JP7435743B2 - ルータ装置、パケット転送方法及びパケット転送プログラム - Google Patents

Description

本開示は、パケットの転送を行うシステムに関する。

通常のルータは、到着したパケットの宛先ＩＰ（Ｉｎｔｅｒｎｅｔ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ）アドレスに応じてルーティングテーブルを参照し、適切なインターフェースからパケットを配送する機能を持つ。一方で、高度なネットワーキングが必要なシステムでは、アプリケーションレイヤと連動したパケットヘッダの書き換えや、パケット自体の複製及びカプセル化が求められる場合がある。

ＰＢＲ（Ｐｏｌｉｃｙ－Ｂａｓｅｄ Ｒｏｕｔｉｎｇ）と呼ばれる技術を用いると、送信元ＩＰアドレスやポート番号などパケットヘッダの複数の情報（５ｔｕｐｌｅ）に基づいてルーティングを行うことが可能である。

ＵＳ５５１９７０４（Ｒｅｌｉａｂｌｅ ｔｒａｎｓｐｏｒｔ ｐｒｏｔｏｃｏｌ ｆｏｒ ｉｎｔｅｒｎｅｔｗｏｒｋ ｒｏｕｔｉｎｇ） ＵＳ２００９／０３２３６８１（Ｐｏｌｉｃｙ－ｂａｓｅｄ ｒｏｕｔｉｎｇ ｉｎ ａ ｍｕｌｔｉ－ｈｏｍｅｄ ｃｏｍｐｕｔｅｒ）

ＰＢＲでは、５ｔｕｐｌｅにマッチしたパケットのルーティングや破棄しかできず、ヘッダの書き換えには非対応である。ルータに新しいネットワーキング機能を追加するには、開発コストがかかる上、そのような特殊なパケットの操作を、ルーティングの前段（ｐｒｅ－ｒｏｕｔｉｎｇ）と後段（ｐｏｓｔ－ｒｏｕｔｉｎｇ）のどちらで実行すべきかはユースケースに依存する。

本開示は、受信したパケットをルーティングして送信するルーティング機能手段と該パケットに対して所望の操作を実行する機能手段とを備えるルータ装置において、新しいネットワーキング機能を容易に追加可能にすることを目的とする。

本開示は、受信したパケットをルーティングして送信するルーティング手段と該パケットに対して所望の操作を実行する機能手段とを備えるルータ装置において、各手段をモジュール化し、それぞれモジュール化されたルーティング手段と機能手段との間の通信パスとして仮想インターフェースまたはメモリを備える。

具体的には、本開示に係るルータ装置は、
パケットのルーティング処理を行うルーティングモジュールと、
前記ルーティングモジュールでルーティング処理を行うパケットに対して任意の操作を実行する機能モジュールと、
前記ルーティングモジュールと前記機能モジュールとを接続する通信パスを設定するコンフィグモジュールと、
を備える。

具体的には、本開示に係るパケット転送方法は、
コンフィグモジュールが、ルーティングモジュールと機能モジュールとを接続する通信パスを設定し、
前記ルーティングモジュールが、ルータ装置に流入したパケットのルーティング処理を行い、
前記機能モジュールが、ルータ装置に流入したパケットに対して任意の操作を実行し、
前記通信パスが、前記ルーティングモジュールと前記機能モジュールとの間のパケットの転送を行う。

具体的には、本開示に係るパケット転送プログラムは、本開示に係るルータ装置に備わる各機能をコンピュータに実現させるためのプログラムであり、本開示に係るパケット転送方法に備わる各ステップをコンピュータに実行させるためのプログラムである。

本開示によれば、モジュールごとの通信パスを取り決めたことにより、モジュールごとでの切り出しや置き換えが柔軟に可能になる。このため、本開示は、受信したパケットをルーティングして送信するルーティング機能手段と該パケットに対して所望の操作を実行する機能手段とを備えるルータ装置において、各モジュールを容易に置き換えることができ、新しいネットワーキング機能を追加したシステムを容易に構築することが可能となる。

