JP2005244851A - ネットワーク性能評価装置およびその方法 - Google Patents

Abstract

【課題】スループットを精度良く近似し、回線設計やＱｏＳ目標値の策定に役立たせる。
【解決手段】ネットワーク性能評価装置は、実際のネットワークで問題となるネットワーク品質（Ｔ，ｐ）の範囲に対してネットワーク性能評価演算式におけるパラメータを特定の演算式によって近似することにより、実用的な精度でスループットを推定する。また、任意の往復遅延時間、パケット損失率におけるリアルタイムトラフィックのネットワーク性能を制限することで、リアルタイムトラフィックの帯域を適切に制御する。
【選択図】 図７

Description

本発明は、往復遅延時間とパケット損失率を与え、特定の演算式を実行することによってあるプロトコルに従うネットワーク性能を評価する、ネットワーク性能評価装置およびその方法に関する。

往復遅延時間やパケット損失率といったネットワークQｏＳ（Quality of Service）を元にネットワーク性能評価値、例えばＴＣＰ（Transmission Control Protocol）のスループットを解析的に求める方法については様々な研究が行われている（例えば、非特許文献１、２参照）。
また、エンド間の往復遅延時間Ｔ［ｓ］とパケット損失率ｐからＴＣＰスループットｖ［ｂｉｔ／ｓ］を推定する関数として以下の関数（１）が知られている（以降、この関数を簡易推定演算式という）。

ここで、Ｓ［ｂｙｔｅ］はＭＴＵ（Maximum Transfer Unit）を表し、１５００［ｂｙｔｅ］と仮定する。また、重複ＡＣＫを用いる場合はb＝２とする。
Ｊ．Ｐａｄｈｙｅ，Ｖ．Ｆｉｒｏｉｕ，Ｄ．Ｆ．Ｔｏｗｓｌｅｙ，ａｎｄ Ｊ．Ｆ．Ｋｕｒｏｓｅ，"Ｍｏｄｅｌｉｎｇ ＴＣＰ Ｒｅｎｏ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ：Ａ Ｓｉｍｐｌｅ Ｍｏｄｅｌ ａｎｄ Ｉｔｓ Ｅｍｐｉｒｉｃａｌ Ｖａｌｉｄａｔｉｏｎ，"ＩＥＥＥ／ＡＣＭ Ｔｒａｎｓ． ｎｅｔｗｏｒｋｉｎｇ，ｖｏ１．８，ｎｏ．２，ｐｐ．１３３−１４５，Ａｐｒｉｌ２０００． Ｊ．Ｍａｈｄａｖｉ ａｎｄ Ｓ．Ｆｌｏｙｄ，"ＴＣＰ−Ｆｒｉｅｎｄｌｙ Ｕｎｉｃａｓｔ Ｒａｔｅ−Ｂａｓｅｄ Ｆｌｏｗ Ｃｏｎｔｒｏｌ，"「２００４年２月２０日閲覧」インターネット＜ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｐｓｃ．ｅｄｕ／ｎｅｔｗｏｒｋｉｎｇ／ｐａｐｅｒｓ―ｆｒｉｅｎｄｌｙ．ｈｔｍｌ．＞

しかしながら、上記した非特許文献、２に開示された演算式、および上記した演算式によって推定されるネットワーク性能評価値と実測値の間には隔たりがあり、実際のネットワークで計測される性能を推定するにはやや精度が不足している。このために、回線設計やＱｏＳ目標値の策定に悪影響を及ぼすことがある。

