JP2012124672A

JP2012124672A - 優先クラス制御方式

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Publication number: JP2012124672A
Application number: JP2010272775A
Authority: JP
Inventors: Osao Ogino; 長生荻野; Hideyuki Kogashira; 秀行小頭; Hajime Nakamura; 中村　　元
Original assignee: KDDI Corp
Current assignee: KDDI Corp
Priority date: 2010-12-07
Filing date: 2010-12-07
Publication date: 2012-06-28
Anticipated expiration: 2030-12-07
Also published as: JP5619585B2

Abstract

【課題】ネットワーク上のノードがパケット転送を優先クラス別にスケジューリングする際の処理負荷を軽減できる優先クラス制御方式を提供する
【解決手段】統合・分離指標計測部３０は、優先度が相対的に高位および低位の隣接する２つの優先クラスCi，Ci+1を合体または分離させるか否かの指標となるパラメータとして、各優先クラスの実現品質やパケット転送量を計測する。優先クラス統合部３１は、隣接する２つの優先クラスCi，Ci+1が統合条件を満足すると、当該２つの優先クラスCi，Ci+1を一つの統合優先クラスCi+i+1に統合することで、パケットのスケジューリングに要する処理負荷を軽減する。優先クラス分離部３２は、統合優先クラスCi+i+1が分離条件を満足すると、統合前の２つの優先クラスCi，Ci+1に分離させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、優先クラス制御方式に係り、特に、トラヒック制御機能が存在しないために各優先クラスに目標品質を設定することができず、各パケットを要求品質に応じた優先度でスケジューリングする優先クラス制御方式に関する。

非特許文献１，２，３には、複数の品質クラスにそれぞれ目標品質を設定し、各ノードには、品質クラスごとに異なる複数のパケットキューを設け、各品質クラスにおける目標品質や各パケットキューに滞留している総パケット長等に基づいて、各キューから出リンクに連続して送出すべきパケット数を算出することにより、各品質クラスにおける目標品質を満足させる技術が開示されている。

品質クラスに応じたトラヒック制御では、各ノードに品質クラス数分のパケットキューを設けて入力パケットの各キューへの収容および各キューからの出力パケットの読み出しをスケジューリングする際、例えばn番目の品質クラスCnと(n+1)番目の品質クラスCn+1との実現品質に実質的な差が無い場合、これら２つの品質クラスを一つに統合すればスケジューリングの処理負荷を軽減できる。

しかしながら、従来の品質クラス制御方式では、品質クラス数および各ノードにおける対応するパケットキューの数が固定であったため、隣接する２つの品質クラスの実現品質が同等であってもこれらを統合することができず、不要なスケジューリング処理負荷が発生するという技術課題があった。

このような技術課題に対して、本発明の発明者等は、目標品質が相対的に高位および低位の隣接する２つの品質クラスについて、実現品質が高位クラスの目標品質を満足する低位クラスを高位クラスに統合することで品質クラス数を削減する品質クラス制御方式を発明し、特許出願（特許文献１）した。

特願２０１０―２３２９１６号

A. K. Parekh and R. G. Gallager, "A generalized processor sharing approach to flow control in integrated services networks: The single-node case," IEEE/ACM Trans. on Networking, Vol. 1, No. 3, pp. 344-357, June 1993. M. Shreedhar and G. Varghese, "Efficient fairqueuing using deficit round-robin," IEEE/ACM Trans. on Networking, Vol. 4, No. 3, pp. 375-385, June 1996. S. S. Kanhere, H. Sethu, and A. B. Parekh, "Fair and efficient packet scheduling using elastic round robin," IEEE Trans. on Parallel and Distributed Systems, Vol. 13, No. 3, pp. 324-336, March 2002.

