JP2023056350A - 通信装置、制御方法、及びプログラム - Google Patents
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Abstract
【課題】通信ごとの要求品質に基づく適切な通信制御を行うこと。【解決手段】1つ以上のネットワークスライスを介して、TCP(Transmission Control Protocol)を用いた通信を行う通信装置は、1つ以上のネットワークスライスのそれぞれにおけるTCPを用いた通信の状態と、その1つ以上のネットワークスライスにおける要求品質とに基づいて、その1つ以上のネットワークスライスの設定を決定し、決定した設定を行うように、1つ以上のネットワークスライスを管理する装置へ要求する。【選択図】図1
Description
本発明は、ネットワークスライスにおける通信制御技術に関する。
第3世代パートナーシッププロジェクト(3GPP)では、サービス要件ごとにネットワークを仮想的に分割したネットワークスライスを用いて通信を行うことが規定されている。特許文献1には、ユーザ機器が要求する通信品質に基づいて、ネットワークスライスを割り当てる技術が記載されている。なお、ネットワークスライスでは、TCP/IP(Transmission Control Protocol/Internet Protocol)を用いた通信を行うことができる。特許文献2には、TCP/IPを用いた通信において、統計的な情報を使用して帯域制御を行うことにより通信品質の管理を行う技術が記載されている。
特許文献2に記載の技術では、TCP/IPを用いて行われた通信の統計に基づいてTCP/IP通信全体の通信品質が管理されるものであり、TCP/IP通信ごとに適切な通信品質が異なる状況には対応できない。このため、例えば通信ごとの要求品質(帯域(スループット)、遅延、信頼性等)に基づく適切な通信制御を行うことができない。
本発明は、通信ごとの要求品質に基づく適切な通信制御を実行可能とする技術を提供する。
本発明の一態様による通信装置は、1つ以上のネットワークスライスを介して、TCP(Transmission Control Protocol)を用いた通信を行う通信手段と、前記1つ以上のネットワークスライスのそれぞれにおける前記TCPを用いた通信の状態と、当該1つ以上のネットワークスライスにおける要求品質とに基づいて、前記1つ以上のネットワークスライスの設定を決定する決定手段と、前記決定した設定を行うように、前記1つ以上のネットワークスライスを管理する装置へ要求する要求手段と、を有する。
本発明によれば、通信ごとの要求品質に基づく適切な通信制御を行うことができるようになる。
以下、添付図面を参照して実施形態を詳しく説明する。なお、以下の実施形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。実施形態には複数の特徴が記載されているが、これらの複数の特徴の全てが発明に必須のものとは限らず、また、複数の特徴は任意に組み合わせられてもよい。さらに、添付図面においては、同一若しくは同様の構成に同一の参照番号を付し、重複した説明は省略する。
(システム構成)
図1に、本実施形態に係る通信システムの構成例を示す。通信システムは、例えば、通信装置101、コアネットワーク102、及び、データネットワーク103を含んで構成される。コアネットワーク102は、例えば、ロングタームエボリューション(LTE)や第5世代(5G)のセルラ通信システムのネットワークであり、無線アクセスネットワーク(RAN)を含んで構成される。なお、コアネットワークは、制御プレーン106とユーザプレーン107とを含む。通信装置101は、コアネットワーク102のRANとの間で無線接続を確立して無線通信を行うことが可能に構成される。コアネットワーク102は、UPF107を通じて、セルラ通信システムの端末装置である通信装置101と、セルラ通信システムのネットワークの外部のデータネットワーク103とを接続することができる。通信装置101は、コアネットワーク102を介してデータネットワーク103へアクセスし、データネットワーク103から情報を取得し、データネットワーク103へ情報を送信することができるように構成される。
