JP2009206799A - 通信装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】メモリコストが増大するのを抑えつつマルチキャストパケットの優先制御を行う通信装置を得ること。
【解決手段】本発明にかかる通信装置は、受信パケットの複製処理を実行し、受信パケットの配信を希望している端末の数と同数の複製パケットを生成する複製パケット生成手段(宛先検索部(3),QoS制御部(4),パケット複製部(5))と、生成された複製パケットをその宛先端末に対して送信する出力部(7)と、を備え、複製パケット生成手段は、ある受信パケットの複製処理を実行中に高優先度パケットを取得した場合、実行中の複製処理を中断し、高優先度パケットの複製処理を実行する。
【選択図】 図1

Description

本発明は、受信したパケットの宛先を判別し、判別結果に従った経路へ受信パケットを送信する通信装置に関する。
IPマルチキャストを利用したコンテンツ配信システムは、IPユニキャストを利用した配信システムに比べて、配信サーバの負荷低減やネットワーク上に流れるデータ量を削減できるために、大容量コンテンツを多数のユーザに配信する場合に有効である。
IPマルチキャストを利用する場合、マルチキャストパケットの配信を希望するユーザ(端末)は、下記非特許文献1または非特許文献2において規定されたMembership Reportメッセージ(IGMP Joinメッセージ,MLD Joinメッセージ)を用いて、エッジルータに受信要求を行うと、以降マルチキャストパケットの配信を受けられる。
ここで、品質の高い映像配信サービスの提供を受けるためには、その配信されるコンテンツが最大遅延時間,パケット廃棄率,転送レートといったパラメータをネットワークから保証される必要がある。そのため、上位ネットワークから受信したマルチキャストパケットを各端末に向けて転送するルータなどの通信装置では、QoS制御を行い、通信品質を保証している。また、各端末が利用可能帯域及び自身の性能に適した多様なレートで受信できることを保証する階層符号化を用いたマルチキャストでは、各階層に優先度を割り当て、レート制御を行う方式が提案されている。
たとえば、図9に示したような構成の通信システムにおいてマルチキャストを行う場合、配信サーバからマルチキャストデータ(パケット)を受け取った上位ルータでは、マルチキャストパケットを要求するエッジルータに対して、マルチキャストパケットを一度だけ複製して送信する。これに対して、各端末に対してパケットを配信するエッジルータでは、出力ポート毎にセッションに参加するユーザ数分(同じマルチキャストグループに属している端末数分)だけ複製して送信する必要がある。なお、従来は、あるマルチキャストパケットを複製する場合、必要数(セッションに参加するユーザ数)のパケット生成が完了するまで複製処理を継続して実行していた。
ここで、各ルータで優先制御(各マルチキャストパケットの優先度を考慮し、優先度の高いパケットを優先的に転送する制御)を行う場合、上位ルータでは、各優先度クラスに対してメモリリソースを多く割り当てる必要がない(図10−1参照)。一方、エッジルータにおいては、図10−2に示したように、マルチキャストパケットの複製処理を実行中に優先度の高いマルチキャストパケット(高優先度パケット)を受信した場合、複製したパケットは滞留パケットとして一旦保持され、後から受信した高優先度パケットの転送処理(複製処理および送信処理)が終了してから送信されるので、各優先度クラスに対して多くのメモリリソースを割り当てる必要がある。そのため、多くのマルチキャストセッションやユーザに対応させようとすると、エッジルータにおけるメモリコストが増大してしまう、という問題があった。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、マルチキャストパケットの優先制御をメモリコストが増大するのを抑えつつ実現する通信装置を得ることを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、上位ネットワークから受信したマルチキャストパケットである受信パケットを配下の端末へ転送する通信装置であって、受信パケットの複製処理を実行し、当該受信パケットの配信を希望している端末の数と同数の複製パケットを生成する複製パケット生成手段と、前記複製パケット生成手段により生成された複製パケットをその宛先端末に対して送信する出力手段と、を備え、前記複製パケット生成手段は、ある受信パケットの複製処理を実行中に当該受信パケットよりも優先的に転送する必要がある受信パケットである高優先度パケットを取得した場合、実行中の複製処理を中断し、当該高優先度パケットの複製処理を実行することを特徴とする。
この発明によれば、優先度の高いマルチキャストパケットの転送処理を実行している間に優先度の低いマルチキャストパケットを必要以上に保持しておく必要がなくなるので、メモリ使用量を抑えた優先制御を実現できる、という効果を奏する。
以下に、本発明にかかる通信装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
実施の形態1.
