JP2010004107A

JP2010004107A - パケット中継装置およびパケット中継方法

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Publication number: JP2010004107A
Application number: JP2008158936A
Authority: JP
Inventors: Hiroki Aoki; 裕樹青木
Original assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Current assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Priority date: 2008-06-18
Filing date: 2008-06-18
Publication date: 2010-01-07
Anticipated expiration: 2028-06-18
Also published as: JP5083059B2

Abstract

【課題】ＩＰネットワークの輻輳状況に応じて、リアルタイム通信の送信レートを制御することができるパケット中継装置を提供する。
【解決手段】ネットワーク上でパケットを中継するパケット中継装置１００は、ＲＴＰパケットを計測し、第１の品質情報を抽出する計測部５０と、ＲＴＣＰパケットから、第２の品質情報を抽出する監視部６０と、監視部６０の制御指令により、制御レートを制御するレート制御部４０と、を備え、監視部６０が、第１の品質情報と第２の品質情報とから輻輳状態を検出したとき、レート制御部４０は、ＲＴＣＰパケットに該当するＲＴＰパケットの制御レートを低くする。
【選択図】図２

Description

本発明は、ＩＰ（Internet Protocol）ネットワークの輻輳状況に応じて、リアルタイム通信の送信レートを制御することができるパケット中継装置およびパケット中継方法に関するものである。

ＩＰネットワークにおいて、音声・映像などのリアルタイムメディアの転送にＲＴＰ／
ＲＴＣＰ（Real-time Transport Protocol/RTP Control Protocol）（ＲＦＣ３５５０）が使用されている。ＵＤＰ（User Datagram Protocol）でリアルタイムなマルチメディア通信を実現するためは、パケットの順番を表すシーケンス番号を付けたり、パケットの送信時刻を管理したりする必要があり、それを行うのがＲＴＰである。ＲＴＣＰは、ＲＴＰによる通信を補助し、受信側端末で計測したパケット損失率、ジッタ、遅延時間など通信回線の品質情報を送信側端末へ報告（レポート）し、送信側端末側は、この報告を参照して送信レートを制御することができる。

特許文献１には、ネットワークの輻輳状況に応じて、送信レートを制御する方法が開示されている。これによると、ネットワークの輻輳状況に応じて、受信側端末の映像品質監視部からの情報を、送信側端末のフレームレート制御部で受信し、送信レートを変更することで、映像品質の向上を行っている。
特開２００５−３２２９９５号公報

特許文献１においては、受信側端末、送信側端末ですべて制御を行っているため、ネットワークの輻輳が局所的である場合、輻輳から回復したときに、送信レートの回復が遅れてしまうという問題がある。

なお、輻輳とは、ネットワークのトラフィックが増加して、有効な通信がまったくできなくなってしまう状況であり、一般に、ネットワークではパケットなどを送るとき、相手に届いたかどうかなどの検査を行ない、もし届いていなければもう一度送り直すなどの再送処理を行なう。しかしネットワークの負荷が重くて確認パケットが返ってくるのが遅くなってくると、誤って再送パケットを早く送ってしまい、結果的にネットワークの負荷がさらに高くなってしまう。このようにしてネットワークの負荷が一気に上昇して、再送パケットや確認パケット（およびその他の制御パケットなど）ばかりで有効な通信がほとんどできなくなる状態をいう。

本発明は、前記の課題を解決するためになされたものであって、ＩＰネットワークの輻輳状況に応じて、リアルタイム通信の送信レートを制御することができるパケット中継装置およびパケット中継方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成するため、ネットワーク上でパケットを中継するパケット中継装置（例えば、パケット中継装置１００）は、ＲＴＰパケットを計測し、第１の品質情報を抽出する計測部（例えば、計測部５０）と、ＲＴＣＰパケットから、第２の品質情報を抽出する監視部（例えば、監視部６０）と、監視部の制御指令により、制御レートを制御するレート制御部（例えば、レート制御部４０）と、を備え、監視部が、第１の品質情報と第２の品質情報とから輻輳状態を検出したとき、レート制御部は、ＲＴＣＰパケットに該当するＲＴＰパケットの制御レートを低くすることを特徴とする。

本発明によれば、ＩＰネットワークの輻輳状況に応じて、リアルタイム通信の送信レートを制御することができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明の実施形態に係るＩＰネットワーク構成を示す説明図である。ＩＰ網（ＩＰネットワーク）ＮＷ２に端末ＴＥ２が接続されており、ＩＰ網ＮＷ１に端末ＴＥ１が接続されており、ＩＰ網ＮＷ１とＩＰ網ＮＷ２とは、パケット中継装置１００によって接続されている。端末には、ＩＰ電話や、主に音声や動画などのマルチメディアファイルを転送・再生するストリーミング受信端末などがある。

