JP2015170880A - パケット伝送装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】通信路の伝送速度の変更機能を有し、当該伝送速度の変更に応じたパケット待機制御を行うパケット伝送装置を提供する。
【解決手段】本発明によるパケット伝送装置51aは、設定した伝送速度にてパケットを送信するパケット出力部514と、パケット出力部514から送信するパケットを一時的にバッファに保持し、当該パケットをバッファに格納する際に、パケット出力部514からの伝送速度の変更を監視してバッファに格納できるパケット数若しくはデータ量についての可変の上限を規定するバッファ閾値を制御するバッファ閾値制御部518を有するパケット待機制御部513aと、を備える。
【選択図】図1

Description

本発明は、伝送速度の切り替え可能な通信路を介して、IP(Internet protocol)パケットやイーサネット(登録商標)パケットなどのパケットを伝送するパケット伝送装置に関し、特に、伝搬状況の変化に応じて伝送速度を切り替える無線通信路などを用いて、通信路の伝送能力を活用して効率よくパケットを伝送するパケット伝送装置に関する。
インターネットプロトコル(IP)を用いたデータ通信では、IPパケットにデータを格納し、パケット伝送装置と通信路を経由してIPパケットを伝送することで、データを伝送する。図3に、離れた地点にある送信端末50と受信端末53が、パケット伝送装置51及びパケット伝送装置52と通信路12及び通信路21を介して、データ通信を行う場合のネットワークの概略構成例を示す。ここで、送信端末50とパケット伝送装置51との間は通信路01及び通信路10を介して相互接続され、受信端末53とパケット伝送装置52との間は、通信路23及び通信路32を介して相互接続されるものとする。
通信路12の伝送能力を有効に活用して効率よくパケットを伝送するには、送信端末50からパケット伝送装置51に出力するパケットの出力速度を通信路12の伝送速度の範囲内で、できるだけ高い速度に制御する必要がある。
IPを用いたデータ通信を行う機器では、確実データを伝送するために、廃棄されたパケットで伝送したデータを回復したり、通信路の伝送速度に応じてパケットの出力速度を制御する機能(輻輳制御機能)を備えたデータ通信プロトコルを利用してデータ通信を行っている。これらの機器のデータ通信プロトコルには、TCP(Transmission Control Protocol)が広く使われている。
まず、伝送速度が変化しない場合について、送信端末50のパケットの出力速度が、TCPの輻輳制御機能により通信路12の伝送速度の範囲内で、できるだけ高い速度に制御されることを説明する。
図4は、従来のパケット伝送装置の一例を示すブロック図である。図3におけるパケット伝送装置51,52はそれぞれ同様の構成とすることができ、代表的にパケット伝送装置51を説明する。パケット伝送装置51は、パケット入力部511,515、パケット転送部512、パケット待機制御部513,516、及びパケット出力部514,517で構成される。
パケット入力部511は、送信端末50から出力されたパケットを通信路01経由で受信し、パケット転送部512に入力する。パケット入力部515は、対向するパケット伝送装置52から送信されたパケットを通信路21経由で受信し、パケット転送部512に入力する。
パケット転送部512は、入力されたパケットの宛先を解析してパケットの出力先を判別し、判別したパケット出力部517と接続するパケット待機制御部516にパケットを入力する。したがって、パケット転送部512は、例えばハブ又はスイッチとして構成され、複数のパケット出力部517の各々と接続する複数のパケット待機制御部516に対して、パケットの出力先を決定するように構成することができる(図示せず)。
パケット待機制御部513及びパケット待機制御部516は、それぞれに入力されたパケットを一時的にバッファに保持する機能を有し、それぞれパケット出力部514及びパケット出力部517から送信するためのパケットを受け取り、それぞれのパケット出力部514,517が接続する通信路12,10から送信可能になるまで、当該パケットをそれぞれのバッファに一時的に保持する。
