JP2012244282A - 優先クラス制御方式 - Google Patents

Abstract

【課題】ネットワークを複数の部分ネットワークに分割し、部分ネットワークごとに優先クラスを設定することで、効率的な優勢クラス制御を実現する。
【解決手段】ネットワークNWが９個の部分ネットワークNWx (NW1−NW9)に分割されている。各部分ネットワークNWxには、後述する優先クラス見直しノードが接続され、部分ネットワークNWxごとに各ネットワークノードNの優先クラスを見直すことで優先クラス制御が部分ネットワークNWxごとに自律的に実行される。各部分ネットワークNWxには、入力パケットを要求品質に応じた優先クラスに固有のスケジュールで転送する複数のネットワークノードが設けられ、優先クラス見直しノードは、各ネットワークノードの優先クラスを部分ネットワークごとに見直す。
【選択図】図１

Description

本発明は、優先クラス制御方式に係り、特に、複数の部分ネットワークを経由するパケット転送を各パケットの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。

また、特許文献１の品質クラス制御方式は、トラヒックフローの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。

このような技術課題に対して、本発明の発明者等は、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発明し、特許出願（特許文献２）した。

特願２０１０―２３２９１６号 特願２０１０―２７２７７５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.

上記の従来技術では、各ネットワークノードに設定される優先クラスが全て同一であり、優先クラスの統合および分離も、ネットワーク上の全てのノードで一様に実施されるので、同一のパケットに対しては全てのノードで同一の優先制御が行われる。したがって、ネットワーク上に、ある優先クラスに属するトラヒック量の多い部分と少ない部分とが混在していても、優先クラスの統合をトラヒック量に応じてネットワークの部分ごとに実施することができなかった。

本発明の目的は、上記した従来技術の課題を解決し、ネットワークを複数の部分ネットワークに分割し、部分ネットワークごとに優先クラスの統合を図ることで、パケット転送のスケジューリング処理負荷が軽い効率的な優勢クラス制御を実現することにある。

上記の目的を達成するために、本発明は、複数の部分ネットワークを経由するパケット転送を各パケットの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おいて、以下のような手段を講じた点に特徴がある。

(1)各部分ネットワークにおいて、入力パケットを要求品質に応じた優先クラスに固有のスケジュールで転送する複数のネットワークノードと、各ネットワークノードの優先クラスを部分ネットワークごとに見直す優先クラス見直しノードとを具備した。

(2)前記各ネットワークノードが、パケット転送の優先度が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を具備した。

(3)前記優先クラス見直しノードが、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るか否かの判断指標となる第１パラメータを計測する統合指標計測手段と、前記第１パラメータが所定の条件を満足すると前記２つの優先クラスを統合して優先クラス数を減じる優先クラス統合手段を具備した。

本発明によれば、ネットワークが複数の部分ネットワークに分割され、部分ネットワークごとに最適な優先クラスの統合が図れるので、パケット転送のスケジューリング処理負荷が軽い効率的な優先クラス制御を実現できる。

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の構成を示した図である。 ネットワークノードの構成を示したブロック図である。 優先クラス制御の概要を説明するための図である。 優先クラスの統合方法を模式的に表現した図である。 優先クラスの分離方法を模式的に表現した図である。 パケットの要求品質を模式的に表現した図である。 従来の優先クラス制御を模式的に表現した図である。 本発明の優先クラス制御を模式的に表現した図である。 ネットワークを複数の部分ネットワークに分割する方法を示した図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。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NWの構成を示した図であり、本実施形態では、ネットワークNWが９個の部分ネットワークNWx (NW1-NW9)に分割されている。各部分ネットワークNWxには、後述する優先クラス見直しノード３が接続され、部分ネットワークNWxごとに各ネットワークノードNの優先クラスを見直すことで、優先クラス制御が部分ネットワークNWxごとに自律的に実行される。

図２は、各部分ネットワークNWxに多数配置され、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N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に振り分けられたパケットを連結して収容するパケットキューPCi (PC1，PC2…PCn)が設けられている。

図３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３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２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。優先クラス見直ノード３は、各優先クラスで転送されるトラヒック量に応じて、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ノード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、前記第１および第２パラメータとして、部分ネットワークにおける優先クラスごとの転送トラヒック量が観測される。部分ネットワークNWxの転送トラヒック量は、他の部分ネットワークとの交流トラヒック量および部分ネットワーク内の発着トラヒック量の和の半分であると見なして算出される。

