JP5302559B2 - 転送切替型ネットワーク装置及びフレーム転送方法 - Google Patents

Description

本発明は、転送切替型ネットワーク装置及びフレーム転送方法に関するものでる。

ＩＥＥＥ１３９４等のリアルタイム通信技術では、リアルタイムデータとベストエフォートデータとを含むサイクルを用いた転送方式（以下、サイクル型転送と呼ぶ）が採用されている。図５に、標準的なサイクルパターンを示す。図５に示すように、予め決められた１２５μｓを１サイクルとして、これが繰り返される。この１サイクル内の所定の帯域を占めるパケットデータすなわちフレームが、ネットワーク装置間で転送される。ここで、１サイクルの前半を予約転送区間、後半を自由転送区間としている。

予約転送区間は、リアルタイムデータの通信に利用される。この区間では、例えば、図５に示すように、所定の時間すなわち帯域１〜５がフレーム送信のために予約される。その予約帯域１〜５は、それぞれ設定された装置間でのみ利用される。予約帯域１〜５にリアルタイムデータのフレームＡ１〜Ａ５を配置すれば、一定時間内に一定量のデータ通信が可能となる。一方、自由転送区間は、リアルタイム性を有しないベストエフォートデータの通信に利用される。この区間では、帯域は予約されない。例えば、図５に示すように、データ転送時に、この区間の帯域６が空いていれば、そこにフレームＢ１を配置し、装置間のデータ通信が行われる。同様にフレームＢ２〜Ｂ５も配置される。

サイクル型転送を実現するネットワーク構成としては、例えば、図６に示すネットワーク装置１１〜１４からなるデイジーチェーン接続、ネットワーク装置１１、１２、１３、１５からなるスター接続等が考えられる。ここで、各ネットワーク装置は、ブリッジ機能を有しており、ネットワーク装置１２、１３、１５などは、自装置の一方側にあるネットワーク装置から送信されたフレームを、他方側にあるネットワーク措置へ転送することができる。これにより、直接接続されていないネットワーク装置間でも、ブリッジ機能を用いて通信を行うことができる。

上述のサイクル型転送を、ＬＡＮ（Local Area Network）の規格であるＥｔｈｅｒｎｅｔ（登録商標）に適用する動きがあり、Ｅｔｈｅｒｎｅｔ（登録商標）を用いたＬＡＮにおいてサイクル型転送によるデータ通信の高速性及び高信頼性が求められている。

ところで、フレーム転送方式には、カットスルー方式とストアアンドフォワード方式とがある。カットスルー方式では、エラーをチェックせず、送信されてきたデータを直ちに転送するため、遅延時間は少ない。一方、エラーを有するデータが、ネットワークに充満し、伝送効率が落ちるおそれがある。
ストアアンドフォワード方式では、送信されてきたデータを蓄積してから転送するため、エラーをチェックできる。一方、データを蓄積する分、カットスルー方式に比べ遅延時間は大きくなる。

このように、カットスルー方式とストアアンドフォワード方式とは正反対の特徴を有する。そのため、カットスルー方式とストアアンドフォワード方式とを切替え可能に併用することが好ましい。例えば、特許文献１及び２には、データのエラー数やエラー頻度が高くなると、カットスルー方式からストアアンドフォワード方式に切替える方法が開示されている。
特開平９−１８５０７号公報 特開平９−１４９０６８号公報

しかしながら、サイクル型転送に対して特許文献１又は２を用いた場合、遅延が生じて予約帯域にデータが届かない恐れがあった。具体的には、エラー発生により転送するネットワーク装置がストアアンドフォワード方式に切換わると、データ蓄積により転送遅延が生じる。そのため、送信元のネットワーク装置が予約した帯域にデータが届かず、他のネットワーク装置が予約した帯域にずれ込む恐れがある。その場合、競合したデータのいずれか一方は待機する必要があり、さらに遅延が大きくなる。

本発明に係るネットワーク装置は、
予約してフレームを転送する時間帯である予約転送区間と、自由にフレームを転送する時間帯である自由転送区間とを一定周期で繰り返してフレームを転送するネットワーク装置であって、
送信ポートと、
サイクルタイマーと、
前記送信ポートの転送状態を監視し、転送中であった場合、転送方法としてストアアンドフォワード方式を選択し、転送中でない場合、転送方法としてカットスルー方式を選択するモード切替制御部と、
非予約フレームの送信時、前記カットスルー方式が転送方式として選択され、かつ、前記サイクルタイマーを参照して、前記予約転送区間であった場合、前記非予約フレームの転送方法をストアアンドフォワード方式に切替える転送禁止制御部とを備える。

