JP4037729B2 - ネットワーク自動最適化システム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はネットワーク自動最適化システムに関し、更に詳しくはリング型ネットワークをトークンを周回させてデータの送受信を行なうネットワークにおける自動最適化システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ＩＰネットワークの急速な普及により、都市部を中心に高速、高信頼なリング型ネットワークが整備されつつある。リング型のネットワークではしばしばトークンリング方式による伝送が用いられている。図１３はリング型ネットワークシステムの構成概念図である。図において、１はリング型ネットワークであり、２は該リング型ネットワーク１に接続される複数のネットワーク装置（以下、単に装置と略す）、３は装置の内の１台に当てられた親装置である。以下、各装置を装置Ａ、装置Ｂ、装置Ｃ、装置Ｄと呼ぶ。親装置３（装置Ｃ）は、トークンを発生させ、各装置２の状態を監視している。５は装置２に接続される端末である。６はリング型ネットワーク１を周回するトークンである。
【０００３】
このように構成されたシステムにおいて、親装置３はトークン６を発生させ、該トークン６はリング型ネットワーク１を周回している。親装置３からデータの送受信を許された装置の許可情報がトークン６内に埋め込まれており、各装置２はトークン６を捕獲して、自装置がデータの送受信を行なえるかどうかを認識する。データの送受信を許された装置２は、データを上り線路からトークン６に付加し、下り線路でトークン６からのデータを受信する。トークン６の内容は、所定の周期毎に親装置で更新される。
【０００４】
このトークンリング方式は、ネットワーク上のデータ送受信権をトークンが制御するため、ネットワーク全体のトラフィックを制御するのに適しており、高信頼性のあるネットワークを構築するのに適している。この特性を生かして、公共インフラや通信業者、民間企業のオフィス間等に高品質なＩＰネットワークを構築する例が増えてきている。また、これらのネットワークには、従来の汎用データの他に、画像や音声のストリーム等、リアルタイム性が必要とされるデータも混在する。
【０００５】
従来のＩＰネットワークは、エンド・ツー・エンドの通信をＴＣＰ（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ）が行なっており、ＩＰパケットの破棄は当然起こりうることであるが、画像、音声等のリアルタイムストリームでは、パケット破棄が発生しないようなネットワーク品質が要求される。トークンリング方式で、このようなパケット破棄を防止し、高品質かつ効率的な運用を行なうためには、ネットワーク上を流れる総トラフィック量を予め計算し、それに応じた装置の選定や、伝送帯域設定、優先度設定を行なうこと（ネットワーク設計）が重要である。
【０００６】
なお、従来の公知技術として、トークンを用いたリング型ネットワークであって、各端末で、それぞれのトークンに対する信号チャネルを終端して、トークンの授受、データの抽出及び挿入を行なうものにおいて、トークン毎にクラスを設定し、各タイムスロットにクラス表示を示すためのバイトを付加して、各端末におけるトークンの最大保有時間を設定するようにした技術が知られている（たとえば、特許文献１参照）。
【０００７】
【特許文献１】
特開平０９−２７０８１１号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
トークンリング方式のネットワーク構築においては、ネットワークのトラフィックに応じた設計を行なうことが重要であるが、従来はネットワーク管理者がトラフィック量を計算し、個々のネットワーク装置（例えばルータ等）に最適な設定値を定めている。ネットワークの運用開始時には、管理者の設計したネットワーク通りのトラフィックが流れるが、運用中にデータ送信端末が増設されたり、接続構成が変わったりすることが度々ある。
【０００９】
