JP2021145168A - 配信サーバ及びプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】負荷を軽減させることが可能な配信サーバ及びプログラムを提供する。【解決手段】配信サーバ３０は、マルチキャストグループを識別するためのマルチキャストＩＤ、パケットを識別するためのシーケンシャル番号、及びパケットの配信レートを識別するためのレート制御識別ＩＤを含む再送要求に対応する応答パケットを生成する応答パケット生成部１３と、応答パケットの送信に係る負荷率に基づいて、マルチキャストＩＤ及びレート制御識別ＩＤごとに、マルチキャストストリームの配信レートを決定する配信レート決定部１７と、を備える。【選択図】図２

Description

本発明は、配信サーバ及びプログラムに関する。

ＩＰ（Internet Protocol）マルチキャストを利用した配信（ＩＰマルチキャスト配信）では、送信側はデータを一度送信するだけで、経路途上の通信機器が受信者のいる経路にだけデータを複製し送信するため、一対多の大規模配信において効率的であることが一般的に知られている。例えば、特許文献１には、マルチキャストを用いた効率的なコンテンツ配信手法が開示されている。

マルチキャスト配信では、 上位のプロトコルとしてＵＤＰ（User Datagram Protocol）が利用されるため、パケット到達や到達順序については保証されない。信頼性のある配信を行うためには、誤り訂正や再送制御などをアプリケーションレイヤにて独自に実装する必要がある。そこで、汎用性のある高信頼性マルチキャストの研究が行われている（例えば、非特許文献１参照）。再送制御を用いた高信頼性マルチキャストではフロー制御を工夫することにより、高効率な配信を目的としているが、再送サーバの負荷については考慮されていないものが多い。

国際公開第２０１２／０１１４４９号

柴田、外２名、「プロトコル選択方式による高信頼性マルチキャスト通信の評価」、情報処理学会論文誌、Vol.42 No.12、pp 3102-3111

マルチキャストを利用した配信では、一般的にＦＥＣ（Forward Error Correction）が利用されるが、パケットを回復するためのＦＥＣパケットを追加で配信する必要があるため配信効率が低下してしまう。一方、ＡＲＱ（Automatic repeat-request）を利用したリライアブルなマルチキャストではロスパケットのみを再送するため、無駄な配信はない。しかし、端末数や伝送路のパケットロス率に応じて配信サーバの負荷が増大するという課題がある。

かかる事情に鑑みてなされた本発明の目的は、負荷を軽減させることが可能な配信サーバ及びプログラムを提供することにある。

一実施形態に係る配信サーバは、複数の受信装置から、ロスパケットの再送要求を受信すると、該再送要求に対応する応答パケットを各受信装置に送信する配信サーバであって、前記再送要求は、マルチキャストグループを識別するためのマルチキャストＩＤ、パケットを識別するためのシーケンシャル番号、及びパケットの配信レートを識別するためのレート制御識別ＩＤを含んでおり、前記マルチキャストＩＤ及び前記シーケンシャル番号に対応するパケットを応答パケットとして生成する応答パケット生成部と、前記応答パケットの送信に係る負荷率に基づいて、前記マルチキャストＩＤ及び前記レート制御識別ＩＤごとに、マルチキャストストリームの配信レートを決定する配信レート決定部と、を備える。

さらに、一実施形態において、前記配信レート決定部は、前記配信レートを、前記負荷率が大きいほど小さな値に決定してもよい。

さらに、一実施形態において、前記配信レート決定部は、前記マルチキャストＩＤごとに定められた許容配信レートに対する前記再送レートの割合を、前記負荷率として算出してもよい。

さらに、一実施形態において、前記応答パケットを一時的に蓄積する送信バッファと、前記送信バッファの空き容量を監視する送信バッファ管理部と、あらかじめ設定したタイマーがタイムアウトになるまでの第１時間、及び送信バッファの空き容量が閾値以下となるまでの第２時間のうちの早いほうの時間において、前記複数の受信装置から再送要求された再送要求パケット数を、前記レート制御識別ＩＤ及び前記マルチキャストＩＤごとにカウントする要求情報管理部と、を備え、前記配信レート決定部は、前記再送要求パケット数を用いて、前記レート制御識別ＩＤ及び前記マルチキャストＩＤごとに、前記再送レートを算出してもよい。

