JP2005057620A

JP2005057620A - 通信品質制御方法およびその装置

Info

Publication number: JP2005057620A
Application number: JP2003288363A
Authority: JP
Inventors: Ryoichi Kawahara; 亮一川原
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2003-08-07
Filing date: 2003-08-07
Publication date: 2005-03-03

Abstract

【課題】ＵＤＰ通信品質へ影響を与えるバッファでのキューイング遅延を抑えつつ、ＴＣＰ通信品質も維持できるようなパケット廃棄法を実現できるような通信品質制御方法およびその装置を提供すること。
【解決手段】中継リンクの速度をＣ、ＴＣＰ通信における最大ウインドーサイズをＷmaxとし、前記中継リンクに多重されるＴＣＰユーザｉのアクセスリンク速度Ｃa(ｉ)および前記ユーザｉのＴＣＰ通信における往復伝播遅延時間の最小値ＲＴＴmin(ｉ)を予め保持しておき、前記ユーザｉからのパケットがバッファに到着したときに、当該バッファにおける出力待ちキュー長Ｑ［byte］が（Ｗmax/Ｃa(ｉ)−ＲＴＴmin(ｉ)）＊Ｃを超えている場合にはそのパケットを廃棄することを特徴とする方法並びに装置。
【選択図】図４

Description

本発明は、ＩＰネットワークにおいて、バッファを効率的に利用してＴＣＰ通信品質並びにＵＤＰ通信品質を維持・管理するために有効な、通信品質制御方法およびその装置に関するものである。

ＩＰネットワークが広く利用されてくるに伴って、ＩＰネットワーク上での通信品質保証に対する要求が高まっている。現状のＩＰネットワークにおけるバッファ管理は、用意されたバッファが一杯になるまでパケットを蓄積し、バッファが一杯になったらそのときに到着したパケットを廃棄するというＤrop-Ｔailが最も一般的である。

この方法では、バッファが一杯になるまでパケットを蓄積するため、ネットワークが輻輳するとバッファでのキューイング遅延やゆらぎが非常に大きくなり、ＴＣＰ通信およびストリーム系・音声系アプリケーションを転送するＵＤＰ通信の両方の性能を劣化させてしまう。特にＵＤＰ通信品質はリアルタイム性が重視されるため、遅延時間の影響を大きく受けてしまう。

ＴＣＰスループットとＴＣＰフロー間の公平性を向上させるためのパケット廃棄法として、ＲＥＤ（Ｒandam Ｅarly Ｄetection）（例えば、非特許文献１参照）が一般的に知られている。ＲＥＤは、確率的なパケット廃棄を行うことでバースト的なパケット廃棄を防止し、平均キュー長を利用した輻輳検出方式に基づいている。この方法は設定すべきパラメータがいくつかあり、その設定値に依存して、トラヒック条件によってはＤrop Ｔailよりも性能が劣化してしまう場合もあるという問題点があった（例えば、非特許文献２参照）。

その他にも、ＴＣＰスループットとＴＣＰフロー間の公平性を改善するためのバッファ管理方法はいくつか提案されている（例えば、特許文献１，２参照）。しかしながら、これらは、いずれも、ＴＣＰ品質のみを改善することを目標とした方式であり、ＵＤＰトラヒックが混在した時にＵＤＰ通信品質への影響を考慮して、そのバッファでのキューイング遅延を抑えるということは考慮されていないという問題点があった。

一方、従来のバッファ設計法として、パケット（あるいは、ＡＴＭ通信のセル）損失率を予め定めた目標値以下に抑えるのに必要なバッファサイズを算出する方法が提案されている（例えば、特許文献３参照）。しかしながら、この方法における品質目標値は、ＩＰレベル（あるいは、ＡＴＭレベル）におけるものであり、直接ＴＣＰ品質を考慮した設計方法ではなかった。

