JP2005086496A - パケット伝送方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ＩＰパケット伝送において、既に許容遅延時間を超え再生価値のなくなったパケットに関しては受信側ホストに送らず、各ルータで破棄することでネットワーク上に不要のパケットが巡回することを抑え、ネットワークの輻輳を起こりにくくする。
【解決手段】 送信ホストとネットワーク上のルータを含む通信機器が共通の絶対時刻で動作するよう、送信ホストでパケットに送出時の絶対時刻情報を付加し、パケットを受け取るルータでアプリケーション毎にパケットの識別処理を行い、パケットに付加された送信時絶対時刻情報とルータでの受信時絶対時刻との時間差で各ルータにパケットが届くまでの伝播時間を算出し、伝播時間があらかじめ設定した許容遅延時間を超えていた場合、そのパケットを破棄する処理と、破棄した旨の通知を送信ホスト、受信ホストに通知する処理を組合せ、ネットワークの輻輳を起こりにくくする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ネットワークを使ったパケット伝送システムに関し、特に、パケットデータの遅延や損失を引き起こすネットワークの輻輳を抑える処理に関するものである。

ネットワーク回線を使ったデータ伝送では、通信プロトコルの規約にしたがって、ＩＰ(Internet Protocol)パケットと呼ばれるパケット単位にデータを分割し伝送する。具体的なネットワーク回線としては、無線ＬＡＮ(Local Area Network)、電話回線、ＡＴＭ(Asynchronous Transfer Mode)回線などがある。

図２は、従来のＵＤＰ(User Datagram Protocol)／ＩＰプロトコルを用いるＩＰパケット伝送システムの概略構成図を示す。 図２において、送信ホスト６の符号化処理部で、映像データや音声データを圧縮符号化、パケット化する。ＲＴＰ送信処理部でＲＴＰヘッダを付加し、トランスポート層でＵＤＰヘッダを付加、ネットワーク層でＩＰヘッダを付加し、ネットワーク回線にパケット(1)(2)〜(5)を送出している。ネットワーク回線には、複数のルータ１〜５が網目のように接続されており、各ルータ１〜５は、混雑状況に応じてＩＰパケットが経由するネットワーク回線のルートを変えて目的の受信ホストにＩＰパケットを送っている。その結果、ＩＰパケットは、ネットワークの回線状況に依存して複数のルータを経由しながら目的の受信ホストに送られることになる。

一方、受信ホスト７では、ネットワーク層、トランスポート層、ＲＴＰヘッダ処理部でそれぞれ送信ホスト６側で付加されたＩＰヘッダ、ＵＤＰヘッダ、ＲＴＰヘッダを削除して本来のデータだけを抽出し符号再生処理部で映像データあるいは音声データを復号再生している。

これらのネットワーク回線は、１つの伝送路を複数のユーザが共有して利用するため、利用するユーザの数により１ユーザあたりの伝送帯域が変化する。 このため、ネットワークが過度に利用されると、転送パケットが増え、ルータやゲートウェイでパケットが処理しきれなくなったり、通信設備にパケットを転送できなくなったりし、ネットワークが輻輳し始める。（例えば、非特許文献１参照）。

一般にネットワークの輻輳に対してはデータの流れをフロー制御で統制しパケット損失を防止する方法や、パケットに付加された認定情報レート(ＣＩＲ)の範囲内でパケットを破棄し、輻輳を抑制する方法が行われている。例えば、Ｘ．２５ネットワークではパケットの損失が起こらないようにフロー制御によってパケットを保証する方法をとっているが、その反面、ネットワーク上のパケットの流れを遅くしてしまい、それと同時に大量の管理情報も追加するため、ネットワーク上に位置する交換機のパケット処理に影響を及ぼすことが知られている。

また、フロー制御中は大量のパケットを一時的にバッファリングするため、大きなバッファメモリを交換機に搭載する必要があり、フロー制御が機能している状況では大きなパケッ卜遅延が生じる。

