JP3878553B2 - 複数の情報パケットフロー間で共用資源をスケジュールするための手順及びシステム - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、パケット通信システムに係り、特に共用資源のスケジューリング基準、すなわち、その発生毎に資源を割り当てるべきパケットを選択するのに用いる基準に関する。
【０００２】
本発明で与えられる解決策は、無線通信の資源のスケジューリング（例えばＭＡＣレベルのスケジューリング）、及びネットワークノードにおける計算及び伝送資源のスケジューリング（例えばインターネットプロトコルルーター（ＩＰ）上での異なるサービスの質を有するフローのスケジューリング）の両方に対して開発された。以下の記載は、特に後者の用途の例に基づいているが、これは単に例として与えられたものであり、発明の範囲を限定するものではない。
【０００３】
ここ数年の間に、パケットネットワークの広範囲にわたる適用及び急速な発展により、古い世代のパケットネットワークにより提供される従来のサービス（電子メール、ウエブサーフィンなど）と回線交換ネットワークに対して予め予約された新しいサービス（リアルタイムビデオ、電話など）とを統合していわゆる統合サービスネットワークを作る課題が生じていた。従って、統合サービスネットワークは、異なる特性を有するトラフィックフローを取り扱うことができ、各種のフローに対して適当なサービスの品質、すなわちユーザーとサービス提供者の間で取り決められた１組の性能指標（合意期間内で保証されるべきもの）を提供できなければならない。
【０００４】
要求されるサービスの品質を提供する上で重要な要素の一つは、ネットワークノード上で実行されるスケジューリングにより、すなわち、各々の時間にノード上に存在するパケットから伝送されるべきパケットを選択する基準により与えられる。よって、明らかにこの基準は、以下の特徴を有しなければならない。
− 異なる種類のサービスを提供する能力という意味での柔軟性；
− 大きい伝送速度と多量の伝送フローの取扱いが要求される環境において使用可能にする特性たる単純さ；及び
− 共用資源（例えば伝送手段）の使用における効率性。
【０００５】
まず、特許請求の範囲に記載した特徴を有する本発明は、上述した要件を満たすことができるスケジューリング手順からなる。本発明の別の態様は、関連するシステムにも関する。
【０００６】
特に、本発明により与えられる解決策は、少ない計算コストにて異なる種類のサービスを提供でき、よって、イントサーブ(intsev)又はディフサーブ(diffserv)技術におけるＩＰネットワークのように、そのユーザーにサービスの品質を保証しなければならないコンピュータネットワークに適用できる。本発明で与えられる解決策は、ＭＡＣレベルのスケジューリングアルゴリズムのような無線通信の資源のスケジューリングシステム（Ｗ−ＬＡＮシステム、第三世代の移動体無線通信サービス）にも適用される。
【０００７】
特に、本発明で与えられる解決策は、種々のフローのビットレート、最大待合せ遅延、及び同期トラフィックのための各フローバッファの最大占有を保証する。
【０００８】
現在のところ好ましい実施形態では、本発明で与えられる解決策は、以下の特徴を提供できる。
− 柔軟性： 本発明で与えられる解決策は、２つの異なる種類のサービス、すなわちレート保証型のもの（同期フローに適する）とベスト・エフォート型(best-effort）のもの（非同期フローに適する）を提供し、従って、サービス統合ネットワークにおいて機能し得る。
