JP2005159807A - ネットワーク品質評価測定方法およびネットワーク品質評価装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 シーケンス番号を有するパケット全般のロス測定に適用でき、負荷分散が可能で多数パケットのリアルタイム測定が行え、ロスパケットのシーケンス番号を出力できるネットワーク品質評価測定方法およびネットワーク品質評価装置を実現すること。
【解決手段】 連続するシーケンス番号を伴うパケットが流れるネットワークの通信品質を測定するのにあたり、
ネットワークを流れるパケットをキャプチャして逐次前後のパケットについてシーケンス番号の差を求め、その差に基づきパケットロス発生の有無をリアルタイムで検出することを特徴とするネットワーク品質評価測定方法およびネットワーク品質評価装置。
【選択図】 図２

Description

本発明は、ネットワーク品質評価測定方法およびネットワーク品質評価装置に関するものであり、詳しくは、RTP(Real-Time Transport Protocol)を用いたようなシーケンス番号を含むプロトコルに基づきリアルタイムでデータ転送を行うネットワークで用いるネットワーク品質評価測定方法およびネットワーク品質評価装置の改善に関するものである。

特許文献１の段落番号0019には、RTPがUDP(User Datagram Protocol;ユーザー・データグラム・プロトコル)の一つとして、リアルタイム通信で使われていることが記載されている。

本発明は、RTPを用いたようなシーケンス番号を含むプロトコルに基づくデータ転送におけるパケットロス（欠落）の連続測定に関するものであるが、特許文献１には本発明のようなパケットロスの連続測定に関する具体的な記述はない。

特開２００３−２９８５６０

身近な通信ネットワークとしてインターネットがある。インターネットではデータとして文字情報のみならず音声や画像情報もやり取りでき、そのサービスには、電子メール、ネット・ニュース、ファイル転送(ftp)、リモート・ログイン(telnet)などのデータ伝送サービスや、Gopher、WWWなどの情報検索サービスや、インターネット電話（VoIP）などのリアルタイム音声通信サービスもある。インターネットによれば、企業や国などの枠に制限されることなく瞬時に情報のやり取りができるので、個人・企業・官公庁・教育機関・研究機関など、各種の分野で多種・多様に利用されている。

このようなインターネットにおいて、通信ネットワークの通信品質が利用したいサービスが必要とする品質を十分に満たしていないと、パケットロスや遅延時間の揺らぎなどが発生し、音声情報の場合には受信音声が途切れたり、動画情報の場合には受信動画の動きが不自然になってしまうことがある。

ところが、インターネットでは通信ネットワークの途中経路を複数の端末やサービスで共用しているので、同時にアクセスするユーザー数が多くなるとユーザー数が少ない場合に比べて通信品質は低下することになる。また、通信ネットワークを構成する回線の帯域は、一般に幹線系部分は広く、アクセス系部分は狭く設計しているが、実際運用してみるとアクセス系部分が過負荷状態になる場合もある。

さらに、ルータなどの接続機器の処理速度やバッファの長さ、処理方法などもネットワークの特性に大きな影響を与える。

いずれにしても、インターネットサービスプロバイダは通信ネットワークの一部を有償で提供する立場からユーザーに対してより安定したサービスを提供しなければならず、サービス毎に品質が変動する場合にはそれぞれの原因を的確に解析する必要がある。

また、ユーザーは、インターネット上で利用する各種サービスの品質が通信ネットワークの利用料金に見合ったものかどうかを判断するためにも、各種サービスの品質をリアルタイムで正確に把握できることが望ましい。

ところで、オーディオやビデオなどをリアルタイムでデータ転送するためのプロトコルとして、RFC(Request For Comment) 1889、RFC 1890で規定されたRTPがある。RTPは単独ではリソースの確保やQOS(Quality Of Service/品質)の保証などを行わず、トランスポート層やネットワーク層のプロトコルを選択しないことから、それらを管理制御するためのRTCP(Real-Time Control Protocol)とともに用いる。このようなRTPのデータ転送や品質保証は、利用する下の層のプロトコルに依存する。