一方、ネットワーク加入者からのトラフィックを一定基準でサービスできるように構築されたフレームリレーのようなネットワークでは、輻輳が発生するとパケットに付加されたＤＥ(破棄候補)ビットを確認して破棄可能なパケットであればパケットを破棄しネットワーク上のパケット数を制限して輻輳が拡大することを起こりにくくしている。

同様に、ＴＣＰ／ＩＰや、ＵＤＰ／ＩＰを使ったパケット伝送では、パケットがネットワーク上を無限に巡回しネットワークの輻輳が発生することを防ぐため、ネットワーク上のルータでパケットのヘッダの中にあるパケット生存時間(ＴＴＬ：Time to Live)を参考に、ある一定時間以上ネットワーク上を巡回していたパケットは破棄するような処理を行っている。

図３に従来のルータ機能ブロック図を示す。ルータがパケットを受け取ると、パケットはＴＴＬチェック部３−１０に渡される。ここではパケットがルータに留まっていた秒数だけＴＴＬ値を減算し、１台のルータを通過する毎に、少なくとも１秒ずつ減算する処理を行なう。 受信したパケットのＴＴＬ値が０になると、そのパケットはパケット破棄部３−１５で破棄される仕組みになっている。

例えば、デフォルトのТＴＬ値が１２８秒であるＯＳ(Operating System)の場合、送信したパケットは、輻輳等により１２８秒以内に受信側ホストに届かない場合、破棄されることになる。

また、ＴＴＬ値が０以上であった場合には、フラグメント処理部３−１１に送られ、パケットがネットワークにとって大きすぎるサイズの場合は、パケットをより小さなパケットに再分割化(フラグメント化)する。パケット分割後、ヘッダ付加部３−１２で、再分割パケット毎に新しいヘッダを付加する。

その後、送信先アドレス取得部３−１３にて、次のルータの送信先ハードウェアアドレスを取得し、パケット転送部３−１４より、パケッ卜がネットワークに転送されるようになっている。
「音声＆データ統合技術ガイド コンピュータネットワークを使った音声通話」 著者：Gilbert Held 発行：株式会社インプレス ２０００年１２月

伝送品質の劣化はネットワーク上のパケット紛失やパケット到着時間の変動、到着間隔の揺らぎ(ジッタ)などにより生じる。 これらは、経由するネットワークの構成が複雑になるほど顕著に現われ、実用上大きな問題となる。

特に、リアルタイム性が必要な音声通信アプリケーションでは、輻輳等による音声パケットの許容遅延範囲は３００ｍｓであるといわれており、これを超えて届いたパケットを使って音声を再現すると品質に耐えがたい音声歪みが生じる。せっかく受信したパケットであっても許容遅延時間を超えたパケットは再生用データとしては価値のないパケットとみなすことができる。

この許容遅延時間は、伝送するアプリケーションがリアルタイム性を要するか否かによって異なり、リアルタイム性のないアプリケーションでは受信側のバッファサイズに依存するところが多い。

そこで本発明では、アプリケーション毎にルータでパケット生存時間をあらかじめ設定できるようにして、ルータに到着した時点で、すでに許容遅延時間を超えてしまい再生価値のなくなってしまったパケットに関しては受信側ホストに送らず、各ルータにて破棄するようにする。但し、破棄したことを送信先ホストもしく受信先ホストに通知するようにする。これによりネットワーク上に再生価値のないパケットが巡回することを抑え、結果的にネットワークの輻輳を起こりにくくすることを目的とする。

本発明では前記目的を達成するため、パケットを利用したネットワーク伝送において、パケットヘッダに付加されたタイムスタンプ値と絶対時刻を比較しネットワークでの転送遅延がある閾値よりも遅れたパケットをルータで受信した場合、そのパケットを破棄するようにしたパケット伝送方法である。