図1は、本発明にかかる通信装置の実施の形態1の構成例を示す図である。本実施の形態の通信装置は、入力部1と宛先情報テーブル保持部2と宛先検索部3とQoS制御部4とパケット複製部5と処理待ちバッファ6と出力部7とを備える。なお、宛先検索部3QoS制御部4およびパケット複製部5が複製パケット生成手段を構成する。また、この通信装置は、ユーザ端末を収容し、上位ネットワークから受信したマルチキャストパケットをユーザ端末へ転送するエッジルータとしての機能を有するものとする。
入力部1は、複数の入力ポートを備え、外部ネットワーク(上位ネットワーク)や収容しているユーザ端末から送信されたパケットを受信する。
宛先情報テーブル保持部2は、マルチキャストセッションごとの、送信元アドレスおよび宛先アドレスと、優先度と、参加ユーザに対応する出力ポートの情報と、を載せた宛先情報テーブルを保持する。
宛先検索部3は、上位ネットワークからマルチキャストパケットを受信した場合、そのマルチキャストパケットのセッションおよび出力先(マルチキャストパケットのセッションに参加している各ユーザが割り当てられているポート)を判別する。
QoS制御部4は、上位ネットワークからマルチキャストパケットを受信した場合、新たに受信したマルチキャストパケットの優先度と以前に受信し、現在処理中のパケット(転送しようとしているパケット)の優先度を比較する。
パケット複製部5は、入力部1または処理待ちバッファ6からパケットを取得した場合、そのパケットを必要に応じて複製する。
処理待ちバッファ6は、複製処理が行われる前のマルチキャストパケットまたは複製処理が中断されたマルチキャストパケットを格納しておく。
出力部7は、複数の送信処理部(送信処理部71〜7m)を備え、各送信処理部は、パケット複製部5から受け取ったパケットをその宛先ユーザ端末に対して送信する。
つづいて、本実施の形態の通信装置の動作について説明する。ここでは、IGMPやMLD等のマルチキャストルーティングプロトコルに対応し、また、L2スイッチに接続され、複数のユーザにマルチキャストデータを配信可能な状態において、上位ネットワークから受け取ったマルチキャストパケットを配下のユーザ端末へ転送する場合の動作例について説明する。
ここでまず、ユーザ端末がマルチキャストパケットの配信を受けるために必要な動作である、マルチキャストグループへの参加手順について簡単に説明する。マルチキャストパケットの配信を希望する場合、ユーザ端末は、マルチキャストルーティングプロトコルを利用して、参加したいマルチキャストグループにjoinする。配下の端末がマルチキャストグループにjoinしたことを検出すると、本実施の形態の通信装置は、これらの情報に基づいて宛先情報テーブルを更新する。図2は、宛先情報テーブルの一例を示しており、この宛先情報テーブルは、マルチキャストセッションの送信元アドレス、宛先アドレス、優先度および出力ポートリストを情報要素として含んでいる。出力ポートリストは、各出力ポートに割り当てられているユーザ(端末)の情報(各出力ポートとユーザの対応関係を示す情報)である。なお、マルチキャストグループに変化があった場合(端末の離脱や新規端末の参加があった場合)、通信装置は、宛先情報テーブルを更新する。宛先情報テーブルの更新は、宛先検索部3が行う。
このような、マルチキャストグループにjoinしている端末を収容している状態において、上位ネットワークからマルチキャストパケットを受信した場合、本実施の形態の通信装置では、受信したマルチキャストパケット(以下、受信パケットと記載する)が入力部1からパケット複製部5へ渡される。そして、まず、宛先検索部3が、受信パケットの送信元アドレスおよび宛先アドレスと、宛先情報テーブル保持部2に格納された宛先情報テーブルと、に基づいて、受信パケットの出力先(出力先ポートおよび各出力先ポートのユーザ)を判別する。また、判別結果をパケット複製部5へ通知する。QoS制御部4では、受信パケットの優先度を確認する。