また、一実施形態に係るプログラムは、コンピュータを、上記配信サーバとして機能させる。

本発明によれば、負荷を軽減させることが可能な配信サーバ及びプログラムを提供することができる。

一実施形態に係る配信システムの概略を示す図である。 一実施形態に係る配信サーバの構成例を示すブロック図である。 一実施形態に係る配信サーバの再送要求受信時の処理例を示すフローチャートである。 一実施形態に係る配信サーバの配信レート決定の処理例を示すフローチャートである。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、一実施形態に係る配信システム１の概略を示す図である。図１に示す配信システム１は、配信サーバ３０と、複数の受信装置４０と、を備え、それぞれマルチキャストルーティングに対応したネットワーク（マルチキャスト対応網）に接続される。配信サーバ３０は、再送サーバ１０と、コンテンツ配信サーバ２０と、を備える。説明の便宜上、図面では再送サーバ１０とコンテンツ配信サーバ２０とを区別して示しているが、これらの一部又は全ては、一体のサーバとして構成されてもよい。

配信システム１は、受信装置４０から再送サーバ１０へのユニキャストによる再送制御を用いた、高信頼なマルチキャスト配信（例えば、ＩＰマルチキャスト配信）を行うシステムである。

コンテンツ配信サーバ２０は、コンテンツのマルチキャスト配信を行うサーバであり、複数のマルチキャストストリーム（例えば、ＩＰマルチキャストストリーム）をそれぞれマルチキャストパケット（以下、単に「パケット」と称する。）に分割して配信する。コンテンツ配信サーバ２０は、各パケットに対して、マルチキャストグループを識別するためのマルチキャストＩＤ（ＭＣＩＤ）、パケットを識別するためのシーケンシャル番号（ｓ）、及びパケットの配信レートを識別するためのレート制御識別ＩＤ（ｄ）を付加し、受信装置４０に配信する。

受信装置４０は、マルチキャスト受信が可能な端末であり、コンテンツ配信サーバ２０からパケットを受信する。受信装置４０は、シーケンシャル番号を元に、パケット順及びパケットロスを判定する。受信装置４０は、パケットロスを検知すると、検出したロスパケットのマルチキャストＩＤ、シーケンシャル番号、及びレート制御識別ＩＤを含む再送要求を再送サーバ１０に通知する。

再送サーバ１０は、受信装置４０から再送要求を受信すると、該再送要求に対応する応答パケットを生成して受信装置４０に送信する。

また、再送サーバ１０は、受信装置４０からの再送要求によって変動する再送レート（ＲＳＢＲ）から、マルチキャストグループごとに再送サーバ１０の負荷率（ＬＲ）を計算する。そして、再送サーバ１０は、マルチキャストグループごとのコンテンツ配信サーバ２０の配信レート（ＢＲ）を負荷率に基づいて計算し、配信レート、マルチキャストＩＤ、及びレート制御識別ＩＤを含む配信レート情報をコンテンツ配信サーバ２０に通知する。再送サーバ１０は、レート制御識別ＩＤにより、どの配信レートに対して発生したパケットロスかを知ることができ、配信レートごとに負荷率を正確に計算することが可能となる。また、再送サーバ１０は、送信バッファの空き容量を監視することで、送信バッファの破綻を防止する。再送サーバ１０の処理の詳細については後述する。

コンテンツ配信サーバ２０は、再送サーバ１０から配信レート情報を受け取ると、レート制御識別ＩＤをインクリメントする。そして、コンテンツ配信サーバ２０は、配信レート情報に基づいて、指定のマルチキャストグループの配信レートを、指定の配信レートに動的に切り替える。