尚、パケット待機制御部513及びパケット待機制御部516は、パケットをバッファに格納する際に、バッファに格納できるパケット数若しくはデータ量が固定の上限(所定のバッファサイズ)に達しているか否かを判定し、このバッファサイズに達していればパケット格納不可と判定し、入力されたパケット若しくは格納中のパケットのいずれかを廃棄する。
パケット出力部514は、パケット待機制御部513からパケットを取り出し、設定した伝送速度にて通信路12にパケットを送信する。パケット出力部517は、パケット待機制御部516からパケットを取り出し、通信路10にパケットを送信する。
したがって、パケット伝送装置51は、以前の送信したパケットの伝送のために通信路が使用中であるときや通信路を利用できないなどの理由により、パケットが入力されてもすぐに送信できない場合には、パケットの廃棄を防ぐため、当該パケットをパケット待機制御部513,516のバッファに格納し、通信路12,10へ送信可能になるまで保持する。しかし、従来のパケット伝送装置51では、バッファが格納できるパケットの数やデータ量に固定の上限があり、この固定の上限(所定のバッファサイズ)を超えたときにはパケットを廃棄する。
次にTCPの輻輳制御について説明する。TCPは、輻輳ウィンドウ(cwnd)を用いてパケットの出力速度の制御を可能とする技法として知られている(例えば、特許文献1参照)。
TCPに基づく受信端末53は、送信端末50から出力されたパケットが受信端末53に入力され、正しく伝送されたことを確認できると、次に受け取るべきデータを参照する位置情報を確認応答(ACK)情報として送信端末50に送信する。送信端末50は、データを一度に全部出力するのでなく、ACK情報により指定された位置からcwndまでの範囲のデータを出力するフロー制御を行う。この機構によりパケットの出力速度の最高速度は、輻輳ウィンドウ/往復遅延時間に制限される。尚、往復遅延時間(RTT)とは、パケットを送信してから、そのパケットの確認応答パケットを受信するまでの時間である。
TCPの輻輳制御では、このcwndの大きさを調整することで、通信路の伝送速度にパケットの送出速度を追従させる。TCPの輻輳制御方式には幾つかの方式があるが、パケットロスを検出するまでcwndを徐々に拡大し、パケットロスを検出するとcwndを急速に減少させるロスベースの輻輳制御技法が広く用いられている(例えば、特許文献1参照)。
代表的なロスベースの輻輳制御技法であるTCP New Renoでは、cwndの増加量はRTTあたり1パケットであり、減少量はcwndの1/2となるように制御している。図5に、TCP New Renoにおけるcwndの時間変化の例を示す。
この輻輳制御の機能により、送信端末50のパケットの出力速度はcwndの増加に応じて徐々に増加する。この出力速度が通信路12の伝送速度を超えると、パケット伝送装置51へと入力するパケット速度が、パケット伝送装置51の送出するパケット速度を上回り、パケット待機制御部513におけるバッファのパケット蓄積量が増加するようになり、やがてパケット蓄積量が当該固定の上限(所定のバッファサイズ)に達しパケット廃棄が起こる。送信端末50では、ACK情報からパケットロスを検出するとcwndを減少させ、パケット出力速度を減少させる。この繰り返しにより、送信端末50のパケット出力速度が、TCPの輻輳制御機能により通信路の伝送速度の近傍に制御される。
このように、TCPの輻輳制御機能により、送信端末50のパケットの出力速度が通信路12の伝送速度の近傍に制御される。
ここで、従来のパケット伝送装置51で通信路12の伝送速度を切り変えた場合についても、輻輳制御機能により、自動的にデータ送信速度が調整される。
つまり、伝送速度を増加させると、最初は送信端末50のパケットの出力速度よりパケット伝送装置51の送出するパケット速度が上回り、パケット待機制御部513におけるバッファのパケット蓄積量が減少する。伝送速度の切り替え時のcwndの値が小さく、パケット蓄積量が少ないときに当該切り替えが発生した場合には、バッファが枯渇し送信するパケットが無くなり、次のパケットがパケット伝送装置51に入力されるまで通信路12に空きを生じる。この通信路12に空きを生じ、パケットの送信が間歇的になる現象は、cwndが徐々に拡大し、当該送出するパケット速度が増加し、新たな伝送速度に達し、継続的にパケットがバッファに蓄積されるようになるまで継続する。この現象が継続する間、パケットロスは発生しない。
