JP4087408B2 - パケット転送方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明はパケット転送方法及び装置に関し、特にルータ間中継回線におけるパケットの転送方法及び装置に関するものである。

ネットワーク事業者がＡＴＭ（Ａｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｍｏｄｅ）技術を利用したサービスの中には、次の２種類のサービスが含まれている。
（１）ＣＢＲ（Ｃｏｎｓｔａｎｔ Ｂｉｔ Ｒａｔｅ）型：一定の帯域を保証する速度保証型サービス。
（２）ＧＦＲ（Ｇｕａｒａｎｔｅｅｄ Ｆｒａｍｅ Ｒａｔｅ）型：ベストエフォート部分とギャランティ部分（保証速度部分）を併せ持つ一部速度保証型サービス。
上記（１）の速度保証型サービスでは、一定の速度が常に保証される。すなわち、速度保証型サービスは、常に一定の速度帯域を必要とするアプリケーションの通信や、或いは遅延揺らぎ、データ損失に弱いアプリケーションの通信に使用される。そして、この最高速度を越えるパケットは廃棄される。
上記（２）の一部速度保証型サービスでは、メガデータネッツ（ＭＤＮ：Ｍｅｇａ Ｄａｔａ Ｎｅｔｚ）回線などにおいて、最低（契約）保証速度が常に保証されるものである。上記（１）の速度保証型サービスと同様に最高速度を越えるセルは廃棄される。最低保証速度以上で最高速度以下の速度帯域は複数のユーザで共通に使用されるため、トラフィック状況により最高速度を上限として使用することができるので、フロー制御や再送処理を行うＴＣＰ／ＩＰ通信などに適している。
このような一部速度保証型サービスにおいては、図８に例示するように、ルータ（局舎）３−４間に中継回線５として、太線で示す仮想パス（ＶＰ）帯域が設定されている。
この中継回線５の仮想パス帯域としては、例えば、Ａユーザ（端末）用の仮想チャネル（ＶＣ）帯域とＢユーザ用仮想チャネル帯域とＣユーザ用仮想チャネル帯域とが割り当てられているとすると、図示のように、Ｃユーザ用の仮想チャネル帯域が最高速度Ｒｍａｘ以下で最低保証速度Ｒｇ（最高速度の１０％、５０％等の速度）以上が保証されることとなる。これは、他のＡユーザ及びＢユーザについても同様であり、従ってこの中継回線５の仮想パス帯域は、各ユーザ用の仮想チャネル保証帯域の合計値よりも小さく設定されている。
このような一部速度保証型サービスをルータ間中継回線に適用した場合、ルータはリアルタイムに回線の保証帯域（保証速度）を知ることは出来ない。このため、送信側のルータは中継回線としてフォワーディング（転送）するデータを、図８に示したＣユーザの仮想チャネル帯域のように、常に最高の速度Ｒｍａｘで送信を実行することになる。そうでないと、実際に最高速度が出せるにも関わらず最高速度が出せないのでは、回線サービスを最大限に有効活用できないからである。
ところが、上記のように中継回線５の仮想パス帯域は、各ユーザ用の仮想チャネル保証帯域の合計値よりも小さく設定されているので、他のＡユーザ又はＢユーザとの競合により、Ｃユーザの回線の仮想チャネル帯域が最高速度以下になった場合は、ルータ３は今までと同様に最高速度でデータ送信を続ける。そのときの回線の実ＶＰ帯域を越える部分は、ネットワークのどこかで部分的にバッファリングされるが、それを超えると、ネットワーク内で廃棄されることになる。
この場合、実際にどこまでネットワーク内でデータがバッファリングされて廃棄されずに持ちこたえられるかはネットワーク事業者側からは公表されていないのが現状である。