− フローの分離： 特別なアーキテクチャーにより、伝送フローを分離することが可能となる、すなわち、他のフローの存在や挙動とは独立に単一フローにサービスが提供される。
− 計算上の低複雑性： 毎回伝送されるパケットを選択するのに必要な操作数が、存在する伝送フローの数とは独立しており、よって、本システムは１つの計算上の複雑性０（１）を有する。この特徴により、本システムは伝送速度とフロー数が大きい環境に対して特に適する。
− 適応性： 本発明で与えられる解決策は、複雑な手順に頼る必要なくその資源を再分配することにより、操作パラメータ（例えば存在するフローの数）の変化に対応できる。
− 分析的な記述可能性： システムの挙動についての完全な分析的な記述が与えられる。これにより、サービスの品質の尺度をシステムパラメータに関係付けることができる。
【０００９】
以下、非制限的な例として添付図面を参照して本発明を説明する。添付図面は、本発明によるシステムの稼働における動作基準を示す１つのブロック図を含む。
【００１０】
本発明で与えられるスケジューリングシステムは、単一の伝送チャネルを複数の伝送フローに多重化することができる。
【００１１】
本システムは、２つの異なる種類のサービス、すなわち、保証された最小サービスレートが要求される伝送フロー（以後、ｈ同期フロー［ｈ＝１，２，・・・，Ｎ_s ］）に適するレート保証型のサービス、及びサービスレートについて保証が要求されない伝送フロー（以後、ｉ非同期フロー［ｉ＝１，２，・・・，Ｎ_A ］）に適するベスト・エフォート型のサービスを提供する。しかしながら、本発明は、同期フローにより使用されない伝送容量の均衡のとれた共用を後者に対して与える。
【００１２】
ノード上での各伝送フロー入力からのトラフィックが、その待ち行列（同期又は非同期待ち行列について後に説明する）に挿入され、この待ち行列から取り出されて伝送される。サーバー１０は、固定した循環順序にて待ち行列にアクセス(visit）し（図面では軌線Ｔと矢印Ａにて理想的に示されている）、各アクセスでの正確なタイミングの強制により設定されるサービス時間を各待ち行列に付与する。
【００１３】
本発明で与えられるシステム動作は、初期化を含み、その後に循環的な待ち行列アクセス手順が続く。これらの手順は後に説明する。
【００１４】
初期化
まず第一に、動作条件に関係する情報、すなわち、同期フローがいくつ存在しているか（一般にはＮ_A 個）、これらのフローの各々により要求される伝送レートはいくつか、非同期フローがいくつ存在しているか、予想される巡回時間（ＴＴＲＴ）、すなわちサーバーが一旦始まって総ての待ち行列をアクセスする間の完全なサイクルはどのくらいの長さか、をシステムに与える必要がある。
【００１５】
システムパラメータは、この情報に基づいて次のように定めることができる。
− 各同期フローｈ（ｈ＝１・・・Ｎ_S ）は、適当な割当て方針により変数Ｈ_h （同期容量）に関連付けられる。この変数Ｈ_h は、同期フローのトラフィックがトークンを手放す前に伝送され得る最大時間を表わす。可能な割当て方針を後に説明する。
− 各々の非同期フローｉ（ｉ＝１・・・Ｎ_A ）は、２つの変数、すなわちｌａｔｅｎｅｓｓ（ｉ）とｌａｓｔ＿ｔｏｋｅｎ＿ｔｉｍｅ（ｉ）に関連付けられる。この最初の変数は、サービスを受ける権利を有するべく非同期待ち行列ｉに対して設定されなければならない遅延を記憶する。二番目の変数は、サーバーが前のサイクルにおいて非同期待ち行列ｉにアクセスした時間を記憶する。これらの変数は零に初期化される。
【００１６】
また、システムクロックも開始される。すなわち、ｃｕｒｒｅｎｔ＿ｔｉｍｅ変数の読取りにより所望の精度の現在時間が与えられると仮定して、待ち行列の走査が開始される。