データ発生状況が変化することによりネットワークのトラフィック総量や負荷のかかり方が変化する。ネットワーク管理者はその都度、ネットワークに最適なネットワーク設計を行なうことになり、手間がかかる。また、管理者が知らないうちに端末の増設でネットワークへのトラフィックが変化していると、発生するトラフィック特性とネットワーク設計が合わずに伝送遅延の増大やパケット破棄が発生する可能性がある。
【００１０】
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであって、ネットワークの状態を常に最適化することができるネットワーク自動最適化システムを提供することを目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
（１）図１は本発明の原理ブロック図である。図１３と同一のものは、同一の符号を付して示す。図において、１はリング型ネットワーク、２は該リング型ネットワーク１と接続される複数のネットワーク装置である。５はこれらネットワーク装置２と接続される少なくとも１台の端末、６はリング型ネットワーク１を周回するトークンである。ネットワーク装置２を装置Ａ、装置Ｂ、装置Ｃ及び装置Ｄとし、この内、装置Ｃを親装置としている。なお、親装置は装置Ｃに限るものではなく、他の装置が親装置になってもよい。また、装置２の数も４台に限るものではなく、任意の数の装置を用いることができる。
【００１２】
１０は親装置３内に設けられたトラフィック制御手段であり、リング型ネットワーク１を周回するトークンの情報（後述する単位時間当たりのトラフィック量、パケット破棄数、バッファ残留回数を示した内部情報）を受信してトラフィックの変化を検出し、検出結果に応じてネットワークが最適な伝送状態になるように制御するトラフィック制御手段である。
【００１３】
このように構成すれば、トラフィック制御手段１０がトラフィックの状態変化を絶えず監視しており、状態変化があった時にはリング型ネットワーク１が最適な伝送状態になるように制御するので、各トラフィックの伝送状態を最適に設定することができる。
また、請求項１記載の発明は、各ネットワーク装置は単位時間当たりのトラフィック量、パケット破棄数、バッファ残留回数を示した内部情報をネットワーク全体を統括する親装置に対し定期的に通知し、該親装置のトラフィック制御手段は、各ネットワーク装置から通知された単位時間当たりのトラフィック量、パケット破棄数、バッファ残留回数を示した内部情報から各ネットワーク装置がトラフィックを正常処理できているかを監視することを特徴とする。ここで、単位時間当たりのトラフィック量、パケット破棄数、バッファ残留回数を示した内部情報を特性情報という。
【００１４】
このように構成すれば、トラフィック制御手段は、各装置の特性情報を監視し、各装置がトラフィックを正常処理しているかどうかを監視することができる。
（２）請求項２記載の発明は、前記ネットワーク内のあるネットワーク装置にパケット破棄が発生した場合、前記トラフィック制御手段は、原因となる負荷増分箇所を推定し、増分を含めた各ネットワーク装置の帯域割当比率を変更することを特徴とする。
【００１５】
このように構成すれば、トラフィック状態に破棄が発生した時、各装置の帯域割当比率を変更して、伝送状態を最適に保持することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態例を詳細に説明する。
【００１７】
図１の原理ブロック図について更に詳細に説明する。各装置２は、自装置の内部情報として以下のパラメータ情報をカウントしている。
▲１▼単位時間当たりに、リング型ネットワーク１に送信するデータ（上りデータ）と、リング型ネットワーク１から受信するデータ（下りデータ）の送受信トラフィック量
▲２▼単位時間当たりに上りデータを送信する際、トークン通過後に上りバッファにデータが残留した回数
▲３▼単位時間当たりに、装置内で上りデータ、下りデータそのぞれのバッファオーバフローにより発生した破棄パケット数
そして、これらデータをリング型ネットワーク（以下単にネットワークと略す）全体を統括する親装置３に定期的に通知する。
【００１８】
また、親装置３の機能は以下の通りである。
