JP2000261438A - フレームデータ交換装置及び方法 - Google Patents

フレームデータ交換装置及び方法

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JP2000261438A
JP2000261438A JP6037799A JP6037799A JP2000261438A JP 2000261438 A JP2000261438 A JP 2000261438A JP 6037799 A JP6037799 A JP 6037799A JP 6037799 A JP6037799 A JP 6037799A JP 2000261438 A JP2000261438 A JP 2000261438A
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Hiroshi Miyoshi
寛 三好
Junichi Hasegawa
順一 長谷川
Yoshiyuki Kunito
義之 國頭
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 バスの動作周波数を抑え、かつ、セル損失率
を従来の入力バッファ方式を用いたATM交換機構より
も低く抑えることのできるフレーム交換装置を提供す
る。 【解決手段】 小容量バッファBn-nが一時的なセルC
の格納場所を提供するので、分配回路3nは入力バッフ
ァ2nから新しいセルCnを受け取り、処理することが出
来る。したがってHOLブロッキングが生じにくい。ま
た、小容量バッファはただ一つの出力ポートにセルを転
送するので、スイッチングマトリクスSWMはN:1の
マルチプレクサ構造であれば充分となる。これは完全な
クロスバー構造よりずっと単純である。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、データを所定量の
フレーム単位で交換するフレームデータ交換装置及び方
法に関する。
【0002】
【従来の技術】遠隔会議、大規模分散コンピューティン
グ、データベースなどの通信アプリケーションでは、高
速なネットワークが必要になっている。そこで、非同期
転送モード(Asynchronous Transfer Mode、ATM)に
よる高速通信が採用されるようになった。このATM
は、音声、データ、画像などの情報をデジタル化し、そ
れらの情報を一定の長さの短い情報単位に分割し、高速
に交換処理して相手に伝送するという技術である。
【0003】現行のATM交換機構では、大きく3つの
方式が採用されている。それぞれ、(1)入力バッファ
方式、(2)出力バッファ方式、(3)共有バッファ方
式と呼ばれている。
【0004】(1)入力バッファ方式では、各入力ポー
トにセルを一時的に格納するメモリを用意する。メモリ
は入力されるセルを確実に格納する必要があり、入力ポ
ートの情報伝送速度以上の速度で動作する。フレームの
転送は入力された順序に従って行われる(FIFO:フ
ォーストインファーストアウト方式)ため、メモリの先
頭のセルが出力ポートを他の入力ポートと取り合う(競
合状態に陥る)と、後続のセルを転送できなくなる現象
(HOL(ヘッドオブライン)Blocking現象)が生じる。
このため、セルがメモリに溜まりやすく、結果としてセ
ルがメモリから溢れてセル損失を生ずる確率が高くな
る。
【0005】(2)出力バッファ方式では、各出力ポー
トにセルを一時的に格納するメモリを用意する。入力ポ
ートにセルが到着すると、ただちに出力ポートのメモリ
に転送される必要があり、そのため入力ポートと出力ポ
ートのメモリを繋ぐバスは入力ポートの情報伝送速度に
入力ポート数を乗じた速度以上で動作する必要がある。
【0006】(3)共有バッファ方式では、ただ一つの
バッファを用意する。すべての入力ポートに到着したセ
ルがバッファに直ちに転送され、その後、バッファ内部
に蓄積されたセルが出力ポートにより読み出される。全
ての入力ポートと出力ポートが一つのバッファとやりと
りを行うため、バッファと入力ポート及び出力ポートの
間を繋ぐバスは、入力ポートの情報伝送速度に入力ポー
ト数を乗じた数と、出力ポートの情報伝送速度に出力ポ
ート数を乗じた数を加えた速度以上で動作する必要があ
る。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】ところで、上記(1)
