JP2006025161A - 可変帯域提供装置 - Google Patents

Abstract

【課題】キャリア網に収容されるユーザ網の各コネクションに対して、輻輳時においても最低帯域を保証しつつ、非輻輳時、共用リソースをコネクション間で公平に分配し、より効果的な網資源の利用を可能にすることのできる可変帯域提供装置を提供する。
【解決手段】 コネクションの識別を行うコネクション識別部１０と、コネクション単位で割当リソースの管理を行うリンクリソース監視部１１と、受付判定を行う対象となるリンクの残余リソース量と、各グループに割り当てられたリソース量を算出するリンクリソース管理部１２と、コネクションごとの割当リソース量に関する情報などを格納するコネクション情報格納部１３と、許可リソース量を計算する許可リソース計算部１４と、前記許可リソース量と前記コネクションの割当リソース量から、コネクションの設定要求を受け付けるか否かの判断をする受付判定部１５を設けた。
【選択図】 図１

Description

本発明は、複数のコネクションを収容する通信網において、各コネクションに可変帯域を提供する装置に関するものである。

近年、インターネットやＬＡＮ(Local Area Network)の急速な普及から、ＩＰトラヒックなどのデータ系トラヒックが、指数関数的に増加している。これに伴いネットワーク上で輻輳発生頻度が増加しており、ユーザに対するサービス品質の低下が問題となっている。例えば、従来のインターネットでは、転送品質を保証しないベストエフォートサービスが主流であったが、ベストエフォートサービスのみでは、充分なスループットが得られないケースが増えており、ＩＳＰ(Internet Service Provider)間や企業間を高速回線で接続する場合に、回線ごとに最低帯域や遅延品質を保証するようなサービスの要求が、今後ますます増加すると考えられる。以降、前記のＩＳＰ、企業等の回線の提供される通信網のことをユーザ網と呼ぶ。

また、前記の遠隔のユーザ網間を接続する通信網（以下、キャリア網と呼ぶ）の構築に関して、トラヒックの増加に対応するため、高速なＩＰパケットの転送と高度なサービスを提供するメカニズムが求められている。通常のＩＰルータでは、中継する各段で電気的な処理が必要であったため、高速化と経済化両面で問題があった。近年、中継ノードに光クロスコネクトなどのレイヤ１技術を利用したネットワークが提案されている。例えば、ＡＳＯＮ(Automated Switched Optical Network)、ＧＭＰＬＳ(Generalized Multiprotocol Label Switching)などが提案されている。これらのネットワークに共通する特徴としては、パス（コネクション）がシグナリングにより動的に設定される点にある。このため、従来に比べて、パス開通までの時間を大幅に短縮でき、より効率的なキャリア網の構築と運用ができる。

前記のネットワークでは、リンクの帯域は時分割多重(Time Division Multiplexing)や波長分割多重(Wavelength Division Multiplexing)などの技術により複数のチャネルに分割され、通信を行う際には事前にコネクションを設定し、パス上の各リンクのリソースを確保してから通信を開始する。

ユーザ網に対して、高速かつ経済的なコネクションサービスを提供するためには、キャリア網の網設計およびリソース管理法が重要となる。

通常、複数のユーザ網に対して、安定的に大容量の帯域を提供する方法として、Ｌ１−ＶＰＮ(Layer 1 virtual private network、光ＶＰＮとも呼ぶ)がよく知られている（例えば、特許文献１参照。）。Ｌ１−ＶＰＮでは、ユーザからのリクエストに応じて、キャリア網はサイト間を接続するＬ１コネクションを提供する。ここで、複数のユーザ網のＬ１コネクションを収容するキャリア網の構築法として、ユーザ網ごとにファイバ・ノードを設置する方法も考えられるが、経済性を考慮すると、複数ユーザ網でノード・ファイバ共有することが望ましい。

特に、リンクリソースを複数ユーザ網で共用する場合、各ユーザ網に対するリンクリソースの割当法が問題となる。ここで、リソース割当法としては、２つの方法が知られている。固定割当モデルとリソース共用モデルである。

