JP4430597B2 - ネットワークシステム、送信側振分装置、パケット通信方法、および、パケット通信プログラム - Google Patents

ネットワークシステム、送信側振分装置、パケット通信方法、および、パケット通信プログラム Download PDF

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Description

本発明は、ネットワークシステム、送信側振分装置、パケット通信方法、および、パケット通信プログラムに関する。
ネットワーク回線としてのリンクの品質は、例えば帯域幅、遅延、および、信頼性(パケットロス率など)によって定義され、通信サービスの評価尺度として定着している。マルチリンクは、複数のリンクを同時に利用することによって、帯域幅を広げ、遅延の低減を図り、通信の信頼性を向上させることができる。マルチリンクの同時利用を可能とするプロトコルとしては、マルチリンクPPP(Point to Point Protocol)(非特許文献1)、リンクアグリゲーション(非特許文献2)などが一般に用いられる。ただし、これらプロトコルは、リンクの品質が一定であること、あるいは複数のリンクがすべて同じ品質であることを前提としている。
しかし、近年、無線ネットワークの普及が拡大している。無線ネットワークは、通信品質の変化が大きい特徴がある。これらの無線ネットワークのリンクを含めて様々なリンクを、通信品質の変化が小さい有線ネットワークと併せて、マルチリンクとして利用する技術が必要とされている。前記既存プロトコルは、時々刻々変化するリンクの品質に応じて動的に各リンクヘパケットを配分することができないため、複数のリンクを同時に利用しても、帯域幅の十分な向上は見込めない。
また、マルチリンクの同時利用を可能とする他の既存の技術として、特許文献1に記載の発明は、複数存在する各リンクに接続されている各インタフェースの中で、空いている(送信中でない)インタフェースを選択する方法に関する。しかしながら、リンクの帯域や遅延が時々刻々変化する場合、インタフェースが空いていることは、そのインタフェースに接続するリンクが他のリンクに比べ、リンクの帯域や遅延の状態が最良であることを必ずしも意味しない。
例えば、複数存在するリンクのうち特定のリンクの遅延が他のリンクに比べ著しく大きい場合、前記特定のリンク以外のリンクを用いてパケットを送信した方が、エンドツーエンドの通信効率は高い。そうすると、前記特定のリンクに接続されたインタフェースは恒常的に空いている状態になることになる。つまり、特許文献1に記載の発明は、遅延や帯域が変動するリンクを含めて様々なリンクを同時に利用し帯域幅を向上させるという課題を解決することができない。
また、一般に普及している通信端末は1つのリンクを用いて通信を行うことが前提となっており、これら普及している通信端末に対して、マルチリンクを提供し広帯域化を容易に実現するためには、通信端末に付加機能を必要とせず、リンク上に装置を配することによってマルチリンク利用を実現するシステムが望ましい。
例えば、特許文献2に記載の発明は、送信データのサイズをリンクの回線個数で分割して送出する方法であるが、この方法はパケットの送信端末において所望の機能を実装する必要がある。また、データを時々刻々変化するリンク品質に応じてパケット毎に出力先リンクを変化させることはできないため、複数のリンクを同時に利用したとしても帯域幅の十分な向上は見込めない。
特開2001−244982号公報 特開2002−94595号公報 IETF、"The PPP Multilink Protocol (MP)"、[online]、[平成17年7月28日検索]、インターネット<URL:http://www.ietf.org/rfc/rfc1717.txt> IEEE Standards Association、"IEEE P802.3ad Link Aggregation Task Force"、[online]、[平成17年7月28日検索]、インターネット<URL:http://www.ieee802.org/3/ad/index.html>
以上説明した従来のマルチリンクを使用する方法は、リンクの品質が一定であること等を前提としたものであり、リンクの品質変化に対応した動的なパケット配分は不可能であった。そこで、本発明は、前記した問題を解決し、通信品質が変動するリンクを含めたマルチリンクにおいて、送信端末から受信端末への通信の広帯域化を実現することを主な目的とする。また、その目的を、送信端末および受信端末に対して何らの付加機能をも必要とせずに実現することを、第二の目的とする。
前記課題を解決するために、本発明は、送信端末から送信され、送信側振分装置から受信側振分装置を経由して、受信端末に到着するパケットが、前記送信側振分装置および前記受信側振分装置の間の複数のリンクを束ねるマルチリンク上を流れるネットワークシステムであって、前記送信側振分装置が、前記送信端末から送信されるパケットを受信するインタフェースと、前記マルチリンクを構成する各リンクについて、監視したリンクの通信品質をもとにパケットの前記受信側振分装置への予想受信時刻を計算するリンク監視部と、前記マルチリンクを構成する各リンクについて、前記予想受信時刻が最も早いリンクを送信先リンクに決定する分配処理部と、送信先リンクにパケットを送信するトンネリング処理部とを有し、前記リンク監視部は、前記送信側振分装置が送信したパケットの送信間隔および前記受信側振分装置が受信したパケットの受信間隔からリンクの基準送信間隔を計算し、直前に送信したパケットの受信時刻および前記リンクの基準送信間隔の和を前記予想受信時刻とすることを特徴とする。
これにより、通信品質が変動するリンクを含めたマルチリンクにおいて、予想受信時刻が最も早いリンクが送信先リンクとして選択されるので、送信端末から受信端末への通信の広帯域化を実現することができる。また、変動するリンクの通信品質の特定を的確に捉えて、予想受信時刻を計算することができる。
本発明は、前記トンネリング処理部が、送信する各パケットをリンクごとに識別するための個別シーケンス番号を各パケットに付して送信し、前記受信側振分装置が、受信したパケットの前記個別シーケンス番号をもとにパケットロスを検知し、パケットロスで受信できなかったパケットの再送要求を行う再送処理部を有し、前記送信側振分装置が、パケットの再送要求を受け、該当するパケットを再送することを特徴とする。