特開2005−151202号公報
前述したように、従来のパケット伝送装置51で通信路12の伝送速度を切り変えた場合についても、輻輳制御機能により、自動的にデータ送信速度が調整されることになる。しかし、cwndの拡大はゆっくりと行われることから、伝送速度を速くしても、送信端末50のパケットの出力速度がすぐには新たな伝送速度まで増加せず、通信路12の空きを生ずる期間が長くなるという問題がある。したがって、従来のパケット伝送装置51では、伝送速度が小さい時はcwndの最大値が小さいため、この問題が発生し易い問題があった。
具体的には、cwndの拡大速度は、TCP New Renoでは、RTT当たり1パケットのペースであり、新たな速度に到達するまでには、(速度増加量/パケットサイズ)×RTTの時間が必要である。例えば、RTT 10ms、パケットサイズ1500バイトの通信では100Mbps増加するまでには83秒かかる。
逆に、伝送速度が減少すると、受信端末53へのパケット入力間隔が長くなり、送信端末50に伝送するACK情報の出力間隔も長くなり、自動的に送信端末50におけるパケットの出力速度が抑えられる。
しかし、送信端末50へのACK情報の間隔が変化するのは、伝送速度が低下してからRTT経過後である。この間、送信端末50におけるパケットの出力速度は伝送速度変更前のままである。このため、パケット伝送装置51の送信待ちパケットが急速に増加する。この結果、従来のパケット伝送装置51では、パケット待機制御部513におけるバッファに格納できる上限を超える状態が継続し大量のパケットロスが発生する場合があった。
また、伝送速度を減少させてから送信端末50のパケットの出力速度が抑制されるまでのパケットの超過は一時的なものである。このような一時的な通信量の増加に対しては、ネットワークの中間部で通信速度が低い隘路となる部分よりも前に(例えば、パケット待機制御部513に相当する箇所)、十分な量のバッファと精密に帯域を制御する回路を組み合わせた平滑化装置を設けることにより通信量を平滑化する技法が知られている(例えば、特許文献1参照)。しかしながら、通信路12における伝送速度を減少してRTT時間経過するまで、或いはRTT時間経過した後の送信端末50のパケットの出力速度は、送信端末50のパケットの出力速度が抑制されるまでは当該伝送速度を減少した後の通信路12の伝送速度以下にはならないことから、平滑化しても通信路12の伝送速度以下にすることができないため、当該平滑化装置を追加しても、大量のパケットロスが発生する問題を解決することができない。
このように、従来のパケット伝送装置51では、通信路12の伝送速度を増加させても、ロスベースの輻輳制御技法を用いる送信端末50のcwndがすぐには増加しないことから、伝送速度の切り替え時のcwndの値が小さい場合には、パケットの送信が間歇的に行われ通信路12に空きが発生する状態が長く継続し、通信路12を有効に活用できないという問題があった。
また、通信路12の伝送速度を低下させたときに大量のパケットロスを起こすことがあった。大量のパケットロスは、他の通信に影響が波及し、リアルタイム通信でのデータ欠損や、欠損データの再送に伴うレスポンスの低下、通信速度の低下など大きな影響を与える問題があった。
そこで、本発明は上述の問題を鑑みて為されたものであり、本発明の目的は、通信路12の伝送速度の増加時にも連続的なパケットの送信を可能とし、通信路12の伝送速度の低下時にも大量のパケットロスの発生を抑制するために、通信路12の伝送速度の変更機能を有し、当該伝送速度の変更に応じたパケット待機制御を行うパケット伝送装置を提供することにある。
本発明によるパケット伝送装置は、通信路の伝送速度の変更機能を有するパケット伝送装置であって、設定した伝送速度にてパケットを送信するパケット出力部と、前記パケット出力部から送信するパケットを一時的にバッファに保持し、当該パケットをバッファに格納する際に、前記パケット出力部からの伝送速度の変更を監視して前記バッファに格納できるパケット数若しくはデータ量についての可変の上限を規定するバッファ閾値を制御するバッファ閾値制御部を有するパケット待機制御部と、を備えることを特徴とする。
