JP3851611B2 - 通信ネットワークにおいて、回線を新規サービス要求に割り当てる方法およびシステム - Google Patents

Description

この出願は、２００１年５月２２日に米国に出願された米国特許出願第０９／８６２，８９９に基づくものであり、当該米国出願に記載されている内容は本願に含まれるものとする。

本発明は、一般に、ネットワーク通信の分野に関し、詳細には、ネットワークに入ることを許可されるアプリケーション・サービス要求を満たすことに関する。

ネットワークは、通信装置間でマルチメディアをやり取りする主要な手段である。このマルチメディアのコンテンツは、データ、音声、文字、イメージ、映像などを含むこともある。通信装置には、入出力装置、コンピュータ、端末、マルチメディア・ワークステーション、ファックス機、プリンタ、サーバー、電話、携帯情報端末（ＰＤＡ）がある。

マルチメディア・ネットワークは、一般に、チャネルまたは回線によって、互いに、また、通信装置に接続されたネットワーク・スイッチを含む。これらの回線は、物理回線または仮想回線であることもある。仮想回線の場合には、その回線は、送信元アドレスと送信先アドレスによって指定される。使用される実際の物理回線は、ネットワーク・トラフィックやリソースの要件、およびデータ容量の可用性（通常、「帯域幅」として表わされる）に応じて、時間の経過とともに変化することになる。

マルチメディアは、多くの形式でフォーマットすることができるが、ただし、マルチメディアをフォーマットして、パケットにすることがますます増えてきている。通信装置間を通過中のパケットは、この回線のパスに沿って、後続する回線上で充分な利用可能な帯域幅が得られるまで、このパスに沿って、これらのスイッチのバッファに一時的に格納される場合がある。

ネットワークの動作における重要な考慮事項は、アドミッション制御とリソース割当てである。一般に、アドミッション制御とリソース割当ては、ビットストリームの伝送の間に、定期的に実行される進行中のプロセスである。このアドミッション制御とリソース割当ての決定は、様々なファクタ、例えば、ネットワーク・トポロジと、これらのスイッチ内のバッファ・スペースや回線の帯域幅容量などの現時点の利用可能なネットワーク・リソース、任意のサービス品質公約（ＱｏＳ）、例えば保証帯域幅、および、遅延またはパケット損失の確率を考慮に入れる場合がある。

このネットワーク・リソースの要件が過大評価される場合には、ネットワークは、容量が不足した状態で（under capacity）動作することになる。別法として、このネットワーク・リソースの要件が過小評価される場合には、ネットワークは輻輳し、ネットワークを通るパケットが紛失されることもある。Ｒｏｂｅｒｔｓ氏の「Ｂ−ＩＳＤＮにおける可変ビットレートのトラフィック制御(Variable−Bit-Rate Traffic-Control in B-ISDN)」（１９９１年９月発行のIEEE Comm. Mag.の５０〜５６ページ）；Ｅｌｗａｌｉｄ氏らの「一般マルコフ式トラフィックソースの実効帯域幅および高速ネットワークのアドミッション制御（Effective Bandwidth of General Markovian Traffic Sources and Admission Control of speed Networks）」（１９９３年発行のIEEE/ACM Trans. on Networking第１巻、第３号の３２９〜３４３ページ）；Ｇｕｅｒｉｎ氏らの「高速ネットワークにおける等価容量および帯域幅割当てへのその応用（Equivalent Capacity and its Application to Bandwidth Allocation in High-Speed Networks）」（１９９１年９月発行のIEEE J. Sel. Areas in Comm.第９巻、第７号の９６８〜９８１ページ）を参照のこと。

帯域幅が制限されたネットワーク上でのデジタル・マルチメディアの伝送は、将来のインターネットおよびワイヤレスの用途において、ますます重要になろう。厄介な問題は、マルチメディアの送信元と受信側の数、各ストリームで求められる帯域幅、およびネットワーク自体のトポロジのような、絶えず変化するネットワーク・パラメータに対処することである。最適なリソース割当ては、個々のコネクションの間のアドミッション制御などのローカルな戦略だけでなく、グローバルな戦略、すなわちグローバルなネットワーク管理も、動的（実行時）に考慮に入れなければならない。