優先クラス統合部３１は、ある優先クラスCiの転送トラヒック量が予め決められた第１の閾値よりも小さくなると、当該優先クラスCiを１つ下位の優先クラスCi+1に統合する。優先クラス分離部３２は、統合された優先クラスCi+i+1の転送トラヒック量が予め決められた第２の閾値よりも大きくなると、当該優先クラスCi+i+1を統合前の２つの優先クラスCi，Ci+1に分割する。

図４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の転送トラヒック量が第１の閾値を下回ったので、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。この結果、統合優先クラスC2+3の実現品質SQ2+3は、優先クラスC2の実現品質SQ2よりも低下し、かつ優先クラスC3の実現品質SQ3よりも上昇する。

図５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の転送トラヒック量が前記第２の閾値を上回ると、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。

本実施形態では、このような優先制御が部分ネットワークNWxごとに自律的に実施されるので、図１に示したように、発ノードSが部分ネットワークNW7に所属し、着ノードDが部分ネットワークNW3に所属し、５つの部分ネットワークNW7→NW8→NW5→NW2→NW3を経由するトラヒックフローに対しては、５つの部分ネットワークNW7，NW8，NW5，NW2，NW3で優先制御が自律的に実施される。

ここで、図６に示したように、要求品質rqが優先クラスC2の割当区間内であるトラヒックフローに着目したとき、従来技術では、図７に示したように、ネットワーク全体で一つの優先制御が実施され、優先クラスC1または優先クラスC2に属するトラヒック量がネットワーク全体で前記第１の閾値を下回らない限りは、優先クラスの統合が実施されない。したがって、トラヒック量がネットワークの一部で局所的に減少し、当該部分では優先クラスC1,C2または優先クラスC2,C3を統合することでスケジューリングに係る処理負荷の軽減を期待できる場合でも、このような優先クラスの統合を実施できない。

これに対して、本発明では優先制御が部分ネットワークNWxごとに実施される。ここでは、図８に示したように、部分ネットワークNW7，NW3では４つの優先クラスC1，C2，C3，C4が維持されている。部分ネットワークNW8，NW2では、優先クラスC2に属するトラヒック量が局所的に第１の閾値を下回った結果、優先クラスC2，C3が統合されて統合優先クラスC2+3が設定されている。部分ネットワークNW5では、優先クラスC１および優先クラスC3に属するトラヒック量が各々局所的に第１の閾値を下回った結果、優先クラスC1，C2およびC3，C4が統合され、それぞれ統合優先クラスC1+2およびC3+4が設定されている場合を考える。

前記部分ネットワークNW8，NW2では、優先クラス数が４つから３つに減少することによりスケジューリングの処理負荷が軽減されている。前記部分ネットワークNW5では、優先クラス数が４つから２つに減少することにより、スケジューリングの処理負荷が更に軽減されている。

また、図８(a)に示したように、トラヒックフローの要求品質rqが優先クラスC2の割当区間内であると、２つの部分ネットワークNW7，NW3では従来技術と同様に優先クラスC2が割り当てられるので、要求品質に応じた妥当な品質が実現される。

部分ネットワークNW8，NW2では、優先クラスC2に属するトラヒックが、優先度のより低い優先クラスC3に属するトラヒックと同じ優先度で処理されるので品質低下が危惧される。しかしながら、優先クラスC2，C3が統合されているということは、そもそも優先クラスC2の転送トラヒック量が少なく、空き容量が十分にあるということなので、統合優先クラスC2+3の実現品質は優先クラスC2の実現品質に近くなることが多く、優先クラスC2に属するトラヒックに品質低下が生じたとしても、その程度は僅かである。

部分ネットワークNW5では、優先クラスC2に属するトラヒックに統合優先クラスC1+2が割り当てられ、その実現品質は優先クラスC2よりも高くなるので品質上昇が期待できる。

そして、本実施形態では、前記部分ネットワークNW8，NW2での品質低下が、前記部分ネットワークNW5での品質上昇により相殺されることを期待できるので、トラヒックフロー全体としては、要求品質rqに応じた妥当な品質が実現される。

また、図８(b)に示したように、トラヒックフローの要求品質rqが優先クラスC3の割当区間内であると、２つの部分ネットワークNW7，NW3では従来技術と同様に優先クラスC3が割り当てられるので、要求品質に応じた妥当な品質が実現される。

部分ネットワークNW5では、優先クラスC3に属するトラヒックが、優先度のより低い優先クラスC4に属するトラヒックと同じ優先度で処理されるので、優先クラスC3に属するトラヒックには品質低下が危惧される。しかしながら、優先クラスC3，C4が統合されているということは、そもそも優先クラスC3の転送トラヒック量が少なく、空き容量が十分にあるということなので、統合優先クラスC3+4の実現品質は、優先クラスC3の実現品質に近くなる。したがって、優先クラスC3に属するトラヒックに品質低下が生じたとしても、その程度は僅かである。

