JP2014160900A - 遅延測定方法および遅延測定システム - Google Patents

Abstract

【課題】帯域圧迫を回避しながらパケットの遅延時間および遅延揺らぎを正確に把握し、パケットの遅延分布を測定する。
【解決手段】時刻同期が確立している送信側ＮＥと受信側ＮＥ間で、パケット交換ネットワークを介して転送されるパケットの遅延時間を測定する遅延測定方法において、パケットにシーケンス番号を付与し、さらに所定のシーケンス番号のパケットを基準パケットとし、送信側ＮＥは、基準パケットの送信時刻と、基準パケット以降に送信するパケット間の送信時間差を測定し、受信側ＮＥは、基準パケットの受信時刻と、基準パケット以降に受信するパケット間の受信時間差を測定し、基準パケットの送信時刻と受信時刻から基準パケットの遅延時間を算出するとともに、所定のシーケンス番号の基準パケットに後続するパケットの送信時間差および受信時間差から各パケットの遅延時間を順次算出する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、パケット交換ネットワークにおけるパケットの遅延時間および遅延揺らぎを正確に把握し、パケットの遅延分布を測定する遅延測定方法および遅延測定システムに関する。

パケット交換ネットワークの遅延時間測定法の１つとして、イーサネット（登録商標）ＯＡＭ（Ethernet Operations, Administration, Maintenance）技術を利用した方法がある。この方法は、ＩＴＵ−Ｔの勧告Ｙ.1731 にＤＭＭ（Delay Measurement Message)機能として規定されている（非特許文献１）。

図６は、ＯＡＭによる遅延時間測定の方法を示す。
図６において、時刻同期がとれている送信用ＮＥ（ノード）５０と受信用ＮＥ６０との間で、主信号パケットに加えて遅延測定用パケットを送受信する。送信側ＮＥ５０の遅延測定用パケット生成部５１は、遅延測定用パケットを生成するときにタイムスタンプ（Ｔx)を設定し、受信側ＮＥ６０の遅延測定用パケット受信部６１は遅延測定用パケットを受信するときに受信時刻（Ｒx)を記録する。ＮＥ間（遅延測定用パケット生成部５１と遅延測定パケット受信部６１との間）で時刻同期がとれている場合、次式より遅延時間Ｄを測定できる。
Ｄ＝Ｒx −Ｔx …(1)

この測定方法の問題点としては、遅延時間の測定対象が遅延測定用パケットであるため、実際の主信号パケットの遅延時間が得られないことである。加えて、この測定において算出された遅延時間は、遅延測定用パケット生成部５１で遅延測定用パケットを生成する時間および遅延測定用パケット受信部６１での読込時間が誤差要因として含まれているため、算出後に補正が必要である。また、ＯＡＭによる遅延測定用パケットではサンプル数が少なく、正確な遅延揺らぎ（遅延時間の最大値と最小値の差）を求めることができない。正確な遅延揺らぎを算出するためには、主信号パケットと同等の帯域が必要になる。

図７は、主信号パケットのタイムスタンプを用いた遅延時間測定の方法を示す。
図７において、送信側ＮＥ５０のタイムスタンプ打刻部５２で主信号パケットに送信時のタイムスタンプを付与し、受信側ＮＥ６０のタイムスタンプ読取部６２でそのタイムスタンプを読み取り、打刻時間Ｔx と受信時間Ｒx との差をとることで、遅延時間を算出する。このとき、送信側ＮＥ５０のタイムスタンプ打刻部５２と受信側ＮＥ６０のタイムスタンプ読取部６２との間で時刻同期がとれている必要がある。この測定では主信号パケット自体の遅延時間を直接測定できる一方で、主信号パケットに時刻の情報を付加するため、帯域の圧迫、パケットごとにタイムスタンプを付与することで処理負荷および遅延の増加等の課題が考えられる。例えば、帯域の増加について、Ｆ[byte]のクライアントフレームをＭＰＬＳ−ＴＰ網で転送した場合の帯域増加率Ｒ(F) は次式で表される。
Ｒ(F) ＝（Ｆ＋IFG＋PA＋SFD＋Ｌ＋MAC)／(Ｆ＋IFG＋PA＋SFD) …(2)

