JP2005086816A - 複数のノードを含むネットワークの通信チャネルにおける分散アドミッション制御の方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ネットワークトラフィックを増加させない、受動的なアドミッション制御方法を提供する。更にネットワークに亙りアドミッション制御を分散させる。
【解決手段】複数のノードを有するネットワークの通信チャネルにおける分散アドミッション制御の方法は、各ノードにおいて、所定長を有する連続時間間隔中の通信チャネルのトラフィック状態を測定する。特定のノードにおいて、最後の時間間隔の測定されたトラフィック状態を閾値と比較する。その比較に基づいて、ノードの状態を変化させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、包括的にはネットワーク通信の分野に関し、より詳細にはネットワークのためのアドミッション制御に関する。

ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）は、比較的小さい領域に亙るコンピュータネットワークである。ほとんどのＬＡＮは、単一の建物または建物群に制限される。ＬＡＮを、広域ネットワーク（ＷＡＮ）によって相互接続することができる。ネットワークは、ワークステーション、パーソナルコンピュータ、プリンタ、エンターテイメントノード等のノード、一般に「ノード」を接続することができる。ネットワークによって、接続されたノードはデータを送受信することができる。

搬送波検知多重アクセス／衝突検出方式（ＣＳＭＡ／ＣＤ）は、複数のノードが単一通信チャネルを共有する方法を決めるために使用される技法である。送信するデータを有するノードは、まず、チャネルが空いているかどうかをチェックする。空いている場合、ノードはデータを送信する。そうではなく、空いていない場合、ノードはランダムな時間待機し、その後再びチェックする。チャネルが依然としてビジーである場合、チャネルが空くまで、遅延時間が増加する。

無線ローカルエリアネットワーク（ＷＬＡＮ）は、無線チャネルによって情報を送信する媒体共有型通信ネットワークである。ＷＬＡＮの１つの規格は、ＩＥＥＥ８０２．１１である。ＩＥＥＥ８０２．１１ネットワークを、アドホックでかつインフラストラクチャモードで編成されるように構成することができる。アドホックモードでは、ノードは直接互いに通信する。インフラストラクチャモードでは、アクセスポイント（ＡＰ）、たとえば基地局を使用して、ノードを分散システム（distribution system（ＤＳ））に接続し、ノードはＡＰを介して間接的に通信する。

８０２．１１の媒体アクセス制御（ＭＡＣ）方法は、distributed coordination function（ＤＣＦ）を使用する。無線通信では衝突検出が困難であるため、ＤＣＦは、搬送波検知多重アクセス／衝突回避方式（ＣＳＭＡ／ＣＡ）プロトコルに基づく。しかしながら、ＣＳＭＡ／ＣＡは、追加のオーバヘッドを生成しネットワーク帯域幅を消費する。

アクセスを取得するために、ＭＡＣ層は、ネットワークアロケーションベクトル（Network allocation vector（ＮＡＶ））をチェックする。各ノードはそれ自体のＮＡＶを保持する。ベクトルは、最後のパケットを送信するために待機する時間を表す。局が次のパケットを送信しようと試みることができる前は、ＮＡＶはゼロでなければならない。すなわち、ＮＡＶ＝０である場合、チャネルはビジーではなく、非ゼロ値は、チャネルがビジーであることを示す。パケットを送信する前に、ノードは、パケット長およびデータレートに基づきパケットを送信するために必要な時間を計算する。局は、この時間を表す値をパケットのヘッダに入れる。受信ノードは、そのヘッダを使用してそれ自体のＮＡＶを設定する。

提案されたＩＥＥＥ８０２．１１ｅ規格は、hybrid coordination function（ＨＣＦ）と呼ばれる新たな機能を追加する。ＨＣＦは、コンテンションベースの転送のためのenhanced distributed channel access（ＥＤＣＡ）メカニズムと呼ばれるコンテンションベースのチャネルアクセス方法と、コンテンションフリー転送のためのcontrolled channel access（ＨＣＣＡ）メカニズムとの両方を使用する。ＥＤＣＡでは、４つのチャネルアクセスカテゴリ（access category（ＡＣ））がパケットフローに優先順位をつける。

