e.g. QoS, energy consumption or environmental parameters
    • H04L43/0805—Monitoring or testing based on specific metrics, e.g. QoS, energy consumption or environmental parameters by checking availability
    • H04L43/0811—Monitoring or testing based on specific metrics, e.g. QoS, energy consumption or environmental parameters by checking availability by checking connectivity
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L43/00—Arrangements for monitoring or testing data switching networks
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    • H04L43/028—Capturing of monitoring data by filtering
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L43/00—Arrangements for monitoring or testing data switching networks
    • H04L43/08—Monitoring or testing based on specific metrics, e.g. QoS, energy consumption or environmental parameters
    • H04L43/0876—Network utilisation, e.g. volume of load or congestion level

Definitions

  • the present invention relates to a connection number measuring technique for measuring the number of connections based on a received packet.
  • the number of connections can be measured in the server by using, for example, the technique described in Non-Patent Document 1, and an accurate number can be obtained.
  • the processing performance of the server may be deteriorated.
  • Non-Patent Document 2 if the connection on the communication network is monitored by using the technique described in Non-Patent Document 2 by a network device such as a network switch, a router, and a network monitoring device, which is separate from the server, the server is not overloaded. It can count the number of connections, but it requires high-performance hardware to analyze a lot of traffic in real time.
  • the present invention is for solving such a problem, and an object of the present invention is to provide a connection number measurement technique capable of measuring the number of connections with a small amount of memory resources.
  • the connection number measuring device receives from a network I / F for transmitting and receiving packets to and from a communication network and from the communication network via the network I / F.
  • a preset field value and state control information for controlling the state of the connection are acquired from the header of the received packet, and an object indicating the connection of the received packet based on the field value and the state control information.
  • the control device includes a state memory for holding information, and the control device has a search key generation unit that generates a search key and a comparison value by dividing a hash value related to a field value of the received packet, and the state memory.
  • the state information having a reference value that matches the comparison value of the received packet from the memory selection unit that selects and acquires a plurality of state information corresponding to the search key and the state information acquired from the state memory is described above. Obtained: a state information selection unit selected as state information related to the target connection, and a state determination unit that determines the next state related to the target connection based on the state control information of the received packet and the selected state information. Based on the determination result, the memory update unit for updating the state information regarding the target connection held in the state memory is provided.
  • connection number measuring method is set in advance from a network I / F for transmitting and receiving packets to and from a communication network and a header of a received packet received from the communication network via the network I / F.
  • the field value and the state control information for controlling the state of the connection are acquired, and the next state regarding the target connection indicating the connection of the received packet is determined based on the field value and the state control information.
  • a control device that measures the number of connections for each connection based on the obtained determination result, and a state memory that holds state information including a state value indicating the state of the connection and a reference value for identifying the connection.
  • a search key generation step in which the control device generates a search key and a comparison value by dividing a hash value related to a field value of the received packet, which is a method for measuring the number of connections used in the connection number measuring device provided.
  • the reception of the memory selection step in which the control device selects and acquires a plurality of state information corresponding to the search key from the state memory, and the state information acquired by the control device from the state memory.
  • a state information selection step that selects state information having a reference value that matches the comparison value of the packet as state information related to the target connection, and the state information selected by the control device as the state control information of the received packet.
  • a state determination step for determining the next state regarding the target connection based on the above, and a memory update for updating the state information regarding the target connection held in the state memory by the control device based on the obtained determination result. It has steps.
  • the program according to the present invention is a program for making a computer function as each part constituting the above-mentioned connection number measuring device.
  • the number of connections can be measured with a small amount of memory resources.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a connection number measuring device according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a block diagram showing a configuration of a connection number counting unit according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is an explanatory diagram showing a specific configuration example of the state memory and the memory block.
  • FIG. 4 is a block diagram showing a detailed configuration of the state memory and the state information selection unit.
  • FIG. 5 is a state transition diagram of the TCP connection.
  • FIG. 6 is a flowchart of a method for measuring the number of connections.
  • FIG. 7 is a flowchart of the connection state detection method.
  • FIG. 8 is an explanatory diagram showing a connection management operation.
  • FIG. 9 is an explanatory diagram showing a configuration example of the connection number measurement result.
  • FIG. 10 is a block diagram showing a configuration of the connection number measuring device according to the second embodiment.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a connection number measuring device according to the first embodiment.
  • the connection number measuring device 10 is a device that receives a packet to be monitored from a communication network NW such as the Internet or LAN, and measures a detected connection based on the obtained received packet.
  • NW such as the Internet or LAN
  • the measured number of connections is used, for example, to grasp the load status of a server used in a network service such as a carrier network or a data center.
  • the number of connections measuring device 10 may be configured as a single unit, and may be mounted on a network monitoring device or a network monitoring system that monitors the communication status of the network by measuring the number of flows and the number of connections based on packets. You may.
  • the apparatus of the present invention can also be realized by a computer and a program, and the program can be recorded on a recording medium or provided through a network.
  • connection number measuring device 10 includes a network I / F 11, an operation input device 12, a screen display device 13, a storage device 14, a control device 15, and a state memory 16 as main configurations. ..
  • the network I / F11 is configured to perform data communication by transmitting and receiving packets to and from the communication network NW.
  • the operation input device 12 includes an operation input device such as a keyboard, a mouse, and a touch panel, and is configured to detect an operator's operation and output it to the control device 15.
  • the screen display device 13 is composed of a screen display device such as an LCD, and is configured to display various screens such as a menu screen, a setting screen, and a monitoring result screen output from the control device 15.
  • the storage device 14 is composed of a storage device such as a hard disk or a semiconductor memory, and is configured to store the processing data and the program 14P used for the connection number measurement process executed by the control device 15.
  • the program 14P is a program for realizing various processing units that execute connection number measurement processing by cooperating with the CPU of the control device 15.
  • the program 14P is read in advance from a connected external device or recording medium and stored in the storage device 14.
  • the control device 15 is composed of a combination of a general server device and an FPGA (Field-Programable Gate Array) accelerator. Since high-speed packet processing can be performed by using the FPGA accelerator, it can also be applied to traffic monitoring in high-speed networks such as 40 Gbps (Gigabits per second) and 100 Gbps. On the other hand, since high-speed packet processing is not required in a low-speed network, it is possible to configure all processing with a single server equipped with software.
  • FPGA Field-Programable Gate Array
  • control device 15 has a CPU and its peripheral circuits (including an FPGA accelerator), and various processing units that execute the connection number measurement process by reading the program 14P of the storage device 14 and cooperating with the CPU. Will be described as an example when it is configured to realize.
  • the main processing units realized by the control device 15 include a packet reception unit 15A, a header analysis unit 15B, a connection number counting unit 15C, and a connection number counting unit 15C.
  • the packet receiving unit 15A is configured to receive a packet to be monitored from the communication network NW via the network I / F11.
  • the packet received by the packet receiving unit 15A may be a packet transmitted to the connection number measuring device 10, or may be a packet copied (captured) by a network device such as a switch, a router, or a network tap.
  • the header analysis unit 15B is configured to extract one or a plurality of predetermined field values from the header of the received packet received by the packet reception unit 15A.
  • a connection is a virtual communication path set between processes in order to accurately transfer packets used for data transfer.
  • a field value such as a MAC address, a protocol, an IP address, or a port number is used.
  • a combination of source IP address, destination IP address, source port number, destination port number, and protocol (5-tuple) is often used for connection identification.
  • field values such as VLAN ID and VXLAN ID may be used.
  • the header analysis unit 15B acquires the state control information used for controlling the connection from the header or payload of the packet.
  • the control flag which is the state control information used in TCP (Transmission Control Protocol) communication, includes a URG (Urgent) flag, an ACK (Acknowledgement) flag, and a PSH (Push) flag, each of which consists of 1-bit width information.
  • URG User Agent
  • ACK Acknowledgement
  • PSH Push flag
  • connection number counting unit 15C increases or decreases the number of corresponding connection counts based on the next state of the connection detected from the field value obtained by the header analysis unit 15B, and the obtained counting result is monitored by the network to be monitored.
  • the number of connections is configured to be output to a higher-level device (not shown) connected via the screen display device 13 or the network I / F 11. Further, the obtained counting result may be used for monitoring or traffic control processing separately executed by the control device 15.
  • the state memory 16 is composed of a semiconductor memory as a whole, and is composed of a plurality of memory blocks BLK having the same address (address space).
  • FIG. 1 shows an example in which N (N is an integer of 1 or more) state memories # 1, ..., # N are provided. Further, a case where each state memory 16 is composed of M (M is an integer of 1 or more) memory blocks BLK will be described as an example. At least one of N and M is 2 or more.
  • the state memory 16 has a state value indicating the state of the connection as the state information SD related to the connection for each connection to be measured by these memory blocks BLK (for example, in the case of TCP connection, SYN state, ACK state, FIN / RST). State) Holds State and comparison value Comp.