これにより、各リンクにおいてパケットロスが生じても、通信の信頼性を保証できる。
本発明は、前記トンネリング処理部が、送信する各パケットを前記マルチリンクごとに識別するための全体シーケンス番号を各パケットに付して送信し、前記受信側振分装置が、受信したパケットの前記全体シーケンス番号をもとに、パケットの順序を整列して、前記受信端末に送信する整列処理部を有することを特徴とする。
これにより、マルチリンクにおいてパケットの送信順序が入れ替わっても、正しい順序で通信が行われる。
本発明は、前記整列処理部が、パケットを整列する際に、前記全体シーケンス番号をもとにパケットロスを検知し、パケットロスで受信できなかったパケットの再送要求を行い、前記送信側振分装置が、パケットの再送要求を受け、該当するパケットを再送することを特徴とする。
これにより、マルチリンクにおいてパケットロスが生じても、通信の信頼性を保証できる。
本発明は、前記送信側振分装置が、パケットロスが頻繁に発生するリンクを介した通信を一時的に停止することを特徴とする。
これにより、信頼性の低いリンクを通信から除外して、マルチリンク全体の通信効率を向上できる。
本発明は、前記送信端末および前記送信側振分装置が、同一の筐体に収容され、前記分配処理部が、送信するパケットのヘッダ情報に記載されたアプリケーション識別子に応じて、送信先リンクを決定することを特徴とする。
これにより、アプリケーションデータの特性に応じた通信品質を提供することができる。
本発明は、前記送信側振分装置および前記受信側振分装置が、それぞれ複数の筐体により冗長化構成され、各筐体の前記リンク監視部が、他の筐体の前記リンク監視部と、互いにリンクの通信品質を交換し、前記送信側振分装置が、構成する筐体間で故障を検知するように互いに監視し、所定の筐体の故障時には他の筐体がパケットの通信を代行し、前記受信側振分装置が、構成する筐体間で故障を検知するように互いに監視し、所定の筐体の故障時には他の筐体がパケットの通信を代行することを特徴とする。
これにより、1台の筐体が故障しても、ネットワークシステムは稼働し続けることができる。
本発明は、前記送信側振分装置および前記受信側振分装置が、前記送信端末および前記受信端末の間のTCPセッションについて、前記送信端末および前記送信側振分装置の間の第1TCPセッション、ならびに、前記受信端末および前記受信側振分装置の間の第2TCPセッションを作成することを特徴とする。
これにより、送信端末や受信端末が接続されるネットワークの特性に適した通信パラメータを使用することができ、スループットの向上を実現することができる。
本発明は、前記リンク監視部が、前記送信側振分装置が送信したパケットの送信時刻および前記受信側振分装置が受信したパケットの受信時刻の差分から前記リンクの所要時間を計算し、送信時刻および前記リンクの所要時間の和を第1予想受信時刻とし、前記送信側振分装置が送信したパケットの送信間隔および前記受信側振分装置が受信したパケットの受信間隔から前記リンクの基準送信間隔を計算し、直前に送信したパケットの受信時刻および前記リンクの基準送信間隔の和を第2予想受信時刻とし、前記第1予想受信時刻および前記第2予想受信時刻のうち、遅い時刻をパケットの前記予想受信時刻とすることを特徴とする。
これにより、2つの計算結果から予想受信時刻を特定することで、精度の高い値を採用することができる。
本発明は、前記リンク監視部が、前記リンクの基準送信間隔の計算において、送信間隔および受信間隔が等しければ、前記リンクの基準送信間隔を現在より小さい値に、送信間隔が受信間隔よりも小さければ、前記リンクの基準送信間隔を現在より大きい値に、それぞれ更新することを特徴とする。
これにより、変動するリンクの通信品質の特定を的確に捉えて、予想受信時刻を計算することができる。
本発明は、前記トンネリング処理部が、前記分配処理部が計算した前記リンクの基準送信間隔の送信間隔以下で、パケットを送信することを特徴とする。
これにより、通信資源の能力に適した分に通信量を制限することでパケットロスを低減でき、高信頼な通信を実現することができる。
本発明は、前記トンネリング処理部が、送信するパケットとして、前記送信端末から送信されたパケット、または、前記送信側振分装置が作成した測定用パケットを用いることを特徴とする。
これにより、リンクの基準送信間隔を保つことができる。
本発明は、前記トンネリング処理部が、リンクから送信することができる最も短い送信間隔によってパケットを送信することを特徴とする。
これにより、通信資源を効率的に使用することができる。
本発明は、送信端末から送信され、送信側振分装置から受信側振分装置を経由して、受信端末に到着するパケットが、前記送信側振分装置および前記受信側振分装置の間の複数のリンクを束ねるマルチリンク上を流れるネットワークシステムに用いられる前記送信側振分装置であって、前記送信端末から送信されるパケットを受信するインタフェースと、前記マルチリンクを構成する各リンクについて、監視したリンクの通信品質をもとにパケットの前記受信側振分装置への予想受信時刻を計算するリンク監視部と、前記マルチリンクを構成する各リンクについて、前記予想受信時刻が最も早いリンクを送信先リンクに決定する分配処理部と、送信先リンクにパケットを送信するトンネリング処理部とを有し、前記リンク監視部は、前記送信側振分装置が送信したパケットの送信間隔および前記受信側振分装置が受信したパケットの受信間隔からリンクの基準送信間隔を計算し、直前に送信したパケットの受信時刻および前記リンクの基準送信間隔の和を前記予想受信時刻とすることを特徴とする。
これにより、通信品質が変動するリンクを含めたマルチリンクにおいて、予想受信時刻が最も早いリンクが送信先リンクとして選択されるので、送信端末から受信端末への通信の広帯域化を実現することができる。
本発明は、前記送信側振分装置が、前記受信側振分装置の構成を有することを特徴とする。
これにより、送受信において両方向の通信が可能となる。