（再送サーバの構成）
次に、再送サーバ１０の構成について説明する。図２は、再送サーバ１０の構成例を示すブロック図である。図２に示す再送サーバ１０は、再送要求受信部１１と、要求情報管理部１２と、応答パケット生成部１３と、タイマー管理部１４と、送信バッファ１５と、送信バッファ管理部１６と、配信レート決定部１７と、応答パケット送信部１８と、配信レート送信部１９と、を備える。

再送要求受信部１１は、受信装置４０から再送要求を受信し、要求情報管理部１２に出力する。

要求情報管理部１２は、再送要求からマルチキャストＩＤ、シーケンシャル番号、及びレート制御識別ＩＤを取得してこれらを応答パケット生成部１３に出力するとともに、レート制御識別ＩＤをタイマー管理部１４に出力する。

要求情報管理部１２は、レート制御識別ＩＤが更新されるとカウンタをリセットし、レート制御識別ＩＤが次に更新されるまでの間、全ての受信装置４０から要求された再送要求パケット数（Ｒｎｕｍ）をカウントする。要求情報管理部１２は、カウントした再送要求パケット数を配信レート決定部１７に出力する。後述するように、タイマーがタイムアウトになるまでの時間Ｔ１、及び送信バッファ１５のバッファ量が閾値を超えるまでの時間Ｔ２のうち、早いほうの計測時間ｔが経過すると、コンテンツ配信サーバ２０の配信レートが決定され、コンテンツ配信サーバ２０はレート制御識別ＩＤを更新する。

応答パケット生成部１３は、マルチキャストＩＤ及びシーケンシャル番号に対応するデータを示す対応表をあらかじめ保持しており、受信装置４０からの再送要求に含まれるマルチキャストＩＤ及び前記シーケンシャル番号に対応するデータを該対応表に基づいて特定する。そして、応答パケット生成部１３は、図示しない記憶部から該当するデータを取得してヘッダーとしてシーケンシャル番号を付加して応答パケットを生成し、送信バッファ１５に出力する。

送信バッファ１５は、応答パケット生成部１３により生成された応答パケットを一時的に蓄積する。

応答パケット送信部１８は、送信バッファ１５から応答パケットを取得し、該パケットの再送要求を行った受信装置４０に送信する。

送信バッファ管理部１６は、送信バッファ１５の空き容量を監視し、空き容量が閾値以下（利用率が閾値以上）となった場合に、送信バッファ１５の利用率が高いことを示すバッファ飽和イベントを配信レート決定部１７に通知する。

タイマー管理部１４は、レート制御識別ＩＤに変更があった場合、タイマー時間Ｔ１（例えば３０秒）を設定する。タイマー管理部１４は、タイマー時間Ｔ１が経過すると、タイマー時間Ｔ１が経過したことを示すタイマー発火イベントを配信レート決定部１７に出力する。また、タイマー管理部１４は、タイマーを設定した時刻（レート制御識別ＩＤに変更があった時刻）からの経過時間を示す情報を配信レート決定部１７に通知する。

配信レート決定部１７は、応答パケットの送信に係る負荷率（応答パケットの送信に必要な再送レートから算出される負荷率）に基づいて、マルチキャストＩＤ及びレート制御識別ＩＤごとに、マルチキャストストリームの配信レートを決定する。例えば、配信レート決定部１７は、応答パケットの送信に必要な再送レート（ＲＳＢＲ）から、マルチキャストグループごとに再送サーバ１０の負荷率（ＬＲ）を計算する。そして、配信レート決定部１７は、該負荷率に基づいて、コンテンツ配信サーバ２０が送信するマルチキャストＩＤごとのパケットの配信レート（ＢＲ）を計算し、配信レート送信部１９に出力する。以下に、負荷率及び配信レートの計算の具体例について説明する。ここで用いられる変数を、下記の表に示す。