また、パケットを破棄したことを送信先ホストもしく受信先ホストに通知するようにしたパケット伝送方法である。

また、伝送するアプリケーションにあわせてネットワーク上でのパケット生存時間を変えるものである。

また、ネットワーク上で接続された各ルータが絶対時刻を共通時刻として同期して動作するものである。

本発明では、送信ホストとネットワーク上のルータを含む通信機器が共通の絶対時刻で動作するようにし、送信ホストからパケットを送出する際、パケットに送出時の絶対時刻情報を付加する。パケットを受け取るルータでアプリケーション毎にパケットを識別する処理を行う。さらにパケットに付加された前記送信時絶対時刻情報とルータでの受信時絶対時刻との時間差で送信ホストから各ルータにパケットが届くまでの伝播時間を算出し、伝播時間があらかじめ設定した通信アプリケーションの許容遅延時間を超えていた場合にはそのパケットを破棄する処理と、破棄した旨の通知を送信ホスト、あるいは受信ホストに通知する処理を組み合わせ、遅延許容範囲を超え再生価値のなくなったパケットがネットワーク上を巡回することをなくす。その結果、ネットワークの輻輳を起こりにくくすることができる。

本発明によると、アプリケーション毎にパケットの生存時間を変えることにより、伝播遅延によって不要となってしまったパケットがネットワークを巡回することをなくし、これによって引き起こされていたネットワークの輻輳を起こりにくくすることができる。

ここでは、本発明の一実施例として、ＵＤＰ／ＩＰネットワークを経由してデータが転送される場合について記述する。

ネットワークを使ってデータを伝送するには、プロトコルで決められたヘッダをデータに付加し、パケット単位で伝送することになる。ヘッダは、対応するネットワーク上の各層で円滑に情報を転送するために用意されるもので、具体的にはＩＰヘッダ、ＵＤＰヘッダ、ＲＴＰヘッダ等がある。

例えば、ＩＰヘッダには発信元から送信先にパケットが流れるように発信先／送信先のアドレスフィールド情報を含んでいる。また、ＴＣＰヘッダにはパケットがネットワークを通してばらばらに届いたときでも、時間軸にそって順番に配置できるようにするための情報を含んでいる。 ＲＴＰヘッダには、送信端末と受信端末とでメディア同期が取れるように、送信端末でＩＰパケットの送信時刻情報を示すタイムスタンプ値が付加されている。 このタイムスタンプ値は、３２ビットのフィールドで定義されており、具体的にはＧ.７２３，Ｇ.７２９等の音声データは８ｋＨｚで、Ｈ.２６１，Ｈ.２６３等の映像データは９０ｋＨｚと基準周波数でカウントアップしたカウンタ値が付加されている。また、７ビットのペイロードタイプフィールドもＲＴＰヘッダについており、アプリケーションによる内容の解釈が判断できるようになっている。

そこで本発明では、ネットワークに接続している各ルータや交換機は所定の処理により絶対時刻のもとで稼動するシステム環境下にあるものとし、このＲＴＣヘッダに含まれるベイロードタイプに記述されたアプリケーション情報と絶対時刻情報をもとに、ルータでアプリケーション毎にパケットを振り分け、伝播遅延時間と許容遅延時間に相当する閾値とを比較し、その情報をもとにパケット処理を変えるようにようにする。

図１に本発明におけるルータの機能ブロック図を示す。 まず、パケットがネットワークを経由してルータに到着すると、アプリケーション切替部１−１０で、そのパケットがリアルタイム性の必要なアプリケーションかどうか、または、リアルタイム性であってもある程度遅延が許容されるパケットであるかどうかの判断し、パケット毎に行き先を振り分ける。ここでは簡易的にＡブロックとＢブロックを用意した。

例えば、リアルタイム性のある音声通信のようなアプリケーションのパケットはＡブロックに、リアルタイム性の必要ない、すなわち遅延がある程度長く許されるアプリケーションのパケットはＢブロックにそれぞれ振り分ける。