本発明は、送信端末から送信され、送信側振分装置から受信側振分装置を経由して、受信端末に到着するパケットが、前記送信側振分装置および前記受信側振分装置の間の複数のリンクを束ねるマルチリンク上を流れるネットワークシステムによるパケット通信方法であって、前記送信側振分装置が、前記送信端末から送信されるパケットを受信する手順と、前記マルチリンクを構成する各リンクについて、監視したリンクの通信品質をもとにパケットの前記受信側振分装置への予想受信時刻を計算する手順と、前記マルチリンクを構成する各リンクについて、前記予想受信時刻が最も早いリンクを送信先リンクに決定する手順と、送信先リンクにパケットを送信する手順とを実行し、前記予想受信時刻を計算する手順は、前記送信側振分装置が送信したパケットの送信間隔および前記受信側振分装置が受信したパケットの受信間隔からリンクの基準送信間隔を計算し、直前に送信したパケットの受信時刻および前記リンクの基準送信間隔の和を前記予想受信時刻とすることを特徴とする。
これにより、通信品質が変動するリンクを含めたマルチリンクにおいて、予想受信時刻が最も早いリンクが送信先リンクとして選択されるので、送信端末から受信端末への通信の広帯域化を実現することができる。
本発明は、前記パケット通信方法を、コンピュータに実行させるためのパケット通信プログラムである。
これにより、通信品質が変動するリンクを含めたマルチリンクにおいて、予想受信時刻が最も早いリンクが送信先リンクとして選択されるので、送信端末から受信端末への通信の広帯域化を実現することができる。
本発明を用いることによって、送信端末が受信端末に対してパケットを送信する際、送信側振分装置および受信側振分装置の間に複数存在するリンクにおいて、そのリンクが無線ネットワークのような時々刻々通信品質が変化するリンクであったとしても、各リンクの品質を送信側振分装置が常に把握しているため、パケット1つ1つがその時点において最も早く到着するリンクを経由して受信側振分装置そして受信端末に届けられる。従って、送信端末から受信端末への通信実効速度が広帯域化される。
また、パケットの基準送信間隔を考慮しパケットを各リンクに振り分けることによって、例えば複数のリンクのうちの特定のリンクの伝送遅延が小さく、かつ、帯域が狭い場合など、特定のリンクに偏ってパケットが配分され、このリンクに輻輳を引き起こすことを抑制することができる。
また、送信側振分装置において、受信側振分装置に対して転送するパケットの送信間隔を制御することによって、各リンクに対してそのリンクの基準送信間隔を超えることなくパケットが送信されるため、各リンクにおいて輻輳の発生を抑制することができる。
また、本発明は、パケット送受信者たる送信端末および受信端末において、複数のリンクを利用するために追加の機能を実装する必要がない。従って、現在普及しているパーソナルコンピュータ等をそのまま利用することができ、複数のリンクを利用した広帯域通信を円滑に提供することができる。
本実施形態の主な特徴は、リンクを終端する装置間におけるパケットの予想受信時刻が最も早いリンクを、パケットの送信先リンクとして選択することである。これにより、リンクの品質が変化する場合でも適切なパケット配分を行うことで通信効率の向上(広帯域化、高速化)を可能とした。
以下に、本発明が適用されるネットワークシステムの一実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。まず、本実施形態のネットワークシステムの構成について、図面を参照して説明する。
図1は、本実施形態の一般的な構成例である。なお、図1の各装置および各端末は、演算処理を行う際に用いられる記憶手段としてのメモリと、前記演算処理を行う演算処理装置と、ネットワークインタフェース(以下、単にインタフェースとする)とを備えるコンピュータとして構成される。なお、メモリは、RAM(Random Access Memory)などにより構成される。演算処理は、CPU(Central Processing Unit)によって構成される演算処理装置が、メモリ上のプログラムを実行することで、実現される。
送信側振分装置1はインタフェース104を具備し、網21を介して送信端末11と通信可能である。同様に、受信側振分装置2はインタフェース204を具備し、網22を介して受信端末12と通信可能である。なお、送信側振分装置1は、受信側振分装置2の構成を有し、受信側振分装置2は、送信側振分装置1の構成を有することとしてもよい。これにより、送受信において両方向の通信が可能となる。
送信側振分装置1のインタフェース101と、受信側振分装置2のインタフェース201の間は、網51を介して通信可能であり、リンクとしてネットワーク層の仮想的なトンネル(リンク61)により結ばれている。網51は、有線ネットワークであるか、もしくは無線LAN(Local Area Network)や携帯電話網などの無線ネットワークを含む網である。
リンク61は、例えばIPinIPトンネルやIPsecトンネル、MobileIPトンネルなどである。インタフェース102とインタフェース202と網52、およびインタフェース103とインタフェース203と網53は、それぞれインタフェース101とインタフェース201と網51と同様であり、それぞれリンク62およびリンク63により結ばれている。
なお、図2に示すように、変形実施の一構成として、端末自身が振分装置の機能を備えている場合がある。送信端末11が送信側振分装置1の機能を包含する送信側振分装置1pであるとき、送信側振分装置1pを送信元とし受信端末12を宛先とするパケットは、送信側振分装置1pにて生成され、受信端末12宛てに送信される。
また、送信側振分装置1pが受信側振分装置2に対してパケットを送信する際、前記パケットのヘッダ情報(アプリケーション識別子)を参考として、送信側振分装置1pが前記パケットをいずれの経路を通じて送信するか決定することとしてもよい。
図3に示すように、変形実施の別の一構成として、振分装置が冗長構成されている場合がある。図1の送信側振分装置1の代わりに、送側正振分装置1aおよび送側副振分装置1bが配備されている。同様に、図1の受信側振分装置2の代わりに、受側正振分装置2aおよび受側副振分装置2bが配備されている。
送側正振分装置1aおよび送側副振分装置1bは、それぞれリンク60a、リンク60ab、リンク601およびリンク60baとリンク60b、リンク601の所要時間や基準送信間隔等のリンク品質情報を定期的に測定する。リンク601を介して、送側正振分装置1aおよび送側副振分装置1bは、リンク60a、リンク60ab、リンク60ba、リンク60bの品質情報を交換するとともに、送側正振分装置1aおよび送側副振分装置1bがお互いに正常動作中であるか常に確認しあう。
