JP2006005942A - インターネット・プロトコル電話の高速な障害検出および復旧 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】例えば、本発明の一態様において、通信ネットワークの1つまたは複数の状態を検出するための技術は、以下の工程/動作を含む。1つまたは複数のキープアライブ・パケットが、通信ネットワーク内のソース・ノードから通信ネットワーク内の宛先ノードに、ソース・ノードと宛先ノードの間の2つ以上の経路を介して送信される。この2つ以上の経路は、少なくとも一部が分離している。宛先ノードで、1つまたは複数のキープアライブ・パケットを2つ以上の経路を介して受信したとき、宛先ノードで、その2つ以上の各経路に対して少なくとも1つの品質尺度が計算される。この少なくとも1つの品質尺度は、通信ネットワークの1つまたは複数の状態を示す。本発明は、IP(インターネット・プロトコル)電話ネットワーク、具体的にはVoIP(ボイス・オーバIP)アプリケーションを提供するIP電話ネットワークに特に適する。
【選択図】図1
Description
M.Karol、P.Krishnan、J.J.Li、「VoIP Network Failure Detection and User Notification」、Proc.2003 Int.Conf.on Computer Communications and Networks、October 2003
I.はじめに
本発明の原理は、短い、低帯域幅のキープアライブ・パケットを使用するための技術を提供する。キープアライブ・パケットは、VoIPパケット・ストリームに投入することによって、障害、あるいは悪化するネットワークの状態、例えば、遅延、ジッタ、損失の増大などを高速に検出することができる。「短い」という用語、および「低帯域幅」という用語は、個々のネットワーク・アプリケーションに依存するものであるが、本発明は、特定のパケット長、または帯域幅値に限定されるものではない。短い、低帯域幅のキープアライブ・パケットの一例には、32ビットのSDES RTCP(Source Description Real−time Transmission Control Protocol)パケットがあり、このパケットのオーバヘッドは0.2パーセント未満である。
このセクションでは、ネットワーク障害およびQoS問題を検出するための低帯域幅技術を導入する。本発明によって提供されるアーキテクチャ/技術上の1つの主要な概念は、制御のための検出および監視という概念である。これに対して、いくつかのネットワーク監視技術においては、ネットワークの状態および問題は検出するが、その障害に対する適切な制御応答については、ほとんど、あるいはまったく指針を与えない。低帯域幅高速検出方法を提示した後で、ネットワーク状態の悪化および障害に対する高速制御応答の方法について説明する。次に、本発明の制御方法は、VoIPのための経路QoS監視における多くの共通の問題を回避する監視方法を提供する。
受信装置でネットワーク障害およびQoSの低下を高速に検出するために、本発明は、送信装置によって、VoIPストリームとともに低帯域幅のキープアライブ信号を送信することを提案する。例えば、VoIP(例えば、RTPすなわちReal−time Transmission Protocol)パケットとともに、短いキープアライブ・パケットを定期的に、「一定の」時間間隔(例えば、500ミリ秒)で送信することができる。ネットワークの障害だけを検出するためには、これらのパケットは、VoIP通話の無音期間中だけに送信する必要がある。他の時間には、RTPパケットそれ自体を障害検出の目的で使用することができる。送信装置は、RTPパケットの数が減少したとき(無音期間中)には、キープアライブ・パケットの数を増加させて、各T秒ごとに、RTPパッケットまたはキープアライブ・パケットの少なくとも一方が確実に送信されるようにする。具体的には、RTPストリームの無音期間中は、追加の(短い)キープアライブ・パケットが、R=1/Tの割合で投入される。