そこで、RTPでは、同期ロック情報やデータの順序番号、データの種類などの情報も一緒に転送する。ユーザーは、これらの情報があることによって、リアルタイムにデータを再生できる。なお、RTPのアプリケーション・ポート番号は偶数を使用し、RTCPはその一つ上の奇数番号を使用している。このため、音声会議やビデオ会議では1つのネットワーク・アドレスと2つのポート番号で接続されている。

RTPを用いたデータ転送においても、パケットロスの有無を測定することは、所定の通信品質を維持するために必要である。

図９はこのようなRTPを用いたデータ通信系統におけるパケットロス測定の一例を示す概念図である。図９において、送信端末1から送信された複数のRTPパケットを受信端末2で受信し、受信数をカウントする。送信端末1は、送信したRTPパケット数をRTCPパケット送信レポートTRにのせて定期的（例えば100msec）に送信し、受信端末2はこれを受信する。

受信端末2は、RTPパケットの受信数カウント数とRTCPパケット送信レポートTRで得た送信パケット数の差分からパケットロス数を算出し、これを受信想定数で除してロス割合を算出し、RTCPパケット受信レポートRRにのせて定期的に送信端末1に返信する。また、受信を開始してからの総ロスパケット数も同様にRTCPパケット受信レポートRRにのせて返信する。

図１０はRTPを用いたデータ通信系統におけるパケットロス測定の他の例を示す概念図である。図１０において、送信端末1は、これから送信するRTPパケットの予定送信パケット数情報を送信し、受信端末2はこれを受信してRTPパケットの受信開始と判断する。
次に送信端末1は、RTPパケットを順次送信する。受信端末2はRTPパケットを順次受信してRTPのシーケンス番号を蓄積記憶する。送信端末1は送信終了情報を受信端末2に送信し、受信端末2はこれを受信して受信終了と判断する。

受信端末は、受信終了後、図１１のように到着順のシーケンス番号列をソートし、昇順に並べ替える。そして、シーケンス番号が１以上抜けた場合のパケットロス数とシーケンス番号が予め定義された連続ロス個数をバースト的パケットロス数として算出する。

しかし、図９の構成は一般的なRTCPによる計測方法であるが、パケットロスが連続して発生するバースト的パケットロス数のカウントに対応していない。また、RTPパケットと同時に使われるRTCPパケットを利用することから、RTPパケットにだけしか適用できない。

一方、図１０の構成によれば、ソートを行ってからパケットロス数とバースト的パケットロス数を算出することから、結果を得るまでに時間がかかる。特に、データ数が多くなると、ソーティングアルゴリズムで処理することから、算出端末として用いるＣＰＵ負荷の増大と算出時間の長期化が予想される。さらに、バースト的パケットロスの発生回数やバースト的パケットロスの最大・最小・平均などを算出するためにはさらにＣＰＵ能力を要する。

すなわち図１０の構成は、一度蓄えたデータをバッチ的に処理するのには十分時間をかけて処理できるので問題ないが、リアルタイム的に逐次結果を出力しようとする場合には好ましくない構成である。

本発明が解決しようとする課題は、シーケンス番号を有するパケット全般のロス測定に適用でき、負荷分散が可能で多数パケットのリアルタイム測定が行え、ロスパケットのシーケンス番号を出力できるネットワーク品質評価測定方法およびネットワーク品質評価装置を実現することにある。

このような課題を達成するための請求項１記載の発明は、
連続するシーケンス番号を伴うパケットが流れるネットワークの通信品質を測定するのにあたり、
ネットワークを流れるパケットをキャプチャして逐次前後のパケットについてシーケンス番号の差を求め、その差に基づきパケットロス発生の有無をリアルタイムで検出することを特徴とするネットワーク品質評価測定方法である。

請求項２記載の発明は、パケットロス発生の有無検出をトリガインターバルを測定周期として行い、各測定周期毎に発生したパケットロス数の統計処理を行うことを特徴とする請求項１記載のネットワーク品質評価測定方法である。

