JP2004140596A - Ｔｃｐ上のデータ転送における品質を推定する方法およびシステム - Google Patents

Abstract

【課題】ネットワークヘかかる負荷を小さく抑えることができ、かつ少ない計算量でＴＣＰスループットや再送発生率等のＴＣＰ品質を推定する。
【選択手段】パケット通信網を介して接続された２つの品質測定装置間で、一方の品質測定装置から他方の品質測定装置に向けて測定パケットを送信し、他方は、これに対応する測定パケットを一方の品質測定装置へ返送し、一方の品質測定装置は返送された測定パケットの受信状況に基づき品質測定装置間のＴＣＰスループット、再送発生率、平均パケット往復遅延、タイムアウト再送が発生する確率を推定すること、および、そのために、測定パケットを一方の品質測定装置から送信するタイミングは、ウインドウ型フロー制御により決定され、更に，タイムアウト時間を経ても他方の品質測定装置から期待される測定パケットの返送がない場合は、全ての測定パケットが紛失したと考え、ウインドウサイズ分の測定パケットを送信する。
【選択図】　　　　図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＴＣＰ（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｐｒｏｔｏｃｏｌ）上のデータ転送において、パケット通信網を介して接続された２つの品質測定装置で測定パケットを送受信し、その送受信情報に基づき、両品質測定装置間におけるデータ転送の品質を推定する方法及びシステムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
この種の品質推定方法の従来技術の一例では、スループットの計算に必要な情報を全て測定対象のデータ転送のパケットを線路上の品質測定装置でキャプチャし、キャプチャの結果より得られるパケットヘッダの情報、及びパケット検出の時刻を取得し、それらに基づきデータ転送における再送発生率、平均パケット往復遅延を推定し、スループットを計算している（例えば、非特許文献１参照）。
【０００３】
また従来技術の第２の例では、データ転送のスループットを推定するために、２つの品質測定装置間で、ＴＣＰと同じ制御機構をもつ測定パケットを送受信し、測定パケットのスループットをもって測定対象のデータ転送のスループットの推定値としている（例えば、非特許文献２参照）。
【０００４】
【非特許文献１】
Ｊ．　Ｐａｄｈｙｅ著，”Ａ　ｓｉｍｐｌｅ　Ｍｏｄｅｌ　ａｎｄ　ｉｔｓ　Ｅｍｐｉｒｉｃａｌ　Ｖａｌｉｄａｔｉｏｎ”，Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｆ　ＳＩＧＣＯＭＭ，１９９８年、ＡＣＭ，ｐ．３０３−３１４
【非特許文献２】
Ｍ．　Ｍａｔｈｉｓ著、”ＴＲｅｎｏ　Ｂｕｌｋ　Ｔｒａｎｓｆｅｒ　Ｃａｐａｃｉｔｙ”、１９９９年２月、ＩＥＴＦドラフト、［２００２年１０月３日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｉｅｔｆ．ｏｒｇ／ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ／９９ｎｏｖ／Ｉ−Ｄ／ｄｒａｆｔ−ｉｅｔｆ−ｉｐｐｍ−ｔｒｅｎｏ−ｂｔｃ−０３．ｔｘｔ
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来技術では、次のような問題がある。
第１の従来技術の第１の問題点は、品質推定に必要な情報を全て測定対象のデータ転送のパケットを直接キャプチャすることにより得ている点にある。測定対象のデータ転送のキャプチャを得るためには、経路上に品質測定装置を設置する必要があり、設置のために一時的に通信の断が発生する。しかし、実際のネットワーク環境では、通信の断が許されないという理由により、品質測定装置の設置ができない場合も多く、その場合、スループットの測定が不能になる。また、パケットのキャプチャによりスループットの計算を行うためには、膨大なデータを処理する必要があり、計算量が大きくなるなどの問題があった。
【０００６】
第１の従来技術の第２の問題点は、ＴＣＰにおける、全再送の内、タイムアウト再送が発生する確率を計算するために特殊な仮定をおいているため、多くの場合に推定値が現実と合わないという点にある。