入力バッファ方式はバスの動作速度が(2)出力バッフ
ァ方式と(3)共有バッファ方式よりも小さいが、フレ
ーム損失率は(2)出力バッファ方式と(3)共有バッ
ファ方式よりも大きい。(2)出力バッファ方式と
(3)共有バッファ方式ではフレーム損失率が(1)入
力バッファ方式よりも小さいが、バスの動作速度が
(1)入力バッファ方式よりも大きい。
【0008】以上の理由により、従来のATM交換機構
は、セル損失率を低く抑えつつセル交換速度をある値以
上に向上させることが困難だった。
【0009】本発明は、上記実情に鑑みてなされたもの
であり、バスの動作周波数を抑え、かつ、セル(フレー
ム)損失率を従来の入力バッファ方式を用いたATM交
換機構よりも低く抑えることのできるフレーム交換装置
及び方法の提供を目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】本発明に係るフレームデ
ータ交換装置は、上記課題を解決するために、データを
所定量のフレーム単位で交換するフレームデータ交換装
置において、入力ポート側に外部から到着したフレーム
データを格納する入力バッファ手段と、上記入力バッフ
ァ手段に格納された各フレームデータの宛先を見て各フ
レームデータを出力ポートに対応させて分配する分配手
段と、上記分配手段で出力ポートに対応させて振り分け
られたフレームデータを一時的に蓄積するために上記出
力ポートに対応するように上記分配手段の先に接続され
る、メモリ手段と、上記メモリ手段と上記出力ポートと
の間を繋ぐスイッチング手段と、上記スイッチング手段
を制御する調停手段とを備える。
【0011】また、本発明に係るフレームデータ交換方
法は、上記課題を解決するために、データを所定量のフ
レーム単位で交換するためのフレーム交換方法におい
て、入力ポート側に外部から到着したフレームデータを
入力バッファに格納するフレームデータ格納工程と、上
記フレームデータ格納工程により格納された各フレーム
データの宛先を見て各フレームデータを出力ポートに対
応させて分配する分配工程と、上記分配工程で出力ポー
トに対応させて分配されたフレームデータをメモリ部に
一時的に蓄積するフレームデータ蓄積工程と、上記メモ
リ部と上記出力ポートとの間のスイッチング部を制御す
る調停工程と、上記調停工程で調停されたスイッチング
部の使用許可に応じてフレーム蓄積工程で蓄積されたフ
レームデータを出力ポートに転送する転送工程とを備え
る。
【0012】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照しながら説明する。
【0013】この実施の形態は、例えばMPEGデータ
を記録している複数のハードディスクドライブ(HD
D)から入力ポートに送られてくる所定量のフレーム単
位のフレームデータを非同期転送モード(Asynchronous
Transter Mode:ATM)で出力ポートに転送するAT
M交換装置である。通常、ATM交換装置は、53バイ
トを1セルデータとして扱う。以下、ATMセル交換装
置と記す。
【0014】このATMセル交換装置は、図1に示すよ
うに、4つの入力ポート11,12,13,14と4つの出
力ポート61,62,63,64を持つ。実際には入出力ポ
ートの数は4以下でも4以上でも構わない。
【0015】この図1に示すATMセル交換装置は大き
く分けて5つの部分から構成される。先ず、外部から入
力ポート11,12,13,14に到着したセルデータCn
を格納する入力バッファ21,22,23,24と、入力バ
ッファ21,22,23,24から出てきたセルデータCn
の宛先を見ながら別の出口に振り分ける分配回路31
2,33,34と、分配回路31,32,33,34の各出
口の先に繋がる小容量メモリ群41,42,43,44と、
小容量メモリ群41,42,43,44と出力ポート61
2,63,64の間を繋ぐスイッチングマトリクスSW
Mと、そのスイッチングマトリクスSWMを制御する調
停回路51,52,53,54である。
【0016】入力バッファ2nは53バイトの1セルを
32個分蓄えることができる。
【0017】小容量メモリ群41,42,43,44は、各
入力ポートについて出力ポートの数だけ小容量メモリを
備える。例えば、小容量メモリ群41は、4つの小容量
メモリB1-1,B1-2,B1-3及びB1-4を備える。また、小容
量メモリ群42は、4つの小容量メモリB2-1,B2-2,B2-