パケット複製部5は、受信パケットの出力先の通知を受けると、受信パケットの複製処理を開始する。複製処理では、通知された出力先が示すユーザの数に達するまで、受信パケットを複製する。複製したパケット(以下、複製パケットと記載する)は、通知された出力先に従って送信処理部へ順次出力される。パケット複製部5から複製パケットを受け取った送信処理部は、受け取った複製パケットをその宛先ユーザ端末へ送信する。
ここで、パケット複製部5が複製処理を実行している最中に新たにマルチキャストパケットを受信した場合、QoS制御部4は、新たに受信したマルチキャストパケット(以下、新受信パケットと記載する)の優先度を確認し、さらに、新受信パケットの優先度とパケット複製部5が複製を行っているパケットの優先度を比較し、比較結果をパケット複製部5へ通知する。なお、この優先度の比較処理と並行して、宛先検索部3は、上述した出力先の判別処理を新受信パケットに対して実行する。
QoS制御部4から比較結果の通知を受けたパケット複製部5は、新受信パケットの優先度の方が高い場合、複製処理の対象としているパケット(複製中のパケット)を処理待ちバッファ6へ一旦退避させ、新受信パケットの複製処理を開始する。このとき、パケット複製部5は、一旦退避させたパケットの優先度、出力先および複製処理の進捗状況を記憶しておく。これに対して、新受信パケットの優先度の方が低い場合には、実行中の複製処理を継続し、新受信パケットを処理待ちバッファ6に退避させる。以上の宛先検索部3、QoS制御部4およびパケット複製部5の処理を、パケット複製部5が複製処理を実行している最中に新たにマルチキャストパケットを受信するごとに実行する。また、あるパケットについての複製処理が完了した場合、パケット複製部5は、処理待ちバッファ6にパケットが格納されているかどうかを確認し、パケットが格納されていれば、そのパケットについての複製処理を開始する。このとき、複製処理を中断して処理待ちバッファ6に格納しておいたパケットの場合、記憶しておいた進捗状況を確認して処理を再開する。また、処理待ちバッファ6に複数のパケットが格納されている場合、優先度が高く、先に入力されたパケットから順番に複製する。
また、複製処理の対象としているパケットと新受信パケットとで優先度が同じ場合、パケット複製部5は、同一優先度クラスのパケットをラウンドロビンで複製していく。すなわち、複製処理の対象としているパケットと新受信パケットをラウンドロビンで複製する。これは、複数のマルチキャストセッションを扱い、かつ特定のセッションに参加しているユーザ数が他のセッションに参加しているユーザよりも多い場合、特定のセッションが帯域を占有してしまう可能性があるからである。また、処理待ちバッファ6に同一優先度のパケットが複数格納されている場合も同様に、同一優先度のパケットをラウンドロビンで複製する。このように、ランドロビンで複製を行うことにより、同一優先度クラスのセッションの公平性を保証することができる。
以上の処理を適用した場合、一般的なマルチキャストパケットの優先制御を行う際のメモリコスト削減が実現可能であるが、階層符号化を用いたマルチキャストでは、その性質を考慮した処理を行うことにより、さらに効果的なメモリコスト削減が実現可能である。