  • the comparison value Comp is a reference value Ref for identifying the corresponding connection. Details of the state memory 16 will be described later.
  • connection number counting unit 15C mainly includes a hash value calculation unit 21, a search key generation unit 22, a memory selection unit 23, a state information selection unit 24, a state determination unit 25, and a counter 26. And a memory update unit 27 is provided.
  • the hash value calculation unit 21 is configured to calculate the hash value Hash from the field value Field acquired by the header analysis unit 15B based on a preset hash function.
  • the hash value Hash needs to have a length that can uniquely identify the connection to be measured, and for example, 32 bits to 64 bits is a realistic length.
  • a known algorithm such as MurmurHash3 may be used as the hash function used for calculating the hash value Hash.
  • the search key generation unit 22 is configured to cut out a part of the hash value Hash obtained by the hash value calculation unit 21 to generate a search key Key and a comparison value Comp.
  • a method of cutting out the hash value Hash for example, there is a method of dividing into a high-order bit and a low-order bit, one of which is used as the search key Key and the other of which is used as the comparison value Comp.
  • the search key Key and the comparison value Comp can be generated by using different bit strings among the bit strings constituting the hash value Hash.
  • This division method is suitable for hardware and can be realized with an extremely simple circuit configuration.
  • the memory selection unit 23 selects the target state memory 16 from the N state memories 16 based on the search key Key generated by the search key generation unit 22, and sets the address information Addr consisting of the search key Key. Based on this, it is configured to instruct to output the state information SD related to the connection in parallel from all the memory blocks BLK inside the selected state memory 16. Since the search key Key is shorter than the original hash value Hash, the same search key Key may be generated for different connections. Therefore, in the present embodiment, the state memory 16 is provided with a plurality of memory blocks BLK so that the connections can be managed individually.
  • FIG. 3 is an explanatory diagram showing a specific configuration example of the state memory and the memory block.
  • FIG. 3 shows a state memory 16 using two memory blocks BLK # 1 and # 2, and four storages of address information Addr “1” to “4” in each memory block BLK # 1 and # 2.
  • An example is shown in which the area is provided.
  • FPGA has a plurality of small memories inside, and is suitable for such a configuration.
  • the number of state memories 16 (number of storage areas) and the number of memory block BLKs are not limited to the example of FIG. 3, and the number of connections such as the number of connections to be monitored and the types of connections are measured. It may be changed as appropriate according to the application using the device 10.
  • the search key Key output from the memory selection unit 23 is used as the address information Addr to be input to the state memory 16.
  • the state memory 16 reads the state information SD held in the storage area corresponding to the address information Addr from all the memory blocks BLK # 1 and # 2, and each of them is in parallel. Output to the status information selection unit 24.
  • the state information selection unit 24 in the subsequent stage has the state information SD corresponding to the connection of the received packet. Is configured to select.
  • the state information selection unit 24 acquires the state information SD of each memory block BLK output from the state memory 16 selected by the memory selection unit 23, and generates a search key for the reference value Ref included in these state information SDs. Compared with the comparison value Comp related to the received packet output from unit 22, the reference value Ref that matches the comparison value Comp and one state value State included in the corresponding state information SD are selected and output to the state determination unit 25. It is configured to do. Further, if the reference value Ref does not match the comparison value Comp, the state information selection unit 24 determines that the connection of the received packet is new and the state value State held in each memory block BLK. It is configured to output to the memory update unit 27.
  • FIG. 4 is a block diagram showing a detailed configuration of the state memory and the state information selection unit.
  • the state information selection unit 24 includes M comparators CMPs corresponding to the memory block BLK.
  • the state information selection unit 24 compares the reference value Ref of the state information SD received from the memory block BLK and the comparison value Comp of the received packet with the comparator CMP corresponding to each memory block BLK, and the comparison obtained. Notify the selector SEL of the result. Since this processing can be performed in parallel, it is suitable for hardware that can perform parallel processing.
  • connection can be uniquely specified at this point, and the selector SEL can output a state matching the input connection. On the other hand, it is possible that they do not match any of the candidates. In that case, if there is a free memory block BLK that does not manage the connection, the state determination unit 25 in the subsequent stage is notified that the input packet belongs to the new connection, and it cannot be managed without the free memory block BLK. , Ignore input packets. Therefore, in this configuration, connections can be managed within a range that does not exceed the number of memory blocks BLK.
  • the number of memory block BLKs required for the number of connections that are expected to be managed at the same time can be easily estimated by simulating a hash function and evaluating the maximum number of search keys.
  • the state determination unit 25 determines the next state of the connection by referring to the state transition diagram based on the state value State of the connection output from the state information selection unit 24 and the control flag included in the received packet. It is configured in.
  • FIG. 5 is a state transition diagram of the TCP connection, and by using this state transition diagram, the next state of the TCP connection is determined based on the current state value State and the newly notified state control information Flag. can do.
  • the main states of the TCP connection are the SYN state 30, the ACK state 31, and the FIN / RST state 32.
  • the SYN state 30 indicates a state in which one process notifies the other of a connection establishment request (SYN flag).
  • the ACK state 31 indicates a state in which an establishment response (ACK flag) is notified from the other to one when the establishment request is permitted.
  • the FIN / RST state 32 indicates a state in which one or the other notifies the other party of a connection disconnection request (FIN flag) or interruption (RST flag).
  • the counter 26 is configured to update the count value when the state determination unit 25 detects the establishment or disconnection of the connection as the next state.
  • the memory update unit 27 outputs status information from the status information selection unit 24 when a change in the connection status is detected in the status determination unit 25 or when a new connection is detected in the status information selection unit 24. Based on the SD, the state value State and the reference value Ref of the corresponding memory block BLK are updated, and for a new connection, the empty memory block BLK of the selected state memory 16 that is not used for connection management. It is configured to newly store (update) the state information SD.
  • connection number measuring device 10 Next, the operation of the connection number measuring device 10 according to the present embodiment will be described. Here, the connection number measurement operation, the state detection operation, and the connection management operation in the state memory 16 in the control device 15 will be described individually.
  • FIG. 6 is a flowchart of a method for measuring the number of connections.
  • the control device 15 confirms whether a packet has been received from the communication network NW via the network I / F11 by the packet receiving unit 15A (step S100), and waits until a new packet is received (step S100: NO).
  • step S100 When a new packet is received (step S100: YES), the control device 15 extracts the preset field value Field from the header of the received received packet by the header analysis unit 15B (step S101). , The state control information (control flag) Flag for controlling the state of the connection is extracted (step S102). Next, the control device 15 confirms the next state regarding the connection of the received packet by the connection number counting unit 15C based on the state information SD of the holding connection (step S103).
  • step S103 when the next state indicates the start of the connection (step S103: start), the count value indicating the number of connections is incremented (+1) by the connection number counting unit 15C (step S104), and held by the connection number counting unit 15C.
  • the state value State of the connected connection is updated (step S106), and the process proceeds to step S107 described later.
  • step S103: end When the next state indicates the end (disconnection) of the connection (step S103: end), the connection number counting unit 15C decrements (-1) the count value indicating the number of connections (step S105), and proceeds to step S106. do.
  • step S107 the control device 15 confirms whether or not it is the counting operation end timing based on the operator operation detected by the operation input device 12, the preset counting operation end time, and the like (step S107), and the counting operation. (Step S107: NO), the process returns to step S100 described above. Further, when the counting operation end timing is reached (step S107: YES), a series of connection number measurement processing is terminated.
  • FIG. 7 is a flowchart of the connection state detection method.
  • the connection number counting unit 15C calculates the hash value Hash from the field value Field obtained by the header analysis unit 15B by the hash value calculation unit 21 (step S110), and the hash value Hash obtained by the search key generation unit 22. Is divided to generate a search key Key related to the connection of the received packet and a comparison value Comp (step S111). Next, the connection number counting unit 15C selects the state memory 16 corresponding to the connection based on the search key Key by the memory selection unit 23 (step S112), and is held in the storage area of the address corresponding to the search key Key.
  • the state information SD is acquired from all the memory blocks BLK of the state memory 16 (step S113).
  • connection number counting unit 15C compares the reference value Ref of each acquired state information SD with the comparison value Comp by the state information selection unit 24 (step S114).
  • the connection number counting unit 15C has the state value State of the state information SD acquired from the corresponding memory block BLK by the state determination unit 25.
  • the next state of the connection is determined based on (current state) and the state control information Flag extracted by the header analysis unit 15B (step S116), and the connection of the memory block BLK is determined based on the obtained next state. Updates the state information SD related to (step S117), and ends a series of state detection processes.
  • step S115 when there is no reference value Ref that matches the comparison value Comp (step S115: NO), the connection number counting unit 15C is in the storage area of the address in the memory block BLK of the corresponding state memory 16. Check if there is a free memory block BLK that does not store the status information SD and is not used for connection management (step S118).