3及びB2-4を備える。また、小容量メモリ群43は、4つ
の小容量メモリB3-1,B3-2,B3-3及びB3-4を備える。ま
た、小容量メモリ群44は、4つの小容量メモリB4-1,B
4-2,B4-3及びB4-4を備える。ここで、一つの小容量メ
モリBn-nは、5つに分割されており、5つのセルを蓄え
る。
【0018】分配回路31,32,33,34は、ATMセ
ルデータの内の、ATMヘッダから宛先を見、4つの出
力ポートに対応させた、小容量メモリ群4nの内の、一
つの小容量メモリBn-nに分配する。
【0019】具体的には図2に示す構成である。ヘッダ
検出部10はATMセルデータの内、ATMヘッダを検
出する。このヘッダ検出部10で検出されたATMヘッ
ダはアドレス判断部11に送られる。アドレス判断部1
1は上記ATMヘッダの内の所定ビット数からなるアド
レスを解読する。そして、切換スイッチ12を被選択端
子a,b,c,dの内の一つに切り換え、ATMセルデ
ータを4つの出力ポートに対応させた、小容量メモリ群
4nの内の、一つの小容量メモリBn-nに送る。
【0020】ATMヘッダには図3の(a)に示すよう
に、5バイト(byte)が割り当てられている。先頭か
ら、ジェネリックフローコントロール(Generic Flow C
ontrol:GFC)に4ビット。続いてバーチャルパスア
イデンティファイア(Virtual Path Identifier:VP
I)に8ビット。さらに続いてバーチャルチャネルアイ
デンティファイア(Vertual Channel Identifier:VC
I)に16ビット。以下、ペイロードタイプ(Pyload T
ype:PT)に3ビット。セルロスプライオリティ(Cell
Loss Priority:CLP)に1ビット。ヘッダエラーコ
ントロール(HeaderError Control:HEC)に8ビット
が割り当てられる。
【0021】GFCはシェアドメディアでのアクセス制
御に用いる。VPIは仮想パスの識別子として用い、V
CIは仮想チャネルの識別子として用いる。PT、CL
P、HECは本発明における交換機能には無関係な制御
用情報として用いる。
【0022】通常、アドレスとして用いるのは、図3の
(b)に示すように、VPIとVCIの合わせて24ビ
ットからである。ただし、大規模な事業者はGFCの4
ビットも併せ、28ビットをアドレスとして用いること
もある。
【0023】実際には、図3の(c)に示すように、V
PIのLSBから3ビットとVCIのLSBから5ビッ
トを併せた8ビットからアドレスが生成されているの
で、このアドレスをアドレス判断部11で判断する。
【0024】スイッチングマトリクスSWMは出力ポー
ト一つに対してバスを一つ用意する形で実現されてい
る。したがってバスの本数は出力ポートの数(=4)に
等しい。これらのバスはそれぞれの先に繋がる出力ポー
ト61,62,63,64に属する調停回路51,52
3,54により制御される。
【0025】調停回路51,52,53,54が制御する内
容は複数の入力ポート11,12,13,14から小容量メ
モリ群41,42,43,44を通して送られてくるセルC
nがバスを使用する権利を調停することである。
【0026】調停回路51の内部の構成を図4に示す。
この調停回路51には、上記4つの小容量メモリ群41
2,43,44の内の、一番上の小容量メモリB1-1,B2-
1,B3-1,B4-1からのデータバスがスイッチングマトリ
クスSWMを通して接続されている。また、それぞれの
小容量メモリB1-1,B2-1,B3-1,B4-1と調停回路51
には、小容量メモリB1-1,B2-1,B3-1,B4-1から調停回
路51に送られるセル転送要求RQ#用の信号線と、調
停回路51から小容量メモリB1-1,B2-1,B3-1,B4-1に
送られるセル転送許可AK#用の信号線が接続されてい
る。調停回路51は複数、例えば二つの小容量メモリか
ら競合状態で上記転送要求を受け取ると何らかの適切な
手段によりセル転送要求を一つ選択する。例えば、上記
転送要求#中に優先度を示す信号が含まれているときに
は優先度判定部13を使って優先度を判定し、優先度の
高い転送要求を選択する。そして、その優先度の高い転
送要求を出してきた小容量メモリBn-nにセル転送許可A
K#を返す。
【0027】以下、典型的な動作を図5〜図10を用い
て説明する。
