JP2007288491A - フレームの分割回路、該分割回路を用いた伝送システム及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】処理遅延を低減するフレーム処理のための分割回路を提供する。
【解決手段】分割回路は、優先度別のキューを有する蓄積手段と、入力フレームのフレームヘッダ以外の部分を分割サイズ情報に基づき分割し、分割部分それぞれにフレームヘッダ及び入力フレーム再構成のための情報を含む分割ヘッダを付与して１つ以上の分割フレームを生成し、優先度判定基準情報に基づき判定した入力フレームの優先度に対応するキューに出力する分割振分手段と、優先度別のキューから、優先制御アルゴリズムに基づきフレーム読出しを行う読み出し手段とを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、１つ以上の優先度が付与されたフレームの伝送技術に関する。

インターネットをはじめとするＩＰネットワークの高速化に伴い、ネットワークにより伝送される情報も多様化し、現在ではメール、ウェブ閲覧、ファイルダウンロード等のベストエフォート型トラフィックだけではなく、伝送帯域、損失率、遅延量及び／又はジッタについて一定の品質（ＱｏＳ：Ｑｕａｌｉｔｙ Ｏｆ Ｓｅｒｖｉｃｅ）を要求するトラフィックが増大している。ＱｏＳが必要なトラフィックの典型的な例としては、音声をＩＰパケット化して送信するＩＰ電話（ＶｏＩＰ：Ｖｏｉｃｅ Ｏｖｅｒ ＩＰ）、動画像及び音声をＩＰパケットにて配信する映像配信又はテレビ電話、ＩＰネットワークを専用線として利用するＶＰＮ（Ｖｉｒｔｕａｌ Ｐｒｉｖａｔｅ Ｎｅｔｗｏｒｋ）等がある。

上述した様に、現在では一定の品質を要求するトラフィックとベストエフォート型トラフィックが混在しており、各通信装置においてはＱｏＳを保証する優先制御技術の実装が一般的になっている。ＰＱ（Ｐｒｉｏｒｉｔｙ Ｑｕｅｕｉｎｇ）は、優先度ごとに設けたキューへ、対応する優先度のフレーム又はパケットを格納し、優先度の高いキューから順次読み出す方式であり、現在の代表的な優先制御アルゴリズムの１つである。ＰＱ方式において、各キューからの読出しは、優先度のより高いキューにフレーム又はパケットが蓄積されていない場合にのみ行われるため、高い優先度のトラフィック量によっては、低い優先度のトラフィックの送信が止まってしまうという問題がある。

上述したＰＱでの問題を解決するため、各優先度のキューに対しても、重み付けした割合に基づき送信権を与えて低優先度のトラフィックにも帯域を確保するＣＢＦＷＱ（Ｃｌａｓｓ−Ｂａｓｅｄ Ｗｅｉｇｈｔｅｄ Ｆａｉｒ Ｑｕｅｕｉｎｇ）アルゴリズム、更にＰＱとＣＢＷＦＱを組み合わせたＬＬＱ（Ｌｏｗ Ｌａｔｅｎｃｙ Ｑｕｅｕｉｎｇ）アルゴリズム等が使用されている。

低優先フレームの読出しを開始した後は、優先制御アルゴリズムを用いている場合であっても、その後に高優先キューに入力された高優先フレームの読出しを行うことはできないため、高優先フレームであっても処理遅延が発生する。この様子を図５に示す。図５は、読出部が、低優先フレーム５の読出しを開始したため、その後すぐに高優先キューに入力された高優先フレーム４の読み出しが、低優先フレーム５の読み出し完了後となり、結果、高優先フレーム４に処理遅延が発生する様子を示している。

この処理遅延は、許容フレーム長が長いほど、また、伝送速度が遅いほど大きくなる。例えば、伝送速度が１Ｍｂｐｓである場合、１５１８Ｂｙｔｅのフレームの読出時間は、約１２ｍｓであるため、処理遅延の最大値も約１２ｍｓである。しかしながら、伝送速度が１００ｋｂｐｓと１／１０になった場合、処理遅延は１０倍の約１２０ｍｓとなる。この処理遅延及び処理遅延により発生する揺らぎ、つまりジッタは、特に、高品質なＶｏＩＰネットワークの実現に大きな障害であり、またこのことは、伝送速度の比較的遅いアクセスシステムにおいて大きな問題となる。したがって、優先制御アルゴリズムを使用している場合であっても処理遅延を低減する処理を行うことが、特に、アクセスシステムにおいて重要である。