請求項３記載の発明は、パケットロス数の統計処理は、累積パケットロス数、累積バースト的パケットロス数およびこれらの最大値、最小値、平均値の少なくともいずれかを含むことを特徴とするネットワーク品質評価測定方法である。

請求項４記載の発明は、パケットロス発生の有無検出をトリガインターバルを測定周期として行うとともに、各測定周期内の一連のパケット群の切れ目毎にパケットロスの検出情報を生成することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載のネットワーク品質評価測定方法である。

請求項５記載の発明は、パケットロスの検出情報は、時間切れ設定時間、ロスパケットシーケンス番号の先頭番号、ロスパケットシーケンス番号リストの少なくともいずれかを含むことを特徴とする請求項４に記載のネットワーク品質評価測定方法である。

請求項６記載の発明は、パケットロスと判断したシーケンス番号のパケットが所定時間内に延着した場合には、パケットロスの検出情報に格納されているロスパケットシーケンス番号リストの該当番号を削除することを特徴とする請求項５に記載のネットワーク品質評価測定方法である。

請求項７記載の発明は、連続するシーケンス番号を伴うパケットが流れるネットワークの通信品質を測定するネットワーク品質評価装置であって、
ネットワークを流れるパケットを逐次キャプチャする手段と、
キャプチャした前後のパケットについてシーケンス番号の差を求める手段と、
その差に基づきパケットロス発生の有無をリアルタイムで検出する手段を備えたことを特徴とする。

請求項８記載の発明は、パケットロス発生の有無検出をトリガインターバルを測定周期として行い、各測定周期毎に発生したパケットロス数の統計処理を行う手段を設けたことを特徴とする請求項７に記載のネットワーク品質評価測定装置である。

請求項９記載の発明は、パケットロス発生の有無検出をトリガインターバルを測定周期として行うとともに、各測定周期内の一連のパケット群の切れ目毎にパケットロスの検出情報を生成する手段と、
生成されたパケットロスの検出情報を格納する手段を設けたことを特徴とする請求項８に記載のネットワーク品質評価測定装置である。

本発明によれば、シーケンス番号を有するパケット全般のロス測定に適用でき、負荷分散が可能で多数パケットのリアルタイム測定が行え、ロスパケットのシーケンス番号を出力できるネットワーク品質評価測定方法およびネットワーク品質評価装置を実現できる。

以下、本発明を図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明に基づくパケットロス測定の概念図である。送信端末1が送信開始情報を受信端末2へ送信することにより、受信端末2は受信状態になる。この状態で、送信端末1はシーケンス番号を伴ったパケットを順次送信する。受信端末2は、受信したパケットのシーケンス番号に基づき、本発明によるリアルタイムでのパケットロス測定を実行する。送信端末1は、シーケンス番号を伴ったパケットの送信を終えると、受信端末2へ「送信終了」情報を送信する。受信端末2は、送信端末1が送信する「送信終了」情報を受信することにより測定を終了する。

受信端末2は、この送信開始から終了までの間をいくつかのインターバルで区切り、インターバル毎に区間統計として、リアルタイム的にパケットロス数やバースト的パケットロス数を算出する。

図２は受信端末2の主要部の構成例を示すブロック図である。送信端末1から送信されるパケットはフィルタ部3でデータの種類別に分類されるとともに、シーケンス番号が抽出される。抽出されたシーケンス番号は、逐次シフトレジスタ4に入力される。シフトレジスタ4には、少なくとも、今回シーケンス番号格納領域4aと前回シーケンス番号格納領域4bが設けられている。新しいシーケンス番号は今回シーケンス番号格納領域4aに入力され、今回シーケンス番号格納領域4aに新しいシーケンス番号が入力される毎にそれまで今回シーケンス番号格納領域4aに格納されていたシーケンス番号は前回シーケンス番号として前回シーケンス番号格納領域4bに順次転送格納される。