図1に、本実施形態に係る通信システムの構成例を示す。通信システムは、例えば、通信装置101、コアネットワーク102、及び、データネットワーク103を含んで構成される。コアネットワーク102は、例えば、ロングタームエボリューション(LTE)や第5世代(5G)のセルラ通信システムのネットワークであり、無線アクセスネットワーク(RAN)を含んで構成される。なお、コアネットワークは、制御プレーン106とユーザプレーン107とを含む。通信装置101は、コアネットワーク102のRANとの間で無線接続を確立して無線通信を行うことが可能に構成される。コアネットワーク102は、UPF107を通じて、セルラ通信システムの端末装置である通信装置101と、セルラ通信システムのネットワークの外部のデータネットワーク103とを接続することができる。通信装置101は、コアネットワーク102を介してデータネットワーク103へアクセスし、データネットワーク103から情報を取得し、データネットワーク103へ情報を送信することができるように構成される。
コアネットワーク102やデータネットワーク103は、複数の通信機能を有する1つ以上のサーバ等のコンピュータを含んで構成される。これらの装置及び通信装置101は、例えば図2に示すように、一般的なコンピュータとしての機能を有しうる。すなわち、各装置は、そのハードウェア構成の一例として、記憶部201、制御部202、機能部203、入力部204、出力部205、及び通信部206を有する。また、例えば通信装置101や、コアネットワーク102内のRANノードは、無線通信のためのアンテナ207を有する。
記憶部201は、ROM、RAMの両方、または、いずれか一方を含む1つ以上のメモリにより構成され、後述する各種動作を行うためのプログラムや、通信のためのパラメータ等の各種情報を記憶する。なお、ROMはRead Only Memoryの頭字語であり、RAMはRandom Access Memoryの頭字語である。記憶部201として、ROM、RAM等のメモリの他に、フレキシブルディスク、ハードディスク、光ディスク、光磁気ディスク、CD-ROM、CD-R、磁気テープ、不揮発性のメモリカード、DVDなどの記憶媒体が用いられてもよい。また、記憶部201は、複数のメモリ等の記憶装置を含んで構成されてもよい。
制御部202は、例えば、CPUやMPU等の1つ以上のプロセッサ、ASIC(特定用途向け集積回路)、DSP(デジタルシグナルプロセッサ)、FPGA(フィールドプログラマブルゲートアレイ)等により構成される。ここで、CPUはCentral Processing Unitの頭字語であり、MPUは、Micro Processing Unitの頭字語である。なお、制御部202は、マルチコアのプロセッサであってもよい。制御部202は、記憶部201に記憶されたプログラムを実行することにより装置全体を制御する。なお、制御部202は、記憶部201に記憶されたプログラムとOS(Operating System)との協働により装置全体を制御するようにしてもよい。
また、制御部202は、機能部203を制御して、所定の処理を実行する。機能部203は、装置が所定の処理を実行するためのハードウェアである。通信装置101は、例えば、撮像機能や印刷機能を有し、機能部203としてカメラやプリンタを含みうる。機能部203が処理するデータは、記憶部201に記憶されているデータであってもよいし、後述する通信部206を介して他の装置と通信したデータであってもよい。また、機能部203は、上述のコアネットワーク102やデータネットワーク103の機能を維持管理するための処理回路を含んでもよい。
入力部204は、ユーザからの各種操作の受付を行う。出力部205は、ユーザに対して各種出力を行う。ここで、出力部205による出力とは、例えば、画面上への表示や、スピーカによる音声出力、振動出力等の少なくとも1つを含む。なお、タッチパネルのように入力部204と出力部205の両方を1つのモジュールで実現するようにしてもよい。
通信部206は、有線通信又は無線通信の制御や、TCP/IP通信の制御を行う通信回路を含んで構成される。また、通信部206は、アンテナ207を制御して、無線通信のための無線信号の送受信を行いうる。AP及びSTAは、通信部206を介して、画像データや文書データ、映像データ等のコンテンツを他の通信装置と通信する。アンテナ207は、例えば、セルラ通信システムにおいて規定されている周波数帯域で無線信号を送受信可能なアンテナである。
図1に戻り、通信装置101の機能構成について説明する。通信装置101は、その機能構成として、UPF107を介してユーザへ通信サービスを提供するサービスモジュール群104を有する。サービスモジュール群104は、例えば、メディアプレイヤ115、ファイルブラウザ116、センサ117及びアクチュエータ118を含む。これらのサービスモジュール群104は、通信装置101に組み込まれ、通信装置101は、これらのモジュールを介して、データネットワーク103からデータを取得しうる。なお、各モジュールは、ユーザネットワーク(UN119)及びルータ120を介して、コアネットワーク102に接続し、さらに、データネットワーク103に接続することができる。