【0028】先ず、図5に示すように、入力ポート11
にセルC1が入ってくる。セルC1は入力ポート11の入
力バッファ21に貯えられる。
【0029】次に、図6に示すように、入力バッファ2
1からセルC1が出力され、分配回路31により宛先とな
る出力ポート(この場合出力ポート61)を決定され
る。それに応じてセルC1は適当な小容量バッファ(こ
の場合、入力ポート11から入ってきた出力ポート61
きのセルC1のための小容量バッファB1-1)に格納され
る。
【0030】次に、図7に示すように、小容量バッファ
B1-1にセルC1が入ると、小容量バッファB1-1は調停回
路(この場合、出力ポート61の調停回路51)にセル転
送要求RQ1を送る。
【0031】次に、図8に示すように、調停回路51
小容量バッファB1-1にセル転送の許可を返す。
【0032】すると、図9に示すように、小容量バッフ
ァB1-1はスイッチングマトリクスSWMを介してセルC
1を出力ポート61に送り、セル転送要求RQ1を止め
る。そして、図10に示すように、出力ポート61から
セルC1が出力される。
【0033】次に、二つの小容量バッファが同一の出力
ポートに対してセル転送要求を送る場合(競合状態)の
動作を、図11〜図17を用いて説明する。
【0034】先ず、図11に示すように、入力ポート1
1にセルC1が入ってくる。セルC1は入力ポート11の入
力バッファ21に貯えられる。同時に入力ポート14にセ
ルC4が入ってくる。セルC4は入力ポート14の入力バ
ッファ24に貯えられる。
【0035】次に、図12に示すように、セルC1は分
配回路31により小容量バッファB1-1に格納される。同
時にセルC4は分配回路34により小容量バッファB4-1に
格納される。
【0036】次に、図13に示すように、小容量バッフ
ァB1-1は調停回路51にセル転送要求RQ1を送る。同
時に小容量バッファB4-1も調停回路51にセル転送要求
RQ4を送る。
【0037】次に、図14に示すように、調停回路51
は何からの適切な手段、例えば上記図4に示したような
優先度判定部13を用いてセル転送要求RQ#の一つを
選択する。この場合、小容量バッファB1-1からのセル転
送要求を選択する。調停回路51は小容量バッファB1-1
にセル転送の許可AK1を返す。
【0038】次に、図15に示すように、小容量バッフ
ァB1-1はスイッチングマトリクスSWMを介してセルC
1を出力ポート61に送り、セル転送要求RQ1を止め
る。次に調停回路51は小容量バッファB4-1からのセル
転送要求RQ4を受け付け、セル転送許可AK4を小容
量バッファB4-1に返す。
【0039】すると、図16に示すように、出力ポート
1からセルC1が出ていく。同時に小容量バッファB4-1
はスイッチングマトリクスSWMを介してセルC4を出
力ポート61に送り、セル転送要求RQ4を止める。そ
して、図17に示すように、出力ポート61からセルC4
が出ていく。
【0040】特に、本発明においては小容量バッファB1
-1が図12に示すように一時的なセルの格納場所を提供
するので、分配回路31は入力バッファ21から新しいセ
ルCnを受け取り、処理することが出来る。したがって
HOLブロッキングが生じにくい。
【0041】また、小容量バッファはただ一つの出力ポ
ートにセルを転送するので、スイッチングマトリクスS
WMはN:1のマルチプレクサ構造であれば充分とな
る。これは完全なクロスバー構造よりずっと単純であ
る。
【0042】さらに小容量バッファは、そのメモリ内容
をスイッチンマトリクスSWMにFIFO順に出力すれ
ばよく、このような回路は高速に構成することが可能で
ある。
【0043】以上のように上記実施例形態となるATM
セル交換装置によれば、小容量バッファを設けること
で、ATMセル交換機構の内部のバスを低く抑えられる
入力バッファ方式の欠点であるHOLブロッキング現象
の発生頻度を低く抑えることができる。
【0044】上記ATMセル交換装置を用いた場合の入
力バッファ方式のセル損失率(CellLoss Ratio:CL
R)の改善の様子を図18に示す。
【0045】縦軸はセル損失率、すなわちどのくらいの
確率で情報を損失してしまうのかを示す。下にいくほど
情報が捨てられないことを意味する。また、横軸はユー
ティリィゼーション(utilization)あるいはネットワ
ーク負荷(network load)であり、回線の何%を使って
いるか、すなわち入力がどのくらい入っているかを示
