JP3548005B2 - フロー制御方法及びフロー制御装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パケット通信システムやＡＴＭ通信システムの通信端末が、セルやパケットの送出速度を決める際に必要となるフロー制御方法及びフロー制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
パケット廃棄が観測されたときには、一度に送出できるパケット数または情報量（これをウィンドウサイズと呼ぶ）を減らし、正常に受信端末にパケットが届いたことがＡＣＫにより確認されたときには、ウィンドウサイズを増加させるＴＣＰの方式には、ＴａｈｏｅとＲｅｎｏ（Ｗ．Ｒ．Ｓｔｅｖｅｎｓ，ＴＣＰ／ＩＰ Ｉｌｌｕｓｔｒａｔｅｄ，Ｖｏｌ．１：Ｔｈｅ Ｐｒｏｔｏｃｏｌｓ，Ａｄｄｉｓｏｎ−Ｗｅｓｌｅｙ，１９９４）がある。
【０００３】
また、最小のＲＴＴ（ＢａｓｅＲＴＴ）とＡＣＫの到着ごとに観測される現在のＲＴＴ（ＡｃｔＲＴＴ）、ウィンドウサイズ（ＷｉｎｄｏｗＳｉｚｅ）、ＡｃｔＲＴＴの間に送信さたパケット数または情報量（ＳｅｎｄＰａｃｋｅｔ）から、式（１）によりＤｉｆｆを計算し、
Ｅｘｐｅｃｔｅｄ＝ＷｉｎｄｏｗＳｉｚｅ／ＢａｓｅＲＴＴ
Ａｃｔｕａｌ＝ＳｅｎｄＰａｃｋｅｔ／ＡｃｔＲＴＴ
Ｄｉｆｆ＝Ｅｘｐｅｃｔｅｄ−Ａｃｔｕａｌ …（１）
適当なしきい値α，β（α＜β）を用いて、以下のようにＷｉｎｄｏｗＳｉｚｅを決定するＶｅｇａｓ（Ｌ．Ｓ．Ｂｒａｎｋｍｏ，Ｌ．Ｌ．Ｐｅｔｅｒｓｏｎ，“ＴＣＰ Ｖｅｇａｓ：Ｅｎｄ ｔｏ Ｅｎｄ Ｃｏｎｇｅｓｔｉｏｎ Ａｖｏｉｄａｎｃｅ ｏｎ ａ Ｇｌｏｂａｌ Ｉｎｔｅｒｎｅｔ”，ＩＥＥＥ Ｊ．ｏｎ Ｓｅｌｅｃｔｅｄ Ａｒｅａｓ ｉｎ Ｃｏｍｍ．，Ｖｏｌ．１３，Ｎｏ．８，ｐｐ．１４６５−１４８０．Ｏｃｔ．１９９５）が提案された。
１）Ｄｉｆｆ＜αの場合、次のＲＴＴの間に、ＷｉｎｄｏｗＳｉｚｅを線形に増加させる。
２）Ｄｉｆｆ＞βの場合、次のＲＴＴの間に、ＷｉｎｄｏｗＳｉｚｅを線形に減少させる。
３）α＜Ｄｉｆｆ＜βの場合、ＷｉｎｄｏｗＳｉｚｅを変えない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来方式のＴａｈｏｅ，Ｒｅｎｏではウィンドウサイズの増加および減少速度を、Ｖｅｇａｓではしきい値αおよびβを決める必要があるが、これらのパラメータと最適なウィンドウサイズ制御の関係が明らかでないため、最適なパラメータを決めることが困難であった。また、パラメータ決定の際に用いた網構成（例えば、ＲＴＴの最小値（伝搬遅延）やパケット交換機のバッファ量）が変化すると、スループットは大幅に低下するという欠点があった。
【０００５】
また、Ｔａｈｏｅ，Ｒｅｎｏ，Ｖｅｇａｓで用いられている通信プロトコルを用いて、複数の端末が独立にスループットを最大にするような制御を行うと、（１）公平な制御ができない、（２）最適な値が得られないという問題がある。さらに、ネットワークにパケット廃棄が起こるバッファが複数ある場合には、通過するバッファ数の違いにより、スループットが不公平になるという欠点があった。
【０００６】
本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、通信端末における最適なパケット送出速度を決定することが可能なフロー制御方法及びフロー制御装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明（請求項１）は、受信端末または通信網からの情報により通信網の輻輳を検出し、該輻輳の状況に応じて送信端末がパケットの送出速度を調整するパケット通信網におけるフロー制御方法であって、受信端末または通信網からの情報に基づいてパケット通信網の状態を表す特徴量を求め、求められたパケット通信網の状態を表す特徴量がパケット送出速度の増加に従って大きくなるような修正を施された所定の評価関数を最大にするように、パケット送出速度を決定することをことを特徴とする。
【０００８】
好ましくは、受信端末または通信網からの情報により（例えば、送信端末に到着したＡＣＫにより）、ＲＴＴ（Ｒｏｕｎｄ Ｔｒｉｐ Ｔｉｍｅ；ＡＣＫ到着時刻とパケット送信時刻の差）およびパケット廃棄の有無を求め、求められたＲＴＴおよびパケット廃棄の有無に基づいてパケット通信網の状態を表す特徴量を求めるようにしてもよい。
【０００９】
好ましくは、パケット通信網の状態を表す特徴量として、パケット廃棄率を用いるようにしてもよい。
【００１０】
好ましくは、前記所定の評価関数として、保証すべきＱＯＳ（ＱｕａｌｉｔｙＯｆ Ｓｅｒｖｉｃｅ）が高品質になるに従って前記求められたパケット通信網の状態を表す特徴量が大きくなるような修正をさらに施されたものを用いるようにしてもよい。
【００１１】
好ましくは、パケット通信網の状態を表す特徴量または受信端末もしくは通信網からの情報に基づいてパケット通信網の構成を表すパラメータをさらに求め、前記所定の評価関数として、前記パケット通信網の構成を表すパラメータの増加に従って前記求められたパケット通信網の状態を表す特徴量の観測量が小さくなるような修正をさらに施されたものを用いるようにしてもよい。
【００１２】
好ましくは、パケット通信網の構成を表すパラメータとして、パケットが通過するバッファ数に関するパラメータを用いるようにしてもよい。
【００１３】
好ましくは、パケット通信網の構成を表すパラメータとして、送信したパケットが通過したバッファのうちパケット廃棄を起こした経験のあるバッファの総数を用いるようにしてもよい。
【００１４】
好ましくは、前記パケット通信網の状態を表す特徴量を求めるに際して、スライディングウィンドウまたはジャンピングウィンドウにより前記パケット通信網の状態を観測する場合には、ウィンドウ長をパケット到着速度またはパケット送出速度に応じて変化させるようにしてもよい。
【００１５】
好ましくは、前記パケット通信網の状態を表す特徴量を求めるに際して、ｘを受信端末または通信網から受け取った情報または送信端末の状態から求められる特徴量、Ｓ，ｔを適当な定数、Ｗ［ｘ］をパケット通信網の状態を表す特徴量、Ｗ＿ｏｌｄ［ｘ］を過去に導出したパケット通信網の状態を表す特徴量、φを過去に送出したパケットの送出速度から求まる値としたとき、Ｗ［ｘ］を、Ｗ［ｘ］＝ω０ Ｗ＿ｏｌｄ［ｘ］＋ω１ ｘ、ω０ ＝（１−Ｓ）１／（Ｔφ）、ω１ ＝１−ω０ により計算し、その後にＷ＿ｏｌｄ［ｘ］をＷ［ｘ］に更新するようにしてもよい。
【００１６】
本発明（請求項６）は、受信端末または通信網からの情報により通信網の輻輳を検出し、該輻輳の状況に応じて送信端末がパケットの送出速度を調整するパケット通信網におけるフロー制御装置であって、受信端末または通信網からの情報に基づいてパケット通信網の状態を表す特徴量を求める手段と、求められたパケット通信網の状態を表す特徴量がパケット送出速度の増加に従って大きくなるような修正を施された所定の評価関数を最大にするように、パケット送出速度を決定する手段とを備えたことをことを特徴とする。
【００１７】
好ましくは、前記パケット通信網の状態を表す特徴量を求める手段は、前記パケット通信網の状態を表す特徴量を求めるためにスライディングウィンドウまたはジャンピングウィンドウにより網状態を観測する際に、ウィンドウ長をパケット到着速度またはパケット送出速度に応じて制御するウィンドウ長制御手段と、ウィンドウ内のデータの統計を取る統計手段を有するようにしてもよい。
【００１８】