特表２００１−５２２１８３号公報特開平１０−２３３８０２号公報特開平３−２３５５５０号公報 S.Floyd and V.Jacobson, "Random early detection gateways for congestion avoidance, "IEEE/ACM Transaction on Networking, vol.1,pp.397-413,Aug.1993. 長谷川，板谷，村田 "バックボーンルータにおけるＲＥＤの動的閾値制御方式"、信学技報(NS2001-11)、2001年4月

本発明の目的は、上述の問題点に鑑み、ＵＤＰ通信品質へ影響を与えるバッファでのキューイング遅延を抑えつつ、ＴＣＰ通信品質も維持できるようなパケット廃棄法を実現できるような通信品質制御方法およびその装置を提供することにある。また、本発明の他の目的は、ＴＣＰ通信品質を維持するのに必要なバッファサイズを、設定が容易なパラメータのみを用いて算出することで、無駄なバッファリソースの削減を実現できるバッファ設計法を実現できるような通信品質制御方法およびその装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明に係る通信品質制御方法およびその装置は、以下に述べるＴＣＰトラヒック特性を利用することを特徴とする。

本発明者の検討によれば、以下のようなＴＣＰトラヒック特性が見出された。
すなわち、リンク速度がＣである中継リンクにＴＣＰコネクションが多重されているとし、ＴＣＰ通信における最大ウインドーサイズをＷmaxとし、前記中継リンクに多重されるＴＣＰユーザのアクセスリンク速度をＣa、往復伝播遅延時間の最小値をＲＴＴminとするとき、バッファサイズＢf（あるいは、ＴＣＰパケット廃棄閾値）が（Ｗmax/Ｃa−ＲＴＴmin）＊Ｃ［bytes］より大きいとき、当該中継リンクを通過するＴＣＰコネクションにおけるファイル転送時間の平均値が劣化し始めるリンク使用率は、Ｂfの値にかかわらず一定であるという特性が得られた。

図１に、その評価例を示す。これは、Ｃ＝２２．５Ｍbps×｛５１２byte/（５１２＋４０）byte｝（ＴＣＰデータセグメントサイズ＝５１２byte、ＴＣＰ/ＩＰヘッダサイズ＝４０byteとし、そのオーバーヘッドを考慮してリンク速度２２．５Ｍbpsを補正）、Ｃa＝２Ｍbps×｛５１２byte/（５１２＋４０）byte｝とし、ポアソン到着過程に従って発生したＴＣＰコネクションが、平均１０ＫＢの指数分布に従うファイルをダウンロードするというシミュレーション実験を行った結果である。

また、Ｗmax＝８ＫＢ、ＲＴＴmin＝２．６８msに設定した。ここで、Ｂf＝１６２packets（パケットサイズは５１２byteなので、バイト換算ではＢf＝１６２×５１２byte）のときが、（Ｗmax/Ｃa−ＲＴＴmin）＊Ｃ［byte］に相当する。
これより、Ｂf＞１６２packetsのときは、ファイル転送時間のリンク使用率に対する劣化ポイントはＢfによらず一定であり、逆にＢf＜１６２packetsだとＢfが小さい方が劣化ポイントは低くなることがわかる。

この現象は、ある中継リンクに多重されている各ユーザのアクセス回線速度Ｃaが、当該リンク速度Ｃよりも十分小さい場合には、平均ファイル転送時間はあるリンク使用率を超えるまでは負荷にによらず一定であるという特性と、かつ、その劣化ポイントはバッファサイズが（Ｗmax/Ｃa−ＲＴＴmin）＊Ｃ［byte］より大きいと一定であるという特性の２つからなる。

この特性は、以下のように説明できる。すなわち、ＴＣＰの品質は、遅延とパケット損の２つの要因に左右される。まず、パケット損がない場合を考える。ＴＣＰスロースタートの影響を無視できるほど十分大きいファイルサイズを持つＴＣＰコネクションにおいて、そのＴＣＰスループット（Ｔh）は以下で与えられる。
Ｔh＝min（Ｃa，Ｗmax/ＲＴＴ）
ＲＴＴ＝Ｄq＋ＲＴＴmin
ここで、Ｄqはキューイング遅延である。