す。
【0046】具体的には、入力バッファの大きさが32
セル分の場合に、出力ポートの情報伝送速度を100%
として入力ポートに入力する情報量を65%から95%
まで変化させたときのセル損失率(10を底とする対数
表示)を示している。5つのグラフが描かれているが、
これらは小容量バッファの大きさを1セル〜5セルまで
変化させた場合に対応したもので、上から順に小容量バ
ッファの大きさBが、1,2,3,4,5の場合に対応
している。小容量バッファの分割数Bを大きくして行く
ほどセル損失率が小さくなる。
【0047】比較のために、入力バッファ方式における
セル損失率の簡易計算特性を図19に、また、出力バッ
ファ方式におけるセル損失率の簡易計算特性を図20に
示す。共に、バッファ数を8、16、24、32、4
0、48というように増やして計算している。
【0048】図19においては、バッファ数が多くなる
ほど、セル損失率が小さくなるが、その効果が顕著に現
れるのは、ネットワーク負荷(network load)が80%
を下回る付近である。
【0049】また、図20においても、バッファ数が多
くなるほどセル損失率が小さくなることが分かる。この
効果はあらゆるネットワーク負荷にわたって現れてい
る。
【0050】上記図18に示した上記ATMセル交換装
置の効果では、バッファ数が少ない間は上記図19に示
した入力バッファ方式と同じ特性であり、バッファ数が
増えるにしたがって上記図20に示した出力バッファ方
式に近い特性へとなだらかに変化する。
【0051】図21にはバッファ数を48としたとき
の、出力バッファ方式と入力バッファ方式のセル損失率
を示す。上側が入力バッファ方式の特性であり、下側が
出力バッファ方式の特性である。ネットワーク負荷が高
い場合に入力バッファ方式の性能が急激に劣化する状況
が示されている。
【0052】本発明の実施の形態のATMセル交換装置
では、十分な段数の小容量メモリを備えることで、出力
バッファ方式に近い特性を持たせられるため、下側のグ
ラム(出力バッファ方式)に近い性能が得られる。
【0053】また、上記ATMセル交換装置では、宛先
ごとにセルを蓄積するため、バースト転送や複数セルを
一括して転送する手段を採用しやすい。これは、バスの
動作周波数を抑える働きを持つ。
【0054】
【発明の効果】本発明によれば、バスの動作周波数を抑
え、かつ、セル損失率を従来の入力バッファ方式を用い
たATMセル交換機構よりも低く抑えることのできるフ
レーム交換装置及び方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態となるATMセル交換装置
の構成を示す図である。
【図2】上記図1に示したATMセル交換装置中の分配
回路の具体例を示す図である。
【図3】上記分配回路で検出するATMヘッダのフォー
マット図である。
【図4】上記ATMセル交換装置中の調停回路の動作を
説明するための図である。
【図5】上記ATMセル交換装置の典型的な動作の内、
入力ポートにセルが入ってくる様子を示す図である。
【図6】上記ATMセル交換装置の典型的な動作の内、
入力バッファからセルが出力され、分配回路により宛先
となる出力ポートが決定される様子を示す図である。
【図7】上記ATMセル交換装置の典型的な動作の内、
小容量バッファにセルが入り、小容量バッファが調停回
路にセル転送要求RQ1を送る様子を示す図である。
【図8】上記ATMセル交換装置の典型的な動作の内、
調停回路が小容量バッファにセル転送の許可を返す様子
を示す図である。
【図9】上記ATMセル交換装置の典型的な動作の内、
小容量バッファがスイッチングマトリクスを介してセル
を出力ポートに送り、セル転送要求を止める様子を示す
図である。
【図10】上記ATMセル交換装置の典型的な動作の
内、出力ポートからセルが出力される様子を示す図であ
る。
【図11】上記ATMセル交換装置において二つの小容
量バッファが同一の出力ポートに対してセル転送要求を
送る場合(競合状態)の動作の内、二つの入力ポートに
それぞれセルが入ってくる様子を示す図である。
【図12】上記競合状態で、二つのセルが各分配回路に
より二つの小容量バッファに格納される様子を示す図で
ある。
【図13】上記競合状態で、二つの小容量バッファが調
停回路にそれぞれセル転送要求を送る様子を示す図であ
る。
【図14】上記競合状態で、調停回路が二つのセル転送