また、本発明によるパケット伝送装置において、前記バッファ閾値制御部は、前記パケット出力部からの伝送速度が変更前より低速に変更する際に、前記バッファ閾値を拡大し、変更前より高速に変更する際には、速度変更後から所定の規定時間以上経過して時点で、前記バッファ閾値を縮小することを特徴とする。
また、本発明によるパケット伝送装置において、前記バッファ閾値制御部は、前記パケット出力部からの伝送速度が変更前より低速に変更する際に、前記バッファ閾値を(変更前の速度−変更後の速度)×規定時間だけ拡大し、変更前より高速に変更する際には、速度変更後から所定の規定時間以上経過して時点で、前記バッファ閾値を(変更後の速度−変更前の速度)×規定時間だけ縮小することを特徴とする。
また、本発明によるパケット伝送装置において、前記規定時間は、当該パケット伝送装置に通信接続する送信端末と該送信端末からのパケットを受信する受信端末との間の往復遅延時間とすることを特徴とする。
また、本発明によるパケット伝送装置において、前記規定時間は、当該パケット伝送装置と対向するパケット伝送装置との往復遅延時間に一定のマージンを加えた値とすることを特徴とする。
本発明によれば、通信路の伝送速度を低下させても、ロスベースの輻輳制御を用いる送信端末のcwndの最大値を高く維持することができ、通信路の伝送速度を低速から高速に切り替えたときに、パケットの送信が間歇的となることを防ぐことができ、通信路の伝送能力を有効に活用した効率のよいパケット伝送が実現可能となる。
また、通信路の伝送速度を低下させたときにバッファが溢れ、大量のパケットロスの発生を抑制又は防止することができる。この結果、大量のパケットロスによるリアルタイム通信でのデータ欠損や、欠損データの再送に伴うレスポンスの低下、通信速度の低下など他の通信への影響を防止し、通信路の伝送能力を有効に活用した効率のよいパケット伝送が実現可能となる。
本発明による一実施形態のパケット伝送装置のブロック図である。 本発明による一実施形態のパケット伝送装置におけるバッファ閾値制御のフローチャートである。 送信端末と受信端末が、パケット伝送装置及びパケット伝送装置を介して、データ通信を行う場合のネットワークの概略構成例を示す図である。 従来のパケット伝送装置の一例を示すブロック図である。 TCP New Renoにおける輻輳ウィンドウ(cwnd)の時間変化の例を示す図である。
以下、図面を参照して、本発明による一実施形態のパケット伝送装置について説明する。図1は、本発明による一実施形態のパケット伝送装置51aのブロック図である。
図3に示したように、離れた地点にある送信端末50と受信端末53が、パケット伝送装置51及びパケット伝送装置52と通信路12及び通信路21を介して、データ通信を行うネットワークを想定し、本発明に係るパケット伝送装置51aは、従来のパケット伝送装置51の代わりに設けられるものとして説明する。尚、送信端末50から受信端末53の方向のパケットを伝送する通信路01、通信路12及び通信路23の中で伝送速度が最も遅い通信路は通信路12であるとする。また、各装置は、TCPを利用してデータ通信を行うものとする。
図1に示す本発明による一実施形態のパケット伝送装置51aは、図4に示す従来のパケット伝送装置51と同様の構成要素には同一の参照番号を付している。即ち、本発明による一実施形態のパケット伝送装置51aは、パケット入力部511,515、パケット転送部512、パケット待機制御部513a,516、及びパケット出力部514,517で構成され、パケット待機制御部513aがバッファ閾値制御部518を有する点で、従来のパケット伝送装置51とは相違する。
パケット入力部511は、送信端末50から出力されたパケットを通信路01経由で受信し、パケット転送部512に入力する。パケット入力部515は、対向するパケット伝送装置52から送信されたパケットを通信路21経由で受信し、パケット転送部512に入力する。