このことを、図７に示すグラフ（スループットの実測値と推定演算式）および図１０に示すＴＣＰスループット測定実験構成図を用いて具体的に示す。
すなわち、図１０にＴＣＰスループット測定実験構成図が示すように、負荷生成用ＰＣ１０１からネットワーク１０３経由でエンドのＰＣ１０４に向かってファイル転送するケースを考える。このとき、ファイル転送の径路となる遅延模擬装置１０２は、疎通するパケットを確率ｐでランダムに破棄した後、一定の片方向遅延時間ｄ＝Ｔ／２を加える。各ＰＣはファイル転送のプロセスを１０個同時に生成し、それぞれのプロセスにおいて、１ＧＢのファイルを１０回転送し、これらのプロセスは並行して実行されるものとする。
各転送に要した時間ｔ［ｓ］とファイルサイズＢ［ｂｙｔｅ］からスループット８Ｂ／ｔ［ｂｉｔ／ｓ］を求め、これを１０回×１０プロセス×４台＝４００回のファイル転送について平均した値をｖ_Ｅとする。一例として、ｐを１０^−３に固定し、Ｔを１０、２０、３０、５０、７６、１００、１５０、２００ｍｓと変化させた場合のスループットの実測値ｖ_Ｅを図７に■で示してある。上記した推定演算式により演算された値は実線で示されている。このグラフから両者は、特にＴが小さい領域で大きく乖離していることがわかる。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、実際のネットワークで問題となるネットワーク品質（Ｔ，ｐ）の範囲に対してネットワーク性能評価演算式におけるパラメータを特定の演算式で補正することにより、スループットを精度良く近似し、回線設計やＱｏＳ目標値の策定に役立たせることのできる、ネットワーク性能評価装置および方法を提供することを目的とする。

上記した課題を解決するために本発明は、往復遅延時間とパケット損失率を与え、特定の演算式を実行することによってあるプロトコルに従うネットワーク性能を評価するネットワーク性能評価装置であって、前記パケット損失率がある特定の範囲にある場合において、前記往復遅延時間およびネットワーク性能を実測するネットワーク性能計測手段と、 前記ネットワーク性能実測値を用いて前記演算式に用いられるパラメータを最小自乗近似により適合させる第１のパラメータ補正手段と、を備えたことを特徴とする。

また、本発明において、前記パケット損失率毎に前記補正したパラメータを用い、当該補正パラメータをパケット損失率の関数としてモデル化して得られる演算式のパラメータを最小自乗近似によって適合させる第２のパラメータ補正手段と、を備えたことを特徴とする。

また、本発明において、前記第２のパラメータ補正手段で適合させたパラメータを用い、任意の往復遅延時間、パケット損失率におけるネットワーク性能を特定の演算式によって算出するネットワーク性能演算手段と、を備えたことを特徴とする。

また、本発明において、任意の往復遅延時間、パケット損失率におけるリアルタイムトラフィックのネットワーク性能を前記ネットワーク性能演算部により算出した値によって制限するリアルタイムトラフィック制御手段と、を備えたことを特徴とする。

上記した課題を解決するために本発明は、往復遅延時間とパケット損失率を与え、特定の演算式を実行することによってあるプロトコルに従うネットワーク性能を評価するネットワーク性能評価方法であって、前記パケット損失率がある特定の範囲にある場合において、前記往復遅延時間およびネットワーク性能を実測するステップと、前記ネットワーク性能実測値を用いて前記演算式に用いられるパラメータを最小自乗近似により適合させるステップと、を有することを特徴とする。

本発明によれば、実際のネットワークで問題となるネットワーク品質（Ｔ，ｐ）の範囲に対してネットワーク性能評価演算式におけるパラメータを特定の演算式によって近似することにより、実用的な精度でスループットを推定することができる。このため、回線設計やＱｏＳ目標値の策定に役立たせることができ、信頼性の高いネットワークシステム構築が可能になる。
また、任意の往復遅延時間、パケット損失率におけるリアルタイムトラフィックのネットワーク性能を制限することで、リアルタイムトラフィックの帯域をＴＣＰの帯域制御と親和性のあるように適切に制御することができ、更に、ＱｏＳ要求条件と最大ユーザ数から必要帯域を設計することも容易にできる。