要求の内の一つを選択し、一方にセル転送許可を返す様
子を示す図である。
【図15】上記競合状態で、上記セル転送許可を受けた
小容量バッファがセルを出力ポートに送り、かつ、調停
回路が他の小容量バッファからのセル転送要求を受け付
け、セル転送許可を他の小容量バッファに返す様子を示
す図である。
【図16】上記競合状態で、出力ポートから一のセルが
出ていき、同時に他の小容量バッファから他のセルが出
力ポートに送られる様子を示す図である。
【図17】上記競合状態で、出力ポートから他のセルが
出ていく様子を示す図である。
【図18】上記ATMセル交換装置を用いた場合の入力
バッファ方式のセル損失率(CellLoss Ratio:CLR)
の改善の様子を示す特性図である。
【図19】比較のために用いる、入力バッファ方式にお
けるセル損失率の簡易計算特性図である。
【図20】比較のために用いる、出力バッファ方式にお
けるセル損失率の簡易計算特性図である。
【図21】バッファ数を48としたときの、出力バッフ
ァ方式と入力バッファ方式のセル損失率の簡易計算特性
図である。
【符号の説明】
1,12,13,14 入力ポート、21,22,23,24
入力バッファ、31,32,33,34 分配回路、
1,42,43,44 小容量メモリ群、51,52
3,54 調停回路、61,62,63,64 出力ポート
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 國頭 義之 東京都品川区北品川6丁目7番35号 ソニ ー株式会社内 Fターム(参考) 5K030 GA11 HA10 HB00 HB17 KX12 KX18 KX29 LA03 LE05 9A001 BB04

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 データを所定量のフレーム単位で交換す
    るフレームデータ交換装置において、 入力ポート側に外部から到着したフレームデータを格納
    する入力バッファ手段と、 上記入力バッファ手段に格納された各フレームデータの
    宛先を見て各フレームデータを出力ポートに対応させて
    分配する分配手段と、 上記分配手段で出力ポートに対応させて振り分けられた
    フレームデータを一時的に蓄積するために上記出力ポー
    トに対応するように上記分配手段の先に接続される、メ
    モリ手段と、 上記メモリ手段と上記出力ポートとの間を繋ぐスイッチ
    ング手段と、 上記スイッチング手段を制御する調停手段とを備えるこ
    とを特徴とするフレームデータ交換装置。
  2. 【請求項2】 非同期転送モードにより上記フレーム単
    位のデータを交換することを特徴とする請求項1記載の
    フレームデータ交換装置。
  3. 【請求項3】 上記メモリ手段は、上記フレームデータ
    が貯まったら上記調停手段に転送要求を出すことを特徴
    とする請求項1記載のフレームデータ交換装置。
  4. 【請求項4】 上記調停手段は、複数のメモリ手段から
    競合状態のうちに、上記転送要求を受け取ると、優先度
    に応じて転送許可を出すことを特徴とする請求項1記載
    のフレームデータ交換装置。
  5. 【請求項5】 データを所定量のフレーム単位で交換す
    るためのフレームデータ交換方法において、 入力ポート側に外部から到着したフレームデータを入力
    バッファに格納するフレームデータ格納工程と、 上記フレームデータ格納工程により格納された各フレー
    ムデータの宛先を見て各フレームデータを出力ポートに
    対応させて分配する分配工程と、 上記分配工程で出力ポートに対応させて分配されたフレ
    ームデータをメモリ部に一時的に蓄積するフレームデー
    タ蓄積工程と、 上記メモリ部と上記出力ポートとの間のスイッチング部
    を制御する調停工程と、 上記調停工程で調停されたスイッチング部の使用許可に
    応じてフレーム蓄積工程で蓄積されたフレームデータを
    出力ポートに転送する転送工程とを備えることを特徴と
    するフレームデータ交換方法。
  6. 【請求項6】 非同期転送モードにより上記フレーム単
    位のデータを交換することを特徴とする請求項5記載の
    フレームデータ交換方法。
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