これより、Ｄq＞（Ｗmax/Ｃa−ＲＴＴmin）となると、ＴＣＰは理想スループットであるＣaを達成できず、品質が劣化してしまう。従って、Ｄqが大きくなってしまうと、たとえパケット損が生じなくてもＴＣＰ品質は劣化してしまうことになる。つまり、Ｄq＞（Ｗmax/Ｃa−ＲＴＴmin）となり得る程の大きいバッファが用意されていれば、品質劣化ポイントはバッファサイズに寄らず一定となる（図１参照）。
一方、バッファサイズが（Ｗmax/Ｃa−ＲＴＴmin）＊Ｃ［byte］より小さいと、遅延によるＴＣＰ品質劣化が始まる前にパケット損による品質劣化が生じるため、バッファサイズが小さい程、品質劣化ポイントは小さくなる（図１参照）。

また、Ｂf＝∞の場合と、Ｂf＝１６２［packets］の場合の平均キューイング遅延時間を比較すると、Ｂf＝∞のときは遅延時間が発散するのに対し、Ｂf＝１６２［packets］の場合は、２０ms程度（＜Ｗmax/Ｃa−ＲＴＴmin）に抑えることができる（図２参照）。従って、キュー長を（Ｗmax/Ｃa−ＲＴＴmin）に抑えることができる。従って、キュー長を（Ｗmax/Ｃa−ＲＴＴmin）＊Ｃ［byte］以下に抑えれば、ＴＣＰ品質に影響を与えることなく、ＵＤＰ通信への影響を与えるキューイング遅延を抑えることが可能となる。

以上のＴＣＰ特性を利用して、本発明に係る第１の通信品質制御方法は、通信網におけるある中継リンクにＴＣＰコネクションとＵＤＰコネクションが多重されているとし、前記中継リンクの出力待ちパケットバッファのキュー長に応じてパケット廃棄を行う通信品質制御方法であって、前記中継リンクの速度をＣ、ＴＣＰ通信における最大ウインドーサイズをＷmaxとし、前記中継リンクに多重されるＴＣＰユーザｉのアクセスリンク速度Ｃa(ｉ)および前記ユーザｉのＴＣＰ通信における往復伝播遅延時間の最小値ＲＴＴmin(ｉ)を予め保持しておき、前記ユーザｉからのパケットがバッファに到着したときに、当該バッファにおける出力待ちキュー長Ｑ［byte］が（Ｗmax/Ｃa(ｉ)−ＲＴＴmin(ｉ)）＊Ｃを超えている場合にはそのパケットを廃棄することを特徴とする。

ここで、ＲＴＴ（ｉ）の値は、ユーザ毎，通信毎によって様々な値をとるが、小さめの値（０でも可）に設定しておけば、閾値は大きめになり、安全側の閾値設定となる。

本発明に係る第２の通信品質制御方法は、通信網におけるある中継リンクにＴＣＰコネクションとＵＤＰコネクションが多重されているとし、前記中継リンクの出力待ちパケットバッファのキュー長に応じてパケット廃棄を行う通信品質制御方法であって、前記中継リンクの速度をＣ、ＴＣＰ通信における最大ウインドーサイズをＷmaxとし、前記中継リンクに多重されるユーザのアクセスリンク速度の最小値Ｃa_minおよび前記ユーザｉのＴＣＰ通信における往復伝播遅延時間の最小値ＲＴＴmin(ｉ)の中で最も小さい値ＲＴＴmin_minを把握しておき、ＴＣＰユーザからのパケットがバッファに到着したときに、当該バッファにおける出力待ちキュー長Ｑ［byte］が（Ｗmax/Ｃa_min−ＲＴＴmin_min）＊Ｃを超えている場合にはそのパケットを廃棄することを特徴とする。

