JP2005513917A - 異なる品質を有するアプリケーションのデータの伝送方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、通信ノードを備えたパケット交換方式のデータ通信網において異なる伝送要求を有するアプリケーションのデータの伝送方法に関し、少なくとも次のステップを有する。
ａ．それぞれのアプリケーションのデータの伝送の際に通過されるべき１つの通信ノードにおいて各アプリケーションのデータを予め与えられたビット伝送速度に制限するステップ、
ｂ．それぞれのアプリケーションのデータの伝送の際に通過されるべき全ての通信ノードにおいてアプリケーション特有のコンテクストを新たに作成し記憶するステップ、
ｃ．それぞれのアプリケーションのデータの伝送の際に通過されるべき全ての通信ノードにおいて伝送資源をアプリケーション特有のコンテクストに応じて確保するステップ、
ｄ．各アプリケーションのデータを、それぞれのアプリケーションによって通過されるべき１つの通信ノードから他の１つの通過されるべき通信ノードへ、アプリケーション特有のコンテクストに応じて転送するステップ。

Description

本発明は、パケット交換方式のデータ通信網において伝送サービスの品質への異なる要求を有するアプリケーションのデータの伝送方法に関する。例えばＩＰ（Ｉｎｔｅｒｎｅｔ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ）を基礎としている伝送メカニズムを有するパケット交換方式のデータ通信網においては、種々のアプリケーションの異なるデータ形式がネットワークを介して供給源から目標点へ伝送される。この場合に、伝送方式に対する要求は種々のアプリケーション間で非常に激しく変わる。これは、特に、リアルタイムでの伝送および／またはビット伝送速度の保証を強く要求しないデータ伝送よりも、リアルタイムでの伝送および／または保証されたビット伝送速度での伝送を要求するアプリケーションのデータ伝送に当てはまる。リアルタイムで且つ保証されたビット伝送速度での伝送の要求を有するアプリケーションは、例えば会話伝送、オンラインラジオ放送およびビデオ伝送である。これに対して、電子メールサービスまたは例えばウェブサーフィンの如きインターネットアプリケーションは伝送に対してそれほどの要求はない。

パケット交換方式のデータ通信網の主な特徴は、データ伝送が、専有されて接続されたデータ回線を介してではなくて、仮想データ回線を介して統計学上の多重化原理に基づいて行なわれる。ここで、多重化とは、種々の情報の時間的な統計学上の分布に基づく同一伝送回線を介する多数情報の同時伝送である。このような通信網において普通に伝送されるデータは、いわゆる「バースト」特性によって、すなわち帯域幅の時間的変動によって特徴付けられる。データを効果的に伝送できるようにするために、データは一般にパケット交換方式のデータ通信網の通信ノード間に集められ、統計学上の想定に基づいて共通に存在する搬送経路、すなわち仮想データ回線を介して通信ノードから通信ノードへ伝送される。「端末相互間」を基礎とする個々のアプリケーションに対する伝送資源の排他的な準備は存在しない。統計学上の多重化によって、存在する伝送資源が効果的に利用される。これとは違って回線交換方式のデータ通信網では、各アプリケーションのためにデータ通信網を通る専用回線が伝送時間および帯域幅を保証されて使用できる。これにおいては、データが可変のビット伝送速度で伝送される場合、使用できる帯域幅は休止期間のときあるいは低い伝送速度の期間のときに利用されない。

パケット交換方式の移動式データ通信網の各アプリケーションは、「端末相互間」通信を可能にするために、アプリケーション継続中、データ通信網によって定められた伝送容量資源を要求する。パケット交換方式の移動式データ通信網においては、このために、通過されなければならない各該当通信ノードにおいて、相応のパラメータセットを有するいわゆるコンテクストが作成される。コンテクストは、データ伝送に必要なサービスを十分に記述する全ての関連情報を含む。特に、データ通信網の各アプリケーションは、定められた伝送サービスを定められた品質（ＱｏＳ、Ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ Ｓｅｒｖｉｃｅ）で要求する。この要求は、例えば最大ビット伝送速度、保証されるべきビット伝送速度および最大許容遅れの如きいわゆるＱｏＳパラメータによって特徴付けられている。コンテクストの新たな作成の際、各通信ノードは存在する資源に応じてこのＱｏＳパラメータを取り決め、しかもパラメータの取り決めはそれぞれ段階的に行なわれる。それぞれのアプリケーションのデータの伝送は、通過されるべき全ての通信ノードにおいて等しく取り決められ記憶されたこれらのＱｏｓパラメータに基づいて行なわれる。