【０００７】
第２の従来技術の第１の問題点は、ＴＣＰと同じ制御機構をもつ測定パケットを送信することにある。この際、ネットワークヘかかる負荷は無視できない大きさとなる。
【０００８】
第２の従来技術の第２の問題点は、測定の結果として得られる値がスループットだけである点にある。スループット以外の品質を推定するためには、更に別の測定を行う必要があり、効率的でない。
【０００９】
本発明の目的は、ネットワークヘかかる負荷を小さく抑えることができ、かつ少ない計算量でＴＣＰのスループット、再送発生率、平均パケット往復遅延、タイムアウト再送が発生する確率を推定できる方法及びシステムを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明のＴＣＰ品質推定方法は、パケット通信網を介して接続された２つの品質測定装置間で、２つの品質測定装置の一方の品質測定装置から他方の品質測定装置に向けて測定パケットを送信し、他方の品質測定装置は一方の品質測定装置からの送信された測定パケットの受信に応じて、これに対応する測定パケットを一方の品質測定装置へ返送し、一方の品質測定装置は他方の品質測定装置から返送された測定パケットの受信状況に基づき品質測定装置間のＴＣＰスループット、再送発生率（＝１／再送間に送信可能なパケット数の平均）、平均パケット往復遅延、タイムアウト再送が発生する確率を推定することを特徴とするものであって、前記測定パケットを一方の品質測定装置から送信するタイミングはウインドウ型フロー制御により決定し、更に、タイムアウト時間を経ても他方の品質測定装置から期待される測定パケットの返送がない場合は、全ての測定パケットが紛失したと考え、ウインドウサイズ分の測定パケットを送信することを特徴とするものである。
【００１１】
こ方法を実施する本発明のＴＣＰ品質推定システムは、パケット通信網を介して接続された少なくとも２つの品質測定装置と、２つの品質測定装置の一方または両方に接続された管理装置とを具え、各品質測定装置は、他方の品質測定装置に対して測定パケットを送信する通信装置であって、測定パケットを送信するタイミングをウインドウ型フロー制御により決定する機能と、更に、タイムアウト時間を経ても他方の品質測定装置から期待される測定パケットの返送がない場合は、全ての測定パケットが紛失したと考え、ウィンドウサイズ分の測定パケットを送信する機能を有し、２つの品質測定装置の一方の品質測定装置は他方の品質測定装置に向けて測定パケットを送信し、他方の品質測定装置は一方の品質測定装置から送信された測定パケットの受信に応じて、これに対応する測定パケットを一方の品質測定装置へ返送し、前記管理装置は他方の品質測定装置から返送された測定パケットの受信状況に基づき品質測定装置間のＴＣＰスループット、再送発生率（＝１／再送間に送信可能なパケット数の平均）、平均パケット往復遅延、タイムアウト再送が発生する確率を推定する機能を有することを特徴とする。
【００１２】
この方法及びシステムでは、測定パケットは、ＴＣＰの振る舞いを擬似する送信規則を有するが、確認応答なしで送信できるパケット数（ウィンドウサイズ）、およびパケット損失時に次パケットを送信するまでの時間間隔（タイムアウト時間）、およびパケットサイズを調整することにより、実際にＴＣＰでデータ通信を行うよりもネットワークにかかる負荷を小さくできる。また、ＴＣＰスループット、再送発生率、平均パケット往復遅延、タイムアウト再送が発生する確率の推定にあたっては、パケットのキャプチャを取得する必要もない。
【００１３】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施の形態としてのＴＣＰ品質推定システムの構成を示すブロック図である。この品質推定システム１０は、少なくとも２つ、本例では４つのの品質測定装置１Ａ−１Ｄと管理装置２が設けられており、各品質測定装置はそれぞれ測定対象となるパケット通信網４に接続されている。各品質測定装置は、他方の品質測定装置に対して測定パケットを送信する通信装置であって、測定パケットを送信するタイミングをウインドウ型フロー制御により決定する機能と、更に、タイムアウト時間を経ても他方の品質測定装置から期待される測定パケットの返送がない場合は、全ての測定パケットが紛失したと考え、ウィンドウサイズ分の測定パケットを送信する機能を有する。
【００１４】