本発明は、図７に、スループットの実測値と推定式の関係が示されるように、両者の乖離差を補正するために、演算式（１）のパラメータαを最小自乗近似法によって適合させることにある。同様の補正は、パケット損失率を１０^−２，５×１０^−３，１０^−３，５×１０^−４，１０^−４のように変化させた場合も有効であることを確認している。さらに、パラメータαの補正をｐの間数としてモデル化すると以下の演算式（２）のように表すことができる。図８に、パラメータαの補正値と推定式の関係が、図９に、そのときに用いられるテーブルの一例が示されている。
α（ｐ）＝０．０７６ｌｎ（ｐ）＋０．９０ ……（２）
このように、実際のネットワークで問題となるネットワーク品質（Ｔ，p）の範囲に対して、推定演算式（１）におけるパラメータαを演算式（２）で補正することにより、ＴＣＰスループットを精度よく近似できる。このことは、回線設計やＱｏＳ目標値の策定に有用である。

図１に本発明実施形態におけるネットワーク性能評価装置の内部構成が機能展開され示されている。
図１に示されるように、本発明のネットワーク性能評価装置は、ネットワーク（ＮＷ）インタフェース部１０と、パケット観測部１１と、測定データ記憶部１２と、補正データ記憶部（＃０）１３と、補正データ記憶部（＃１）１４と、パラメータ補正演算部（＃０）１５と、パラメータ補正演算部（＃１）１６と、スループット演算部（＃０）１７と、スループット演算部（＃１）１８と、スループット演算部（＃２）１９と、リアルタイムトラフィックビットレート制御部２０と、スループット監視部２１と、パラメータ記憶部２２で構成される。

ＮＷインタフェース部１０は、ネットワークを介して受信されるパケットをトレースするためにそのパケットをパケット観測部１１に供給する。パケット観測部１１は、所定の時間間隔ΔＴの中で観測したパケットの数ΔＮとパケット損失数ΔＬ、往復遅延時間の平均値Ｔ、ＴＣＰスループットの平均値ｖを実測するネットワーク性能計測手段として機能する。
測定データ記憶部１２は、パケット観測部１１によって計測され、あるいは演算によって求められる、往復遅延時間Ｔ、パケット損失率ｐ、ＴＣＰスループットｖを有限個数蓄積する。また、補正データ記憶部１３は、パラメータ補正演算部＃０（１５）により補正されるパケット損失率ｐとパラメータαを、補正データ記憶部１４は、パラメータ補正演算部＃１（１６）により補正される、後述するパラメータｃ、ｄを記憶する。なお、上記したパラメータ補正演算部＃０（１５）とパラメータ補正演算部＃１（１６）は、それぞれ本発明の第１のパラメータ補正手段、第２のパラメータ補正手段として機能する。

一方、スループット演算部＃０（１７）は上記した推定演算式（１）を、スループット演算部＃１（１８）は以下に示す演算式（３）を、スループット演算部＃２（１９）は以下に示す演算式（４）を実行する、それぞれ本発明のネットワーク性能値演算手段として機能する。

また、リアルタイムトラフィックビットレート制御部２０は、任意の往復遅延時間、パケット損失率におけるリアルタイムトラフィックのネットワーク性能を、スループット演算部１９により算出された値に基づき制限する機能を持ち、スループット監視部２１は、スループット演算部（＃０）１７、スループット演算部（＃１）１８、スループット演算部（＃１）１９によって算出されたネットワーク性能値を監視する機能を持つ。なお、パラメータ記憶部２２は、後述するスループット低下検知のための閾値β、ＴＣＰスループット推定値ｖ_Ｅを記憶する。

図２〜図６は、図１に示す本実施形態の動作を説明するために引用したフローチャートであり、全体の処理の流れ（図２）、パラメータα（ｐ）の補正処理手順（図３）、パラメータｃ、ｄの補正処理手順（図４）、ＴＣＰスループット推定処理手順（図５）、スループット低下検知処理手順（図６）のそれぞれが示されている。
以下、図２〜図６に示すフローチャートを参照しながら図１に示す本発明実施形態の動作について詳細に説明する。