階層符号化を用いたマルチキャスト(以下、階層マルチキャストと呼ぶ)では、配信サーバは一つの送信データを基本階層と複数の拡張階層に分け、階層毎に個別の宛先アドレスを割り当ててマルチキャスト送信を行う。また、階層マルチキャストにおいて優先制御を行う場合、階層毎に優先度が割り当てられる。そのため、本実施の形態の通信装置は、階層マルチキャストを行うシステムでは、図3に示した構成のテーブルを使用したパケット転送を行う。すなわち、図2に示した宛先情報テーブルに対して階層の情報が追加され、さらに、出力ポートリストに対してユーザ毎の複製フラグが追加された構成の宛先情報テーブルを使用する。なお、複製フラグは、そのユーザに送信するパケットを複製する必要があるかどうかを示す情報である。
以下に、本実施の形態の通信装置が階層マルチキャストを適用したシステムにおいてパケット転送を行う場合の詳細動作を説明する。
階層マルチキャストを適用したシステムにおいて、通信装置は、それまで受信したことのないマルチキャストパケット(送信元アドレスおよび宛先アドレスが宛先情報テーブルに登録されていないマルチキャストパケット)を受信した場合、宛先情報テーブルを更新する。具体的には、通信装置内の宛先検索部3(図1参照)が、受信パケットのセッションおよび階層を判別するためにパケットスヌーピングを行う。そして、送信元アドレス、宛先アドレスおよび階層の各情報を関連付けて、宛先情報テーブル(図3参照)に登録する。このとき、宛先アドレスに対応するユーザの複製フラグには‘1’(“複製必要”の意味)を設定する。
ここで、階層マルチキャストでは、たとえば輻輳によってある階層のデータ受信でパケットロスが発生した場合、その階層よりも上位の階層では受信データを復号できない。これは、ある階層にてパケットロスが発生している状況でその上位階層のデータを送信するのは無意味であり、帯域を無駄に消費してしまうことを意味している。そのため、階層マルチキャストにて優先制御を行っている状態では、あるユーザに対するある階層のデータが送信されずに破棄された場合、宛先検索部3は、当該ユーザのその階層よりも上位の階層の複製フラグを'0’(“複製不要”の意味)に設定する。そして、パケット複製部5は、複製フラグが‘0’の場合、対応するユーザ宛のパケットを生成しない(複製しない)こととする。
これにより、通信装置は、ある階層のパケットが送信されなかったユーザに対して、その階層およびそれよりも上の階層に属するデータ(パケット)を複製・送信しないようになるため、帯域の浪費を防ぐことができる。
なお、パケットロスが発生する状態(輻輳)が解消した場合、宛先検索部3は、複製フラグを‘1’に再設定する。
このように、本実施の形態の通信装置では、ユーザ端末に転送するマルチキャストパケットの複製処理を実行中に新たなマルチキャストパケットを受信した場合、その受信パケットと複製処理の対象としているパケットの優先度を比較し、より優先度の高いパケットを先に複製する(優先度の高いパケットを先に転送する)こととした。これにより、優先度の低いパケットを必要数だけ複製した後に優先度の高いパケットを複製して転送することがなくなる、すなわち、優先度の高いパケットの転送処理を実行している間に優先度の低いパケットを必要以上に保持しておく必要がなくなるため、従来の優先制御を実現する場合と比較して、メモリ使用量を削減することができる。
また、階層マルチキャスト(階層符号化を用いたマルチキャスト)により送信されてきたパケットの転送処理では、あるユーザ端末に宛てて送信したある階層のパケットの不達(輻輳によるパケットロス)を検出した場合、そのユーザに対してパケットロスが発生した階層およびそれよりも上位の階層のパケットを送信しない(複製しない)こととした。これにより、従来と比較して、メモリ使用量を大幅に削減することができる。
実施の形態2.