管理装置２は、測定を行う２つの品質測定装置の間で送受信された測定パケットの送受信状況に基づき、品質推定に必要な計算をする処理装置である。また、管理装置２は品質測定装置と同じ測定装置上に実現することもできる。
【００１５】
測定パケットには、送出順を表す番号（シーケンス番号）、および送出時刻が付与される。測定パケットにシーケンス番号および送出時刻を付与する方法としては、ヘッダ内にシーケンス番号および送出時刻を付与することができるＩＣＭＰ（Ｉｎｔｅｒｎｅｔ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｍｅｓｓａｇｅ　Ｐｒｏｔｏｃｏｌ）を用いる方法、測定パケットのペイロードの特定の位置にシーケンス番号および送出時刻を書く方法、等が挙げられる。
【００１６】
これらの品質測定装置や管理装置としては、パケット通信機能を有するパーソナルコンピュータを用いてもよく、専用の測定装置を用いてもよい。
【００１７】
次に図２を使用して図１に示すＴＣＰ品質推定システムの全体の動作について評細に説明する。ここでは、品質測定装置１Ａから品質測定装置１Ｂへ向かう方向についての、品質を推定する場合について説明する。なお、本実施の形態によれば、この例に限らず、他の品質測定装置を使用して他のリンクや方向についても同様にしてスループットの測定ができる。
【００１８】
品質測定装置１Ａは、品質測定装置１Ａと対になる他方の品質測定装置１Ｂへパケット通信網４を介して所定の測定パケットを送出する。品質測定装置１Ａからの測定パケットは、ｌＰルータ３Ａ、リンク４Ａ、ＩＰルータ３Ｂを経由して、品質測定装置１Ｂへ到着する。
【００１９】
品質測定装置１Ｂは、品質測定装置１Ａからの測定パケットを受信した後、品質測定装置１Ａへ測定パケットを折り返し送信する。その際に、測定パケット内のシーケンス番号、送出時刻の情報は、受信した測定パケットに記述されていた値に設定する。
【００２０】
品質測定装置１Ａは、品質測定装置１Ｂからの測定パケットを受信すると、測定パケット内のシーケンス番号の内容に基づき、次のパケットを送出するか否かを決める。更に、品質測定装置１Ｂから期待されるシーケンス番号を持つ測定パケットを一定時間内に受信しない場合は、全ての測定パケットが紛失したとみなし、ウィンドウサイズ分の測定パケットを送出する。
【００２１】
図３（ａ）に、品質測定装置１Ａが品質測定装置１Ｂからの測定パケットを受信した場合の動作をフローチャートに示す。受信したパケットｉが、期待されるシーケンス番号ａｃｋをもっている場合（ｉ＝ａｃｋ）は、次のパケットｎを送信し、次に受信を期待するシーケンス番号の更新（ａｃｋ＝ｉ＋１）、および次に送信する測定パケットのシーケンス番号の更新（ｎ＝ｎ＋１）を行い、更に測定パケットの損失を検出するためのタイマを再起動する。
【００２２】
図３（ｂ）に、品質測定装置１Ａが品質測定装置１Ｂから期待されるシーケンス番号を持つ測定パケットを一定時間内に受信しない場合、および測定パケットの転送開始時の動作をフローチャートに示す。受信が期待されるシーケンス番号をもつ測定パケットを一定期間（Ｔ）内に受信しない場合、測定パケットの損失を検出するためのタイマが切れる。この場合、一度にウインドウサイズ分の測定パケットｎ，ｎ＋１，．．．，ｎ＋ｗ−１を送信し、次に受信を期待するシーケンス番号の更新（ａｃｋ＝ｎ）、および次に送信する測定パケットのシーケンス番号の更新（ｎ＝ｎ＋ｗ）を行う。
【００２３】
更に、管理装置２は品質測定装置１Ａにおける測定パケットの受信状況から、測定パケットのパケット損失率ＰＬＲ、パケットの送信間隔がタイムアウト時間以下であるときにパケットが連続して廃棄される確率Ｐ_１、廃棄なしで連続して送れるパケット数の分布、パケット往復遅延ｒｔｔを計算する。
【００２４】
管理装置２は、一定回数の測定の後、これらの情報を用いて、ＴＣＰスループットＴｈ、再送発生率Ｐ_ｒ、平均パケット往復遅延ｒｔｔ（電子出願の都合上平均記号をアンダーラインで表した）、タイムアウト再送が発生する確率を計算する。
【００２５】
再送発生率Ｐ_ｒは、測定パケットの受信履歴から得られる、測定パケットのパケット損失率ＰＬＲ、パケットの送信間隔がタイムアウト時間以下であるときにパケットが連続して廃棄される確率Ｐ_１、廃棄なしで連続して送れるパケット数がｉ個より小さい確率Ｐ｛ｏｋ＜ｉ｝を用いて、次式：
【数１１】