送側正振分装置1aは、受信端末12を宛先とする送信端末11からのパケットを受け取ったとき、リンク60a、リンク60ab、リンク601を経由したリンク60ba、リンク601を経由したリンク60bの4通りのリンクのうち、予想受信時刻が最も早いリンクに対して前記パケットを送信する。
送側副振分装置1bがパケットを受け取ったときも同様である。前記パケットにルーチングヘッダやソースルーチングオプションを付記することによって、前記パケットについてリンク601を強制的に経由させる。なお、送側正振分装置1aおよび送側副振分装置1bは、送側正振分装置1aおよび送側副振分装置1bが網21にブロードキャストするRouter Advertisementにデフォルトルータとしての優先度を記載する(文献「Draves,R.Hinden著、“Default Router Preferences, More-Specific Routes,and Load Sharing”、draft-ietf-ipv6-router-selection-02.txt、2002.6」参照)。これにより、送信端末11が受信端末12に対してパケットを送信する際に送側正振分装置1aと送側副振分装置1bのどちらに対して前記パケットを送信するか決定させる。
以上、図1から図3を参照して、3つのシステム構成例を説明した。以下では、説明を簡略にするため、図1のシステムを前提とする。しかし、以下の説明は、図2または図3のシステム構成例にも、容易に適用することができる。
図4は、送信側振分装置1の内部構成を示す。送信側振分装置1は、前記した各インタフェースの他に、分配処理部111、リンク監視部112、トンネリング処理部113、整列処理部114、および、再送処理部115を含めて構成される。送信側振分装置1は、送信端末11と受信端末12の通信経路の間に位置し、上流側(送信端末11側)に接続されている。
図5は、受信側振分装置2の内部構成を示す。受信側振分装置2は、前記した各インタフェースの他に、分配処理部211、リンク監視部212、トンネリング処理部213、整列処理部214、および、再送処理部215を含めて構成される。なお、送信側振分装置1および受信側振分装置2における同一名称の構成要素は、機能が同一である。受信側振分装置2は、送信端末11と受信端末12の通信経路の間に位置し、下流側(受信端末12側)に接続されている。
以下、送信側振分装置1および受信側振分装置2が動作するために使用する各パラメータについて、説明する。これにより、送信側振分装置1および受信側振分装置2の各構成要素が、明らかになる。
リンク監視部112が測定するリンクの所要時間は、リンク上を流れるパケットが片道通信に要する時間(片道遅延)であり、関数τで表現される。例えば、時刻t1におけるリンク61、リンク62、リンク63の所要時間は、それぞれτ1[t1]、τ2[t1]、τ3[t1]となる。リンクの通信品質は使用状況やノイズなどにより変動が大きいので、関数τの値も時間と共に大きく変化する。リンク監視部112は、各リンクの通信品質を常時確認し、所要時間τを観測する。なお、所要時間には、パケットの通信時間に加えて、パケットが通信するための準備時間(バッファ内での送信待ち時間など)を含めてもよい。
図6は、リンク61に着目して、所要時間τ1を測定する方法を示している。リンク61を経由して受信側振分装置2が前記パケットA1を受信したとき、その受信時刻t2と、前記パケットに含まれる送信時刻情報t1との差分を求めることにより、前記リンク61の所要時間τ1[t3]=t2−t1と計算する。同様に、所要時間τ1[t6]=t5−t4である。なお、所要時間τ1[t6]を、(t5−t4)と(t2−t1)との平均としてもよい。リンク61と同様に、他のリンクについても所要時間τを測定する。なお、送信側振分装置1がリンク61〜リンク63へ送出する任意のパケットのヘッダには、パケットが送信側振分装置1から送信される時刻情報(タイムスタンプ)が含まれる。
ここで、所要時間の計算に用いられる時刻情報は、振分装置が具備する時計によって記録されるが、送信側振分装置1と受信側振分装置2の時計が同期している必要はない。なぜならば、所要時間は、リンク61〜リンク63の中で最もパケットの到達時刻が早いリンクを決定するために利用される値であって、リンク61〜リンク63に関する相対的な差分を求めることができれば充分である。従って、送信側振分装置1と受信側振分装置2の内部時計(クロック)のずれは、リンク61〜リンク63の所要時間に等しく含まれ、互いの差分を計算するときには無意味な値となる。
送信側振分装置1からトンネリング処理部113を介して実際に送信したパケットの送信間隔は、関数Δsndで表現される。例えば、時刻t4におけるリンク61、リンク62、リンク63の送信間隔は、それぞれΔsnd1[t4]、Δsnd2[t4]、Δsnd3[t4]となる。なお、以下では「時刻tにおける」という表記は、送信側振分装置1が時刻tにおいて把握している最新の情報を意味する。
受信側振分装置2がトンネリング処理部213を介して実際に受信したパケットの受信間隔は、関数Δrcvで表現される。例えば、時刻t6におけるリンク61、リンク62、リンク63の受信間隔は、それぞれΔrcv1[t6]、Δrcv2[t6]、Δrcv3[t6]となる。
送信側振分装置1からトンネリング処理部113を介して送信するパケットの基準送信間隔は、送信するリンクに適した送信間隔であり、関数Δoptで表現される。例えば、時刻t1におけるリンク61、リンク62、リンク63の基準送信間隔Δoptは、それぞれΔopt1[t1]、Δopt2[t1]、Δopt3[t1]となる。
ここで、基準送信間隔Δoptは、例えば、利用可能帯域(available bandwidth)Bをパケット長で割る等により時間次元に換算した時間間隔とする。なお、利用可能帯域Bとは、他にトラヒックが全く流れていない状態で送信することができる単位時間あたりのデータ量から、既に流れている背景トラヒックを差し引いた値の時間間隔換算のことをいう。数理定義上は、単位時間幅をτとおいて、τあたりのIPユーザデータの最大転送可能量がリンク帯域幅Cであり、時間間隔(t−τ,t]内でキュー長が0であった時間の和をaとして、利用可能帯域B=C×a/τである(文献「鶴正人、尾家祐二著、“インターネット品質管理における計測技術の最新動向”、電子情報通信学会ネットワークシステム(NS)研究会技術報告、2003年11月」参照)。