好ましくは、前記パケット通信網の状態を表す特徴量を求める手段は、ｘを受信端末または通信網から受け取った情報または送信端末の状態から求められる特徴量、Ｓ，ｔを適当な定数、Ｗ［ｘ］をパケット通信網の状態を表す特徴量、Ｗ＿ｏｌｄ［ｘ］を過去に導出したパケット通信網の状態を表す特徴量、φを過去に送出したパケットの送出速度から求まる値としたとき、ＳとＴを保持する定数記憶手段と、Ｗ＿ｏｌｄ［ｘ］およびφを記憶する状態記憶手段と、該定数記憶手段に記憶されているＳとＴと該状態記憶手段に記憶されているφよりω０ ＝（１−Ｓ）１／（Ｔφ）とω１ ＝１−ω０ を計算する重み計算手段と、該状態記憶手段に記憶されているＷ＿ｏｌｄ［ｘ］と該重み計算手段により計算されたω０ とω１ からＷ［ｘ］＝ω０ Ｗ＿ｏｌｄ［ｘ］＋ω１ ｘを計算する加重平均計算手段と、該加重平均計算手段によりＷ［ｘ］が計算された後にＷ＿ｏｌｄ［ｘ］をＷ［ｘ］に更新する更新手段とを有するようにしてもよい。
【００１９】
なお、装置に係る本発明は方法に係る発明としても成立し、方法に係る本発明は装置に係る発明としても成立する。
【００２０】
また、装置または方法に係る本発明は、コンピュータに当該発明に相当する手順を実行させるための（あるいはコンピュータを当該発明に相当する手段として機能させるための、あるいはコンピュータに当該発明に相当する機能を実現させるための）プログラムを記録したコンピュータ読取り可能な記録媒体としても成立する。
【００２１】
本発明によれば、通信端末における最適なパケット送出速度を決定することができる。
【００２２】
また、複数の端末が独立に制御を行っても、公平な制御を実現することができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら発明の実施の形態を説明する。
【００２４】
図１に、本発明の一実施形態に係るフロー制御装置の構成を示す。また、図２に、本フロー制御装置によるフロー制御の処理手順を示す。
【００２５】
本フロー制御装置は、ソフトウェアとして実現可能である。また、本フロー制御装置もしくはこれを実現するソフトウェアは典型的には制御対象となる通信端末に搭載されるが、これに限定されるものではない。
【００２６】
図１に示されるように、本実施形態に係るフロー制御装置は、観測部１、網状態推定部２、網構成推定部３、パケット送出速度計算部４を備えている。
【００２７】
観測部１は、送信端末へＡＣＫが到着すると（ステップＳ１）、ＲＴＴ（Ｒｏｕｎｄ Ｔｒｉｐ Ｔｉｍｅ；ＡＣＫ到着時刻とパケット送信時刻の差）を求めるとともに、パケット廃棄の有無を検出する（ステップＳ２，３）。
【００２８】
網状態推定部２は、観測部１により求められたＲＴＴとパケット廃棄の有無に基づいてパケット網の状態を示す特徴量（網構成推定部３のためのものとパケット送出速度計算部４のためのもの）を求める（ステップＳ４）。
【００２９】
網構成推定部３は、網状態推定部２により求められたパケット網の状態を示す特徴量または受信端末もしくは通信網からの情報に基づいて、網構成を表すパラメータを推定する（ステップＳ５）。
【００３０】
なお、網状態推定部２により求められたパケット網の状態を示す特徴量の代わりに、受信端末もしくは通信網からの情報に基づいて網構成を表すパラメータを推定することも可能である。この場合、網状態推定部２は、パケット送出速度計算部４のための、パケット網の状態を示す特徴量を求める。
【００３１】
パケット送出速度計算部４は、網状態推定部２により求められたパケット網の状態を示す特徴量と網構成推定部３により求められた網構成を表すパラメータに基づいて、当該送信端末における最適なパケット送出速度を決定する（ステップＳ６）。
【００３２】
なお、網構成を表すパラメータを用いないことも可能であり、網構成を表すパラメータを用いない場合には網構成推定部３（ステップＳ５）は不要である。また、この場合、パケット送出速度計算部４は、網状態推定部２により求められたパケット網の状態を示す特徴量に基づいて、当該送信端末における最適なパケット送出速度を決定する。
【００３３】
また、本実施形態では、送信端末へＡＣＫが到着すると、ＲＴＴとパケット廃棄の有無を検出し、これらに基づいてパケット網の状態を示す特徴量を求めているが、他の方法によってパケット網の状態を示す特徴量を求めるようにしてもよい。
【００３４】
以下、本実施形態に係る最適パケット送出速度の算出アルゴリズムの一例についてさらに詳しく説明する。
【００３５】
最初に以下で用いる語句や変数について説明する。
【００３６】
図３に例示するように、パケットは、送信情報を適当な長さに分割した情報セグメントと、宛先情報などが書かれたヘッダからなる。ｎはパケット内の情報セグメントに対するシーケンス番号を示す。ν［ｂｙｔｅ］は情報セグメント長（パケット長）を示す。
【００３７】
λ（ｎ）［ｂｙｔｅ／ｓｅｃ］は、当該送信端末におけるパケットｎの送出速度を示す。
【００３８】
ｙ（ｎ）は、パケットｎの廃棄率である。
【００３９】
ｚ（ｎ）［ｂｙｔｅ／ｓｅｃ］は、パケットｎを送信することにより受信端末がエラーなしに受け取ることができる情報の情報速度（これをスループットと呼ぶ）を示す。
【００４０】
次に、最適なパケット送出速度を決定するために用いる評価関数の一例およびパケット網の状態を示す特徴量の一例に関して説明する。
【００４１】
ここでは、パケット網の状態を示す特徴量として、パケット廃棄率ｙ（ｎ）を用いる。
【００４２】
そして、Ｅ［ｙ（ｎ）］をパケット廃棄率ｙ（ｎ）の期待値とすると、パケットｎを送信するときの評価関数Ｊを、式（２）で定義する。
【００４３】
Ｊ（ｎ）＝λ（ｎ）ａ ｛１−ζλ（ｎ）ｂ Ｅ［ｙ（ｎ）］｝ …（２）
なお、詳しくは後述するが、ａ，ｂは予め定めた定数であり、ζは予め定めた定数または特定の要因に依存して決定される定数である。
【００４４】
ｙ（ｎ）は定常状態においてλ（ｎ）の関数で表されるため、
Ｅ［ｙ（ｎ）］＝Ｅ［αｋ ］λ（ｎ）ｋ …（３）
で近似する。
【００４５】
なお、パラメータｋは、ｋ≧１を満たすもので適宜設定すると好ましい。
【００４６】
このＥ［αｋ ］は理論的に最適に同定される。例えば、最小自乗法（近藤次郎，“数学モデル−現象の数式化”，丸善）を用いると、Ｅ［αｋ ］は式（４）で定義される平均自乗誤差が最小となるように同定される。
【００４７】
【数１】
【００４８】
ここで、ε（ｎ）は、Ｅ［ｙ（ｎ）］とｙ（ｎ）の誤差であり、式（５）で定義される。
ε（ｎ）＝Ｅ［ｙ（ｎ）］−ｙ（ｎ） …（５）
このとき、Ｅ［αｋ ］は、式（６）の解となる。
【００４９】
【数２】
【００５０】
ここで、ｍは送信端末に到着したＡＣＫの総数である。また、Ｍはスライディングウィンドウの長さである。
【００５１】
ｙ（ｉ）は、ｉ個目のＡＣＫが到着したことにより観測されるパケット廃棄率であり、ｉ個目のＡＣＫとｉ−１個目のＡＣＫの間にパケット廃棄がある場合は１、そうでない場合は０である。
【００５２】
式（６）の解を計算するには、式（６）のΣを長さＭのスライディングウィンドウを用いて計算する必要があるため、計算量またはハードウェアが大規模になる。そこで、例えば次のようにすることにより、より少ない計算量やハードウェア規模でＥ［αｋ ］を求めることができる。
【００５３】
すなわち、まず、式（４）のΣを式（７）のような加重平均Ｗ［・］に置き換える。
【００５４】
【数３】
【００５５】
すると、この置き換えによって、最適なＥ［αｋ ］は、最小自乗法より、式（８）の解となり、式（９）で表される。
【００５６】
【数４】
【００５７】
ここで、λ（ｍ）は、ｍ個目のＡＣＫにより送達確認されたパケットが送信されたときのパケット送信速度である。
【００５８】
このようにすれば、式（６）に用いられているような算術平均を用いてＥ［αｋ ］を計算する場合と比べて、大幅に計算量が削減される。
【００５９】