伝送品質への異なる要求を有するアプリケーションのデータの伝送の問題は、これまで種々に解決された。

第３世代移動通信網（ＵＭＴＳ）のための定められたＱｏＳ機能を記述する３ＧＰＰ（ＴＳ２３．１０７）のＱｏＳ基本設計概念が存在する。しかしながら、個々の通信ノードにおける実現は詳述されていない。更に、データ通信網において異なるＱｏＳ要求を有するアプリケーションのデータの伝送方法を記述する試みが存在する。

最初の試みは、要求された伝送品質に関する情報を各データパケットに持たせることにある。その場合に、データ通信網において、伝送要求を適切に表す特定の品質等級が規定される。この等級はサービス品質等級（ＱｏＳ等級）と呼ばれる。各データパケットはＱｏＳ等級を割り付けられ、相応の情報を持たされる。かかるデータ通信網においてデータを転送する通過されるべき各通信ノードが、データパケット内にあるＱｏＳ情報に基づいてデータパケットの転送に優先順位をつける。その場合に、普通の処理は、パケットをその中に含まれているＱｏＳ情報に応じて相応の待ち行列（Ｑｕｅｕｅｓ、キュー）へ分配することにある。これらの待ち行列は、これらのＱｏＳ情報に応じた速さで空けられて転送される。この試みにより、高い優先順位をつけられたデータパケットが低い優先順位を有するデータパケットよりも極めて遥かに速やかにデータ通信網を通して導かれる確率が統計学的に増大する。この試みの欠点は、データ通信網の内部における保証された伝送時間および伝送速度が存在しないことにある。他の欠点は、伝送をリアルタイムで要求するデータパケットが各待ち行列に中間記憶され、それにより遅らされることにある。更に、ＱｏＳ等級への付属に関する情報が各データパケットに含まれていなければならないことと、これらの情報のフォーマットが全てのデータ通信網において同じでなければならないことにある。この試みは、例えばＩＥＴＦ（Ｉｎｔｅｒｎｅｔ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｔａｓｋ Ｆｏｒｃｅ、インターネット技術標準化委員会）のＲＦＣ２４７４という標準文書に記載されている。

第２の試みは、上述の問題を解決するために、データ通信網内において各ＱｏＳ等級に対して異なるデータ回線を備えることにある。通信ノードがデータパケットをＱｏＳ等級に分類することができるならば、このデータパケットはこのＱｏＳ等級に対応するデータ回線で転送される。

この方法における欠点は、種々の通信ノード間に異なる品質の多数の種々の回線を配置して稼動させる際のコストにある。異なるＱｏＳ等級の種々の回線の配置は、種々の規格において、例えばＡＴＭフォーラムによってＡＦ−ＴＭ−０１２２１．０００と呼ばれる通信管理規格において定義されている。

３番目の試みは、データ通信網へのアクセスノードいわゆるエッジノードにおいて全データトラフィックを予め定めたトラフィックに制限することにある。データ通信網の内部ではこのトラフィックはもはや識別されない。なぜならばデータ通信網が十分な規模に定められていることが前提とされているからである。この試みの欠点は伝送時間および伝送速度に関する不十分な保証にある。この試みは、例えばＩＥＴＦのサービスレベル協定ワーキンググループによって詳しく述べられている。

本発明の課題は、異なる伝送要求を有するアプリケーションのデータをできるだけ効率よく且つデータ通信網内において上述の欠点を回避しながら伝送することを可能にする方法を提供することにある。