次に、低帯域幅QoS監視技術を説明する。RTP無音期間に、キープアライブ・パケットがR=1/Tの固定割合で投入されることについては、先に述べた。RTPの有音期間にQoSを監視する(また、それに高速で応答する)ためには、2つの選択肢がある。先ず、低帯域幅のキープアライブ・パケットは、少し余分の帯域幅を犠牲にすることにより、有音期間中にも挿入することができる。すなわち、キープアライブ・パケットは、常時R=1/Tの割合で挿入することができる。次に、RTPパケットが非常に高い精度で(例えば、20msごとに)挿入されることが分かっている場合には、RTPパケットそのものを監視用に使用することができる。どちらの場合でも、受信装置は、送信装置がRTP無音期間およびRTP有音期間の両方の期間に、名目上固定の時間間隔でいくつかのパケットを投入するという事実を利用するように設計される。
本発明の技術の焦点は、代替ネットワーク経路(またはPSTN)への高速切り換え、およびそれに関連する性能の問題にあてる。本発明の制御方法および解析についての議論を始めるために、図1に示したように、例示的ネットワーク100の一部に2つのサイト、すなわち送信サイト102および受信サイト104があると想定する。逆方向の通信では、「送信サイト」が「受信サイト」にもなり、別のトラフィックでは、「受信サイト」が「送信サイト」にもなり得ることを理解されたい。
次に、QoS比較の実施に関する問題をより詳細に述べる。例えば、ジッタに関しては、パケット相互の間隔は、経路ジッタを与える妥当なアイデアであるが、実際には、キープアライブ・パケットやRTPパケットの投入時間には、僅かなばらつきが存在する。しかし、このソース・ジッタが、ここでの関心事であるネットワーク・ジッタの量よりも少ない場合は、上記のジッタ測定で十分なはずである。より重要なことは、本発明の技術が、(以下でさらに説明するように)ジッタおよび遅延の測定を処理するための他の方法を含んでいることである。
このセクションでは、図1の基本モデルを拡張して、マルチサイト企業をどのようにモデル化できるか、またそれらの企業がどのように本発明の技術を使用できるかを示す。
このセクションでは、ある程度数学的な詳細に立ち入り、本発明のシステムのいくつかの態様を検討する。先ず、(誤報と呼ばれている)障害が誤って宣言される確率を計算する。この解析では、VoIP有音無音モデルのいくつかの態様を採用して、M.Karol、P.Krishnan、J.J.Li、「VoIP Network Failure Detection and User Notification」、Proc.2003 Int.Conf.on Computer Communications and Networks、October 2003の場合より厳しい上限を生成する。この論文の開示を、参照により本明細書に組み込む。解析結果は、プロトタイプ実装における検出時間および誤報率の実測結果とよく一致する。ここでは、有音無音モデルのパラメータが、誤報確率にどのように影響を与えるかを示し、誤報確率、障害検出時間(kT)、およびキープアライブ・パケットが投入される割合(R=1/T)の間のいくつかのトレードオフについて論ずる。最後に、複製されたキープアライブ・パケットを使用して達成できる低減された遅延を評価して、代替の低遅延経路への高速切り換えを制御する。
fn=fn−1+(1−fn−k−1)(1−p)pk, n>k (1)
また、初期条件としてfk=pkであり、n<kの場合はfn=0である。fn−k−1≧0なので、次式が得られる。
fn<fn-1+(1−p)pk, n>k (2)
式(2)をfnについて解くと、次式が得られる。
fn<pk[(n−k+1)−(n−k)p], n>k (3)
gm=1−(1−h)m, (5)
(3)式より、[(n−k+1)−(n−k)p]<nとなるので、fn<npkであることが分かる。したがって、(4)式から次式が得られる。
gm<1−{1−pk*「Y|T」}m, (7)
g<1−{1−pk*「Y|T」}L/(Y+X), (8)