特許文献１の品質クラス制御方式は、トラヒックフロー設定要求を無制限に受け付けることはせず、各品質クラスが目標品質を確保できる範囲内にトラヒックフロー設定を規制して総トラヒック量を制限するトラヒック制御機能の存在が前提であった。したがって、トラヒック制御機能が存在しない、いわゆるベストエフォート方式で通信品質を確保するネットワークシステムには適用できなかった。

本発明の目的は、上記した従来技術の課題を解決し、トラヒック制御機能が存在しないネットワーク上のノードがパケット転送を優先クラス別にスケジューリングする際の処理負荷を軽減できる優先クラス制御方式を提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明は、パケット転送を各パケットに要求される品質に応じた優先度でスケジューリングする優先クラス制御方式において、以下のような手段を講じた点に特徴がある。

(1) パケット転送の優先度が相対的に異なる優先クラスごとに設けられたパケットキューと、入力パケットを、その要求品質に応じた優先クラスのパケットキューに収容するパケット分配部と、各パケットキューに収容されたパケットを、各パケットキューの優先クラスに応じた優先度で転送するパケット転送部と、優先度が相対的に高位および低位の隣接する２つの優先クラスを統合すべきか否かの判定指標となる第１パラメータを計測する手段と、第１パラメータの計測結果に応じて、前記２つの優先クラスを一つの優先クラスに統合する優先クラス統合手段とを具備した。

(2) 統合された優先クラスを統合前の２つの優先クラスに分離するか否かの判定指標となる第２パラメータを計測する手段と、第２パラメータの計測結果に応じて、前記統合された優先クラスを統合前の２つの優先クラスに分離させる優先クラス分離手段とを具備した。

本発明によれば、以下のような効果が達成される。

(1) パケット転送に関する優先度が相対的に高位および低位の隣接する２つの優先クラスに分類されたパケットの実現品質に実質的な差が無い場合、これら２つの優先クラスが一つに統合されるので、ネットワーク上のノードがパケット転送を優先クラス別にスケジューリングする際の処理負荷を軽減できるようになる。

(2) 統合された優先クラスを、当該クラスに分類されたパケットの統合後の実現品質や転送量に応じて統合前の複数の優先クラスに再び分離し、各パケットを各優先クラスに再分類できるので、優先クラスを統合することにより得られるスケジューリング処理の負荷軽減効果よりも、要求品質に差があるパケットを同一の統合優先クラスに分類することにより生じる不利益の方が大きくなるような場合に、統合優先クラスを複数の優先クラスに再び分離して優先クラスを細分化すれば、リソース利用効率良く、各パケットの要求品質を満足できるようになる。

本発明の優先クラス制御方式が適用されるネットワークノードの構成を示したブロック図である。本実施形態における優先クラスC、実現品質SQおよび要求品質rqの関係を示した図である。優先クラスの統合方法を模式的に表現した図である。統合優先クラスの分離方法を模式的に表現した図である。本発明の第１実施形態の動作を示したフローチャートである。本発明の第１実施形態の動作を示したタイムチャートである。本発明の第２実施形態の動作を示したフローチャートである。本発明の第３実施形態の動作を示したフローチャートである。本発明の第４実施形態の動作を示したフローチャートである。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。図１は、本発明の優先クラス制御方式が適用されるネットワークノードの構成を示したブロック図である。本実施形態では、パケット転送の優先度が相対的に異なるn段階の優先クラスC1，C2…Cnが予め用意され、各優先クラスCi (iは優先クラスの識別子)には、当該各優先クラスCiに分類されたパケットを収容するパケットキューPCi (PC1，PC2…PCn)が設けられている。

図２は、本実施形態における優先クラス制御の概要を説明するための図である。本実施形態では、各パケットに対して、当該パケットを送出するユーザ端末やネットワークのエッジノードにおいて、アプリケーションの種別や端末ユーザの属性情報（契約条件やサービス内容など）に応じて要求品質rqが設定される。