【００１７】
一般的な同期待ち行列ｈ（ｈ＝１・・・Ｎ _S ）へのアクセス
同期待ち行列は、初期化段階中に決められた最大同期容量Ｈ_h に等しい時間からなる期間の間サービスを受けることができる。サービスを受けている待ち行列が空ならば、たとえＨ_h 時間が過ぎていなくても、サーバーは先に進んで次の待ち行列にアクセスする。
【００１８】
一般的な非同期待ち行列ｉ（ｉ＝ｉ・・・Ｎ _A ）へのアクセス
非同期コードは、予定される時間に先行してサーバーのアクセスが為される場合にのみサービスを受けることができる。サーバーのアクセスが先行するか否かを計算するために、前のアクセスから経過した時間と累積した遅延ｌａｔｅｎｅｓｓ（ｉ）とを予想される巡回時間ＴＴＲＴから引く。この差が正ならば、非同期待ち行列ｉがサービスを受ける権利を有する時間からなる期間を与え、この場合にはｌａｔｅｎｅｓｓ変数（ｉ）がリセットされる。差が負ならば、サーバーが遅れており、よって待ち行列ｉはサービスを受けることができず、この場合には遅延がｌａｔｅｎｅｓｓ変数（ｉ）に記憶される。同じことが非同期待ち行列にも当てはまる。すなわち、サービスを受けている待ち行列が空ならば、たとえ前に計算したサービス時間がいまだ完全には経過していなくても、サーバーは先に進んで次のものにアクセスする。
【００１９】
後に説明する擬似コードは、Ｎ_A 個の非同期フローとＮ_S 個の同期フロー（Ｎ_A とＮ_S は負でない整数）とのスケジューリングを提案している本発明にて与えられるシステムについてその挙動を分析的に記述する。各々の同期フローｈ（ｈ＝１・・・Ｎ_S ）が出力チャネルの容量のｆ_h 倍（０≦ｆ_h ≦１）に等しいサービスレートを必要とすること、及び同期フローにより要求されるサービスレートの合計がチャネル自体の容量を超えないこと、すなわち
【数３】
が仮定される。
【００２０】
【数４】
【００２１】
要求されるサービスレート以上の最小サービスレートを同期フローが受けることを保証できるかは、同期容量Ｈ_h （ｈ＝１・・・Ｎ_S ）が正しく選択されたか否かに依存する。本発明で与えられるシステムでは、Ｈ_h （ｈ＝１・・・Ｎ_S ）は、予想される巡回時間ＴＴＲＴの値に比例して選択される。
Ｈ_h ＝ＴＴＲＴ・Ｃ_h
【００２２】
比例定数Ｃ_h の値は、次の２つの案の一つにより選択し得る。
− ローカル案： Ｃ_h ＝ｆ_h
− グローバル案：
【数５】
【００２３】
もちろん、グローバル案の適用可能性は、少なくとも１つの非同期フローの存在に関係する。
【００２４】
上述した案の一つに従ってＨ_h を計算すると、各々の同期フローは、チャネルの容量のｒ_h 倍と同じだけのレートにてサービスを受ける。このｒ_h は、次式により与えられる。
【数６】
また、一般的な同期待ち行列ｈが絶対に空ではない時間範囲［ｔ₁ ，ｔ₂ ）が与えられると、［ｔ₁ ，ｔ₂ ）においてｈ待ち行列が受けたサービス時間Ｗ_h （ｔ₁ ，ｔ₂ ）は、次の不等式が成り立つ。
０＜ｒ_h ・（ｔ₁ −ｔ₂ ）−Ｗ_h （ｔ₁ ，ｔ₂ ）≦Λ_h ＜∞，
∀ｔ₂ ≧ｔ₁ ，ｈ＝１... Ｎ_S （１）
ここで、
Λ_h ＝Ｃ_h ・ＴＴＲＴ・（２−ｒ_h ）＜ｍｉｎ（２Ｈ_h ，ＴＴＲＴ）
である。
【００２５】
上記関係（１）により、本発明で与えられるシステムにより同期フローに提供されるサービスは、同じフローが本発明で与えられるスケジューラにより扱われるチャネルの容量のｒ_h 倍に等しい容量を有するプライベートな伝送チャネルの唯一の所有者であるならば経験するであろうサービスとはΛ_h 以上異なる。従って、Λ_h は、理想的な状況に対して最大のサービス遅延を表す。Λ_h はＴＴＲＴに比例するので、ＴＴＲＴは最大サービス遅延を制限するように選択され得る。