まず、全体の処理の流れから説明する。すなわち、本発明のネットワーク性能評価装置は、所定時間ΔＴ内に（Ｓ２１）、パラメータ補正演算部＃０（１５）、パラメータ補正演算部＃１（１６）、ＴＣＰスループット演算部＃２（１９）を順次起動する。ここで、それぞれ、パラメータα（ｐ）の更新（Ｓ２２）、パラメータ（ｃ，ｄ）の更新（Ｓ２３）、ＴＣＰスループットの推定を行う（Ｓ２４）。
すなわち、パラメータ補正演算部＃０（１５）は、パケット観測部１１による実測値に基づき上記した演算式（１）のパラメータαを最小自乗近似によって適合させ、また、パラメータ補正演算部＃１（１６）は、上記により適合させたパラメータαを用い、更に上記した演算式（２）を実行することによって、そのパラメータｄ、ｃを最小自乗近似によって適合させる。そして、スループット演算部＃２（１９）は、そのパラメータｃ、ｄを用いて任意の（Ｔ，ｐ）におけるＴＣＰ／ＩＰスループットを上記した演算式（４）を実行することによって算出する。

続いて、リアルタイムトラフィックビットレート制御部２０、スループット監視部２１を起動し、任意の（Ｔ，ｐ）におけるリアルタイムトラフィックのスループットをｖ（Ｔ，ｐ）によって制限する。
すなわち、リアルタイムトラフィックビットレート制御部２０は、リアルタイムトラフィックビットレートの最大値をｖ_Ｅに設定し（Ｓ２５）、更に、スループット監視部２１はスループット低下検知を行う（Ｓ２６）。以下に各ステップの詳細を説明する。

図３に示すフローチャートを参照しながらパラメータα（ｐ）の更新処理（Ｓ２２）の詳細について説明する。
パラメータ補正演算部＃０（１５）は、まず、パケット観測部１１からΔＴ内に観測したパケット数ΔＮと、パケット損失率ΔＬとを受け取る（Ｓ３１）。続いて、パケット損失率ｐを、ｐ＝ΔＬ／ΔＮを計算することによって求める（Ｓ３２）。次に、パケット観測部１１から、ΔＴ内に観測した往復遅延時間の平均値Ｔを受け取る（Ｓ３３）。

続いて、Ｔが規定のＴ_ＬとＴ_Ｕの範囲に含まれ、かつ、ｐが規定のｐ_Ｌとｐ_Ｕの範囲に含まれることを確認して（Ｓ３４）、パケット観測部１１からΔＴ内に観測したＴＣＰスループットの平均値ｖを受け取る（Ｓ３５）。そして、測定データ（Ｔ，ｐ，ｖ）を測定データ記憶部１２に記憶させる（Ｓ３６）。
次に、測定データ記憶部１２におけるパケット損失率ｐでの（Ｔ，ｖ）のデータとパケット損失率ｐに対するパラメータα（ｐ）の補正結果を得てパラメータα（ｐ）を更新して処理を終える（Ｓ３７）。

続いて、図４に示すフローチャートを参照しながら、パラメータ補正演算部＃１（１６）によるパラメータ更新処理について説明する。
パラメータ補正演算部＃１（１６）は、パラメータ補正演算部＃０（１５）により補正され、補正データ記憶部１３に格納された更新済みのパラメータ（ｐ，α）と、パラメータαの関数である上記した演算式（２）を実行し、そのパラメータ（ｃ）（ｄ）を更新する（Ｓ４１）。

次に、図５に示すフローチャートを参照しながら、ＴＣＰスループット演算部＃０（１７）〜＃２（１９）によるＴＣＰスループット推定処理について説明する。
ＴＣＰスループット演算部＃０（１７）〜＃２（１９）は、まず、測定データ記憶部１２から、パケット損失率ｐ、往復遅延時間の平均値Ｔを受け取る（Ｓ５１）。続いて、パラメータ（ｃ，ｄ）が推定されていることをチェックし（Ｓ５２）、推定されていれば、ＴＣＰスループット演算部＃２（１９）が起動され、ＴＣＰスループット演算部＃２（１９）は、上記した演算式（４）を実行してＴＣＰスループットを推定し、これをｖ_Ｅとする（Ｓ５３）。