図２は、パケット中継装置の機能構成を示すブロック図である。適宜図１を参照して説明する。パケット中継装置１００は、パケット受信部１０、パケット送信部２０、パケット判定部３０、レート制御部４０、パケットの品質情報を計測する計測部５０、輻輳状態を監視する監視部６０、条件設定部７０を有している。パケット受信部１０およびパケット送信部２０は、ネットワークのインターフェース部の機能を有している。具体的には、端末ＴＥ２から端末ＴＥ１に送信する場合について説明すると、端末ＴＥ２から送信されたＲＴＰパケットは、パケット受信部１０で受信し、パケット判定部３０およびレート制御部４０を介して、パケット送信部２０から端末ＴＥ１に送信される。また、ＲＴＰパケットを受信した端末ＴＥ１は、ＲＴＣＰパケットを、端末ＴＥ２に送信する。送信されたＲＴＣＰパケットは、パケット受信部１０を介して受信し、パケット判定部３０およびレート制御部４０を介して、パケット送信部２０から端末ＴＥ２に送信される。なお、パケット受信部１０、パケット送信部２０、パケット判定部３０、レート制御部４０、計測部５０、監視部６０、条件設定部７０は、プログラムに従って動作するＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）によって実現される。

パケット判定部３０は、パケット受信部１０で受信したパケットが、パケットの種別（ＲＴＰパケットまたはＲＴＣＰパケット）と、パケットの送信方向とを判定する。判定結果により、ＲＴＰパケットの場合、ＲＴＰパケットを計測部５０に送信する。ＲＴＣＰパケットの場合、ＲＴＣＰパケットを監視部６０に送信する。

計測部５０は、受信したＲＴＰパケットから品質情報（例えば、パケット損失率、ジッタ）を抽出する。監視部６０は、受信したＲＴＣＰパケットに含まれている端末ＴＥ１が計測した品質情報と、計測部５０にて計測した品質情報の比較を行い、その比較結果によりレート制御の設定を行う。レート制御部４０は、監視部６０から設定されたレート制御値で、受信パケットのレート制御を行う。条件設定部７０は、パケット判定部３０、計測部５０、監視部６０で参照するパケット識別条件（図４参照）、品質情報の判定をするためのパラメータ等を格納する役割を行う。

図３は、パケット中継装置でパケットを受信してから送信までの処理を示すフローチャートである。適宜図１および図２を参照して説明する。パケット受信部１０がパケットを受信すると、パケット判定部３０は、受信したパケットがＲＴＰパケットであるかＲＴＣＰパケットであるかを判定する（ステップＳ１）。判定方法は、予め設定されたＩＰアドレス、ポート番号などのパケット識別条件テーブル８０（図４参照）を基に、条件に一致するか否かで判定する。詳細については、図４を参照して説明する。

図４は、パケット識別条件テーブルの一例を示す説明図である。パケット識別条件テーブル８０は、条件設定部７０に予め記憶されている。パケット識別条件テーブル８０には、種別、送信元ＩＰアドレス、宛先ＩＰアドレス、プロトコル種別、送信元ポート番号、宛先ポート番号を有する。例えば、送信元ポート番号および宛先ポート番号は、一般的には、ＲＴＰパケットであれば５００４、ＲＴＣＰパケットであれば５００５が使用される。具体的には、レコード８１の場合、送信元ＩＰアドレス、宛先ＩＰアドレス、送信元ポート番号、宛先ポート番号から、端末ＴＥ２から端末ＴＥ１へのＲＴＰパケットと判定できる。また、レコード８４の場合、端末ＴＥ１から端末ＴＥ２へのＲＴＣＰパケットと判定される。同様に、レコード８３の場合、端末ＴＥ１から端末ＴＥ２へのＲＴＰパケットと判定され、レコード８２の場合、端末ＴＥ２からＴＥ１へのＲＴＣＰパケットと判定される。

ステップＳ１において、ＲＴＰパケットの場合（ステップＳ１，ＲＴＰ）、計測部５０は、ＲＦＣ３５５０あるいはＲＦＣ３６１１で規定される品質情報を計測する。ここでの品質情報の計測とは、ＲＴＰパケット情報から、所定の品質情報Ｑ１を抽出することも含む。ここで得られた品質情報Ｑ１は、送信側端末からパケット中継装置１００までの品質情報を表している。