また、本発明に係るフレーム転送方法は、
予約してフレームを転送する時間帯である予約転送区間と、自由にフレームを転送する時間帯である自由転送区間とを一定周期で繰り返して、ネットワーク装置間でフレームを転送するフレーム転送方法であって、
前記ネットワーク装置の送信ポートの転送状態を監視し、転送中であった場合、転送方法としてストアアンドフォワード方式を選択し、転送中でない場合、転送方法としてカットスルー方式を選択し、
非予約フレームの送信時、前記カットスルー方式が転送方式として選択され、かつ、前記予約転送区間であった場合、前記非予約フレームの転送方法をストアアンドフォワード方式に切替える。

本発明に係るネットワーク装置は、リアルタイムデータの転送を低遅延で行うことができる。

以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、本発明が以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。

実施の形態
図１に本実施の形態のネットワーク構成及びネットワーク装置の概要を示す。図１に示すように、ネットワーク１００は、ネットワーク装置１０１〜１０６を有する。このネットワーク装置１０１〜１０６が、上述のサイクル型転送によりフレームの送受信を行っている。ネットワーク装置１０１〜１０６は同じ構成であるため、ここではネットワーク装置１０１を例に説明する。ネットワーク装置１０１は、アプリケーション１２１と、通信ロジック１２２と、ポート１２３〜１２５を有する。

アプリケーション１２１は、ネットワーク内の他のネットワーク装置で利用するデータの生成や、他のネットワーク装置が生成したデータを利用する。例えば、カメラなどの周辺装置を利用して映像データを作成し、映像データを他のネットワーク装置へ送信したり、他のネットワーク装置から送信された映像データをディスプレイ上に表示するなどのアプリケーションがある。

通信ロジック１２２は、例えば、ＩＥＥＥ８０２．１で規定されるＭＡＣブリッジ（自装置内の複数のポート間のブリッジ通信を実現するためのスイッチ、ルーティングテーブルなどを含む）、スパニングツリープロトコル（ＳＴＰ：Spanning Tree Protocol）などのプロトコルで規定される動作や制御を行う回路からなる。本発明では、さらに、予約フレームかどうかを判断するための制御情報がフレームに付加されている。

ポート１２３〜１２５は、ネットワーク装置間のフレームの送受信を行う。例えば、ＩＥＥＥ８０２．３で規定されるコネクタやケーブル、ＭＡＣ（Media Access Control）などの送受信プロトコルに準拠したハードウェアなどが利用される。

通信ロジック１２２、アプリケーション１２１がポート１２３〜１２５を介して隣接したネットワーク装置と接続されることでネットワーク１００が構成されている。各ネットワーク装置の接続は、ネットワーク装置１０１〜１０４からなるデイジーチェーン接続でも、ネットワーク装置１０１、１０２、１０３、１０５からなるスター接続でもよい。

各ネットワーク装置は自装置のどのポートが他のネットワーク装置のどのポートに接続されているかの情報を自装置内のルーティングテーブル（図示なし）に保持している。このため、ネットワーク装置１０２や１０３のように複数のポートを使用している場合であっても、その情報を元に適切なネットワーク装置同士のポート間の通信が行われる。

図２は、図１のネットワーク装置１０１〜１０６の構成ブロック図を更に詳細に示した図である。ネットワーク装置１０１〜１０６は同じ構成のため、ここでもネットワーク装置１０１を例に説明する。図２において、図１と同一符号のものは同様の構成であるため説明は省略する。

ポート１２３〜１２５の各ポートは、それぞれ受信ポート１３１と、送信ポート１３２とを有する。受信ポート１３１は、他のネットワーク装置からきたフレームを後述するスイッチ１４０へ送る。送信ポート１３２は、スイッチ１４０から送られてきたフレームを他のネットワーク装置へ送信する。

通信ロジック１２２は、スイッチ１４０、予約テーブル１４１、サイクルタイマー１４２と、転送管理部１４３、送信部１４７、受信部１４８を有する。ここで、転送管理部１４３は、モード切替制御部１４４、転送禁止制御部１４５、予約優先制御部１４６を有する。