【００２６】
グローバル案は、同一の動作条件下ではより低容量を同期フローに割当て、帯域のより大きな部分を非同期フロー伝送のために利用できるようにするという点で、ローカル案に対してチャネルの伝送容量をより上手に使用することを保証する。
【００２７】
一方、グローバル案の使用により、システム中の（同期又は非同期）フローの数が変化する毎にすべてのＨ_h パラメータが再計算されることが予想される。しかしながら、ローカル案の使用は、システム中に存在するフロー数とは独立にＨ_h が設定され得ることを意味する。
【００２８】
最小サービスレートの保証により、最大バッファ占有（バックログ(backlog））についての保証、及び入力トラフィックを条件付ける適当なメカニズムが用いられるなら同期トラフィックに対する最大待合せ遅延についての保証が可能となる。
【００２９】
複合的なリーキーバケット(leaky bucket)が、カスケード状のｎ≧１のリーキーバケットから成るトラフィック条件付けメカニズムとして用いられると仮定し、かつ各リーキーバケットが一対のパラメータ（ｂ_j ，ｔ_j ），ｊ＝１・・・ｎにより特徴付けられるとすると［ここで、ｂ_j はリーキーバケットの大きさであり（時間の単位で表される）、１／ｔ_j はリーキーバケットの充填速度である］、次の量を定めることが可能となる。
【数７】
ここで、ｂ_n+1 ＝０とｔ_n+1 ＝０は記述を容易にするために導入されている。（一般性を失うことなく）次の不等式が成り立つと考え得る。
ｔ_j ＞ｔ_j+1 ， ｂ_j ＞ｂ_j+1 ， Ｔ_j ＞Ｔ_j+1 （ｊ＝１・・・ｎ−１）
【００３０】
一般的な同期フローｋにより送られるトラフィックがパラメータ（ｂ_j ，ｔ_j ），ｊ＝１・・・ｎにより記述されるｎ段の複合リーキーバケットにより制限される場合に、一般的な同期フローｋがｒ_k に等しいレートを保証したとすると、次の保証が表式化できる。
【００３１】
ｒ_k ≧１／ｔ₁ ならば、バックログと待合せ遅延の両方とも上限を有する。加えて、単一のリーキーバケットが指標ｉにより表されるならば、１／ｔ_i ≦ｒ_k ＜１／ｔ_i+1 ， ｉ＝１・・・ｎである。すなわち、
− 待合せ遅延は、上部にて
ｄ_k ＝（Λ_k ＋Ｂ_i ）／ｒ_k −Ｔ_i
により制限され、
− Λ_k ／ｒ_k ≦Ｔ_i ならば、バックログが上部にて
ｑ_k ＝Λ_k ＋Ｂ_i −ｒ_k ・Ｔ_i
により制限され、
Λ_k ／ｒ_k ＞Ｔ_i ならば、バックログは上部にて
【数８】
により制限され、ここで、ｈは、不等式Ｔ_h ≦Λ_k ／ｒ_k ＜Ｔ_h-1 ， ｈ＝１・・・ｉ¹ を調べる(checks)リーキーバケットである。
【００３２】
上述の説明では記述を簡単にするために、Ｔ₀ ＝∞を使用した。
【００３３】
しかしながら、本発明の思想から離れることなく、いかにして実行するかの詳細については、これまで記載してきたことに対して変更し得ることは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明によるシステムの稼働における動作基準を示すブロック図である。
【符号の説明】
１０ サーバー

Claims (16)