物理ルータの構成例を示す。 一般的なソフトウェアルータの構成例を示す。 本開示に係るモジュール型ルータシステムの構成例を示す。 仮想／物理インターフェース経由での接続例であり、（ａ）は仮想マシン上への機能モジュールの展開例を示し、（ｂ）はコンテナへの機能モジュールの展開例を示し、（ｃ）は複数ホスト上へのモジュールの展開例を示す。 メモリ経由での接続例であり、（ａ）は同一ホスト上への機能モジュールの展開例を示し、（ｂ）は複数ホスト上へのモジュールの展開例を示す。 ｐｒｅ－ｒｏｕｔｉｎｇ構成の一例を示す。 ｐｏｓｔ－ｒｏｕｔｉｎｇ構成の一例を示す。 ｉｎｔｒａ－ｒｏｕｔｉｎｇ構成の一例を示す。

以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本開示は、以下に示す実施形態に限定されるものではない。これらの実施の例は例示に過ぎず、本開示は当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した形態で実施することができる。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。

（関連技術の構成）
図１に、物理ルータの構成例を示す。物理ルータ（ＡＳＩＣ：Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）は、データプレーン・コントロールプレーンをモノリシックに構成した一体のシステムである。機能の追加や構成変更には、規格に準じた新規モジュールの追加開発や物理的なモジュールの入れ替えが必要である。

図２に、一般的なソフトウェアルータの構成例を示す。一般的なソフトウェアルータは、コンポーネントの一部としてコンフィグモジュールや機能モジュールをソフトウェアに内包している。一部の切り出しや置き換えは基本的に不可能であり、機能の追加や構成変更には、ソフトウェア全体のアップデートが必要である。

（本開示のポイント）
関連技術のルータでは、ネットワーキング機能を拡張する際、モノリシックなルータシステムの追加開発が必要であり、コストと期間を要した。そこで、本開示は、ルーティングモジュールと機能モジュール、コンフィグモジュールで構成されるモジュール型のルータシステムを提案する。
本開示は、このようなモジュール型のルータシステムを採用することで、既存のアプリケーション機能を組み合わせて任意の機能を持つルータシステムを実現可能にする。また本開示は、既存のパケット操作ソフトウェアとソフトウェアルータを連携させることで、追加開発の必要なく、ユーザの任意のタイミングでパケット操作を実施可能な多機能ルータシステムが構成可能である。

（本開示の構成）
図３に、本開示に係るモジュール型ルータシステムの構成例を示す。本開示に係るモジュール型ルータシステムは、次の３種類のモジュールが連携して１つのルータシステムを構成する。

・ルーティングモジュール１２
パケットを受信し、ルーティングテーブルに従ってパケットのＮｅｘｔＨｏｐを決定し、ヘッダを書き換えて適切なインターフェースからパケットを送信する、ＯＳＩ（Ｏｐｅｎ Ｓｙｓｔｅｍ Ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ）参照モデルにおけるＬ２及びＬ３のルーティング処理を行うモジュールである。
実施例：ソフトウェアルータ

・機能モジュール１１
通常のルーティングに限らず、パケットに行いたい任意の操作を実行するモジュールである。そのような操作としては、例えば、ＯＳＩ参照モデルにおけるＬ４以上の任意の処理を含み、ＯｐｅｎＦｌｏｗによるパケットの５ｔｕｐｌｅマッチアクションや、ＩＰＳによるインラインセキュリティ保護、キャッシュサーバによるＣＤＮ（Ｃｏｎｔｅｎｔ Ｄｅｌｉｖｅｒｙ Ｎｅｔｗｏｒｋ）の提供などが例示できる。パケットのマッチアクションは、パケットの送信元ＩＰ、送信元ポート番号、宛先ＩＰ、宛先ポート番号及びプロトコル番号に応じた処理を含む。
実施例：ソフトウェアＯｐｅｎＦｌｏｗスイッチ