異なるＡＣに対し異なるアービトレーションフレーム間空間（arbitration inter-frame space（ＡＩＦＳ））とコンテンションウィンドウ（contention window（ＣＷ））とを割り当てることにより、ＥＤＣＡの差別化された媒体アクセス制御を実施する。優先度の高いＡＣに対し小さいＡＩＦＳと短いＣＷとを割り当てることにより、優先度の低いパケットの前に優先度の高いパケットが送信される確率が増す。

既存のパケットフローを保護しネットワーク性能を最適化するために、８０２．１１ｅ草案規格はまた、分散アドミッション制御方法を記載する。ノードは、特定のパケットフローに対するアドミッション要求をＡＰに送信する。ＡＰは、要求を受取ると、その要求を受け入れるか否かを判断する。そのアドミッション制御方法は、パケットフローを保護するという点でうまく働く。しかしながら、この方法は、実施することが複雑であり、ＡＰのないアドホックネットワークでは使用することができない。

複数のチャネル測定を基にするアドミッション制御方法が知られている。Elek等は、「Admission control based on end-to-end measurements」、Proceeding IEEE INFOCOM、2000において、送信側に対しプローブパケットを受信側に送信するように要求する。プローブパケットは、後に送信されるデータパケットのフローを特徴付ける。受信側は、プローブパケットの到着を測定し、送信側に対して測定報告を作成する。そして、送信側は、その報告に基づいてアドミッション判断を行う。その方法は、受信側の測定値に依存する。

Bianchi等は、「Throughput analysis of end-to-end measurement-based admission control in IP」、Proceeding IEEE INFOCOM、2000において、最初に受信側に優先度の低いプロービングパケットを送信することによりアドミッション制御を行う。受信側は、一定時間間隔に亙りプロービングパケットの到着統計、たとえば平均到着率を測定し、データパケットをサポートするために十分な資源があるか否かを判断する。十分な資源がある場合、受信側は送信側に対し、フィードバックパケットを送信することによりデータ送信を開始することができることを通知する。その方法は、受信側の判断に依存する。

Qiu等もまた、「Measurement-based admission control with aggregate traffic envelopes」、IEEE/ACM Trans. Networking、vol.9、pp.199-210、April 2001において、受信側においてパケット到着率を測定することによりトラフィックエンベロープを求め、アドミッション制御判断を行う。この方法では、送信側は、最初にＲＳＶＰパケットを送信しなければならない。受信側は、データパケットに対して使用されるパケット分類子およびスケジューリングパラメータを設定する。

Jamin等は、「A Measurement-based Admission Control Algorithm for Integrated Services Packet Networks (Extended Version)」、ACM/IEEE Transactions on Networking、December 1996において、トークンバケット技法を使用してパケット遅延およびパケットレートを測定することによりアドミッション判断を行う。

２００３年２月１３日に出願された、Dutkiewicz他による米国特許出願第２００３００３１１２９号「Network packet flow admission control」は、送信側にパケットフロー要求を送信させることにより動作する。要求には、送信レートと要求された性能レベルとが含まれる。受信側は、最大性能レベルに関連する最大許容可能送信レートと、目下アクティブであり要求しているノードを含むアクティブノードの数と、を求め、これらの値をアドミッション境界と比較し、それに従ってアドミッション判断を行う。

従来技術によるアドミッション制御方法にはいくつかの問題がある。ある方法では、アドミッション判断を行うために集中管理が必要である。かかる方法は、インフラストラクチャモードネットワークにおいてのみ動作することができる。それらの方法は、集中管理のないアドホックネットワークではまったく役に立たない。他の方法は、アドミッションが許可される前に送信側に対しネットワークを介してプローブまたは要求パケットを送信するように要求するという点で能動的な方法である。それには２つの問題、すなわち第１にネットワークトラフィックの量が増加するということ、および第２にデータを実際に送信することができる前にプロービングが遅延を引き起こすということ、がある。さらに、ある方法では、プローブトラフィックに基づく測定を受信側で行う。また、場合によっては、受信側が、許可するべきか否かの判断を行う。