通信装置101は、さらに、その機能として、通信管理プレーン105を含む。通信管理プレーン105は、ソケット管理部108、ソケットデータベース109、QoS管理部110、及びネットワークスライス制御部111を含んで構成される。ソケット管理部108は、サービスモジュール群104による、例えばTCP/IP(Transmission Control Protocol/Internet Protocol)の、ソケット通信を管理する。ソケットデータベース109は、TCP/IPのソケット情報を例えば後述するソケットテーブルの形式で蓄積し、その情報を例えばソケット管理部108へ提供する。QoS管理部110は、通信装置101内の通信品質(QoS、Quality of Service)を制御及び管理する。ネットワークスライス制御部111は、QoS管理部110からの要求に従って、コアネットワーク102にネットワークスライスの要求を行い、その応答を受信することにより、ネットワークスライスを用いた通信のための制御を行う。
コアネットワーク102は、上述のように、制御プレーン106及びユーザプレーン107を含む。制御プレーン106は接続制御やセッション管理制御を行い、ユーザプレーン107はユーザデータの通信を行う。なお、コアネットワーク102は、認証サーバ、セッション管理装置、アプリケーションサーバなどの図1に示していない機能を含む。制御プレーン106は、ネットワークオーケストレータ112と、モバイルコントローラ113とを含んで構成される。ネットワークオーケストレータ112は、各種サービスのためのネットワークスライスの管理・制御等を行う。モバイルコントローラ113は、ネットワークオーケストレータ112の制御の下で、各サービスに適したネットワークスライスの設定を行う。モバイルコントローラ113は、例えば、高速伝送のための所定のスループットを保証できるように、又は、フレーム誤り率などの誤り率が極めて低く、高信頼な通信を行うことができるように、ネットワークスライスを設定しうる。なお、制御プレーン106は、さらに、必要に応じて、ネットワークコントローラ114を用いて、データネットワーク106側の制御を行うこともできる。ユーザプレーン107は、モバイルコントローラ113によって割り当てられる複数の仮想的なネットワークスライス121~123を定義することができる。ネットワークスライスには、それぞれ、通信装置101との無線通信のためのRAN(無線アクセスネットワーク)と、データネットワークとの通信を行うユーザプレーンファンクション(UPF)とが割り当てられる。
データネットワーク103には、インターネットやイントラネットのようなWAN(Wide Area Network)などの、ネットワーク124を含む。一部のネットワークは、Open Flowコントローラなどのネットワークコントローラ114を有する。そして、ネットワークコントローラ114は、ネットワークオーケストレータ112が要求するネットワークポリシを受け付け、コアネットワーク102と協調してQoSを管理することにより優先的な通信サービスを実現する。例えば、図1の例では、メディアプレイヤ115には、60Mbpsのスループットの保証が付いた第1のネットワークスライスが用意されている。また、ファイルブラウザ116には、スループットが保証されないが最大1Gbpsの第2のネットワークスライスが割り当てられている。また、センサ117やアクチュエータ118は、低遅延の第3のネットワークスライスが割り当てられている。なお、例えば、センサ117やアクチュエータ118は少ない容量のデータを頻繁に送受信する性質があるため、第3のネットワークスライスでは、スループットの保証などは要求されない。
本実施形態では、TCP/IPを用いた通信システムにおいて、各ネットワークスライスに対して、適切な帯域幅を割り当てることにより、通信品質を管理する仕組みを提供する。すなわち、TCP/IPは、従来、ベストエフォート型の通信が可能であって、スループットや遅延量や誤り品質などの要求に応じた通信の優先制御を行うことが容易でない。これに対して、本実施形態では、通信の内容に従って、スループットや遅延、信頼性などに基づいて、適切な帯域幅や遅延量を設定する優先制御を実行可能とする。これにより、TCP/IPが使用されるネットワークにおいて、例えばネットワークスライスごとに適切な通信制御を行うことが可能となる。
(処理の流れ)