1. 関連するそれぞれの待ち行列を生成してトークンの属性に従ってサービスを受ける複数の情報パケットフロー間で共用されているサービス資源のスケジューリング手順であって、これら複数のフローは、保証された最小サービスレートを必要とする同期フロー（ｈ＝１，２，・・・，Ｎ_S ）と、同期フローにより使用されずに残った前記資源のサービス容量を利用するように定められた非同期フロー（ｉ＝１，２，・・・，Ｎ_A ）とを含む上記手順において、
   − 連続サイクルにて前記フロー（ｈ，ｉ）に関連したそれぞれの待ち行列にアクセスするサーバー（１０）を設け、サーバー（１０）が前記それぞれの待ち行列へのアクセスサイクルを完了するのに必要な時間を特定する予想巡回時間値（ＴＴＲＴ）を求め；
   − トークンを手放す前に同期フローがサービスを受けることができる時間の最大長さを示すそれぞれの同期容量値（Ｈ_h ）を、各々の同期フロー（ｈ）に関連付け；
   − サービスを受ける権利を有するべくそれぞれの待ち行列に対して設定されるべき値を特定するそれぞれの第１遅延値（ｌａｔｅｎｅｓｓ（ｉ））と、前のサイクルにおいてサーバー（１０）がそれぞれの待ち行列にアクセスした時間を示す第２値（ｌａｓｔ＿ｔｏｋｅｎ＿ｔｉｍｅ）とを各々の非同期フロー（ｉ）に関連付け、前記それぞれの待ち行列について、サーバー（１０）の前のアクセスからの経過時間を求め；
   − 同期容量の前記それぞれの値（Ｈ_h ）に等しい最大サービス時間の間、同期フロー（ｈ）に関連した各待ち行列にサービスを行い；そして
   − サーバーのアクセスが予定時間に先行して為された場合にのみ、非同期フロー（ｉ）に関連した各待ち行列にサービスを行い、前記先行は、前記予想巡回時間値（ＴＴＲＴ）と前記サーバー（１０）の前のアクセスからの経過時間に累積遅延を加えたものとの差として求められ、それが正ならば、この差が各々の前記待ち行列に対する最大サービス時間を定める、
   操作を含む上記手順。
2. サーバーが待ち行列にアクセスしたとき待ち行列が空ならば、相対最大サービス時間が経過する前であってもサーバー（１０）に次の待ち行列にアクセスさせる操作を含むことを特徴とする、請求項１記載の手順。
3. 前記差が負の場合、非同期フロー（ｉ）に関連した各々の前記待ち行列はサービスを受けず、前記差の値が前記遅延に累積されることを特徴とする請求項１又は２に記載の手順。
4. それぞれの第１遅延値（ｌａｔｅｎｅｓｓ（ｉ））とそれぞれの前記第２値（ｌａｓｔ＿ｔｏｋｅｎ＿ｔｉｍｅ）が零に初期化され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手順。
5. それぞれの前記同期容量値（Ｈ_h ）が、前記予想巡回時間値（ＴＴＲＴ）に比例して決められることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の手順。
6. 前記同期容量値（Ｈ_h ）が、それぞれの同期フロー（ｈ）により要求されるサービスレートと前記共用資源のサービス容量との間のそれぞれの比例係数（ｆ_h ）に関連して選択された比例定数（Ｃ_h ）により、前記予想巡回時間値（ＴＴＲＴ）に比例して決められることを特徴とする請求項５記載の手順。
7. 前記それぞれの比例係数に等しい前記比例定数（Ｃ_h ）が選択されることを特徴とする請求項６記載の手順。
8. 前記比例定数（Ｃ_h ）が、次式
   に基づいて選択され、ここで、
   − ｆ_j は、ｊ番目の同期フローに関する前記それぞれの比例係数を表し、
   − Ｎ_A は、前記非同期フローの数である、
   ことを特徴とする請求項６記載の手順。