  • step S118: NO the connection number counting unit 15C does not determine the next state or update the memory block, discards the received packet, and performs a series of state detection processes. To finish.
  • step S118 when there is a free memory block BLK in step S118 (step S118: YES), the connection number counting unit 15C is the connection based on the state control information Flag extracted by the header analysis unit 15B by the state determination unit 25.
  • the next state of the above is determined (step S119), and based on the obtained next state, the state information SD related to the connection of the free memory block BLK is held (updated) (step S120), and a series of state detection processes is terminated. ..
  • FIG. 8 is an explanatory diagram showing a connection management operation.
  • the state memory 16 is one
  • the memory blocks BLK are two (BLK # 1 and # 2), and the storage area (address) is one will be described as an example. do. Therefore, the search key Key of each connection is always duplicated.
  • Time T0 is the initial state, and each memory block BLK is empty.
  • the control flag "SYN" and the comparison value Comp "RefA” included in the received packet are set to the state value State and reference value of the state information SD related to the connection A. It is held in the memory block BLK # 1 as Ref. From this point onward, the reference value "RefA" is used for comparison with the comparison value Comp of the new received packet.
  • connection B is received at time T3
  • the comparison value Comp "RefB” does not match the reference value Ref of any state information SD held in each memory block BLK, so that connection B Is determined to be a new connection.
  • the control flag included in the received packet is "SYN”, it is expected that the connection B will be established in the future. Therefore, the free memory block BLK # 2 is used as the state information SD related to the connection B.
  • the state value "SYN" and the reference value "RefB" are held.
  • the configuration of one state memory 16 and a plurality of memory blocks BLK is the most efficient.
  • the word length may not be freely set, and the memory utilization efficiency may decrease by consuming a word length longer than necessary.
  • FIG. 9 is an explanatory diagram showing a configuration example of the connection number measurement result.
  • the number of connections obtained by measurement is output in association with a rule for identifying the connection.
  • Each rule is information for identifying a connection to be monitored, and is preset by an operator using, for example, an operation input device 12 and a screen display device 13.
  • a rule specific setting values regarding the field value Field composed of the source IP address, the destination IP address, and the protocol type are set.
  • the number of connections associated with that rule is incremented (+1) or decremented (-1).
  • the operator can monitor the number of the connections only by setting the field value Field related to the connection to be monitored as the setting value of the rule.
  • the state memory 16 holds the state information SD including the state value State indicating the state of the connection and the reference value Ref for identifying the connection, and the control device 15 receives the state information SD.
  • the search key Key and the comparison value Comp are generated, and a plurality of state information SDs corresponding to the search key Key are selected and acquired from the state memory 16.
  • the state information SD having a reference value Ref that matches the comparison value Comp of the received packet is selected as the state information SD related to the target connection, and the state control information Flag of the received packet and the selected state information SD are selected.
  • the next state regarding the target connection is determined, and the state information SD regarding the target connection held in the state memory 16 is updated based on the obtained determination result.
  • the size of the connection table is increased by using the hash value corresponding to the field information included in the header of the input packet for the search key of the connection table. Regardless of this, it is possible to search in a constant time. Therefore, it is useful for searching a large connection table that manages a large number of connections.
  • the search key Key used when acquiring the state information SD corresponding to the target connection of the received packet from the state memory 16 is shorter than the original hash value Hash. This can significantly reduce the size of the connection table, but may generate the same search key Key for different connections. Therefore, with only the search key Key, a so-called collision occurs in which the state information SDs of different connections are held in the same storage area of the state memory 16.
  • connection status information SD the reference value Ref for identifying the connection is held in addition to the connection status value State, and corresponds to the search key Key of the received packet.
  • the state information SD that matches the comparison value Comp of the received packet is selected as the state information SD of the target connection from the state information SDs to be performed. Therefore, the size of the connection table can be significantly reduced, and the state information SD related to the target connection of the received packet can be appropriately acquired. As a result, it is possible to measure the number of connections with a small amount of memory resources.
  • the state memory 16 is composed of a plurality of memory blocks BLKs having the same address, and the memory selection unit 23 uses the plurality of memory blocks BLKs of the state memory 16 to address the corresponding search key Key.
  • a plurality of state information SDs held in parallel are selected and acquired in parallel, and the state information selection unit 24 selects and acquires a plurality of state information SDs in parallel from the state information SDs acquired in parallel from a plurality of memory blocks BLK.
  • the state information SD having the reference value Ref that matches with may be selected as the state information SD related to the target connection.
  • Another possible configuration is to acquire a plurality of state information SDs corresponding to the search key Key (address) from the state memory 16.
  • the time required to acquire the status information SD regarding the target connection of the received packet can be kept constant regardless of the number of connections to be managed, and the increase in the number of connections can be flexibly dealt with. can do.
  • a plurality of state memories 16 are provided, and the memory selection unit 23 selects the state memory 16 corresponding to the search key Key from the state memories 16, and obtains the state information SD from the state memory 16. You may select and acquire more than one. As a result, it is possible to cope with an increase in the number of connections extremely easily by simply adding the state memory 16.
  • the state information selection unit 24 is provided with a comparator CMP corresponding to each of the plurality of memory block BLKs of the state memory 16, and each of these comparator CMPs obtains from the corresponding memory block BLK.
  • the reference value Ref of the received state information SD may be compared in parallel with the comparison value Comp of the received packet.
  • FIG. 10 is a block diagram showing a configuration of the connection number measuring device according to the second embodiment.
  • the target connection of the received packet is identified in detail based on the field value of the received packet and the number of target connections is measured in detail based on the obtained identification result will be described.
  • the connection number counting unit 15C of the control device 15 includes a rule matching unit 28.
  • the rule matching unit 28 is configured to generate an identification value ID indicating a rule that matches the target connection of the received packet from the preset connection identification rules based on the field value of the received packet. ing.
  • the rules are set in advance in the rule table according to the application of the connection number measuring device 10.
  • An identifier group for designating a server or a virtual machine (VM) for specifying a connection is registered in the rule.
  • VM virtual machine
  • search method of the rule table a general exact match search or partial match search may be used. These searches can be realized by using trees, hash tables, TCAM (Ternary Content Addressable Memory), and the like.
  • the TCAM is capable of a 1-bit unit partial match search and is used when a high-speed and flexible search is required.
  • the counter 26 may count the number of connections based on the identification value ID output from the rule matching unit 28, for example, in units of a server or a virtual machine. As a result, the number of connections can be counted in more detail, so that the number of connections can be monitored in more detail. Further, when the identification value ID output from the rule matching unit 28 does not match any of the rules, the memory update unit 27 saves the state information SD of the connection to the state memory 16. Instead, you may skip it. As a result, it is possible to avoid saving the state information SD of the non-target connection with respect to the state memory 16, and it is possible to reduce the required memory resource.