図3を用いて、本実施形態に係る通信処理の流れについて説明する。通信装置101は、通信を開始するに先立って、通信装置101の内部の記憶領域にソケットテーブルを生成する。例えば、サービスモジュール104が、例えばユーザ操作によって通信を開始すべきことを検出すると、通信に必要なソケットテーブルの作成要求をソケット管理部108へ通知する(F301)。そして、ソケット管理部108は、その通知に従って、ソケットテーブルを作成する。
図3を用いて、本実施形態に係る通信処理の流れについて説明する。通信装置101は、通信を開始するに先立って、通信装置101の内部の記憶領域にソケットテーブルを生成する。例えば、サービスモジュール104が、例えばユーザ操作によって通信を開始すべきことを検出すると、通信に必要なソケットテーブルの作成要求をソケット管理部108へ通知する(F301)。そして、ソケット管理部108は、その通知に従って、ソケットテーブルを作成する。
ここで、図4を用いて、生成されるソケットテーブルの例について説明する。図4は、生成されるソケットテーブルの例を示している。ソケットテーブルでは、例えば、行われたソケット通信を一意に特定するための、ソケットID(soID)と呼ばれる一意の識別子が割り当てられて保持される。また、ソケットテーブルには、各ソケットIDに対応する通信における、ソケット送信元アドレス(SA、Source Address)、宛先アドレス(DA、Destination Address)が含まれる。さらに、各ソケットIDについての、送信元ポート(sPort、Source Port)及び宛先ポート(dPort、Destination Port)が含まれる。なお、SA、DA、sPort、及びdPortの4つの情報が、ソケットペアと呼ばれる。
ソケットテーブルは、さらに、送信元受信ウインドウ(sRWIN、Source Receive Window)と宛先受信ウインドウ(dRWIN、Destination Receive Window)とを含む。なお「受信ウインドウ(RWIN)」は、受信バッファサイズを示す。TCP/IPでは、Establishと呼ばれる接続が完了した状態となり送受信可能な状態となったことに応じて、送信元と宛先の双方に受信バッファが用意される。さらに、ソケットテーブルは、RTT(ラウンドトリップタイム)を含む。RTTとして、通信の往復時間の測定値が記録される。さらに、ソケットテーブルは、通信の状態(state)、通信のタイプ(type)、プロトコル(ptcl)、TTL(Time To Live)、MTU(Maximum Transmission Unit)を含む。ソケット管理部108は、通信を実行中に、その通信における上述の各要素をソケットテーブルに登録していく。
図3に戻り、ソケット管理部108は、ソケットの作成をQoS管理部110及びネットワークスライス制御部111に通知する(F302)。ネットワークスライス制御部111は、ソケット作成を検出すると、送信元と宛先を接続するためのネットワークスライスの準備のために、コアネットワーク102のネットワークオーケストレータ112へスライス作成要求を通知する(F303)。そして、ネットワークオーケストレータ112は、ネットワークスライスの作成準備を通知するために、ネットワークスライス制御部111へ応答を送信する(F304)。また、ネットワークオーケストレータ112は、モバイルコントローラ113及びネットワークコントローラ114へ、ネットワークスライスの作成を指示する(F305)。モバイルコントローラ113及びネットワークコントローラ114は、この指示に基づいて、ユーザプレーン107上にネットワークスライスを作成する(F306)。サービスモジュール104は、ソケット管理部108からAcceptを通知されると、続いて、3wayHandshakeを実行してサーバ125との間でデータ通信を開始する(F307)。
図5に、TCPのステートマシンを示す。TCPのソケットが作成された時点ではCLOSEDの状態であり、この状態ではデータを含む通信を開始することはできない。3wayHandshakeが開始されると、送信元アドレスからSynパケットが宛先アドレスへ送信され、それに応じて、宛先アドレスからSynパケットの到着を確認するSyn,ackパケットが送信元アドレスへ送信される。そして、送信元アドレスが、Syn,ackパケットの受信を宛先アドレスに知らせるackパケットを送信すると、ESTABLISH状態に移行する。3wayHandshake時の情報の確認により、宛先のサーバが起動し、受信ウインドウが準備され、パケットの往復にかかる伝搬遅延と処理時間を含めたRTTが測定され、これにより、データ通信用のネットワークスライスが準備される。