シフトレジスタ4に格納されている今回シーケンス番号と前回シーケンス番号はシーケンス番号差分演算部5に入力され、
Δｄ＝今回シーケンス番号−前回シーケンス番号
の式によるシーケンス番号の差分Δｄの演算が行われる。シーケンス番号差分演算部5の演算結果Δｄはメモリ制御部6に入力され、その大きさに応じて別途説明するパケットロスの情報やバースト的パケットロスの情報を求めるための各種のデータ処理が行われる。

メモリ制御部6には、任意のインターバルでトリガイベント信号を出力するトリガ発生部7と、パケットロスが何個以上連続して抜けた場合をバースト的パケットロスと定義するのかを設定するバースト的パケットロス数設定部8と、延着パケットの時間切れを監視するための所定時間を設定するタイムアウト設定部9が接続されている。

メモリ制御部6は、トリガ発生部7から出力されるトリガイベント信号のインターバル間に発生するパケットロスの検出結果を、受信した一連のパケット群の切れ目毎に検出情報を生成してメモリ10内に格納する。トリガイベント信号のインターバル間に生成される複数の検出情報には、バースト的パケットロス数設定部8とタイムアウト設定部9の設定値に基づき各インターバルにおけるパケットロスやバースト的パケットロスの情報を求めて格納する。またメモリ制御部6は、延着パケットによるロスパケットの補充処理も行う。

検出情報演算部11は、メモリ10に格納されている各検出情報のパケットロスやバースト的パケットロスの情報に基づき、それぞれのインターバル間における最大値・最小値・平均値などを演算し、ネットワーク品質評価測定結果として出力する。

図３および図４は図２の受信端末2における動作の流れを説明するフローチャートである。受信開始前に、タイムアウト設定部9により検出タイムアウト値を設定し(SP1)、バースト的パケットロス数設定部8によりバースト的パケットロスの定義値（例えば３）を設定する(SP2)。これらを設定した状態ではタイマーはトリガ待ち状態である(SP3)。

この状態でトリガ発生部7からトリガイベント信号が出力されると、メモリ制御部6はそのトリガが最初のトリガか否かを判断する(SP4)。最初のトリガであれば受信を開始し(SP5)、最初のトリガでなければ受信終了処理に移行する(SP6)。

受信終了処理にあたり、検出情報演算部11は、その時点でメモリ10に格納されている現在のインターバルにおける一連のパケット群の切れ目毎の検出情報から検出情報演算部11が累積パケットロス値、累積バースト的パケットロス値およびこれらの最大・最小・平均などを演算する(SP7)。そして、それぞれの演算値を各インターバル毎の測定結果として確定させた後(SP8)、それらの結果を所定のファイルに保存するとともに(SP9)、メモリ制御部6が予定していた数のトリガ数（インターバル数）を処理したか、途中で強制終了命令が指示されたかなどに基づき終了すべきか否かを判断する(SP10)。終了すべき状態であればこの時点でメモリに残っている検出情報をすべて削除して一連の処理を終了し、終了すべき状態でなければ再びステップSP5以降の受信処理に戻る。

受信処理について説明する。メモリ制御部6は、受信処理を開始するのにあたり、前回のインターバルにおける測定結果としてメモリ10に残っている累積パケットロス数および累積バースト的パケットロス数をリセットする(SP11)。リセットを終えた後、一連のパケット群の受信パケットについてシーケンス番号を取得し(SP12)、シフトレジスタ4に逐次格納する。

シーケンス番号差分演算部5は、シフトレジスタ4に逐次格納される今回シーケンス番号と前回シーケンス番号に基づきΔｄ＝今回シーケンス番号−前回シーケンス番号で表される演算を行い、シーケンス番号の差分Δｄを求める(SP13)。

メモリ制御部6は、シーケンス番号差分演算部5で演算されたシーケンス番号の差分Δｄについて、Δｄ＞１か否か(SP14)、Δｄ＝１か否か(SP15)、Δｄ＝0か否か(SP16)、Δｄ＜０か否か(SP17)を順次判断する。