ところで、式（７）において、ω０ を固定値としてもよいが、式（１０）を計算することにより、端末間でのパケットの送出速度が公平になり、また、最適値への収束速度も向上するという効果が得られる。
【００６０】
【数５】
【００６１】
ここで、λ０ はＱＯＳ（Ｑｕａｌｉｔｙ Ｏｆ Ｓｅｒｖｉｃｅ）を保証すべきパケット送信速度の最小値である。また、Ｔは適当な定数でありＲＴＴより十分長くとることが望ましい。
【００６２】
式（１０）によるω０ のダイナミックな制御は、任意の変数ｘ（ｎ）の算術平均Ａ［ｘ（ｎ）］をジャンピングウィンドウやスライディングウィンドウを用いて
Ａ［ｘ（ｎ）］＝Σｘ（ｉ）／Ｍ （ただし、加算対象とするｉの範囲はｉ＝ｎ−Ｍ＋１〜ｎ）
のように計算する際、ウィンドウ長Ｍを
Ｍ＝Ｔλ（ｎ−１）
とすることと等価になる。また、λ（ｎ−１）の代わりに、Ｗ［λ（ｎ−１）］やＡ［λ（ｎ−１）］を用いてもよい。
【００６３】
なお、ここでの計算は、網状態推定部２により行われる。
【００６４】
次に、制御に網構成を表すパラメータを用いる場合には、ここで、網構成推定部３により網構成を表すパラメータを求めるが、この点に関しては後述する。
【００６５】
次に、最適なパケット送出速度の決定について説明する。
【００６６】
上記のようにして最適なＥ［αｋ ］が同定されて、パケット網の状態を示す特徴量が求まれば（網構成を表すパラメータを用いる場合にはこれも求まった後に）、同様に、パケット送出速度λも、最適化理論を用いて理論的に最適に決めることができる。
【００６７】
例えば、極値法による最適化（近藤次郎，“数学モデル−現象の数式化”，丸善）によると、最適なパケット送出速度は、評価関数Ｊを表す式（２）をパケット送出速度λ（ｎ）で微分して０とした式（１１）の解である。
【００６８】
【数６】
【００６９】
したがって、式（９）を式（１１）に代入すると、パケット送出速度の最適解は式（１２）で得られる。式（１２）は、パケット通信網の状態を表す特徴量としてパケット廃棄率の加重平均を用いた例である。
【００７０】
【数７】
【００７１】
なお、式（１２）において、Ｗ［ｙ（ｍ）λ（ｍ）ｋ ］／Ｗ［λ（ｍ）２ｋ］を近似的に式（１３）で計算することもできる。
Ｗ［ｙ（ｍ）λ（ｍ）ｋ ］／Ｗ［λ（ｍ）２ｋ］
＝Ｗ［ｙ（ｍ）］／Ｗ［λ（ｍ）ｋ ］ …（１３）
以上のようにして、送信端末におけるパケット送出速度を決める際に必要となる最適パケット送出速度を求めることができる。
【００７２】
なお、ここでの計算は、パケット送出速度計算部４により行われる。
【００７３】
上記において、パケット送出速度の代わりに、ウィンドウサイズを用いる場合には、ウィンドウサイズはλ（ｎ）とＲＴＴの積で計算することができる。
【００７４】
以下では、式（２）に例示した評価関数およびこの評価関数におけるパラメータａ，ｂ，ζ（特に評価関数における通信網の状態を表す特徴量の修正）に関して説明する。以下で示す制御に必要な処理は基本的にパケット送出速度計算部４において行われるが、本制御に網構成を表すパラメータを用いる場合においてはこの網構成を表すパラメータは網構成推定部３により求められパケット送出速度計算部４に与えられる。
【００７５】
ここで、式（２）におけるパラメータをａ＝１，ｂ＝０，ζ＝１とした場合について検討する。この場合に、式（２）は式（１４）のようになり、これはスループットの期待値Ｅ［ｚ（ｎ）］を表すものになることが分かる。
Ｊ（ｎ）｜ａ＝１，ｂ＝０，ζ＝１
＝λ（ｎ）｛１−Ｅ［ｙ（ｎ）］｝＝Ｅ［ｚ（ｎ）］ …（１４）
従って、ａ＝１，ｂ＝０，ζ＝１を式（１２）に代入して得られる制御を表す式（１５）は、スループットの期待値を最大にすることが分かる。
【００７６】
【数８】
【００７７】
しかし、式（１５）の制御は、端末が複数ある場合にはスループットが最適値に収束しないという欠点がある。
【００７８】
そこで、ｂ＞０（好ましくはｂ≧１；さらに好ましくはｂ＝１）とすることにより、端末が複数ある場合にも、スループットが最適値に収束し、各端末に公平なスループットが得られる制御を行うことができる。この場合、スループットの期待値を表す式（１４）を最大にする制御において、式（１４）のｙ（ｎ）をλ（ｎ）ｙ（ｎ）に置き換えており（ｂ＝１の場合）、パケット送出速度の増加に従ってパケット廃棄率の観測値が大きくなるような修正を行っていることになる。例えば、ネットワーク全体のパケット廃棄率をｆ（ｎ）、ｉ番目の端末のパケット廃棄率をｙｉ （ｎ）、θｉ を各端末のパケット廃棄率の偏りや確率変動を表す係数として、ｙｉ （ｎ）＝θｉ ｆ（ｎ）が成り立つと仮定すると、式（１０）と式（１２）の制御により、ｉ番目の端末のパケット送出速度λｉ （ｎ）は、式（１６）で表される。
【００７９】
【数９】
【００８０】
そのため、ｂが小さいとパケット廃棄率のわずかな偏りがパケット送出速度に大きく影響するが、ｂ≧１の場合は影響が小さく公平性が保たれる。
【００８１】
なお、他のパラメータについては、ａ≧１とすると好ましい（より好ましくはａ＝１）。また、ζ≧１とすると好ましい（例えば、ζ＝２００あるはζ＝３００といった程度の値を用いてもよい）。
【００８２】
さて、上記では、評価関数に対してパケット通信網の状態を表す特徴量がパケット送出速度の増加に従って大きくなるような修正（第１の修正）を施する点について説明したが、上記修正と併せて、保証すべきＱＯＳが高品質になるに従ってパケット通信網の状態を表す特徴量の観測値が大きくなるような修正（第２の修正）を施してもよい。
【００８３】
このようにＱＯＳが高品質になるに従ってζを大きく修正することにより、ＱＯＳの保証を行うことができる。この場合、スループットの期待値を表す式（１４）を最大にする制御において、式（１４）のｙ（ｎ）をζｙ（ｎ）に置き換えており、ＱＯＳが高品質になるに従ってパケット廃棄率の観測値が大きくなるような修正を施すことに等しい。
【００８４】
式（１２）による制御の定常状態では、パケット廃棄率は式（１７）で近似できる。ここで、ｙ＊は定常状態におけるパケット廃棄率であり、λ＊は定常状態におけるパケット送出速度である。
【００８５】
【数１０】
【００８６】
式（１７）より、ｙ＊はλ＊が小さいほど大きくなることが分かる。ＱＯＳを保証すべきパケット送信速度の最小値をλ０ とすると、式（１７）より式（１８）が得られる。
【００８７】
【数１１】
【００８８】
従って、パケットが通過するバッファ数の増加に従って該パケット通信網の状態を表す特徴量が小さくなるような修正を施さない場合、与えられたＱＯＳとλ０ に対してζを式（１９）により設定することにより、λ＊≧λ０ の場合にはＱＯＳを保証することができる。
【００８９】
【数１２】
【００９０】
また、上記した第１の修正と併せて、または第１の修正および第２の修正と併せて、パケット通信網の構成を表すパラメータの増加に従ってパケット通信網の状態を表す特徴量の観測量が小さくなるような修正（第３の修正）を施すようにしてもよい。パケット通信網の構成を表すパラメータは、例えば、パケットが通過したバッファ数に関係する値である。
【００９１】
送信したパケットが通過したバッファ数の増加に従って該パケット通信網の状態を表す特徴量が小さくなるような修正を施すことにより、各端末のパケットが通過するバッファ数が異なっている場合でも、公平なスループットが得られるような制御が可能になる。
【００９２】
ここで、パケット通信網の構成を表すパラメータとして、送信したパケットが通過したバッファのうち、パケット廃棄を起こした経験のあるバッファの総数の推定値Ｅ［Ｎ］を用いるとする。このとき、ζはＥ［Ｎ］の増加に従って小さく設定する。この制御は、スループットの期待値を表す式（１４）を最大にする制御において、式（１４）のｙ（ｎ）をζｙ（ｎ）で置き換えており、パケットが通過するバッファ数の増加に従ってパケット廃棄率の観測値が小さくなるような修正を施すことに等しい（なお、第２の修正も併せて行う場合には、ζは両方の要因を加味して決定される）。