したがって、完全に送信側の制御に基づいており、アドミッションを行うのにネットワークトラフィックを増加させない、受動的なアドミッション制御方法が必要とされている。さらに、ネットワークにインフラストラクチャがない場合、ネットワークに亙りアドミッション制御を分散させることが望ましい。

ネットワークにおける各ノードは、ネットワークの通信チャネルにおける分散アドミッション制御方法を実施する。ノードは、所定長を有する連続時間間隔中に通信チャネルのトラフィック状態を測定し、最終時間間隔に測定されたトラフィック状態を閾値と比較する。比較に基づき、ノードは状態を変化させる。

ノードがアイドル状態にある場合、測定されたトラフィック状態はチャネル占有率である。ノードがビジー状態にある場合、測定されたトラフィック状態は衝突比である。

システム構造
図１は、本発明を使用するネットワーク１００を示す。ネットワークは、無線部分１１５と有線部分とを有することができる。ネットワークの一部はアドホックとすることができる。ネットワークに接続されるノード１１０は、パケットを使用して互いと通信する。ネットワークがインフラストラクチャモードで動作している無線ネットワークである場合、アクセスポイント１３０を使用して他のネットワーク１２０と接続することができる。

アクセスカテゴリ（ＡＣ）１１１〜１１４は、ネットワークで送信されるパケットに対する優先度レベルを定義する。アクセスカテゴリは、アクティブであるかまたは非アクティブであることが可能である。

システム動作
図２および図３は、アドホックネットワークに対する受動的かつ分散アドミッション制御方法を示す。各ノードは、「アイドル」３０１（パケットを送信していない）かまたは「ビジー」３０２（パケットを送信している）のいずれかの状態２０２を有する。

各ノードは、周期的にかつ受動的にネットワークのチャネル２０１を測定し２１０、これにより、所定長を有する連続時間間隔Ｔの間のトラフィック状態ＴＣ２１１を求める。測定されたトラフィック状態２１１は、特定のノードの状態２０２によって決まる。

ノードがアイドルである場合３０１、測定される状態はチャネル占有率３１１、すなわちチャネル２０１に搬送波信号が存在する相対的な期間（amount of time）である。状態がビジーである場合３０２、トラフィック状態は衝突比３１２、すなわち、パケットが衝突によって喪失したため再送信する必要のある相対的なパケット数である。

ノードの状態がアイドルである場合３０１、時々、ノードは、パケットを送信しビジーになるためにチャネルに入ることが許可されるように望む。かかる時、最後の時間間隔に測定されたトラフィック状態が閾値Ｔ２２１と比較される２２０。トラフィック状態が閾値を下回る場合、ノードは自身がチャネルに入ることを許可し、後述するようにパケットが送信される。そうでない場合２４０、ノードは許可されるまでアイドル状態での測定２１０を続ける。このように、本発明による方法では、アドミッション制御はノードのすべてに分散されており、特定のノードの各々は、チャネルに入るか否かという個々の判断を行う。

ノードは、自身を許可した後、標準衝突検出または回避手法を行って、比較２２０ステップを実行している間に別のノードが確実にチャネルに入らないようにすることができる。衝突が起こる可能性が低い場合、ノードはビジー状態でデータパケットを送信し、その後別のデータパケットが送信の用意ができるまで測定２１０を続ける。

アイドル状態でのチャネルトラフィック状態の測定
測定されたトラフィック状態２１１は、ノード自体がアイドルである間にチャネルが占有される期間に基づくことができる。言い換えれば、送信していないノードは各々、チャネルにおける搬送波信号の存在を検出することにより、チャネルが他のノードのパケットに占有されているか否かを判断する。

各ノードが１分間に１００回チャネルをサンプリングし５０回搬送波信号５０を検出する場合、チャネルは５０％占有されている。このため、ＴＣの値は

であり、ここで、ｔ_ｉは、時間間隔Ｔにおいてｉ番目のサンプルでチャネルが占有されていることを示すサンプルである。相対チャネル占有率Ｃ_{ｏｃｃｕｐａｎｃｙ}を、Ｃ_{ｏｃｃｕｐａｎｃｙ}＝ＴＣ／Ｔ×１００、すなわち時間間隔中にチャネルが占有された時間のパーセンテージによって求めることができる。