・コンフィグモジュール１３
ルーティングモジュール１２及び機能モジュール１１の各モジュールに統合的なコンフィグを行うモジュールである。
実施例：Ｏｐｅｎｃｏｎｆｉｇｄ（ｇＲＰＣ（ＲＰＣ：Ｒｅｍｏｔｅ Ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ Ｃａｌｌ）による制御パス）

図３では、ルーティングモジュール１２、機能モジュール１１、及びコンフィグモジュール１３のすべてが１つの装置に備わり、ルータ装置を構成する例を示す。本開示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。

ルーティングモジュール１２、機能モジュール１１、及びコンフィグモジュール１３は、１つもしくは複数の物理サーバ上に展開されうる。各モジュールは、ホストＯＳなどの物理サーバに備わるホスト環境、仮想マシン又はコンテナなどの物理サーバ上に構成された仮想環境のいずれで動作してもよい。仮想マシンは、本開示においてＶＭ（Ｖｉｒｔｕａｌ Ｍａｃｈｉｎｅ）と省略されることがある。

モジュール間の通信パスは、例えば、仮想インターフェース又はメモリである。各モジュールの通信パスは、物理／仮想インターフェース経由での送受信、メモリの直接参照、いずれも用いることができる。インターフェースは、本開示においてＩＦ（ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）と省略されることがある。

本開示に係るモジュール型ルータシステムは、従来のソフトウェアルータの構成要素をオープンにし、モジュールごとの通信パスを取り決めたことにより、モジュールごとに切り出しや置き換えを柔軟に可能にしたものである。ルーティングモジュール１２の通信パスの仕様と合えば、コンフィグモジュール１３や機能モジュール１１がどのような処理でも構成可能にする。

ルーティングモジュール１２と機能モジュール１１との接続順序は、下記の３種のパターンがある。
・ｐｒｅ－ｒｏｕｔｉｎｇ：ルーティングモジュール１２でのルーティングの前に機能モジュール１１を通過する。
・ｉｎｔｒａ－ｒｏｕｔｉｎｇ：ルーティングモジュール１２でのルーティングの合間に機能モジュール１１を通過し戻ってくる。
・ｐｏｓｔ－ｒｏｕｔｉｎｇ：ルーティングモジュール１２でのルーティングの後に機能モジュール１１を通過する。

実施形態例として、機能モジュール１１にＯｐｅｎＦｌｏｗモジュールを用いる場合のパケット転送フローについて説明する。例えば、図３に示すモジュール型ルータシステムは、以下の構成を備える。
機能モジュール１１：ソフトウェアＯｐｅｎＦｌｏｗスイッチ
ホスト台数：１台
モジュール展開箇所：ルーティングモジュール１１についてはホスト、コンフィグモジュール１３についてはホスト、機能モジュール１２については仮想マシンである。
通信パス：仮想インターフェース
機能接続順序：ｐｒｅ－ｒｏｕｔｉｎｇ方式

ＯｐｅｎＦｌｏｗスイッチモジュールは、物理ＩＦ１５－１と接続された通信パスからパケットを受信し、ＯｐｅｎＦｌｏｗ処理を実行したのち、ルーティングモジュール１２と接続された通信パスへパケットを戻す。ＯｐｅｎＦｌｏｗコントローラはコンフィグモジュール１３が担い、設定されたフロールールの反映やパケットイン－パケットアウトに対応する。

ユーザはコンフィグモジュール１３に対してルーティングシステム全体のコンフィグを行う。例えば、本ルータシステムのユーザは、コンフィグモジュール１３に次の設定を行う。
設定１：ルーティングモジュール１２の設定
・ルーティングモジュール１２が制御する物理ＩＦおよび仮想ＩＦの割り当てとアドレス設定
設定２：機能モジュール１１の設定
・ソフトウェアＯｐｅｎＦｌｏｗスイッチが制御する仮想ＩＦの割り当て
・ソフトウェアＯｐｅｎＦｌｏｗスイッチのフロー設定