上述した処理遅延低減のために、送信パケットを適切な大きさに分割して処理するフラグメンテーションと呼ばれる方法が使用されている（例えば、特許文献１及び非特許文献１参照。）。

特開平１０−５６４７８号公報 Ｗ．Ｒｉｃｈａｒｄ Ｓｔｅｖｅｎｓ著、"詳解ＴＣＰ／ＩＰ Ｖｏｌ．１ プロトコル"、株式会社ピアソン・エデュケーション、ｐｐ．１６６−ｐｐ．１７１

フラグメンテーションでは、１つのパケットのデータ部分を複数に分割し、それぞれの分割データにパケットヘッダ、例えば、ＩＰパケットである場合にはＩＰヘッダを付与し、分割により１つのパケットから生成される複数の分割パケットを、分割したままパケットの宛先まで送信する。分割によりパケットのヘッダ量が増加するので、分割した以後のネットーク全体において、増加するヘッダ部分だけ帯域を浪費する。更に、これら分割により生成したパケットをＬＡＮ上に送信する場合には、分割により生成した各分割パケットそれぞれに、ＬＡＮのヘッダであるフレームヘッダを付与する必要があり更にネットワークの帯域を浪費する。例えば、フレームヘッダがＸバイト、パケットヘッダがＹバイトである場合において、１つのパケットを５つに分割してＬＡＮ上に送信すると、フラグメンテーションを使用しない場合にくらべ、単純計算で４×（Ｘ＋Ｙ）バイト、ヘッダ部分が増加する。

更に、フラグメンテーションにより１つのパケットから生じた、複数の分割パケットの１つでもネットワーク内で損失すると、全分割パケットを再送する必要があり、遅延の増大や伝送帯域の浪費が生じる。また、各分割パケットの到着順序は保証されないため、パケットの宛先装置においてパケット到着順序の管理を行い、順序が逆転した場合には並べ替えを行う必要がある。

したがって、本発明は、処理遅延を低減するフレーム処理のための分割回路、該分割回路を用いた伝送システム及び方法を提供することを目的とする。

本発明における分割回路によれば、
優先度別のキューを有する蓄積手段と、入力フレームのフレームヘッダ以外の部分を分割サイズ情報に基づき分割し、分割部分それぞれにフレームヘッダ及び入力フレーム再構成のための情報を含む分割ヘッダを付与して１つ以上の分割フレームを生成し、優先度判定基準情報に基づき判定した入力フレームの優先度に対応するキューに出力する分割振分手段と、優先度別のキューから、優先制御アルゴリズムに基づきフレーム読出しを行う読出手段とを有することを特徴とする。

本発明の分割回路における他の実施形態によれば、
分割振分手段は、所定の優先度より低い優先度の入力フレームのみを分割して、分割フレームを入力フレームの優先度に対応するキューに出力することも好ましい。

また、本発明の通信装置における他の実施形態によれば、
分割振分手段は、優先度に係らず、全入力フレームを同一分割サイズに分割して、分割フレームを入力フレームの優先度に対応するキューに出力することも好ましい。

更に、本発明の通信装置における他の実施形態によれば、
優先度判定基準情報として、フレーム長、ＶＬＡＮタグのＴＣＩフィールド、フレームに含まれるＩＰｖ４ヘッダのサービスタイプフィールド、フレームに含まれるＩＰｖ６ヘッダのトラフィッククラスフィールドの少なくとも１つを使用することも好ましい。

本発明における伝送システムによれば、
請求項１から４のいずれか１項に記載の分割回路と、該分割回路と通信網経由で接続する結合回路とを備えた伝送システムであって、結合回路は、優先度別のキューを有する蓄積手段と、通信網経由で受信するフレームの優先度を優先度判定基準情報に基づき判定し、対応する優先度のキューに出力する振分手段と、優先度別のキューから、優先制御アルゴリズムに基づきフレーム読出しを行い、分割ヘッダが付与された分割フレームについては、分割ヘッダに基づき入力フレームの再構成を行い出力する結合読出手段とを有することを特徴とする。

本発明の伝送システムにおける他の実施形態によれば、
通信網は、アクセス網であることも好ましい。

本発明における伝送方法によれば、
フレームの伝送方法であって、分割回路において、入力フレームのフレームヘッダ以外の部分を分割サイズ情報に基づき分割し、分割部分それぞれにフレームヘッダ及び入力フレーム再構成のための情報を含む分割ヘッダを付与して１つ以上の分割フレームを生成し、優先度判定基準情報に基づき判定した入力フレームの優先度に対応するキューに出力する第１のステップと、分割回路において、優先度別のキューから、優先制御アルゴリズムに基づきフレーム読出しを行い、通信網に出力する第２のステップと、結合回路において、通信網経由で受信するフレームの優先度を優先度判定基準情報に基づき判定し、対応する優先度のキューに出力する第３のステップと、結合回路において、優先度別のキューから、優先制御アルゴリズムに基づきフレーム読出しを行い、分割ヘッダが付与された分割フレームについては、分割ヘッダに基づき入力フレームの再構成を行い出力する第４のステップとを有することを特徴とする。