この課題は、本発明によれば、請求項１に基づく本発明による方法によって解決される。本発明による方法の他の有利な実施態様は従属請求項に記載されている。

請求項１によれば、通信ノードを有するパケット交換方式のデータ通信網において異なる伝送要求を有するアプリケーションのデータの伝送方法において、少なくとも次のステップを有する方法が提供される。
ａ．それぞれのアプリケーションのデータの伝送の際に通過されるべき１つの通信ノードにおいて各アプリケーションのデータを予め与えられたビット伝送速度に制限するステップ、
ｂ．それぞれのアプリケーションのデータの伝送の際に通過されるべき全ての通信ノードにおいてアプリケーション特有のコンテクストを新たに作成し記憶するステップ、
ｃ．それぞれのアプリケーションのデータの伝送の際に通過されるべき全ての通信ノードにおいて伝送資源をアプリケーション特有のコンテクストに応じて確保するステップ、
ｄ．各アプリケーションのデータを、それぞれのアプリケーションによって通過されるべき１つの通信ノードから他の１つの通過されるべき通信ノードへ、アプリケーション特有のコンテクストに応じて転送するステップ。

本発明による方法の有利な実施態様において、ステップａは、パケット交換方式のデータ通信網へのアクセス通信ノード（エッジノード）において実行される。アプリケーションのデータの到来する流れは、予め与えられたビット伝送速度、とりわけデータ通信網に存在する資源によって決まる最大許容ビット伝送速度に制限される。それにより、データ通信網において後続の通過されるべき通信ノードにおける許容できない超過はもはや起こり得ないことが保証される。

各アプリケーションのデータを予め与えられたビット伝送速度に制限することは、それぞれのアプリケーションのデータの転送に並行して、このデータの量を固定設定可能な時間インターバルに亘って測定し、予め与えられたビット伝送速度に相当するデータ量と比較することによって実現されると特に好ましい。これは、定められた時間インターバル（測定インターバル）に亘って到来するデータパケットの大きさがそれらの転送に並行して積算されることを意味する。この値はこのインターバル内におけるデータ量を表わす。ここで、例えば最大ビット伝送速度に相当する最大許容データ量がこの時間インターバル内に到達した場合、この情報は、後続のデータパケットを拒否するのか、あるいは場合によっては通信ノードの全資源が転送継続を許すことから転送を継続させるのかを決定するのに使用することができる。次に続く測定インターバルの開始と共にデータパケットの大きさの新たな積算が始まる。この積算は、例えば先行のバーストを考慮するために、零でない開始値から出発してもよい。それにより、一方ではデータパケットの遅れが最小限にされ、他方では次に続く通信ノードにおいて協議の上取り決められたデータ速度の超過が回避される。同時に、データ通信網におけるこのデータ回線で通過されるべき他の全ての通信ノードは、最大許容ビット伝送速度の監視をもはや行なう必要がない。

本発明による方法の有利な実施態様において（ステップｃにおいて）、それぞれのアプリケーションのデータによって通過されるべき各通信ノードは、それぞれのアプリケーションによって要求された保証されたビット伝送速度および支援されるべき最大ビット伝送速度から、確保されるべき伝送資源のための帯域幅値を導き出し、この帯域幅値を確保する。

本発明による方法の他の有利な実施態様において、ステップｃは伝送をリアルタイムで必要とするアプリケーションのデータに対してのみ実行される。これは、リアルタイム伝送要求を有するアプリケーション（リアルタイムアプリケーション）のためのコンテクストの形成時に、通過されるべき各通信ノードが、要求された保証されたビット伝送速度および支援されるべき最大ビット伝送速度から、確保されるべき資源のための定められた帯域幅値（Ｂ_EchtAppl）を導き出し、この帯域幅をこのアプリケーションのために確保する。確保されるべきビット伝送速度の算定時に作動中の及び作動させられたアプリケーションの実際の資源需要に関する測定も入り込む。一般に、通信ノードにおける全リアルタイムトラフィックに、全伝送幅Ｂ_totalに対する定められた割合の資源（Ｂ_SumEcht）が用立てられる。これは、アプリケーションのために求められた帯域幅値（Ｂ_EchtAppl）がリアルタイムトラフィックに用立てられた割合Ｂ_SumEchtから得られることを意味する。それによりアプリケーションは通信ノードの帯域幅Ｂ_EchtApplを使用できる。アプリケーションの終了と共にこれらの確保された資源は再び解放される。リアルタイムトラフィックに用立てられた割合Ｂ_SumEchtは、通信ノードの全帯域幅よりも常に小さく選ばれると好ましい。それにより、一方ではリアルタイム伝送を要求しないアプリケーション（非リアルタイムアプリケーション）のために定められた割合の資源を使用でき、他方ではリアルタイムアプリケーションのために確保された帯域幅の短時間の超過分（バースト）を同様に伝送し得ることが保証される。リアルタイム伝送を要求せず且つ保証されたビット伝送速度を持たないアプリケーションについては、個々のアプリケーションのための帯域幅の確保は行なわれない。その代わりに全資源に対して確保されていない割合Ｂ_SumNichtEchtが、この種の全てのアプリケーションに対して解放される（Ｂ_SumNichtEcht＝Ｂ_total−Ｂ_SumEcht）。同時に、リアルタイム伝送を要求しないアプリケーションは、リアルタイムアプリケーションに用立てられるが一時的にリアルタイムアプリケーションによって使用されない資源をいつでも使用することができる。統計学上の多重化によってこのアプリケーションのデータは定められた確率で転送される。非リアルタイムトラフィックの実際のデータ量が非リアルタイムトラフィック用として使用可能な帯域幅を超過する場合、このトラフィックは遅らされるかもしくは拒否される。