▲１▼ネットワーク１に接続される複数の装置のうち、１台のみを親装置として設定する。各装置が親装置となる機能を具備している場合には、全ての装置が親装置になりうる。
▲２▼トークンを発行し、終端する。
▲３▼トークンに送信情報を付加し、各装置の割り当てを決定する。
【００１９】
通常運用時、親装置３はリング型ネットワーク１の設計時に定めた優先順位に従い、トークン６を発行する。各装置２は、親装置３から発行されたトークン６に付与されている割り当て帯域に従い、自装置の配下（例えば端末５）から受信したデータ（上りデータ）をネットワーク１に送信し、またネットワーク１から自装置配下の端末５に送るデータ（下りデータ）を受信する。
【００２０】
各装置２は、定期的に親装置３に対して前述した装置毎の内部情報を通知する。親装置３は、各装置２から送られてきた内部情報を集計し、各パラメータについて装置毎に比較している。ネットワーク運用前にネットワーク管理者が定めたネットワーク設計情報に従った運用形態では、パケット破棄は発生しない。瞬間的なトラフィックは常に変動しているが、長時間のトラフィックにおいてパケット破棄が発生しないように設計を行なうためである。
【００２１】
親装置３にて各装置２からの内部情報を監視している際、ある装置の内部情報にパケット破棄が認められた時、ネットワーク１のトラフィックに何らかの変化が生じた、若しくはネットワーク自体に問題が発生した（ネットワークの切断、装置故障等）ことが考えられる。
【００２２】
後者の場合は、一般的に他のアラーム通知手段を具備しているので、その場合には、ネットワークを復旧するしかない。前者の場合は、ネットワーク配下に接続されている端末５が予想外のトラフィックデータを送出した、若しくは新たな端末がネットワークに追加された等の変化が考えられる。この場合、以下の観点から分析を行なう。
▲１▼破棄が発生している装置はどの装置か。
▲２▼破棄が発生しているのは上りデータか下りデータか。
▲３▼各装置のトラフィック（上り）の総和がネットワークの最大伝送量以下に収まっているか。
▲４▼割り当て変更は可能か。
そして、変更すべき装置が判明し、最適化が可能と判断した場合、親装置３は各装置への割り当て比率を変更する。変更後、親装置３は破棄パケット発生が全装置に発生しなくなることを引き続き監視する。自立的な最適化が不可能と判断した場合、親装置３はネットワーク管理者に対して通知すべくアラーム情報を発行する。
【００２３】
図２はネットワーク装置の一実施の形態例を示すブロック図である。図１と同一のものは、同一の符号を付して示す。図において、２０はリング型ネットワーク１にＩＰネットワークから上がってきたデータを挿入するデータ挿入回路（ＡＤＤ）、２１はリング型ネットワーク１からの所定のデータを自装置に引き落とす引落とし回路（ＤＲＯＰ）である。２２は装置全体の動作制御を行なう制御回路である。該制御回路２２としては、例えばＣＰＵが用いられる。該制御回路２２は、リング型ネットワーク１と接続されている。
【００２４】
２３はトークン待ちカウンタ、２４は上りデータを保持するバッファ、２５は上りのトラフィック量をカウントするトラフィックカウンタである。前記バッファ２４には破棄パケット数をカウントするカウンタが付属している。２６は下りのトラフィック量をカウントするトラフィックカウンタ、２７は下りデータを保持するバッファである。該バッファ２７には、破棄パケット数をカウントするカウンタが付属している。これらカウンタは、単位時間当たりのバッファ量、破棄回数、トークン待ち回数をカウントしている。２８は各構成要素間を接続するバスである。
【００２５】
１１ａは各装置から送られてくる情報を集計し、リング型ネットワークのトラフィックの変化を検出し、検出結果に応じてネットワークの伝送設計情報が最適な状態になるようにダイナミックに制御する内部情報集計／判断回路、１１ｂは該内部情報集計／判断回路１０の出力を受けて、トークンを発生し、トークンを終端（回収）するトークン発生終端回路である。前記制御回路２２、内部情報集計／判断回路１１ａ及びトークン発生終端回路１１ｂとで、図１のトラフィック制御手段１０を構成している。
【００２６】