具体的には、品質情報Ｑ１がパケット損失率のとき、ＲＴＰパケットのヘッダ部のシーケンス番号を利用して算出する。例えば、シーケンス番号が所定期間の連続する整数値を有するパケットのうち、シーケンス番号が抜けていた場合、その所定期間の全体のシーケンス番号の員数に対する、抜けているシーケンス番号の員数の割合を、パケット損失率（％）とする。

また、品質情報Ｑ１がジッタのとき、２つの連続するＲＴＰパケットの送信間隔と受信間隔の時間差の平均偏差で表される。パケット送信時刻はＲＴＰパケット内のＲＴＰタイムスタンプフィールドに格納されており、２つのＲＴＰパケットのＲＴＰタイムスタンプをＳＴ１，ＳＴ２とし、受信した時刻をそれぞれＲＴ１，ＲＴ２とすると、時間差ＤＴは、
ＤＴ＝（ＲＴ２−ＲＴ１）−（ＳＴ２−ＳＴ１） …（Ａ１）
となり、ジッタＪは
Ｊ＝Ｊ＋（｜ＤＴ｜−Ｊ）／１６ …（Ａ２）
で表される。

その後、ＲＴＰパケットは、後記するステップＳ６またはステップＳ９で設定または変更されたレート制御の設定条件に従って、レート制御された後に送信される（ステップＳ３）。

ステップＳ１において、ＲＴＣＰパケットの場合（ステップＳ１，ＲＴＣＰ）、ＲＴＣＰパケットから品質情報Ｑ２を抽出する（ステップＳ４）。ここで得られた品質情報Ｑ２は、送信側端末から受信側端末までの品質を表している。品質情報Ｑ２の抽出の具体例としては、パケット損失率の場合、ＳＲ／ＲＲ（送信レポート／受信レポート）パケットのreport block内にあるfraction lost フィールドを抽出する。また、ジッタの場合、report block内にあるinterarrival jitterフィールドを抽出する。

なお、送信側の端末内の音声やビデオのデータを送信したアプリケーションは、送信レポートを作成し、送信レポートには、送出した累積パケット数、累積バイト数の情報が含まれる。受信側端末はこれを元にして、データ受信率を計算することができる。受信側端末は、ビデオや音声データを受け取ると、定期的に送信側端末に受信側端末の受信レポートを発行する。ここには、受信した最大シーケンス番号、欠落パケット数、ジッタ、往復遅延の計算に必要なタイムスタンプ情報が含まれる。

監視部６０は、ステップＳ２で得られた品質情報Ｑ１と、ステップＳ４で得られた品質情報をＱ２とを比較する（ステップＳ５）。品質情報Ｑ１と比較し、品質情報Ｑ２が著しく劣化している場合、パケット中継装置１００と受信側端末間で局所的な輻輳が発生していると考えられる。このため、著しく劣化しているという判定には、条件設定部７０に予め閾値を定義しておくとよい。例えば、品質情報Ｑ１のパケット損失率が１０％、品質情報Ｑ２のパケット損失率が２０％であるとき、パケット損失率の閾値が５％であるとき、劣化量が大きいと判定される。

また、判定条件としては、下記の式を満たすときに劣化量大と判定してもよい。
パケット損失率の場合、品質情報Ｑ１のパケット損失率をＱＬ１、品質情報Ｑ２のパケット損失率をＱＬ２とすると、（Ａ３）式で示される。
ＱＬ２＞（ａ１＊ＱＬ１） …（Ａ３）
ジッタの場合、品質情報Ｑ１のジッタをＱＪ１、品質情報Ｑ２のジッタをＱＪ２とすると、（Ａ４）式で示される。
ＱＪ２＞（ａ２＊ＱＪ１） …（Ａ４）
なお、ａ１、ａ２は、劣化量を判定する場合のパラメータであり、＊は積算を意味する。

ステップＳ５において、劣化量が大きい場合（ステップＳ５，劣化量大）、監視部６０は、レート制御の設定を行う（ステップＳ６）。レート制御対象となるパケットは、当該ＲＴＣＰパケットに関連したＲＴＰパケットである。例えば、パケット中継装置１００での受信レートが１Ｍｂｐｓで、受信側端末で計測した損失率が５０％であれば、設定するレートは１Ｍｂｐｓの５０％である５００Ｋｂｐｓにすることで、損失を０％に抑えられると考えられ、設定するレートは１０％の余裕を持たせ、６００Ｋｂｐｓに設定する。余裕度１０％という値は、監視部６０のパラメータとして有するとよい。