前記パケットの要求品質rqがアプリケーションに応じて設定される場合、VoIPやストリーミング再生のようにリアルタイム性の高いアプリケーションのパケットには高い要求品質が設定され、電子メールのようにリアルタイム性の低いアプリケーションのパケットには低い要求品質が設定され、Webブラウザのように、その中間的なアプリケーションのパケットには中程度の要求品質が設定される。また、要求品質rqがユーザ属性に応じて設定される場合、料金のより高いサービスに契約しているユーザが送受するパケットに対して、より高い要求品質が設定される。そして、各パケットには、当該パケットを送出するユーザ端末やネットワークのエッジノードにおいて、前記要求品質rqに応じた優先クラス情報が記述される。

図２の例では、要求品質rqが最も高いパケットには優先クラスC1が記述され、次に高いパケットには優先クラスC2が記述される。同様に、次に高いパケットには優先クラスC3が記述され、要求品質rqが最も低いパケットには優先クラスC4が記述される。

各優先クラスCiに分類されたパケットは、その優先度に応じてパケット転送をスケジューリングされるので、各優先クラスCiの実現品質SQi（本実施形態では、各優先クラスCiに分類された全てのパケットの実現品質sqの平均値で代表される）は、各優先クラスCiに分類されるパケットの要求品質rqの上限を僅かに上回ることが期待される。

図１へ戻り、パケット分配部１は、入力パケットを、その要求品質rqに応じた優先クラスCのパケットキューPCに収容する。パケット転送部２は、各パケットキューPCに収容されたパケットを、各パケットキューPCの優先クラスCに応じた優先度で読み出して次ノードへ転送する。優先クラス見直部３は、優先クラス制御の実績に応じて、各優先クラスCiおよびそのパケットキューPCiを統合または分離する。

前記優先クラス見直部３において、統合・分離指標計測部３０は、優先度が相対的に高位および低位の隣接する２つの優先クラスCi，Ci+1を合体させて一つの優先クラス（統合優先クラスCi+i+1)に統合すべきか否かの判定指標となる第１パラメータ、および前記統合優先クラスCi+i+1を統合前の２つの優先クラスCi，Ci+1に分離するか否かの判定指標となる第２パラメータを計測する。本実施形態では、第１および第２パラメータとして、各パケットキューPCから読み出されて転送されたパケットの実現品質sqが計測される。

優先クラス統合部３１は、隣接する２つの優先クラスCi，Ci+1のペアについて、各優先クラスの統合判定指標（本実施形態では、実現品質SQi、SQi+1）を比較し、両者の差分ΔSQ＝SQi−SQi+1が所定の第１統合閾値ΔSQref1を下回ると、当該２つの優先クラスCi，Ci+1を統合する。この際、各優先クラスCi，Ci+1のパケットキューPCi，PCi+1に収容されていたパケットは、統合優先クラスCi+i+1のパケットキューPCi+i+1に収容されることになる。

図３は、前記優先クラス統合部３１による優先クラスの統合方法を模式的に表現した図である。ここでは、優先クラスC2の実現品質SQ2と優先クラスC3の実現品質SQ3との差分ΔSＱ(=SQ2-SQ3)が第１統合閾値ΔSQref1を下回ったので、当該２つの優先クラスC2，C3が一つに統合されて統合優先クラスC2+3が設定されている。各優先クラスC2，C3のパケットキューPQ2，PQ3に収容されていたパケットは、一つの統合パケットキューPQ2+3にまとめて収容される。

優先クラス分離部３２は、前記統合・分離指標計測部３０により計測された第２パラメータの計測結果に応じて、前記統合優先クラスCi+i+1を統合前の２つの優先クラスCi，Ci+1に分離させる。

本実施形態では、前記優先クラス統合部３１により統合された統合優先クラスCi+i+1の実現品質SQi+i+1を、統合前の各優先クラスCi，Ci+1の下位側Ci+1よりも更に一つ下位の優先クラスCi+2の実現品質SQi+2と比較し、その差分ΔSQ（SQi+i+1-SQi+2）が所定の第１分離閾値ΔSQref2を上回ると、前記統合優先クラスSQi+i+1を前記統合前の２つの優先クラスCi，Ci+1に分離し、統合パケットキューPCi+i+1に収容されていたパケットを、その要求品質に応じて分離後の各優先クラスCi，Ci+1に対応したパケットキューPCi，PCi+1のいずれかに振り分けて収容する。