また、本発明に係る第３の通信品質制御方法は、上記第１または第２のいずれかの方法でＴＣＰパケットを廃棄し、かつ、ＵＤＰ通信に対する当該バッファでの許容遅延時間Ｄmax_ＵＤＰを予め定めておき、ＵＤＰパケットが当該バッファに到着したときに、当該バッファにおける出力待ちキュー長Ｑ［byte］がＤmax_ＵＤＰ＊Ｃを超えている場合にはそのパケットを廃棄することを特徴とする。

また、本発明に係る第４の通信品質制御方法は、通信網におけるある中継リンクにＴＣＰコネクションのみが多重されているとし、前記中継リンクの出力待ちパケットバッファにパケットが到着したときに、バッファに空きがなかった場合に、そのパケットを廃棄する通信品質制御方法であって、前記中継リンクの速度をＣ、ＴＣＰ通信における最大ウインドーサイズをＷmaxとし、前記中継リンクに多重されるユーザのアクセスリンク速度の最小値Ｃa_minおよび各ユーザのＴＣＰ通信における往復伝播遅延時間の最小値の中で最も小さい値ＲＴＴmin_minを把握しておき、当該バッファサイズを（Ｗmax/Ｃa_min−ＲＴＴmin_min）＊Ｃに設定してバッファ設計を行うことを特徴とする。

一方、本発明に係る通信品質制御装置は、通信品質制御を行う装置であって、上記第１から第３のいずれかに記載の方法でパケットの廃棄閾値を決定する手段と、パケット到着時に出力待ちキュー長Ｑ［bytes］を測定する手段と、請求項1から３のいずれか１項に記載の方法でパケット廃棄を行う手段を具備することを特徴とする。

本発明によれば、ＵＤＰ通信品質へ影響を与えるバッファでのキューイング遅延を抑えつつ、ＴＣＰ通信品質も維持できるようなパケット廃棄方法、もしくは、ＴＣＰ通信品質を維持するのに必要なバッファサイズを、設定が容易なパラメータのみを用いて算出することにより無駄なバッファリソースの削減を実現できるバッファ設計方法に基づく有効な通信品質制御方法およびその装置を提供することが可能となる。

以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。

図３は、本発明が適用されるＩＰネットワークの基本構成の一例を示す図である。本実施例に係る通信品質制御装置は、図３における入側ノード内に配備する形で利用されるものである。また、図４は、本発明の通信品質制御方法を用いた通信品質制御装置の構成例を表すブロック図、図５〜図８は、図４に示した各部の動作を説明する動作フロー図である。

図４に示されている通り、本実施例に係る通信品質制御装置は、ユーザ情報管理部１１，キュー長監視部１２，パケット廃棄決定部１３，廃棄閾値算出部１４，パケット蓄積部（バッファ）１５並びにパケット転送部１６から構成される。

ユーザから到着したパケットは、ユーザ情報管理部１１，キュー長監視部１２ならびにパケット廃棄決定部１３へ送信される。ユーザ情報管理部１１では、図５に示すような手順で、パケットが到着すると（ステップ２１）、パケットヘッダ情報を解析し（ステップ２２）、ヘッダ部を解析してどのユーザからのパケットかを把握し、ユーザiからのパケットであると判断されたら（ステップ２３）、予め用意されている管理テーブル１１ａから、ユーザｉの情報としてアクセス速度Ｃa（ｉ）および往復伝播遅延時間の最小値ＲＴＴmin（ｉ）を読み出し、廃棄閾値算出部１４へ通知する。

図９に、ユーザ情報管理部１１内に用意されている管理テーブル１１ａの内容の一部を例示した。図９に示されているように、管理テーブル１１ａには、各ユーザ対応に、そのユーザのアクセス速度（Ｃa（ｉ）），往復伝播遅延時間の最小値（ＲＴＴmin（ｉ））等が予め記憶されている。