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Abstract

状態メモリ（１６）で、コネクションの状態を示す状態値（Ｓｔａｔｅ）と当該コネクションを識別するための参照値（Ｒｅｆ）とを含む状態情報（ＳＤ）を保持し、制御装置（１５）が、受信パケットのフィールド値（Ｆｉｅｌｄ）に関するハッシュ値（Ｈａｓｈ）を分割することにより、検索キー（Ｋｅｙ）と比較値（Ｃｏｍｐ）とを生成し、状態メモリから検索と対応する状態情報（ＳＤ）を選択して取得し、取得した状態情報（ＳＤ）のうちから、受信パケットの比較値と一致する参照値を有する状態情報を、対象コネクションに関する状態情報として選択し、受信パケットの状態制御情報（Ｆｌａｇ）と選択された状態情報とに基づいて、対象コネクションに関する次状態を判別し、得られた判別結果に基づいて、状態メモリで保持する対象コネクションに関する状態情報を更新する。これにより、少ないメモリリソースでコネクション数を計測することができる。

Description

コネクション数計測装置、方法、およびプログラム
　本発明は、受信したパケットに基づいてコネクション数を計測するコネクション数計測技術に関する。
　一般に、キャリアネットワークやデータセンタ等のネットワークサービスにおけるサービス運用管理では、サーバの負荷状況を把握するため、サーバのコネクション数をリアルタイムに監視する必要がある。コネクション数は、例えば、非特許文献１に記載の技術を用いることにより、サーバ内で計測することができ、正確な数を得ることができる。しかし、コネクションの監視を行うためにサーバの計算リソースの一部を占有するため、サーバの処理性能を低下させる可能性がある。
　一方、サーバとは別個の、ネットワークスイッチ、ルータ、ネットワーク監視装置などのネットワーク機器により、非特許文献２に記載の技術を用いて通信ネットワーク上のコネクションを監視すれば、サーバに負荷を与えることなくコネクションの数を計測することができるが、多くのトラフィックをリアルタイムに解析するための高性能なハードウェアが必要になる。
特開平１０－２６０９２１号公報
Michael Kerrisk、「Linux System Administrator’s Manual NETSTAT(8)」、The Linux Programming Interface、［online］、2020-04-30、［2020/05/07検索］、インターネット、＜URL：http://man7.org/linux/man-pages/man8/netstat.8.html＞
　通信ネットワーク上でコネクション数を計測する場合、多数のコネクションを保持（管理）する必要がある。従来から、ハッシュ探索によってコネクションの状態を保持するためのコネクションテーブルを探索する方法が提案されており、コネクションテーブルの検索キーに入力パケットのヘッダに含まれるフィールド情報に対応したハッシュ値を用いることで、コネクションテーブルの大きさに依らず定数時間での検索を可能にしている。したがって、多数のコネクションを管理する大きなコネクションテーブルを検索するのに有用である。しかし、検索が失敗することを避けるため、長いハッシュ値を検索キーに用いる必要があり、管理するコネクションの数よりも大きなメモリを必要とする。さらに、コネクションは限られた時間しかアクティブにならないため、同時に利用される格納先は少なく、メモリの利用効率が低いという問題がある。
　本発明はこのような課題を解決するためのものであり、少ないメモリリソースでコネクション数を計測できるコネクション数計測技術を提供することを目的としている。
　このような目的を達成するために、本発明にかかるコネクション数計測装置は、通信網との間でパケットを送受信する網Ｉ／Ｆと、前記網Ｉ／Ｆを介して前記通信網から受信した受信パケットのヘッダから、予め設定されたフィールド値とコネクションの状態を制御するための状態制御情報とを取得し、前記フィールド値と前記状態制御情報とに基づいて、前記受信パケットのコネクションを示す対象コネクションに関する次状態を判別し、得られた判別結果に基づいて各コネクションに関するコネクション数を計測する制御装置と、前記コネクションの状態を示す状態値と当該コネクションを識別するための参照値とを含む状態情報を保持する状態メモリとを備え、前記制御装置は、前記受信パケットのフィールド値に関するハッシュ値を分割することにより、検索キーと比較値とを生成する検索キー生成部と、前記状態メモリから前記検索キーと対応する状態情報を複数選択して取得するメモリ選択部と、前記状態メモリから取得した前記状態情報のうちから、前記受信パケットの比較値と一致する参照値を有する状態情報を、前記対象コネクションに関する状態情報として選択する状態情報選択部と、前記受信パケットの状態制御情報と選択された前記状態情報とに基づいて、前記対象コネクションに関する次状態を判別する状態判別部と、得られた前記判別結果に基づいて、前記状態メモリで保持する前記対象コネクションに関する状態情報を更新するメモリ更新部とを備えている。
　また、本発明にかかるコネクション数計測方法は、通信網との間でパケットを送受信する網Ｉ／Ｆと、前記網Ｉ／Ｆを介して前記通信網から受信した受信パケットのヘッダから、予め設定されたフィールド値とコネクションの状態を制御するための状態制御情報とを取得し、前記フィールド値と前記状態制御情報とに基づいて、前記受信パケットのコネクションを示す対象コネクションに関する次状態を判別し、得られた判別結果に基づいて各コネクションに関するコネクション数を計測する制御装置と、前記コネクションの状態を示す状態値と当該コネクションを識別するための参照値とを含む状態情報を保持する状態メモリとを備えるコネクション数計測装置で用いられるコネクション数計測方法であって、前記制御装置が、前記受信パケットのフィールド値に関するハッシュ値を分割することにより、検索キーと比較値とを生成する検索キー生成ステップと、前記制御装置が、前記状態メモリから前記検索キーと対応する状態情報を複数選択して取得するメモリ選択ステップと、前記制御装置が、前記状態メモリから取得した前記状態情報のうちから、前記受信パケットの比較値と一致する参照値を有する状態情報を、前記対象コネクションに関する状態情報として選択する状態情報選択ステップと、前記制御装置が、前記受信パケットの状態制御情報と選択された前記状態情報とに基づいて、前記対象コネクションに関する次状態を判別する状態判別ステップと、前記制御装置が、得られた前記判別結果に基づいて、前記状態メモリで保持する前記対象コネクションに関する状態情報を更新するメモリ更新ステップとを備えている。
　また、本発明にかかるプログラムは、コンピュータを、前述のコネクション数計測装置を構成する各部として機能させるためのプログラムである。
　本発明によれば、少ないメモリリソースでコネクション数を計測することができる。
図１は、第１の実施の形態にかかるコネクション数計測装置の構成を示すブロック図である。 図２は、第１の実施の形態にかかるコネクション数計数部の構成を示すブロック図である。 図３は、状態メモリおよびメモリブロックの具体的な構成例を示す説明図である。 図４は、状態メモリと状態情報選択部の詳細構成を示すブロック図である。 図５は、ＴＣＰコネクションの状態遷移図である。 図６は、コネクション数計測方法のフローチャートである。 図７は、コネクション状態検出方法のフローチャートである。 図８は、コネクション管理動作を示す説明図である。 図９は、コネクション数計測結果の構成例を示す説明図である。 図１０は、第２の実施の形態にかかるコネクション数計測装置の構成を示すブロック図である。
　次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
［第１の実施の形態］
　まず、図１を参照して、本発明の第１の形態にかかるコネクション数計測装置１０について説明する。図１は、第１の実施の形態にかかるコネクション数計測装置の構成を示すブロック図である。
　このコネクション数計測装置１０は、監視対象となるパケットを、インターネットやＬＡＮなどの通信網ＮＷから受信し、得られた受信パケットに基づき検出したコネクションを計測する装置である。計測されたコネクション数は、例えばキャリアネットワークやデータセンタ等のネットワークサービスで用いられているサーバの負荷状況を把握するために用いられる。
　なお、コネクション数計測装置１０については、単体で構成してもよく、パケットに基づいてフロー数やコネクション数を計測することにより、ネットワークの通信状況を監視するネットワーク監視装置やネットワーク監視システムに実装してもよい。また、本発明の装置はコンピュータとプログラムによっても実現でき、プログラムを記録媒体に記録することも、ネットワークを通して提供することも可能である。
　図１に示すように、コネクション数計測装置１０は、主な構成として、網Ｉ／Ｆ１１、操作入力装置１２、画面表示装置１３、記憶装置１４、制御装置１５、および状態メモリ１６を備えている。