パケット転送部512は、入力されたパケットの宛先を解析してパケットの出力先を判別し、判別したパケット出力部517と接続するパケット待機制御部516にパケットを入力する。したがって、パケット転送部512は、例えばハブ又はスイッチとして構成され、複数のパケット出力部517の各々と接続する複数のパケット待機制御部516に対して、パケットの出力先を決定するように構成することができる(図示せず)。
パケット待機制御部513a及びパケット待機制御部516は、それぞれに入力されたパケットを一時的にバッファに保持する機能を有し、それぞれパケット出力部514及びパケット出力部517から送信するためのパケットを受け取り、それぞれのパケット出力部514,517が接続する通信路12,10から送信可能になるまで、当該パケットをそれぞれのバッファに一時的に保持する。
ただし、パケット待機制御部513aは、パケットをバッファに格納する際に、バッファに格納できるパケット数若しくはデータ量が可変の上限(以下、「バッファ閾値」と称する)に達しているか否かを判定し、このバッファ閾値に達していればパケット格納不可と判定し、入力されたパケット若しくは格納中のパケットのいずれかを廃棄する。
一方、パケット待機制御部516は、パケットをバッファに格納する際に、バッファに格納できるパケット数若しくはデータ量が固定の上限(所定のバッファサイズ)に達しているか否かを判定し、このバッファサイズに達していればパケット格納不可と判定し、入力されたパケット若しくは格納中のパケットのいずれかを廃棄する。
パケット出力部514は、パケット待機制御部513aからパケットを取り出し、変更可能な設定した伝送速度にて通信路12にパケットを送信する。パケット出力部517は、パケット待機制御部516からパケットを取り出し、通信路10にパケットを送信する。
したがって、パケット伝送装置51aは、以前の送信したパケットの伝送のために通信路が使用中であるときや通信路を利用できないなどの理由により、パケットが入力されてもすぐに送信できない場合には、パケットの廃棄を防ぐため、当該パケットをパケット待機制御部513a,516のバッファに格納し、通信路12,10へ送信可能になるまで保持する。そして、本発明に係るパケット伝送装置51aは、パケット待機制御部513aが有するバッファ閾値制御部518の機能により、バッファが格納できるパケットの数やデータ量に可変の上限(バッファ閾値)があり、このバッファ閾値を超えたときにはパケットを廃棄する。
以下、バッファ閾値制御部518について詳細に説明する。図2は、パケット伝送装置51aにおけるバッファ閾値制御部518によるバッファ閾値制御のフローチャートである。
本発明のパケット伝送装置51aでは、バッファ閾値制御部518により、パケット待機制御部513aによる通信路12の伝送速度の変更を監視しており(ステップS1)、パケット待機制御部513aにて通信路12の伝送速度を変更する際に、変更前より低速に変更する場合には(ステップS2:Yes)、パケット待機制御部513aが有するバッファのバッファ閾値を(変更前の速度−変更後の速度)×規定時間(即ち、後述する予め定めた往復遅延時間)だけ増加する(ステップS3)。
逆に、パケット待機制御部513aにて通信路12の伝送速度を変更する際に、変更前より高速に変更する場合には(ステップS2:No)、速度変更後から規定時間(即ち、後述する予め定めた往復遅延時間)以上経過した時点で、パケット待機制御部513aが有するバッファのバッファ閾値を(変更後の速度−変更前の速度)×規定時間だけ縮小する(ステップS4)。
「規定時間」は、実際にデータ通信を行う送信端末50と受信端末53との間の往復遅延時間とすることが一般化する上で望ましいが、通信路12及び通信路21の伝送遅延が、他の通信路の伝送遅延より極端に大きい場合には、パケット伝送装置51aとパケット伝送装置52との間の往復遅延時間に一定のマージンを加えた値とすることで、より精密なバッファ閾値制御が可能となる。
このバッファ閾値制御部518の機能により、伝送速度を低下させてから送信端末50のパケットの出力速度が低下するまでの間のパケットを全てバッファに格納することで、大量のパケットロスの発生を防止することができる。