ここで、
【数１２】

で与えられる。
ここで、Ｅ［Ｂ］は一度に連続して破棄されるパケット数（連続ロス）の平均を表し、Ｅ［ＢＮ］は１ウインドウ中に含まれる連続ロスの数の平均を表し、Ｗは再送が発生する時のウィンドウサイズの平均の推定値を表す。
【００２６】
平均パケット往復遅延ｒｔｔは、測定パケットのパケット往復遅延をウインドウサイズにつき１個計測したｉ番目の測定値ｒｔｔ_ｉ、ｒｔｔ_ｉを測定した時刻ｔ_ｉ、パケット往復遅延の最小値ｄ、測定パケット数Ｎ、パケット長Ｌ（ｂｉｔｓ）、アクセス帯域Ｂ（ｂｉｔ／ｓｅｃ）を用いて、次式：
【数１３】

で与えられる。
【００２７】
スループットＴｈは次式により計算される。
【数１４】

ここで、Ｅ［Ｚ^ＴＯ］は、同一再送データに対する連続するタイムアウト再送時において最初の再送のタイムアウト待ちが始まってから最後のタイムアウト再送を開始するまでの時間の平均を表し、この区間をタイムアウト再送シーケンスと呼ぶ。Ｅ［Ｒ］は、タイムアウト再送シーケンス内で再送されるパケットの数の平均を表す。Ｅ［Ｙ］はタイムアウト再送シーケンス外で連続する再送の間に新規に送信するパケット数の平均を表し、Ｅ［Ａ］は、タイムアウト再送シーケンス外で連続する再送の間でパケットを送信している時間の平均を表す。これらは、数１１で計算されるＰｒ、数１３で計算されるｒｔｔ、タイムアウト待ち時間の初期値Ｔｏ、Ａｃｋパケットを返送する頻度ｂを用いて次式で計算される。
【数１５】