ルーティングモジュール１２と機能モジュール１１は、システム起動時に、コンフィグモジュール１３から設定を読み込み、そのコンフィグを自身のモジュールに反映することでコンフィグを設定させる。

図４及び図５に、ルーティングモジュール１２と機能モジュール１１の構成例を図示する。例示のため、全てｐｒｅ－ｒｏｕｔｉｎｇ方式だが、ｉｎｔｒａ－ｒｏｕｔｉｎｇ、ｐｏｓｔ－ｒｏｕｔｉｎｇの場合も同様に構成可能である。またコンフィグモジュール１３は省略するが、コンフィグモジュール１３はホスト、仮想マシン、コンテナのいずれの環境でも動作可能であり、複数ホスト環境でも動作可能である。

図４は、仮想／物理インターフェース経由での接続例を示す。図４（ａ）及び図４（ｂ）では、ルーティングモジュール１２及び機能モジュール１１が共通のホスト上に構築されている。図４（ａ）では仮想マシン２１上へ機能モジュール１１が展開されている。図４（ｂ）ではコンテナ２２へ機能モジュール１１が展開されている。

具体的には、仮想マシン２１及びコンテナ２２は仮想ＩＦ１４－１１及び１４－２ｂを備え、ルーティングモジュール１２は仮想ＩＦ１４－２ａを備える。仮想ＩＦ１４－１は物理ＩＦ１５－１と接続され、仮想ＩＦ１４－２ｂは仮想ＩＦ１４－２ａと接続される。ルーティングモジュール１２は物理ＩＦ１５－２と接続されている。ルーティングモジュール１２及び機能モジュール１１は、仮想ＩＦ１４－２ｂ及び仮想ＩＦ１４－２ａ経由でパケット転送を行う。

図４（ｃ）では、複数のホスト上へ機能モジュール１１及びルーティングモジュール１２が展開されている。具体的には、サーバ９２が機能モジュール１１、物理ＩＦ２５－１及び２５－２を備え、サーバ９３がルーティングモジュール１２、物理ＩＦ３５－１及び３５－２を備える。機能モジュール１１及びルーティングモジュール１２は、物理ＩＦ２５－２及び３５－１経由でパケット転送を行う。

図５は、メモリ経由での接続例を示す。図５（ａ）では、同一ホスト上へモジュール展開されている。図５（ｂ）では、複数のホスト上へ機能モジュール１１及びルーティングモジュール１２が展開されている。

具体的には、図５（ａ）の構成では、サーバ９１はメモリ２３を備え、機能モジュール１１及びルーティングモジュール１２はメモリ２３に接続されている。機能モジュール１１が処理結果をメモリ２３に書き込み、ルーティングモジュール１２がメモリ２３を参照する。

具体的には、図５（ｂ）の構成では、サーバ９２が機能モジュール１１、メモリ２３－１、物理ＩＦ２５－１及び２５－２を備え、サーバ９３がルーティングモジュール１２、メモリ２３－２、物理ＩＦ３５－１及び３５－２を備え、物理ＩＦ２５－２及び物理ＩＦ３５－１が接続されている。機能モジュール１１が処理結果をメモリ２３－１に書き込み、サーバ９３がＲＤＭＡ（Ｒｅｍｏｔｅ Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｍｏｒｙ Ａｃｃｅｓｓ）等によりメモリ２３－１を直接参照し、メモリ２３－２に書き込む。ルーティングモジュール１２は、メモリ２３－２を参照することで、機能モジュール１１の処理結果を取得する。

以下、機能モジュール１１にＯｐｅｎＦｌｏｗスイッチモジュールを用いた場合のルーティングモジュール１２と機能モジュール１１との接続順序を説明する。

図６は、ルーティングモジュール１２の前段に機能モジュール１１を配置するｐｒｅ－ｒｏｕｔｉｎｇ構成の一例を示す。仮想マシン２１上の機能モジュール１１で処理されたパケットがルーティングモジュール１２へ転送される。