要求情報管理部１２は、レート制御識別ＩＤが更新されるまでの計測時間ｔ（つまり、設定したタイマーがタイムアウトになるまでの時間Ｔ１、及びタイマーを設定時刻から送信バッファ１５の空き容量が閾値以下となるまでの時間Ｔ２のうちの早いほうの時間）において、全ての受信装置４０から再送要求された再送要求パケット数Ｒｎｕｍを、レート制御識別ＩＤ及びマルチキャストＩＤごとにカウントする。そして、配信レート決定部１７は、再送要求パケット数Ｒｎｕｍを用いて、レート制御識別ＩＤ及びマルチキャストＩＤごとに、応答パケットの送信に必要な再送レートＲＳＢＲを、次式（１）により算出する。

次に、配信レート決定部１７は、次式（２）に示すように、マルチキャストＩＤごとに定められた許容配信レートＭＡＸ_ＲＳＢＲに対する再送レートＲＳＢＲの割合を、再送サーバ１０の負荷率ＬＲとして算出する。

次に、配信レート決定部１７は、配信レートＢＲを、負荷率ＬＲに基づいて設定する。例えば、次式（３）のように、配信レートＢＲを、負荷率ＬＲが大きいほど小さな値とする。式（３）は負荷率ＬＲに応じて配信レートＢＲを線形的に下げる式の一例であるが、負荷率ＬＲに応じて配信レートＢＲを非線形的に下げてもよいし、表１に示す他の変数を用いて配信レートＢＲを決定してもよい。なお、配信レートＢＲは、マルチキャストストリームの配信レートの最大値ＭＡＸ_ＢＲを超えないものとする。このように、再送サーバ１０の負荷率ＬＲが大きい場合には、コンテンツ配信サーバ２０の配信レートＢＲを下げることにより、受信装置４０の単位時間あたりの損失パケット数を低下させることが可能となる。

配信レート送信部１９は、配信レート決定部１７により決定された配信レート、及びマルチキャストＩＤを含む配信レート情報を、コンテンツ配信サーバ２０に通知する。

コンテンツ配信サーバ２０は、再送サーバ１０から配信レート情報を受け取ると、レート制御識別ＩＤをインクリメントする。そして、コンテンツ配信サーバ２０は、配信レート情報に基づいて、指定のマルチキャストグループの配信レートを、指定の配信レートに動的に切り替える。これにより、再送サーバ１０の負荷をマルチキャストグループごとに調整することが可能となる。

再送サーバ１０の許容配信レートＭＡＸ_ＲＳＢＲ(ＭＣＩＤ)は、マルチキャストグループごとに設定することが可能である。例えば、ＭＣＩＤ＝Ａ，Ｂの２つのマルチキャストグループが存在する場合に、ＭＡＸ_ＲＳＢＲ(Ａ)＞ＭＡＸ_ＲＳＢＲ(Ｂ)と設定することで、再送サーバ１０のリソースをＭＣＩＤ＝Ａのマルチキャストグループに優先的に振り分けることが可能となる。ただし、ＭＡＸ_ＲＳＢＲ(Ａ)＋ＭＡＸ_ＲＳＢＲ(Ｂ)が、再送サーバ１０の配信性能を超えないように設定する必要がある。

（再送要求受信時の処理）
次に、再送サーバ１０による再送要求受信時の処理を、図３を参照して説明する。図３は、再送サーバ１０による要求情報の受信ごとに発生する処理例を示すフローチャートである。

ステップＳ１０１では、再送要求受信部１１により、受信装置４０から再送要求を受信する。

ステップＳ１０２では、要求情報管理部１２により、再送要求を解析し、マルチキャストＩＤ(ＭＣＩＤ)、シーケンシャル番号（ｓ）、及びレート制御識別ＩＤ（ｄ）を検出する。