(8)式を使用すると、誤報確率g、障害検出時間(kT)、およびキープアライブ・パケットのために必要な(割合R=1/Tに比例する)余分の帯域幅の間の、多くのトレードオフを調べることができる。個々の比較は、通話の長さL、パケット損失率p、およびRTP有音および無音期間の期待長さに依存する。例示のために、Y=X=10秒(すなわち、同じ有音および無音継続時間を有する対称的な通話)とする。表1および表2は、10分の通話、5%のパケット損失率(p=0.05)、ならびに障害検出時間(kT)をそれぞれ1秒および500ミリ秒とした場合の、いくつかの代表的な結果を示す。誤報確率gがkの増加とともに急速に低下することに留意されたい。一方、余分の「キープアライブ帯域幅」は、(検出時間が一定ならば、)kの増加とともにリニアに増加する。
Prob{X≦t}=1−Prob{X1>t}*Prob{X2>t}=1−{(1−q1)(1−q2)ρ1ρ2*e−μ 1 (1−ρ 1 )te−μ 2 (1−ρ 2 )t}−{(1−q1)q2ρ1*e−μ 1 (1−ρ 1 )t}−{q1(1−q2)ρ2*e−μ 2 (1−ρ 2 )t}−q1q2,(ただし、t>0) (9)
また、
Prob{X=0}=1−(1−q1)(1−q2)ρ1ρ2−(1−q1)q2ρ1−q1(1−q2)ρ2−q1q2, (10)
次に図4を参照すると、ブロック図には、本発明の一実施形態による、本明細書に記載の技術の実装に適したコンピュータ・システムの一般化されたハードウェア・アーキテクチャが示されている。すなわち、コンピュータ・システム400は、サーバ、ルータ、エッジ・デバイス、および/または送信サイト(図1の102)または受信サイト(図1の104)のゲートウェイ、1つまたは複数のそれらのサイト・コンポーネントに組み込まれたPMR装置(図1の106、図3の302)もしくはリモート位置のスタンドアローンのPMR装置、本発明の原理の実装に適する任意のシステムまたは装置などを表す。当然のことながら、本発明が、特定のコンピュータ・システムへの実装に限定されるものではないことを理解されたい。
したがって、本明細書で例示として説明してきたように、本発明は、ネットワークに固有の冗長性を使用することによって、VoIPネットワークの復旧力およびQoSを改善するための技術を提供する。本発明は、VoIPストリームに投入される、短い、低帯域幅のキープアライブ・パケットを使用して、障害およびネットワークQoS状態を高速に検出するための新しい監視技術を提供する。本発明は、制御のための監視および検出という考えを重視することによって、キープアライブ・パケットを効果的に複製して第1および第2のネットワーク経路を比較する方法を提示する。また、タイミングと同期の複雑さを避けながら、2つの経路間のQoS差をより容易に計算する方法も提示する。誤差も除去される。本明細書では、誤報確率を計算することによって、検出方法の良さを解析的に調査した。また、経路間を切り換えることの潜在的な性能利点を調査することによって、本発明の制御方式の利点も解析的に調査した。本発明の提案による解決策は、(PMRと呼ばれる)装置の中に埋め込むことができる。PMRは、メディア・ゲートウェイ、エンタープライズ・ルータ、またはエッジ・デバイスと同一場所に配置するか、またはその中に組み込むことができる。
Claims (20)
- 通信ネットワークの1つまたは複数の状態を検出する方法であって、
1つまたは複数のキープアライブ・パケットを、前記通信ネットワーク内のソース・ノードから前記通信ネットワーク内の宛先ノードに、前記ソース・ノードと前記宛先ノードとの間の、少なくとも一部が分離した2つ以上の経路を介して送信する工程と、
前記宛先ノードで、前記1つまたは複数のキープアライブ・パケットを前記2つ以上の経路を介して受信したとき、前記宛先ノードで、前記通信ネットワークの1つまたは複数の状態を示す少なくとも1つの品質尺度を、前記2つ以上の各経路に対して計算する工程とを含む方法。 - 前記2つ以上の各経路対して計算された前記品質尺度を比較する工程をさらに含む、請求項1に記載の方法。
- 前記比較結果を、前記宛先ノードから前記ソース・ノードに送信する工程をさらに含む、請求項2に記載の方法。
