JP6592595B2 - コンピューティングネットワークにおけるデータトラフィックを管理する方法およびシステム - Google Patents

Description

本発明は、コンピューティングネットワークにおけるデータトラフィックを管理する方法に関する。データトラフィックはパケットのフローを通じてコンピューティングネットワーク内で伝送される。

また、本発明は、コンピューティングネットワークにおけるデータトラフィックを管理するシステムに関する。データトラフィックはパケットのフローを通じてコンピューティングネットワーク内で伝送される。

本発明は、任意の種類のネットワークに適用可能であるが、以下では３ＧＰＰ ＥＰＣネットワークに関して説明する。

図１に、従来の３ＧＰＰ ＥＰＣネットワークを示す。図１の左側では、ＬＴＥ無線アクセスネットワークの形態の基地局が、進化型パケットコア（evolved packet core, ＥＰＣ）に接続されている。ＥＰＣパケットデータゲートウェイとパケットデータネットワーク（図１では外部ネットワークとして図示）の間には、いわゆるＳＧｉ−ＬＡＮが実装されている。ＳＧｉ−ＬＡＮのドメイン内には通常、サービス機能チェイニング（service function chaining, ＳＦＣ）と呼ばれる技術あるいは方法が実装される。サービス機能チェイニングＳＦＣにおいて、データパケットはネットワーク機能（network function, ＮＦ）の列を通じて誘導される。各ＮＦは、その機能および／または動作スコープに基づいて、ＥＰＣとの間でやり取りされる到着パケットに対する処理／サービスを実行する。

従来、そして以下の説明において、ＳＦＣドメインは分類機能、制御機能、転送機能およびネットワーク機能エンティティを含む。ネットワーク機能は、到着するパケットのフローに対してネットワークサービス（network service, ＮＳ）を提供する。フローは、ＳＦＣドメインに到着すると、そのフローが要求するサービスを決定する何らかのポリシーまたはルールに基づいて、分類機能（classification function, ＣＦ）によって分類される。分類は、トラフィックタイプまたはアプリケーションタイプを検出することに基づいても良い。すなわち、分類機能はサービスチェイン（service chain, ＳＣ）を判定する。サービス要求に基づいて、制御機能は、それぞれのフローに対するネットワーク機能転送グラフ（network function forwarding graph, ＮＦＦＧ）を生成する。ＮＦＦＧは、それぞれのフローに対してある範囲のサービスを提供するのに必要なサービスチェインＳＣ内の関連するネットワーク機能ＮＦを列挙する。ＮＦＦＧはまた、これらのネットワーク機能ＮＦがそれぞれのフローのパケットによって訪問される際のチェインの順序も指定する。サービスチェインの長さは、フローのサービス要求に応じて異なり得る。ネットワーク機能は、特定の物理ノード上にホストされることも、仮想化されることも可能である。仮想化される場合、一般に仮想化ネットワーク機能（virtualized network function, ＶＮＦ）と呼ばれ、ＮＦＦＧは仮想ＮＦＦＧ（virtual NFFG, ＶＮＦＦＧ）と呼ばれ、ＳＦＣによって提供されるサービス全体はネットワークサービス（network service, ＮＳ）と呼ばれる。これは、非特許文献１に開示されている通りである。

図２に、従来のＳＦＣドメインの機能的概要を示す。すなわち、仮想ネットワーク機能ＶＮＦ１〜ＶＮＦ４のチェインからなるＳＦＣドメインの高水準の機能的概要が図２に示されている。チェイン内のあるＶＮＦから次のＶＮＦへパケットをルーティングするため、制御機能はＶＮＦＦＧを、転送ルールが導出される元になるネットワーク経路（network path, ＮＰ）を決定することに翻訳する。そしてこれらのルールは、制御機能によって転送機能（forwarding function, ＦＦ）へ通信される。転送機能ＦＦは、トランスポート層の一部である。ＦＦは転送ルールを転送テーブルに保存する。その最も単純な形態では、転送ルールは、入力ポートに到着するパケットの出力ポートを指定する。ＦＦは、ＮＰまたはサービスチェインＳＣ内の次ホップＶＮＦへトラフィックを誘導することを担当する。ＦＦは、例えばパケットのヘッダ情報に基づいてパケットを識別し、それを転送テーブルで指定される出力ポートへ転送し、そこからパケットは次ホップＶＮＦへ、またはチェイン内の次のＶＮＦへパケットを転送する可能性のあるＦＦへ、配信される。

パケット転送は、元のパケットヘッダに基づいて行われても、元のパケットヘッダに付加される可能性のあるトランスポートヘッダ（transport header, ＴＨ）に基づいて行われてもよい。ＴＨは、ＭＰＬＳラベル、ＧＲＥヘッダ、ＶｘＬＡＮタイプヘッダ等であってもよく、サービスチェインまたはフローを識別する可能性のある単純なタグまたはラベルであってもよい。これについては例えば非特許文献２に開示されている。

そして、各ＶＮＦは、パケットをチェイン内の次ホップＶＮＦへ誘導するために再びパケットをＦＦに渡す前に、その機能／動作スコープに基づいて到着パケットに対する処理／サービスを実行する。このようにして、フローのパケットは、その宛先に転送される前に、複数のＶＮＦのチェインを通じて誘導される。

しかし、モバイルコアネットワークに入るトラフィックのほとんどが図１に示すようにＳＧｉ−ＬＡＮに収束するので、ＳＦＣドメイン内のトラフィック負荷は非常に高い。サービスチェインＳＣを通る各パケットのプロトコルヘッダ、例えばＴＣＰ／ＵＤＰおよびＩＰは、ローカルな配信のためにチェイン内の各ネットワーク機能ＮＦによって処理されて、フローを識別し、対応する処理ルールを選択することにより、機能の動作および機能スコープに従ってパケットを処理する。この結果、サービスチェインを通るパケットごとに悪化する処理遅延が生じる。

処理オーバーヘッド以外の別の欠点は、非特許文献２に開示されているように、ＳＦＣドメインに入るパケットに追加的なヘッダまたはタグが付加されるために生じ得る追加的オーバーヘッドである。このような追加的なヘッダまたはタグは、特定のフローに属するパケットどうしを一意的に区別するために使用される。これらの追加的タグにより、転送機能は、それぞれのサービスチェインを通じて特定のフローに属するパケットを誘導することができる。