固定割当モデルでは、キャリア網のリンクリソースを予め各ユーザ網ごとに固定的に分割し、各ユーザ網にはリクエストに応じて、予め割り当てられたリソースの範囲内でＬ１コネクションを収容する。ただし、この方法では、ユーザ網が多いケースではリソースの分割損が生じるという問題点がある。

また、リソース共用モデルでは、キャリア網のリンクリソースを複数のユーザ網で共用する。ユーザ網のＬ１コネクションの設定要求は、残余リンクリソースが充分である範囲において受け付けられる。このリソース共用モデルでは、複数のユーザ網のコネクション間でリンクリソースを共用するので、共用リソースの帯域に関しては、各リンクへのコネクション要求の頻度に比例するかたちで各コネクション間に分配されるため、「公平性」という面で問題があった。リクエスト到着順でリソースを割り当てるＦＩＦＯ(First-in First-out)方式では、極端な場合では、共用リソースの帯域を１つのユーザ網に属する複数のコネクションが占有してしまうという不公平な状況が生じるという問題点があった。
特開２００３−８７３１３号公報

本発明は、キャリア網に収容されるユーザ網の各コネクションに対して、輻輳時においても契約している最低帯域を保証しつつ、通常時（非輻輳時）、共用リソースをコネクション間で公平に分配し、より効果的な網資源の利用を可能にすることのできる可変帯域提供装置を提供することを目的とする。

本発明は、ノードを含み複数のコネクションを収容する通信網において、各コネクションに可変帯域を提供する可変帯域提供装置であって、ノードからコネクション受付判定要求のメッセージが到着すると、コネクションの識別を行うコネクション識別部と、コネクション単位で割り当てリソースの管理を行うリンクリソース監視部と、前記リンクリソース監視部からの情報をもとに受付判定を行う対象となるリンクの残余リソース量と、各グループに割り当てられたリソース量を算出するリンクリソース管理部と、前記リンクリソース管理部で取得されたコネクションごとの割当リソース量に関する情報、グループ番号、重みに関する情報を格納するコネクション情報格納部と、リンクの残余リソース量に関する情報と、コネクションに関わる割当リソース量と重みに関する情報を前記コネクション情報格納部から受け取り、許可リソース量を計算する許可リソース計算部と、前記許可リソース量と前記コネクションの割当リソース量から、コネクションの設定要求を受け付けるか否かの判断をする受付判定部と、別ルートを探索するかどうかを判定するとともに、別ルートの探索を行う別ルート探索部とを設けたことを特徴とする。

本発明によれば、各コネクションの最低帯域を保証しつつ、余剰帯域を、契約している最低保証帯域などの情報から算出される重みと、網資源の使用状況を考慮して、コネクション間で分割するため、通信網を有効に使用することができる。本発明は、網全体の情報を用いずに、各リンクの情報のみで独立して受付判定を実施しているため、多数のリンクおよびノードから構成される大規模網においても容易に適用可能である。

図１ないし図９は、本発明の一実施形態を示すもので、図１は本発明の可変帯域提供装置の機能ブロック図であり、図２は本発明の可変帯域提供装置を適用して、可変帯域提供サービスを行うネットワークの構成図である。

図２のネットワークはひとつ以上のユーザ網を収容し、少なくとも各ユーザ網に属する２サイトがネットワークに接続している。ネットワークは複数のノードと１つ以上の可変帯域提供装置で構成されている。

キャリア網は、発側ユーザ網と着側ユーザ網とを接続するコネクションを提供し、このコネクション上をユーザ網間のトラヒックが転送される。ここで、ユーザ網は、通信を行う際に、複数のコネクションを使用することを許容されている。図２では、Ｎ個のユーザ網が収容されている。

キャリア網はユーザ網に対して、契約している最低帯域までの転送レートを保障するコネクションを常に提供する。したがって、キャリア網内のリンクリソースは、収容する各コネクションの最適帯域保証分については、予め確保しておく必要がある。各リンクに収容されるコネクションの最低帯域保証分を除いた帯域が共用リソースとなる。図３はその状況を示している。