ここで、IFG はインターフレームギャップ、PAはプリアンブル、SFD はStart of Frame Delimiter（フレーム開始分界点) 、ＬはＭＰＬＳ−ＴＰラベル、MAC はＭＡＣヘッダーサイズである。

(2) 式より、フレームサイズが小さいほど、ＭＰＬＳ−ＴＰ網で付与するオーバーヘッドの割合が大きくなり、帯域増加率Ｒ(F) が増大することになる。したがって、最も帯域が必要となるのは、最小フレームサイズである64[byte]がフルレートで入力された時である。例えば、ここでＭＰＬＳ−ＴＰラベルをＬ＝12[byte]とすると、フレームサイズと必要帯域の関係は図８に示すようになる。伝送速度１[Gbps]のパスで１秒間に伝送されるパケット数は、最小サイズ64[byte]の場合、約 195万個である。したがって、タイムスタンプを８[byte]とすると、タイムスタンプ容量によって占められる帯域は１秒間で約0.12[Gbit]となり、帯域圧迫につながることは明らかである。

ＩＴＵ−Ｔ Ｇ.8013／Ｙ.1731 (07/2011)

図６に示す方法では、ＯＡＭによる遅延測定用パケットを用いるためサンプル数が少なく、主信号パケットについて正確な遅延時間および遅延揺らぎを求めることができなかった。

図７に示す方法では、主信号パケットの遅延時間測定は可能であるが、主信号パケットにタイムスタンプを付加するため、帯域の圧迫や処理遅延が増大する問題があった。

本発明は、帯域圧迫を回避しながらパケットの遅延時間および遅延揺らぎを正確に把握し、パケットの遅延分布を測定することができる遅延測定方法および遅延測定システムを提供することを目的とする。

第１の発明は、時刻同期が確立している送信側ＮＥと受信側ＮＥとの間で、パケット交換ネットワークを介して転送されるパケットの遅延時間を測定する遅延測定方法において、パケットにシーケンス番号を付与し、さらに所定のシーケンス番号のパケットを基準パケットとし、送信側ＮＥは、基準パケットの送信時刻と、基準パケット以降に送信するパケット間の送信時間差を測定する第１のステップと、受信側ＮＥは、基準パケットの受信時刻と、基準パケット以降に受信するパケット間の受信時間差を測定する第２のステップと、基準パケットの送信時刻と受信時刻から基準パケットの遅延時間を算出するとともに、所定のシーケンス番号の基準パケットに後続するパケットの送信時間差および受信時間差から各パケットの遅延時間を順次算出する第３のステップとを有する。

第１の発明の遅延測定方法において、第３のステップは、送信側ＮＥから基準パケットの送信時刻および基準パケット以降に送信するパケット間の送信時間差の各データと、受信側ＮＥから基準パケットの受信時刻および基準パケット以降に受信するパケット間の受信時間差の各データを制御装置に転送し、該制御装置で基準パケットおよび基準パケットに後続するパケットの各遅延時間を算出する。

第１の発明の遅延測定方法において、第３のステップは、送信側ＮＥから基準パケットの送信時刻および基準パケット以降に送信するパケット間の送信時間差の各データを受信側ＮＥに転送し、受信側ＮＥで、送信側ＮＥから転送された各データと、基準パケットの受信時刻および基準パケット以降に受信するパケット間の受信時間差の各データを用いて、基準パケットおよび基準パケットに後続するパケットの各遅延時間を算出する。

第１の発明の遅延測定方法において、第３のステップは、受信側ＮＥで受信するパケットのシーケンス番号からパケットエラーとなったパケットを特定し、当該パケットの送信時間差のデータを無視し、他のパケットの送信時間差および受信時間差から各パケットの遅延時間を算出する。