ステップＳ１０３では、応答パケット送信部１８により、受信装置４０から再送要求されたパケットに対応する応答パケットを、該受信装置４０に送信する。

ステップＳ１０４では、タイマー管理部１４により、現在計測中のレート制御識別ＩＤであるＬａｓｔｄと、ステップＳ１０２で検出されたレート制御識別ＩＤとを比較する。Ｌａｓｔｄの初期値は−１とする。レート制御識別ＩＤがインクリメントされてｄ＞Ｌａｓｔｄとなった場合には処理をステップＳ１０７に進め、それ以外の場合には処理をステップＳ１０５に進める。

ステップＳ１０５では、要求情報管理部１２により、現在計測中のレート制御識別ＩＤであるＬａｓｔｄと、ステップＳ１０２で検出されたレート制御識別ＩＤとが一致するか否かを判定する。ｄ＜Ｌａｓｔｄである場合には何も行わず、ｄ＝Ｌａｓｔｄである場合には処理をステップＳ１０６に進める。

ステップＳ１０６では、要求情報管理部１２により、再送要求パケット数Ｒｎｕｍをインクリメントする。

ステップＳ１０７では、タイマー管理部１４により、タイマー時間Ｔ１を設定するとともに、タイマーを設定した時刻から現在の時刻までの経過時間の計測を開始する。

ステップＳ１０８では、要求情報管理部１２により、Ｌａｓｔｄに、これから再送要求パケット数の計測を開始する最新のレート制御識別ＩＤを代入してＬａｓｔｄを更新する。

（配信レートの決定処理）
次に、再送サーバ１０による配信レートの決定処理を、図４を参照して説明する。図４は、再送サーバ１０による配信レート決定の処理例を示すフローチャートである。

ステップＳ２０１では、配信レート決定部１７により、図３のステップＳ１０７で設定されたタイマー時間が経過したことを示すタイマー発火イベント、又は送信バッファ１５の利用率が高いことを示すバッファ飽和イベントを検出する。すなわち、配信レート決定部１７は、タイマー時間Ｔ１が経過するか、又はタイマーを設定した時刻から送信バッファ１５の空き容量が閾値以下となるまでの時間Ｔ２が経過すると、処理をステップＳ２０２に進める。

ステップＳ２０２では、配信レート決定部１７により、上記式（１）（２）を用いて負荷率を計算する。

ステップＳ２０３では、配信レート決定部１７により、上記式（３）を用いて配信レートを計算する。

ステップＳ２０４では、配信レート送信部１９により、配信レート及びマルチキャストＩＤを含む配信レート情報をコンテンツ配信サーバ２０に通知する。

以上説明したように、受信装置４０はコンテンツ配信サーバ２０からパケットを受信し、ロスパケットを検出すると、マルチキャストＩＤ、シーケンシャル番号、及びレート制御識別ＩＤを含む再送要求を再送サーバ１０に送信する。再送サーバ１０は、受信装置４０から再送要求を受信すると、応答パケットを生成して送信するとともに、応答パケットの送信に係る負荷率（応答パケットの送信に必要な再送レートから算出される負荷率）に基づいて、マルチキャストＩＤ及びレート制御識別ＩＤごとに、マルチキャストストリームの配信レートを決定する。かかる構成により、本発明によれば、オペレーティングシステムのアップデートなど、リアルタイム性の求められないコンテンツについて、限られたリソースの中でデータ到達を保証しながらマルチキャスト配信を実現することが可能となる。そして、ネットワーク状況だけでなく、コンテンツ配信サーバ２０の性能によってフロー制御を行うので、受信装置４０の増加による再送サーバ１０へのアクセス集中による破綻を防止することができる。

また、受信装置４０のパケットロスのフィードバックにより、再送サーバ１０が破綻しない範囲内でマルチキャストの配信レートを最大化することが可能となる。また、再送サーバ１０により決定された配信レートを最大値として、その他の高信頼性マルチキャストのフロー制御を組み合わせることで、再送サーバ１０の破綻を防止しながら配信効率を高めることが可能となる。