前記の通り、共用リソースの公平な分配が問題となる。ここで、共用リソースの分配における公平性の指標としては、以下のものが考えられる。
１．最低保証帯域に比例して共用リソースを配分
２．ユーザの払う料金に比例して共用リソースを配分
３．収容されているユーザ網の数に応じて共用リソースを均等に配分
４．各ユーザ網のサイトの総数に比例して共用リソースを配分

本発明では、前記の１ないし４の指標を抽象化した「重み」という概念を導入し、重みに比例して共用リソースを配分するものとする。例えば、指標１の場合、各ユーザ網の最低保証帯域に比例して、重みの値を予め設定しておき、重みに比例して共用リソースを配分する。

何らかの要因により、発側ユーザ網と着側ユーザ網との間に設定されているコネクションの帯域を増設する必要が生じると、発側ユーザ網は、接続しているキャリア網内のノードに対して、追加のコネクション設定の要求を送信する。要求を受けたノードは、自ノードと接続している可変帯域提供装置に、この要求の可否の判定を依頼する。

可変帯域提供装置は、ノードに関わるリンクリソースの情報と、ユーザ網のリソース使用状況の情報をもとに、受付の可否を判定し、判定結果をノードへと返答する。可変帯域提供装置の受付判定のメカニズムについては後記する。ノードは判定結果に基づき、コネクションに対して帯域を割り当てる、またはコネクションを拒否するという処理を行う。

以下、本発明の可変帯域提供装置の受付判定メカニズムの詳細について説明する。

この装置は、コネクション識別部１０と、リンクリソース監視部１１と、リソース割当制御部を構成するリンクリソース管理部１２、コネクション情報格納部１３、許可リソース計算部１４、受付判定部１５と、別ルート探索部１６とから構成されている。

コネクション識別部１０は、ノードからコネクション受付判定要求のメッセージが到着すると、コネクションの識別を行い、リソース割当制御部にコネクションの情報を渡す。

各ノードでは、コネクション単位でリソースの割り当て、方路の決定が行われる。リンクリソース監視部１１は、コネクション単位で割り当てリソースの管理を行う。

リソース割当制御部は、ユーザ網間の公平な帯域割り当てを実現するために、ネットワーク運用者あるいは保守者などによって付与された各コネクションのグループ番号を利用して、ユーザごとの割当帯域を制御する。各コネクションは１つのグループ番号を付与され、基本的に同一のグループ番号を付与されているコネクションは、同一のユーザ網に属している。グループ番号を付与することで、同一対地間に複数のコネクションを設定しているユーザ網と１つのコネクションしか設定していないユーザ網との間の、公平な帯域割り当てが可能となる。

リンクリソース管理部１２は、リンクリソース監視部１１からの情報をもとに受付判定を行う対象となるリンクの残余リソース量と、各グループに割り当てられたリソース量を算出する。リンクリソース管理部１２はコネクション情報格納部１３と接続されており、コネクションごとの割当リソース量はコネクション情報格納部１３に記録される。

コネクション情報格納部１３は、リンクリソース管理部１２で取得されたコネクションごとの割当リソース量に関する情報、グループ番号、重みに関する情報を格納する。図４は、コネクション情報格納部１３の情報格納状況の一例である。

許可リソース計算部１４は、リンクリソース管理部１２とコネクション情報格納部１３と接続されており、リンクの残余リソース量に関する情報と、コネクションに関わる割当リソース量と重みに関する情報を受け取り、許可リソース量ＡＲを計算する。ここで、コネクションの許可リソース量ＡＲとは、あるグループ番号に属するコネクションに対して割り当てられるリソースの閾値を表す。

ここで、コネクション番号ｋの許可リソース量ＡＲの計算方法について具体的に説明する。コネクションの重みをＷｋ、現在のリンクの残余リソース量をＸとすると、許可リソース量ＡＲは、

ＡＲ＝α(Ｘ)・Ｗｋ／Ｗact （１）

で計算される。α(Ｘ)はある関数で、図５および図６のグラフはキュー長の関数α()の一例である。Ｗactはアクティブなコネクションの重みの和である。ここでアクティブなコネクションとは、現在、リンクに収容されているコネクションのことである。

