JP2005130284A - パケット受信方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 複数のパケット転送経路を利用して並列伝送するパケット伝送システムにおいて、送信側ではパケットを複製するだけで伝送帯域を消費するような付加情報を追加せず、受信側だけの処理でパケット損失の回復に対応する。
【解決手段】 対向する送信側ノードと受信側ノードとの間で、送信側ノードが送信するパケットをｎ個（ｎは２以上の整数）複製し、複数ｎ本のパケット転送経路を介して並列伝送し、受信側ノードが並列伝送された同一パケットを同定し、最初に正常到着したパケットを選択して後段に出力するパケット伝送システムのパケット受信方法において、並列伝送されて到着したパケットに対するハッシュ関数の演算値である有限桁数のハッシュ値（擬似乱数）を算出し、ハッシュ値が未記録であれば記録するとともに到着したパケットを後段に出力し、ハッシュ値がすでに記録されていれば到着したパケットを廃棄する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、パケット通信網中の２つのノード間で伝送されるパケットを高い品質で受信するためのパケット受信方法および装置に関する。ここで、高い品質とは、低いパケット損失率と高い信頼性を意味する。

図５は、従来のパケット伝送システムの構成例を示す（非特許文献１）。図において、従来のパケット伝送システムは、ユーザ端末５１に接続される送信側ノード５３と、ユーザ端末５２に接続される受信側ノード５４との間に、複数ｎ本（ここではｎ＝２）のパケット転送経路５５Ａ，５５Ｂを形成する。送信側ノード５３は、ユーザ端末５１から送信されたパケット１，２，３を複製し、それぞれパケット１Ａ，１Ｂ、パケット２Ａ，２Ｂ、パケット３Ａ，３Ｂとすると、パケット転送経路５５Ａにパケット１Ａ，２Ａ，３Ａを送信し、パケット転送経路５５Ｂにパケット１Ｂ，２Ｂ，３Ｂを送信し、受信側ノード５４まで並列伝送する。受信側ノード５４は、各パケット転送経路５５Ａ，５５Ｂから到着する同一パケットを同定し、最初に正常到着したパケットを選択してユーザ端末５２に送出する。

このとき受信側ノード５４では、各パケット転送経路から到着するパケットについて、同一のパケットが他のパケット転送経路からすでに到着済みか否かを常に調べる。そのために、非特許文献１では周期的に同期用パケット４Ａ，４Ｂを送信側で挿入し、この同期用パケット４Ａ，４Ｂの周期で同期用フレームを構成する方法をとっている。ここでは、１つの同期用フレームに複数（ここでは３個）のパケットを含み、各同期用フレームにシーケンス番号を付与する。受信側ノード５４は、各パケット転送経路から到着したフレームのシーケンス番号を識別し、未到着のフレームのパケットを利用し、すでに到着済みのフレームのパケットを廃棄する。

図５に示す例では、パケット転送経路５５Ｂがパケット転送経路５５Ａより伝送遅延が小さい場合であり、受信側ノード５４はパケット転送経路５５Ｂから先にフレームを受信することになり、パケット１Ｂ，２Ｂ，３Ｂがユーザ端末５２に送られ、同じシーケンス番号をもつフレームに属するパケット１Ａ，２Ａ，３Ａは廃棄される。

このように、従来技術では周期的な同期用パケットを用いて、同期用フレームを単位として複数の同一パケットの中から最初に到着するものを選択していた。これにより、仮に１つのパケット転送経路で伝送路や装置に障害が発生しても、他のパケット転送経路が正常に動作していれば、そのパケット転送経路から到着するパケットを自動的に取得してパケット伝送を続行することができ、障害に対して極めて高い信頼性を有する無中断伝送を実現することができる。
川村龍太郎、「ＡＴＭ網における無中断バーチャルパス構成法」、信学技報、ＣＳ９４−１９６、pp.47-54、1995年１月発行

従来技術は、周期的な同期用パケットを用いて、同期用フレームを単位として複数の同一パケットの中から最初に到着するものを選択する構成であるので、次に示す問題点があった。