また本発明では、マルチキャストグループを識別するためのマルチキャストＩＤを導入することにより、マルチキャストストリームごとに許容配信レートを設定することができ、再送サーバ１０は、マルチキャストＩＤごとに定められた許容配信レートに対する再送レートの割合を、負荷率として算出する。そのため、本発明によれば、マルチキャストグループごとに再送サーバ１０のリソースを割り当てることができ、例えば優先的に送信したいコンテンツの配信レートを上昇させることが可能となる。

（プログラム）
配信サーバ３０（再送サーバ１０及びコンテンツ配信サーバ２０）は、各機能を実現する処理内容を記述したプログラムを記憶部に格納しておき、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）などのプロセッサによってこのプログラムを読み出して実行させるコンピュータであってもよい。また、これらの処理内容の少なくとも一部は、ハードウェアで実現されてもよい。例えば、配信サーバ３０として機能させるためのプログラムは、上述した図３及び図４に記載のステップを含む。

また、このプログラムは、コンピュータが読み取り可能な記録媒体に記録されていてもよい。このような記録媒体を用いれば、プログラムをコンピュータにインストールすることが可能である。ここで、プログラムが記録された記録媒体は、非一過性の記録媒体であってもよい。非一過性の記録媒体は、特に限定されるものではないが、例えば、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭなどの記録媒体であってもよい。また、このプログラムは、ネットワークを介したダウンロードによって提供することもできる。

上述の実施形態は代表的な例として説明したが、本発明の趣旨及び範囲内で、多くの変更及び置換ができることは当業者に明らかである。したがって、本発明は、上述の実施形態によって制限するものと解するべきではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。例えば、実施形態に記載の構成ブロック又は処理ステップについて、複数を１つに組み合わせたり、１つを複数に分割したりすることが可能である。

１ 配信システム
１０ 再送サーバ
１１ 再送要求受信部
１２ 要求情報管理部
１３ 応答パケット生成部
１４ タイマー管理部
１５ 送信バッファ
１６ 送信バッファ管理部
１７ 配信レート決定部
１８ 応答パケット送信部
１９ 配信レート送信部
２０ コンテンツ配信サーバ
３０ 配信サーバ
４０ 受信装置

Claims (5)

1. 複数の受信装置から、ロスパケットの再送要求を受信すると、該再送要求に対応する応答パケットを各受信装置に送信する配信サーバであって、
   前記再送要求は、マルチキャストグループを識別するためのマルチキャストＩＤ、パケットを識別するためのシーケンシャル番号、及びパケットの配信レートを識別するためのレート制御識別ＩＤを含んでおり、
   前記マルチキャストＩＤ及び前記シーケンシャル番号に対応するパケットを応答パケットとして生成する応答パケット生成部と、
   前記応答パケットの送信に係る負荷率に基づいて、前記マルチキャストＩＤ及び前記レート制御識別ＩＤごとに、マルチキャストストリームの配信レートを決定する配信レート決定部と、
   を備える配信サーバ。
2. 前記配信レート決定部は、前記配信レートを、前記負荷率が大きいほど小さな値に決定する、請求項１に記載の配信サーバ。
3. 前記配信レート決定部は、前記マルチキャストＩＤごとに定められた許容配信レートに対する再送レートの割合を、前記負荷率として算出する、請求項１又は２に記載の配信サーバ。
4. 前記応答パケットを一時的に蓄積する送信バッファと、
   前記送信バッファの空き容量を監視する送信バッファ管理部と、
   あらかじめ設定したタイマーがタイムアウトになるまでの第１時間、及び送信バッファの空き容量が閾値以下となるまでの第２時間のうちの早いほうの時間において、前記複数の受信装置から再送要求された再送要求パケット数を、前記レート制御識別ＩＤ及び前記マルチキャストＩＤごとにカウントする要求情報管理部と、を備え、
   前記配信レート決定部は、前記再送要求パケット数を用いて、前記レート制御識別ＩＤ及び前記マルチキャストＩＤごとに、前記再送レートを算出する、請求項３に記載の配信サーバ。
5. コンピュータを、請求項１から４のいずれか一項に記載の配信サーバとして機能させるためのプログラム。
   

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