［網Ｉ／Ｆ１１］
　網Ｉ／Ｆ１１は、通信網ＮＷとの間でパケットを送受信することにより、データ通信を行うように構成されている。
［操作入力装置］
　操作入力装置１２は、キーボード、マウス、タッチパネルなどの操作入力装置からなり、オペレータの操作を検出して制御装置１５へ出力するように構成されている。
［画面表示装置］
　画面表示装置１３は、ＬＣＤなどの画面表示装置からなり、制御装置１５から出力されたメニュー画面、設定画面、監視結果画面などの各種画面を表示するように構成されている。
［記憶装置］
　記憶装置１４は、ハードディスクや半導体メモリなどの記憶装置からなり、制御装置１５で実行する、コネクション数計測処理に用いる処理データやプログラム１４Ｐを記憶するように構成されている。
　プログラム１４Ｐは、制御装置１５のＣＰＵと協働することにより、コネクション数計測処理を実行する各種処理部を実現するためのプログラムである。プログラム１４Ｐは、接続された外部装置や記録媒体から、予め読み出されて記憶装置１４に格納される。
［制御装置］
　制御装置１５は、一般的なサーバ装置とＦＰＧＡ（Field-Programable Gate Array）アクセラレータとの組み合わせから構成されている。ＦＰＧＡアクセラレータを用いることで高速パケット処理を行えるため、４０Ｇｂｐｓ（Gigabits per second）や１００Ｇｂｐｓといった高速ネットワークにおけるトラフィック監視にも適用できる。一方、低速ネットワークにおいては高速パケット処理を必要としないため、すべての処理をソフトウェア実装したサーバ単体で構成することもできる。
　以下では、制御装置１５が、ＣＰＵとその周辺回路（ＦＰＧＡアクセラレータを含む）を有し、記憶装置１４のプログラム１４Ｐを読み込んでＣＰＵと協働させることにより、コネクション数計測処理を実行する各種処理部を実現するように構成されている場合を例として説明する。
　制御装置１５で実現される主な処理部として、パケット受信部１５Ａ、ヘッダ解析部１５Ｂ、コネクション数計数部１５Ｃ、およびコネクション数計数部１５Ｃがある。
［パケット受信部］
　パケット受信部１５Ａは、網Ｉ／Ｆ１１を介して通信網ＮＷから、監視対象となるパケットを受信するように構成されている。パケット受信部１５Ａで受信するパケットは、コネクション数計測装置１０に向けて送信されたパケットでもよいが、スイッチ、ルータ、ネットワークタップなどのネットワーク機器でコピー（キャプチャ）されたパケットであってもよい。
［ヘッダ解析部］
　ヘッダ解析部１５Ｂは、パケット受信部１５Ａで受信した受信パケットのヘッダから、予め指定されている１つまたは複数のフィールド値を抽出するように構成されている。
　コネクションとは、データ転送に用いるパケットを正確に受け渡しするため、プロセス間で設定する仮想的な通信路である。一般的には、コネクションを識別する際、ＭＡＣアドレス、プロトコル、ＩＰアドレス、ポート番号などのフィールド値（識別子）が用いられる。特に、送信元ＩＰアドレス、宛先ＩＰアドレス、送信元ポート番号、宛先ポート番号、プロトコルの組み合わせ（５－ｔｕｐｌｅ）が、コネクション識別によく利用される。また、仮想化ネットワークではＶＬＡＮ　ＩＤやＶＸＬＡＮ　ＩＤなどのフィールド値を用いることもある。
　また、ヘッダ解析部１５Ｂは、パケットのヘッダもしくはペイロードから、コネクションの制御に用いる状態制御情報を取得する。例えば、ＴＣＰ（Transmission Control Protocol）通信で利用される状態制御情報であるコントロールフラグには、それぞれ１ビット幅の情報からなる、ＵＲＧ（Urgent）フラグ、ＡＣＫ（Acknowledgement）フラグ、ＰＳＨ（Push）フラグ、ＲＳＴ（Reset）フラグ、ＳＹＮ（Synchronize）フラグ、およびＦＩＮ（Finish）フラグの６種類がある。
［コネクション数計数部］
　コネクション数計数部１５Ｃは、ヘッダ解析部１５Ｂで得られたフィールド値から検出したコネクションの次状態に基づいて、対応するコネクションのカウント数を増減し、得られた計数結果を、監視対象となるネットワークのコネクション数として、画面表示装置１３あるいは網Ｉ／Ｆ１１を介して接続された上位装置（図示せず）へ出力するように構成されている。また、得られた計数結果については、制御装置１５で別途実行するモニタリングやトラフィック制御の処理に用いてもよい。
［状態メモリ］
　状態メモリ１６は、全体として半導体メモリからなり、互いに同一アドレス（アドレス空間）を有する複数のメモリブロックＢＬＫから構成されている。図１では、Ｎ（Ｎは１以上の整数）の状態メモリ＃１，…，＃Ｎを備える場合を例が示されている。また、各状態メモリ１６は、Ｍ（Ｍは１以上の整数）個のメモリブロックＢＬＫから構成されている場合を例として説明する。なお、Ｎ，Ｍのうち少なくともいずれか一方が、２以上となる。
　状態メモリ１６は、これらメモリブロックＢＬＫにより、計測対象となるコネクションごとに、当該コネクションに関する状態情報ＳＤとして、コネクションの状態を示す状態値（例えば、ＴＣＰコネクションでは、ＳＹＮ状態、ＡＣＫ状態、ＦＩＮ／ＲＳＴ状態）Ｓｔａｔｅと比較値Ｃｏｍｐとを保持する。比較値Ｃｏｍｐは、対応するコネクションを識別するための参照値Ｒｅｆである。状態メモリ１６に関する詳細については後述する。
［コネクション数計数部の詳細］
　次に、図２を参照して、コネクション数計数部１５Ｃの詳細について説明する。図２は、第１の実施の形態にかかるコネクション数計数部の構成を示すブロック図である。
　図２に示すように、コネクション数計数部１５Ｃは、主な構成として、ハッシュ値計算部２１、検索キー生成部２２、メモリ選択部２３、状態情報選択部２４、状態判別部２５、カウンタ２６、およびメモリ更新部２７を備えている。
［ハッシュ値計算部］
　ハッシュ値計算部２１は、予め設定されているハッシュ関数に基づいて、ヘッダ解析部１５Ｂで取得したフィールド値Ｆｉｅｌｄからハッシュ値Ｈａｓｈを計算するように構成されている。ハッシュ値Ｈａｓｈは、計測対象となるコネクションを一意に識別できる長さが必要であり、例えば、３２ビットから６４ビットが現実的な長さである。また、ハッシュ値Ｈａｓｈの計算に用いるハッシュ関数には、例えば、MurmurHash３など、公知のアルゴリズムを用いればよい。
［検索キー生成部］
　検索キー生成部２２は、ハッシュ値計算部２１で得られたハッシュ値Ｈａｓｈの一部を切り出して、検索キーＫｅｙと比較値Ｃｏｍｐとを生成するように構成されている。ハッシュ値Ｈａｓｈの切り出し方法としては、例えば、上位ビットと下位ビットに分割して、一方を検索キーＫｅｙとし、他方を比較値Ｃｏｍｐとする方法がある。これにより、ハッシュ値Ｈａｓｈを構成するビット列のうち、異なるビット列を用いて、検索キーＫｅｙと比較値Ｃｏｍｐとを生成できる。この分割方法は、ハードウェアに適した方法であり、極めて簡素な回路構成で実現できる。
［メモリ選択部］
　メモリ選択部２３は、検索キー生成部２２で生成された検索キーＫｅｙに基づいて、Ｎ個の状態メモリ１６のうちから対象となる状態メモリ１６を選択し、検索キーＫｅｙからなるアドレス情報Ａｄｄｒに基づいて、選択した状態メモリ１６の内部にある全てのメモリブロックＢＬＫから、コネクションに関する状態情報ＳＤを並列出力することを命令するように構成されている。検索キーＫｅｙは元のハッシュ値Ｈａｓｈよりも短いため、異なるコネクションについて同一の検索キーＫｅｙが生成されることがある。このため、本実施の形態では、状態メモリ１６に複数のメモリブロックＢＬＫを備えることで、コネクションを個別に管理可能としている。
［状態メモリの詳細］
　ここで、図３を参照して、状態メモリ１６の詳細について説明する。図３は、状態メモリおよびメモリブロックの具体的な構成例を示す説明図である。
　図３には、２つのメモリブロックＢＬＫ＃１，＃２を用いた状態メモリ１６であって、各メモリブロックＢＬＫ＃１，＃２にアドレス情報Ａｄｄｒが「１」～「４」の４つの格納領域が設けられている例が示されている。本実施の形態において、アドレスの数（＝４）は状態メモリ１６の数Ｎに対応している。例えば、ＦＰＧＡは内部に小さなメモリを複数有しているため、このような構成に適している。なお、状態メモリ１６の数（格納領域の数）やメモリブロックＢＬＫの数については、図３の例に限定されるものではなく、監視対象となるコネクションの数やコネクションの種類など、コネクション数計測装置１０を用いるアプリケーションに応じて、適宜変更すればよい。
　状態メモリ１６に入力するアドレス情報Ａｄｄｒは、メモリ選択部２３から出力された検索キーＫｅｙが用いられる。状態メモリ１６は、アドレス情報Ａｄｄｒが入力されると、すべてのメモリブロックＢＬＫ＃１，＃２から、アドレス情報Ａｄｄｒに対応する格納領域で保持している状態情報ＳＤを読み出して、それぞれ並列的に状態情報選択部２４へ出力する。このように、状態メモリ１６からは複数の状態情報ＳＤが並列的に候補として出力されるため、本実施の形態では、後段の状態情報選択部２４において、受信パケットのコネクションと対応する状態情報ＳＤを選択するように構成されている。