Ａブロック内の処理とＢブロック内の処理の相違点は、許容遅延時間に相当するそれぞれの閾値の設定値の違いだけであるため、ここではＡブロック内の処理についてのみ説明する。

Ａブロックに送られたパケットは、始めに時刻比較部１−１１に送られる。時刻比較部１−１１ではパケットに付加されたＲＴＰヘッダに記録されている絶対時刻情報とパケットを受け取った時点の絶対時刻との差から、送信ホストからルータに届くまでの累積伝播時間を算出する。

一方、閾値１−１２には、あらかじめ音声パケットの許容遅延時間に相当する値（例えば３００ｍｓ）を設定しておく。後段の比較部１−１３では、時刻比較部１−１１で算出した累積伝播時間と閾値１−１２を比較し、結果を処理切替部１−１４に渡す。

処理切替部１−１４では、この情報をもとに累積伝播時間がその通信アプリケーションの許容遅延時間を超えていなければ、フラグメント処理部１−１５にこのパケット送り、該パケットがネットワークにとって大きすぎるサイズの場合には、パケットをより小さなパケットに分割化(フラグメント化)する。パケット分割後、ヘッダ付加部１−１６で分割パケット毎に新しいヘッダを作成する。

その後、送信先アドレス取得部１−１７にて次のルータの送信先ハードウエアアドレスを取得し、パケット転送部１−１８よりパケットをパケット切替部２−１９に転送する。

一方、累積伝播時間がその通信アプリケーションの許容遅延時間を超えている場合には、パケット破棄部１−１９にパケットを送り破棄する。パケット破棄情報作成部１−２０ではパケットを破棄した事を送信ホスト、あるいは受信ホストに通知するためのフラグを作成しパケット切替部２−１９に送るものとする。パケット切替部２−１９からパケットがネットワークに転送されるものとする。

以上の結果、パケットヘッダに付加された情報から、ルータはリアルタイム性が重視されるパケットとそうでないパケットの識別を行い、通信アプリケーション毎にネットワーク上でのパケットの生存時間を設定できるようになる。これにより、再生価値のないパケットがネットワークを巡回することによって引き起こされるネットワークの輻輳を起こりにくくすることができる。

本発明のルータの一実施例を示す機能ブロック図 従来のＩＰパケット伝送システムの概略構成図 従来のルータの一例を示す機能ブロック図

符号の説明

１−１０：アプリケーション切替部、１−１１，２−１１：時刻比較部、１−１２，２−１２：閾値、１−１３，２−１３：比較部、１−１４，２−１４：処理切替部、１−１５，２−１５：フラグメント処理部、１−１６，２−１６：ヘッダ付加部、１−１７，２−１７：送信先アドレス取得部、１−１８，２−１８：パケット転送部、１−１９：パケット破棄部、１−２０：パケット破棄情報作成部、２−１９：パケット切替部。

Claims (4)

1. ネットワークを利用してパケット化したデータを送信ホストから受信ホストに伝送するパケット伝送において、伝送パケットに付加された送信時絶対時刻情報と当該ネットワーク上の各ルータでの受信時絶対時刻情報に基づき、あらかじめ設定した許容遅延時間を超えたパケットをルータで受信した場合、そのパケットを当該ルータで破棄するよう処理することを特徴とするパケット伝送方法。
2. 請求項１において、更に、上記許容遅延時間を超えたパケットを破棄した旨の通知を、少なくとも上記送信ホスト、受信ホストの何れか一方に通知することを特徴とするパケッ卜伝送方法。
3. 請求項１または２において、伝送するアプリケーションにあわせてネットワーク上でのパケット生存時間を変えることを特徴とするパケッ卜伝送方法。
4. 請求項１乃至３において、ネットワーク上で接続された各ルータが、絶対時刻を共通時刻として同期して動作するようにしたことを特徴とするパケット伝送方法。
   

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