廃棄閾値算出部１４は、図６に示すような手順で、ユーザ情報管理部１１から通知された（ステップ３１）Ｃa（ｉ）、ＲＴＴmin（ｉ）と、予め記憶してある最大ウインドーサイズＷmaxおよび中継リンク速度Ｃを用いて（ステップ３２）、ステップ３３で、パケット廃棄閾値を（Ｗmax/Ｃa（ｉ）−ＲＴＴ（ｉ））＊Ｃにより算出し、この閾値をパケット廃棄決定部１３に通知する（ステップ３４）。

一方、ユーザからのパケットを受け取ったキュー長監視部１２は、図７に示すような手順で、到着したパケット（ステップ４１で「到着」の場合）についてはパケットサイズを読み出し、現在のキュー長Ｑ［byte］をＱ←Ｑ＋{該パケットサイズ}により更新し（ステップ４２）、パケット廃棄決定部１３に新たなＱの値を通知する（ステップ４３）。

パケット廃棄決定部１３は、パケットを受信すると（ステップ５１）、図８に示すような手順で、キュー長監視部１２から通知されたＱの値と、廃棄閾値算出部１４から通知された閾値（Ｗmax/Ｃa(ｉ)-ＲＴＴ(ｉ))＊Ｃの値を比較し（ステップ５２，５３）、Ｑ＞（Ｗmax/Ｃa(ｉ)−ＲＴＴ(ｉ))＊Ｃ、かつ、ユーザパケットがＴＣＰであれば、受信した上記パケットを廃棄する（ステップ５４）。

また、上述のＱの値と閾値（Ｗmax/Ｃa(ｉ)-ＲＴＴ(ｉ))＊Ｃの値の比較の結果が、Ｑ＜（Ｗmax/Ｃa(ｉ)−ＲＴＴ(ｉ))＊Ｃ、あるいは、ユーザパケットがＴＣＰでなければ、ユーザパケットを受け付け、パケット蓄積部（バッファ）１５へ送る。パケット転送部１６は、パケット蓄積部１５からパケットを取り出して、転送処理を行う（ステップ５５）。

その後、パケット転送部１６は、パケット蓄積部１５にまだパケットがあるか否かを確認して、あれば、パケット蓄積部１５から次のパケットを取り出して、転送処理を行うという動作を、パケット蓄積部１５内にパケットがなくなるまで繰り返す。また、パケット転送部１６は、パケットを読み出したときには、そのパケットのサイズをキュー長監視部１２へ通知する。キュー長監視部１２は、パケット転送部１６からパケットサイズを受信した場合には、キュー長Ｑを、Ｑ←Ｑ−｛該パケットサイズ｝により更新する。

以上、本発明の通信品質制御方法並びにその装置について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、種々の変更や改良を行ってもよいことはいうまでもないことである。

また、本発明の通信品質制御方法は、これを、ＴＣＰ通信品質を維持するのに必要なバッファサイズを、設定が容易なパラメータのみを用いて算出する際に有効に用いることが可能であり、これにより無駄なバッファリソースを削減できるというバッファ設計の新たな方法をも提供するものである。

本発明の基になったＴＣＰ特性を説明する図で、バッファサイズを変えたときの、平均ファイル転送時間vsリンク使用率をシミュレーション実験により実測した結果を示すグラフである。同、シミュレーション実験により、平均キューイング遅延時間vsリンク使用率を実測した結果を示すグラフである。本発明が適用されるネットワークの基本構成例を示す図である。本発明における通信品質制御装置の構成例を示すブロック図である。図４に示した通信品質制御装置のユーザ情報管理部１１の動作を説明する動作フロー図である。図４に示した通信品質制御装置の廃棄閾値算出部１４の動作を説明する動作フロー図である。図４に示した通信品質制御装置のキュー長監視部１２の動作を説明する動作フロー図である。図４に示した通信品質制御装置のパケット廃棄決定部１３の動作を説明する動作フロー図である。図４に示した通信品質制御装置のユーザ情報管理部１１内に設けられる管理テーブル１１ａの構成例を示す図である。