部分ネットワークNW8，NW2では、優先クラスC3に属するトラヒックに統合優先クラスC2+3が割り当てられ、その実現品質は優先クラスC3よりも高くなるので品質上昇が期待できる。

そして、本実施形態では、前記部分ネットワークNW5での品質低下が、前記部分ネットワークNW8，NW2での品質上昇により相殺されることを期待できるので、トラヒックフロー全体としては、要求品質rqに応じた妥当な品質が実現される。

さらに、図８(c)に示したように、トラヒックフローの要求品質rqが優先クラスC1の割当区間内であると、４つの部分ネットワークNW7，NW8，NW2，NW3では従来技術と同様に優先クラスC1が割り当てられるので、要求品質rqに応じた妥当な品質が実現される。

部分ネットワークNW5では、優先クラスC1に属するトラヒックが、優先度のより低い優先クラスC2に属するトラヒックと同じ優先度で処理されるので、優先クラスC1に属するトラヒックには品質低下が危惧される。しかしながら、統合優先クラスC1+2の実現品質は優先クラスC1の実現品質に近くなるので、優先クラスC1に属するトラヒックに品質低下が生じたとしても、その程度は僅かである。

さらに、図８(d)に示したように、トラヒックフローの要求品質rqが優先クラスC4の割当区間内であると、４つの部分ネットワークNW7，NW8，NW2，NW3では従来技術と同様に優先クラスC4が割り当てられるので、要求品質に応じた妥当な品質が実現される。

部分ネットワークNW5では、優先クラスC4に属するトラヒックに統合優先クラスC3+4が割り当てられ、その実現品質は優先クラスC4よりも高くなるので品質低下が生じず、要求品質rqに応じた妥当な品質が実現される。

以上述べた様に、本発明では、部分ネットワークごとに最適な優先クラスの統合を図りつつ、トラヒックフロー全体としては妥当な品質を実現できるので、パケット転送のスケジューリング処理負荷が軽い効率的な優先クラス制御を実現できる。

図９は、前記ネットワークNWを複数の部分ネットワークNWxに分割する方法を模式的に表現した図であり、本実施形態では、ネットワーク分割後の部分ネットワークNWx間の交流トラヒック量が最大となるように分割する。このようなネットワーク分割によれば、より多くのトラヒックフローが、より多くの部分ネットワークNWxを経由して多様な優先順で転送される。すなわち、より多くのトラヒックフローに対して、各部分ネットワークにおける優先クラスの統合を図りつつ、トラヒックフロー全体で要求品質に応じた品質を柔軟に実現できるようになる。

１…パケット分配部，２…パケット転送部，３…優先クラス見直ノード，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 (6)

1. 複数の部分ネットワークを経由するパケット転送を各パケットの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おいて、
   各部分ネットワークにおいて、入力パケットを要求品質に応じた優先クラスに固有のスケジュールで転送する複数のネットワークノードと、
   各ネットワークノードの優先クラスを部分ネットワークごとに見直す優先クラス見直しノードとを具備し、
   前記各ネットワークノードが、
   パケット転送の優先度が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を具備し、
   前記優先クラス見直しノードが、
   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るか否かの判断指標となる第１パラメータを計測する統合指標計測手段と、
   前記第１パラメータが所定の条件を満足すると前記２つの優先クラスを統合して優先クラス数を減じる優先クラス統合手段を具備したことを特徴とする優先クラス制御方式。
2. 前記第１パラメータは、高位の優先クラスで転送されるトラヒック量であり、当該トラヒック量が第１の閾値を下回ったことを条件に前記２つの優先クラスが統合され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。
3. 前記優先クラス見直しノードが、
   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断指標となる第２パラメータを計測する分離指標計測手段と、
   前記第２パラメータが所定の条件を満足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して優先クラス数を増やす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または２に記載の優先クラス制御方式。
4. 前記第２パラメータは、統合後の優先クラスで転送されるトラヒック量であり、当該トラヒック量が第２の閾値を上回ったことを条件に前記統合された優先クラスが分離されることを特徴とする請求項３に記載の優先クラス制御方式。
5. 前記２つの優先クラスが統合されると、要求品質が統合前の各優先クラスに相当するパケットは、統合後の優先クラスにおいて当該優先クラスに応じた同一の優先度で転送されることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の優先クラス制御方式。
6. 前記複数の部分ネットワークは、ネットワーク分割後の部分ネットワーク間の交流トラヒック量が最大となるように分割されていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の優先クラス制御方式。