データ通信を開始した後、ネットワークスライス制御部111は、ソケット管理部108を介してソケットテーブルの情報を参照し(F308)、ネットワークスライスに対して設定すべき帯域幅を決定する(F309)。一例において、ネットワークスライス制御部111は、図4のソケットテーブルから、ソケットペア(すなわち、SA、DA、sPort、及びdPort)を参照することにより通信タイプを推定することができる。例えば、図7のような、通信ポートと使用されるプロトコルとの関係に基づいて、通信ポートによって通信タイプが推定される。すなわち、実行する通信に関するソケットペアに含まれるポートのポート番号が、図7に示すようなウェルノウンポートと呼ばれるポート番号と一致する場合に、その通信のプロトコルがそのウェルノウンポートに対応するプロトコルであると特定されうる。そして、プロトコルにおいて使用される受信ウインドウサイズとRTTとを特定することにより、その通信に対して確保すべき帯域幅を特定することができる。なお、通信プロトコルの特定はポートによって特定されなくてもよく、例えば、サービスモジュール104が、使用する通信プロトコルを明示的にネットワークスライス制御部111へ通知してもよい。
例えば、メディアプレイヤ115には、第1のネットワークスライスが接続されており、プロトコルとしてReal Time Streaming Protocol(RTSP)が使用されうる。この場合、ネットワークスライス制御部111は、RTSPにおいて使用される受信ウインドウサイズとRTTとを特定することにより、そのネットワークスライスに割り当てるべき帯域幅を推定することができる。ネットワークスライス制御部111は、例えば、ネットワークスライスに対して設定する帯域幅を、図6に示すような帯域遅延積に基づいて特定しうる。TCP/IPでは、用意された伝送路の帯域幅にかかわらず、帯域遅延積によって伝送可能な帯域幅が制約される。図6において、横軸はRTT(遅延時間)を示し、縦軸は通信に使用可能な帯域幅を示している。各々の受信ウインドウサイズ(RWIN)が決定され、RTTが測定されると、通信可能なビットレートが決定される。例えば、RWINが64KByteであり、RTTが1msecである場合、524Mbpsの帯域幅が使用可能となる。このため、例えば1Gbpsの帯域幅が用意されても、524Mbps以上の帯域幅をネットワークスライスに割り当てても有効活用できないことが想定される。したがって、ネットワークスライス制御部111は、このような通信に対しては、524Mbpsを超える帯域幅を割り当てないようにしうる。このようにして、ネットワークスライス制御部111は、ソケットテーブルに記載の受信ウインドウサイズとRTTとに基づいて、帯域遅延積を計算することにより使用可能な帯域幅を特定することができる。なお、受信ウインドウサイズとRTTとの対応関係を示す、帯域遅延積に相当するテーブルを用意しておき、ネットワークスライス制御部111は、そのテーブルを参照することにより、帯域幅を特定してもよい。また、ここでのRWINは、受信ウインドウサイズと輻輳ウインドウサイズとのうちの小さい方でありうる。すなわち、輻輳ウインドウサイズとRTTに基づいて、帯域幅が特定されてもよい。
また、ネットワークスライス制御部111は、第2のサービスモジュールとして割り当てられているファイルブラウザ116に対して、スループットが非保証のベストエフォート接続を確立しうる。この場合、最大帯域が1Gbpsでスループットを保証せず、遅延も容認するネットワークスライスが使用されうる。また、ネットワークスライス制御部111は、センサ117及びアクチュエータ118に対して、低遅延の接続を確立しうる。ここで、ネットワークスライス制御部111は、例えば、低遅延のネットワークスライスに対する帯域などの他のネットワークスライスに対する帯域を決定した後に、スループット非保証のネットワークスライスについて、残りの帯域を割り当てると決定しうる。
帯域幅の特定後、ネットワークスライス制御部111は、コアネットワーク102内のネットワークオーケストレータ112に、F303において作成を要求したスライスの設定更新を要求する(F310)。ネットワークオーケストレータ112は、その要求に応じて設定を更新するように、モバイルコントローラ113及びネットワークコントローラ114に指示を送信する(F311)。そして、モバイルコントローラ113及びネットワークコントローラ114は、その指示に基づいて、ネットワークスライスの帯域設定情報を更新する(F312)。