一方、Ｓ５２のチェックの結果、パラメータ（ｃ，ｄ）が推定されていなければ、更に、パラメータ（α，ｐ）が推定されているか否かがチェックされる（Ｓ５４）。ここで、推定されていることが確認されると、ＴＣＰスループット演算部＃１（１８）が起動され、ＴＣＰスループット演算部＃１（１８）は、上記した演算式（３）を実行してこれをｖ_Ｅとする（Ｓ５５）。
ここで、推定されていないことが確認されると、ＴＣＰスループット演算部＃０（１７）を起動し、ＴＣＰスループット演算部＃０は、上記した演算式（１）を実行してこれをｖ_Ｅとする（Ｓ５６）。

最後に、図６に示すフローチャートを参照しながら、スループット監視部２１によるスループット低下検知処理について説明する。
スループット監視部２１は、まず、測定データ記憶部１２から、パケット損失率ｐ、ＴＣＰスループットの平均値ｖを受領する（Ｓ６１）。次に、パラメータα（ｐ）は推定されているか否かをチェックする（Ｓ６２）ここで、推定済みであることを確認して、ｖと閾値βｖ_Ｅを比較し、ｖがβｖ_Ｅより小さい場合は、スループットの低下をと見なしてアラームを生成する。パラメータα（ｐ）か未だ推定されておらず、あるいはｖが閾値βｖ_Ｅより大きい場合はアラームは発生されない。

以上説明のように本発明のネットワーク性能評価装置は、まず、パケット損失率がｐである場合において、往復遅延時間Ｔ［ｓ］に対するＴＣＰ／ＩＰスループットｖ［Ｍｂｐｓ］をパケット観測部１１で測定し、Ｖ（Ｔ１），Ｖ（Ｔ２），Ｖ（Ｔ３），…，Ｖ（ＴＮ）を測定データ記憶部１２に記憶する。そして、ここで記憶したＶ（Ｔ１），…，Ｖ（ＴＮ）を用いてパラメータ補正演算部＃１（１６）が演算式（１）のパラメータαを最小自乗近似により適合させるものである。また、上記により、パケット損失率ｐ毎に適合させたα（ｐ１），α（ｐ２）…，α（pＭ）を補正データ記憶装置１３に記憶し、このα（ｐ１），α（ｐ２），…α（ｐＭ）を用いてパラメータ補正演算部＃１（１６）が演算式（２）のパラメータd，ｃを最小自乗近似により適合させるものである。
また、上記により補正したパラメータ（ｃ，d）を用いて、スループット演算部＃２（１９）が任意の（Ｔ，ｐ）におけるＴＣＰ／ＩＰスループットを演算式（４）を実行することにより求めるものである。更に、リアルタイムトラフィックビットレート制御部２０は、任意の（Ｔ，ｐ）におけるリアルタイムトラフィック（自動的に速度制御を行うことのないトラフィック）のスループットを上記により求めたｖ（Ｔ，ｐ）によって制限するものである。

このことにより、実際のネットワークで問題となるネットワーク品質（Ｔ，ｐ）の範囲に対してネットワーク性能評価演算式におけるパラメータを特定の演算式によって近似することで実用的な精度でスループットを推定することができ、このため、回線設計やＱｏＳ目標値の策定に役立たせることができ、信頼性の高いネットワークシステム構築が可能になる。
また、任意の往復遅延時間、パケット損失率におけるリアルタイムトラフィックのネットワーク性能を制限することで、リアルタイムトラフィックの帯域を適切に制御することができ、更に、ＱｏＳ要求条件と最大ユーザ数から必要帯域を設計することも容易にできる。

なお、本発明によれば、以下に列挙する（１）〜（５）の応用も可能になる。
（１）ＴＣＰ／ＩＰスループット目標値ｖ０と、パケット損失率目標ｐ０を与えると、上記により求めたパラメータ（ｃ，ｄ）と、演算式（３）を実行してｖ（Ｔ１，p０）＞ｖ０となる最大の遅延時間Ｔ１を計算する。
（２）ＴＣＰ／ＩＰスループット目標値ｖ０と、遅延時間の最大値Ｔ０を与えると、上記により求めた（ｃ，ｄ）と、演算式（３）を実行することにより、ｖ（Ｔ０，ｐ１）＞ｖ０となる最大のパケット損失率ｐ１を計算する。
（３）ＴＣＰ／ＩＰスループット目標値ｖ０を与えると、上記により、ｖ（Ｔ２，ｐ２）＞ｖ０となる（Ｔ２，ｐ２）の組合せを求める。