別法では、測定を、ネットワークアロケーションベクトル（ＮＡＶ）が非ゼロである相対時間に基づくことができる。それは、ＣＳＭＡ／ＣＡを用いる８０２．１１ｅおよびＥＤＣＡに基づく場合、各ノードはチャネルを検知し適当にＮＡＶを設定しなければならないためである。８０２．１１ｄ無線ネットワークの一般に使用されるビーコン間隔を、時間間隔Ｔとして使用することができる。

上述したようなアクセスカテゴリを使用するネットワークでは、アドミッション制御は、低い占有率閾値Ｔ_ｌｏと高い占有率閾値Ｔ_ｈｉとを使用することができる。Ｃ_{ｏｃｃｕｐａｎｃｙ}＞Ｔ_ｈｉである場合、チャネルは過負荷であるとみなされ、ノードはアイドル状態のままである。Ｃ_{ｏｃｃｕｐａｎｃｙ}＜Ｔ_ｌｏである場合、チャネルは負荷不足であるとみなされ、より多くのトラフィックに対し、ＱｏＳの低下なしにチャネルに入ることを許可することができる。Ｔ_ｌｏ＜Ｃ_{ｏｃｃｕｐａｎｃｙ}＜Ｔ_ｈｉである場合、チャネルは最適な状態である。

これらの２つの閾値に基づくアクセスカテゴリをアクティブにする基準は、次のとおりである。Ｃ_{ｏｃｃｕｐａｎｃｙ}＞Ｔ_ｈｉである場合、最低優先度のアクティブなＡＣを非アクティブにする。Ｔ_ｌｏ＜Ｃ_{ｏｃｃｕｐａｎｃｙ}＜Ｔ_ｈｉである場合、何も行わない。Ｃ_{ｏｃｃｕｐａｎｃｙ}＜Ｔ_ｌｏである場合、非アクティブなＡＣを最高優先度動作によりアクティブにする。

ノードがビジーである間のチャネルトラフィック状態の測定
さらに、各ノードは、ビジーでありパケットを送信している間にチャネルトラフィック状態を測定する。この場合、トラフィック状態は、各時間間隔中の衝突比である。ノードがパケットを再送信しなければならなくなる度に、衝突が推定される。衝突によりパケットが喪失したと推定する。これにより、平均衝突比を、衝突の数を時間間隔中のチャネルにおけるパケット送信の総数によって除算した値として定義する。

平均衝突比Ｒ_ｃを、Ｒ_ｃ＝Ｎ_ｃ／Ｎ_ｔによって求めることができ、ここで、Ｎ_ｃは衝突の数であり、Ｎ_ｔは送信されたパケットの総数である。上述したように、２つの閾値Ｒ_ｌｏおよびＲ_ｈｉを使用することができる。Ｒ_ｃ＞Ｒ_ｈｉである場合、チャネルは過負荷である。Ｒ_ｃ＜Ｒ_ｌｏである場合、チャネルは負荷不足である。Ｒ_ｌｏ＜Ｒ_ｃ＜Ｒ_ｈｉである場合、チャネルは最適なトラフィック状態にある。アクセスカテゴリをアクティブにする基準は、次のとおりである。Ｒ_ｃ＞Ｒ_ｈｉである場合、最低なアクティブなＡＣを非アクティブにする。Ｒ_ｌｏ＜Ｒ_ｃ＜Ｒ_ｈｉである場合、何も行わない。Ｒ_ｃ＜Ｒ_ｌｏである場合、非アクティブなＡＣを最高優先度でアクティブにする。

図３は、本発明によるアドミッション制御の全体構造を示す。各ノードがアイドル状態３０１である間、測定された３０１トラフィック状態は、チャネルが占有される相対的期間であり、ノードがビジー状態３０２である場合、測定された３０２トラフィック状態は衝突比である。アイドル状態で閾値テストに受かることにより、ノードはビジー状態に入ることができ、ビジー状態で閾値テストに落ちることにより、ノードはアイドル状態に戻される。