また、何らかの中間的な仮想ネットワーク機能ＶＮＦがパケットに、サービスチェインＳＣ内の後続の仮想ネットワーク機能ＶＮＦによって要求される可能性のあるメタデータを追加する場合があり、このオーバーヘッドは、パケットの固有のヘッダに加えてパケットサイズを増大させるため、パケットサイズがＭＴＵサイズを超過する可能性が高くなる。その結果、これはパケットの断片化と再組立の管理のさらなる複雑さを追加し、ＳＧｉ−ＬＡＮにおける高いトラフィック量を考慮すると、この追加的オーバーヘッドはＳＦＣドメインにおける負荷をも増大させることになる。

ETSI Network Functions Virtualization (NFV), "Terminology for Main Concepts in NFV", ETSI GS NFV 003 V1.2.1, December 2014 S. Homma et al, "Analysis on Forwarding Methods for Service Chaining, draft-homma-sfc-forwarding-methods-analysis-01, January 23, 2015

そこで、本発明の実施形態は上記の課題を解決する。

したがって、本発明の実施形態の目的は、パケットのプロトコルヘッダ処理オーバーヘッドを低減し、例えばＳＦＣドメインにおけるパケットの断片化および再組立を除去または少なくとも低減し、リソース利用を最適化し、ＳＦＣドメインにおけるバイト負荷を低減することである。

一実施形態において、本発明は、コンピューティングネットワークにおけるデータトラフィックを管理する方法を提供する。データトラフィックはパケットのフローを通じてコンピューティングネットワーク内で伝送され、１個以上のパケットが１個以上のネットワーク機能によって処理され、
ａ）識別されたフローの前記１個以上のパケットを処理するための処理情報が判定機能によって判定され、
ｂ）ヘッダ情報が分離機能によって前記１個以上のパケットから分離され、
ｃ）タグ情報がタグ追加機能によって前記１個以上のパケットに追加され、
ｄ）前記タグ情報と前記ヘッダ情報との間のマッピングがマッピング機能によってキャッシュに保存され、
ｅ）前記パケットが前記識別された処理情報に従って前記１個以上のネットワーク機能によって処理され、前記１個以上のパケットを処理するために必要であれば前記１個以上のネットワーク機能は前記タグ情報を用いて前記キャッシュに問合せをすることにより前記キャッシュからタグ情報に関連する情報を取得する。

さらなる実施形態において、本発明は、コンピューティングネットワークにおけるデータトラフィックを管理するシステムを提供する。データトラフィックはパケットのフローを通じてコンピューティングネットワーク内で伝送され、パケットが１個以上のネットワークエンティティによって提供される１個以上のネットワーク機能によって処理される。該システムは、
パケットのフローを受信する１個以上の入力インタフェースと、
パケットのフローを出力する１個以上の出力インタフェースと、
情報を保存する少なくとも１つのキャッシュと、
入力および出力インタフェースの少なくとも１つに接続された１個以上のコンピューティングエンティティであって、識別されたフローの前記パケットを処理するための処理情報を判定し、前記１個以上のパケットからヘッダ情報を分離し、前記１個以上のパケットにタグ情報を追加し、前記タグ情報と前記ヘッダ情報との間のマッピングを前記キャッシュに保存し、前記識別された処理情報に従って前記１個以上のネットワーク機能によって前記１個以上のパケットを処理するように適応し、前記１個以上のパケットを処理するために必要であれば前記１個以上のネットワーク機能は前記タグ情報を用いて前記キャッシュに問合せをすることにより前記キャッシュからタグ情報に関連するヘッダ情報を取得する、１個以上のコンピューティングエンティティと
を備える。

換言すれば、本発明の実施形態によれば、ネットワーク機能のプロトコルまたは機能スコープに関連しない可能性のある追加的なヘッダを分離し、キャッシュし、タグと称する識別子で置換することが可能である。こうして、関連するペイロードがネットワーク機能によって利用可能となることにより、パケットサイズが縮小するだけでなく、その構造を単純化することで、ネットワーク機能がペイロードを処理することができる前に連続するヘッダを解析する必要を除去または低減することによってパケット処理の低減を促進する。

少なくとも１つの実施形態は、例えばＳＦＣにおけるネットワーク機能による処理に関連しない可能性のあるヘッダを分離することによって、パケットサイズを縮小するという効果を奏する。これにより、あらゆるパケットに対するあらゆるネットワーク機能によるヘッダ解析のような、処理オーバーヘッドおよび関連するコストが大幅に低減される。

本発明の実施形態のもう１つの効果は、パケットまたはフローに関連する余分のヘッダやメタデータがキャッシュに書き込まれ、パケット自体には書き込まれないことにより、パケットの断片化および再組立の可能性を除去できることである。

本発明の少なくとも１つの実施形態のさらなる効果は、ネットワーク機能によって消費される計算、ネットワーク等のリソースの最適化された利用である。また、ヘッダの分離によりバイト負荷が低減される。

パケットに関連して「フロー」という用語は、その最広義に理解されるべきであり、特にＯｐｅｎＦｌｏｗプロトコルによる「フロー」という用語に限定されない。フローは、伝送されるべき任意の種類の情報群または情報の部分であってよい。

「エンティティ」という用語は、その最広義に理解されるべきであり、任意の種類の物理的または仮想的なコンピューティングエンティティとして理解されるべきであり、以下のもの、すなわちコンピュータ、マイクロプロセッサ、シングルコア、デュアルコア、クアッドコアまたはオクタコアのプロセッサ等の上で動作するアプリケーション、またはメモリ付きのコンピュータ、プロセッサ等を含むがこれらに限定されない。前記アプリケーション、コンピュータまたはプロセッサは、他のデバイス、エンティティ、ポート、インタフェース等との通信のための１個以上のインタフェース、ポート等を有してもよい。

「機能」という用語は、その最広義に理解されるべきであり、アプリケーション等によって、またはメモリ、プロセッサ等にハードコードされて対応する機能を提供する任意の種類のコンピューティングエンティティを含むが、これに限定されない。

実行されるネットワーク機能の例としては、ディープパケットインスペクション、ファイアウォール、アクセス制御リスト、負荷分散、セキュリティ、動画最適化、トランスコーディング、圧縮、ペアレンタルコントロール、ネットワークアドレス変換等が挙げられるが、これらに限定されない。