まず、伝送情報を有しない同期用パケットを周期的に伝送するために、その分だけ伝送帯域が消費される点である。

次に、複数のパケットを含むフレームを単位に最初に到着するパケットを選択しているので、最初に到着したフレームの中でパケットの損失が発生すると、その損失を回復できない点である。図５を参照して具体的に説明する。

パケット転送経路５５Ｂを通過中のパケット２Ｂが、中継ノードのバッファオーバーフロー等により廃棄されると、受信側ノード５４にパケット転送経路５５Ｂから受信するフレームはパケット１Ｂ，３Ｂのみとなる。このフレームは、パケット転送経路５５Ａから到着するフレームより先に受信側ノード５４に到着するので、パケット１Ｂ，３Ｂのみがユーザ端末５２に送られる。一方、パケット転送経路５５Ａから受信側ノード５４に到着するフレーム（パケット１Ａ，２Ａ，３Ａ）は廃棄されるので、パケット２は結局ユーザ端末５２に到達しないことになる。

このように、フレームを単位として最初に到着するパケットを識別する方法では、最初に到着するフレームの中で一部のパケットが廃棄されると、他のパケット転送経路でそのパケットが正しく伝送されても受信側ノードでフレームごと廃棄され、ユーザ端末には届かない問題がある。

なお、非特許文献１では、フレームごとにパケットを選択する方法の代替手法として、フレーム中のパケットの順番を認識し、各パケット転送経路から到着するフレーム内の同一順番のパケットのうち最初に到着するものを選択する方法が提示されている。これは、フレーム単位の最先着パケット選択ではなく、パケットごとの最先着パケット選択となるが、パケット廃棄等によって順番が変化すると対応できなくなる。例えば、図５においてパケット２Ｂが廃棄されると、パケット転送経路５５Ｂのパケット３Ｂが２番目のパケットとなり、パケット１Ｂ、３Ｂの次に、パケット転送経路５５Ａから到着した３番目のパケット３Ａが受信側ノード５４で選択される。すなわち、パケット転送経路５５Ｂで廃棄されたパケット２Ｂに代わるパケット２Ａが選択されず、パケット３Ｂと同じパケット３Ａが選択されることになり、廃棄されたパケットの回復ができない。

一方、送信側で個々のパケットのヘッダにシーケンス番号を付加して複製し、受信側で複数のパケット転送経路を並列伝送されたパケットのシーケンス番号を検出し、同一パケットを同定する方法がある。この方法では、パケット単位に最初に到着するパケットを選択することができるので、上記のフレーム単位の方法における問題点は解消する。

しかし、いずれの方法でも、送信側でパケットを複製する際に同期用パケットを挿入してフレームを構成したり、個々のパケットにシーケンス番号を付加するなどの処理が必要になる。すなわち、２つのノード間でパケットを高い品質で送受信するためには、送信側および受信側の双方でそれなりの処理が必要になるとともに、同期用パケットやシーケンス番号の伝送のために伝送帯域が消費されることになる。

本発明は、複数のパケット転送経路を利用して並列伝送するパケット伝送システムにおいて、送信側ではパケットを複製するだけで伝送帯域を消費するような付加情報を追加せず、受信側だけの処理でパケット損失の回復に対応することができるパケット受信方法および装置を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、対向する送信側ノードと受信側ノードとの間で、送信側ノードが送信するパケットをｎ個（ｎは２以上の整数）複製し、複数ｎ本のパケット転送経路を介して並列伝送し、受信側ノードが並列伝送された同一パケットを同定し、最初に正常到着したパケットを選択して後段に出力するパケット伝送システムのパケット受信方法において、並列伝送されて到着したパケットに対するハッシュ関数の演算値である有限桁数のハッシュ値（擬似乱数）を算出し、ハッシュ値が未記録であれば記録するとともに到着したパケットを後段に出力し、ハッシュ値がすでに記録されていれば到着したパケットを廃棄することを特徴とする。