第２の発明は、時刻同期が確立している送信側ＮＥと受信側ＮＥとの間で、パケット交換ネットワークを介して転送されるパケットの遅延時間を測定する遅延測定システムにおいて、パケットにシーケンス番号を付与し、さらに所定のシーケンス番号のパケットを基準パケットとし、送信側ＮＥは、基準パケットの送信時刻と、基準パケット以降に送信するパケット間の送信時間差を測定する第１の手段を備え、受信側ＮＥは、基準パケットの受信時刻と、基準パケット以降に受信するパケット間の受信時間差を測定する第２の手段を備え、基準パケットの送信時刻と受信時刻から基準パケットの遅延時間を算出するとともに、所定のシーケンス番号の基準パケットに後続するパケットの送信時間差および受信時間差から各パケットの遅延時間を順次算出する第３の手段を備える。

第２の発明の遅延測定システムにおいて、第３の手段は、送信側ＮＥおよび受信側ＮＥに制御回線を介して接続される制御装置であり、制御装置は、送信側ＮＥから基準パケットの送信時刻および基準パケット以降に送信するパケット間の送信時間差の各データと、受信側ＮＥから基準パケットの受信時刻および基準パケット以降に受信するパケット間の受信時間差の各データが転送され、基準パケットおよび基準パケットに後続するパケットの各遅延時間を算出する構成である。

第２の発明の遅延測定システムにおいて、第３の手段は、受信側ＮＥに備えられ、受信側ＮＥは、送信側ＮＥから基準パケットの送信時刻および基準パケット以降に送信するパケット間の送信時間差の各データが転送され、この各データと、基準パケットの受信時刻および基準パケット以降に受信するパケット間の受信時間差の各データを用いて、基準パケットおよび基準パケットに後続するパケットの各遅延時間を算出する構成である。

第２の発明の遅延測定システムにおいて、第３の手段は、受信側ＮＥで受信するパケットのシーケンス番号からパケットエラーとなったパケットを特定し、当該パケットの送信時間差のデータを無視し、他のパケットの送信時間差および受信時間差から各パケットの遅延時間を算出する構成である。

本発明は、パケットのシーケンス番号を利用し、所定のシーケンス番号の基準パケットの送信時刻および受信時刻と、基準パケット以降のパケット間の送信時間差と受信時間差の各データから、各パケットの遅延時間を算出することができる。この送信時間差と受信時間差のデータは時刻データに比べて極めて容量が小さいので、当該データを転送する制御回線の帯域圧迫を回避することができる。また、パケットに時刻情報（タイムスタンプ）を付加しないことから、遅延測定による帯域圧迫および処理負荷を軽減することができる。

本発明の遅延測定システムの実施例１の構成を示す図である。 主信号パケットの制御ワードの構成を示す図である。 送受信時刻・時間差データと遅延時間との関係を示す図である。 本発明の遅延測定システムの実施例２の構成を示す図である。 エラーパケットに対する送受信時刻・時間差データと遅延時間との関係を示す図である。 ＯＡＭによる遅延時間測定の方法を説明する図である。 主信号パケットのタイムスタンプを用いた遅延時間測定の方法を説明する図である。 フレームサイズと必要帯域の関係を示す図である。

図１は、本発明の遅延測定システムの実施例１の構成を示す。
図１において、送信側ＮＥ１０および受信側ＮＥ２０は、パケット交換ネットワーク（例えばＭＰＬＳ網）を介して接続され、時刻同期が確立している。送信側ＮＥ１０は、シーケンス番号付与部１１および送信時刻・時間差データ蓄積／送信部１２を備える。受信側ＮＥ２０は、シーケンス番号読取部２１および受信時刻・時間差データ蓄積／送信部２２を備える。送信側ＮＥ１０および受信側ＮＥ２０には、制御回線を介して遅延計算部３１を有する制御装置３０が接続される。

ＩＰまたはＭＰＬＳを使用するパケット交換ネットワーク上で、ポイント・ツー・ポイントのイーサネット回線を仮想的に提供するＰＷＥ３（Pseudo Wire Emulation Edge-to-Edge）を用いてカプセル化されるフレームには、図２に示すシーケンス番号を含んだ制御ワードが付加される。通常、シーケンス番号は、パケットの順序付けや、重複および損失を検出するために用いられるが、本発明では主信号パケットの遅延時間測定に併用することを特徴とする。