符号の説明

１１ユーザ情報管理部
１２キュー長監視部
１３パケット廃棄決定部
１４廃棄閾値算出部
１５パケット蓄積部（バッファ）
１６パケット転送部
２１〜２５，３１〜３４，４１〜４４，５１〜５５処理ステップ

Claims

通信網におけるある中継リンクにＴＣＰコネクションとＵＤＰコネクションが多重されているとし、前記中継リンクの出力待ちパケットバッファのキュー長に応じてパケット廃棄を行う通信品質制御方法であって、
前記中継リンクの速度をＣ、ＴＣＰ通信における最大ウインドーサイズをＷmaxとし、前記中継リンクに多重されるＴＣＰユーザｉのアクセスリンク速度Ｃa(ｉ)および前記ユーザｉのＴＣＰ通信における往復伝播遅延時間の最小値ＲＴＴmin(ｉ)を予め保持しておき、
前記ユーザｉからのパケットがバッファに到着したときに、当該バッファにおける出力待ちキュー長Ｑ［byte］が（Ｗmax/Ｃa(ｉ)−ＲＴＴmin(ｉ)）＊Ｃを超えている場合にはそのパケットを廃棄する
ことを特徴とする通信品質制御方法。
通信網におけるある中継リンクにＴＣＰコネクションとＵＤＰコネクションが多重されているとし、前記中継リンクの出力待ちパケットバッファのキュー長に応じてパケット廃棄を行う通信品質制御方法であって、
前記中継リンクの速度をＣ、ＴＣＰ通信における最大ウインドーサイズをＷmaxとし、前記中継リンクに多重されるユーザのアクセスリンク速度の最小値Ｃa_minおよび前記ユーザｉのＴＣＰ通信における往復伝播遅延時間の最小値ＲＴＴmin(ｉ)の中で最も小さい値ＲＴＴmin_minを把握しておき、
ＴＣＰユーザからのパケットがバッファに到着したときに、当該バッファにおける出力待ちキュー長Ｑ［byte］が（Ｗmax/Ｃa_min−ＲＴＴmin_min）＊Ｃを超えている場合にはそのパケットを廃棄する
ことを特徴とする通信品質制御方法。
請求項１または２のいずれかに記載の方法でＴＣＰパケットを廃棄し、
かつ、ＵＤＰ通信に対する当該バッファでの許容遅延時間Ｄmax_ＵＤＰを予め定めておき、
ＵＤＰパケットが当該バッファに到着したときに、当該バッファにおける出力待ちキュー長Ｑ［byte］がＤmax_ＵＤＰ＊Ｃを超えている場合にはそのパケットを廃棄する
ことを特徴とする通信品質制御方法。
通信網におけるある中継リンクにＴＣＰコネクションのみが多重されているとし、
前記中継リンクの出力待ちパケットバッファにパケットが到着したときに、バッファに空きがなかった場合に、そのパケットを廃棄する通信品質制御方法であって、
前記中継リンクの速度をＣ、ＴＣＰ通信における最大ウインドーサイズをＷmaxとし、
前記中継リンクに多重されるユーザのアクセスリンク速度の最小値Ｃa_minおよび各ユーザのＴＣＰ通信における往復伝播遅延時間の最小値の中で最も小さい値ＲＴＴmin_minを把握しておき、
当該バッファサイズを（Ｗmax/Ｃa_min−ＲＴＴmin_min）＊Ｃに設定してバッファ設計を行う
ことを特徴とする通信品質制御方法。
通信品質制御を行う装置であって、
請求項１から３のいずれか１項に記載の方法でパケットの廃棄閾値を決定する手段と、
パケット到着時に出力待ちキュー長Ｑ［bytes］を測定する手段と、
請求項1から３のいずれか１項に記載の方法でパケット廃棄を行う手段
を具備する
ことを特徴とする通信品質制御装置。