［状態情報選択部］
　状態情報選択部２４は、メモリ選択部２３により選択された状態メモリ１６から出力された、各メモリブロックＢＬＫの状態情報ＳＤを取得し、これら状態情報ＳＤに含まれる参照値Ｒｅｆを、検索キー生成部２２から出力された受信パケットに関する比較値Ｃｏｍｐと比較し、比較値Ｃｏｍｐと一致する参照値Ｒｅｆと対応する状態情報ＳＤに含まれる状態値Ｓｔａｔｅを１つ選択して、状態判別部２５へ出力するように構成されている。また、状態情報選択部２４は、いずれの参照値Ｒｅｆも比較値Ｃｏｍｐと一致しなければ、受信パケットのコネクションが新規であること、および、各メモリブロックＢＬＫに保持されている状態値Ｓｔａｔｅを、メモリ更新部２７に出力するように構成されている。
　図４は、状態メモリと状態情報選択部の詳細構成を示すブロック図である。図４に示すように、メモリ選択部２３によっていずれか１つの状態メモリ１６が選択されると、その内部にあるＭ個全てのメモリブロックＢＬＫから、アドレス情報Ａｄｄｒと対応する格納領域で保持されている状態情報ＳＤが、状態情報選択部２４に出力される。状態情報選択部２４は、メモリブロックＢＬＫと対応してＭ個の比較器ＣＭＰを備えている。状態情報選択部２４は、メモリブロックＢＬＫから受け取った状態情報ＳＤの参照値Ｒｅｆと、受信パケットの比較値Ｃｏｍｐとを、それぞれのメモリブロックＢＬＫに対応する比較器ＣＭＰで比較し、得られた比較結果をセレクタＳＥＬに通知する。この処理は並列に行うことができるため、並列処理が行えるハードウェアに適している。
　元のハッシュ値Ｈａｓｈは十分な長さであることから、この時点でコネクションを一意に特定することができ、セレクタＳＥＬは入力されたコネクションに合った状態を出力することができる。一方、いずれの候補とも一致しないことも考えられる。その場合、コネクションを管理していない空きのメモリブロックＢＬＫがあれば、入力パケットが新規のコネクションに属していることを後段の状態判別部２５に通知し、空きメモリブロックＢＬＫがなければ管理できないため、入力パケットを無視する。
　よって、本構成ではメモリブロックＢＬＫの数を超えない範囲でコネクションを管理することができる。同時に管理することが想定されるコネクション数に対して必要なメモリブロックＢＬＫの数は、ハッシュ関数のシミュレーションを行い、検索キーの最大重複数を評価することで簡単に見積もることができる。
［状態判別部］
　状態判別部２５は、状態情報選択部２４から出力されたコネクションの状態値Ｓｔａｔｅと受信パケットに含まれるコントロールフラグとに基づいて、状態遷移図を参照することにより、コネクションの次状態を判別するように構成されている。図５は、ＴＣＰコネクションの状態遷移図であり、この状態遷移図を用いることで、現在の状態値Ｓｔａｔｅと、新たに通知された状態制御情報Ｆｌａｇとに基づいて、ＴＣＰコネクションの次状態を判別することができる。
　図５に示すように、ＴＣＰコネクションの主な状態として、ＳＹＮ状態３０、ＡＣＫ状態３１、およびＦＩＮ／ＲＳＴ状態３２がある。ＳＹＮ状態３０は、一方のプロセスから他方に対してコネクションの確立要求（ＳＹＮフラグ）を通知した状態を示している。ＡＣＫ状態３１は、確立要求を許可する際、他方から一方に対して確立応答（ＡＣＫフラグ）を通知した状態を示している。ＦＩＮ／ＲＳＴ状態３２は、一方または他方から相手に対して、コネクションの切断要求（ＦＩＮフラグ）または中断（ＲＳＴフラグ）を通知した状態を示している。
［カウンタ］
　カウンタ２６は、状態判別部２５において、次状態としてコネクションの確立もしくは切断が検出された場合にカウント値を更新するように構成されている。
［メモリ更新部］
　メモリ更新部２７は、状態判別部２５において、コネクション状態の変化が検出された場合、もしくは状態情報選択部２４において新規のコネクションが検出された場合に、状態情報選択部２４から出力された状態情報ＳＤに基づいて、対応するメモリブロックＢＬＫの状態値Ｓｔａｔｅと参照値Ｒｅｆとを更新し、新規のコネクションについては、選択された状態メモリ１６のうち、コネクション管理に使用していない空きのメモリブロックＢＬＫに、新規に状態情報ＳＤを格納（更新）するように構成されている。
［第１の実施の形態の動作］
　次に、本実施の形態にかかるコネクション数計測装置１０の動作について説明する。ここでは、制御装置１５におけるコネクション数計測動作、状態検出動作、および状態メモリ１６におけるコネクション管理動作について、それぞれ個別に説明する。
　［コネクション数計測動作］
　次に、図６を参照して、制御装置１５におけるコネクション数計測動作について説明する。図６は、コネクション数計測方法のフローチャートである。
　制御装置１５は、まず、パケット受信部１５Ａにより、網Ｉ／Ｆ１１を介して通信網ＮＷからパケットが受信されたか確認し（ステップＳ１００）、新たなパケットが受信されるまで待機する（ステップＳ１００：ＮＯ）。
　新たなパケットが受信された場合（ステップＳ１００：ＹＥＳ）、制御装置１５は、ヘッダ解析部１５Ｂにより、受信した受信パケットのヘッダから、予め設定されているフィールド値Ｆｉｅｌｄを抽出するとともに（ステップＳ１０１）、コネクションの状態を制御するための状態制御情報（コントロールフラグ）Ｆｌａｇを抽出する（ステップＳ１０２）。
　次に、制御装置１５は、コネクション数計数部１５Ｃにより、保持中のコネクションの状態情報ＳＤに基づいて、受信パケットのコネクションに関する次状態を確認する（ステップＳ１０３）。
　ここで、次状態がコネクションの開始を示す場合（ステップＳ１０３：開始）、コネクション数計数部１５Ｃにより、コネクション数を示すカウント値をインクリメント（＋１）し（ステップＳ１０４）、コネクション数計数部１５Ｃで保持しているコネクションの状態値Ｓｔａｔｅを更新し（ステップＳ１０６）、後述するステップＳ１０７へ移行する。
　また、次状態がコネクションの終了（切断）を示す場合（ステップＳ１０３：終了）、コネクション数計数部１５Ｃにより、コネクション数を示すカウント値をデクリメント（－１）し（ステップＳ１０５）、ステップＳ１０６へ移行する。
　また、次状態が開始または終了以外である場合（ステップＳ１０３：ＥＬＳＥ）、後述するステップＳ１０７へ移行する。
　この後、制御装置１５は、操作入力装置１２で検出されたオペレータ操作や、予め設定されている計数動作終了時刻などに基づいて、計数動作終了タイミングか否か確認し（ステップＳ１０７）、計数動作を継続する場合（ステップＳ１０７：ＮＯ）、前述したステップＳ１００に戻る。また、計数動作終了タイミングである場合（ステップＳ１０７：ＹＥＳ）、一連のコネクション数計測処理を終了する。
［状態検出動作］
　次に、図７を参照して、コネクション数計数部１５Ｃにおける状態検出動作について説明する。図７は、コネクション状態検出方法のフローチャートである。
　コネクション数計数部１５Ｃは、ハッシュ値計算部２１により、ヘッダ解析部１５Ｂで得られたフィールド値Ｆｉｅｌｄからハッシュ値Ｈａｓｈを計算し（ステップＳ１１０）、検索キー生成部２２により、得られたハッシュ値Ｈａｓｈを分割して、受信パケットのコネクションに関する検索キーＫｅｙと比較値Ｃｏｍｐとを生成する（ステップＳ１１１）。
　次に、コネクション数計数部１５Ｃは、メモリ選択部２３により、検索キーＫｅｙに基づいてコネクションと対応する状態メモリ１６を選択し（ステップＳ１１２）、検索キーＫｅｙと対応するアドレスの格納領域に保持されている、状態情報ＳＤを、当該状態メモリ１６の全てのメモリブロックＢＬＫから取得する（ステップＳ１１３）。
　続いて、コネクション数計数部１５Ｃは、状態情報選択部２４により、取得した各状態情報ＳＤの参照値Ｒｅｆを比較値Ｃｏｍｐと比較する（ステップＳ１１４）。
　ここで、比較値Ｃｏｍｐと一致する参照値Ｒｅｆがある場合（ステップＳ１１５：ＹＥＳ）、コネクション数計数部１５Ｃは、状態判別部２５により、対応するメモリブロックＢＬＫから取得した状態情報ＳＤの状態値Ｓｔａｔｅ（現状態）と、ヘッダ解析部１５Ｂにおいて抽出した状態制御情報Ｆｌａｇとに基づいて、当該コネクションの次状態を判別し（ステップＳ１１６）、得られた次状態に基づいて、メモリブロックＢＬＫの当該コネクションに関する状態情報ＳＤを更新し（ステップＳ１１７）、一連の状態検出処理を終了する。
　一方、ステップＳ１１５において、比較値Ｃｏｍｐと一致する参照値Ｒｅｆがない場合（ステップＳ１１５：ＮＯ）、コネクション数計数部１５Ｃは、対応する状態メモリ１６のメモリブロックＢＬＫのうち、当該アドレスの格納領域に状態情報ＳＤが格納されておらず、コネクション管理に使用していない空きのメモリブロックＢＬＫがあるか確認する（ステップＳ１１８）。ここで、空きメモリブロックＢＬＫがない場合（ステップＳ１１８：ＮＯ）、コネクション数計数部１５Ｃは、次状態の判別やメモリブロックの更新は行わず、当該受信パケットを破棄して、一連の状態検出処理を終了する。