さらなる特徴、効果およびさらなる実施形態は、以下の記載で明らかとなる。

さらなるステップｆ）として、すべてのネットワーク機能によって前記１個以上のパケットを処理した後、タグ情報が前記キャッシュの前記対応するヘッダ情報で、例えば置換機能によって、置換されてもよい。これにより、あるサービスチェインを構成するすべてのネットワーク機能によってパケットが処理されるときまで、ヘッダはその元の構造で提供され、適宜ネットワーク機能による処理によって値が修正されて提供されることが保証される。こうして、ネットワーク内でのさらなる処理が容易に可能となる。

前記ヘッダ情報は、変更がネットワーク機能によって導入されたときにキャッシュ内で更新されてもよい。これによりフレキシビリティが向上する。ネットワーク機能は、ヘッダにおいて必要な変更を導入するとき、例えばＴＴＬフィールドの更新された値を提供するときに、この値はキャッシュ内でも効率的に扱われることが可能であるため、ネットワーク機能サービスチェインのさらに下流のネットワーク機能でも提供することができる。

追加的なトランスポートヘッダがタグ情報に追加されてもよい。追加的なトランスポートヘッダにより、パケット転送ルールまたはプロトコルに従って転送するためにトランスポートヘッダを使用することにより、例えばＳＦＣドメインでパケットを効率的に誘導することが可能となる。

フローに対する追加的なメタデータがキャッシュに保存され前記タグ情報に関連づけられてもよい。フローに関連する追加的なメタデータまたは任意の他の諸情報が、ネットワーク機能に対する追加的な情報を提供することができ、データトラフィックの効率的な扱いをさらに向上させてフレキシビリティを拡大することにより、ネットワーク機能がより広い範囲のタスクを実行することが可能となる。

タグ情報を用いて前記キャッシュに問合せをした後、受信されるヘッダ情報が、該問合せを開始した前記ネットワーク機能によってローカルにキャッシュされてもよい。ローカルなキャッシングにより、ネットワーク機能によって同一フローのあらゆる到着パケットに対してキャッシュの問合せを繰り返すことが回避されるため、効率がさらに向上する。

第２のキャッシュが前記キャッシュの情報の少なくとも一部を保存し、該第２のキャッシュは前記キャッシュと同期してもよい。前記第２のキャッシュは、ｄ）の第１のキャッシュとネットワーク機能との間のトランザクションの交換を低減する。また、前記第２のキャッシュにより、フローが、したがって作業負荷がネットワーク機能とキャッシュとの間で分散するため、フレキシビリティが向上する。

前記キャッシュが前記ネットワーク機能間で分散されてもよい。これにより、仮想ネットワーク機能と仮想的な分散された第２のキャッシュの複数のインスタンス間でフローの分散が可能となることによって、作業負荷がさらに低減される。

各ネットワーク機能が、前記対応するネットワーク機能によって処理されたフローに対するマッピングをキャッシュしてもよい。これにより、あらゆる到着パケットによって対応するフローのキャッシュの問合せを繰り返すことが回避される。

ｄ）の前記キャッシュが複数のキャッシュを含み、ネットワーク機能は相異なるグループに割り当てられ、前記グループのそれぞれが前記複数のキャッシュのうちの相異なるキャッシュを使用してもよい。これにより、ネットワーク機能のグループによって使用されるキャッシュがさらに拡張され、フレキシビリティおよび効率的扱いが向上する。

ｆ）がネットワーク機能によって実行されてもよい。これは、フローおよび対応する作業負荷が例えば複数の仮想ネットワーク機能間で分散されることが可能であるという効果を有する。

少なくとも１つのネットワーク機能が仮想化される。仮想化は、対応する処理負荷およびネットワークトラフィックを分散させる効果を有する。また、コンピューティングリソース、ネットワークリソース、メモリリソース等の使用に関するフレキシビリティが向上する。

ネットワーク機能の処理スコープが判定されてもよく、該処理スコープに基づいて、前記ヘッダ情報が分離される。例えば、分類機能がそれぞれのネットワーク機能の処理スコープと、フローのパケットが処理される最高のプロトコルレベルを判定する。その場合、そのプロトコルレベルより上位の任意の他のヘッダは、前記分離機能によって分離される。これにより、処理に必要なヘッダに対するプロトコルレベルのみを残した効率的扱いが可能となる。

前記１個以上のコンピューティングエンティティは、前記キャッシュの前記対応するヘッダ情報でタグ情報を置換するように適応してもよい。これにより、あるサービスチェインを構成するすべてのネットワーク機能によってパケットが処理されるときまで、ヘッダはその元の構造で提供され、適宜ネットワーク機能による処理によって値が修正されて提供されることが保証される。こうして、ネットワーク内でのさらなる処理が容易に可能となる。

前記システムは、サービス要求に従った処理のためにネットワーク機能にフローのパケットを誘導することによりサービス要求に従ってフローを制御すること、および／または前記キャッシュをホストすること、に適応したコントローラをさらに備えてもよい。これにより、パケットと、前記キャッシュに保存されたマッピングとの集中的な扱いが可能となる。前記コントローラは、転送機能ＦＦを通じてその制御を拡大してもよい。

本発明を好ましい態様で実施するにはいくつもの可能性がある。このためには、一方で請求項に従属する諸請求項を参照しつつ、他方で図面により例示された本発明のさらなる実施形態についての以下の説明を参照されたい。図面を用いて本発明のさらなる実施形態を説明する際には、本発明の教示によるさらなる実施形態一般およびその変形例について説明する。

従来の３ＧＰＰネットワークを模式的に示す図である。 図１に示したＳＦＣドメインをより詳細に示す図である。 本発明の一実施形態によるシステムおよび方法を示す図である。 本発明のさらなる実施形態による方法の一部を示す図である。 本発明のさらなる実施形態による方法の一部を示す図である。 本発明のさらなる実施形態による方法の一部を示す図である。