【００２８】
タイムアウト再送が発生する確率は、パケットの送信間隔がタイムアウト時間以下であるときにパケットが連続して廃棄される確率Ｐ_１とすることができる。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、次のような効果を奏する。
第１の効果は、測定対象のデータ転送のパケットを直接キャプチャすることなく、ＴＣＰの品質推定を行うことができることにある。その理由は、測定パケットを送受信し、それらの送受信状況を元に品質推定に必要な情報を得ているためである。第２の効果は、単にＴＣＰと同じ制御機構をもつ測定パケットを送信する場合に比べ、ネットワークヘかかる負荷を小さくできることにある。その理由は、ＴＣＰと同じ制御機構をもつ測定パケットの受信個数から直接スループットを計算するのではなく、ＴＣＰを擬似する測定パケットの受信履歴から品質測定に必要な情報を計算により推定しているためである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態例としてのＴＣＰ品質推定システムの構成を示すブロック図である。
【図２】本発明のＴＣＰ品質推定システムにおいて品質測定装置１Ａから品質測定装置１Ｂへ向かう方向について品質測定を行う場合の構成を示すブロック図である。
【図３】（ａ）は、図２のシステムにおいて、品質測定装置１Ａが品質測定装置１Ｂからの測定パケットを受信した場合の動作を表すフローチャートであり、
（ｂ）は、図２のシステムにおいて、品質測定装置１Ａが品質測定装置１Ｂから受信が期待される測定パケットを一定時間内に受信しない場合、および測定パケットの転送開始時の動作を表すフローチャートである。
【符号の説明】
１Ａ−１Ｄ　品質測定装置
２　管理装置
３　１Ｐルータ
４　パケット通信網
４Ａ、４Ｂ、４Ｃ　リンク
５　ＴＣＰ端末
１０　品質推定システム

Claims (12)

1. パケット通信網を介して接続された２つの品質測定装置間で、２つの品質測定装置の一方の品質測定装置から他方の品質測定装置に向けて測定パケットを送信し、他方の品質測定装置は一方の品質測定装置から送信された測定パケットの受信に応じて、これに対応する測定パケットを一方の品質測定装置へ返送し、一方の品質測定装置は他方の品質測定装置から返送された測定パケットの受信状況に基づき品質測定装置間のＴＣＰスループット、再送発生率（＝１／再送間に送信可能なパケット数の平均）、平均パケット往復遅延、タイムアウト再送が発生する確率を推定することを特徴とするＴＣＰ品質測定方法であって、前記測定パケットを一方の品質測定装置から送信するタイミングは、ウィンドウ型フロー制御により決定され、更に、タイムアウト時間を経ても他方の品質測定装置から期待される測定パケットの返送がない場合は、全ての測定パケットが紛失したと考え、ウィンドウサイズ分の測定パケットを送信することを特徴とするＴＣＰ品質推定方法。
2. 請求項１記載のＴＣＰ品質推定方法において、測定パケットの受信履歴により得られる、測定パケットのパケット損失率ＰＬＲ、パケットの送信間隔がタイムアウト時間以下であるときにパケットが連続して廃棄される確率Ｐ_１、廃棄なしで連続して送れるパケット数がｉ個より小さい確率Ｐ｛ｏｋ＜ｉ｝用いて、再送発生率Ｐ_ｒを次式：
   

   

   ここで、
   

   

   により計算することを特徴とするＴＣＰ品質推定方法。
3. 請求項１記載のＴＣＰ品質推定方法において、測定パケットのパケット往復遅延をウィンドウサイズにつき１個計測したｉ番目の測定値ｒｔｔ_ｉ、ｒｔｔ_ｉを測定した時刻ｔ_ｉ、パケット往復遅延の最小値ｄ、測定パケットの数Ｎ、パケット長Ｌ（ｂｉｔｓ）、アクセス帯域Ｂ（ｂｉｔ／ｓｅｃ）を用いて、平均パケット往復遅延ｒｔｔ
   （電子出願の都合上平均記号はアンダーラインで表した）を次式：
   

   

   により計算することを特徴とするＴＣＰ品質推定方法。
4. 請求項１記載のＴＣＰ品質推定方法において、数１で計算される再送発生率Ｐ_ｒ、数３で計算される平均パケット往復遅延ｒｔｔ、タイムアウト待ち時間の初期値Ｔｏ、Ａｃｋパケットを返送する頻度ｂを用いて、ＴＣＰスループットＴｈを次式：
   

   

   ここで、
   

   