【００９３】
式（２０）は、Ｅ［Ｎ］を計算するための一例である。
【００９４】
【数１３】
【００９５】
ここで、ＲＴＴａＬはパケット廃棄の直後に到着したＡＣＫにより観測されたＲＴＴ、ｍａｘ［ＲＴＴ］，ｍｉｎ［ＲＴＴ］は各々観測された最大遅延と最小遅延である。パケット廃棄率が十分小さく、各バッファが輻輳する確立がほぼ等しいとき、Ｅ［Ｎ］は近似的にパケットが通過するバッファ数になる。
【００９６】
また、ＡＣＫパケットに、パケットが通過する経路上のパケット廃棄が起こる可能性のあるバッファ数、各々のバッファにおける収容端末数、各々のバッファのバッファ長またはサービス速度に関する情報のすべてまたは一部が記録されている場合、Ｅ［Ｎ］をそれらの情報から導出することも可能である。
【００９７】
パケットが通過するバッファ数の最大値Ｎ０ を想定し、Ｅ［Ｎ］＝Ｎ０ のときにパケットの廃棄率の平均値がＱＯＳ以下になるようにζを決めることにより、Ｅ［Ｎ］≦Ｎ０ 、λ＊≧λ０ でＱＯＳを保証することができる。式（２１）は、このようなζの決め方の一例である。
【００９８】
【数１４】
【００９９】
さて、このような制御を実行する場合には、例えば、次のような処理が行われる。
まず、観測部１は、ＡＣＫが到着すると、ＲＴＴを計算し、パケット廃棄の有無を検出する。
次に、網状態推定部２は、パケット網の状態を示す特徴量として、パケット廃棄率の加重平均Ｗ［ｙ（ｍ）］、ＲＴＴの加重平均Ｗ［ＲＴＴ］、パケット廃棄の直後に到着したＡＣＫにより観測されたＲＴＴの加重平均Ｗ［ＲＴＴａＬ］、観測された遅延の最大値ｍａｘ［ＲＴＴ］、および観測された遅延の最小値ｍｉｎ［ＲＴＴ］を計算する。
次に、網構成推定部３は、網構成を表すパラメータとして、Ｅ［Ｎ］を式（２０）により計算する。
次に、パケット送出速度計算部４は、例えばａ≧１かつｂ≧１として（特にａ＝１かつｂ＝１が好ましい）、Ｅ［Ｎ］またはＥ［Ｎ］およびＱＯＳによって定まるζを用いた式（１２）により、当該送信端末における最適なパケット送出速度を決定する。
【０１００】
また、網構成を表すパラメータを加味せずＱＯＳを加味する場合には、例えば、まず、観測部１は、ＡＣＫが到着すると、ＲＴＴを計算し、パケット廃棄の有無を検出する。
次に、網状態推定部２は、パケット網の状態を示す特徴量として、パケット廃棄率の加重平均Ｗ［ｙ（ｍ）］を計算する。
次に、パケット送出速度計算部４は、例えばａ≧１かつｂ≧０として（特にａ＝１かつｂ＝１が好ましい）、ＱＯＳによって定まるζを用いた式（１２）により、当該送信端末における最適なパケット送出速度を決定する。
なお、網構成を表すパラメータもＱＯＳも加味しない場合には、例えば、まず、観測部１は、ＡＣＫが到着すると、ＲＴＴを計算し、パケット廃棄の有無を検出する。
次に、網状態推定部２は、パケット網の状態を示す特徴量として、パケット廃棄率の加重平均Ｗ［ｙ（ｍ）］を計算する。
次に、パケット送出速度計算部４は、予め定められたζを用いた式（１２）により、当該送信端末における最適なパケット送出速度を決定する。
【０１０１】
次に、本実施形態の効果について説明する。
【０１０２】
本実施形態では、パケット廃棄の有無とＲＴＴを、パケット網の平均的な特性を表すパケット廃棄率とパケット廃棄率の平均値に変換して利用しているため、ネットワークの確率的な変動を受けにくい。また、パケット送出速度を、最適な制御結果が得られるように理論的に導いているため、最適な制御結果が得られるパケット送出速度を決定できる。また、パケット送出速度とパケット廃棄率の関係式のパラメータを過去のデータから推定しているため、網の状態の構造に依存しないという特徴を持つ。
【０１０３】
さらに、パケットが通過するバッファ数の増加に従ってパケット通信網の状態を表す特徴量の観測値が小さくなるような修正を施した評価関数、またはこの修正に併せてパケット送出速度の増加に従ってパケット通信網の状態を表す特徴量の観測値が大きくなるとうな修正または保証すべきＱＯＳが高品質になるに従ってパケット通信網の状態を表す特徴量の観測値が大きくなるような修正の少なくとも１つの修正を施した評価関数を用いることにより、各端末のパケットが通過するバッファが異なる場合でも、ＱＯＳを保証し、各端末のスループットが公平であり、端末やパケット通信網の初期状態にかかわらず最適なパケット送出速度に収束し、最大のスループットを得ることができる。
【０１０４】
ところで、上記実施形態は、評価関数Ｊ（ｎ）を最大にするようにパケット送出速度を決定するフロー制御に関して説明しているが、本発明は、スループットをできるだけ大きくするような従来の方式にも適用可能である。
【０１０５】
例えば、次の式（２２）のような従来方式について考える。
式（２２）では、パケット通信網の状態を表す特徴量としてＲＴＴが用いられており、ある条件を満たす範囲でスループットができるだけ大きくなるようにしきい値が決められる。そのため、スループットを評価関数Ｊ（ｎ）と考えれば、式（２２）のフロー制御方式を、評価関数Ｊ（ｎ）を最大にするようにパケット送出速度を決定するようなフロー制御とみなすことができる。
【０１０６】
従って、本発明を式（２２）のような従来手法に適用するには、式（２２）を次の式（２３）のように修正すればよい。
また、次の式（２４）のような従来手法について考える。
式（２４）では、パケット通信網の状態を表す特徴量としてパケットの廃棄の有無が用いられており、パケット送出速度の減少方法や増加方法は、ある条件を満たす範囲でスループットができるだけ大きくなるように決められる。そのため、スループットを評価関数Ｊ（ｎ）と考えれば、式（２４）のフロー制御を、評価関数Ｊ（ｎ）を最大にするようにパケット送出速度を決定するようなフロー制御とみなすことができる。
【０１０７】
従って、本発明を式（２４）のような従来手法に適用するには、パケット廃棄の有無をパケット廃棄率に変換して、式（２４）を次の式（２５）のように修正すればよい。
また、ある評価関数が小さくなるようにパケット送出速度を決めるフロー制御の場合、例えば、その評価関数の逆数をＪ（ｎ）とするような評価関数の変換を行うことにより、本発明を適用することができる。
【０１０８】
なお、以上の各機能は、ソフトウェアとしても実現可能である。
【０１０９】
また、本実施形態は、コンピュータに所定の手順を実行させるための（あるいはコンピュータを所定の手段として機能させるための、あるいはコンピュータに所定の機能を実現させるための）プログラムを記録したコンピュータ読取り可能な記録媒体として実施することもできる。
【０１１０】
本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、その技術的範囲において種々変形して実施することができる。
【０１１１】
【発明の効果】
本発明によれば、通信端末における最適なパケット送出速度を決定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係るフロー制御装置の構成を示す図
【図２】同実施例におけるフロー制御の処理手順の一例を示すフローチャート
【図３】パケットと情報セグメントの関係を説明するための図
【符号の説明】
１…観測部
２…網状態推定部
３…網構成推定部
４…パケット送出速度計算部
【発明の属する技術分野】
本発明は、パケット通信システムやＡＴＭ通信システムの通信端末が、セルやパケットの送出速度を決める際に必要となるフロー制御方法及びフロー制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