（４）補正データ記憶部１３におけるＴの刻み幅を、パケット損失率pが異なる場合も一定にすること、補正データ記憶部１３におけるpの刻み幅をｐの対数が等間隔に近いように調整することも可能である。
（５）測定データ記憶部１２と補正データ記憶部１３を、等間隔のＴおよび指数間隔に近いｐの組合せ（Ｔ，p）に対して値を記憶するように記憶領域を２次元的に拡張することも可能である。

本発明のネットワーク性能評価装置の内部構成を示すブロック図である。 本発明実施形態の動作を示すフローチャートである。 本発明実施形態の動作を示すフローチャートである。 本発明実施形態の動作を示すフローチャートである。 本発明実施形態の動作を示すフローチャートである。 本発明実施形態の動作を示すフローチャートである。 スループットの実測値と推定式の関係を説明するために引用した図である。 本発明実施形態によるパラメータαの補正値と推定式との関係を説明するために引用した図である。 本発明実施形態によるパラメータαの補正値と推定式の関係を求めるために使用されるテーブル構成の一例を示す図である。 ＴＣＰスループット測定実験を行う際に用いられるネットワークシステム構成図である。

符号の説明

１０…ＮＷインタフェース部、１１…パケット観測部、１２…測定データ記憶部、１３…補正データ記憶部、１４…補正データ記憶部、１５…パラメータ補正演算部＃０、１６…パラメータ補正演算部＃１、１７…スループット演算部＃０、１８…スループット演算部＃１、１９…スループット演算部＃２、２０…リアルタイムトラフィックビットレート制御部、２１…スループット監視部、２２…パラメータ記憶部

Claims (5)

1. 往復遅延時間とパケット損失率を与え、特定の演算式を実行することによってあるプロトコルに従うネットワーク性能を評価するネットワーク性能評価装置であって、
   前記パケット損失率がある特定の範囲にある場合において、前記往復遅延時間およびネットワーク性能を実測するネットワーク性能計測手段と、
   前記ネットワーク性能実測値を用いて前記演算式に用いられるパラメータを最小自乗近似により適合させる第１のパラメータ補正手段と、
   を備えたことを特徴とするネットワーク性能評価装置。
2. 前記パケット損失率毎に前記補正したパラメータを用い、当該補正パラメータをパケット損失率の関数としてモデル化して得られる演算式のパラメータを最小自乗近似によって適合させる第２のパラメータ補正手段と、
   を備えたことを特徴とする請求項１に記載のネットワーク性能評価装置。
3. 前記第２のパラメータ補正手段で適合させたパラメータを用い、任意の往復遅延時間、パケット損失率におけるネットワーク性能を特定の演算式によって算出するネットワーク性能演算手段と、
   を備えたことを特徴とする請求項２に記載のネットワーク性能評価装置。
4. 任意の往復遅延時間、パケット損失率におけるリアルタイムトラフィックのネットワーク性能を前記ネットワーク性能演算部により算出した値によって制限するリアルタイムトラフィック制御手段と、
   を備えたことを特徴とする請求項３に記載のネットワーク性能評価装置。
5. 往復遅延時間とパケット損失率を与え、特定の演算式を実行することによってあるプロトコルに従うネットワーク性能を評価するネットワーク性能評価方法であって、
   前記パケット損失率がある特定の範囲にある場合において、前記往復遅延時間およびネットワーク性能を実測するステップと、
   前記ネットワーク性能実測値を用いて前記演算式に用いられるパラメータを最小自乗近似により適合させるステップと、
   を有することを特徴とするネットワーク性能評価方法。
   
   

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