リンク監視部112およびリンク監視部212は、送信側振分装置1から受信側振分装置2に送信される任意のパケットの送受信状況(送信間隔Δsndおよび受信間隔Δrcv)を主として受動的に(パッシブに)観察して測定する。送受信状況は、送信側振分装置1が送出するパケットのヘッダに付された送信側振分装置1からの送信時刻と、受信側振分装置2の受信時刻とをもとに測定される。
そして、リンク監視部112またはリンク監視部212が、測定された送受信状況から基準送信間隔Δoptを計算する方法を、以下に説明する。基準送信間隔Δoptの計算は、既に計算された基準送信間隔Δoptを随時リアルタイムに更新することで実現される。
図7(a)は、送信間隔Δsndおよび受信間隔Δrcvの一般的な相関関係を示すグラフである。このグラフは、所定値aを境に、2つの領域に分割される。この所定値aが基準送信間隔Δoptの理想値であり、以下で基準送信間隔Δoptを所定値aに近づけるように計算する。
まず、第1領域(0≦Δsnd<a)は、Δrcv=aとなるので、Δsnd<Δrcvが成り立つ。一方、第2領域(a≦Δsnd)は、Δsnd=Δrcvが成り立つ(Δrcv≒ΔsndをΔsnd=Δrcvとみなしてもよい)。よって、送信間隔Δsndおよび受信間隔Δrcvを比較することにより、第1領域に属するか、第2領域に属するかを決定する。
まず、第1領域は、通信資源に余裕がない状態を示している。つまり、送信間隔Δsndを小さくしても受信間隔Δrcvが一定という事象は、通信回線や通信装置のどこかにボトルネックが存在するために、通信中にパケットがバッファリングされているか、パケットロスが発生していると考えられる。そこで、第1領域における基準送信間隔Δoptを現在の値よりも大きくすることにより、基準送信間隔Δoptは所定値aに近づく。なお、基準送信間隔Δoptの更新後の値は、Δrcvの値であるaとしてもよいし、更新前の値よりも大きい値としてもよい。
次に、第2領域は、通信資源に余裕がある状態を示している。つまり、送信間隔Δsndを小さくした分だけ、受信間隔Δrcvも小さくなるという事象は、パケットが通信回線や通信装置を円滑に流れていると考えられる。そこで、第2領域における基準送信間隔Δoptを現在の値よりも小さくすることにより、基準送信間隔Δoptは所定値aに近づく。なお、基準送信間隔Δoptの更新後の値は、Δsndの値よりも小さい値としてもよい。
図7(b)は、図7(a)のグラフにおいて、所定値がaからa’に変更された旨を示すグラフである。これは、パケットの送信できる時間間隔値が小さくなったこととなり、通信に使用できる帯域が増えたことを示す。
更新前の基準送信間隔Δoptの値は所定値aであるが、図7(b)においては、その所定値aは第2領域に属する。よって、新たな基準送信間隔Δoptは、所定値aよりも小さい値(Δopt−δ)とすることにより、所定値a’に近づく。このように、絶えず変動する所定値に、基準送信間隔Δoptを近づける計算を繰り返す。
なお、計算された基準送信間隔Δoptは、今後の送信間隔Δsndに反映してもよい。具体的には、送信間隔Δsndは、α≦Δsnd≦Δoptとする。αは、パケットを送信するインタフェースにおいて送信可能な間隔の下限値である。つまり、δを定数とすると、Δsndは次式によって定義される。
Δsnd=t2−t1=t3−t2=t4−t3=t6−t5≡Δopt−δ
そして、送信側振分装置1は、時刻t3において基準送信間隔Δopt1[t3]だけ送信を待機した後、時刻t5=t3+Δ1[t3]において送信先のリンクに対してパケットを送る。これにより、通信資源の能力に適した分に通信量を制限することでパケットロスを低減でき、高信頼な通信を実現することができる。
一方、計算された基準送信間隔Δoptを、今後の送信間隔Δsndに反映しなくてもよい。具体的には、送信側振分装置1は、時刻t3において送信を待機せずに、パケットをリンク61に対して送る。これにより、送信間隔Δsndが第2領域に属さず通信資源の余剰が少なくなり、通信資源を効率的に使用することができる。また、基準送信間隔Δoptを送信間隔Δsndに反映しないことにより、送信側振分装置1の装置構成を簡略化することができる。
以上の基準送信間隔Δoptの算出は、送信側振分装置1および受信側振分装置2のいずれかまたは両方で行うこととしてもよい。送信側振分装置1において算出する方法は、受信側振分装置2が受信時刻t3およびt4に関する情報を含むレポートパケットを作成し、前記レポートパケットを送信側振分装置1に対して送信することで、送信側振分装置1がt1〜t4の値をもとに、基準送信間隔を計算し更新することで実現される。または、受信側振分装置2において算出する方法は、受信側振分装置2がt1〜t4の値をもとに、基準送信間隔を計算し、その結果を含むレポートパケットを作成し、前記レポートパケットを送信側振分装置1に対して送信することで、送信側振分装置1が基準送信間隔を更新する。
また、送信間隔Δsndで送信するパケットは、送信端末11から受信端末12へ送信されるデータパケットとしてもよいし、送信間隔Δsndに余裕があるときには、データパケットのかわりに測定用パケットを生成して送信してもよい。
リンク監視部112が計算するパケットの予想受信時刻は、2つの計算方法がある。第1の計算方法は所要時間τを用いるもので、例えば、送信時刻t1でリンク61から送信されたパケットは、受信側振分装置2への予想受信時刻が(t1+τ1[t1])となる。
パケットの予想受信時刻の第2の計算方法は、基準送信間隔Δoptおよび今回送信するパケットの直前に送信したパケットの受信時刻t2を用いる。例えば、送信時刻t3でリンク61から送信されたパケットは、予想受信時刻が(t2+Δopt[t3])となる。
なお、図8に示すように、第1の計算方法および第2の計算方法を併用するときには、使用するパラメータが異なるため、計算されるパケットの予想受信時刻の値も異なることが多い。そのときには、予想受信時刻が遅い計算結果を用いることが望ましい。例えば、第1の計算方法の結果(t4=t3+τ1[t3])よりも、第2の計算方法の結果(t6=t2+Δopt1[t3])のほうが、予想受信時刻が遅い。よって、予想受信時刻は、t4の代わりにt6となる。