   により計算することを特徴とするＴＣＰ品質推定方法。
5. 請求項１記載のＴＣＰ品質推定方法において、タイムアウト再送が発生する確率を、パケットの送信間隔がタイムアウト時間以下であるときにパケットが連続して廃棄される確率Ｐ_１とすることを特徴とするＴＣＰ品質推定方法。
6. パケット通信網を介して接続された少なくとも２つの品質測定装置と、２つの品質測定装置の一方または両方に接続された管理装置とを具え、各品質測定装置は、他方の品質測定装置に対して測定パケットを送信する通信装置であって、測定パケットを送信するタイミングをウインドウ型フロー制御により決定する機能と、更に、タイムアウト時間を経ても他方の品質測定装置から期待される測定パケットの返送がない場合は、全ての測定パケットが紛失したと考え、ウィンドウサイズ分の測定パケットを送信する機能を有し、２つの品質測定装置の一方の品質測定装置は他方の品質測定装置に向けて測定パケットを送信し、他方の品質測定装置は一方の品質測定装置から送信された測定パケットの受信に応じて、これに対応する測定パケットを一方の品質測定装置へ返送し、前記管理装置は他方の品質測定装置から返送された測定パケットの受信状況に基づき品質測定装置間のＴＣＰスループット、再送発生率（＝１／再送間に送信可能なパケット数の平均）、平均パケット往復遅延、タイムアウト再送が発生する確率を推定する機能を有することを特徴とするＴＣＰ品質測定システム。
7. 請求項６記載のＴＣＰ品質推定システムにおいて、前記管理装置は、測定パケットの受信履歴により得られる、測定パケットのパケット損失率ＰＬＲ、パケットの送信間隔がタイムアウト時間以下であるときにパケットが連続して廃棄される確率Ｐ_１、廃棄なしで連続して送れるパケット数がｉ個より小さい確率Ｐ｛ｏｋ＜ｉ｝用いて、再送発生率Ｐ_ｒを次式：
   

   

   ここで、
   

   

   に従って計算する機能を有することを特徴とするＴＣＰ品質推定システム。
8. 請求項６記載のＴＣＰ品質推定システムにおいて、前記管理装置は、測定パケットのパケット往復遅延をウィンドウサイズにつき１個計測したｉ番目の測定値ｒｔｔ_ｉ、ｒｔｔ_ｉを測定した時刻ｔ_ｉ、パケット往復遅延の最小値ｄ、測定パケットの数Ｎ、パケット長Ｌ（ｂｉｔｓ）、アクセス帯域Ｂ（ｂｉｔ／ｓｅｃ）を用いて、平均パケット往復遅延ｒｔｔを次式：
   

   

   に従って計算する機能を有することを特徴とするＰＣＴ品質推定システム。
9. 請求項６記載のＴＣＰ品質推定システムにおいて、前記管理装置は、数１で計算される再送発生率Ｐ_ｒ、数３で計算される平均パケット往復遅延ｒｔｔ、タイムアウト待ち時間の初期値Ｔｏ、Ａｃｋパケットを返送する頻度ｂを用いて、ＴＣＰスループットＴｈを次式：
   

   

   ここで、
   

   

   に従って計算する機能を有することを特徴とするＴＣＰ品質推定システム。
10. 請求項６記載のＴＣＰ品質推定システムにおいて、前記管理装置は、タイムアウト再送が発生する確率を、パケットの送信間隔がタイムアウト時間以下であるときにパケットが連続して廃棄される確率Ｐ_１とする機能を有することを特徴とするＴＣＰ品質推定システム。
11. 前記管理装置は前記品質測定装置に組み込まれていることを特徴とする請求項６−１０の何れかに記載のＴＣＰ品質推定システム。
12. 前記品質測定装置及び／又は前記管理装置はパーソナルコンピュータにより実現されていることを特徴とする請求項６−１１の何れかに記載のＴＣＰ品質管理システム。

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