図１は、従来の３ＧＰＰネットワークを模式的に示す。

図１には、３ＧＰＰ ＥＰＣネットワークに関するＳＦＣドメインが示されている。図１については上記で説明した。

図２は、図１に示したＳＦＣドメインをより詳細に示す。

図２には、従来のＳＦＣドメインの機能的概要が示されている。図２についても上記で説明した。

図３は、本発明の一実施形態によるシステムおよび方法を示す。

図３には、方法およびシステムの実施形態の概念的概要が模式的に示されている。

本システムは以下の機能要素を含む。

１．分類機能ＣＦ。これは、フローのパケットヘッダおよび／またはＳＬＡ情報に基づいてフローを識別し分類する。これはまた、当該フローによって要求されるサービスのセットおよびサービスが適用される順序を判定する。分類機能ＣＦは、仮想機能として実現されてもよい。

２．ヘッダ分離機能（header stripping function, ＨＳＦ）。これは、入力パケットからそのヘッダを分離し、関連するペイロードを取り出す。これは、サービス機能チェイニングＳＦＣドメイン内でパケットを誘導するために、分離したヘッダをタグおよび追加的なトランスポートヘッダＴＨで置換する。ヘッダ分離機能ＨＳＦは、アドレス／ポートフィルタリング（ファイアウォール）のネットワーク機能を含むことも可能である。負荷バランサ（図３には図示せず）が、複数の分類機能ＣＦ／ヘッダ分離機能ＨＳＦのインスタンス間でトラフィックを割り振る。したがって、クラシファイアが分類のために過負荷となっても、ヘッダ分離機能ＨＳＦによって既に分離されている（したがってチェインで利用可能でない）情報に従ってトラフィックを既にフィルタリングしている。この機能の仮想化されたインスタンスは、仮想化ヘッダ分離機能（virtualized header stripping function, ＶＨＳＦ）と呼ばれる。

３．ヘッダ付加機能（header appending function, ＨＡＦ）。これは、ヘッダ付加機能ＨＡＦがＮＡ（Ｐ）Ｔのためのポリシーを適用するのに過負荷となった場合に、出力パケットにその元のヘッダまたは更新されたヘッダを付加する。この機能の仮想化されたインスタンスは、仮想化ヘッダ付加機能（virtualized header appending function, ＶＨＡＦ）と呼ばれる。

４．フローｉｄ結合キャッシュ（flow-id binding cache, ＦＢＣ）。これは、すべてのフローについて、タグｉｄ（これはフローを識別する）とパケットの分離されたヘッダ情報との間のマッピングを保持するマスタキャッシュである。これは、サービス機能チェイニングＳＦＣコントローラ内に共同配置されてもよいし、別個のキャッシュとして実現されてもよい。

５．二次フローｉｄ結合キャッシュ（secondary flow-id binding cache, ｓＦＢＣ）。これは、フローｉｄ結合キャッシュＦＢＣのサブセットエントリのコピーを含む。これは、ヘッダ付加機能ＨＡＦ内に共同配置されてもよいし、分散キャッシュとして実現されてもよい。

６．サービス機能チェイニングＳＦＣマップ。これは、サービス機能チェイニングＳＦＣに対して、関連するフロー、ＶＮＦＦＧおよび関連するＶＨＡＦ／二次フローｉｄ結合キャッシュｓＦＢＣを示す完全なマップを規定する。

サービス機能チェイニングＳＦＣドメインに到着するパケットは、まず、識別され、分類され、そのサービス要求が前記分類機能ＣＦによって判定される。分類は、事業者が指定したポリシー／ルールに基づくことが可能である。そのようなポリシー／ルールは、３ＧＰＰベースのモバイルネットワークにおけるＰＣＲＦ／ＨＳＳのようなモバイルネットワークの制御プレーンエンティティによって提供される情報から分類機能ＣＦがアクセス／導出することが可能である。分類ポリシー／ルールは、パケットヘッダ内の情報（例えばＬ２−Ｌ４ヘッダ情報）を考慮しているため、それによりシステムは、フローとそのアプリケーションタイプを識別し、フローのＳＬＡを判定することができる。これに基づいて、分類機能ＣＦは、フローに対するＶＮＦＦＧを導出することにより、サービス機能チェイニングＳＦＣを判定する。

ＶＮＦＦＧは、サービスチェインＳＣ内の関連する仮想化ネットワーク機能ＶＮＦを識別するとともに、サービスチェインＳＣ内のそれらの順序も指定する。ＶＮＦＦＧが計算されると、分類機能ＣＦは、それぞれの仮想化ネットワーク機能ＶＮＦの処理スコープを判定し、フローのパケットが処理される最高のプロトコルレベルを判定する。

そのプロトコルレベルより上位の任意の他のヘッダは、ヘッダ分離機能ＨＳＦによって分離される。ヘッダ分離機能ＨＳＦは、分類機能ＣＦと共同配置されることも、分類機能ＣＦを実行する仮想化された機能エンティティ（すなわち仮想ヘッダ分離機能ＶＨＳＦ）であることも可能である。分類機能ＣＦ（または別個の機能として実現される場合にはヘッダ分離機能ＨＳＦ）は、タグと呼ばれる一意的なサービス機能チェイニングＳＦＣヘッダを生成し付加する。このタグは、フローを他のフローから一意的に識別し、同じフローに属するすべてのパケットには同じタグが付加される。標準のＴＨもまた、サービス機能チェイニングＳＦＣドメイン内の転送機能ＦＦによるトラフィックのトランスポートのために付加される。ＴＨは、標準のＭＰＬＳまたはＧＲＥヘッダであることも、転送機能ＦＦによって識別可能なＶｘＬＡＮベースのカプセル化であることも可能である。単純化されたタグが定義されてもよい。これは、フローおよびサービスチェインＳＣを識別するために使用されるだけでなく、トラフィック誘導のためにサービス機能チェイニングＳＦＣドメインの下位トランスポートネットワークで転送機能ＦＦによって使用されてもよい。一方、このタグのスコープ／フォーマットは、サービス機能チェイニングＳＦＣドメインに固有であり、フローに対して指定されたサービス機能チェイニングＳＦＣ内で、ある仮想化ネットワーク機能ＶＮＦから次の仮想化ネットワーク機能ＶＮＦへパケットを誘導するために転送機能ＦＦによって使用される。例えば、これは、ＳＤＮ（software-defined network）ベースのコントローラおよびスイッチに影響を及ぼし得る。この場合、それらのコントローラおよびスイッチは、タグを理解し処理する必要がある。その最も単純な形態において、タグはフロー識別のための一意的ｉｄおよびペイロードサイズを含むことが可能であり、これにより、処理を行う仮想化ネットワーク機能ＶＮＦはペイロードの位置を知ることが可能となる。