図６は、ｐｒｅ－ｒｏｕｔｉｎｇ構成においてソフトウェアＯｐｅｎＦｌｏｗスイッチを起動した例である。
・物理ＩＦ１５－１で受信したパケットは直結された仮想ＩＦ１４－１へ流入し、ＯｐｅｎＦｌｏｗの処理に入る。
・デフォルトでは仮想ＩＦ１４－２ｂへスルーし、ルーティングモジュール１２へ転送する。ここで、ＯｐｅｎＦｌｏｗの処理に、パケットヘッダの書き換えや複製、破棄、レート制御やアクセス制御をＦｌｏｗルールとして設定することができる。
・ルーティングモジュール１２ではルーティングに従ってパケットを転送する。

図７は、ルーティングの後段に機能モジュールを配置するｐｏｓｔ－ｒｏｕｔｉｎｇ構成の一例を示す。ルーティングモジュール１２でルーティング済のパケットが仮想マシン２１上の機能モジュール１１で処理される。

図７は、ｐｏｓｔ－ｒｏｕｔｉｎｇ構成においてソフトウェアＯｐｅｎＦｌｏｗスイッチを起動した例である。
・物理ＩＦ１５－１で受信したパケットはルーティングモジュール１２でルーティングされ、適切なＮｅｘｔＨｏｐの宛先ＭＡＣアドレスを付与された状態で仮想マシン２１の仮想ＩＦ１４－１ｂへ転送される。
・仮想マシン２１ではＯｐｅｎＦｌｏｗの処理が実行される。デフォルトでは仮想ＩＦ１４－１ｂから仮想ＩＦ１４－２へスルーし、直結された物理ＩＦ１５－２から送出される。ここで、ＯｐｅｎＦｌｏｗの処理に、パケットヘッダの書き換えや複製、破棄、レート制御やアクセス制御をＦｌｏｗルールとして設定することができる。

図８は、ルーティングの最中に機能モジュール１１を配置するｉｎｔｒａ－ｒｏｕｔｉｎｇ構成の一例を示す。ルーティングモジュール１２のルーティングテーブルによって機能モジュール１１に転送すべきパケットが制御される。図８は仮想マシン２１上に仮想ＩＦを２つ割り当てているが、１つでも良い。その場合、仮想マシン２１上の機能モジュール１１がパケットを折り返す必要がある。

図８は、ｉｎｔｒａ－ｒｏｕｔｉｎｇ構成においてソフトウェアＯｐｅｎＦｌｏｗスイッチを起動した例である。
仮想マシン２１上のソフトウェアＯｐｅｎＦｌｏｗスイッチは、仮想ＩＦ１４－１ｂ、仮想ＩＦ１４－２ｂともにＩＰ ｒｅａｃｈａｂｌｅ（ＡＲＰ（Ａｄｄｒｅｓｓ Ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ）応答可）である。
・物理ＩＦ１５－１で受信したパケットはルーティングモジュール１２でルーティングされる。特定のパケットをＯｐｅｎＦｌｏｗで処理したい場合、コンフィグモジュール１３は、仮想ＩＦ１４－１ｂへのルーティングを設定する。
・仮想マシン２１ではＯｐｅｎＦｌｏｗの処理が実行される。デフォルトでは仮想ＩＦ１４－１ｂから仮想ＩＦ１４－２ｂへスルーし仮想ＩＦ１４－２ａへ転送する。このため、仮想マシン２１は、パケットヘッダの宛先ＭＡＣを仮想ＩＦ１４－２ａ、送信元ＭＡＣを仮想ＩＦ１４－２ｂに書き換えて送信する。ここでパケットヘッダの書き換えや複製、破棄、レート制御やアクセス制御をＦｌｏｗルールとして設定することができる。

（発明の効果）
（１）モジュール型ルータシステム
ルーティングモジュール１２に機能モジュール１１を様々な構成で接続可能なことで、既存のアプリケーションを組み込んだルータシステムを容易に構築することができる。ルータシステムの開発者は、ルーティングモジュール１２と機能モジュール１１それぞれの開発に専念できる。機能モジュール１１は自作、ルーティングモジュール１２は既製品を利用などといった分業が可能になり、開発の迅速化や部分的なアップデートが可能になる。