次に、図9のフローチャートに沿って、送信側振分装置1を動作の主体とし、送信端末11から受信したパケットを受信側振分装置2へ送信する動作を説明する。この動作は、送信端末11が受信端末12に送信するパケットについて、複数のリンクに分配し、広帯域化および高速化を実現することを特徴とする。
送信側振分装置1は、送信端末11を送信元とし受信端末12を宛先とするパケットAを、インタフェース104を介して時刻t1に受信する(S102)。次に、リンク監視部112は、時刻t1において、リンクの通信品質(所要時間τおよび基準送信間隔Δopt)を求める(S104)。
そして、リンク監視部112は、各リンクの予想受信時刻を算出し、分配処理部111は、その予想受信時刻をもとに、パケットAの送信先となるリンクを決定する(S106)。予想受信時刻は、所要時間τを用いる第1の計算方法または基準送信間隔Δoptを用いる第2の計算方法のうち、少なくとも1つの計算方法が実行される。例えば、リンク監視部112は、第1の計算方法により、パケットAの予想受信時刻t2をt2=t1+τ1[t1]とする。分配処理部111は、各リンクの予想受信時刻が計算されたら、その中で最も早い時刻に対応するリンクを送信先のリンクとして選択する。以下、リンク61が選択されたものとして説明する。
次に、図10に示すように、トンネリング処理部113は、S106において送信先リンクが決定されたパケットAに、仮想トンネルであるリンクを示すヘッダを付加してから、リンク61に送信する(S108)。例えば、リンク61がIPinIPトンネルであれば、パケットAには、インタフェース101のIPアドレスを送信元アドレスとし、かつ、インタフェース201のIPアドレスを宛先アドレスとするヘッダが付加された後、インタフェース101からインタフェース201へ転送される。このように、送信端末11から受信端末12に送られるパケット群は、送信側振分装置1および受信側振分装置2によって複数のリンクに分配される。
なお、付加されるヘッダには、前記パケットが送信側振分装置1から送信される時刻、インタフェース104から受信したパケット列の全体シーケンス番号X、および、前記パケットがリンク61に対して送信したパケット列の個別シーケンス番号Yが、振分装置間での制御用情報として含まれる。制御用情報は、送信振分装置1が送信した前記パケットのヘッダに記載されるだけでなく、送信側振分装置1自身において前記パケットと共に一定時間保持される。
また、付加されるヘッダの全体シーケンス番号Xは、送信側振分装置1が送信端末11から受信した通りの順番で、受信側振分装置2が受信端末12に対してパケットを送信することを主たる目的として、リンク61〜リンク63に共通で、リンク61〜リンク63から出力されるパケットを通じて付与される順序番号である。それに対して個別シーケンス番号Yは、リンク61〜リンク63ごとに、主として送信側振分装置1から受信側振分装置2へ転送している際に失われたパケットを特定するために、付与される順序番号である。
例えば、送信側振分装置1が送信端末11から受信したパケットA〜パケットFには、それぞれ全体シーケンス番号X(X1〜X6)が付与される。パケットAおよびパケットDがリンク61に転送されるとき、それぞれリンク61の個別シーケンス番号Y(Y1およびY2)が付与される。リンク62に転送されるパケットBおよびパケットE、リンク63に転送されるパケットCおよびパケットFも、同様である。
そして、受信側振分装置2を動作の主体とし、受信したパケットを受信端末12へ転送する動作を、図9のフローチャートに沿って説明する。
受信側振分装置2のインタフェース201は、S108でリンクに送信されたパケットを受信する(S110)。
図11に示すように、再送処理部215は、S110で受信したパケットについて、各リンクごとにパケットロスの検出を行う(S112)。具体的には、再送処理部215は、各リンクごとに、受信したパケットの個別シーケンス番号Yを参照し、受信したリンクにおいて転送中に失われたパケットを特定する。再送処理部215は、送信側振分装置1に対して、転送中に失われたパケットの再送を要求する。
例えば、送信側振分装置1はリンク61に対してパケットA1〜パケットA4を順に送信し、それぞれのパケットのヘッダに、個別シーケンス番号Y1〜Y4を付与したとする。ここで、リンク61において輻輳や伝送誤り等の問題によりパケットA3が失われたとする。受信側振分装置2は、パケットA1、パケットA2に続けてパケットA4を受信したとき、パケットA3の受信を待ち受けるためのタイマを作動する。
前記タイマが切れるよりも前にパケットA3を受信することができた場合は、前記タイマを解除する。前記タイマが切れるまでにパケットA3を受信することができない場合は、受信側振分装置2は、個別シーケンス番号Y3たるパケットA3の再送を指示する再送要求パケットを生成し、送信側振分装置1に対して送信する。再送要求パケットを受信した送信側振分装置1は、保持していた制御用情報を参照し、S102以降の手順に従い、個別シーケンス番号Y3たるパケットA3をリンク61経由で再送する。
なお、再送処理部215は、前記機構によってリンク61〜リンク63のそれぞれのパケットロス率を算出する。受信側振分装置2は、前記パケットロス率を送信側振分装置1に通知するためのレポートパケットを生成し、送信側振分装置1に送信する。前記レポートパケットを受信した送信側振分装置1は、リンク61〜リンク63のそれぞれのパケットロス率を参照し、パケットロス率が所定頻度以上(閾値を超えた)リンクを不安定リンクとみなし、前記リンクヘの転送を一時的に停止してもよい。そして、パケットロス率が閾値よりも下がったリンクを安定リンクとみなし、前記リンクヘの転送を再開する。
図12に示すように、整列処理部214は、S112によってパケットロスが対処された各パケットについて、パケットの全体シーケンス番号Xに従って、整列処理を行う(S114)。つまり、整列処理部214は、パケットの全体シーケンス番号Xを参照し、送信側振分装置1が送信端末11から受信したときと同じ順序となるよう整列する。
例えば、送信端末11が受信端末12に対してパケットA1〜パケットA4の順番で送信し、受信側振分装置2がパケットA1、パケットA2に続いてパケットA4、パケットA3をこの順番で受信したとする。そのとき、受信側振分装置2はパケットA4を即座に受信端末12に転送するのではなく、送信側振分装置1が付加したパケットのヘッダに記載されている全体シーケンス番号Xを参照し、パケットA3を受信するまで一定時間待機した後、パケットA3、パケットA4を順に受信端末12に転送する。