まずΔｄ＞１の場合、パケットロスが発生したと判断し、メモリ10に検出情報を格納する(SP18)。ここで、メモリ10には、一連のパケット群の切れ目毎に、例えば図５の検出情報1に示すように、時間切れ設定時間（図５の例では5sec）、ロスパケットシーケンス番号の先頭番号（図５の例では89）、ロスパケットシーケンス番号リスト（図５の例では89，90，91，92，93，94，95，96）などを保存する。メモリ10に検出情報を格納した後、シフトレジスタ4の前回パケットシーケンス番号を更新し(SP19)、再びステップSP12に戻る。Δｄ＞１でない場合は、Δｄ＝１か否かの判断を行う(SP15)。

Δｄ＝１の場合、パケットロスが発生していない正常状態と判断し(SP20)、シフトレジスタ4の前回パケットシーケンス番号を更新する(SP19)。Δｄ＝１でない場合は、Δｄ＝0か否かの判断に移行する(SP16)。

Δｄ＝0の場合、同一パケットが重複して送信されていると判断してメモリ10に対する処理は無視し、別途重複パケット検出処理を行った後(SP21)、再びステップSP12に戻る。Δｄ＝0でない場合は、Δｄ＜0か否かの判断に移行する(SP17)。

Δｄ＜０の場合、パケットロスが発生したと処理していたパケットが遅れて到達したと判断し、以下に示すような、メモリ10に蓄積されている検出情報中にロスパケットシーケンス番号リストに該当するシーケンス番号のパケットがあるかどうかを検索してロスパケットの補充処理を行う。

まず、メモリ10に格納されている複数の検出情報から時間切れになっている検出情報を削除するために検索する(SP22)。このとき、検出情報演算部11は、削除対象となった検出情報に格納されているパケットロス数とバースト的パケットロス数、パケットロス数の累計、バースト的パケットロス数の累計を現在のインターバルにおけるそれまでのネットワーク品質評価測定結果に反映させて、バースト的パケットロス数の最大値、最小値、平均値、累積パケットロス数などの演算を行い(SP23)、それらの結果を現在のインターバルにおける最新のネットワーク品質評価測定結果として出力する。

例えば削除対象となった検出情報が図６に示すような場合には、今回のパケットロス数を5、今回のバースト的パケットロス数を3（パケットロスが3以上連続したらバーストと定義した場合）として、現在のインターバルにおけるパケットロス数の累計に5を加算し、バースト的パケットロス数の累計に3を加算する。そして、これらを加算した状態でバースト的パケットロス数の最大値、最小値、平均値の再演算を行った後、削除対象となった検出情報をメモリ10から削除する(SP24)。削除後は再びステップSP12に戻る。

時間切れの検出情報が存在しない場合は、次のステップに進んでパケットロスの補充を行う(SP25)。すなわち、到達したパケットがどの検出情報のシーケンス番号リストに含まれるかを検索し、例えば図７に示すように対象シーケンス番号（例えば90）が見つかった場合はその対象となる検出情報1のシーケンス番号リストからそのシーケンス番号（例えば90）を削除する。

そして、例えば図８の検出情報1に示すようにパケットロスとして検出情報のシーケンス番号リストに格納していた全てのパケットが時間内に遅れて届き補充できた場合には(SP26)、ステップSP24に進んで検出情報1そのものを削除する。

なお対象パケットがメモリ10に格納されているいずれのシーケンス番号リストにない場合には、ステップSP22のタイムアウト処理によってすでにメモリから削除されていると判断して再びステップSP12に戻る。

このような構成によれば、従来のようなバッチ処理とは異なり、パケットロスが発生したときだけ演算処理を行えばよいので負荷を分散でき、リアルタイム計測などで長期間データを測定する場合であっても演算処理のために一時的に高負荷状態になることはなく、別のタスクに影響を与えることはない。

なお、上記実施例ではＲＴＰパケットの例について説明したが、これに限るものではなく、本発明はシーケンス番号を有する同様なパケットについても同様のアルゴリズムで負荷分散の効果を得ることができる。