パケット廃棄が観測されたときには、一度に送出できるパケット数または情報量（これをウィンドウサイズと呼ぶ）を減らし、正常に受信端末にパケットが届いたことがＡＣＫにより確認されたときには、ウィンドウサイズを増加させるＴＣＰの方式には、ＴａｈｏｅとＲｅｎｏ（Ｗ．Ｒ．Ｓｔｅｖｅｎｓ，ＴＣＰ／ＩＰ Ｉｌｌｕｓｔｒａｔｅｄ，Ｖｏｌ．１：Ｔｈｅ Ｐｒｏｔｏｃｏｌｓ，Ａｄｄｉｓｏｎ−Ｗｅｓｌｅｙ，１９９４）がある。
【０００３】
また、最小のＲＴＴ（ＢａｓｅＲＴＴ）とＡＣＫの到着ごとに観測される現在のＲＴＴ（ＡｃｔＲＴＴ）、ウィンドウサイズ（ＷｉｎｄｏｗＳｉｚｅ）、ＡｃｔＲＴＴの間に送信さたパケット数または情報量（ＳｅｎｄＰａｃｋｅｔ）から、式（１）によりＤｉｆｆを計算し、
Ｅｘｐｅｃｔｅｄ＝ＷｉｎｄｏｗＳｉｚｅ／ＢａｓｅＲＴＴ
Ａｃｔｕａｌ＝ＳｅｎｄＰａｃｋｅｔ／ＡｃｔＲＴＴ
Ｄｉｆｆ＝Ｅｘｐｅｃｔｅｄ−Ａｃｔｕａｌ …（１）
適当なしきい値α，β（α＜β）を用いて、以下のようにＷｉｎｄｏｗＳｉｚｅを決定するＶｅｇａｓ（Ｌ．Ｓ．Ｂｒａｎｋｍｏ，Ｌ．Ｌ．Ｐｅｔｅｒｓｏｎ，“ＴＣＰ Ｖｅｇａｓ：Ｅｎｄ ｔｏ Ｅｎｄ Ｃｏｎｇｅｓｔｉｏｎ Ａｖｏｉｄａｎｃｅ ｏｎ ａ Ｇｌｏｂａｌ Ｉｎｔｅｒｎｅｔ”，ＩＥＥＥ Ｊ．ｏｎ Ｓｅｌｅｃｔｅｄ Ａｒｅａｓ ｉｎ Ｃｏｍｍ．，Ｖｏｌ．１３，Ｎｏ．８，ｐｐ．１４６５−１４８０．Ｏｃｔ．１９９５）が提案された。
１）Ｄｉｆｆ＜αの場合、次のＲＴＴの間に、ＷｉｎｄｏｗＳｉｚｅを線形に増加させる。
２）Ｄｉｆｆ＞βの場合、次のＲＴＴの間に、ＷｉｎｄｏｗＳｉｚｅを線形に減少させる。
３）α＜Ｄｉｆｆ＜βの場合、ＷｉｎｄｏｗＳｉｚｅを変えない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来方式のＴａｈｏｅ，Ｒｅｎｏではウィンドウサイズの増加および減少速度を、Ｖｅｇａｓではしきい値αおよびβを決める必要があるが、これらのパラメータと最適なウィンドウサイズ制御の関係が明らかでないため、最適なパラメータを決めることが困難であった。また、パラメータ決定の際に用いた網構成（例えば、ＲＴＴの最小値（伝搬遅延）やパケット交換機のバッファ量）が変化すると、スループットは大幅に低下するという欠点があった。
【０００５】
また、Ｔａｈｏｅ，Ｒｅｎｏ，Ｖｅｇａｓで用いられている通信プロトコルを用いて、複数の端末が独立にスループットを最大にするような制御を行うと、（１）公平な制御ができない、（２）最適な値が得られないという問題がある。さらに、ネットワークにパケット廃棄が起こるバッファが複数ある場合には、通過するバッファ数の違いにより、スループットが不公平になるという欠点があった。
【０００６】
本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、通信端末における最適なパケット送出速度を決定することが可能なフロー制御方法及びフロー制御装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明（請求項１）は、受信端末または通信網からの情報により通信網の輻輳を検出し、該輻輳の状況に応じて送信端末がパケットの送出速度を調整するパケット通信網におけるフロー制御方法であって、受信端末または通信網からの情報に基づいてパケット通信網の状態を表す特徴量を求め、求められたパケット通信網の状態を表す特徴量がパケット送出速度の増加に従って大きくなるような修正を施された所定の評価関数を最大にするように、パケット送出速度を決定することをことを特徴とする。
【０００８】
好ましくは、受信端末または通信網からの情報により（例えば、送信端末に到着したＡＣＫにより）、ＲＴＴ（Ｒｏｕｎｄ Ｔｒｉｐ Ｔｉｍｅ；ＡＣＫ到着時刻とパケット送信時刻の差）およびパケット廃棄の有無を求め、求められたＲＴＴおよびパケット廃棄の有無に基づいてパケット通信網の状態を表す特徴量を求めるようにしてもよい。
【０００９】
好ましくは、パケット通信網の状態を表す特徴量として、パケット廃棄率を用いるようにしてもよい。
【００１０】
好ましくは、前記所定の評価関数として、保証すべきＱＯＳ（ＱｕａｌｉｔｙＯｆ Ｓｅｒｖｉｃｅ）が高品質になるに従って前記求められたパケット通信網の状態を表す特徴量が大きくなるような修正をさらに施されたものを用いるようにしてもよい。
【００１１】
好ましくは、パケット通信網の状態を表す特徴量または受信端末もしくは通信網からの情報に基づいてパケット通信網の構成を表すパラメータをさらに求め、前記所定の評価関数として、前記パケット通信網の構成を表すパラメータの増加に従って前記求められたパケット通信網の状態を表す特徴量の観測量が小さくなるような修正をさらに施されたものを用いるようにしてもよい。
【００１２】
好ましくは、パケット通信網の構成を表すパラメータとして、パケットが通過するバッファ数に関するパラメータを用いるようにしてもよい。
【００１３】
好ましくは、パケット通信網の構成を表すパラメータとして、送信したパケットが通過したバッファのうちパケット廃棄を起こした経験のあるバッファの総数を用いるようにしてもよい。
【００１４】
好ましくは、前記パケット通信網の状態を表す特徴量を求めるに際して、スライディングウィンドウまたはジャンピングウィンドウにより前記パケット通信網の状態を観測する場合には、ウィンドウ長をパケット到着速度またはパケット送出速度に応じて変化させるようにしてもよい。
【００１５】
好ましくは、前記パケット通信網の状態を表す特徴量を求めるに際して、ｘを受信端末または通信網から受け取った情報または送信端末の状態から求められる特徴量、Ｓ，ｔを適当な定数、Ｗ［ｘ］をパケット通信網の状態を表す特徴量、Ｗ＿ｏｌｄ［ｘ］を過去に導出したパケット通信網の状態を表す特徴量、φを過去に送出したパケットの送出速度から求まる値としたとき、Ｗ［ｘ］を、Ｗ［ｘ］＝ω０ Ｗ＿ｏｌｄ［ｘ］＋ω１ ｘ、ω０ ＝（１−Ｓ）１／（Ｔφ）、ω１ ＝１−ω０ により計算し、その後にＷ＿ｏｌｄ［ｘ］をＷ［ｘ］に更新するようにしてもよい。
【００１６】
本発明（請求項６）は、受信端末または通信網からの情報により通信網の輻輳を検出し、該輻輳の状況に応じて送信端末がパケットの送出速度を調整するパケット通信網におけるフロー制御装置であって、受信端末または通信網からの情報に基づいてパケット通信網の状態を表す特徴量を求める手段と、求められたパケット通信網の状態を表す特徴量がパケット送出速度の増加に従って大きくなるような修正を施された所定の評価関数を最大にするように、パケット送出速度を決定する手段とを備えたことをことを特徴とする。
【００１７】
好ましくは、前記パケット通信網の状態を表す特徴量を求める手段は、前記パケット通信網の状態を表す特徴量を求めるためにスライディングウィンドウまたはジャンピングウィンドウにより網状態を観測する際に、ウィンドウ長をパケット到着速度またはパケット送出速度に応じて制御するウィンドウ長制御手段と、ウィンドウ内のデータの統計を取る統計手段を有するようにしてもよい。
【００１８】
好ましくは、前記パケット通信網の状態を表す特徴量を求める手段は、ｘを受信端末または通信網から受け取った情報または送信端末の状態から求められる特徴量、Ｓ，ｔを適当な定数、Ｗ［ｘ］をパケット通信網の状態を表す特徴量、Ｗ＿ｏｌｄ［ｘ］を過去に導出したパケット通信網の状態を表す特徴量、φを過去に送出したパケットの送出速度から求まる値としたとき、ＳとＴを保持する定数記憶手段と、Ｗ＿ｏｌｄ［ｘ］およびφを記憶する状態記憶手段と、該定数記憶手段に記憶されているＳとＴと該状態記憶手段に記憶されているφよりω０ ＝（１−Ｓ）１／（Ｔφ）とω１ ＝１−ω０ を計算する重み計算手段と、該状態記憶手段に記憶されているＷ＿ｏｌｄ［ｘ］と該重み計算手段により計算されたω０ とω１ からＷ［ｘ］＝ω０ Ｗ＿ｏｌｄ［ｘ］＋ω１ ｘを計算する加重平均計算手段と、該加重平均計算手段によりＷ［ｘ］が計算された後にＷ＿ｏｌｄ［ｘ］をＷ［ｘ］に更新する更新手段とを有するようにしてもよい。