主信号パケットが送信側ＮＥ１０に到達したとき、送信側ＮＥ１０のシーケンス番号付与部１１で各主信号パケットのヘッダー部分にＰＷＥ３のシーケンス番号が付与されてネットワークに送信される。このとき、送信時刻・時間差データ蓄積／送信部１２は、シーケンス番号と主信号パケットの送信時刻とを対応付けて蓄積する。ネットワーク伝送後に受信側ＮＥ２０に到着した主信号パケットは、受信側ＮＥ２０のシーケンス番号読取部２１で主信号パケットのシーケンス番号が読み取られ、エラーパケットの確認等に用いられる。このとき、受信時刻・時間差データ蓄積／送信部２２は、シーケンス番号と主信号パケットの受信時刻とを対応付けて蓄積する。シーケンス番号に対応付けられた各主信号パケットの送信時刻と受信時刻は、図３(1) に示すように送信時刻・時間差データ蓄積／送信部１２および受信時刻・時間差データ蓄積／送信部２２にそれぞれ記録される。なお、図３(1) では便宜的に１つの表として示している。

送信側ＮＥ１０と受信側ＮＥ２０との間では時刻同期が確立しているため、各主信号パケットの遅延時間は、シーケンス番号に対応した受信時刻と送信時刻の差を計算することで求めることができる。すなわち、送信側ＮＥ１０および受信側ＮＥ２０から制御装置３０に対して、シーケンス番号に対応した受信時刻と送信時刻を伝送し、その時間差を計算することにより各主信号パケットの遅延時間の測定が可能である。

しかし、時刻のデータ量は、例えば時刻を１μ秒精度で打刻した場合、桁数が多くなり、１パケットあたりの時刻データ容量が増加する。送信側ＮＥ１０および受信側ＮＥ２０と制御装置３０との間の制御回線の１秒間あたりの伝送容量は一般的に小さく、この帯域で各ＮＥの監視用データ等もやりとりされるため、時刻データだけで占有することはできない。したがって、送信側ＮＥ１０および受信側ＮＥ２０から制御装置３０に伝送する遅延測定データの容量を最小限に抑え、制御回線の帯域圧迫を防ぐ必要がある。

そこで、本発明では、膨大なデータ量による帯域圧迫を回避するために、以下のような工夫を施す。

測定開始直後に送信側ＮＥ１０から最初に送信される任意のシーケンス番号ａの主信号パケットを基準パケットとし、この基準パケットの送信時刻Ｔａおよび受信側ＮＥ２０の受信時刻Ｒａをまず測定値として記録する。図３(1) に対応する図３(2) に示す例では、Ｔａは12:00:00.000000 であり、Ｒａは12:00:00.000020 である。それ以降のシーケンス番号（ａ＋ｉ）の主信号パケットでは、送信側ＮＥ１０における１つ前の主信号パケットに対する送信時間差Δｔ_i および受信側ＮＥ２０における１つ前の主信号パケットに対する受信時間差Δt'_i を記録する。図３(2) に示す例では、Δｔ_i は５，７，８となり、Δt'_i は13，15，２となる。

ここで、基準パケットａからｉ番目の主信号パケットの遅延時間Ｄ_i は次の式から求めることができる。
Ｄ_i ＝（Ｒａ＋Δt'₁＋Δt'₂＋…＋Δt'_i)−（Ｔａ＋Δt₁＋Δt₂＋…＋Δt_i) …(3)
図３(2) に示す例では、基準パケットａの遅延時間は20μ秒であり、基準パケットａから１〜３番目の主信号パケットの遅延時間（μ秒）は、Ｄ₁ ＝28、Ｄ₂ ＝36、Ｄ₃ ＝30となる。

各主信号パケットの送信時刻および受信時刻がマイクロ秒オーダーで計測される場合、基準パケット以降の送信時間差Δｔ_i および受信時間差Δt'_i の各時間差データは、１桁または２桁に減少する。加えて、基準パケットのシーケンス番号ａを１つのみを記録するため、データ量の減少に寄与する。

例えば、１[Gbps]の帯域で、パケットサイズ64[byte]のパケットをフルレートで転送した場合、図３(1) に示すシーケンス番号と時刻を全て記録すると、約300[Ｍbps]のデータ量となるが、図３(2) に示す基準パケットのシーケンス番号および時間差データの記録による桁数の削減によって、同様のレートでのデータ量を 30[Ｍbps]に減少させることができる。さらに、これを例えば Zip形式で圧縮した場合、その容量を 30[ｋbps]にまで減少させることができる。