スイッチ１４０は、自装置内の複数のポート間、例えばポート１２３の受信ポート１３１とポート１２５の送信ポート１３２間のブリッジ通信を行う。また、自装置が受信したフレームを受信部１４８へ送り、送信部１４７から送られてきたフレームを指定されたポートの送信ポート１３２へ送る。ここで、受信部１４８は、スイッチ１４０から受けたデータが、自装置あてであった場合には、受信データを適切なアプリケーション１２１に送る。送信部１４７は、アプリケーション１２１から受けたデータをスイッチ１４０に送る。さらに、スイッチ１４０は、フレーム送信先に接続された送信ポート１３２が、フレーム転送中か否かについての情報を転送管理部１４３に送る。

予約テーブル１４１は、どの時間帯が予約されているかについての情報を有している。予約転送区間は、図５が示すように、予約フレームが予約されている時間帯によって決まる。なお、図５のように、予約転送区間の全ての時間帯に予約フレームが予約されているとは限らない。例えば、Ａ３とＡ４との間は予約されていない。サイクルタイマー１４２は、自装置の時間情報を測定し、転送管理部１４３へその時間情報を送る。

転送管理部１４３のモード切替制御部１４４は、カットスルー方式とストアアンドフォワード方式とを切替える。具体的には、フレーム送信先に接続された送信ポート１３２が、フレーム転送中の場合、ストアアンドフォワード方式とし、フレーム転送中でない場合、カットスルー方式とする。すなわち、送信ポート１３２が空いていれば、原則としてカットスルー方式が選択されるため、遅延時間を小さくすることができる。

転送管理部１４３の転送禁止制御部１４５は、モード切替制御部１４４が選択した転送方式と、サイクルタイマー１４２からの情報とに基づき、転送方式としてカットスルー方式が選択され（すなわち、送信ポートが非転送中）、かつ、予約帯域の時間帯である場合、非予約フレームの転送を禁止する。

具体的には、フレーム転送中でない場合、モード切替制御部１４４によりカットスルー方式が選択される。転送禁止制御部１４５は、受信フレームが帯域を予約したフレーム（以下、帯域予約フレームと呼ぶ。）でなく、かつ、予約帯域の時間である場合、カットスルー方式を禁止し、ストアアンドフォワード方式に切替える。予約帯域の時間内では、フレームを蓄積するストア状態となる。予約帯域の時間でなくなり次第、蓄積したフレームの転送を開始し、フォワード状態となる。この転送禁止制御により、帯域予約フレームのために、予約帯域を確保し、その転送遅延を防止することができる。

表１に、上記にて説明したモード切替と転送禁止制御の動作表を整理して示す。

転送管理部１４３の予約優先制御部１４６は、ストア状態で帯域予約フレームが蓄積された場合、フォワード状態に移行した時点で帯域予約フレームを優先的に送信する。表１に示すように、帯域予約フレームであっても転送用の送信ポート１３２が転送中であれば、ストアアンドフォワード方式が選択される。

図３は予約優先制御の概念図である。図３では、ストアアンドフォワード方式により、４つのフレームが蓄積データとして蓄積されている。そして、２番目に蓄積されたデータが帯域予約フレームである。帯域予約していないフレーム（図３中の非予約フレーム）の方が先に蓄積された場合であっても、予約優先制御部１４６は、帯域予約フレーム（図３中の予約フレーム）を優先的に転送する。これにより、帯域予約フレームの遅延を最小限に留めることができる。

図４は予約優先制御を行うための転送フレームの一例を示す。ＩＥＥＥ８０２．３のＭＡＣフレームでは、各サイクルの先頭に７ｂｙｔｅのプレアンブル（Preamble）、１ｂｙｔｅのＳＦＤ（Start of Frame Delimiter）、６ｂｙｔｅの宛先アドレス（Destination Address）、６ｂｙｔｅの送信元アドレス（Source Address）、２ｂｙｔｅのタイプ（Type）が配置される。これにデータ（DATA）が続き、最後にＦＣＳ（Frame Check Sequence）が配置される。本実施の形態では、ヘッダの最後すなわちデータの先頭に４ｂｙｔｅの制御データを配置する。制御情報は、予約フレームか否かについての情報である。予約優先制御部１４６は、この制御情報に基づき予約フレームか否かについて判断し、予約フレームを優先的に蓄積データから取り出す。