なお、受信側振分装置2は、一定時間経過してもパケットA3を受信することができなかった場合は、パケットA3の再送を指示する再送要求パケットを生成し、送信側振分装置1に対して送信する。再送要求パケットを受信した送信側振分装置1は、保持していた制御用情報を参照し、S104以降の手順に従い、パケットA3を再送する。
そして、受信側振分装置2は、インタフェース204を介して、S114において整列された各パケットを、順に受信端末12に対して転送する(S116)。
以上説明した本発明は、以下のようにその趣旨を逸脱しない範囲で広く変形実施することができる。
例えば、図13に示すように、トンネリング処理部113およびトンネリング処理部213は、必要な場合、送信端末11および受信端末12の間のTCPセッションをプロキシ(終端)する。この場合、送信端末11および受信端末12の間のTCPセッションは、送信側振分装置1が送信端末11に対して、かつ受信側振分装置2が受信端末12に対してTCP制御を代理応答することにより、送信端末11、受信端末12に何らの追加機能を要することなく、送信端末11と送信側振分装置1の間のTCPセッションと、受信側振分装置2と受信端末12の間のTCPセッションとに分割される。すると、送信端末11および受信端末12は、それぞれ相手の端末とTCPセッションを直接確立しているかのように、認識することができる。なお、前記2つのTCPセッションに加え、送信側振分装置1と受信側振分装置2との間に第3のTCPセッションを作成してもよい。
これにより、例えばリンク61〜リンク63が網21、網22に比べて遅延の大きい網特性を有するとき、送信端末11と送信側振分装置1の間、および受信側振分装置2と受信端末12の間のTCPパラメータを、それぞれ網21、網22の特性に適した値とすることにより、送信端末11、受信端末12間のスループットの向上を実現することができる。
また、再送処理部215によるパケットロス検出処理(S112)、または、整列処理部214によるパケット整列処理(S114)それぞれについて、実行するか否かを送信端末11に選択させてもよい。例えば、送信端末11が送信するパケットのヘッダにおいてUDP(User Datagram Protocol)が指定されていたときには、パケットロス検出処理(S112)およびパケット整列処理(S114)の実行は、省略される。
本発明の一実施形態に関するネットワークシステムを示す構成図である。 本発明の一実施形態に関する送信端末が送信側振分装置に包含されたネットワークシステムを示す構成図である。 本発明の一実施形態に関する送信側振分装置および受信側振分装置が冗長化されたネットワークシステムを示す構成図である。 本発明の一実施形態に関する送信側振分装置を示す構成図である。 本発明の一実施形態に関する受信側振分装置を示す構成図である。 本発明の一実施形態に関する所要時間および各時間間隔を示す説明図である。 本発明の一実施形態に関する基準送信間隔の計算を示す説明図である。 本発明の一実施形態に関するパケットの予想受信時刻を2通りで計算する旨を示す説明図である。 本発明の一実施形態に関するネットワークシステムによるパケット送信処理を示すフローチャートである。 本発明の一実施形態に関する2種類のシーケンス番号を示す説明図である。 本発明の一実施形態に関するパケットロスへの対処を示す説明図である。 本発明の一実施形態に関するパケットの順序入れ替わりへの対処を示す説明図である。 本発明の一実施形態に関するTCP接続が終端されたネットワークシステムを示す構成図である。
符号の説明
11 送信端末
12 受信端末
1,11p 送信側振分装置
2 受信側振分装置
1a 送側正振分装置
1b 送側副振分装置
2a 受側正振分装置
2b 受側副振分装置
21,22,51〜53 網
61〜63 リンク
101〜104,201〜204 インタフェース
111,211 分配処理部
112,212 リンク監視部
113,213 トンネリング処理部
114,214 整列処理部
115,215 再送処理部

Claims (17)

  1. 送信端末から送信され、送信側振分装置から受信側振分装置を経由して、受信端末に到着するパケットが、前記送信側振分装置および前記受信側振分装置の間の複数のリンクを束ねるマルチリンク上を流れるネットワークシステムであって、
    前記送信側振分装置は、
    前記送信端末から送信されるパケットを受信するインタフェースと、
    前記マルチリンクを構成する各リンクについて、監視したリンクの通信品質をもとにパケットの前記受信側振分装置への予想受信時刻を計算するリンク監視部と、
    前記マルチリンクを構成する各リンクについて、前記予想受信時刻が最も早いリンクを送信先リンクに決定する分配処理部と、
    送信先リンクにパケットを送信するトンネリング処理部とを有し、
    前記リンク監視部は、前記送信側振分装置が送信したパケットの送信間隔および前記受信側振分装置が受信したパケットの受信間隔からリンクの基準送信間隔を計算し、直前に送信したパケットの受信時刻および前記リンクの基準送信間隔の和を前記予想受信時刻とすること
    を特徴とするネットワークシステム。
  2. 前記トンネリング処理部は、送信する各パケットをリンクごとに識別するための個別シーケンス番号を各パケットに付して送信し、
    前記受信側振分装置は、受信したパケットの前記個別シーケンス番号をもとにパケットロスを検知し、パケットロスで受信できなかったパケットの再送要求を行う再送処理部を有し、
    前記送信側振分装置は、パケットの再送要求を受け、該当するパケットを再送すること
    を特徴とする請求項1に記載のネットワークシステム。
  3. 前記トンネリング処理部は、送信する各パケットを前記マルチリンクごとに識別するための全体シーケンス番号を各パケットに付して送信し、
    前記受信側振分装置は、受信したパケットの前記全体シーケンス番号をもとに、パケットの順序を整列して、前記受信端末に送信する整列処理部を有すること
    を特徴とする請求項1に記載のネットワークシステム。