【００１９】
なお、装置に係る本発明は方法に係る発明としても成立し、方法に係る本発明は装置に係る発明としても成立する。
【００２０】
また、装置または方法に係る本発明は、コンピュータに当該発明に相当する手順を実行させるための（あるいはコンピュータを当該発明に相当する手段として機能させるための、あるいはコンピュータに当該発明に相当する機能を実現させるための）プログラムを記録したコンピュータ読取り可能な記録媒体としても成立する。
【００２１】
本発明によれば、通信端末における最適なパケット送出速度を決定することができる。
【００２２】
また、複数の端末が独立に制御を行っても、公平な制御を実現することができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら発明の実施の形態を説明する。
【００２４】
図１に、本発明の一実施形態に係るフロー制御装置の構成を示す。また、図２に、本フロー制御装置によるフロー制御の処理手順を示す。
【００２５】
本フロー制御装置は、ソフトウェアとして実現可能である。また、本フロー制御装置もしくはこれを実現するソフトウェアは典型的には制御対象となる通信端末に搭載されるが、これに限定されるものではない。
【００２６】
図１に示されるように、本実施形態に係るフロー制御装置は、観測部１、網状態推定部２、網構成推定部３、パケット送出速度計算部４を備えている。
【００２７】
観測部１は、送信端末へＡＣＫが到着すると（ステップＳ１）、ＲＴＴ（Ｒｏｕｎｄ Ｔｒｉｐ Ｔｉｍｅ；ＡＣＫ到着時刻とパケット送信時刻の差）を求めるとともに、パケット廃棄の有無を検出する（ステップＳ２，３）。
【００２８】
網状態推定部２は、観測部１により求められたＲＴＴとパケット廃棄の有無に基づいてパケット網の状態を示す特徴量（網構成推定部３のためのものとパケット送出速度計算部４のためのもの）を求める（ステップＳ４）。
【００２９】
網構成推定部３は、網状態推定部２により求められたパケット網の状態を示す特徴量または受信端末もしくは通信網からの情報に基づいて、網構成を表すパラメータを推定する（ステップＳ５）。
【００３０】
なお、網状態推定部２により求められたパケット網の状態を示す特徴量の代わりに、受信端末もしくは通信網からの情報に基づいて網構成を表すパラメータを推定することも可能である。この場合、網状態推定部２は、パケット送出速度計算部４のための、パケット網の状態を示す特徴量を求める。
【００３１】
パケット送出速度計算部４は、網状態推定部２により求められたパケット網の状態を示す特徴量と網構成推定部３により求められた網構成を表すパラメータに基づいて、当該送信端末における最適なパケット送出速度を決定する（ステップＳ６）。
【００３２】
なお、網構成を表すパラメータを用いないことも可能であり、網構成を表すパラメータを用いない場合には網構成推定部３（ステップＳ５）は不要である。また、この場合、パケット送出速度計算部４は、網状態推定部２により求められたパケット網の状態を示す特徴量に基づいて、当該送信端末における最適なパケット送出速度を決定する。
【００３３】
また、本実施形態では、送信端末へＡＣＫが到着すると、ＲＴＴとパケット廃棄の有無を検出し、これらに基づいてパケット網の状態を示す特徴量を求めているが、他の方法によってパケット網の状態を示す特徴量を求めるようにしてもよい。
【００３４】
以下、本実施形態に係る最適パケット送出速度の算出アルゴリズムの一例についてさらに詳しく説明する。
【００３５】
最初に以下で用いる語句や変数について説明する。
【００３６】
図３に例示するように、パケットは、送信情報を適当な長さに分割した情報セグメントと、宛先情報などが書かれたヘッダからなる。ｎはパケット内の情報セグメントに対するシーケンス番号を示す。ν［ｂｙｔｅ］は情報セグメント長（パケット長）を示す。
【００３７】
λ（ｎ）［ｂｙｔｅ／ｓｅｃ］は、当該送信端末におけるパケットｎの送出速度を示す。
【００３８】
ｙ（ｎ）は、パケットｎの廃棄率である。
【００３９】
ｚ（ｎ）［ｂｙｔｅ／ｓｅｃ］は、パケットｎを送信することにより受信端末がエラーなしに受け取ることができる情報の情報速度（これをスループットと呼ぶ）を示す。
【００４０】
次に、最適なパケット送出速度を決定するために用いる評価関数の一例およびパケット網の状態を示す特徴量の一例に関して説明する。
【００４１】
ここでは、パケット網の状態を示す特徴量として、パケット廃棄率ｙ（ｎ）を用いる。
【００４２】
そして、Ｅ［ｙ（ｎ）］をパケット廃棄率ｙ（ｎ）の期待値とすると、パケットｎを送信するときの評価関数Ｊを、式（２）で定義する。
【００４３】
Ｊ（ｎ）＝λ（ｎ）ａ ｛１−ζλ（ｎ）ｂ Ｅ［ｙ（ｎ）］｝ …（２）
なお、詳しくは後述するが、ａ，ｂは予め定めた定数であり、ζは予め定めた定数または特定の要因に依存して決定される定数である。
【００４４】
ｙ（ｎ）は定常状態においてλ（ｎ）の関数で表されるため、
Ｅ［ｙ（ｎ）］＝Ｅ［αｋ ］λ（ｎ）ｋ …（３）
で近似する。
【００４５】
なお、パラメータｋは、ｋ≧１を満たすもので適宜設定すると好ましい。
【００４６】
このＥ［αｋ ］は理論的に最適に同定される。例えば、最小自乗法（近藤次郎，“数学モデル−現象の数式化”，丸善）を用いると、Ｅ［αｋ ］は式（４）で定義される平均自乗誤差が最小となるように同定される。
【００４７】
【数１】
ここで、ε（ｎ）は、Ｅ［ｙ（ｎ）］とｙ（ｎ）の誤差であり、式（５）で定義される。
ε（ｎ）＝Ｅ［ｙ（ｎ）］−ｙ（ｎ） …（５）
このとき、Ｅ［αｋ ］は、式（６）の解となる。
【００４９】
【数２】
ここで、ｍは送信端末に到着したＡＣＫの総数である。また、Ｍはスライディングウィンドウの長さである。
【００５１】
ｙ（ｉ）は、ｉ個目のＡＣＫが到着したことにより観測されるパケット廃棄率であり、ｉ個目のＡＣＫとｉ−１個目のＡＣＫの間にパケット廃棄がある場合は１、そうでない場合は０である。
【００５２】
式（６）の解を計算するには、式（６）のΣを長さＭのスライディングウィンドウを用いて計算する必要があるため、計算量またはハードウェアが大規模になる。そこで、例えば次のようにすることにより、より少ない計算量やハードウェア規模でＥ［αｋ ］を求めることができる。
【００５３】
すなわち、まず、式（４）のΣを式（７）のような加重平均Ｗ［・］に置き換える。
【００５４】
【数３】
すると、この置き換えによって、最適なＥ［αｋ ］は、最小自乗法より、式（８）の解となり、式（９）で表される。
【００５６】
【数４】
ここで、λ（ｍ）は、ｍ個目のＡＣＫにより送達確認されたパケットが送信されたときのパケット送信速度である。
【００５８】
このようにすれば、式（６）に用いられているような算術平均を用いてＥ［αｋ ］を計算する場合と比べて、大幅に計算量が削減される。
【００５９】
ところで、式（７）において、ω０ を固定値としてもよいが、式（１０）を計算することにより、端末間でのパケットの送出速度が公平になり、また、最適値への収束速度も向上するという効果が得られる。
【００６０】
【数５】
ここで、λ０ はＱＯＳ（Ｑｕａｌｉｔｙ Ｏｆ Ｓｅｒｖｉｃｅ）を保証すべきパケット送信速度の最小値である。また、Ｔは適当な定数でありＲＴＴより十分長くとることが望ましい。
【００６２】