従って、ルータ３−４間の中継回線５でデータ廃棄が発生すると、例えばエンド（エンドユーザ）〜エンド間の通信アプリケーションがＴＣＰプロトコルを使用する場合には、ＴＣＰプロトコルがデータの廃棄を検出して、エンド〜エンド間でデータの再送制御を行うと共に、エンド〜エンド間で送信レートのスロースタート制御を実施して通信レートを極端に低下させてしまう。
この後、エンド〜エンド間でＴＣＰアプリケーションのフロー制御により徐々に送信レートを上げて行くが、また回線部分でパケット廃棄が発生すると、スロースタート、送信レート上昇、及びパケット廃棄を繰り返すことになる。
この結果、ネットワーク内に再送パケットが増えると共に、パケット廃棄によるエンド〜エンド間通信のスロースタート制御が通信効率の低下を招くという問題がある。
一方、ベストエフォート型とリアルタイム型とのトラフィックカテゴリーを区分けしてサービス品質を保証する為、ユーザ側がＩＰパケットを送信する際に、ＩＰヘッダ内にトラフィックカテゴリ（ＣＢＲ，ＶＢＲ−ｒｔ，ＶＢＲ−ｎｒｔ，ＵＢＲ，ＧＦＲのいずれか一つ）を設定し、各ルータは、ＩＰパケットを受信すると、そのＩＰヘッダに基づいて上記の複数のトラフィックカテゴリのいずれかを選択し、該当するトラフィックカテゴリのサービス品質を保証するようにしたＱｏＳ提供方式がある（例えば、特許文献１参照。）。
更に、ＶＰＮの帯域をコスト或いはサブネット単位で確保するため、インターネットに接続されるルータ間にＩＰトンネルを構成し、このＩＰトンネル上にネットワーク資源予約型プロトコルを起動させてＩＰトンネルの伝送帯域幅を予約することにより、コスト或いはサブネット単位でＶＰＮの帯域確保を行うようにした帯域確保型ＶＰＮ構築方法がある（例えば、特許文献２参照。）。
特開２００１−１８９７５４号公報（図１、要約） 特開平１０−７０５６６号公報（図１、要約）

従って本発明は、一部速度保証型サービスによってパケットを転送する方法及び装置において、ネットワーク内で廃棄されるパケット量を減少させることを目的とする。
上記の目的を達成するため本発明に係るパケット転送方法は、所定ルータ間の使用回線に一部速度保証型サービスを設定する第１のステップと、該一部速度保証型サービスの設定に対応して該使用回線の対向装置との間にＴＣＰトンネルを設定する第２のステップと、入力したパケットの宛先が該対向装置を示しているとき、該パケットをカプセル化して該ＴＣＰトンネルを通過させる第３のステップと、を備えたことを特徴としている。
すなわち、第１のステップでは、例えば図１に示すような所定のルータ３−４間の使用中継回線５上に上記の一部速度保証型サービスを選択設定する。そして第２のステップでは、このように一部速度保証型サービスを設定したことに対応してルータ３において、使用回線５の対向装置であるルータ４との間にＴＣＰトンネル（コネクション）６を確立する。
そして第３のステップでは、ルータ３に入力して来たパケットの宛先が、該対向装置であるルータ４を示しているときには、該パケットをカプセル化してＴＣＰトンネル６を通過させるものである。
このように、安価であるが品質が１００％保証されない一部速度保証型サービスを使用中継回線に適用した場合、ルータ間において通常のデータ送信を行うパスとは別にＴＣＰレイヤ上にＴＣＰトンネルを確立し、この確立したＴＣＰトンネルが端末間（エンド〜エンド間）に常時設定されるＴＣＰトンネルとして通信路が確保されることになる。
このようにして、ルータ間の中継データストリームは、ルータ間のＴＣＰトンネルを通過する形になり、中継回線上でデータ廃棄が発生した場合は、ルータ３−４間で再送及びＴＣＰアプリケーションの輻輳制御が実施されることにより、エンド〜エンド間にはパケット廃棄が見えなくなる。従って、エンド〜エンド間では、中継回線上のデータ廃棄によるスローダウンが回避されることになる。