以上説明した通り、本発明では、カットスルー方式とストアアンドフォワード方式とを切替え可能に併用し、フレーム送信先に接続された送信ポート１３２が空いていれば、原則としてカットスルー方式が選択される。そのため、遅延時間を小さくすることができる。また、転送禁止制御により、帯域予約フレームのために、予約帯域を確保し、その転送遅延を防止することができる。さらに、蓄積された帯域予約フレームを最優先で転送する予約優先制御により、帯域予約フレームの遅延を最小限に留めることができる。

実施の形態に係るネットワークの概略図である。 実施の形態に係るネットワーク装置のブロック図である。 実施の形態に係るネットワーク装置が行う予約優先制御の概念図である。 実施の形態に係るネットワーク装置が転送するフレームの概念図である。 サイクルパターンの一例を示す図である。 ネットワークの概略図である。

１００ ネットワーク
１０１〜１０６ ネットワーク装置
１２１ アプリケーション
１２２ 通信ロジック
１２３、１２４、１２５ ポート
１３１ 受信ポート
１３２ 送信ポート
１４０ スイッチ
１４１ 予約テーブル
１４２ サイクルタイマー
１４３ 転送管理部
１４４ モード切替制御部
１４５ 転送禁止制御部
１４６ 予約優先制御部
１４７ 送信部
１４８ 受信部

Claims (8)

1. 予約フレームを転送する予約転送区間と、非予約フレームを転送する自由転送区間とを一定周期で繰り返してフレームを転送するネットワーク装置であって、
   第１の他のネットワーク装置から送信されたフレームを受信する受信ポートと、
   前記受信ポートから受信したフレームを第２の他のネットワーク装置へ転送する送信ポートと、
   前記送信ポートが転送中か否かに応じて、転送方法を選択する転送管理部と、
   前記予約転送区間と前記自由転送区間のいずれであるかを判定するための時間情報を前記転送管理部に通知するサイクルタイマーと、を備え、
   前記転送管理部は、
   前記送信ポートが転送中である場合、前記転送方法としてストアアンドフォワード方式を選択し、
   前記送信ポートが転送中でない場合、前記転送方法としてカットスルー方式を選択することを原則としつつ、前記予約転送区間に前記非予約フレームを受信したときには、前記ストアアンドフォワード方式を選択するとともに、当該非予約フレームの転送を前記自由転送区間まで禁止することを特徴とするネットワーク装置。
2. 前記予約フレームが予約されている時間帯の情報を有する予約テーブルをさらに備え、
   前記転送管理部は、前記サイクルタイマーと前記予約テーブルとを参照して前記予約転送区間と前記自由転送区間のいずれであるかを判定する請求項１に記載のネットワーク装置。
3. 前記転送管理部は、前記非予約フレームの転送を禁止している際、
   前記サイクルタイマー及び前記予約テーブルを参照し、前記自由転送区間になったと判定したら、前記ストアアンドフォワード方式で蓄積された非予約フレームの転送を開始する請求項２に記載のネットワーク装置。
4. 前記ストアアンドフォワード方式で蓄積されたフレームに、前記予約フレームが含まれる場合、当該予約フレームを優先して転送する予約優先制御部をさらに有する請求項１〜３のいずれか一項に記載のネットワーク装置。
5. 前記予約優先制御部は、フレームが有する制御情報に基づき、当該フレームが予約フレームか否かを判断する請求項４に記載のネットワーク装置。
6. 予約フレームを転送する予約転送区間と、非予約フレームを転送する自由転送区間とを一定周期で繰り返してフレームを転送するフレーム転送方法であって、
   受信したフレームを転送する送信ポートが転送中である場合、転送方法としてストアアンドフォワード方式を選択し、
   前記送信ポートが転送中でない場合、前記転送方法としてカットスルー方式を選択することを原則としつつ、前記予約転送区間に前記非予約フレームを受信したときには、ストアアンドフォワード方式を選択するとともに、当該非予約フレームの転送を前記自由転送区間まで禁止することを特徴とするフレーム転送方法。
7. 前記ストアアンドフォワード方式で蓄積されたフレームに、前記予約フレームが含まれる場合、当該予約フレームを優先して転送する請求項６に記載のフレーム転送方法。
8. フレームが有する制御情報に基づき、当該フレームが前記予約フレームか否かを判断する請求項７に記載のフレーム転送方法。

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