その後、分類機能ＣＦは、サービス機能チェイニングＳＦＣコントローラに対して、フローについて導出したタグｉｄ、ＴＨおよびＶＮＦＦＧを通知する。ＳＦＣコントローラは、ＶＮＦＦＧにおいて関連する仮想化ネットワーク機能ＶＮＦをインスタンス化し、タグｉｄまたはＴＨに基づいて下位の転送機能ＦＦにおけるパケット転送ルールを設定する。この目的のために、サービス機能チェイニングＳＦＣコントローラは、特定のサービス機能チェイニングＳＦＣに関連するフロー（タグｉｄによって識別される）を識別するサービス機能チェイニングＳＦＣマップを保持してもよい。サービス機能チェイニングＳＦＣマップは、ＶＮＦＦＧによって特徴づけられ、属している（Ｖ）ＨＡＦおよび二次フロー結合キャッシュｓＦＢＣをも示す。これを表１に例示する。表１において、例えば、ＳＦＣ−１はＶＮＦ１→ＶＮＦ２→ＶＮＦ３→ＶＮＦ７と、タグｉｄ１、３および５によって識別される３個のフローから構成され、サービスチェインＳＣを共有する。表１はまた、（Ｖ）ＨＡＦ−１およびｓＦＢＣ−１がＳＦＣ−１とＳＦＣ−２の間で共有されることも示している。

また、実施形態のシステムは、フローｉｄ結合キャッシュ（ＦＢＣ）と呼ばれるキャッシュに、パケットのタグとその元のヘッダとの間のマッピングを保持する。その概念的概要を表２に示す。

フローｉｄ結合キャッシュＦＢＣは、連想コンテナとして実現されることが可能である。この場合、パケットタグは、（仮想化）ヘッダ分離機能（Ｖ）ＨＳＦによって分離されたパケットの元のヘッダを参照するキーとして使用される。ヘッダ情報以外に、フローｉｄ結合キャッシュＦＢＣは、任意の追加的なメタ情報および／またはフローに関連する任意の諸情報を保持することも可能である。フローｉｄ結合キャッシュＦＢＣは、サービス機能チェイニングＳＦＣコントローラ（図３参照）の一部として保持／管理されることも、外部キャッシュとして実現されることも可能である。システムは、フローｉｄ結合キャッシュＦＢＣの分散されたインスタンスを含んでもよい。これらのインスタンスは、フローｉｄ結合キャッシュＦＢＣエントリのサブセットのコピーを保持し、二次フローｉｄ結合キャッシュｓＦＢＣと呼ばれる。図３は、二次フローｉｄ結合キャッシュｓＦＢＣを（Ｖ）ＨＡＦの一部として示しているが、二次フローｉｄ結合キャッシュｓＦＢＣが外部にある場合には、（Ｖ）ＨＡＦはそれへのアクセス権を有していなければならない。下位の仮想化ネットワーク機能ＶＮＦは、フローｉｄ結合キャッシュＦＢＣおよび二次フローｉｄ結合キャッシュｓＦＢＣの両方への読み／書きアクセスを有する。

図４は、本発明のさらなる実施形態による方法の一部を示す。

図４には、パケットの転送および処理の概要が示されている。また、仮想化ネットワーク機能ＶＮＦが問合せ要求（すなわち図４のｑｕｅｒ＿ｒｅｑメッセージ）をＦＢＣへ送ることによりタグｉｄを関連するヘッダ情報へと解決した後、これが応答メッセージ（すなわち図４のｑｕｅｒｙ＿ｒｅｐメッセージ）で仮想化ネットワーク機能ＶＮＦに返されることも示されている。

転送機能ＦＦは、トランスポートヘッダＴＨを分離し、（サービス機能チェイニングＳＦＣタグの付いた）パケットをサービスチェインＳＣ内の次ホップの仮想化ネットワーク機能ＶＮＦへ転送する。仮想化ネットワーク機能ＶＮＦはタグを分離し、ペイロードを処理し、タグを再付加し、それをサービスチェインＳＣ内の次の仮想化ネットワーク機能ＶＮＦへ、またはその宛先へ誘導するためにＦＦに送る。仮想化ネットワーク機能ＶＮＦは、パケットを処理するためにヘッダ情報を必要とする場合、ＦＢＣに問合せをしてタグｉｄに関連するヘッダ情報を解決し、必要な処理を実行する。仮想化ネットワーク機能ＶＮＦは、同一フローのあらゆる到着パケットに対してＦＢＣの問合せを繰り返すことを回避するために、自己のローカルキャッシュ内に、問合せをしたヘッダ情報を保存してもよい。

パケットは、サービス機能チェイニングＳＦＣ内の連続する仮想化ネットワーク機能ＶＮＦによって処理された後、ヘッダ付加機能（ＨＡＦ）（図３参照）へ転送される。タグｉｄに基づいて、ＨＡＦはＦＢＣに問合せをしてタグｉｄに関連するヘッダ情報を解決し、そのタグを除去し、（例えばＴＴＬフィールドに対する）元のまたは更新された値を採用してパケットに元のプロトコルヘッダを再付加（または再カプセル化）する。あらゆる到着パケットに対するヘッダ情報解決のためにＦＢＣの問合せを繰り返すことを回避するため、ＨＡＦは、ｓＦＢＣと呼ばれるローカルキャッシュ内に解決したヘッダのコピーを保持する。ｓＦＢＣは、ＨＡＦによってアクセス可能な分散キャッシュとして実現されてもよい。フロー（すなわちセッション）が終了またはタイムアウトすると、ＦＢＣ内の対応するエントリは削除されることが可能であり、サービス機能チェイニングＳＦＣコントローラはそのキャッシュから対応するエントリを除去するようにｓＦＢＣに通知することも可能である。