上記の第３ステップは、パケットの優先度に応じてＴＣＰトンネルを通過させるか否かを選択するステップを含むことができる。
すなわち、図２に示すように、ＶｏＩＰデータ等の、再送するより廃棄した方が望ましい通信データや帯域を有効活用する為に、パケットに優先度を含ませ、この優先度に従って、優先したパケットのみＴＣＰトンネル６を通過させ、それ以外のパケットは一般パス７を通過させるように制御することが出来る。
これは例えば、パケットのＩＰヘッダ中に設定されるＴＯＳ（Ｔｙｐｅ Ｏｆ Ｓｅｒｖｉｃｅ）フィールド値によりデータの優先度を判断すれば良い。この優先度に従って、上記の如く、重要データ、一般データ等の分類を行い、ルータによりＴＣＰトンネル６に転送するか否かの判断を行えば良い。
これにより、帯域の有効活用と重要データへの高品質通信が実現される。
また、上記の第２のステップは、該ＴＣＰトンネル用のバッファとこれ以外のバッファに分けて該パケットを登録するステップを含むことができる。
また本発明では、上記のパケット転送方法を実現する装置として、所定ルータ間の使用回線に一部速度保証型サービスを設定する第１の手段と、該一部速度保証型サービスの設定に対応して該使用回線の対向装置との間にＴＣＰトンネルを設定する第２の手段と、入力したパケットの宛先が該対向装置を示しているとき、該パケットをカプセル化して該ＴＣＰトンネルを通過させる第３の手段と、を備えたものを提供することができる。
上記の第３の手段は、該パケットの優先度に応じて該ＴＣＰトンネルを通過させるか否かを選択する手段を含むことができる。
また、この場合の優先度も、ＩＰパケットのヘッダにおけるＴＯＳ（Ｔｙｐｅ Ｏｆ Ｓｅｒｖｉｃｅ）フィールドによって示すことができる。
また、上記の第２の手段は、該ＴＣＰトンネル用のバッファとこれ以外のバッファに分けて該パケットを登録する手段を含むことができる。
一部速度保証型サービスとしては、ＡＴＭネットワークで実施されるＧＦＲ（Ｇｕａｒａｎｔｅｅｄ Ｆｒａｍｅ Ｒａｔｅ）を用いることができる。

図１は、本発明に係るパケット転送方法及び装置の原理を示したブロック図である。
図２は、図１の変形例を示したブロック図である。
図３は、本発明に係るパケット転送方法を実現する装置の一実施例を示したブロック図である。
図４は、図３に示した実施例の内、特にＴＣＰトンネル設定部の動作を説明するためのフローチャート図である。
図５は、図４に示したＴＣＰトンネル設定の一例を示したシーケンス図である。
図６は、図３に示したパケット振分部及びパケット送出制御部の動作を示したフローチャート図である。
図７は、本発明に係るパケット転送方法及び装置におけるＴＣＰトンネルをパケットが通過するときのカプセル化を示したブロック図である。
図８は、一部速度保証型（ＧＦＲ）サービスの説明図である。

符号の説明

１ 初期設定部
２ 通信処理部
３，４ ルータ
５ ルータ間中継回線
６ ＴＣＰトンネル
１１ 初期設定制御部
１２ コネクション制御部
２１ 入力インタフェース
２２ 記憶装置
２３ プロトコル処理装置
２４ バッファ
２５ 出力インタフェース
１１０ ＴＣＰトンネル設定部
１２０ コネクション設定部
２２１ ＴＣＰトンネル宛先アドレス（ＤＡ）
２２２ 使用回線情報
２２３ ルーティング情報
２３１ パケット振分部
２３２ パケット送出制御部
２４１ 入力バッファ
２４２ 一般パス用バッファ
２４３ ＴＣＰトンネル用バッファ
図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。