9. 関連する待ち行列を生成してトークンの属性に従ってサービスを受ける複数の情報パケットフローの間で共用されるサービス資源のスケジューリング用システムであって、これら複数のフローは、保証された最小サービスレートを必要とする同期フロー（ｈ＝１，２，・・・，Ｎ_S ）と、同期フローにより使用されずに残った前記資源のサービス容量を利用するよう定められた非同期フロー（ｉ＝１，２，・・・，Ｎ_A ）とを含む前記スケジューリング用システムにおいて、
   連続サイクルにて前記フロー（ｈ，ｉ）に関連したそれぞれの待ち行列にアクセスできるサーバーを含み、以下の操作、すなわち
   − サーバー（１０）が前記それぞれの待ち行列のアクセスサイクルを完了するのに必要な時間を特定する予想巡回時間値（ＴＴＲＴ）を求め；
   − トークンを手放す前に同期フローがサービスを受けることができる時間の最大長さを示すそれぞれの同期容量値（Ｈ_h ）を、各々の同期フロー（ｈ）に関連付け；
   − サービスを受ける権利を有するべくそれぞれの待ち行列に対して設定すべき遅延を特定するそれぞれの第１遅延値（ｌａｔｅｎｅｓｓ（ｉ））と、前のサイクルにおいてサーバー（１０）がそれぞれの待ち行列にアクセスした時間を示すそれぞれの第２値（ｌａｓｔ＿ｔｏｋｅｎ＿ｔｉｍｅ）とを各々の非同期フロー（ｉ）に関連付け、前記それぞれの待ち行列について、サーバー（１０）の前のアクセスからの経過時間を求め；
   − それぞれの前記同期容量値（Ｈ_h ）に等しい最大サービス時間の間、同期フロー（ｈ）に関連した各待ち行列にサービスを行い；そして
   − サーバーのアクセスが予定時間に先行して為された場合にのみ、非同期フロー（ｉ）に関連した各待ち行列にサービスを行い、前記先行は、前記予想巡回時間値（ＴＴＲＴ）と前記サーバー（１０）の前のアクセスから経過した時間に累積遅延を加えたものとの差として求められ、それが正ならば、この差が各々の前記待ち行列に対する最大サービス時間を定める、
   操作を実行するよう構成されていることを特徴とする上記スケジューリング用システム。
10. サーバー（１０）は、待ち行列にアクセスするとき待ち行列が空ならば、たとえ相対最大サービス時間が経過する前でも先に進んで次の待ち行列にアクセスするように構成されていることを特徴とする請求項９記載のシステム。
11. 前記差が負の場合には、非同期フロー（ｉ）に関連した各々の前記待ち行列は、前記サーバー（１０）によるサービスを受けず、前記差の値が前記遅延に累積されることを特徴とする請求項９又は１０に記載のシステム。
12. それぞれの前記第１遅延値（ｌａｔｅｎｅｓｓ（ｉ））とそれぞれの前記第２値（ｌａｓｔ＿ｔｏｋｅｎ＿ｔｉｍｅ）が零に初期化されることを特徴とする請求項９〜１１のいずれか一項に記載のシステム。
13. それぞれの前記同期容量値（Ｈ_h ）が、前記予想巡回時間値（ＴＴＲＴ）に比例して決められることを特徴とする請求項９〜１２のいずれか一項に記載のシステム。
14. 前記同期容量値（Ｈ_h ）が、それぞれの同期フロー（ｈ）により要求されるサービスレートと前記共用資源のサービス容量との間のそれぞれの比例係数（ｆ_h ）に関連して選択された比例定数（Ｃ_h ）により、前記予想巡回時間値（ＴＴＲＴ）に比例して決められることを特徴とする請求項１３記載のシステム。
15. 前記それぞれの比例係数に等しい前記比例定数（Ｃ_h ）が選択されることを特徴とする請求項１４記載のシステム。
16. 前記比例定数（Ｃ_h ）が、次式
    に基づいて選択され、ここで、
    − ｆ_j は、ｊ番目の同期フローに関する前記それぞれの比例係数を表し、
    − Ｎ_A は、前記非同期フローの数である、
    ことを特徴とする請求項１４記載のシステム。