また、記録されたハッシュ値を記録時点から複数ｎ本のパケット転送経路の最大遅延時間差を超える時間の経過後に消去するようにしてもよい（請求項２）。

請求項３に記載の発明は、対向する送信側ノードと受信側ノードとの間で、送信側ノードが送信するパケットをｎ個（ｎは２以上の整数）複製し、複数ｎ本のパケット転送経路を介して並列伝送し、受信側ノードが並列伝送された同一パケットを同定し、最初に正常到着したパケットを選択して後段に出力するパケット伝送システムのパケット受信装置において、並列伝送されて到着したパケットを順次入力し、パケットに対するハッシュ関数の演算値である有限桁数のハッシュ値（擬似乱数）を出力するハッシュ関数演算手段と、ハッシュ値を記録するハッシュ値記録手段と、ハッシュ関数演算手段が出力したハッシュ値がハッシュ値記録手段に記録されているか否かを検索し、記録の有無を示す所定の信号を出力するとともに、記録されていなければそのハッシュ値をハッシュ値記録手段に記録するハッシュ値検索手段と、並列伝送されて到着したパケットを順次入力し、所定の信号が「未記録」を示す場合には到着したパケットを後段に出力し、「既記録」を示す場合には到着したパケットを廃棄するパケット選択手段とを備える。

また、ハッシュ値記録手段は、記録されたハッシュ値を、記録時点から複数ｎ本のパケット転送経路の最大遅延時間差を超える時間の経過後に消去する構成としてもよい（請求項４）。

請求項１および請求項３に記載の発明は、複数のパケット転送経路で並列伝送されるパケットのハッシュ値を比較することにより、送信側で同期用パケットを挿入したり、パケットにシーケンス番号を付加して伝送することなく、受信側の処理だけで容易に同一パケットの同定処理を行うことができる。また、ハッシュ値が同一値となる同一のパケットのうち最初に到着したパケットを選択出力し、２番目以降に到着したパケットを廃棄することにより、同一パケットのうち伝送遅延が最小のパケットを受信させることができる。このように、複数のパケット転送経路で複製したパケットを並列伝送するパケット伝送システムにおいて、伝送帯域を消費することなく受信側の処理だけで、パケット転送経路の障害やパケット損失の影響を受けない高品質のパケット伝送を実現することができる。

請求項２および請求項４に記載の発明は、ｎ本のパケット転送経路で並列伝送されたパケットのうち最初に到着するパケットのハッシュ値について、最大ｎ個の同一パケットが到着する時間（最大遅延時間差）の経過後に消去する（比較対象から外す）ことにより、異なるパケットに対してハッシュ値が偶然一致して同一パケットと誤判定する事態を最小限に抑えることができる。これにより、送信側でパケットごとに異なるシーケンス番号を付与しなくても、受信側だけの処理で同一パケットの同定処理を高い信頼性のもとで実施することができ、高品質のパケット伝送を実現することができる。

（第１の実施形態）
図１は、本発明のパケット受信装置を含むパケット伝送システムの構成例を示す。本実施形態では、ＩＰ(Internet Protocol) ネットワーク１０におけるエッジルータ２０とエッジルータ３０との間で、複数ｎ本（ここではｎ＝２）のパケット転送経路５５Ａ，５５Ｂを介してパケットが並列伝送される構成を想定している。請求項に記載の送信側ノードおよび受信側ノードは、エッジルータ２０およびエッジルータ３０に相当し、ユーザ端末５１とエッジルータ２０、エッジルータ３０とユーザ端末５２がそれぞれアクセス回線５６，５７を介して接続される。

エッジルータ２０はパケット複製部２１を備え、ユーザ端末５１から送信されたパケット１，２，３を複製し、それぞれパケット転送経路５５Ａ，５５Ｂに送出する。パケット転送経路５５Ａにはパケット１Ａ，２Ａ，３Ａが送出され、パケット転送経路５５Ｂにはパケット１Ｂ，２Ｂ，３Ｂが送出されるものとする。各パケット転送経路を並列伝送されたパケットはエッジルータ３０に到着し、パケット合流部３１で合流して到着順（ここでは１Ｂ，２Ｂ，１Ａ，２Ａ，３Ｂ，３Ａの順）に出力される。