また、制御設定方法として、現在の設定レート値をＲとすると、下記の式によりレートを設定してもよい。
パケット損失率の場合、
Ｒ＊（ＱＬ１／ＱＬ２）＊ｂ１ …（Ｂ１）
同様に、ジッタの場合、
Ｒ＊（ＱＪ１／ＱＪ２）＊ｂ２ …（Ｂ２）
なお、ｂ１、ｂ２は、レート制御のためのパラメータである。

そして、受信した当該ＲＴＣＰパケットの品質情報Ｑ２を、品質情報Ｑ１に書き換える処理を行う（ステップＳ７）。パケット中継装置１００が送信側端末に転送するＲＴＣＰパケットの品質情報Ｑ２を書き換えることで、ＲＴＣＰパケットを受信した送信側端末が輻輳を検出することを抑止できるため、送信側端末は送信レートを下げることがない。

ステップＳ５において、劣化量が小さい場合（ステップＳ５、劣化量小）、監視部６０は、レート制御が既に実施中であるか否かを判定する（ステップＳ８）。レート制御が実施中でない場合（ステップＳ５，Ｎｏ）、処理を終了する。レート制御が実施中であれば（ステップＳ５，Ｙｅｓ）、レート制御設定の変更を行う（ステップＳ９）。このときの制御は、輻輳が発生後のレート制御解除の動作制御となる。例えば、輻輳が発生し、ステップＳ６において、パケット中継装置１００での制御レートを６００ｋｂｐｓに一度設定されたのち、その後、受信側端末からの品質情報Ｑ２のパケット損失率がほぼ０％であった場合、段階的に、パケット中継装置の制御レートを、７００ｋｂｐｓ、８００ｋｂｐｓ、９００ｋｂｐｓに変更し、最終的には、帯域制御しない制御レートに戻す設定をするとよい。そして、ステップＳ９後には、パケットの書き換え（ステップＳ７）を実施し、一連の処理を終了する。

また、制御設定方法として、現在の設定レート値をＲとすると、下記の式によりレートを設定してもよい。
Ｒ＊ｃ …（Ｂ３）
なお、ｃは、レート制御のパラメータである。

なお、ステップＳ５において、劣化量が大きい場合は、パケット中継装置１００と受信側端末間で、輻輳状態が発生していると見なされ、また、ステップＳ５において、劣化量が小さい場合は、輻輳状態が発生していない場合、あるいは、輻輳状態から回復した状態と見なすことができる。

本実施形態によれば、品質情報を、パケット損失率、ジッタで説明したが、ＲＴＣＰパケットのタイムスタンプ情報から算出した往復遅延時間であってもよい。往復遅延時間の算出方法を、図５を参照して説明する。

図５は、往復遅延時間の算出方法を示す説明図である。端末ＴＥ２が時刻Ｔ１０１にＲＴＣＰパケットＰ１を送信し、パケット中継装置１００が時刻Ｔ３０１に、端末ＴＥ１が時刻Ｔ２０１に受信する。端末ＴＥ１は時刻Ｔ２０２にＲＴＣＰパケットＰ２を送信する。ＲＴＣＰパケットＰ２には、ＲＴＣＰパケットＰ１を受信してからＲＴＣＰパケットＰ２を送信するまでの時間Ｄ２０１が含まれている。ＲＴＣＰパケットＰ２を時刻Ｔ３０２に中継装置が受信し、時刻Ｔ１０２に端末ＴＥ２が受信する。このときパケット中継装置１００から端末ＴＥ１の間の往復遅延時間は次式で表される。
Ｔ３０２−Ｔ３０１−Ｄ２０１ …（Ｃ１）

往復遅延時間は、パケット中継装置１００で計測する毎に平均値を算出し、品質情報Ｑ１としてその平均値をＱＤａｖｇとしたとき、その後、計測した往復遅延時間を品質情報Ｑ２としてＱＤ２とすると、次式を満たすとき劣化量大と判定する。
ＱＤ２＞（ａ３＊ＱＤａｖｇ） …（Ｃ２）
なお、ａ３は劣化量を判定するパラメータである。

往復遅延時間の場合のレート制御設定は、次式で算出される。
Ｒ＊（ＱＤａｖｇ／ＱＤ２）＊ｂ３ …（Ｃ３）
なお、ｂ３は、レート制御のためのパラメータである。

本実施形態は、図２において、パケット判定部３０がパケットを判定すると、（Ｃ１）式の往復遅延時間の算出による平均値ＱＤａｖｇの算出は計測部５０で実行し、（Ｃ２）式の品質情報の比較および（Ｃ３）式のレート制御設定は、監視部６０で実行するとよい。