ここで、送信時刻・時間差データ蓄積／送信部１２および受信時刻・時間差データ蓄積／送信部２２に蓄積したシーケンス番号および各データのデータ量が、制御装置３０との間の制御回線の帯域で転送可能な場合は、次の手順で各データを処理する。
(1) 送信時刻・時間差データ蓄積／送信部１２および受信時刻・時間差データ蓄積／送信部２２から制御装置３０へ、基準パケットのシーケンス番号および送受信時刻データと、それ以降の主信号パケット間の送受信時間差データを転送する。
(2) 制御装置３０の遅延計算部３１は、転送された各データを基に各主信号パケットの遅延時間を算出し、図３(3),(4) に示すような遅延分布図を作成する。

送信時刻・時間差データ蓄積／送信部１２および受信時刻・時間差データ蓄積／送信部２２に蓄積したシーケンス番号および各データのデータ量が、制御回線の帯域を超える場合、または帯域の多くを占有してしまう場合は、図４に示すように、次の手順で各データを処理する。

(1) 送信時刻・時間差データ蓄積／送信部１２に蓄積した基準パケットのシーケンス番号および送信時刻データとそれ以降の主信号パケット間の送信時間差データを、主信号帯域を用いて、主信号パケットに混ぜて受信側ＮＥ２０の遅延計算部２３に転送する。
(2) 遅延計算部２３では、送信時刻・時間差データ蓄積／送信部１２から受け取った各データと、受信時刻・時間差データ蓄積／送信部２２に蓄積した基準パケットのシーケンス番号および受信時刻データとそれ以降の主信号パケット間の受信時間差データを用いて、各主信号パケットの遅延時間を算出し、図３(3),(4) に示すような遅延分布図を作成する。
(3) 受信側ＮＥ２０の遅延計算部２３で作成した遅延分布図は、制御回線を介して制御装置３０へ転送する。

この方法では、遅延分布図のみを制御装置３０へ転送するため、制御回線における帯域圧迫を避けることができる。

次に、主信号パケットの伝送途中でエラーが発生した場合について説明する。
主信号パケットにエラーが発生した場合、シーケンス番号を参照することにより当該パケットを検出することができる。図５に示す例では、シーケンス番号ａ＋１の後にシーケンス番号ａ＋３の主信号パケットが受信されたため、シーケンス番号ａ＋２の主信号パケットが欠落したことがわかる。このとき、シーケンス番号ａ＋２の主信号パケットの受信時刻は検出されないため、シーケンス番号ａ＋１の主信号パケットとシーケンス番号ａ＋３の主信号パケットとの受信時間差は「17（μ秒）」となる。すなわち、シーケンス番号ａ＋２の主信号パケットの遅延時間は検出できないものの、シーケンス番号ａ＋３の主信号パケットの遅延時間は「30（μ秒）」として検出することができる。

１０ 送信側ＮＥ
１１ シーケンス番号付与部
１２ 送信時刻・時間差データ蓄積／送信部
２０ 受信側ＮＥ
２１ シーケンス番号読取部
２２ 受信時刻・時間差データ蓄積／送信部
２３ 遅延計算部
３０ 制御装置
３１ 遅延計算部

Claims (8)