本発明のパケット受信装置は受信側ノードを構成するエッジルータ３０に配置され、ハッシュ関数演算部３２、ハッシュ値記録部３３、ハッシュ値検索部３４およびパケット選択部３５により構成される。なお、これらは記憶媒体を含むソフトウェアで構成してもよい。パケット合流部３１から順次出力されるパケット１Ｂ，２Ｂ，１Ａ，２Ａ，３Ｂ，３Ａは、ハッシュ関数演算部３２およびパケット選択部３５に入力される。ハッシュ関数演算部３２は、入力するパケットに対するハッシュ関数の演算値であるハッシュ値Ｈ１，Ｈ２，Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３，Ｈ３をハッシュ値検索手段３４に出力する。ハッシュ値検索手段３４は、入力するハッシュ値がハッシュ値記録部３３に記録されているか否かを検索し、記録の有無を示す所定の信号をパケット選択部３５に出力するとともに、記録されていなければそのハッシュ値をハッシュ値記録部３３に記録する。パケット選択部３５は、ハッシュ値検索部３４から出力される所定の信号が「未記録」を示す場合には入力するパケットをアクセス回線５７へ出力し、「既記録」を示す場合には入力するパケットを廃棄する。以上のパケットの処理の流れを示すフローチャートを図２に示す。

なお、ハッシュ関数演算部３２は、入力するパケット（ドキュメントや数字などの文字列）から有限桁数の擬似乱数であるハッシュ値を生成する演算手段である。同じパケットからは同じハッシュ値が生成され、パケットが異なればハッシュ値も異なることになる。したがって、パケット１Ｂとパケット１Ａはパケット１から複製されたものであるので、生成されるハッシュ値Ｈ１は同一値となる。同様に、パケット２Ｂ，２Ａからは同一のハッシュ値Ｈ２（≠Ｈ１）が生成され、パケット３Ｂ，３Ａからは同一のハッシュ値Ｈ３（≠Ｈ１，Ｈ２）が生成される。ただし、極めて低い確率であるが、異なるパケットから同じハッシュ値が生成されることがあるが、これへの対応については第２の実施形態で説明する。

図１の例は、パケット転送経路５５Ａ，５５Ｂの双方が稼働し、かつ双方ともパケット廃棄がない場合を想定している。ただし、パケット転送経路５５Ｂがパケット転送経路５５Ａより伝送遅延が小さいものとする。以下、図１におけるパケット受信装置の動作例について、図３を参照して詳細に説明する。

図３(a) は、最初のパケット１Ｂが到着した状態を示す。このパケット１Ｂに対して、ハッシュ関数演算部３２はハッシュ値Ｈ１を生成し、ハッシュ値検索部３４はこのハッシュ値Ｈ１がハッシュ値記録部３３に記録されているか否かを検索する。ここでは、ハッシュ値Ｈ１がハッシュ値記録部３３に記録されていないので、このハッシュ値Ｈ１をハッシュ値記録部３３に記録するとともに、「未記録」を示す信号をパケット選択部３５に出力する。パケット選択部３５は、この信号に応じて入力したパケット１Ｂをアクセス回線５７に出力する。

図３(b) は、次のパケット２Ｂが到着した状態を示す。このパケット２Ｂに対して、ハッシュ関数演算部３２はハッシュ値Ｈ２を生成し、ハッシュ値検索部３４はこのハッシュ値Ｈ２がハッシュ値記録部３３に記録されているか否かを検索する。ここでは、ハッシュ値Ｈ２がハッシュ値記録部３３に記録されていないので、このハッシュ値Ｈ２をハッシュ値記録部３３に記録するとともに、「未記録」を示す信号をパケット選択部３５に出力する。パケット選択部３５は、この信号に応じて入力したパケット２Ｂをアクセス回線５７に出力する。

図３(c) は、次のパケット１Ａが到着した状態を示す。このパケット１Ａに対して、ハッシュ関数演算部３２はハッシュ値Ｈ１を生成し、ハッシュ値検索部３４はこのハッシュ値Ｈ１がハッシュ値記録部３３に記録されているか否かを検索する。ここでは、ハッシュ値Ｈ１がハッシュ値記録部３３に記録されているので、「既記録」を示す信号をパケット選択部３５に出力する。パケット選択部３５は、この信号に応じて入力したパケット１Ａを廃棄する。