図４は、前記優先クラス分離部３２による優先クラスの分離方法を模式的に表現した図であり、前記統合優先クラスC2+3の実現品質SQ2+3と低位側に隣接する優先クラスC4の実現品質SQ4との差分(SQ2+3−SQ4)が第１分離閾値ΔSQref2を上回ると、前記統合優先クラスC2+3が統合前の２つの優先クラスC2，C3に分離される。このとき、統合パケットキューPC2+3に収容されていたパケットも、その要求品質に応じて優先クラスC2のパケットキューPQ2または優先クラスC3のパケットキューPQ3に収容される。

次いで、フローチャートを参照して第１実施形態の動作を説明する。図５は、本実施形態の動作を示したフローチャートであり、所定の周期で繰り返し実行される。図６はタイミングチャートであり、ここでは４つの優先クラスC1〜C4が設定されている場合を例に、前記優先クラス見直部３の動作に着目して説明する。

ステップＳ１０では、前記統合・分離指標計測部３０により、各優先クラスC1〜C4の実現品質SQ1〜SQ4が計測される。ステップＳ１１では、前記優先クラス統合部３１により、隣接する２つの優先クラスCi，Ci+1のペアについて、高位側の優先クラスCiの実現品質SQiと低位側の優先クラスCi+1の実現品質SQi+1との差分ΔSQが算出されて第１統合閾値ΔSQref1と比較される。

図６に示したように、時刻t1において前記差分ΔSQが第１統合閾値ΔSQref1を下回って統合条件が満たされ、これが前記ステップＳ１１で検知されるとステップＳ１２へ進む。ステップＳ１２では、時刻t2において、前記２つの優先クラスC2，C3が統合されて一つの統合優先クラスC2+3となる。

ステップＳ１３では、前記優先クラス分離部３２により、前記統合優先クラスCi+i+1の実現品質SQi+i+1が、低位側に隣接する優先クラスCi+2の実現品質SQi+2と比較される。時刻t3よりも前であれば、統合優先クラスC2+3の実現品質SQ2+3と優先クラスC4の実現品質SQ4との差分ΔSQlは第１分離閾値ΔSQref2を下回っているので、分離条件が満足されていないと判定されて前記統合優先クラスC2+3は維持される。

これに対して、時刻t3において前記差分ΔSQlが第１分離閾値ΔSQref2を上回って分離条件が満足され、これが前記ステップＳ１３で検知されるとステップＳ１４へ進む。ステップＳ１４では、時刻t4において、前記統合優先クラスC2+3が統合前の２つの優先クラスC2，C3に分離される。

なお、上記の実施形態では、統合優先クラスCi+i+1の実現品質SQi+i+1と低位側に隣接する優先クラスCi+2の実現品質SQi+2との差分ΔSQが分離閾値を上回ることが分離条件とされたが、本発明はこれのみに限定されるものではなく、高位側に隣接する優先クラスCi-1の実現品質SQi-1との差分が分離閾値を上回ることを分離条件としても良いし、あるいは高位側および低位側に隣接する各優先クラスCi-1、Ci+2の実現品質SQi-1，SQi+2との差分が共に分離閾値を上回ることを分離条件としても良い。

本実施形態によれば、品質が相対的に高位および低位の隣接する２つの優先クラスCi，Ci+1に分類されたパケットの実現品質に実質的な差が無い場合、これら２つの優先クラスが一つに統合されるので、ネットワーク上のノードがパケット転送を優先クラス別にスケジューリングする際の処理負荷を軽減できるようになる。