- 前記受信した結果の少なくとも一部に基づいて、前記ソース・ノードから1つまたは複数の通信パケットを送信する工程をさらに含む、請求項3に記載の方法。
- 前記1つまたは複数の通信パケットがVoIPパケットである、請求項4に記載の方法。
- 前記1つまたは複数の通信パケットがシグナリング・パケットである、請求項4に記載の方法。
- 前記比較の工程が、前記2つ以上の各経路に対して相対的な受信時間に基づいて計算された前記品質尺度を比較する工程をさらに含む、請求項2に記載の方法。
- 前記送信の工程が、前記1つまたは複数のキープアライブ・パケットを、前記2つ以上の経路を介して同時に送信することをさらに含む、請求項1に記載の方法。
- 前記送信の工程が、前記1つまたは複数のキープアライブ・パケットを、前記2つ以上の経路を介して一定の時間間隔で送信する工程をさらに含む、請求項1に記載の方法。
- 前記送信の工程が、前記1つまたは複数のキープアライブ・パケットを、前記通信ネットワーク内の1つまたは複数の中間ノードを通過してトンネリングすることによって送信する工程をさらに含む、請求項1に記載の方法。
- 前記少なくとも1つの品質尺度が、遅延、ジッタ、および損失のうちの1つに関連している、請求項1に記載の方法。
- 通信ネットワークの1つまたは複数の状態の検出に使用される装置であって、
メモリと、
前記メモリに結合された少なくとも1つのプロセッサであって、1つまたは複数のキープアライブ・パケットを、前記通信ネットワーク内のソース・ノードから前記通信ネットワーク内の宛先ノードに、前記ソース・ノードと前記宛先ノードの間の、少なくとも一部が分離した2つ以上の経路を介して送信するように動作し、前記宛先ノードで、前記1つまたは複数のキープアライブ・パケットが前記2つ以上の経路を介して受信されたとき、前記宛先ノードで、前記通信ネットワークの1つまたは複数の状態を示す少なくとも1つの品質尺度が、前記2つ以上の各経路に対して計算可能になるプロセッサと
を含むことを特徴とする装置。 - 前記送信動作が、前記1つまたは複数のキープアライブ・パケットを前記2つ以上の経路を介して同時に送信することをさらに含む、請求項12に記載の装置。
- 前記送信動作が、前記1つまたは複数のキープアライブ・パケットを前記2つ以上の経路を介して一定の時間間隔で送信することを含む、請求項12に記載の装置。
- 前記送信動作が、前記1つまたは複数のキープアライブ・パケットを、前記通信ネットワーク内の1つまたは複数の中間ノードを通過してトンネリングすることにより送信することを含む、請求項12に記載の装置。
- 通信ネットワークの1つまたは複数の状態の検出に使用される装置であって、
メモリと、
前記メモリに結合された少なくとも1つのプロセッサであって、1つまたは複数のキープアライブ・パケットが、前記通信ネットワーク内のソース・ノードから前記通信ネットワーク内の宛先ノードに、前記ソース・ノードと前記宛先ノードの間の、少なくとも一部が分離した2つ以上の経路を介して送信されたことに応答して、前記宛先ノードで、前記1つまたは複数のキープアライブ・パケットを前記2つ以上の経路を介して受信したとき、前記宛先ノードで、前記通信ネットワークの1つまたは複数の状態を示す少なくとも1つの品質尺度を、前記2つ以上の各経路に対して計算するように動作するプロセッサと
を含むことを特徴とする装置。 - 前記少なくとも1つのプロセッサが、前記2つ以上の各経路に対して計算された前記品質尺度を比較するようにさらに動作する、請求項16に記載の装置。
- 前記少なくとも1つのプロセッサが、前期比較の結果を前記宛先ノードから前記ソース・ノードに送信するようにさらに動作する、請求項17に記載の装置。
- 前記比較の動作が、前記2つ以上の各経路に対して相対的な受信時間に基づいて計算された前記品質尺度を比較することをさらに含む、請求項17に記載の装置。
- 前記少なくとも1つの品質尺度が、遅延、ジッタ、および損失のうちの1つに関連している、請求項16に記載の装置。
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