以下同様に、パケット２Ａは廃棄され、パケット３Ｂはアクセス回線５７に出力されるとともにそのハッシュ値Ｈ３がハッシュ値記録部３３に記録され、パケット３Ａは廃棄される。これにより、図１に示すように並列伝送された同一パケットのうち、最初に到着したパケット１Ｂ，２Ｂ，３Ｂがユーザ端末５２に受信されることになる。

次に、パケット転送経路５５Ｂに障害が発生し、エッジルータ３０にパケット転送経路５５Ａからのパケット１Ａ，２Ａ，３Ａのみが順次到着する場合の動作例について説明する。

各パケット１Ａ，２Ａ，３Ａに対するハッシュ値Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３は、それぞれハッシュ値記録部３３には記録されていないので、各パケット１Ａ，２Ａ，３Ａはパケット選択部３５から順次出力され、ユーザ端末５２に受信される。このように、一方のパケット転送経路に障害が発生しても、他方のパケット転送経路を介してパケットが廃棄されることなく伝送される場合には、ユーザ端末５１，５２間のパケット伝送に支障はなく、信頼性の高いパケット伝送を実現することができる。なお、このケースでは従来のフレーム単位の処理でも同様であるが、周期的に挿入される同期用パケットを必要としない点（伝送帯域を消費しない点）において本発明の方が有利である。

次に、パケット転送経路５５Ａ，５５Ｂの双方が稼働しているものの、一時的なバッファオーバーフローによりパケット転送経路５５Ｂを通過中のパケット２Ｂが廃棄された場合の動作例について説明する。

エッジルータ３０にはパケット１Ｂ，１Ａ，２Ａ，３Ｂ，３Ａが順次到着し、それぞれに対するハッシュ値Ｈ１，Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３，Ｈ３が順次生成される。最初に生成されたハッシュ値に対応するパケット１Ｂ，２Ａ，３Ｂがパケット選択部３５から順次出力され、ユーザ端末５２に受信される。一方、既に生成されてハッシュ値記録部３３に記録されたハッシュ値Ｈ１，Ｈ３に対応するパケット１Ａ，３Ａは廃棄される。このように、パケット２Ｂが廃棄されても、それと同一のハッシュ値となるパケット２Ａが最初に到着したものとして選択されるので、パケット廃棄の影響はユーザ端末５１，５２間には現れない。

なお、従来のフレーム単位の処理では廃棄されたパケット２Ｂの回復は不可能であった。また、各パケットに送信側でシーケンス番号を付与する方法では、廃棄されたパケット２Ｂに代わるパケット２Ａの受信が可能になるが、本発明はシーケンス番号などの付加情報を伝送することなく、受信側だけの処理で廃棄されたパケットの回復が可能になる利点がある。

また、パケットのハッシュ関数演算によって生成されるハッシュ値を用いず、パケットそのものを数値化しても同様の機能を実現することができる。しかし、パケットそのものを数値化する場合には極めて大きな桁数となり、その数値を記録する手段として極めて大きな記憶容量が必要になるので、装置規模およびコストが格段に大きくなる。これに対して、ハッシュ値を用いる構成では、小さな桁数でパケットの同一性を判別することが可能であるので、低コストで信頼性の高いパケット伝送システムを構築することができる。

（第２の実施形態）
ハッシュ関数演算では、異なるパケットから同じハッシュ値が生成されることがまれにある。したがって、初めて受信したパケットから生成されるハッシュ値と、ハッシュ値記録部３３に記録されているハッシュ値が偶然に一致することが極めて低い確率ながら起こり得る。ハッシュ値記録部３３に記録されるハッシュ値が多くなるほどその確率も増加する。このような現象が起こると、ユーザ端末５２に未送出のパケットを送出済みであるように誤判定し、パケットの欠落が発生することがある。

そこで、ハッシュ値記録部３３では、ハッシュ値が記録されてから一定時間の経過後にそのハッシュ値を消去し、記録されるハッシュ値の増大を抑えるようにする。一旦記録されたハッシュ値に対応するパケットは、複数ｎ本のパケット転送経路の最大遅延時間差を超えて到着することはないので、ハッシュ値消去までの一定時間として最大遅延時間差を超える時間を設定すればよい。これにより、未送出のパケットを送出済みと誤判定する確率を最小限に抑えることができる。また、パケット記録部３３の記憶容量も小さくすることができる。