つづいて、実施の形態2の通信装置について説明する。図4は、実施の形態2の通信装置の構成例を示す図である。本実施の形態の通信装置は、実施の形態1の通信装置(図1参照)が備えていた、受信パケットを複製するための構成である複製処理実行部(宛先情報テーブル保持部2、宛先検索部3、QoS制御部4、パケット複製部5および処理待ちバッファ6からなるブロック)を複数備え、また、出力部7を備え、さらに、複製処理実行部の前段に、出力ポートテーブル保持部8、宛先検索部9およびパケット振分部10を備えた構成をとる。また、本実施の形態の通信装置では、出力部7の各送信処理部は複製処理実行部と1対1で対応付けられている。なお、本実施の形態では、実施の形態1の通信装置と同じ構成要素については同一の符号を付して説明を省略する。
出力ポートテーブル保持部8は、図5に例示したような、マルチキャストセッションの送信元アドレス,宛先アドレス,これらに対応するマルチキャストセッションを要求する出力ポート情報を載せた出力ポートテーブルを保持する。
宛先検索部9は、出力ポートテーブルの情報に基づいて、入力部1からパケット振分部10へ入力された受信パケットの出力先(出力ポート)を判別する。
パケット振分部10は、宛先検索部9により決定された出力ポートに対応するパケット複製部へ、入力部1から受け取った受信パケットを出力する。
一般的に、マルチキャストパケットを配下のユーザ端末へ転送する通信装置では、マルチキャストパケットの転送を要求するユーザ端末が増加すると、複製するパケットの数も増加するため、処理負荷が増大する。そのため、本実施の形態の通信装置では、複製処理実行部を複数備える構成とすることで、複製処理の負荷を分散させるようにしている。以下、本実施の形態の通信装置によるパケット転送動作の詳細について説明する。
上位ネットワークからマルチキャストパケットを受信した場合、本実施の形態の通信装置では、受信したマルチキャストパケット(受信パケット)が入力部1からパケット振分部10へ渡される。そして、まず、宛先検索部9が、受信パケットの送信元アドレスおよび宛先アドレスと、出力ポートテーブル保持部8に格納された出力ポートテーブルと、に基づいて、受信パケットの出力先(出力先ポート)を判別する。つぎに、パケット振分部10が、宛先検索部9による判別結果に基づいて、受信パケットを複製処理実行部へ振り分ける。このとき、受信パケットの出力先が複数であれば、受信パケットを複製し、その結果得られた複製パケットを複製処理実行部へ渡す。
パケット振分部10から受信パケットを受け取った場合の複製処理実行部の動作は実施の形態1と同様である。ただし、本実施の形態の通信装置では各複製処理実行部と送信処理部(すなわち出力ポート)が1対1で対応しているため、たとえば、図6に示した構成の宛先情報テーブルを使用する。この宛先情報テーブルは、図2に示した宛先情報テーブルから出力ポートの情報を削除したものである。本実施の形態の宛先検索部3は、受信パケットの出力先を判別し、判別結果をパケット複製部5へ通知する。
つづいて、本実施の形態の通信装置が階層符号化を用いたマルチキャスト(階層マルチキャスト)を適用したシステムにおいてパケット転送を行う場合の動作について説明する。階層マルチキャストを適用する場合、出力ポートテーブルとして、たとえば図7に示した構成のテーブルを使用する。この出力ポートテーブルは、図5に示した出力ポートテーブルに対してセッションおよび階層の情報を追加したものである。また、宛先情報テーブルとして図8に示した構成のテーブルを使用する。この宛先情報テーブルは、マルチキャストのセッション、階層、優先度およびユーザリストを情報要素として含んでいる。ユーザリストは、ユーザ情報とこれに対応する複製フラグにより構成される。
以下に、本実施の形態の通信装置が階層マルチキャストを適用したシステムにおいてパケット転送を行う場合の詳細動作を説明する。
階層マルチキャストを適用したシステムにおいて、通信装置は、それまで受信したことのないマルチキャストパケット(送信元アドレスおよび宛先アドレスが出力ポートテーブルに登録されていないマルチキャストパケット)を受信した場合、出力ポートテーブル(図7参照)を更新する。具体的には、通信装置内のパケット振分部10が、受信パケットのセッションおよび階層を判別するためにパケットスヌーピングを行い、送信元アドレス、宛先アドレス、セッションおよび階層の各情報を関連付けて、出力ポートテーブルに登録する。パケット振分部10は、さらに、セッションおよび階層の情報を受信パケットに付与し、宛先検索部9による判別結果に基づいて、複製処理実行部へ振り分ける。
なお、以前に受信したことがあるマルチキャストパケット(送信元アドレスおよび宛先アドレスが出力ポートテーブルに登録されているマルチキャストパケット)を受信した場合、上述した出力ポートテーブルの更新処理を実行することなく、宛先検索部9による判別結果に基づいた受信パケットの振り分け処理を実行する。