式（１０）によるω０ のダイナミックな制御は、任意の変数ｘ（ｎ）の算術平均Ａ［ｘ（ｎ）］をジャンピングウィンドウやスライディングウィンドウを用いて
Ａ［ｘ（ｎ）］＝Σｘ（ｉ）／Ｍ （ただし、加算対象とするｉの範囲はｉ＝ｎ−Ｍ＋１〜ｎ）
のように計算する際、ウィンドウ長Ｍを
Ｍ＝Ｔλ（ｎ−１）
とすることと等価になる。また、λ（ｎ−１）の代わりに、Ｗ［λ（ｎ−１）］やＡ［λ（ｎ−１）］を用いてもよい。
【００６３】
なお、ここでの計算は、網状態推定部２により行われる。
【００６４】
次に、制御に網構成を表すパラメータを用いる場合には、ここで、網構成推定部３により網構成を表すパラメータを求めるが、この点に関しては後述する。
【００６５】
次に、最適なパケット送出速度の決定について説明する。
【００６６】
上記のようにして最適なＥ［αｋ ］が同定されて、パケット網の状態を示す特徴量が求まれば（網構成を表すパラメータを用いる場合にはこれも求まった後に）、同様に、パケット送出速度λも、最適化理論を用いて理論的に最適に決めることができる。
【００６７】
例えば、極値法による最適化（近藤次郎，“数学モデル−現象の数式化”，丸善）によると、最適なパケット送出速度は、評価関数Ｊを表す式（２）をパケット送出速度λ（ｎ）で微分して０とした式（１１）の解である。
【００６８】
【数６】
したがって、式（９）を式（１１）に代入すると、パケット送出速度の最適解は式（１２）で得られる。式（１２）は、パケット通信網の状態を表す特徴量としてパケット廃棄率の加重平均を用いた例である。
【００７０】
【数７】
なお、式（１２）において、Ｗ［ｙ（ｍ）λ（ｍ）ｋ ］／Ｗ［λ（ｍ）２ｋ］を近似的に式（１３）で計算することもできる。
Ｗ［ｙ（ｍ）λ（ｍ）ｋ ］／Ｗ［λ（ｍ）２ｋ］
＝Ｗ［ｙ（ｍ）］／Ｗ［λ（ｍ）ｋ ］ …（１３）
以上のようにして、送信端末におけるパケット送出速度を決める際に必要となる最適パケット送出速度を求めることができる。
【００７２】
なお、ここでの計算は、パケット送出速度計算部４により行われる。
【００７３】
上記において、パケット送出速度の代わりに、ウィンドウサイズを用いる場合には、ウィンドウサイズはλ（ｎ）とＲＴＴの積で計算することができる。
【００７４】
以下では、式（２）に例示した評価関数およびこの評価関数におけるパラメータａ，ｂ，ζ（特に評価関数における通信網の状態を表す特徴量の修正）に関して説明する。以下で示す制御に必要な処理は基本的にパケット送出速度計算部４において行われるが、本制御に網構成を表すパラメータを用いる場合においてはこの網構成を表すパラメータは網構成推定部３により求められパケット送出速度計算部４に与えられる。
【００７５】
ここで、式（２）におけるパラメータをａ＝１，ｂ＝０，ζ＝１とした場合について検討する。この場合に、式（２）は式（１４）のようになり、これはスループットの期待値Ｅ［ｚ（ｎ）］を表すものになることが分かる。
Ｊ（ｎ）｜ａ＝１，ｂ＝０，ζ＝１
＝λ（ｎ）｛１−Ｅ［ｙ（ｎ）］｝＝Ｅ［ｚ（ｎ）］ …（１４）
従って、ａ＝１，ｂ＝０，ζ＝１を式（１２）に代入して得られる制御を表す式（１５）は、スループットの期待値を最大にすることが分かる。
【００７６】
【数８】
しかし、式（１５）の制御は、端末が複数ある場合にはスループットが最適値に収束しないという欠点がある。
【００７８】
そこで、ｂ＞０（好ましくはｂ≧１；さらに好ましくはｂ＝１）とすることにより、端末が複数ある場合にも、スループットが最適値に収束し、各端末に公平なスループットが得られる制御を行うことができる。この場合、スループットの期待値を表す式（１４）を最大にする制御において、式（１４）のｙ（ｎ）をλ（ｎ）ｙ（ｎ）に置き換えており（ｂ＝１の場合）、パケット送出速度の増加に従ってパケット廃棄率の観測値が大きくなるような修正を行っていることになる。例えば、ネットワーク全体のパケット廃棄率をｆ（ｎ）、ｉ番目の端末のパケット廃棄率をｙｉ （ｎ）、θｉ を各端末のパケット廃棄率の偏りや確率変動を表す係数として、ｙｉ （ｎ）＝θｉ ｆ（ｎ）が成り立つと仮定すると、式（１０）と式（１２）の制御により、ｉ番目の端末のパケット送出速度λｉ （ｎ）は、式（１６）で表される。
【００７９】
【数９】
そのため、ｂが小さいとパケット廃棄率のわずかな偏りがパケット送出速度に大きく影響するが、ｂ≧１の場合は影響が小さく公平性が保たれる。
【００８１】
なお、他のパラメータについては、ａ≧１とすると好ましい（より好ましくはａ＝１）。また、ζ≧１とすると好ましい（例えば、ζ＝２００あるはζ＝３００といった程度の値を用いてもよい）。
【００８２】
さて、上記では、評価関数に対してパケット通信網の状態を表す特徴量がパケット送出速度の増加に従って大きくなるような修正（第１の修正）を施する点について説明したが、上記修正と併せて、保証すべきＱＯＳが高品質になるに従ってパケット通信網の状態を表す特徴量の観測値が大きくなるような修正（第２の修正）を施してもよい。
【００８３】
このようにＱＯＳが高品質になるに従ってζを大きく修正することにより、ＱＯＳの保証を行うことができる。この場合、スループットの期待値を表す式（１４）を最大にする制御において、式（１４）のｙ（ｎ）をζｙ（ｎ）に置き換えており、ＱＯＳが高品質になるに従ってパケット廃棄率の観測値が大きくなるような修正を施すことに等しい。
【００８４】
式（１２）による制御の定常状態では、パケット廃棄率は式（１７）で近似できる。ここで、ｙ＊は定常状態におけるパケット廃棄率であり、λ＊は定常状態におけるパケット送出速度である。
【００８５】
【数１０】
式（１７）より、ｙ＊はλ＊が小さいほど大きくなることが分かる。ＱＯＳを保証すべきパケット送信速度の最小値をλ０ とすると、式（１７）より式（１８）が得られる。
【００８７】
【数１１】
従って、パケットが通過するバッファ数の増加に従って該パケット通信網の状態を表す特徴量が小さくなるような修正を施さない場合、与えられたＱＯＳとλ０ に対してζを式（１９）により設定することにより、λ＊≧λ０ の場合にはＱＯＳを保証することができる。
【００８９】
【数１２】
また、上記した第１の修正と併せて、または第１の修正および第２の修正と併せて、パケット通信網の構成を表すパラメータの増加に従ってパケット通信網の状態を表す特徴量の観測量が小さくなるような修正（第３の修正）を施すようにしてもよい。パケット通信網の構成を表すパラメータは、例えば、パケットが通過したバッファ数に関係する値である。
【００９１】
送信したパケットが通過したバッファ数の増加に従って該パケット通信網の状態を表す特徴量が小さくなるような修正を施すことにより、各端末のパケットが通過するバッファ数が異なっている場合でも、公平なスループットが得られるような制御が可能になる。
【００９２】
ここで、パケット通信網の構成を表すパラメータとして、送信したパケットが通過したバッファのうち、パケット廃棄を起こした経験のあるバッファの総数の推定値Ｅ［Ｎ］を用いるとする。このとき、ζはＥ［Ｎ］の増加に従って小さく設定する。この制御は、スループットの期待値を表す式（１４）を最大にする制御において、式（１４）のｙ（ｎ）をζｙ（ｎ）で置き換えており、パケットが通過するバッファ数の増加に従ってパケット廃棄率の観測値が小さくなるような修正を施すことに等しい（なお、第２の修正も併せて行う場合には、ζは両方の要因を加味して決定される）。
【００９３】
式（２０）は、Ｅ［Ｎ］を計算するための一例である。
【００９４】
【数１３】
ここで、ＲＴＴａＬはパケット廃棄の直後に到着したＡＣＫにより観測されたＲＴＴ、ｍａｘ［ＲＴＴ］，ｍｉｎ［ＲＴＴ］は各々観測された最大遅延と最小遅延である。パケット廃棄率が十分小さく、各バッファが輻輳する確立がほぼ等しいとき、Ｅ［Ｎ］は近似的にパケットが通過するバッファ数になる。