また、本実施形態によれば、統合された優先クラスを、当該クラスに分類されたパケットの統合後の実現品質に応じて統合前の複数の優先クラスに再び分離し、各パケットを各優先クラスに再分類できるので、優先クラスを統合することにより得られるスケジューリング処理の負荷軽減効果よりも、要求品質に差があるパケットを同一の統合優先クラスに分類することにより生じる不利益の方が大きくなるような場合に、統合優先クラスを複数の優先クラスに再び分離して優先クラスを細分化すれば、リソース利用効率良く、各パケットの要求品質を満足できるようになる。

さらに、本実施形態によれば、隣接する品質クラスCi，Ci+1の実現品質の差分が小さいことが統合条件とされるので、２つの品質クラスを統合しても、高位側の品質クラスに分類されていたパケットの実現品質が統合により大きく低下してしまうことがない。

なお、上記の第１実施形態では、隣接する２つの優先クラスCi，Ci+1の統合およびその分離を、各優先クラスの実現品質SQに基づいて制御するものとして説明したが、本発明はこれのみに限定されるものではなく、以下に詳述する第２実施形態のように、各優先クラスCのパケット転送量Uに基づいて制御するようにしても良い。

図７は、本発明の第２実施形態の動作を示したフローチャートであり、ステップＳ２０では、前記統合・分離指標計測部３０により、各優先クラスCiのパケット転送量Uiが計測される。ステップＳ２１では、前記優先クラス統合部３１により、前記パケット転送量Uiが所定の第2統合閾値ΔUref3を下回って統合条件を満足する優先クラスCiの有無が判定される。統合条件を満足する優先クラスCiが存在すればステップＳ２２へ進み、前記優先クラスCiが、その低位側に隣接する優先クラスCi+1と統合されて統合優先クラスCi+i+1が新たに設定される。

ステップＳ２３では、前記優先クラス分離部３２により、前記統合優先クラスCi+i+1のパケット転送量Ui+i+1が第２分離閾値ΔUref4を上回って分離条件が満足されたか否かが判定される。分離条件が満足されるとステップＳ２４へ進み、前記統合優先クラスCi+i+1が統合前の２つの優先クラスCi，Ci+1に分離される。

なお、上記の第１および第２実施形態では、隣接する２つの優先クラスを統合するか否かの判定指標となる第１パラメータ、および統合優先クラスを２つの優先クラスに分離するか否かの判定指標となる第２パラメータが共通（「実現品質の差分」または「パケット転送量」）であるものとして説明したが、本発明はこれのみに限定されるものではなく、以下に説明する第３，４実施形態のように、第１パラメータと第２パラメータとを異ならせても良い。

図８は、本発明の第３実施形態の動作を示したフローチャートであり、ここでは、統合の要否が実現品質の差分に基づいて判定され、また分離の要否がパケット転送量に基づいて判定される。

ステップＳ３１では、前記優先クラス統合部３１により、隣接する２つの優先クラスCi，Ci+1のペアについて、高位側の優先クラスCiの実現品質SQiと低位側の優先クラスCi+1の実現品質SQi+1との差分ΔSQが算出されて第１統合閾値ΔSQref1と比較される。前記差分ΔSQが第１統合閾値ΔSQref1を下回ると、ステップＳ３２へ進んで２つの優先クラスが統合される。

ステップＳ３３では、前記優先クラス分離部３２により、統合優先クラスCi+i+1のパケット転送量Ui+i+1が第２分離閾値ΔUref4を上回って分離条件が満足されたか否かが判定される。分離条件が満足されるとステップＳ３４へ進み、前記統合優先クラスCi+i+1が統合前の２つの優先クラスCi，Ci+1に分離される。

図９は、本発明の第４実施形態の動作を示したフローチャートであり、ここでは前記第３実施形態とは逆に、統合の要否がパケット転送量に基づいて判定され、また分離の要否が実現品質の差分に基づいて判定される。