各複製処理実行部においては、それまで受信したことのないマルチキャストパケットを受け取った場合、宛先情報テーブル(図8参照)を更新する。具体的には、宛先検索部3が、セッション、階層および当該セッションに参加するユーザを関連付けて、宛先情報テーブルに登録する。このとき、各ユーザに対応する複製フラグには‘1’(“複製必要”の意味)を設定する。
なお、各複製処理実行部におけるパケット転送処理は、実施の形態1の通信装置が備える宛先情報テーブル保持部2、宛先検索部3、QoS制御部4、パケット複製部5および処理待ちバッファ6による「階層符号化を用いたマルチキャストパケットの転送処理」と同様である。
このように、本実施の形態の通信装置は、実施の形態1の通信装置によるパケット複製と同様の処理を実行する複数のモジュール(複製処理実行部)を備え、さらに、上位ネットワークから受信したマルチキャストパケットを各モジュールに振り分けるためのパケット振分部を備えることとした。これにより、実施の形態1の通信装置と同様の効果が得られるとともに受信パケットの複製処理実行時の処理負荷を分散させることができる。
以上のように、本発明にかかる通信装置は、上位ネットワークから受信したパケットを配下のユーザ端末へ転送する場合に有用であり、特に、マルチキャストパケットの優先制御(優先度を考慮した転送)を少ないメモリ消費量で実現する通信装置に適している。
本発明にかかる通信装置の実施の形態1の構成例を示す図である。 宛先情報テーブルの一例を示す図である。 宛先情報テーブルの一例を示す図である。 本発明にかかる通信装置の実施の形態2の構成例を示す図である。 出力ポートテーブルの一例を示す図である。 実施の形態2で使用する宛先情報テーブルの一例を示す図である。 出力ポートテーブルの一例を示す図である。 実施の形態2で使用する宛先情報テーブルの一例を示す図である。 従来の問題点を説明するための図である。 従来の問題点を説明するための図である。 従来の問題点を説明するための図である。
符号の説明
1 入力部
2 宛先情報テーブル保持部
3、9 宛先検索部
4 QoS制御部
5 パケット複製部
6 処理待ちバッファ
7 出力部
1〜7m 送信処理部
8 出力ポートテーブル保持部
10 パケット振分部

Claims (5)

  1. 上位ネットワークから受信したマルチキャストパケットである受信パケットを配下の端末へ転送する通信装置であって、
    受信パケットの複製処理を実行し、当該受信パケットの配信を希望している端末の数と同数の複製パケットを生成する複製パケット生成手段と、
    前記複製パケット生成手段により生成された複製パケットをその宛先端末に対して送信する出力手段と、
    を備え、
    前記複製パケット生成手段は、ある受信パケットの複製処理を実行中に当該受信パケットよりも優先的に転送する必要がある受信パケットである高優先度パケットを取得した場合、実行中の複製処理を中断し、高優先度パケットの複製処理を実行する
    ことを特徴とする通信装置。
  2. 前記複製パケット生成手段は、前記中断した複製処理にて処理対象としていた受信パケットよりも優先的に処理する必要がある受信パケットの複製処理が終了後、前記中断した複製処理を再開することを特徴とする請求項1に記載の通信装置。
  3. 前記複製パケット生成手段は、ある受信パケットの複製処理を実行中に当該受信パケットと同じ優先度の受信パケットである同一優先度パケットを取得した場合、その後の複製処理では、当該受信パケットのN個(Nは自然数)の複製パケットを生成する処理と当該同一優先度パケットのN個の複製パケットを生成する処理とを、交互に実行することを特徴とする請求項1または2に記載の通信装置。
  4. 前記複製パケット生成手段は、過去に生成した複製パケットがその配信を希望している端末に至る経路上で輻輳により破棄されたことを検出し、かつ当該破棄された複製パケットが階層符号化されたデータを含んだパケットの場合、破棄された複製パケットに含まれていたデータと同じ階層およびそれよりも上位階層のデータを含んだ受信パケットのその後の複製処理では、当該端末宛の複製パケットを当該輻輳の解消を検出するまで生成しないことを特徴とする請求項1、2または3に記載の通信装置。
  5. 請求項1〜4のいずれか一つに記載の複製パケット生成手段、
    を複数備え、
    さらに、
    上位ネットワークから受信パケットを受け取り、当該受信パケットをその送信元アドレスおよび宛先アドレスに基づいて、前記複製パケット生成手段へ振り分ける振分手段と、
    前記複製パケット生成手段により生成された複製パケットをその宛先端末に対して送信する出力手段と、
    を備えることを特徴とする通信装置。
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