リアルタイムアプリケーションの実際に伝送されるべきデータ総量が、それのために確保された資源を上回ることがある。これは、例えば、全てのまたは多数のリアルタイムアプリケーションについて最大ビット伝送速度を有するデータストリームが通信ノードにおいて同時に起こり、これらのサービスのために確保された帯域幅が少なかった場合である。このことが起きたならば、非リアルタイムアプリケーションのために用意された資源がリアルタイムアプリケーションのデータ転送のために共同使用される。その際に少ない資源に応じて非リアルタイムアプリケーションのデータ伝送のための部分が使用される。リアルタイムアプリケーションのデータが確保された資源をどの位大きく超過するのか、そして非リアルタイムアプリケーションのデータを転送する確率がどの位大きいかは、用立てられた資源Ｂ_SumEchtの割合および確保されるべき帯域幅の算出アルゴリズムに依存する。とりわけ、アプリケーションにおける統計学上の多重化データストリームの数も重要である。リアルタイムアプリケーションのための確保された割合が大きいほど、確保された帯域幅の一時的超過（バースト）を伝送できる確率が小さくなる。リアルタイムアプリケーションのための確保された割合が大きいほど、非リアルタイムアプリケーションのデータを転送する確率も小さくなる。

本発明による方法の特に有利な実施態様では、この方法の挙動がコンテクストの作動時に、すなわちＱｏＳパラメータの取り扱い時に影響を受ける。各通信ノードにおいてアプリケーション特有のコンテクストを新たに作成する際に、それぞれのアプリケーションによって要求された保証されたビット伝送速度と支援されるべき最大ビット伝送速度との比が可変であり、従って制限可能である。

本発明によれば、定められた前提のもとで、各通信ノードにおいて最大に保証されたビット伝送速度Ｂ_maxEchtApplにまでリアルタイムアプリケーションのためのデータ伝送を、このデータ伝送および保証されたビット伝送速度においてデータパケットの渋滞または拒否をもたらすことなしに行なうことも可能である。一方では、バースト、すなわち高いビット伝送速度での短時間の送信は、統計学的に分布して生じるものである。その際に高い確率で、確保された帯域幅の総和Ｂ_SumEchtを超過しない。超過の場合には、非リアルタイムアプリケーションに用立てられた資源の一部が共同使用される。その場合に、全コンテクストの最大ビット伝送速度の総和は、通常の設定方法に基づいて定められた限度を越えて、通信ノードの全資源を超過してはならない。

本発明による方法の他の有利な実施態様では、本発明による方法のステップｄ．において、アプリケーションのデータがアプリケーション特有のコンテクストに応じて少なくとも２つのカテゴリーに区分され、これらカテゴリーに応じて転送される。これらの２つのカテゴリーが少なくともリアルタイムアプリケーションおよび非リアルタイムアプリケーションへの区分であると好ましい。このカテゴリー分けが、各通信ノードにおいて実施され、既に述べたように、通信ノードに存在するコンテクストに応じて行なわれると好ましい。リアルタイムアプリケーションに割付けられた各データパケットは、中間記憶なしに直ちに次の通信ノードに転送される。リアルタイム要求のないパケットは待ち行列（Ｑｕｅｕｅｓ）において中間記憶され、定められた読出しメカニズムに応じて待ち行列から転送される。この読出しメカニズムは、例えば、使用可能な転送資源を、非リアルタイムトラフィック全体またはその一部に対して予め定められたパターンに基づいて配分するか、または待ち行列の簡単な優先順位付けを実現する。非リアルタイムデータ用として使用可能な転送資源は、リアルタイムデータの瞬間的なデータ発生に依存する。