また、残余リソース量Ｘについては、コネクション要求到着時の瞬間的な値を用いてもよいが、過去の一定時間に渡る残余リソース量Ｘの平均値を算出し、算出された平均値を制御に用いてもよい。

関数α()は、リソース量がある閾値（図ではＲmin）以下になると０となる。つまり、残余リソース量Ｘがある閾値を下回った場合、輻輳であると判定され、各コネクションの許可リソース量ＡＲは０となる。例えば、図６の場合では、閾値Ｒminを超える範囲では、許可リソース量は、コネクションの重みに比例して分配される。ここで、Ｒminは０以上の実数で、Ｒminを０と設定してもよい。

受付判定部１５は、許可リソース量ＡＲとコネクションの割当リソース量から、コネクションの設定要求を受け付けるか否かの判断をする。その処理フローを、図７を参照しながら説明する。

ノードからコネクション要求が可変帯域提供装置に到着すると、まず、コネクション識別部１０において、コネクションの識別（グループ番号＝ｉ）が行われる（ステップＳ１０）。

そして、許可リソース計算部１４が、重みＷｋを算出するとともに、受付判定を行うコネクションのグループ番号を取得して、コネクション情報格納部１３から同一グループを付与されているコネクションの帯域を取得し、その合計を算出する。このコネクションの合計をΣＸｉとする（ステップＳ１１）。

続いて、許可リソース計算部１４は、前記（１）式により許可リソース量ＡＲを算出する（ステップＳ１２）。

そして、受付判定部１５が、許可リソース計算部１４において求められた許可リソース量ＡＲとΣＸｉとを比較する（ステップＳ１３）。現在のグループ番号に属しているコネ
クションの割当リソース量の合計ΣＸｉが、許可リソース量ＡＲを超えていれば、コネク
ションの要求を受付拒否する（ステップＳ１４）ことで、常に各コネクションの最低帯域は保障しつつ、リンクリソースが公平になるように制御する。逆に、現在のグループ番号に属しているコネクションの割当リソース量の合計ΣＸｉが、許可リソース量ＡＲ以下で
あれば、要求を受け付け、コネクションにリソースを割り当てる（ステップＳ１５）。そして、ＸｉおよびＷactを更新する（ステップＳ１６）。

また、コネクションの割当リソース量の合計ΣＸｉが許可リソース量ＡＲを超えていた
場合、前記のように確定的にパケット廃棄するのではなく、確率的にパケット廃棄することも可能である。その場合、許可リソース量をＡＲ、同一グループ番号に属しているコネクションの割当リソース量の合計をΣＸｉとして、パケットの廃棄確率Ｐは、

Ｐ＝(ΣＸｉ−ＡＲ)／ΣＸｉ （２）

で与えられる。つまり、割当リソース量が許可リソース量ＡＲを超えた場合、超えた割合だけ落とすというものである。この処理フローを、図８を参照しながら説明する。

ノードからコネクション要求が可変帯域提供装置に到着すると、まず、コネクション識別部１０において、コネクションの識別が行われる（ステップＳ２０）。

そして、許可リソース計算部１４が、重みＷｋを算出するとともに、受付判定を行うコネクションのグループ番号を取得して、コネクション情報格納部１３から同一グループを付与されているコネクションの帯域を取得し、その合計を算出する。このコネクションの合計をΣＸｉとする（ステップＳ２１）。

続いて、許可リソース計算部１４は、前記（１）式により許可リソース量ＡＲを算出する（ステップＳ２２）。

そして、受付判定部１５が、許可リソース計算部１４において求められた許可リソース量ＡＲとΣＸｉとを比較する（ステップＳ２３）。現在のグループ番号に属しているコネ
クションの割当リソース量の合計ΣＸｉが、許可リソース量ＡＲ以下であれば、要求を受
け付け、コネクションにリソースを割り当てる（ステップＳ２７）。そして、ＸｉおよびＷactを更新する（ステップＳ２８）。一方、現在のグループ番号に属しているコネクションの割当リソース量の合計ΣＸｉが、許可リソース量ＡＲを超えていれば、このとき、
図示しない乱数生成手段が、擬似乱数Ｒandを生成する（ステップＳ２４）。そして、受付判定部１５が、前記（２）式のＰとＲandとを比較し（ステップＳ２５）、Ｐ＜Ｒandであれば、コネクションの要求を受付拒否する（ステップＳ２６）。逆に、Ｐ＞Ｒandであれば、要求を受け付け、コネクションにリソースを割り当て（ステップＳ２７）、ＸｉおよびＷactを更新する（ステップＳ２８）。