（２）ルーティングモジュール１２と機能モジュール１１との接続順序
ルーティング前中後に機能モジュール１１の接続を指定できることで、任意のユースケースに特化したルータシステムを構成することができる。下記はユースケース例である。
ｐｒｅ－ｒｏｕｔｉｎｇ：ＩＤＳ等のインラインセキュリティ検疫を実行後、ルーティングを行う。
ｉｎｔｒａ－ｒｏｕｔｉｎｇ：ＷｉｒｅＧｕａｒｄ等の独自実装の暗号化ＯＳＳ（Ｏｐｅｎ Ｓｏｕｒｃｅ Ｓｏｆｔｗａｒｅ）で特定パケットを暗号化しルーティングを行う。
ｐｏｓｔ－ｒｏｕｔｉｎｇ：ＯｐｅｎＦｌｏｗスイッチで特定の宛先のパケットをユニキャストコピーする。

（３）ＯｐｅｎＦｌｏｗスイッチモジュール
ルーティング中に特定のルールにマッチしたパケットに対してアクションを実行したいケースに対して、５ｔｕｐｌｅによるマッチと、複製・破棄・書換によるアクションにより、柔軟なパケット操作を可能にする。

本開示は情報通信産業に適用することができる。

１１：機能モジュール
１２：ルーティングモジュール
１３：コンフィグモジュール
１４－１、１４－１ａ、１４－１ｂ、１４－２ａ、１４－２ｂ：仮想インターフェース
１５、２５－１、２５－２、３５－１、３５－２：物理インターフェース
２１：仮想マシン
２２：コンテナ
２３、２３－１、２３－２：メモリ
９１、９２、９３：サーバ

Claims (6)

1. パケットのルーティング処理を行う複数のルーティングモジュールと、
   前記複数のルーティングモジュールでルーティング処理を行うパケットに対して任意の操作を実行する複数の機能モジュールと、
   前記複数のルーティングモジュールと前記複数の機能モジュールとを接続する複数の通信パスを統合的に設定するコンフィグモジュールと、
   を備えるモジュール型ルータシステム。
2. 前記機能モジュールは、ＯｐｅｎＦｌｏｗスイッチモジュールであり、
   前記コンフィグモジュールは、ｇＲＰＣ（ＲＰＣ：Ｒｅｍｏｔｅ Ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ Ｃａｌｌ）を用いて、前記複数の通信パスを制御する、
   請求項１に記載のモジュール型ルータシステム。
3. 前記複数のルーティングモジュール及び前記複数の機能モジュールは仮想インターフェースを備え、
   前記複数のルーティングモジュール及び前記複数の機能モジュールに備わる複数の仮想インターフェースを用いて、前記複数の通信パスが形成されている、
   請求項１に記載のモジュール型ルータシステム。
4. 前記複数のルーティングモジュール及び前記複数の機能モジュールの少なくともいずれかからアクセス可能なメモリを備え、
   前記メモリを用いて、前記複数の通信パスの少なくともいずれかが形成されている、
   請求項１に記載のモジュール型ルータシステム。
5. モジュール型ルータシステムに備わるコンフィグモジュールが、複数のルーティングモジュールと複数の機能モジュールとを接続する複数の通信パスを統合的に設定し、
   前記複数のルーティングモジュールが、前記コンフィグモジュールの設定に従い、自己に流入したパケットのルーティング処理を行い、
   前記複数の機能モジュールが、前記コンフィグモジュールの設定に従い、自己に流入したパケットに対して任意の操作を実行し、
   前記複数の通信パスを用いて、前記複数のルーティングモジュールと前記複数の機能モジュールとの間のパケットの転送を行う、
   パケット転送方法。
6. 請求項１から４のいずれかに記載のモジュール型ルータシステムに備わる各機能をコンピュータに実現させるためのパケット転送プログラム。

Images