本発明の特別な利点は、転送資源の確保、最大データ伝送速度への個々のアプリケーションのデータストリームの制限、このデータストリームの処理および転送時に集中したデータストリームの種々のカテゴリーの優先順位付与の如き上述のメカニズムの組合わせによって、種々のアプリケーションの個別的要求に適合したできるだけ効果的な伝送を保証できることにある。

本発明による方法の他の利点は次の図に基づいて明らかにする。
図１は本発明による方法の実施例におけるステップａの概略表示のためのブロック図、
図２は本発明による方法の実施例におけるステップｄの概略表示のためのブロック図を示す。

図１には、アプリケーションのデータを予め与えられたビット伝送速度に制限することの可能性を説明するためのブロック図が示されている。アプリケーションのデータは、データ通信網１にアクセスノード（エッジノード）２を介して到達する。エッジノード２におけるできるだけ僅かの遅れを達成するため、および、到来するデータのビット伝送速度を求めるための中間記憶を不要にするために、この方法は次のとおり実現される。“アップリンク（ｕｐｌｉｎｋ）”方向の矢印によって示されているように、定められた時間インターバル（測定インターバル）に亘って、到来するデータパケットの大きさがそれらの転送に並行して積算され、これがグラフ３に示されている。この値はこの時間インターバル内のデータ量を表わす。最大ビット伝送速度Ｂ_maxに相当する最大許容データ量がこの時間インターバル内に到達した場合、この情報は、グラフ４に示されているように後続のデータを拒否するか否か、あるいは場合によってはエッジノード２の全資源が転送継続を許すことから転送を継続させるかを決定するのに使用される。同じメカニズムが逆方向、すなわち “ダウンリンク（ｄｏｗｎｌｉｎｋ）”方向に行なわれる。直ぐ次の時間インターバルつまり測定インターバルの開始と共にデータパケットの大きさの新たな積算が始まる。この積算は、例えばバーストを考慮するために、零でない開始値から出発してもよい。それにより、一方ではデータパケットの遅れが最小限にされ、他方では次に続く通信ノード５において協議の上取り決められたデータ速度の超過が回避される。同時に、通過されるべき他の全ての通信ノード５が、最大ビット伝送速度Ｂ_maxの監視をもはや行なう必要がない。

図２には本発明による方法の実施例におけるステップｄの概略表示のためのブロック図が示されている。多数の通信ノード７を含むデータ通信網１による種々のアプリケーションのデータパケット６の転送が示されている。アプリケーションが要求されたならば、その要求されたアプリケーションのデータつまりデータパケット６によって通過されるべきデータ通信網１の通信ノード７において、とりわけアプリケーションが要求する伝送品質（ＱｏＳ）を含むコンテクストが新たに作成される。この要求は種々のパラメータによって定められている。これには、特に最大ビット伝送速度、保証されたビット伝送速度および最大許容遅れが含まれる。データ通信網１に到来するアプリケーションのデータパケット６は、ここで、通過すべき通信ノード７においてそれぞれの通信ノード７内で新たに作成され記憶されたコンテクストに応じて２つのカテゴリー８，９のうちの１つを割り付けられる。図示の例では、２つのカテゴリー８，９は、リアルタイムアプリケーションへの分配（黒い縞模様）８と、非リアルタイムアプリケーションへの分配（灰色の縞模様）９である。このカテゴリー分けは通過されるべき各通信ノード７において行なわれる。リアルタイムアプリケーションに割り付けられた各データパケット６は直ちに中間記憶なしで次の通信ノード７に転送される。リアルタイム要求のないデータパケット６は、待ち行列（Ｑｕｅｕｅｓ）に中間記憶し、定められた読出しメカニズムにしたがって待ち行列から転送することができる。この読出しメカニズムは、使用可能な資源を非リアルタイムアプリケーションのデータパケット６全体または予め定められたパターンに基づくそれらの一部に配分するか、または待ち行列の簡単な優先順位付けを実現することができる。非リアルタイムアプリケーションのデータパケット６のために使用可能な資源は、リアルタイムアプリケーションの瞬時のデータ発生に依存する。