図５は、本発明のさらなる実施形態による方法の一部を示す。

図５には、ＶＨＡＦとｓＦＢＣの利用を例示する例示的ケースが示されている。ここで、ＨＡＦは仮想化ネットワーク機能ＶＮＦとして、すなわち仮想化ヘッダ付加機能ＶＨＡＦとして実現される。これは、仮想ヘッダ付加機能ＶＨＡＦの複数のインスタンス間でフローおよび作業負荷を分散する効果を有する。図５には、以下のことが示されている。４個のサービス機能チェイニングＳＦＣがあり、ＳＦＣ−１およびＳＦＣ−２はＶＨＡＦ−１およびｓＦＢＣ−１の下にグループ化される一方、ＳＦＣ−３およびＳＦＣ−４はＶＨＡＦ−２およびｓＦＢＣ−２の下にグループ化される。ｓＦＢＣは共同配置されることも可能であるが、ここでは分散キャッシュとみなされる。ＶＨＡＦおよびｓＦＢＣの特定のインスタンスへのサービス機能チェインＳＦＣのグルーピングあるいはメンバシップは、サービス機能チェイニングＳＦＣコントローラによって決定され、下位のＦＦの転送ルールに示される。こうして、これらのサービス機能チェインＳＦＣのいずれかに属するすべてのフローが、それぞれのＶＨＡＦおよびｓＦＢＣによってサービスされる。ｓＦＢＣは、メンバのサービス機能チェインＳＦＣの一部であるフローのマッピングのみを保持する。換言すれば、ｓＦＢＣは、メンバのフローに関連するＦＢＣエントリのサブセットを含む。サービス機能チェイニングＳＦＣ内のすべての仮想化ネットワーク機能ＶＮＦはそれぞれのｓＦＢＣおよびＦＢＣへの読み／書きアクセスを有し、ｓＦＢＣは、特定の仮想化ネットワーク機能ＶＮＦが分離したヘッダフィールドで生じ得る変更についてＦＢＣとの同期を維持する。

図６は、本発明のさらなる実施形態による方法の一部を示す。

図６には、分離されたＬ３ヘッダのフィールドエントリを修正する仮想化スケジューラ機能の概要が模式的プロセスとして示されている。

図６は、パケットが到着したときに輻輳の状態を反映するためにＩＰヘッダ内のＥＣＮコードポイントをエンコードする必要があるような、サービスチェイン内の中間仮想ネットワーク機能の使用事例を示している。図６のサービス機能チェイニングＳＦＣは、仮想ファイアウォールアプリケーション機能（virtual firewall application function, ｖＦＷ）、仮想化動画オプティマイザ機能（virtualized video optimizer function, ｖＶｉｄＯｐｔ）、仮想化トラフィックシェーパ／スケジューラ機能（virtualized traffic shaper/scheduler function, ｖＳｃｈｅｄ）および仮想化ＮＡ（Ｐ）Ｔ機能（virtualized NA(P)T function, ｖＮＡＰＴ）から構成される。このサービス機能チェイニングＳＦＣに属するフローは、ｖＦＷによって許可された後、ｖＶｉｄＯｐｔ機能へ転送される。ｖＶｉｄＯｐｔ機能は、相異なるフローのパケットに対して動画最適化機能（トランスコーディング、トランスレーティング、トランスサイジング、トランスマクシング等）を実行する。ｖＶｉｄＯｐｔは、図４を参照して示したように、タグｉｄを用いてＦＢＣで解決したヘッダ情報に基づいてフローどうしを区別することができる。そしてパケットはｖＳｃｈｅｄへ転送される。ｖＳｃｈｅｄは、何らかのスケジューリングアルゴリズムに基づいてフロー間のスケジューリングを行うとともに、輻輳を検出する。ヘッダ情報に基づくスケジューリングのためにフロー間に優先順位を付けるため、ｖＳｃｈｅｄは、入力パケットのタグｉｄに関連するヘッダ情報（Ｌ３ヘッダと仮定）を解決し、それをローカルキャッシュに保存する必要がある。こうして、ｖＳｃｈｅｄは、フローの最初のパケットを受信すると、タグｉｄに基づいてＬ３ヘッダについてｓＦＢＣに問合せをする（図６のメッセージ［１］）。ｓＦＢＣは問合せに応答し、Ｌ３ヘッダのコピーをｖＳｃｈｅｄ機能に提供する（図６のメッセージ［２］）。

ｖＳｃｈｅｄは、そのローカルキャッシュにＬ３ヘッダ情報を保存し、そのソースおよび／または宛先ＩＰアドレスに基づいて、何らかの所定のルール／ポリシーに基づくフロー優先度を識別する。一部のフローは、ある高優先度のフローおよび／または高負荷の存在により、ｖＳｃｈｅｄで輻輳を受ける可能性がある。そこで、ｖＳｃｈｅｄは、スケジューリング優先度が低いため遅延を受けているフローのＩＰヘッダに明示的輻輳通知（explicit congestion notification, ＥＣＮ）コードポイントを設定することによって、輻輳をエンドホストに通知する必要がある。こうして、ｖＳｃｈｅｄは、通知メッセージを送ることによって、関連するフローのＩＰヘッダのＤｉｆｆＳｅｒｖフィールド内のＥＣＮビットのステータスの変更をｓＦＢＣに通知する。この通知メッセージ（図６のメッセージ［３］）は、タグｉｄと修正されたＬ３ヘッダ情報を含み、この情報はｓＦＢＣによってキャッシュ内の対応するエントリを更新するために使用される。ｓＦＢＣは、その変更をＦＢＣにも通知し（図６のメッセージ［４］）、ＦＢＣはその対応するエントリを更新する。そして、ＦＢＣは、特定のフローのヘッダ情報に対してなされた変更をサービス機能チェイニングＳＦＣコントローラに通知する（図６のメッセージ［５］）。メッセージ［５］は、ヘッダ情報を修正したＳＦＣｉｄ、タグｉｄおよびＶＮＦｉｄをサービス機能チェイニングＳＦＣコントローラに対して示す。