該トークン発生終端回路１１ｂは、挿入回路２０と引落とし回路２１に接続されている。内部情報集計／判断回路１１ａとトークン発生終端回路１１ｂは、親装置が具備するものである。もっとも、各装置が内部情報集計／判断回路１１ａとトークン発生終端回路１１ｂを具備していれば、任意に親を指定することができる。このように構成された装置の動作を説明すれば、以下の通りである。
【００２７】
リング型ネットワーク１には、トークン６が周回している。装置の引落とし回路２１は、トークン６を捕獲し、自己宛のデータがないかどうかチェックする。自己宛のデータがある場合には、該データを引き落とす。引き落とされたデータは、ＩＰネットワークへ送出される。ここで、トラフィックカウンタ２６は下りのトラフィック量をカウントしており、バッファ２７は破棄パケット数をカウントしている。
【００２８】
一方、挿入回路２０はＩＰネットワークから上がってきたデータを捕獲したトークン６に挿入する。この間、トークン待ちカウンタ２３はトークンの数をカウントし、バッファ２４は破棄パケット数をカウントし、トラフィックカウンタ２５は上りのトラフィック量をカウントしている。
【００２９】
前述したように、各カウンタは単位時間当たりのバッファ数、破棄回数、トークン待ち回数をカウントしている。ここで、単位時間とは、例えば１００００回トークン６が周回した時間とする。トークン周回周期が１ｍｓであれば、単位時間は１００００×１ｍｓ＝１０（ｓｅｃ：秒）となる。各装置は、１０ｓｅｃ毎に内部情報を親装置３に対し通知する。親装置３は、１０ｓｅｃ毎に各装置２から通知された内部情報を管理している。
【００３０】
図３は各内部情報例を示す図である。図において、（ａ）はトラフィック量（上り）、（ｂ）はトラフィック量（下り）、（ｃ）は破棄パケット数（上り）、（ｄ）は破棄パケット数（下り）、（ｅ）はバッファ残留回数である。ここで、横軸は各装置、縦軸は（ａ）と（ｂ）とがトラフィック量、（ｃ）と（ｄ）がパケット数、（ｅ）はパケットのバッファ残留回数を示す。単位は、１００００トークン周回時間当たりである。前述したように、１周回時間が１ｍｓであれば、単位時間は１０ｓｅｃとなる。
【００３１】
図４はトークンの構成例を示す図である。図に示すように、トークンはヘッダとデータ部より構成されている。３０がヘッダ、３１〜３４がデータである。データの内、３１が装置Ａのデータ、３２が装置Ｂのデータ、３３が装置Ｃのデータ、３４が装置Ｄのデータである。ヘッダ３０には、各装置の帯域割り当て情報等が格納されている。
【００３２】
図５乃至図７は本発明の動作説明図である。図５から図７の方向に動作が流れていく。図５はリング型ネットワークシステムの例を示す図、図６は各内部情報例を示す図、図７はトークンの変化を示す図である。先ず図５において、装置Ａに端末５が追加されたものとする。この端末５からのデータの流れは、図に示すように装置Ｂの端末５宛てのものであるとする。
【００３３】
この結果、装置Ａでは、トラフィック量（上り）が増加し、上りの破棄パケットが発生し、バッファの残留回数も増加する。親装置のトラフィック制御手段１０は、装置Ａ〜Ｄのトラフィック総量がリング型ネットワークの最大帯域以下である時、増加分を含めたタイムスロット中の各装置割り当てを再設定する。この結果、トークン６の各装置データのデータの割り当ては、図７に示すように装置Ａが増加する。この結果、装置Ａのパケット破棄が発生しなくなる。
【００３４】
このように、本発明によれば、各トラフィックの伝送状態を最適に設定することができる。また、トラフィック制御手段は、各装置の特性情報を監視し、各装置がトラフィックを正常処理しているかどうかを監視することができる。
【００３５】
図８乃至図１１は本発明の他の動作説明図である。図８から図１１の方向に動作が流れていく。図８はリング型ネットワークシステムの例を示す図、図９は各内部情報例を示す図、図１０はトラフィック量の割り当ての説明図、図１１はトークンの変化を示す図である。
【００３６】
図５〜図７に示す新しい割り当てで運用を開始したら、装置Ｃ（親装置）でパケット破棄が発生したものとする。この時、図９に示すように装置Ａの上りトラフィック量が増加し、装置Ｂの下りトラフィック量が増加し、装置Ｃの上りパケットの破棄が発生し、装置Ｃのバッファ残留回数が増加したものとする。