アドミッション制御とリソース割当ては、一般に、ネットワーク・スイッチの計算リソースを保護するために、ネットワークの「エッジ」で行われる。オフラインシステムは、ストリームの正確な帯域幅特性を、あらかじめ決定できるとはいえ、多くの用途において、オンライン処理は、遅延要件や計算要件を低く抑えることが望ましいか、もしくは、必要とさえされる。さらに、帯域幅の決定を下すのに用いられるいかなる情報も、圧縮ビットストリームで直接に利用できなければならない。

一特徴として、従来技術のアドミッション制御法は、このようなサービスの要求を認めるか、または否定するかのいずれかである。従来技術においては、送信元と送信先との間の単一の伝送媒体に対して入ってくる要求に、アドミッション制御が施される。

Ｋｎｉｇｈｔｌｙ氏らは、「Ｄ−ＢＩＮＤ：ＱｏＳ保証をＶＢＲトラフィックに提供する正確なトラフィック・モデル（An accurate traffic model for providing QoS guarantees to VBR traffic）」（１９９７年発行のＩＥＥＥ Ｔｒ．Ｎｅｔｗｏｒｋｉｎｇ第５巻、第２号、２１９〜２３１ページ）の中で、統合サービス・ネットワークにおいて性能保証を提供するトラフィック・モデルの紹介を述べている。そのモデルは、コネクション・セットアップ時間にて、このネットワークに指定された多数のレート間隔ペアから成っている。しかしながら、オンラインの場合では、その到着シーケンスは、あらかじめ知られているものではなく、それゆえ、任意のトラフィックモデル用のパラメータ値は、オフラインの場合よりもさらに、得ることが難しい。そのモデルでは、アドミッション基準は、決定論的遅延限界の関数によって決まる。

それゆえ、ネットワーク上で、マルチメディア・コンテンツを転送しながら、再交渉地点にネットワーク・リソースを動的に割り当てる改良された方法およびシステムが必要である。

アドミッション制御のプロセスは、統計的多重化ゲインを得るために、ライブ・ソースでは得ることが難しい送信元の統計的性質を演繹的に知らなければならない。本発明において提供される方法は、送信元に、それらのトラフィック特性が、時間の経過とともに、どのように変化するかを明示するように求めるのではなく、アプリケーション・タイプだけを明示するよう求めている。

サーバーは、すでにサービスを受けている同様のアプリケーション・タイプの二次統計的性質を検索して、新規要求の時間的帯域幅使用挙動を推定する。サーバーは、新規コネクション要求のアドミッション時に、回線の飽和の確率、言い換えれば、伝送媒体ごとに、定義済み利用しきい値を超える確率を求める。サーバーは、上記の確率に基いて、アドミッション決定と、この伝送媒体の選択を完結する。

さらに具体的に言えば、システムおよび方法は、回線を選択して、ネットワーク上でデータを伝送するアプリケーション要求を満たす。このネットワークは、狭帯域の回線および広帯域の回線を、１つまたは複数含む。

このアプリケーション要求がその回線に割り当てられる場合には、回線アナライザにおいて、回線ごとに平均利用率を測定する。次に、アドミッション制御ユニットは、そのアプリケーション要求を、この平均利用率が所定のしきい値よりも小さい場合には、広帯域の回線に割り当て、また、この平均利用率が１よりも小さい場合（ここで、１は全利用である）には、狭帯域の回線に割り当て、そうでなければ拒否する。このしきい値は、広帯域のチャネルの保護帯域幅を１から引いた値である。このような回線への割当ては、これらの要求を行うアプリケーションに回線を接続するスイッチを用いて、行われる。