制御ポリシーに応じて、サービス機能チェイニングＳＦＣコントローラは、例えば１個以上の追加的なｖＳｃｈｅｄインスタンスをインスタンス化しそれらの間で負荷を分散することによってｖＳｃｈｅｄの仮想化ネットワーク機能ＶＮＦインスタンスを拡大することにより、輻輳の状態を軽減するために必要な管理アクションを行う決定をしてもよい。このようなアクションは、ｖＳｃｈｅｄ機能の新たにインスタンス化されたインスタンスに一部のフローを再割当することを必要とし、その結果としてサービス機能チェイニングＳＦＣマップに変更が生じる。そこで、サービス機能チェイニングＳＦＣコントローラは、サービス機能チェイニングＳＦＣマップ内の対応するエントリを更新し、タグｉｄによって識別されるそれぞれのフローに対するＶＮＦＦＧを修正するように転送機能ＦＦに通知する（図６のメッセージ［６］）。（Ｖ）ＨＡＦでは、エンドホストに輻輳の状態を示す修正されたヘッダがパケットに再付加される。こうして、輻輳の状態が変化すると、ｖＳｃｈｅｄは、あらゆる到着パケットに対してヘッダを解析してヘッダ内のＥＣＮコードポイントを示す代わりに、これを１回行うだけとなる。同様に、任意の（例えばｖＶｉｄＯｐｔ機能によって導入される）メタデータ情報は、あらゆるパケットに導入される代わりに、ｓＦＢＣ／ＦＢＣキャッシュに１回だけ書き込まれ、ＨＡＦによって出力パケットに付加されればよい。

仮想化プロキシＴＣＰ機能の場合、ＴＣＰヘッダフィールドに対する同様の変更もまた、ｓＦＢＣおよびＦＢＣで更新されることが可能である。換言すれば、分離されたヘッダ内の任意のフィールドを更新する必要のある任意の機能は、上記の方法を使用することが可能である。このことの効果は、このような機能は１回、すなわち最初のパケットに対して、変更を書き込むだけでよく、他のパケットはそのまま通過することである。

別の実施形態では、ｓＦＢＣキャッシュは、別個のキャッシュとして実現される代わりに、仮想化ネットワーク機能ＶＮＦの一部とされてもよい。こうして、仮想化ネットワーク機能ＶＮＦは、関連するフローに対するＦＢＣキャッシュの自己のローカルコピーを保持し、メインＦＢＣキャッシュと同期した状態に保つ。

要約すれば、本発明の一実施形態は、システムが、パケットのアクセスヘッダを分離して、サービスチェインを構成する複数の仮想化機能による処理に関連するペイロードを取り出すことを可能にする方法およびシステムを提供する。本システムは以下のものを備える。
１．入力パケットのヘッダを除去し、サービス機能チェイニングＳＦＣ内で仮想化ネットワーク機能ＶＮＦが処理する必要のあるペイロードを取り出すヘッダ分離機能。
ａ．分離されたヘッダは、フローのパケットを識別する識別子、すなわちタグｉｄで置換される。また、分離されたヘッダは、ＦＢＣと称するキャッシュ内の識別子に関連づけられる。
ｂ．ＦＢＣは、ヘッダおよびメタデータ情報および／または任意の他の関連情報とタグｉｄとのマップを保持する。
２．元のまたは修正されたヘッダで出力パケットのペイロードを再カプセル化するヘッダ付加機能ＨＡＦ。
ａ．元のまたは修正されたヘッダは、タグｉｄを参照キーとして使用して、ＦＢＣまたは共同配置されたｓＦＢＣからアクセスされる。
ｂ．ＦＢＣキャッシュは集中化されることも可能であり、また、ＦＢＣキャッシュの分散されたインスタンス（二次ＦＢＣ（ｓＦＢＣ）と称する）であってもよく、この場合、各ｓＦＢＣはＦＢＣエントリのサブセットを含む。
ｃ．ｓＦＢＣは（Ｖ）ＨＡＦとともに、（Ｖ）ＨＡＦとＦＢＣとの間のトランザクションの交換を低減する。
３．ＨＡＦの仮想化インスタンス（すなわちＶＨＡＦ）とＦＢＣキャッシュの分散されたインスタンス（すなわちｓＦＢＣ）により、ＶＨＡＦとｓＦＢＣの複数のインスタンス間でフロー、したがって作業負荷が分散される。
４．ヘッダ修正はリモートキャッシュ（ＦＢＣ）における１回であり、パケットに対して直接にではない。
５．あらゆるフローに対してチェイン内でＳＦにより修正されたヘッダの記録／書き込みは１回である。

さらなる実施形態において、本発明は、チェインの仮想化ネットワーク機能ＶＮＦ間でＦＢＣの分散を行う。各仮想化ネットワーク機能ＶＮＦは、メンバフローに対するＦＢＣエントリを提示し保持する。これにより、仮想化ネットワークＶＮＦは、付加されたタグによって識別される対応するフローのヘッダ情報へのローカルな読み／書きアクセスを有することが可能となる。

さらなる実施形態において、本発明は、以下のステップを備えた方法を提供する。
１．フローを分類し、それらをサービス機能チェイニングＳＦＣとして識別することにより、サービス機能チェインＳＦＣを可能にする。
２．ヘッダ情報を分離し、サービスチェインＳＣ内の仮想化ネットワーク機能ＶＮＦに関連するペイロードを取り出す。
３．分離されたヘッダを識別子（すなわちタグ）で置換し、そのタグを関連するヘッダとともに連想キャッシュに保存する。ヘッダ情報はタグｉｄに基づいてアクセス（読み／書きアクセス）可能である。
４．パケットは、下位のトランスポートプロトコルに従うトランスポートヘッダに基づいて、下位のトランスポートネットワークによって、ある仮想化ネットワーク機能ＶＮＦから次の仮想化ネットワーク機能ＶＮＦへ転送される。
５．チェイン内のそれぞれの転送先の仮想化ネットワーク機能ＶＮＦは、タグｉｄとヘッダ情報との間の結合を保持する連想キャッシュに問合せをすることによって、パケットをそのタグｉｄに基づいて識別する。
６．仮想化ネットワーク機能ＶＮＦがパケットヘッダに導入しようとする変更があれば１回行われ、キャッシュ内の関連するエントリに書き込まれる。
７．フローのパケットは、サービス機能チェイニングＳＦＣドメインを去る前に、タグが分離され、元の／修正されたヘッダが付加される。