　一方、ステップＳ１１８において、空きメモリブロックＢＬＫがある場合（ステップＳ１１８：ＹＥＳ）、コネクション数計数部１５Ｃは、状態判別部２５により、ヘッダ解析部１５Ｂにおいて抽出した状態制御情報Ｆｌａｇに基づいて、当該コネクションの次状態を判別し（ステップＳ１１９）、得られた次状態に基づいて、空きメモリブロックＢＬＫの当該コネクションに関する状態情報ＳＤを保持（更新）し（ステップＳ１２０）、一連の状態検出処理を終了する。
［コネクション管理動作］
　次に、図８を参照して、状態メモリ１６におけるコネクション管理動作について説明する。図８は、コネクション管理動作を示す説明図である。
　ここでは、理解を容易とするため、状態メモリ１６が１つであり、メモリブロックＢＬＫが２つ（ＢＬＫ＃１，＃２）で、格納領域（アドレス）が１つである場合を例として説明する。このため、各コネクションの検索キーＫｅｙは常に重複することになる。
　時刻Ｔ０は、初期状態であり、各メモリブロックＢＬＫは空である。続く時刻Ｔ１において、新たなコネクションＡに属するパケットを受信した場合、その受信パケットに含まれるコントロールフラグ「ＳＹＮ」と比較値Ｃｏｍｐ「ＲｅｆＡ」が、コネクションＡに関する状態情報ＳＤの状態値Ｓｔａｔｅおよび参照値Ｒｅｆとして、メモリブロックＢＬＫ＃１に保持される。これ以降、参照値「ＲｅｆＡ」は新たな受信パケットの比較値Ｃｏｍｐとの比較に使用される。
　次に、時刻Ｔ２において、さらにコネクションＡに属するパケットを受信し、そのコントロールフラグが「ＡＣＫ」だった場合、メモリブロックＢＬＫ＃１が選択されて、コネクションの「確立」と判別される。これにより、メモリブロックＢＬＫ＃１に保持されている、コネクションＡに関する状態情報ＳＤの状態値Ｓｔａｔｅが、「ＳＹＮ」から「ＡＣＫ」に更新される。
　この後、時刻Ｔ３において、コネクションＢに属するパケットを受信した場合、その比較値Ｃｏｍｐ「ＲｅｆＢ」は、各メモリブロックＢＬＫに保持されたいずれの状態情報ＳＤの参照値Ｒｅｆとも一致しないため、コネクションＢが新規のコネクションと判定される。さらに、その受信パケットに含まれるコントロールフラグが「ＳＹＮ」であることから、今後コネクションＢは確立されると予想されるため、空いているメモリブロックＢＬＫ＃２に、コネクションＢに関する状態情報ＳＤとして、状態値「ＳＹＮ」と参照値「ＲｅｆＢ」が保持される。
　次に、時刻Ｔ４において、コネクションＡに属するパケットを受信し、コントロールフラグが「ＦＩＮ」でありコネクションＡの切断が確認された場合、メモリブロックＢＬＫ＃１で保持している、コネクションＡに関する状態情報ＳＤの状態値Ｓｔａｔｅが「ＦＩＮ」に更新される。
　この後、時刻Ｔ５において、新たなコネクションＣに属するパケットを受信した場合、その比較値「ＲｅｆＣ」は、メモリブロックＢＬＫ＃１，＃２に保持された状態情報ＳＤの、いずれの参照値Ｒｅｆとも一致しない。しかし、メモリブロックＢＬＫに保持された状態情報ＳＤの状態値Ｓｔａｔｅが「ＦＩＮ」であり、このメモリブロックＢＬＫはコネクション管理に使用していない空きのメモリブロックＢＬＫであるため、このメモリブロックＢＬＫで、状態値「ＳＹＮ」と参照値「ＲｅｆＣ」を、コネクションＣの状態情報ＳＤとして保持する。
　以上で説明したコネクション管理は、理論的には１つの状態メモリ１６と複数のメモリブロックＢＬＫの構成が最も効率的である。しかし、ＦＰＧＡなどのハードウェアではワード長を自由に設定できないことがあり、必要以上のワード長を消費することでメモリの利用効率が低下する可能性がある。また、メモリブロックＢＬＫの数に応じて比較器ＣＭＰを設ける必要があり、リソースを消費する。よって、実装するデバイスの特徴に応じてパラメータを決めるべきであり、実施例における構成は、制約に合わせて設計が可能である。
　図９は、コネクション数計測結果の構成例を示す説明図である。図９には、計測して得られたコネクション数が、当該コネクションを識別するためのルールと関連付けられて、出力されている。
　各ルールは、監視対象となるコネクションを識別するための情報であり、例えば操作入力装置１２および画面表示装置１３を用いて、オペレータにより予め設定される。ここでは、ルールとして、送信元ＩＰアドレス、宛先ＩＰアドレス、およびプロトコル種別からなるフィールド値Ｆｉｅｌｄに関する具体的な設定値が設定されている。
　例えば、受信パケットのヘッダから抽出したフィールド値Ｆｉｅｌｄが、いずれかのルールの設定値と一致した場合、そのルールに関連付けられているコネクション数が、インクリメント（＋１）あるいはデクリメント（－１）される。
　これにより、オペレータが、監視対象としたいコネクションに関するフィールド値Ｆｉｅｌｄを、ルールの設定値として設定するだけで、当該コネクションの数を監視することができる。
［第１の実施の形態の効果］
　このように、本実施の形態は、状態メモリ１６で、コネクションの状態を示す状態値Ｓｔａｔｅと当該コネクションを識別するための参照値Ｒｅｆとを含む状態情報ＳＤを保持し、制御装置１５が、受信パケットのフィールド値Ｆｉｅｌｄに関するハッシュ値Ｈａｓｈを分割することにより、検索キーＫｅｙと比較値Ｃｏｍｐとを生成し、状態メモリ１６から検索キーＫｅｙと対応する状態情報ＳＤを複数選択して取得し、取得した状態情報ＳＤのうちから、受信パケットの比較値Ｃｏｍｐと一致する参照値Ｒｅｆを有する状態情報ＳＤを、対象コネクションに関する状態情報ＳＤとして選択し、受信パケットの状態制御情報Ｆｌａｇと選択された状態情報ＳＤとに基づいて、対象コネクションに関する次状態を判別し、得られた判別結果に基づいて、状態メモリ１６で保持する対象コネクションに関する状態情報ＳＤを更新するようにしたものである。
　一般に、ハッシュ探索によってコネクションの状態値を保持するためのコネクションテーブルを探索する場合、コネクションテーブルの検索キーに入力パケットのヘッダに含まれるフィールド情報に対応したハッシュ値を用いることで、コネクションテーブルの大きさに依らず定数時間での検索を可能にしている。したがって、多数のコネクションを管理する大きなコネクションテーブルを検索するのに有用である。しかし、検索が失敗することを避けるため、長いハッシュ値を検索キーに用いる必要があり、管理するコネクションの数よりも大きなメモリを必要とする。さらに、コネクションは限られた時間しかアクティブにならないため、同時に利用される格納先は少なく、メモリの利用効率が低いという問題がある。
　本実施の形態は、状態メモリ１６から、受信パケットの対象コネクションに対応する状態情報ＳＤを取得する際に用いる検索キーＫｅｙは、元のハッシュ値Ｈａｓｈよりも短い。これにより、コネクションテーブルのサイズを大幅に削減できるものの、異なるコネクションについて同一の検索キーＫｅｙが生成されることがある。このため、検索キーＫｅｙだけでは、異なるコネクションの状態情報ＳＤが、状態メモリ１６の同じ格納領域で保持される、いわゆる衝突が発生する。
　これに対して、本実施の形態は、コネクションの状態情報ＳＤとして、コネクションの状態値Ｓｔａｔｅに加えて、コネクションを識別するための参照値Ｒｅｆを保持しておき、受信パケットの検索キーＫｅｙと対応する状態情報ＳＤのうちから、受信パケットの比較値Ｃｏｍｐと一致する状態情報ＳＤを、対象コネクションの状態情報ＳＤとして選択するようにしたものである。
　したがって、コネクションテーブルのサイズを大幅に削減できるとともに、受信パケットの対象コネクションに関する状態情報ＳＤを、適切に取得することが可能となる。これにより、結果として、少ないメモリリソースでコネクション数を計測することが可能となる。
　また、本実施の形態において、状態メモリ１６を、同一アドレスを有する複数のメモリブロックＢＬＫで構成し、メモリ選択部２３が、状態メモリ１６の複数のメモリブロックＢＬＫから、検索キーＫｅｙと対応するアドレスで保持している状態情報ＳＤを複数並列的に選択して取得し、状態情報選択部２４が、複数のメモリブロックＢＬＫから並列的に取得した状態情報ＳＤのうちから、受信パケットの比較値Ｃｏｍｐと一致する参照値Ｒｅｆを有する状態情報ＳＤを、対象コネクションに関する状態情報ＳＤとして選択するようにしてもよい。
　状態メモリ１６から検索キーＫｅｙ（アドレス）と対応する複数の状態情報ＳＤを取得する構成は、他にも考えられる。しかし、上記構成を採用することにより、管理するコネクション数によらず、受信パケットの対象コネクションに関する状態情報ＳＤの取得に要する時間を一定に保つことができ、コネクション数の増大に対して柔軟に対応することができる。
　また、本実施の形態において、状態メモリ１６を複数備え、メモリ選択部２３が、状態メモリ１６のうちから、検索キーＫｅｙと対応する状態メモリ１６を選択し、当該状態メモリ１６から状態情報ＳＤを複数選択して取得するようにしてもよい。