また、バッファ閾値が同じ値であれば、伝送速度が低速であるほどcwndの最大値が小さくなるが、低速時のバッファ閾値を増加することで、伝送速度を低下させた時のcwndの最大値の減少を防ぎ、高速伝送時のcwndを維持することができる。この効果により、通信路12の伝送速度を低速から高速に切り替えたときに発生するcwndの不足によりパケットの送信が間歇的となったとしても、これが長く続くことを防ぐことができる。
以上、特定の実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明は前述の実施例に限定されるものではなく、その技術思想を逸脱しない範囲で種々変形可能である。例えば、パケット通信プロトコルの規定により、パケット転送の際にパケットヘッダなどパケットの一部を更新する必要があれば、パケット転送部512がこの処理を行うように構成することができる。
また、パケット入力部511で受信したパケットを必ずパケット出力部514からそのまま出力する、パケット入力部515で受信したパケットを必ずパケット出力部517からそのまま出力する用途では、パケット転送部512を持たない構成とすることができる。この場合は、パケット入力部511は受信したパケットをパケット待機制御部513aに、パケット入力部515は受信したパケットをパケット待機制御部516に、それぞれ直接入力する。
更に、パケット入力部511、パケット待機制御部513a及びパケット出力部514で構成した送信側パケット伝送装置と、パケット入力部515、パケット待機制御部516及びパケット出力部517で構成した受信側パケット伝送装置の2つのパケット伝送装置により、ネットワークを構成してもよい。この構成では、伝送速度を変えられる通信路12にパケットを送信する送信側パケット伝送装置が本発明の対象となり、受信側パケット伝送装置は従来のパケット伝送装置を用いてもよい。
本発明によれば、通信路の伝送能力を有効に活用した効率のよいパケット伝送が実現可能となるので、通信路の伝送速度の変更機能を有するパケット伝送装置の用途に有用である。
50 送信端末
51 従来のパケット伝送装置
51a 本発明に係るパケット伝送装置
52 従来のパケット伝送装置
53 受信端末
511,515 パケット入力部
512 パケット転送部
513,513a,516 パケット待機制御部
514,517 パケット出力部
518 バッファ閾値制御部

Claims (5)

  1. 通信路の伝送速度の変更機能を有するパケット伝送装置であって、
    設定した伝送速度にてパケットを送信するパケット出力部と、
    前記パケット出力部から送信するパケットを一時的にバッファに保持し、当該パケットをバッファに格納する際に、前記パケット出力部からの伝送速度の変更を監視して前記バッファに格納できるパケット数若しくはデータ量についての可変の上限を規定するバッファ閾値を制御するバッファ閾値制御部を有するパケット待機制御部と、
    を備えることを特徴とするパケット伝送装置。
  2. 前記バッファ閾値制御部は、
    前記パケット出力部からの伝送速度が変更前より低速に変更する際に、前記バッファ閾値を拡大し、変更前より高速に変更する際には、速度変更後から所定の規定時間以上経過して時点で、前記バッファ閾値を縮小することを特徴とする、請求項1に記載のパケット伝送装置。
  3. 前記バッファ閾値制御部は、
    前記パケット出力部からの伝送速度が変更前より低速に変更する際に、前記バッファ閾値を(変更前の速度−変更後の速度)×規定時間だけ拡大し、変更前より高速に変更する際には、速度変更後から所定の規定時間以上経過して時点で、前記バッファ閾値を(変更後の速度−変更前の速度)×規定時間だけ縮小することを特徴とする、請求項1又は2に記載のパケット伝送装置。
  4. 前記規定時間は、当該パケット伝送装置に通信接続する送信端末と該送信端末からのパケットを受信する受信端末との間の往復遅延時間とすることを特徴とする、請求項1〜3のいずれか一項に記載のパケット伝送装置。
  5. 前記規定時間は、当該パケット伝送装置と対向するパケット伝送装置との往復遅延時間に一定のマージンを加えた値とすることを特徴とする、請求項1〜3のいずれか一項に記載のパケット伝送装置。
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