図６は、本発明の実施形態に係る特徴を示す説明図である。図６には、送信側端末からのＲＴＰパケットと、受信側端末からのＲＴＣＰパケットの送信状態が示されている。本実施形態のパケット中継装置１００の特徴は、（１）品質情報Ｑ１および品質情報Ｑ２に基づいて、パケット中継装置での制御レートを変更することができ、（２）品質情報Ｑ２を品質情報Ｑ１に書き換えることができる。

本実施形態によれば、パケット中継装置１００において、輻輳状態に応じて制御レートを変更することで、迅速に輻輳状態に追従することができる。また、送信側端末に転送するＲＴＣＰパケットの品質情報を、ＲＴＰパケットから求めた品質情報に書き換えることで、送信側端末が輻輳を検出することを抑止できるため、送信側端末は送信レートを下げることがない。このため、輻輳から回復したときに、ＲＴＣＰパケットの品質情報を監視しながら、パケット中継装置１００は、レート制御を元のレート値に戻すことができ、その結果、受信側端末は、輻輳以前の品質を得ることができる。

本発明の実施形態に係るＩＰネットワーク構成を示す説明図である。パケット中継装置の機能構成を示すブロック図である。パケット中継装置でパケットを受信してから送信までの処理を示すフローチャートである。パケット識別条件テーブルの一例を示す説明図である。往復遅延時間の算出方法を示す説明図である。本発明の実施形態に係る特徴を示す説明図である。

符号の説明

１０パケット受信部
２０パケット送信部
３０パケット判定部
４０レート制御部
５０計測部
６０監視部
７０条件設定部
ＮＷ１，ＮＷ２ＩＰ網（ＩＰネットワーク）
１００パケット中継装置
ＴＥ１，ＴＥ２端末

Claims

ネットワーク上でパケットを中継するパケット中継装置において、
ＲＴＰパケットを計測し、第１の品質情報を抽出する計測部と
ＲＴＣＰパケットから、第２の品質情報を抽出する監視部と、
前記監視部の制御指令により、制御レートを制御するレート制御部と、を備え、
前記監視部が、前記第１の品質情報と前記第２の品質情報とから輻輳状態を検出したとき、前記レート制御部は、前記ＲＴＣＰパケットに該当する前記ＲＴＰパケットの制御レートを低くする
ことを特徴とするパケット中継装置。
前記第１の品質情報および前記第２の品質情報は、パケット損失率またはジッタであり、
前記輻輳状態は、前記第２の品質情報が、前記第１の品質情報とパケットの劣化量を判定するパラメータとの積算値より大きくなった状態である
ことを特徴とする請求項１に記載のパケット中継装置。
前記監視部は、前記輻輳状態を検出したとき、前記ＲＴＣＰパケット内の前記第２の品質情報を、前記第１の品質情報で置き換える
ことを特徴とする請求項１に記載のパケット中継装置。
前記監視部が、前記第２の品質情報と前記第１の品質情報とから前記輻輳状態を検出したのち前記輻輳状態が回復したと判定したとき、前記レート制御部は、前記ＲＴＣＰパケットに該当する前記ＲＴＰパケットの制御レートを、前記輻輳状態を検出する前の元の制御レートに戻す
ことを特徴とする請求項１に記載のパケット中継装置。
ネットワーク上でパケットを中継するパケット中継装置において、
ＲＴＣＰパケットを計測し、前記パケット中継装置と受信側端末との往復遅延時間の平均値である第１の往復遅延時間を抽出する計測部と
ＲＴＣＰパケットから、第２の往復遅延時間を抽出する監視部と、
前記監視部の制御指令により、制御レートを制御するレート制御部と、を備え、
前記監視部により、前記第２の往復遅延時間が、前記第１の往復遅延時間とパケットの劣化量を判定するパラメータとの積算値より大きくなったことが検出されたとき、前記レート制御部は、前記ＲＴＣＰパケットに該当するＲＴＰパケットの制御レートを低くする
ことを特徴とするパケット中継装置。
ネットワーク上でパケットを中継するパケット中継方法において、
計測部が、ＲＴＰパケットを計測し、第１の品質情報を抽出し、
監視部が、ＲＴＣＰパケットから、第２の品質情報を抽出し、
前記監視部が、前記第１の品質情報と前記第２の品質情報とから輻輳状態を検出したとき、前記監視部の制御指令により制御レートを制御するレート制御部は、前記ＲＴＣＰパケットに該当する前記ＲＴＰパケットの制御レートを低くする
ことを特徴とするパケット中継方法。