確率的な廃棄によって帯域制御することで、１つのコネクションに注目した場合、割当リソース量が許可リソース量ＡＲを超えた時でも、連続してコネクションの要求が拒否される確率が、確定的にコネクション要求を拒否する場合よりも減少するため、ネットワークのリソース利用効率の向上と、各ユーザ網の端末におけるBack-offメカニズムなどのコネクション制御機構の親和性が高くなる。

コネクションの割合リソース量の合計ΣＸｉが、許可リソース量ＡＲを上回っており、
かつ受付判定部１５でコネクションの受付が拒否された場合に、コネクションの要求を送信した発側ユーザ網に対して、コネクション拒否の通知を送らずに、リソースを割り当てられなかったリンクを、迂回経路でコネクションの設定を再度、試行することも可能である。迂回ルートの探索は、別ルート探索部１６にて行われる。

また、割当リソース量Ｘｉについては、コネクション要求到着時の瞬間的な値を用いてもよいが、過去一定時間に渡る割当リソース量Ｘｉの平均値を制御に用いてもよい。

別ルート探索部１６は、リンクを含めたユーザ網のリソース使用状況をもとに、別ルートを探索するかどうかを判定するとともに、別ルートの探索を行う。

ここで、リソース使用状況としては、以下のどちらかを含む。
１．受付拒否されたコネクションのルート上に既に割り当てられたリソースの総量
２．受付拒否されたユーザ網のネットワーク全体で既に割り当てられたリソースの総量

別ルート探索時の処理フローについて、図９を参照しながら説明する。

まず、受付判定部１５において、グループ番号ｋのコネクションが受付拒否される。次に、別ルート探索部１６では、例えば、前記のリソース使用状況２の例として、現在グループ番号ｋのコネクションに割り当てられているリソースの総量ＲＴｋおよび全グループに割り当てられたリソース量の合計ΣＲＴｉを算出する（ステップＳ３０）。

続いて、別ルート探索部１６は、現在、リソースが割当てられているグループの重みの合計ΣＷｉを算出する（ステップＳ３１）。

このとき、ＲＴｋ／ΣＲＴｉとＷｋ／ΣＷｉとを比較し（ステップＳ３２）、

ＲＴｋ／ΣＲＴｉ≦Ｗｋ／ΣＷｉ （３）

が成り立っていれば、別ルートを検索する（ステップＳ３３）。成り立っていなければ、ユーザ網に対して、受付拒否を通知する（ステップＳ３４）。

ここで、別ルートを探索すると判定された場合は、リソース割り当てを拒否されたリンクを迂回する経路を計算して、再度リソース割り当ての要求を行う。

本発明の帯域提供装置は、リンクの残余リソース量をもとに網の輻輳状態を推定し、輻輳であると判断されれば許可リソース量は０となり、最低保証帯域以下のリソースしか割当てられていないコネクションのみを受け付ける。残余帯域がある閾値以上のときは、余剰帯域が存在すると判断され、各コネクションは重みに比例したリソースの占有によって、帯域をコネクション間に公平に配分される。

また、本実施形態によれば、ネットワーク全体のリソース割当てに関する情報を持つことなく、各リンクの情報のみで帯域割当ての制御ができるので、大規模にも比較的容易に適用可能である。

本実施形態では、ユーザ網からのコネクション要求に基づいて、新規コネクションの設定を行うとしているが、ユーザ網と直接接続しているノードでユーザ網がキャリア網に送信するトラヒック量を観測して、トラヒック量をもとにノードが新規コネクションの設定の要求を行ってもよい。