入力フレームを分割して優先制御することで処理遅延の影響を低減することができる。分割対象を、入力フレームの優先度に係り無く一律に行うことで処理を簡略化でき、また、所定の優先度より低い優先度の入力フレームのみを分割することで、所定の優先度以上の処理遅延を更に低減することができる。

本発明を、伝送速度の比較的遅いアクセス網に適用することで、処理遅延を低減すると共に、分割によるヘッダ部分の増加を全ネットワークに影響させることなく、アクセス部分のみに留めることができる。更に、パケットヘッダを、分割したフレーム毎に付与する必要はないため、アクセス区間でのヘッダ部分の増加も、従来技術より抑えることができる。

本発明を実施するための最良の実施形態について、以下では図面を用いて詳細に説明する。

図１は、本発明による伝送システム構成図である。図１によると、伝送システムは分割回路１と結合回路３とを含み、分割回路１及び結合回路３は共に通信網２に接続している。

分割回路１は、分割振分部１０と、蓄積部１１と、読出部１２とを備えている。分割振分部１０は、優先度判定基準情報と、各優先度についての分割サイズ情報を有し、１つ以上の伝送路から入力される入力フレームの優先度を、優先度判定基準情報に従い判定し、優先度に対応する分割サイズに従い入力フレームを１つ以上の分割フレームに分割する。より詳細には、入力フレームのフレームヘッダ以外の部分、つまり、データ部分とパケットヘッダ部分を、分割サイズ情報に従い分割し、分割部分それぞれにフレームヘッダ及び分割ヘッダを付与して分割フレームを生成する。分割振分部１０は、生成した分割フレームを、蓄積部１１に設けられた入力フレームの優先度に対応する優先度のキューに出力する。なお、図１においては、簡単のため優先度を２つ、即ち、高優先と低優先のみとしているが３つ以上であっても良い。

分割ヘッダは、分割フレームから入力フレームを再構成するために必要な情報であり、具体的には、識別番号と、分割総数と、位置の各フィールドを含んでいる。識別番号フィールドは、１つの入力フレームの分割により生成された複数の分割フレームを特定するためのものであり、１つの入力フレームの分割により生成された複数の分割フレームには同じ値が格納される。なお、識別番号フィールドに格納する値は、その目的上、後述する結合回路での分割フレームの結合処理が完了するまでの期間、他の入力フレームとは重複しない様に選択される。分割総数フィールドは、１つの入力フレームの分割により生成された分割フレーム数を特定するためのものであり、分割により生成された分割フレームの総数が格納される。位置フィールドは、当該分割フレームの位置を特定するものであり、先頭の分割フレームから数えた当該分割フレームの順番を格納する。

優先度判定基準情報としては、入力フレームのフレーム長、フレームヘッダのタイプフィールド、フレームがＶＬＡＮタグを使用している場合、ＶＬＡＮタグのＴＣＩ（Ｔａｇ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ）フィールド内にあるＶＩＤフィールド又はサービスクラス（Ｃｌａｓｓ Ｏｆ Ｓｅｒｖｉｃｅ）フィールドを用いることができる。更に、優先度判定基準情報として、フレームの収容パケットがＩＰｖ４パケットである場合、ＩＰｖ４パケットヘッダのサービスタイプフィールド、サービスタイプフィールド内のＴＯＳ（Ｔｙｐｅ Ｏｆ Ｓｅｒｖｉｃｅ）フィールド、フレームの収容パケットがＩＰｖ６パケットである場合、ＩＰｖ６パケットヘッダのトラフィッククラスフィールドを用いることができる。

図２は、分割振分部１０が行うフレーム分割を説明する図である。図２（ａ）は、入力フレームであり、図２（ｃ）は、分割振分部１０による分割処理後の各分割フレームを示す図である。なお、図２（ｂ）には、参考のため、従来技術であるフラグメンテーションによる分割フレームを示している。従来技術では、ＩＰヘッダといったパケットヘッダを分割したデータごとに付与する必要がある。本願においては、分割ヘッダを各分割フレームに付与するが、パケットヘッダが複数とならない点で従来技術と相違する。例えば、最大２５６分割で、識別番号を２バイトとした場合、分割ヘッダは４バイトとなるが、ＩＰｖ４ヘッダは最低でも２０バイト必要であるため、従来の分割に比べ、ヘッダ量が削減できることが分かる。