以上説明したように、シーケンス番号を有するパケット全般のロス測定に適用でき、負荷分散が可能で多数パケットのリアルタイム測定が行え、ロスパケットのシーケンス番号を出力できるネットワーク品質評価測定方法およびネットワーク品質評価装置を実現できる。

本発明に基づくパケットロス測定の概念図である。 受信端末2の主要部の構成例を示すブロック図である。 受信端末2における動作の流れを説明するフローチャートである。 受信端末2における動作の流れを説明するフローチャートである。 受信端末2のメモリに格納される検出情報の説明図である。 時間切れにより受信端末2のメモリから削除される検出情報の説明図である。 受信端末2のメモリにおいて延着パケットにより補充される検出情報の説明図である。 延着パケットが全部到着したことにより受信端末2のメモリから削除される検出情報の説明図である。 RTPを用いたデータ通信系統における従来のパケットロス測定の一例を示す概念図である。 RTPを用いたデータ通信系統における従来のパケットロス測定の他の例を示す概念図である。 従来のパケットロス測定における並べ替えを示す概念図である。

符号の説明

１ 送信端末
２ 受信端末
３ フィルタ部
４ シフトレジスタ
５ シーケンス番号差分演算部
６ メモリ制御部
７ トリガ発生部
８ バースト的パケットロス数設定部
９ タイムアウト設定部
１０ メモリ
１１ 検出情報演算部

Claims (9)

1. 連続するシーケンス番号を伴うパケットが流れるネットワークの通信品質を測定するのにあたり、
   ネットワークを流れるパケットをキャプチャして逐次前後のパケットについてシーケンス番号の差を求め、その差に基づきパケットロス発生の有無をリアルタイムで検出することを特徴とするネットワーク品質評価測定方法。
2. パケットロス発生の有無検出をトリガインターバルを測定周期として行い、各測定周期毎に発生したパケットロス数の統計処理を行うことを特徴とする請求項１記載のネットワーク品質評価測定方法。
3. パケットロス数の統計処理は、累積パケットロス数、累積バースト的パケットロス数およびこれらの最大値、最小値、平均値の少なくともいずれかを含むことを特徴とするネットワーク品質評価測定方法。
4. パケットロス発生の有無検出をトリガインターバルを測定周期として行うとともに、各測定周期内の一連のパケット群の切れ目毎にパケットロスの検出情報を生成することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載のネットワーク品質評価測定方法。
5. パケットロスの検出情報は、時間切れ設定時間、ロスパケットシーケンス番号の先頭番号、ロスパケットシーケンス番号リストの少なくともいずれかを含むことを特徴とする請求項４に記載のネットワーク品質評価測定方法。
6. パケットロスと判断したシーケンス番号のパケットが所定時間内に延着した場合には、パケットロスの検出情報に格納されているロスパケットシーケンス番号リストの該当番号を削除することを特徴とする請求項５に記載のネットワーク品質評価測定方法。
7. 連続するシーケンス番号を伴うパケットが流れるネットワークの通信品質を測定するネットワーク品質評価装置であって、
   ネットワークを流れるパケットを逐次キャプチャする手段と、
   キャプチャした前後のパケットについてシーケンス番号の差を求める手段と、
   その差に基づきパケットロス発生の有無をリアルタイムで検出する手段を備えたことを特徴とするネットワーク品質評価測定装置。
8. パケットロス発生の有無検出をトリガインターバルを測定周期として行い、各測定周期毎に発生したパケットロス数の統計処理を行う手段を設けたことを特徴とする請求項７に記載のネットワーク品質評価測定装置。
9. パケットロス発生の有無検出をトリガインターバルを測定周期として行うとともに、各測定周期内の一連のパケット群の切れ目毎にパケットロスの検出情報を生成する手段と、
   生成されたパケットロスの検出情報を格納する手段を設けたことを特徴とする請求項８に記載のネットワーク品質評価測定装置。
   

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