なお、ネットワークスライス制御部111は、例えばRTTの測定やRWINの監視などを継続して、帯域の割り当てを適応的に変更し、ネットワークオーケストレータ112にスライスの設定更新を要求しうる。これにより、通信状況の変化に応じて、要求された通信品質を十分に満たすことができるように通信制御を行うことができる。なお、上述の説明では、通信装置101が、複数のネットワークスライスのそれぞれについてのTCPを用いた通信の状態を示す情報(ソケットテーブル)に基づいて、それらのネットワークスライスのそれぞれに割り当てるべき帯域幅を決定する例を説明した。しかしながら、これは一例に過ぎず、1つのネットワークスライスのみに対して同様の処理を実行することができる。また、上述の例では、ネットワークスライスに割り当てる帯域幅を決定する構成について説明したが、これに限られない。すなわち、上述の構成に対して追加的に又は代替的に、ネットワークスライスの他のパラメータを制御するように、通信装置101からネットワークオーケストレータ112へ要求してもよい。例えば、通信装置101は、上述の第3のネットワークスライスにおいて、RTTが所定値より短くなるように、ネットワークオーケストレータ112へ遅延を短縮するような設定変更を要求してもよい。また、通信装置101は、誤り率が通信サービスに適した値となるように、ネットワークオーケストレータ112へ誤り制御のための設定変更を要求してもよい。
以上のようにして、本実施形態では、通信装置101が、TCPによる通信の状態をソケットテーブル(データベース)として保持し、そのソケットテーブルに基づいて、ネットワークスライスの帯域制御を行う。これにより、ネットワークスライスにおいてTCPを用いて通信を行う場合に、そのネットワークスライスの要求品質を確保することが可能となる。
本発明は、上述の実施形態の1以上の機能を実現するプログラムを、ネットワーク又は記憶媒体を介してシステム又は装置に供給し、そのシステム又は装置のコンピュータにおける1つ以上のプロセッサーがプログラムを読出し実行する処理でも実現可能である。また、1以上の機能を実現する回路(例えば、ASIC)によっても実現可能である。
発明は上記実施形態に制限されるものではなく、発明の精神及び範囲から離脱することなく、様々な変更及び変形が可能である。従って、発明の範囲を公にするために請求項を添付する。
108:ソケット管理部、110:QoS管理部、111:ネットワークスライス制御部111
Claims (6)
- 1つ以上のネットワークスライスを介して、TCP(Transmission Control Protocol)を用いた通信を行う通信手段と、
前記1つ以上のネットワークスライスのそれぞれにおける前記TCPを用いた通信の状態と、当該1つ以上のネットワークスライスにおける要求品質とに基づいて、前記1つ以上のネットワークスライスの設定を決定する決定手段と、
前記決定した設定を行うように、前記1つ以上のネットワークスライスを管理する装置へ要求する要求手段と、
を有することを特徴とする通信装置。 - 前記決定手段は、前記1つ以上のネットワークスライスの少なくともいずれかにおいて使用されるべき帯域幅を決定し、
前記要求手段は、前記1つ以上のネットワークスライスの前記少なくともいずれかについて、前記帯域幅での通信が行われるように設定することを前記装置へ要求する、
ことを特徴とする請求項1に記載の通信装置。 - 前記決定手段は、前記TCPを用いた通信のラウンドトリップタイムと受信ウインドウサイズまたは輻輳ウインドウサイズとに基づいて、前記帯域幅を決定する、ことを特徴とする請求項2に記載の通信装置。
- 前記1つ以上のネットワークスライスのそれぞれにおける前記TCPを用いた通信の状態を管理する管理手段をさらに有する、ことを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の通信装置。
- 1つ以上のネットワークスライスを介して、TCP(Transmission Control Protocol)を用いた通信を行う通信装置によって実行される制御方法であって、
前記1つ以上のネットワークスライスのそれぞれにおける前記TCPを用いた通信の状態と、当該1つ以上のネットワークスライスにおける要求品質とに基づいて、前記1つ以上のネットワークスライスの設定を決定することと、
前記決定した設定を行うように、前記1つ以上のネットワークスライスを管理する装置へ要求することと、
を含むことを特徴とする制御方法。 - コンピュータを請求項1から4のいずれか1項に記載の通信装置として機能させるためのプログラム。
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