この説明と図面は、ネットワークおよび回線の特性を述べるときに、以下の用語を参照する：
Ｃ_ＬＢ， 狭帯域の回線の容量
Ｃ_ＨＢ， 狭帯域の回線の容量
Ｕ_ｈ（ｎ） ある時点における広帯域の回線の利用率
μ_Ｗ サービス要求時におけるバックグラウンド・トラフィックのデータレートの平均
σ_Ｗ＋ バックグラウンド・トラフィックのデータレートの標準偏差
Δ 広帯域の回線の飽和を防止する保護帯域幅
Ｎ サービスを提供されている現時点のアプリケーション要求の数
Ｍ 遅延線におけるタップの数
Ｄ 要求の帯域幅
ｓ（ｎ） データの到着率
μ_Ｓ サービス要求時のトラフィックのデータ到着率の平均
σ_Ｓ バックグラウンド・トラフィックのデータ到着率の標準偏差

システムの概説
図１に示されるように、本発明は、アプリケーションによって行われたサービス要求（０，．．．，Ｎ）１０１に応答して、マルチメディア・コンテンツ（「トラフィック」）のアドミッション制御およびルーティングを行う方法およびシステムを提供する。図１に示されるように、このシステムは、トラフィック・コントローラ２００と回線スイッチ１２０を有するネットワーク・サーバー１００を含む。このシステムは、ワイヤレス・ネットワーク１４１とインターネット１４２を含むネットワーク１４０に接続される。スイッチ１２０は、これらの要求１０１の任意のものを、ネットワーク１４０の任意の数の異なる回線１３１〜１３２に接続することができる。

一つの特徴として、ネットワーク１４０の様々な回線は、異なる帯域幅容量を有する。例えば、回線１３１は、ワイヤレス・ネットワーク１４１の、狭帯域の容量（Ｃ_ＬＢ）の基地局を通じて、このネットワークに接続され、また、回線１３２は、インターネット１４２の、広帯域の容量（Ｃ_ＨＢ）の回線を通じて、このネットワークに接続される。本発明による方法では、このようなスイッチングは、アプリケーションと回線状態の性質に基いている。図１に示されるように、コネクションＸ_ｎに関して、ある時点での、広帯域の回線の利用率１３３は、次式となる：

Ｕ_Ｌ（ｎ）＝｛Ｘ_１（ｎ）＋Ｘ_２（ｎ）＋……＋Ｘ_Ｎ−１（ｎ）｝／Ｃ_ＬＢ

既知のアプリケーションの性質を用いての回線割当て
図２は、トラフィック・コントローラ２００が、サービス要求１０１を行うアプリケーション２３０の性質を知って、回線割当てを行う本発明の一実施形態を示している。トラフィック・コントローラ２００は、広帯域の回線のトラフィック・アナライザ２１０および第１のアドミッション制御ユニット（ＡＣＵ−Ｉ）２２０を含む。トラフィック・アナライザ２１０は、最新のＭ個のタイムスロットの範囲内にある、広帯域の回線の平均利用率Ｕ_ｈ１３３を測定する。ここで、Ｍは整数である。ＡＣＵ−Ｉ２２０は、回線容量Ｃ_ｌｂ２０１およびＣ_ｈｂ２０２と、スイッチ１２０を通じて提供される保護帯域幅Δ２０３とを備えている。この保護帯域幅は、回線の飽和を防止するものである。言い換えれば、この保護帯域幅は、このデータレートがバースト性のものであるいかなる時点でも、利用できる過剰帯域幅である。ＡＣＵ−Ｉ２２０はまた、アプリケーション２３０からの要求Ｄ２２１も持っている。

図３にも示されるように、ＡＣＵ−Ｉ２２０は、ネットワーク・パラメータ２０１〜２０３、および１３３に基いて、回線１３１〜１３２ごとに利用率Ｕ_Ｌ２２８およびＵ_Ｈ２２９を求める（３００）。この利用率は、要求２２１のアドミッションによるものであろう。