いずれの場合も、測定は受動的であり、すなわちネットワークトラフィックの量を増加させず、測定は分散されており、すなわち、ネットワークの各ノードがノードの状態に応じて測定を行う。

発明を好ましい実施の形態の例によって説明したが、さまざまな他の適応および変更を本発明の精神および範囲内で行うことができる、ということを理解しなければならない。したがって、添付の特許請求の範囲の目的は、本発明の真の精神および範囲内にある変形および変更をすべて包含することである。

本発明を使用するネットワークのブロック図である。 本発明によるアドミッション制御方法のフローチャートである。 本発明によるアドミッション制御方法の拡張のフローチャートである。

Claims (10)

1. 複数のノードを含むネットワークの通信チャネルにおける分散アドミッション制御の方法であって、
   各ノードにおいて、所定長を有する連続時間間隔中に通信チャネルのトラフィック状態を受動的に測定すること、
   特定のノードにおいて、最後の時間間隔における測定されたトラフィック状態を閾値と比較すること、
   該比較に基づいてノードの状態を変化させること
   を含む複数のノードを含むネットワークの通信チャネルにおける分散アドミッション制御の方法。
2. 前記トラフィック状態はチャネル占有率であり、
   前記チャネル占有率が前記閾値を下回る場合に、前記特定のノードの状態をアイドルからビジーに変化させること
   をさらに含む請求項１に記載の方法。
3. 前記チャネル占有率を測定するために前記チャネルにおける搬送波信号を検出すること
   をさらに含む請求項２に記載の方法。
4. 前記チャネル占有率を測定するために前記特定のノードにおけるゼロアロケーションベクトルを検出すること
   をさらに含む請求項１に記載の方法。
5. 前記ネットワークの各ノードは、アクティブでありえるかまたは非アクティブでありえるかの複数のアクセスカテゴリを含み、各アクセスカテゴリは、パケットの優先度レベルに関連し、前記閾値は、高閾値を含み、
   前記チャネル占有率が前記高閾値を上回る場合に、最低優先度レベルを有するアクティブなアクセスカテゴリを非アクティブにすること
   をさらに含む請求項２に記載の方法。
6. 前記閾値は、低閾値を含み、
   前記チャネル占有率が前記低閾値を下回る場合に、最高に関連した優先度レベルを有する非アクティブなアクセスカテゴリをアクティブにすること
   をさらに含む請求項５に記載の方法。
7. 前記トラフィック状態は、衝突比であり、
   前記衝突比が前記閾値を上回る場合に、前記特定のノードの状態をビジーからアイドルに変化させること
   をさらに含む請求項１に記載の方法。
8. 前記ネットワークの各ノードは、アクティブでありえるかまたは非アクティブでありえるかの複数のアクセスカテゴリを含み、各アクセスカテゴリは、パケットの優先度レベルに関連し、前記閾値は、高閾値を含み、
   前記衝突比が前記高閾値を上回る場合に、最低優先度レベルを有するアクティブなアクセスカテゴリを非アクティブにすること
   をさらに含む請求項７に記載の方法。
9. 前記閾値は、低閾値を含み、
   前記衝突比が前記低閾値を下回る場合に、最高に関連した優先度レベルを有する非アクティブなアクセスカテゴリをアクティブにすること
   をさらに含む請求項８に記載の方法。
10. 各ノードがアイドル状態かまたはビジー状態のいずれかである、複数のノードを含むネットワークの通信チャネルにおける分散アドミッション制御の方法であって、
    各アイドルノードにおいて、所定長を有する連続時間間隔中の通信チャネルのチャネル占有率を受動的に測定し、最後の時間間隔の前記チャネル占有率を第１の閾値と比較し、該比較に基づいて前記ノードの前記状態をアイドルからビジーに変化させること、
    各ビジーノードにおいて、前記所定長を有する連続時間間隔中の前記通信チャネルの衝突比を測定し、最後の時間間隔の前記衝突比を第２の閾値と比較し、該比較に基づいて前記ノードの前記状態をビジーからアイドルに変更すること
    を含む複数のノードを含むネットワークの通信チャネルにおける分散アドミッション制御の方法。

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