（第３の実施形態）
図１に示す構成例において、ユーザ端末５１とエッジルータ２０が一体となって送信側ノードを構成し、エッジルータ３０とユーザ端末５２が一体となって受信側ノードを構成してもよい。この構成例を図４に示す。この場合の送信側ノードは、例えば映像データをパケット形式で流すストリーミング・サーバ・プログラム４１からパケットを送信するユーザ端末４３である。受信側ノードは、例えば映像データをパケット形式で受信して画面表示するクライアント・プログラム４２でパケットを受信するユーザ端末４４となる。

本発明のパケット受信装置を含むパケット伝送システムの構成例を示す図。 本発明のパケット受信方法の処理手順を示すフローチャート。 本発明のパケット受信装置の動作例を示す図。 本発明のパケット受信装置を含むパケット伝送システムの構成例を示す図。 従来のパケット伝送システムの構成例を示す図。

符号の説明

１０ ＩＰネットワーク
２０，３０ エッジルータ
２１ パケット複製部
３１ パケット合流部
３２ ハッシュ関数演算部
３３ ハッシュ値記録部
３４ ハッシュ値検索部
３５ パケット選択部
４１ ストリーミング・サーバ・プログラム
４２ クライアント・プログラム
４３，４４ ユーザ端末
５１，５２ ユーザ端末
５３ 送信側ノード
５４ 受信側ノード
５５ パケット転送経路
５６，５７ アクセス回線

Claims (4)

1. 対向する送信側ノードと受信側ノードとの間で、送信側ノードが送信するパケットをｎ個（ｎは２以上の整数）複製し、複数ｎ本のパケット転送経路を介して並列伝送し、受信側ノードが並列伝送された同一パケットを同定し、最初に正常到着したパケットを選択して後段に出力するパケット伝送システムのパケット受信方法において、
   前記並列伝送されて到着したパケットに対するハッシュ関数の演算値である有限桁数のハッシュ値（擬似乱数）を算出し、
   前記ハッシュ値が未記録であれば記録するとともに到着したパケットを後段に出力し、前記ハッシュ値がすでに記録されていれば到着したパケットを廃棄する
   ことを特徴とするパケット受信方法。
2. 請求項１に記載のパケット受信方法において、
   記録されたハッシュ値を記録時点から前記複数ｎ本のパケット転送経路の最大遅延時間差を超える時間の経過後に消去する
   ことを特徴とするパケット受信方法。
3. 対向する送信側ノードと受信側ノードとの間で、送信側ノードが送信するパケットをｎ個（ｎは２以上の整数）複製し、複数ｎ本のパケット転送経路を介して並列伝送し、受信側ノードが並列伝送された同一パケットを同定し、最初に正常到着したパケットを選択して後段に出力するパケット伝送システムのパケット受信装置において、
   前記並列伝送されて到着したパケットを順次入力し、パケットに対するハッシュ関数の演算値である有限桁数のハッシュ値（擬似乱数）を出力するハッシュ関数演算手段と、
   前記ハッシュ値を記録するハッシュ値記録手段と、
   前記ハッシュ関数演算手段が出力したハッシュ値が前記ハッシュ値記録手段に記録されているか否かを検索し、記録の有無を示す所定の信号を出力するとともに、記録されていなければそのハッシュ値を前記ハッシュ値記録手段に記録するハッシュ値検索手段と、
   前記並列伝送されて到着したパケットを順次入力し、前記所定の信号が「未記録」を示す場合には到着したパケットを後段に出力し、「既記録」を示す場合には到着したパケットを廃棄するパケット選択手段と
   を備えたことを特徴とするパケット受信装置。
4. 請求項３に記載のパケット受信装置において、
   前記ハッシュ値記録手段は、記録されたハッシュ値を、記録時点から前記複数ｎ本のパケット転送経路の最大遅延時間差を越える時間の経過後に消去する構成である
   ことを特徴とするパケット受信装置。
   

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