任意の回線の全容量を使用する場合には、結果としてもたらされる回線の利用率は１である。言い換えれば、回線の利用率は、０と１の間で様々である。この場合、ゼロは利用無しを意味し、また１は全利用を意味する。アドミッション決定における優先順位は、広帯域の回線１３２に与えられる。なぜなら、この回線は、容量がさらに大きいからである。それゆえ、狭帯域の回線１３１の前に、広帯域の回線１３２を利用できるかどうかチェックする。

広帯域の回線１３２における利用率Ｕ_Ｈ２２８が、要求１０１のアドミッションとともに、（１−Δ２０３）により定義されたしきい値よりも小さくなる場合には、要求１０１は認められて（３０１）、その要求されたアプリケーション・サービスが、スイッチ１２０により、広帯域の回線１３２に接続される。そうでない場合には、狭帯域の回線１３１に対する利用率Ｕ_Ｌ２２９が求められる。このような狭帯域の回線における利用率（要求２２１によるものとなる）が１よりも小さい場合には、その要求されたアプリケーション・サービスは、スイッチ１２０により、狭帯域の回線１３１に割り当てられる（３０２）。どちらの場合も満たすことができない場合には、そのアプリケーション要求は、拒否される（３０３）。

確率的なアプリケーションの性質を用いての回線割当て
図４は、トラフィック・コントローラ２００が、サービス要求２２１を行うアプリケーション２３０の性質を知らずに回線割当てを行う、本発明の他の実施形態を示している。トラフィック・コントローラ２００は、広帯域の回線のトラフィック・アナライザ４１０と、第２のアドミッション制御ユニット（ＡＣＵ−ＩＩ）４２０を含む。トラフィック・アナライザ４１０は、最後のＭ個のタイムスロットの範囲内にある、広帯域の回線の平均利用率Ｕ_ｈ１３３を求める。ここで、Ｍは、前例と同じように整数である。ＡＣＵ−ＩＩ４２０は、回線容量Ｃ_ｌｂ２０１およびＣ_ｈｂ２０２と、スイッチ１２０を通じて提供される保護帯域幅Δ２０３とを備えている。この保護帯域幅は、回線の飽和または過剰利用を防止する。ＡＣＵ−ＩＩ４２０は、要求Ｄ２２１も持っている。

トラフィック・アナライザ４１０は、要求２２１のものと同一のアプリケーション・タイプを有するトラフィックの平均データ到着率μ_Ｓとデータ到着率の標準偏差σ_Ｓ、および、広帯域の回線１３２上の総トラフィックの平均データレートμ_Ｗと標準偏差σ_Ｗも、ＡＣＵ−ＩＩ４２０に提供する（４１１）。これらの情報は、トラフィック・アナライザ４１０のルックアップ・テーブル（ＬＵＴ）４１２に格納されて、所定のタイムスロットごとに、ビット到着量に基いて、更新される。これらの統計パラメータμ_Ｗ、σ_Ｗ、μ_Ｓ、σ_Ｓは、容易に解析できるように、ガウス分布による（ただし、必ずしも、ガウス分布によるとは限らない）ものと考えられる。パラメータ４１１の計算では、最後のＭ個の連続するタイムスロット内のビット到着量を使用する。

図５に示されるように、ＡＣＵ−ＩＩ４２０は、回路ごとに所定の利用しきい値を超える確率Ｐｒを求め（５００）、かつ、そのもっとも低い確率を有する回線を選択して（５０１）、この要求にサービスを提供する。ただし、この選択された回線において過剰利用を起こさないように、確率がもっとも低い回線に対しても、ＡＣＵ−Ｉ２２０の選択基準が満たされることを条件とする。

例えば、狭帯域の回線において所定の利用しきい値を超える確率が、広帯域の回線におけるものよりも低くければ、帯域幅要求Ｄ２２１は、狭帯域の回線の容量Ｃ_ｌｂ２０１と比較される。Ｄ２２１がＣ_ｌｂ２０１よりも小さい場合には、狭帯域の回線を選択して（５０１）、この要求にサービスを提供する。そうでなければ、広帯域の回線１３２において利用しきい値を超える確率が、狭帯域の回線１３１におけるものよりも高くても、広帯域の回線において、帯域幅要求Ｄ２２１に充分な帯域幅が利用できる場合には、広帯域の回線の方を選択する（５０２）。そうでなければ、１０１の要求Ｄ２２１は拒否される（５０３）。