本実施形態では、可変帯域提供装置はノードと独立した装置として記載されているが、可変帯域提供装置の機能を各ノードに配備してもよい。

本発明の一実施形態に係る可変帯域提供装置の機能ブロック図である。 本発明の一実施形態に係る可変帯域提供装置を適用して、可変帯域提供サービスを行うネットワークの構成図である。 複数のコネクションによるリソース共有の例を示す図である。 コネクション情報格納部の情報格納状況の一例を示す図である。 許可リソース量の算出に用いる関数α(Ｘ)の例を示す図である。 許可リソース量の算出に用いる関数α(Ｘ)の例を示す図である。 コネクション到着時の処理フロー（確定的な制御）を示す図である。 コネクション到着時の処理フロー（確率的な制御）を示す図である。 別ルート探索時の処理フローを示す図である。

符号の説明

１０ コネクション識別部
１１ リンクリソース監視部
１２ リンクリソース管理部
１３ コネクション情報格納部
１４ 許可リソース計算部
１５ 受付判定部
１６ 別ルート探索部

Claims (6)

1. ノードを含み複数のコネクションを収容する通信網において、各コネクションに可変帯域を提供する可変帯域提供装置であって、
   ノードからコネクション受付判定要求のメッセージが到着すると、コネクションの識別を行うコネクション識別部と、
   コネクション単位で割り当てるリソースの管理を行うリンクリソース監視部と、
   前記リンクリソース監視部からの情報をもとに受付判定を行う対象となるリンクの残余リソース量と、ネットワーク運用者あるいは保守者によって定められた各グループに割り当てられたコネクションごとの割当リソース量を算出するリンクリソース管理部と、
   前記リンクリソース管理部で取得されたコネクションごとの割当リソース量に関する情報、グループ番号、重みに関する情報を格納するコネクション情報格納部と、
   リンクの残余リソース量に関する情報と、前記コネクションごとの割当リソース量と重みに関する情報を前記コネクション情報格納部から受け取り、許可リソース量を計算する許可リソース計算部と、
   前記許可リソース量と前記コネクションごとの割当リソース量から、コネクションの設定要求を受け付けるか否かの判断をする受付判定部とを設けた
   ことを特徴とする可変帯域提供装置。
2. 別ルートを探索するかどうかを判定するとともに、別ルートの探索を行う別ルート探索部を設けた
   ことを特徴とする請求項１に記載の可変帯域提供装置。
3. 前記許可リソース計算部では、許可リソース量は、α(Ｘ)・Ｗｋ／Ｗact（ただし、α(Ｘ)はある任意の関数、Ｘは残余リソース量、Ｗｋはコネクションの重み、Ｗactはアクティブなコネクションの重みの和）で計算され、現在のグループ番号に属しているコネクションの割当リソース量の合計が、許可リソース量を超えていれば、コネクションの要求を受付拒否し、現在のグループ番号に属しているコネクションの割当リソース量の合計が、許可リソース量以下であれば、要求を受け付ける
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の可変帯域提供装置。
4. 前記許可リソース計算部では、許可リソース量は、α(Ｘ)・Ｗｋ／Ｗact（ただし、α(Ｘ)はある任意の関数、Ｘは残余リソース量、Ｗｋはコネクションの重み、Ｗactはアクティブなコネクションの重みの和）で計算され、現在のグループ番号に属しているコネクションの割当リソース量の合計ΣＸｉが、許可リソース量以下であれば、コネクショ
   ンの要求を受け付け、現在のグループ番号に属しているコネクションの割当リソース量の合計ΣＸｉが、許可リソース量を超えていれば、パケットの廃棄率Ｐ＝(ΣＸｉ−ＡＲ)
   ／ΣＸｉを計算し、擬似乱数Ｒandと比較し、Ｐ＜Ｒandであればコネクションの要求を
   受け付け、Ｐ＞Ｒandであればコネクションの要求を受付拒否する
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の可変帯域提供装置。
5. 過去の一定時間に渡る残余リソース量の平均値を算出し、算出された平均値をコネクション要求の受付の可否の制御に用いる
   ことを特徴とする請求項３に記載の可変帯域提供装置。
6. 過去一定時間に渡る割当リソース量Ｘｉの平均値を算出し、算出された平均値をコネクション要求の受付の可否の制御に用いる
   ことを特徴とする請求項４に記載の可変帯域提供装置。
   

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