ステップＳ４１では、前記優先クラス統合部３１により、パケット転送量Uiが所定の第2統合閾値ΔUref3を下回って統合条件を満足する優先クラスCiの有無が判定される。統合条件を満足する優先クラスCiが存在すればステップＳ４２へ進み、前記優先クラスCiが低位側に隣接する優先クラスCi+1と統合されて統合優先クラスCi+i+1が新たに設定される。

ステップＳ４３では、前記優先クラス分離部３２により、統合優先クラスCi+i+1の実現品質SQi+i+1が低位側に隣接する優先クラスCi+2の実現品質SQi+2と比較される。前記差分ΔSQlが第１分離閾値ΔSQref2を上回っていればステップＳ４４へ進み、前記統合優先クラスC i+i+1が統合前の２つの優先クラスCi，C i+1に分離される。

１…パケット分配部，２…パケット転送部，３…優先クラス見直部，３０…統合・分離指標計測部，３１…優先クラス統合部，３２…優先クラス分離部

Claims

パケット転送を各パケットに要求される品質に応じた優先度でスケジューリングする優先クラス制御方式において、
パケット転送の優先度が相対的に異なる優先クラスごとに設けられたパケットキューと、
入力パケットを、その要求品質に応じた優先クラスのパケットキューに収容するパケット分配部と、
各パケットキューに収容されたパケットを、各パケットキューの優先クラスに応じた優先度で転送するパケット転送部と、
優先度が相対的に高位および低位の隣接する２つの優先クラスを統合すべきか否かの判定指標となる第１パラメータを計測する手段と、
前記第１パラメータの計測結果に応じて、前記２つの優先クラスを一つの優先クラスに統合する優先クラス統合手段とを具備したことを特徴とする優先クラス制御方式。
前記統合された優先クラスを統合前の２つの優先クラスに分離するか否かの判定指標となる第２パラメータを計測する手段と、
前記第２パラメータの計測結果に応じて、前記統合された優先クラスを統合前の２つの優先クラスに分離させる優先クラス分離手段とを具備したことを特徴とする請求項１に記載の優先クラス制御方式。
前記第１パラメータを計測する手段は、各優先クラスの実現品質を計測し、
前記優先クラス統合手段は、優先度が相対的に高位および低位の隣接する２つの優先クラスの実現品質を比較し、当該実現品質の差分が第１統合閾値を下回る優先クラス同士を一つの優先クラスに統合することを特徴とする請求項１に記載の優先クラス制御方式。
前記第１パラメータを計測する手段は、各優先クラスのパケット転送量を計測し、
前記優先クラス統合手段は、パケット転送量が第２統合閾値を下回る優先クラスを、優先度が低位側に隣接する優先クラスと統合することを特徴とする請求項１に記載の優先クラス制御方式。
前記第２パラメータを計測する手段は、前記統合された優先クラスの実現品質を計測し、
前記優先クラス分離手段は、前記統合された優先クラスの実現品質を、優先度が高位側および低位側の少なくとも一方に隣接する優先クラスの実現品質と比較し、各実現品質の差分が所定の関係を有すると、前記統合された優先クラスを統合前の２つの優先クラスに分離させることを特徴とする請求項２ないし４のいずれかに記載の優先クラス制御方式。
前記優先クラス分離手段は、前記統合された優先クラスの実現品質を、優先度が低位側に隣接する優先クラスの実現品質と比較し、当該実現品質の差分が第１分離閾値を上回ると、前記統合された優先クラスを統合前の２つの優先クラスに分離させることを特徴とする請求項５に記載の優先クラス制御方式。
前記第２パラメータを計測する手段は、前記統合された優先クラスのパケット転送量を計測し、
前記優先クラス分離手段は、前記統合された優先クラスのパケット転送量が第２分離閾値を上回ると、前記統合された優先クラスを統合前の２つの優先クラスに分離させることを特徴とする請求項２ないし４のいずれかに記載の優先クラス制御方式。