この方法は、クライアント２３０とサーバー１００との間で、下流の方向に、狭帯域の単一の回線と、広帯域の複数の回線を有する通信ネットワークにも施すことができる。このような場合、広帯域の回線の任意の回線のうち、もっとも低い確率を、狭帯域の回線の確率と比較し、また、ＡＣＵ−ＩＩ４２０内の、これら２つの回線間のリンク選択基準を利用する。

図６は、広帯域の回線１３２において利用しきい値（１−Δ２０３）を超える確率の閉じた形式の式６０１で、図５の解析を、さらに詳細に示している。この閉じた形式の式６０１は、広帯域の回線におけるガウス分布バックグラウンド・トラフィック・ビット到着プロセスｗ（ｎ）と、広帯域の回線における新規要求２３０と同じアプリケーションのビット到着プロセスであるｓ（ｎ）に対して、それぞれ、平均と標準偏差のパラメータμ_Ｗ、σ_Ｗ、μ_Ｓ、σ_Ｓ４１１を用いて、確率的Ｑ関数の点から書き直すことができる（６０２）。決定６０３は、アプリケーション２３０のアドミッションとともに、狭帯域の回線において利用しきい値を超える確率である。決定６０３は、広帯域の回線においてサービスを提供される、アプリケーション２３０と同じアプリケーション・タイプの統計的性質を利用している。これは、アプリケーション２３０のアドミッションよりも前には、２３０の実際の統計的性質が知られていないからである。６０４は、式６０３と等価な確率的Ｑ関数である。

図７は、Δ２０３＝０．１、Ｃ_ｌｂ２０１＝９０００ビット／秒、Ｃ_ｈｂ２０２＝９０００００ビット／秒、Ｎ＝８８の同一アプリケーションが与えられる場合に、ｘ軸７０３で表わされるμ_Ｓと、ｙ軸７０１で表わされるσ_Ｓの様々な値において、広帯域回線１３２と狭帯域回線１３１の双方の回線において、ｚ軸７０２で表わされる所定の利用しきい値を超える確率を描いている。

図７では、曲面７１０は、狭帯域の回線に関して、所定の利用しきい値（１−Δ２０３）を超える確率を表わした領域を示している。曲面７２０は、広帯域の回線に関して、所定の利用しきい値を超える確率を図示した領域を示している。これらの確率は、入ってくるトラフィックの時間的挙動によって、時間的に変化する。

曲面７１０は、２つの別々の領域から成っている。領域７１１では、狭帯域の回線に関して所定の利用しきい値を超える確率は、広帯域の回線に関してのものよりも低く、その場合、狭帯域の回線を選択して、その要求にサービスを提供する。ただし、この狭帯域の回線は、ＡＣＵ−Ｉ２２０内で与えられる制約基準も満たすことを条件とする。領域７１２では、狭帯域の回線に関して所定の利用しきい値を超える確率は、広帯域の回線に関してのものよりも高く、その場合、広帯域の回線を選択して、その要求にサービスを提供する。ただし、ＡＣＵ−Ｉ２２０内で与えられる制約基準も満たされることを条件とする。

本発明は、好ましい実施形態の例示として述べられてきたが、他の様々な改造や変更は、本発明の精神および範囲内で行うことができるものとする。それゆえ、併記の特許請求の範囲の目的は、本発明の真の精神および範囲に入るものとして、このような変形や変更をすべて含むことである。

本発明による回線を割り当てるシステムのブロック図である。 既知のアプリケーションの性質を用いて、本発明により回線を割り当てる第１のトラフィック・コントローラのブロック図である。 図２のコントローラで用いられる方法のブロック図である。 既知のアプリケーションの性質を用いて、本発明により回線を割り当てる第２のトラフィック・コントローラのブロック図である。 図４のコントローラで用いられる方法のブロック図である。 詳細度をさらに高めた図５のブロック図である。 データ・トラフィックの過剰利用の確率を示すグラフである。