なお、各優先度のうち、所定の優先度より低い優先度のフレームのみ分割し、優先度の高いフレームを分割しないことで、高優先フレームについての処理遅延を更に少なくすることができる。これは、分割しない優先度の分割サイズ情報に“分割なし”を意味する値を設定することで実現できる。一方、全優先度にわたり同一の分割サイズに分割することで処理を簡略化できる。この場合、優先度別の分割サイズ情報は必要ではなく、単一の分割サイズ情報で良い。

図１に戻り、読出部１２は、所定の優先制御アルゴリズムに基づき蓄積部１１の各優先度別のキューからフレームを読出して通信網２に出力し、通信網２は、分割回路１が出力するフレームを結合回路３に入力する。図１によると、結合回路３は、振分部３０と、蓄積部３１と、結合読出部３２とを備えている。

振分部３０は、分割振分部１０と同じ優先度判定基準情報を有し、各分割フレームの優先度を、優先度判定基準情報及び分割ヘッダに従い判定し、蓄積部３１の対応する優先度のキューに出力する。

結合読出部３２は、所定の優先制御アルゴリズムに基づき蓄積部３１の各優先度別のキューからフレームを読み出す。このとき、分割フレームについては、分割ヘッダに基づき分割回路１に入力されたのと同じ、１つのフレームを再構成する。つまり、分割ヘッダの識別番号フィールド及び分割総数フィールドに基づき１つのフレームを構成する各分割フレームを、位置フィールドに基づきその順番を認識し、認識した各分割フレームのフレームヘッダ及び分割ヘッダを除去した上で、残りの部分を認識した順番にて結合し、結合したデータにフレームヘッダを付与する。結合読出部３２は、再構成したフレームを、その宛先に基づき１つ以上の伝送路に出力する。

図３は、本発明による伝送方法を説明する図であり、図３（ａ）は分割回路１での、図３（ｂ）は結合回路３での方法に対応している。なお、図３に示す方法は、高低２つの優先度を設け、低優先フレームのみ分割している。分割回路１に入力された低優先フレーム５は、分割振分回路１０において分割サイズ情報に基づき複数の分割フレーム５１〜５５に分割され、それぞれ、蓄積部１１の低優先キューに入力される。また、低優先フレーム５の少し後に分割回路１に入力された高優先フレーム４は、そのまま蓄積部１１の高優先キューに入力される。読出部１２は、まず、低優先の分割フレーム５１の読出しを開始する。分割フレーム５１の読出し開始後、高優先フレーム４が高優先キューに入力されたため、読出部１２は、分割フレーム５１の読出し完了後、分割フレーム５２ではなく、高優先フレーム４の読出しを開始する。そして、読出部１２は、高優先フレーム４の読出し終了後、分割フレーム５２〜５５を読み出す。

図５に示す従来技術と比較して、処理遅延は、最大で分割サイズの読出し時間程度に低減できることが分かる。

通信網２経由で結合回路３に入力された高優先フレーム４及び低優先の分割フレーム５１〜５５は、振分部３０にて優先度判定基準情報に基づき優先度が判定され、高優先フレーム４は、蓄積部３１の高優先キューに、分割フレーム５１〜５５は低優先キューに入力される。なお、優先度判定基準情報としてパケットヘッダ情報を使用している場合、振分部３０は、分割ヘッダから１つのフレームを構成する分割フレームを認識して、これら分割フレームからパケットヘッダ情報を認識して優先度の判定を行う。

図３（ｂ）においては、分割フレーム５１が最初にキューに入力されたため、結合読出部３２は、分割フレーム５１を低優先キューから読出し、分割ヘッダに基づき元の低優先フレーム５を構成する分割フレーム総数と、その識別番号を認識する。この段階では元の低優先フレーム５を構成する全分割フレームが揃っていないため、続いてキューに入力された高優先フレーム４を読出す。高優先フレーム４は、分割されていないため、分割ヘッダもなく、したがって、結合読出部３２は、そのまま高優先フレーム４を出力する。

その後、結合読出部３２は、キューに入力される分割フレーム５２〜５５を読出し、それぞれ、フレームヘッダ及び分割ヘッダを除去した上で結合し、再度フレームヘッダを付与して低優先フレーム５を再構成して出力する。