　これにより、状態メモリ１６を追加するだけで、コネクション数の増大に対して極めて容易に対応することができる。
　また、本実施の形態において、状態情報選択部２４に、状態メモリ１６の複数のメモリブロックＢＬＫのそれぞれと対応する比較器ＣＭＰを設け、これら比較器ＣＭＰのそれぞれで、対応するメモリブロックＢＬＫから取得した状態情報ＳＤの参照値Ｒｅｆを、受信パケットの比較値Ｃｏｍｐと並列的に比較するようにしてもよい。
　これにより、極めて簡素な回路構成で、複数の状態情報ＳＤのうちから、受信パケットの対象コネクションに関する状態情報ＳＤを取得することができる。
［第２の実施の形態］
　次に、図１０を参照して、本発明の第２の実施の形態にかかるコネクション数計測装置１０について説明する。図１０は、第２の実施の形態にかかるコネクション数計測装置の構成を示すブロック図である。
　本実施の形態では、受信パケットのフィールド値に基づいて、受信パケットの対象コネクションを詳細に識別し、得られた識別結果に基づき対象コネクションの数を詳細に計測する場合について説明する。
　図１０に示すように、本実施の形態において、制御装置１５のコネクション数計数部１５Ｃは、ルールマッチング部２８を備えている。
　ルールマッチング部２８は、受信パケットのフィールド値に基づいて、予め設定されているコネクション識別用のルールのうちから、受信パケットの対象コネクションとマッチングするルールを示す識別値ＩＤを生成するように構成されている。
　ルールは、コネクション数計測装置１０のアプリケーションに応じて、予めルールテーブルに設定される。ルールには、コネクションを特定するためのサーバや仮想マシン（ＶＭ）を指定するための識別子グループが登録される。また、ルールテーブルの検索方法については、一般的な完全一致検索や部分一致検索を用いればよい。これらの検索は、木やハッシュテーブル、ＴＣＡＭ（Ternary Content Addressable Memory）などを用いることで実現できる。特に、ＴＣＡＭは１ビット単位の部分一致検索が可能であり、高速かつ柔軟な検索が必要な場合に利用される。
　カウンタ２６は、ルールマッチング部２８から出力された識別値ＩＤに基づいて、例えばサーバや仮想マシンを単位として、コネクション数をカウントするようにしてもよい。これにより、より詳細にコネクション数をカウントできるようになるため、より詳細なコネクション数監視が可能になる。
　また、メモリ更新部２７は、ルールマッチング部２８から出力された識別値ＩＤが、いずれのめルールにもマッチングしなかったことを示す場合、状態メモリ１６に対する当該コネクションの状態情報ＳＤの保存を行わず、スキップするようにしてもよい。これにより、状態メモリ１６に対する、非対象コネクションの状態情報ＳＤの保存を回避でき、必要となるメモリリソースを削減できる。
［実施の形態の拡張］
　以上、実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明のスコープ内で当業者が理解しうる様々な変更をすることができる。また、各実施形態については、矛盾しない範囲で任意に組み合わせて実施することができる。
　１０…コネクション数計測装置、１１…網Ｉ／Ｆ、１２…操作入力装置、１３…画面表示装置、１４…記憶装置、１４Ｐ…プログラム、１５…制御装置、１５Ａ…パケット受信部、１５Ｂ…ヘッダ解析部、１５Ｃ…コネクション数計数部、１５Ｃ…コネクション数計数部、１６…状態メモリ、ＢＬＫ…メモリブロック、２１…ハッシュ値計算部、２２…検索キー生成部、２３…メモリ選択部、２４…状態情報選択部、ＣＭＰ…比較器、ＳＥＬ…セレクタ、２５…状態判別部、２６…カウンタ、２７…メモリ更新部、ＮＷ…通信網、Ｆｉｅｌｄ…フィールド値、Ｆｌａｇ…状態制御情報、Ｈａｓｈ…ハッシュ値、Ｋｅｙ…検索キー、Ａｄｄｒ…アドレス値、ＳＤ…状態情報、Ｓｔａｔｅ…状態値、Ｒｅｆ…参照値、Ｃｏｍｐ…比較値、ＩＤ…識別値。

Claims (7)

  1. 　通信網との間でパケットを送受信する網Ｉ／Ｆと、
    　前記網Ｉ／Ｆを介して前記通信網から受信した受信パケットのヘッダから、予め設定されたフィールド値とコネクションの状態を制御するための状態制御情報とを取得し、前記フィールド値と前記状態制御情報とに基づいて、前記受信パケットのコネクションを示す対象コネクションに関する次状態を判別し、得られた判別結果に基づいて各コネクションに関するコネクション数を計測する制御装置と、
    　前記コネクションの状態を示す状態値と当該コネクションを識別するための参照値とを含む状態情報を保持する状態メモリとを備え、
    　前記制御装置は、
    　前記受信パケットのフィールド値に関するハッシュ値を分割することにより、検索キーと比較値とを生成する検索キー生成部と、
    　前記状態メモリから前記検索キーと対応する状態情報を複数選択して取得するメモリ選択部と、
    　前記状態メモリから取得した前記状態情報のうちから、前記受信パケットの比較値と一致する参照値を有する状態情報を、前記対象コネクションに関する状態情報として選択する状態情報選択部と、
    　前記受信パケットの状態制御情報と選択された前記状態情報とに基づいて、前記対象コネクションに関する次状態を判別する状態判別部と、
    　得られた前記判別結果に基づいて、前記状態メモリで保持する前記対象コネクションに関する状態情報を更新するメモリ更新部とを備える
    　ことを特徴とするコネクション数計測装置。
  2. 　請求項１に記載のコネクション数計測装置において、
    　前記状態メモリを複数備え、
    　前記メモリ選択部は、前記状態メモリのうちから、前記検索キーと対応する状態メモリを選択し、当該状態メモリから前記状態情報を複数選択して取得する
    　ことを特徴とするコネクション数計測装置。
  3. 　請求項１または２に記載のコネクション数計測装置において、
    　前記状態メモリは、同一アドレスを有する複数のメモリブロックからなり、
    　前記メモリ選択部は、前記状態メモリの前記複数のメモリブロックから、前記検索キーと対応するアドレスで保持している状態情報を複数並列的に選択して取得する
    　ことを特徴とするコネクション数計測装置。
  4. 　請求項３に記載のコネクション数計測装置において、
    　前記状態情報選択部は、前記複数のメモリブロックから並列的に取得した前記状態情報のうちから、前記受信パケットの比較値と一致する参照値を有する状態情報を、前記対象コネクションに関する状態情報として選択する
    　ことを特徴とするコネクション数計測装置。
  5. 　請求項３または４に記載のコネクション数計測装置において、
    　前記状態情報選択部は、前記状態メモリの前記複数のメモリブロックのそれぞれと対応する比較器を有し、これら比較器のそれぞれで、対応するメモリブロックから取得した状態情報の参照値を、前記受信パケットの比較値と並列的に比較する
    　ことを特徴とするコネクション数計測装置。
  6. 　通信網との間でパケットを送受信する網Ｉ／Ｆと、
    　前記網Ｉ／Ｆを介して前記通信網から受信した受信パケットのヘッダから、予め設定されたフィールド値とコネクションの状態を制御するための状態制御情報とを取得し、前記フィールド値と前記状態制御情報とに基づいて、前記受信パケットのコネクションを示す対象コネクションに関する次状態を判別し、得られた判別結果に基づいて各コネクションに関するコネクション数を計測する制御装置と、
    　前記コネクションの状態を示す状態値と当該コネクションを識別するための参照値とを含む状態情報を保持する状態メモリと
    　を備えるコネクション数計測装置で用いられるコネクション数計測方法であって、
    　前記制御装置が、前記受信パケットのフィールド値に関するハッシュ値を分割することにより、検索キーと比較値とを生成する検索キー生成ステップと、
    　前記制御装置が、前記状態メモリから前記検索キーと対応する状態情報を複数選択して取得するメモリ選択ステップと、
    　前記制御装置が、前記状態メモリから取得した前記状態情報のうちから、前記受信パケットの比較値と一致する参照値を有する状態情報を、前記対象コネクションに関する状態情報として選択する状態情報選択ステップと、
    　前記制御装置が、前記受信パケットの状態制御情報と選択された前記状態情報とに基づいて、前記対象コネクションに関する次状態を判別する状態判別ステップと、
    　前記制御装置が、得られた前記判別結果に基づいて、前記状態メモリで保持する前記対象コネクションに関する状態情報を更新するメモリ更新ステップと
    　を備えることを特徴とするコネクション数計測方法。
  7. 　コンピュータを、請求項１～請求項５のいずれかに記載のコネクション数計測装置を構成する各部として機能させるためのプログラム。
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