【００９６】
また、ＡＣＫパケットに、パケットが通過する経路上のパケット廃棄が起こる可能性のあるバッファ数、各々のバッファにおける収容端末数、各々のバッファのバッファ長またはサービス速度に関する情報のすべてまたは一部が記録されている場合、Ｅ［Ｎ］をそれらの情報から導出することも可能である。
【００９７】
パケットが通過するバッファ数の最大値Ｎ０ を想定し、Ｅ［Ｎ］＝Ｎ０ のときにパケットの廃棄率の平均値がＱＯＳ以下になるようにζを決めることにより、Ｅ［Ｎ］≦Ｎ０ 、λ＊≧λ０ でＱＯＳを保証することができる。式（２１）は、このようなζの決め方の一例である。
【００９８】
【数１４】
さて、このような制御を実行する場合には、例えば、次のような処理が行われる。
まず、観測部１は、ＡＣＫが到着すると、ＲＴＴを計算し、パケット廃棄の有無を検出する。
次に、網状態推定部２は、パケット網の状態を示す特徴量として、パケット廃棄率の加重平均Ｗ［ｙ（ｍ）］、ＲＴＴの加重平均Ｗ［ＲＴＴ］、パケット廃棄の直後に到着したＡＣＫにより観測されたＲＴＴの加重平均Ｗ［ＲＴＴａＬ］、観測された遅延の最大値ｍａｘ［ＲＴＴ］、および観測された遅延の最小値ｍｉｎ［ＲＴＴ］を計算する。
次に、網構成推定部３は、網構成を表すパラメータとして、Ｅ［Ｎ］を式（２０）により計算する。
次に、パケット送出速度計算部４は、例えばａ≧１かつｂ≧１として（特にａ＝１かつｂ＝１が好ましい）、Ｅ［Ｎ］またはＥ［Ｎ］およびＱＯＳによって定まるζを用いた式（１２）により、当該送信端末における最適なパケット送出速度を決定する。
【０１００】
また、網構成を表すパラメータを加味せずＱＯＳを加味する場合には、例えば、まず、観測部１は、ＡＣＫが到着すると、ＲＴＴを計算し、パケット廃棄の有無を検出する。
次に、網状態推定部２は、パケット網の状態を示す特徴量として、パケット廃棄率の加重平均Ｗ［ｙ（ｍ）］を計算する。
次に、パケット送出速度計算部４は、例えばａ≧１かつｂ≧０として（特にａ＝１かつｂ＝１が好ましい）、ＱＯＳによって定まるζを用いた式（１２）により、当該送信端末における最適なパケット送出速度を決定する。
なお、網構成を表すパラメータもＱＯＳも加味しない場合には、例えば、まず、観測部１は、ＡＣＫが到着すると、ＲＴＴを計算し、パケット廃棄の有無を検出する。
次に、網状態推定部２は、パケット網の状態を示す特徴量として、パケット廃棄率の加重平均Ｗ［ｙ（ｍ）］を計算する。
次に、パケット送出速度計算部４は、予め定められたζを用いた式（１２）により、当該送信端末における最適なパケット送出速度を決定する。
【０１０１】
次に、本実施形態の効果について説明する。
【０１０２】
本実施形態では、パケット廃棄の有無とＲＴＴを、パケット網の平均的な特性を表すパケット廃棄率とパケット廃棄率の平均値に変換して利用しているため、ネットワークの確率的な変動を受けにくい。また、パケット送出速度を、最適な制御結果が得られるように理論的に導いているため、最適な制御結果が得られるパケット送出速度を決定できる。また、パケット送出速度とパケット廃棄率の関係式のパラメータを過去のデータから推定しているため、網の状態の構造に依存しないという特徴を持つ。
【０１０３】
さらに、パケットが通過するバッファ数の増加に従ってパケット通信網の状態を表す特徴量の観測値が小さくなるような修正を施した評価関数、またはこの修正に併せてパケット送出速度の増加に従ってパケット通信網の状態を表す特徴量の観測値が大きくなるとうな修正または保証すべきＱＯＳが高品質になるに従ってパケット通信網の状態を表す特徴量の観測値が大きくなるような修正の少なくとも１つの修正を施した評価関数を用いることにより、各端末のパケットが通過するバッファが異なる場合でも、ＱＯＳを保証し、各端末のスループットが公平であり、端末やパケット通信網の初期状態にかかわらず最適なパケット送出速度に収束し、最大のスループットを得ることができる。
【０１０４】
ところで、上記実施形態は、評価関数Ｊ（ｎ）を最大にするようにパケット送出速度を決定するフロー制御に関して説明しているが、本発明は、スループットをできるだけ大きくするような従来の方式にも適用可能である。
【０１０５】
例えば、次の式（２２）のような従来方式について考える。
【０１０６】
従って、本発明を式（２２）のような従来手法に適用するには、式（２２）を次の式（２３）のように修正すればよい。
【０１０７】
従って、本発明を式（２４）のような従来手法に適用するには、パケット廃棄の有無をパケット廃棄率に変換して、式（２４）を次の式（２５）のように修正すればよい。
【０１０８】
なお、以上の各機能は、ソフトウェアとしても実現可能である。
【０１０９】
また、本実施形態は、コンピュータに所定の手順を実行させるための（あるいはコンピュータを所定の手段として機能させるための、あるいはコンピュータに所定の機能を実現させるための）プログラムを記録したコンピュータ読取り可能な記録媒体として実施することもできる。
【０１１０】
本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、その技術的範囲において種々変形して実施することができる。
【０１１１】
【発明の効果】
本発明によれば、通信端末における最適なパケット送出速度を決定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係るフロー制御装置の構成を示す図
【図２】同実施例におけるフロー制御の処理手順の一例を示すフローチャート
【図３】パケットと情報セグメントの関係を説明するための図
【符号の説明】
１…観測部
２…網状態推定部
３…網構成推定部
４…パケット送出速度計算部
Claims (5)
- 受信端末または通信網からの情報により通信網の輻輳を検出し、該輻輳の状況に応じて送信端末がパケットの送出速度を調整するパケット通信網におけるフロー制御方法であって、
前記パケット通信網内で送出されるパケットの廃棄率の期待値と前記パケットの送出速度とから算出される前記パケットを受信する受信端末でのスループットの期待値が前記送出速度が増加するに従って小さくなるような評価関数を用いて、当該評価関数を最大にするように前記送出速度を決定することを特徴とするフロー制御方法。 - 前記評価関数はさらに、保証すべきＱＯＳが高品質になるに従って前記スループットの期待値が小さくなるような評価関数であることを特徴とする請求項１に記載のフロー制御方法。
- 前記評価関数はさらに、前記パケットが通過するバッファの数が増加するに従って前記スループットの期待値が大きくなるような評価関数であることを特徴とする請求項１または２記載のフロー制御方法。
- スライディングウィンドウまたはジャンピングウィンドウにより前記廃棄率の期待値を求める場合には、ウィンドウ長を前記パケット送出速度に応じて変化させることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１つに記載のフロー制御方法。
- 受信端末または通信網からの情報により通信網の輻輳を検出し、該輻輳の状況に応じて送信端末がパケットの送出速度を調整するパケット通信網におけるフロー制御装置であって、
前記パケット通信網内で送出されるパケットのパケット廃棄率の期待値と前記パケットの送出速度とから算出される前記パケットを受信する受信端末でのスループットの期待値が前記送出速度が増加するに従って小さくなるような評価関数を用いて、当該評価関数を最大にするように前記送出速度を決定する手段を備えたことを特徴とするフロー制御装置。
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