図４は、許容遅延量５ｍｓ、１０ｍｓ及び２０ｍｓそれぞれについて、通信網２の伝送速度に対する使用可能分割サイズの最大値を示す図である。図４より、伝送速度が低いほど、許容遅延量が小さいほど分割サイズを小さくしなければならないことが分かる。

以上、入力されたフレームを分割して優先制御することで処理遅延の影響を低減する。本発明を、伝送速度の比較的遅い通信網２、例えば、ＦＷＡ（Ｆｉｘｅｄ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ａｃｃｅｓｓ）等のアクセス網に適用することで、処理遅延を低減すると共に、分割によるヘッダ部分の増加を全ネットワークに影響させることなく、アクセス部分のみに留めることができる。更に、パケットヘッダを、分割したフレーム毎に付与する必要はないため、アクセスシステム区間でのヘッダ部分の増加も、従来技術より抑えることができる。

本発明による伝送システム構成図である。 分割振分部が行うフレーム分割を説明する図である 本発明による伝送方法を説明する図である。 通信網の伝送速度に対する使用可能な分割サイズの最大値を示す図である。 高優先フレームの処理遅延を説明する図である。

符号の説明

１ 分割回路
１０ 分割振分部
１１ 蓄積部
１２ 読出部
２ 通信網
３ 結合回路
３０ 振分部
３１ 蓄積部
３２ 結合読出部３２
４ 高優先フレーム
５ 低優先フレーム
５１〜５５ 低優先分割フレーム

Claims (7)

1. 優先度別のキューを有する蓄積手段と、
   入力フレームのフレームヘッダ以外の部分を分割サイズ情報に基づき分割し、分割部分それぞれにフレームヘッダ及び入力フレーム再構成のための情報を含む分割ヘッダを付与して１つ以上の分割フレームを生成し、優先度判定基準情報に基づき判定した入力フレームの優先度に対応するキューに出力する分割振分手段と、
   優先度別のキューから、優先制御アルゴリズムに基づきフレーム読出しを行う読出手段と、
   を有することを特徴とする分割回路。
2. 分割振分手段は、所定の優先度より低い優先度の入力フレームのみを分割して、分割フレームを入力フレームの優先度に対応するキューに出力すること、
   を特徴とする請求項１に記載の分割回路。
3. 分割振分手段は、優先度に係らず、全入力フレームを同一分割サイズに分割して、分割フレームを入力フレームの優先度に対応するキューに出力すること、
   を特徴とする請求項１に記載の分割回路。
4. 優先度判定基準情報として、フレーム長、ＶＬＡＮタグのＴＣＩフィールド、フレームに含まれるＩＰｖ４ヘッダのサービスタイプフィールド、フレームに含まれるＩＰｖ６ヘッダのトラフィッククラスフィールドの少なくとも１つを使用すること、
   を特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の分割回路。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の分割回路と、
   該分割回路と通信網経由で接続する結合回路とを備えた伝送システムであって、
   結合回路は、
   優先度別のキューを有する蓄積手段と、
   通信網経由で受信するフレームの優先度を優先度判定基準情報に基づき判定し、対応する優先度のキューに出力する振分手段と、
   優先度別のキューから、優先制御アルゴリズムに基づきフレーム読出しを行い、分割ヘッダが付与された分割フレームについては、分割ヘッダに基づき入力フレームの再構成を行い出力する結合読出手段と、
   を有することを特徴とする伝送システム。
6. 通信網は、アクセス網であることを特徴とする請求項５に記載の伝送システム。
7. フレームの伝送方法であって、
   分割回路において、入力フレームのフレームヘッダ以外の部分を分割サイズ情報に基づき分割し、分割部分それぞれにフレームヘッダ及び入力フレーム再構成のための情報を含む分割ヘッダを付与して１つ以上の分割フレームを生成し、優先度判定基準情報に基づき判定した入力フレームの優先度に対応するキューに出力する第１のステップと、
   分割回路において、優先度別のキューから、優先制御アルゴリズムに基づきフレーム読出しを行い、通信網に出力する第２のステップと、
   結合回路において、通信網経由で受信するフレームの優先度を優先度判定基準情報に基づき判定し、対応する優先度のキューに出力する第３のステップと、
   結合回路において、優先度別のキューから、優先制御アルゴリズムに基づきフレーム読出しを行い、分割ヘッダが付与された分割フレームについては、分割ヘッダに基づき入力フレームの再構成を行い出力する第４のステップと、
   を有することを特徴とする伝送方法。

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