  4. 前記整列処理部は、パケットを整列する際に、前記全体シーケンス番号をもとにパケットロスを検知し、パケットロスで受信できなかったパケットの再送要求を行い、
    前記送信側振分装置は、パケットの再送要求を受け、該当するパケットを再送すること
    を特徴とする請求項3に記載のネットワークシステム。
  5. 前記送信側振分装置は、パケットロスが所定頻度以上に発生するリンクを介した通信を一時的に停止することを特徴とする請求項2ないし請求項4のいずれか1項に記載のネットワークシステム。
  6. 前記送信端末および前記送信側振分装置は、同一の筐体に収容され、
    前記分配処理部は、送信するパケットのヘッダ情報に記載されたアプリケーション識別子に応じて、送信先リンクを決定すること
    を特徴とする請求項1ないし請求項5のいずれか1項に記載のネットワークシステム。
  7. 前記送信側振分装置および前記受信側振分装置は、それぞれ複数の筐体により冗長化構成され、
    各筐体の前記リンク監視部は、他の筐体の前記リンク監視部と、互いにリンクの通信品質に関する情報を交換し、
    前記送信側振分装置は、前記送信側振分装置を構成する筐体間で故障を検知するように互いに監視し、所定の筐体の故障時には他の筐体がパケットの通信を代行し、
    前記受信側振分装置は、前記受信側振分装置を構成する筐体間で故障を検知するように互いに監視し、所定の筐体の故障時には他の筐体がパケットの通信を代行すること
    を特徴とする請求項1ないし請求項6のいずれか1項に記載のネットワークシステム。
  8. 前記送信側振分装置および前記受信側振分装置は、前記送信端末および前記受信端末の間のTCPセッションについて、前記送信端末および前記送信側振分装置の間の第1TCPセッション、ならびに、前記受信端末および前記受信側振分装置の間の第2TCPセッションを作成すること
    を特徴とする請求項1ないし請求項7のいずれか1項に記載のネットワークシステム。
  9. 前記リンク監視部は、
    前記送信側振分装置が送信したパケットの送信時刻および前記受信側振分装置が受信したパケットの受信時刻の差分から前記リンクの所要時間を計算し、送信時刻および前記リンクの所要時間の和を第1予想受信時刻とし、
    前記送信側振分装置が送信したパケットの送信間隔および前記受信側振分装置が受信したパケットの受信間隔から前記リンクの基準送信間隔を計算し、直前に送信したパケットの受信時刻および前記リンクの基準送信間隔の和を第2予想受信時刻とし、
    前記第1予想受信時刻および前記第2予想受信時刻のうち、遅い時刻をパケットの前記予想受信時刻とすること
    を特徴とする請求項1ないし請求項8のいずれか1項に記載のネットワークシステム。
  10. 前記リンク監視部は、前記リンクの基準送信間隔の計算において、送信間隔および受信間隔が等しければ、前記リンクの基準送信間隔を現在より小さい値に、送信間隔が受信間隔よりも小さければ、前記リンクの基準送信間隔を現在より大きい値に、それぞれ更新することを特徴とする請求項1ないし請求項9のいずれか1項に記載のネットワークシステム。
  11. 前記トンネリング処理部は、前記分配処理部が計算した前記リンクの基準送信間隔の送信間隔以下で、パケットを送信することを特徴とする請求項10に記載のネットワークシステム
  12. 前記トンネリング処理部は、送信するパケットとして、前記送信端末から送信されたパケット、または、前記送信側振分装置が作成した測定用パケットを用いることを特徴とする請求項11に記載のネットワークシステム。
  13. 前記トンネリング処理部は、リンクから送信することができる最も短い送信間隔によってパケットを送信することを特徴とする請求項10に記載のネットワークシステム。
  14. 送信端末から送信され、送信側振分装置から受信側振分装置を経由して、受信端末に到着するパケットが、前記送信側振分装置および前記受信側振分装置の間の複数のリンクを束ねるマルチリンク上を流れるネットワークシステムに用いられる前記送信側振分装置であって、
    前記送信端末から送信されるパケットを受信するインタフェースと、
    前記マルチリンクを構成する各リンクについて、監視したリンクの通信品質をもとにパケットの前記受信側振分装置への予想受信時刻を計算するリンク監視部と、
    前記マルチリンクを構成する各リンクについて、前記予想受信時刻が最も早いリンクを送信先リンクに決定する分配処理部と、
    送信先リンクにパケットを送信するトンネリング処理部とを有し、
    前記リンク監視部は、前記送信側振分装置が送信したパケットの送信間隔および前記受信側振分装置が受信したパケットの受信間隔からリンクの基準送信間隔を計算し、直前に送信したパケットの受信時刻および前記リンクの基準送信間隔の和を前記予想受信時刻とすること
    を特徴とする送信側振分装置。
  15. 前記送信側振分装置は、前記受信側振分装置の構成を有することを特徴とする請求項14に記載の送信側振分装置。
  16. 送信端末から送信され、送信側振分装置から受信側振分装置を経由して、受信端末に到着するパケットが、前記送信側振分装置および前記受信側振分装置の間の複数のリンクを束ねるマルチリンク上を流れるネットワークシステムによるパケット通信方法であって、
    前記送信側振分装置は、
    前記送信端末から送信されるパケットを受信する手順と、
    前記マルチリンクを構成する各リンクについて、監視したリンクの通信品質をもとにパケットの前記受信側振分装置への予想受信時刻を計算する手順と、
    前記マルチリンクを構成する各リンクについて、前記予想受信時刻が最も早いリンクを送信先リンクに決定する手順と、
    送信先リンクにパケットを送信する手順とを実行し、
    前記予想受信時刻を計算する手順は、前記送信側振分装置が送信したパケットの送信間隔および前記受信側振分装置が受信したパケットの受信間隔からリンクの基準送信間隔を計算し、直前に送信したパケットの受信時刻および前記リンクの基準送信間隔の和を前記予想受信時刻とすること
    を特徴とするパケット通信方法。
  17. 請求項16に記載のパケット通信方法を、前記送信側振分装置であるコンピュータに実行させるためのパケット通信プログラム。
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