【００３７】
以下の状況において、装置Ａ〜装置Ｄのバッファ残留が発生すること自体は問題ではない。それはバースト的なトラフィックを吸収するプロセスで、回線に伝送しきれなかったデータを一時的にプールし、その次のタイミングで伝送するためである。
【００３８】
但し、装置Ｃの場合、親装置による帯域割り当て減少により、装置Ｃの回線上の割り当てが減少することで、破棄パケットが発生することが問題となる。原因は、回線上の割り当てが減少したために、バースト的に発生するトラフィックをバッファで吸収しきれなくなったからと考えられる。この場合のトラフィック量の変化は瞬間的であり、連続的ではないので、単位時間で平均した装置Ｃのトラフィックは以前と変わっていない。
【００３９】
そこで、親装置に対して、瞬間的な増加を含めた擬似的なトラフィックを申請するために以下で上乗せを行なう。図１０において（ａ）の網点部分も含めた残留回数とバッファ容量の積は、単位時間当たりに送りきれないデータの最大値と考えられる（バッファ残留は実際にそのバッファ中にどれくらいデータが残留していたかは管理せずに回数を数えるが、ここでは回数とバッファ容量（最大）の積をとることで、とりうる最大値を算出している）。
【００４０】
図の（ｂ）の単位時間当たりの装置Ｃの上りトラフィック（網点部）に上乗せすることで、実トラフィックよりもバッファ残留回数×（最大バッファ容量−毎回異なる実際にバッファに残留したデータ量）の分だけ上乗せすることで、バースト的な変化を許容するだけの割り当てを得ることが可能となる。
【００４１】
この結果、図１１に示すように、疑似トラフィックを追加したトラフィック総量から増加分を含めたタイムスロット中の各装置の割り当てを再設定することで、装置Ｃのパケット破棄は発生しなくなる。
【００４２】
このように、本発明によれば、トラフィック状態に破棄が発生した時、各装置の帯域割当比率を変更して、伝送状態を最適に保持することができる。
【００４３】
図１２は本発明の動作の一実施の形態例を示すフローチャートで、親装置の動作である。動作の主体は前記したトラフィック制御手段１０である。先ず、初期設定の運用を開始し（Ｓ１）、継続監視を行なう（Ｓ２）。継続監視の動作は以下の通りである。先ず、全装置の内部情報の中で単位時間あたりのパケット破棄が発生したかどうかをチェックする（Ｓ３）。
【００４４】
ステップＳ３でパケット破棄が発生していない場合にはステップＳ２に戻る。ステップ破棄が発生していた場合には、その破棄が上りデータか下りデータの何れであるかをチェックする（Ｓ４）。下りデータであった場合、受信相手がない場合（Ｓ５）、今まで接続していたデータ端末が切断された可能性がある（Ｓ６）。この場合には、管理者による調査が必要となる（Ｓ７）。また、この場合には、アラームが発行される（Ｓ８）。
【００４５】
ネットワークの伝送能力を超えるトラフィックがかかったものである場合（Ｓ９）、保守者により増加した端末を撤去する必要がある（Ｓ１０）。この場合にもアラームが発行される（Ｓ１１）。
【００４６】
ステップＳ４でパケット破棄発生が上りデータであった場合、該当装置の上りトラフィックが破棄発生以前に比べて増加しているかどうかチェックする（Ｓ １２）。増加していない場合、該当装置以外に新たなトラフィックが追加され、割り当てが減ったことが考えられる（Ｓ１３）。割り当てが減ることで、１回のトークンによる転送容量が減少し、上りバッファに停留する容量が増加する（Ｓ１４）。
【００４７】
空きバッファ容量が減少することで瞬間的なトラフィック増加に対してバッファ吸収ができない（Ｓ１５）。そこで、該当装置のバッファ残留回数とバッファ容量の積から瞬間的なトラフィック増加分を擬似的に上りトラフィックに追加する（Ｓ１６）。そして、該当装置の疑似追加トラフィック量を含む全装置の上りトラフィックの総量から各装置の上り量の割当比率を再設定する（Ｓ１７）。
【００４８】