本発明の少なくとも１つの実施形態は、以下の少なくとも１つを提供する。
１．チェイン内の複数のＳＦによってなされるヘッダ修正をまとめてそれらを（Ｖ）ＨＡＦで１回適用する能力。
２．サービス機能チェイニングＳＦＣにおける仮想化ネットワーク機能ＶＮＦによる処理に関連しない可能性のあるヘッダを分離することによりパケットサイズを低減する能力。これは、あらゆるパケットに対するあらゆる仮想化ネットワーク機能ＶＮＦによるヘッダ解析等の処理オーバーヘッドおよび関連するコストを大幅に低減する。
３．分離されたヘッダフィールドにおける修正変更が依然として可能なシステム。このような修正は、パケットに対して１回実行するだけでよく、あらゆる入力パケットに対して繰り返す必要はない。

少なくとも１つの実施形態は、以下の効果の少なくとも１つを提供する。
１．あらゆる個別のパケットに対してチェイン内であらゆる仮想化ネットワーク機能ＶＮＦによるヘッダ解析を大幅に低減することにより、サービス機能チェイニングＳＦＣドメインにおけるパケットの処理オーバーヘッドが低減されること。
２．パケット／フローに関連する任意の余分なヘッダ／メタデータがＦＢＣに書き込まれ、パケット自体には書き込まれないことにより、サービス機能チェイニングＳＦＣドメインにおけるパケットの断片化および再組立の可能性が除去されること。
３．仮想化ネットワーク機能ＶＮＦによって消費される計算、ネットワーク等のリソースの利用が最適化されること。
４．分離されたヘッダにより、サービス機能チェイニングＳＦＣドメインにおけるバイト負荷が低減されること。

本発明の実施形態または実施形態の一部は、仮想化および／または非仮想化されて使用または提供されることが可能である。

上記の説明および添付図面の記載に基づいて、当業者は本発明の多くの変形例および他の実施形態に想到し得るであろう。したがって、本発明は、開示した具体的実施形態に限定されるものではなく、変形例および他の実施形態も、添付の特許請求の範囲内に含まれるものと解すべきである。本明細書では特定の用語を用いているが、それらは総称的・説明的意味でのみ用いられており、限定を目的としたものではない。

Claims (14)

1. コンピューティングネットワークにおけるデータトラフィックを管理する方法において、データトラフィックはパケットのフローを通じてコンピューティングネットワーク内で伝送され、１個以上のパケットが１個以上のネットワーク機能によって処理され、
   ａ）識別されたフローの前記１個以上のパケットを処理するための処理情報が判定機能によって判定され、
   ｂ）ヘッダ情報が分離機能によって前記１個以上のパケットから分離され、
   ｃ）タグ情報がタグ追加機能によって前記１個以上のパケットに追加され、
   ｄ）前記タグ情報と前記ヘッダ情報との間のマッピングがマッピング機能によってキャッシュに保存され、
   ｅ）前記パケットが前記識別された処理情報に従って前記１個以上のネットワーク機能によって処理され、前記１個以上のパケットを処理するために必要であれば前記１個以上のネットワーク機能は前記タグ情報を用いて前記キャッシュに問合せをすることにより前記キャッシュからタグ情報に関連する情報を取得し、
   前記ヘッダ情報は、変更がネットワーク機能によって導入されたときにキャッシュ内で更新されることを特徴とする、データトラフィックを管理する方法。
2. ｆ）すべてのネットワーク機能によって前記１個以上のパケットを処理した後、タグ情報が前記キャッシュの前記マッピングにおける前記タグ情報に対応するヘッダ情報で置換されるステップ
   をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 追加的なトランスポートヘッダがタグ情報に追加されることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
4. フローに対する追加的なメタデータがキャッシュに保存され前記タグ情報に関連づけられることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の方法。
5. タグ情報を用いて前記キャッシュに問合せをした後、受信されるヘッダ情報が、該問合せを開始した前記ネットワーク機能によってローカルにキャッシュされることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の方法。
6. 第２のキャッシュが前記キャッシュの情報の少なくとも一部を保存し、該第２のキャッシュは前記キャッシュと同期することを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記キャッシュおよび／または前記第２のキャッシュが前記ネットワーク機能間で分散されることを特徴とする請求項６のいずれか１項に記載の方法。
8. 各ネットワーク機能が、前記ネットワーク機能によって処理されたフローに対するマッピングをキャッシュすることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載の方法。
9. ｄ）の前記キャッシュが複数のキャッシュを含み、ネットワーク機能は相異なるグループに割り当てられ、前記グループのそれぞれが前記複数のキャッシュのうちの相異なるキャッシュを使用することを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１項に記載の方法。
10. ｆ）がネットワーク機能によって実行されることを特徴とする請求項２記載の方法。
11. 少なくとも１つのネットワーク機能が仮想化されることを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の方法。
12. ネットワーク機能の処理スコープが判定され、該処理スコープに基づいて、前記ヘッダ情報が分離されることを特徴とする請求項１ないし１１のいずれか１項に記載の方法。
13. コンピューティングネットワークにおけるデータトラフィックを管理するシステムにおいて、データトラフィックはパケットのフローを通じてコンピューティングネットワーク内で伝送され、１個以上のパケットが１個以上のネットワークエンティティによって提供される１個以上のネットワーク機能によって処理され、該システムが、
    パケットのフローを受信する１個以上の入力インタフェースと、
    パケットのフローを出力する１個以上の出力インタフェースと、
    情報を保存する少なくとも１つのキャッシュと、
    入力および出力インタフェースの少なくとも１つに接続された１個以上のコンピューティングエンティティであって、識別されたフローの前記１個以上のパケットを処理するための処理情報を判定し、前記１個以上のパケットからヘッダ情報を分離し、前記パケットにタグ情報を追加し、前記タグ情報と前記ヘッダ情報との間のマッピングを前記キャッシュに保存し、前記識別された処理情報に従って前記１個以上のネットワーク機能によって前記１個以上のパケットを処理するように適応し、前記１個以上のパケットを処理するために必要であれば前記１個以上のネットワーク機能は前記タグ情報を用いて前記キャッシュに問合せをすることにより前記キャッシュからタグ情報に関連する情報を取得する、１個以上のコンピューティングエンティティと
    を備え、
    前記ヘッダ情報は、変更がネットワーク機能によって導入されたときにキャッシュ内で更新されることを特徴とする、データトラフィックを管理するシステム。
14. サービス要求に従った処理のためにネットワーク機能にフローのパケットを誘導することによりサービス要求に従ってフローを制御すること、および／または前記キャッシュをホストすること、に適応したコントローラをさらに備えたことを特徴とする請求項１３に記載のシステム。
    

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