本発明による方法の実施例におけるステップａの概略を示すブロック図 本発明による方法の実施例におけるステップｄの概略を示すブロック図

符号の説明

１ データ通信網
２ エッジノード
３ グラフ
４ グラフ
５ 通信ノード
６ データパケット
７ 通信ノード
８ カテゴリー
９ カテゴリー

Claims (10)

1. 通信ノード（２，５，７）を備えたパケット交換方式のデータ通信網（１）において異なる伝送要求を有するアプリケーションのデータ（６）の伝送方法において、少なくとも次のステップ、
   ａ．それぞれのアプリケーションのデータ（６）の伝送の際に通過されるべき１つの通信ノード（２，５，７）において各アプリケーションのデータ（６）を予め与えられたビット伝送速度に制限するステップ、
   ｂ．それぞれのアプリケーションのデータ（６）の伝送の際に通過されるべき全ての通信ノード（２，５，７）においてアプリケーション特有のコンテクストを新たに作成し記憶するステップ、
   ｃ．それぞれのアプリケーションのデータ（６）の伝送の際に通過されるべき全ての通信ノード（２，５，７）において伝送資源をアプリケーション特有のコンテクストに応じて確保するステップ、
   ｄ．各アプリケーションのデータ（６）を、それぞれのアプリケーションによって通過されるべき１つの通信ノード（２，５，７）から他の１つの通過されるべき通信ノード（２，５，７）へ、アプリケーション特有のコンテクストに応じて転送するステップ、
   を有することを特徴とするアプリケーションのデータの伝送方法。
2. ステップａ．は、パケット交換方式のデータ通信網（１）へのアクセス通信ノード（エッジノード）において実行されることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 各アプリケーションのデータ（６）を予め与えられたビット伝送速度に制限することは、それぞれのアプリケーションのデータ（６）の転送に並行して、このデータ（６）の量を固定設定可能な時間インターバルに亘って測定し、予め与えられたビット伝送速度に相当するデータ量と比較することによって実現されることを特徴とする請求項１又は２記載の方法。
4. ステップｃ．は、伝送をリアルタイムで必要とするアプリケーションのデータ（６）に対してのみ実行されることを特徴とする請求項１乃至３の１つに記載の方法。
5. ステップｃ．では、それぞれのアプリケーションのデータによって通過されるべき各通信ノード（２，５，７）は、それぞれのアプリケーションによって要求された保証されたビット伝送速度および支援されるべき最大ビット伝送速度から、確保されるべき伝送資源のための帯域幅値を導き出し、この帯域幅値を確保することを特徴とする請求項１乃至４の１つに記載の方法。
6. 各通信ノード（２，５，７）においてアプリケーション特有のコンテクストを新たに作成する際に、それぞれのアプリケーションによって要求された保証されたビット伝送速度と支援されるべき最大ビット伝送速度との比が可変であることを特徴とする請求項１乃至５の１つに記載の方法。
7. 全伝送資源（Ｂ_total）に対する定められた割合の伝送資源（Ｂ_SumEcht）が、それぞれ伝送をリアルタイムで必要とするアプリケーションのデータのために確保されることを特徴とする請求項１乃至６の１つに記載の方法。
8. それぞれ伝送をリアルタイムで必要とするアプリケーションのデータ（６）のために確保された伝送資源の割合（Ｂ_SumEcht）が、全伝送資源（Ｂ_total）よりも少なく選定されることを特徴とする請求項７記載の方法。
9. ステップｄ．において、アプリケーションのデータ（６）が、アプリケーション特有のコンテクストに応じて少なくとも２つのカテゴリー（８，９）に区分され、これらのカテゴリー（８，９）に応じて転送されることを特徴とする請求項１乃至８の１つに記載の方法。
10. ２つのカテゴリーは、リアルタイムアプリケーション（８）と非リアルタイムアプリケーション（９）との区分に相当することを特徴とする請求項９記載の方法。

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