ステップＳ１２において、該当装置の上りトラフィックが破棄発生以前に比べて増加している場合、該当装置配下に新たなトラフィックが追加されたと判断し（Ｓ１８）、全装置の上りトラフィックの和はネットワーク伝送帯域以下であるかどうかチェックする（Ｓ１９）。全装置の上りトラフィックの和がネットワーク伝送帯域以下である場合、全装置の上りトラフィックの総量に対する各装置の上り量の比率から割当比率を再設定する（Ｓ２０）。全装置の上りトラフィックの和がネットワーク伝送帯域以上である場合、ネットワークの伝送能力を超えるトラフィックがかかったことになるので、ステップＳ９以下の処理に移行する。
【００４９】
上述の実施の形態例では、リング型ネットワークにネットワーク装置が４台接続された場合を例にとったが、本発明はこれに限るものではなく、任意の数のネットワーク装置が接続された場合にも同様に適用することができる。また、各装置に接続される端末の数も任意の数であってよい。
【００５０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、以下の効果が得られる。
（１）請求項１記載の発明によれば、トラフィック制御手段がトラフィックの状態変化を絶えず監視しており、状態変化があった時にはリング型ネットワーク１が最適な伝送状態になるように制御するので、各トラフィックの伝送状態を最適に設定することができる。
また、請求項１記載の発明によれば、トラフィック制御手段は、各装置の特性情報を監視し、各装置がトラフィックを正常処理しているかどうかを監視することができる。
（２）請求項２記載の発明によれば、トラフィック状態に破棄が発生した時、各装置の帯域割当比率を変更して、伝送状態を最適に保持することができる。
【００５１】
このように、本発明によればネットワークの状態を常に最適化することができるネットワーク自動最適化システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理ブロック図である。
【図２】ネットワーク装置の一実施の形態例を示すブロック図である。
【図３】各内部情報例を示す図である。
【図４】トークンの構成例を示す図である。
【図５】本発明の動作説明図である。
【図６】各内部情報例を示す図である。
【図７】トークンの変化を示す図である。
【図８】本発明の他の動作説明図である。
【図９】各内部情報例を示す図である。
【図１０】トラフィック量の割り当ての説明図である。
【図１１】トークンの変化を示す図である。
【図１２】本発明の動作の一実施の形態例を示すフローチャートである。
【図１３】リング型ネットワークシステムの構成概念図である。
【符号の説明】
１ リング型ネットワーク
２ ネットワーク装置
３ 親装置
５ 端末
６ トークン
１０ トラフィック制御手段

Claims (2)

1. リング型ネットワークを介して複数のネットワーク装置が接続され、各ネットワーク装置間でトークンを用いてデータの送受信を行なうシステムにおいて、
   前記複数のネットワーク装置の内の１台を親装置として設定した時に、該親装置に、リング型ネットワークを周回する、単位時間当たりのトラフィック量、パケット破棄数、バッファ残留回数を示した内部情報を受信し分析してトラフィックの変化を検出し、検出結果に応じてネットワークの伝送設計情報が最適な状態になるようにダイナミックに制御するトラフィック制御手段を設け、
   各ネットワーク装置は単位時間当たりのトラフィック量、パケット破棄数、バッファ残留回数を示した内部情報をネットワーク全体を統括する親装置に対し定期的に通知し、該親装置のトラフィック制御手段は、各ネットワーク装置から通知された単位時間当たりのトラフィック量、パケット破棄数、バッファ残留回数を示した内部情報から各ネットワーク装置がトラフィックを正常処理できているかを監視することを特徴とするネットワーク自動最適化システム。
2. 前記ネットワーク内のあるネットワーク装置にパケット破棄が発生した場合、前記トラフィック制御手段は、原因となる負荷増分箇所を推定し、増分を含めた各ネットワーク装置の帯域割当比率を変更することを特徴とする請求項１記載のネットワーク自動最適化システム。

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