1. 時刻同期が確立している送信側ＮＥと受信側ＮＥとの間で、パケット交換ネットワークを介して転送されるパケットの遅延時間を測定する遅延測定方法において、
   前記パケットにシーケンス番号を付与し、さらに所定のシーケンス番号のパケットを基準パケットとし、
   前記送信側ＮＥは、前記基準パケットの送信時刻と、前記基準パケット以降に送信するパケット間の送信時間差を測定する第１のステップと、
   前記受信側ＮＥは、前記基準パケットの受信時刻と、前記基準パケット以降に受信するパケット間の受信時間差を測定する第２のステップと、
   前記基準パケットの送信時刻と受信時刻から前記基準パケットの遅延時間を算出するとともに、前記所定のシーケンス番号の基準パケットに後続するパケットの送信時間差および受信時間差から各パケットの遅延時間を順次算出する第３のステップと
   を有することを特徴とする遅延測定方法。
2. 請求項１に記載の遅延測定方法において、
   前記第３のステップは、前記送信側ＮＥから前記基準パケットの送信時刻および前記基準パケット以降に送信するパケット間の送信時間差の各データと、前記受信側ＮＥから前記基準パケットの受信時刻および前記基準パケット以降に受信するパケット間の受信時間差の各データを制御装置に転送し、該制御装置で前記基準パケットおよび前記基準パケットに後続するパケットの各遅延時間を算出する
   ことを特徴とする遅延測定方法。
3. 請求項１に記載の遅延測定方法において、
   前記第３のステップは、前記送信側ＮＥから前記基準パケットの送信時刻および前記基準パケット以降に送信するパケット間の送信時間差の各データを前記受信側ＮＥに転送し、前記受信側ＮＥで、前記送信側ＮＥから転送された各データと、前記基準パケットの受信時刻および前記基準パケット以降に受信するパケット間の受信時間差の各データを用いて、前記基準パケットおよび前記基準パケットに後続するパケットの各遅延時間を算出する
   ことを特徴とする遅延測定方法。
4. 請求項１に記載の遅延測定方法において、
   前記第３のステップは、前記受信側ＮＥで受信するパケットの前記シーケンス番号からパケットエラーとなったパケットを特定し、当該パケットの送信時間差のデータを無視し、他のパケットの送信時間差および受信時間差から各パケットの遅延時間を算出する
   ことを特徴とする遅延測定方法。
5. 時刻同期が確立している送信側ＮＥと受信側ＮＥとの間で、パケット交換ネットワークを介して転送されるパケットの遅延時間を測定する遅延測定システムにおいて、
   前記パケットにシーケンス番号を付与し、さらに所定のシーケンス番号のパケットを基準パケットとし、
   前記送信側ＮＥは、前記基準パケットの送信時刻と、前記基準パケット以降に送信するパケット間の送信時間差を測定する第１の手段を備え、
   前記受信側ＮＥは、前記基準パケットの受信時刻と、前記基準パケット以降に受信するパケット間の受信時間差を測定する第２の手段を備え、
   前記基準パケットの送信時刻と受信時刻から前記基準パケットの遅延時間を算出するとともに、前記所定のシーケンス番号の基準パケットに後続するパケットの送信時間差および受信時間差から各パケットの遅延時間を順次算出する第３の手段を備えた
   ことを特徴とする遅延測定システム。
6. 請求項５に記載の遅延測定システムにおいて、
   前記第３の手段は、前記送信側ＮＥおよび前記受信側ＮＥに制御回線を介して接続される制御装置であり、
   前記制御装置は、前記送信側ＮＥから前記基準パケットの送信時刻および前記基準パケット以降に送信するパケット間の送信時間差の各データと、前記受信側ＮＥから前記基準パケットの受信時刻および前記基準パケット以降に受信するパケット間の受信時間差の各データが転送され、前記基準パケットおよび前記基準パケットに後続するパケットの各遅延時間を算出する構成である
   ことを特徴とする遅延測定システム。
7. 請求項５に記載の遅延測定システムにおいて、
   前記第３の手段は、前記受信側ＮＥに備えられ、
   前記受信側ＮＥは、前記送信側ＮＥから前記基準パケットの送信時刻および前記基準パケット以降に送信するパケット間の送信時間差の各データが転送され、この各データと、前記基準パケットの受信時刻および前記基準パケット以降に受信するパケット間の受信時間差の各データを用いて、前記基準パケットおよび前記基準パケットに後続するパケットの各遅延時間を算出する構成である
   ことを特徴とする遅延測定システム。
8. 請求項５に記載の遅延測定システムにおいて、
   前記第３の手段は、前記受信側ＮＥで受信するパケットの前記シーケンス番号からパケットエラーとなったパケットを特定し、当該パケットの送信時間差のデータを無視し、他のパケットの送信時間差および受信時間差から各パケットの遅延時間を算出する構成である
   ことを特徴とする遅延測定システム。

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