Claims (12)

1. 少なくとも１つの狭帯域の回線と、少なくとも１つの広帯域の回線とを含む複数の回線を有するネットワーク上で、データを伝送するアプリケーション要求を満たすための回線の選択方法であって、
   前記アプリケーション要求が回線に割り当てられる場合には、前記回線のそれぞれに対して平均利用率を測定することと、
   前記平均利用率が所定のしきい値よりも小さい場合には、前記アプリケーション要求を、前記広帯域の回線に割り当てることと、
   前記平均利用率が１よりも小さい場合には、前記アプリケーション要求を、前記狭帯域の回線に割り当てることと、
   そうでなければ、前記アプリケーション要求を拒否することと、
   を含む回線の選択方法。
2. 前記所定のしきい値は、前記広帯域の回線の飽和を防止する保護帯域幅を１から引いた値である請求項１記載の方法。
3. 回線ごとの前記平均利用率は、一つの確率として求められ、
   確率がもっとも低い特定の回線を選択することと、
   前記選択された回線が前記広帯域の回線であり、かつ前記平均利用率が所定のしきい値よりも小さい場合に、前記アプリケーション要求を、前記選択された回線に割り当てることと、
   前記選択された回線が前記狭帯域の回線であり、かつ前記平均利用率が１よりも小さい場合に、前記アプリケーション要求を、前記選択された回線に割り当てることと、
   そうでなければ、前記アプリケーション要求を拒否することと、
   をさらに含む請求項１記載の方法。
4. 前記ネットワークは、広帯域の複数の回線を含む請求項３記載の方法。
5. 前記確率は、前記アプリケーション要求と同一のアプリケーション・タイプを有するトラフィックの平均データ到着率μ_Ｓと前記データ到着率の標準偏差σ_Ｓとに基づき、前記広帯域の回線上の総トラフィックの平均データレートμ_Ｗと標準偏差σ_Ｗを用いて求める請求項３記載の方法。
6. 前記アプリケーション要求と前記同一のアプリケーション・タイプを有するトラフィックの前記平均データ到着率μ_Ｓと前記データ到着率の前記標準偏差σ_Ｓ、および、前記広帯域の回線上の総トラフィックの前記平均データレートμ_Ｗと前記標準偏差σ_Ｗは、テーブルに格納される請求項５記載の方法。
7. 最新のＭ（Ｍは整数）個のタイムスロットの範囲内にある、前記広帯域の回線の平均利用率Ｕ_ｈ１３３を測定する、請求項１記載の方法。
8. 前記確率は、ガウス分布の形式である請求項３記載の方法。
9. 所定の数の先行するタイムスロットにわたっての平均利用率は、遅延線のタップを用いて得る請求項３記載の方法。
10. 全利用は１として測定され、また利用無しはゼロとして測定される請求項１記載の方法。
11. 少なくとも１つの狭帯域の回線と、少なくとも１つの広帯域の回線とを含む複数の回線を有するネットワーク上で、データを伝送するアプリケーション要求を満たすために回線を選択するシステムであって、
    前記アプリケーション要求が回線に割り当てられる場合には、前記回線のそれぞれに対して平均利用率を測定するように構成された回線アナライザと、
    前記平均利用率が所定のしきい値よりも小さい場合には、前記アプリケーション要求を、前記広帯域の回線に割り当てるように、
    前記平均利用率が１よりも小さい場合には、前記アプリケーション要求を、前記狭帯域の回線に割り当てるように、
    それら以外の場合には、前記アプリケーション要求を拒否するように
    構成されたアドミッション制御装置と、
    を備える回線の選択システム。
12. 前記割り当てることは、前記狭帯域の回線と前記広帯域の回線を前記アプリケーション要求に接続するように構成されたスイッチにより実施される請求項１１記載のシステム。

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