図３は、本発明に係るパケット転送方法を実現するパケット転送装置を示したものである。このパケット転送装置は、図１及び図２に示した送信側のルータ３に設けられるもので、初期設定部１と通信処理部２とで構成されている。
この内、初期設定部１は、初期設定制御部１１とコネクション制御部１２とを含んでおり、初期設定制御部１１はＴＣＰトンネル設定部１１０を含み、コネクション制御部１２はコネクション設定部１２０を含んでいる。
また通信処理部２は、入力インタフェース２１と記憶装置２２とプロトコル処理装置２３とバッファ２４と出力インタフェース２５とで構成されている。
この内、記憶装置２２は、ＴＣＰトンネル宛先アドレス（ＤＡ）２２１と使用回線情報２２２とルーティング情報２２３とを含んでいる。
またプロトコル処理部２３は、パケット振分部２３１とパケット送出制御部２３２とを含んでいる。
さらにバッファ２４は、入力バッファ２４１と一般パス用バッファ２４２とＴＣＰトンネル用バッファ２４３とを含んでいる。
次に、図３に示した本発明に係るパケット転送装置の実施例の動作を、図１及び図２並びに図４から図７を参照して説明する。
まず図４において、ルータ３におけるユーザ（エンドユーザではない）は、通信処理部２における記憶装置２２において、使用回線情報２２２を入力して登録する（ステップＳ１）。この使用回線情報２２２には、所定ルータ間（例えば図示のルータ３−４間）の使用回線として一部速度保証型サービス（ＧＦＲ）を希望するのか、それ以外の速度保証型サービス（ＣＢＲ）等を希望するのかが設定される。
この後、図３に示すパケット転送装置の初期設定が行われる（ステップＳ２）。これは、初期設定部１に示すように、ユーザがリセット信号を与えることにより、初期設定部１内の初期設定制御部１１及びコネクション制御部１２に対するリセット動作を行うものである（ステップＳ２）。
このように初期設定制御部１１にリセット信号が与えられると、初期設定制御部１１におけるＴＣＰトンネル設定部１１０は、記憶装置２２における使用回線情報２２２を読み出してそのチェックを行う（ステップＳ３）。
すなわち、ステップＳ１において登録された使用回線情報２２２は、ルータ３−４間の中継回線５が、上記の速度保証型サービス（ＣＢＲ）等の回線であるか、又は一部速度保証型サービス（ＧＦＲ）の回線であるかを示しているので、この結果に基づき、使用回線がＧＦＲ型であることが分かったときには、コネクション制御部１２におけるコネクション設定部１２０に指示してＴＣＰトンネル６の設定を行う（ステップＳ４）が、使用回線がＣＢＲ型であることが分かったときには、このステップＳ４をスキップして終了する。
図５は、ステップＳ４でコネクション設定部１２０がＴＣＰトンネル６の設定を行う手順を示している。
すなわち、このトンネル設定においては、通常の送受信処理と同様に以下のとおりコネクション設定部１２０がコネクションの確立を行う。
（１）送信側ルータ３から「確立要求（ＳＹＮ）」を送出する。
（２）受信側ルータでは、「確立要求（ＳＹＮ）」と「確立要求の確認応答（ＡＣＫ）」を同時に返送する。
（３）送信側ルータ３から「確立要求の確認応答（ＡＣＫ）」を転送する。
なお、通常のコネクションは、データ送受信後、解除を行うが、本発明のＴＣＰトンネルは解除されることなく常駐する。このコネクションはＩＰアドレスとポート番号とが一対となってペアで相手の識別を行うため、相手先に対しては複数のＴＣＰトンネルの確立が可能である。任意のポート番号を使用することにより解除を行うか否かを判断する。
このようにして、ＴＣＰトンネル設定部１１０がコネクション設定部１２０と共にＴＣＰトンネル６を設定した後又は前に、ＴＣＰトンネル設定部１１０は記憶装置２２中のＴＣＰトンネル宛先アドレス２２１に当該ＴＣＰトンネル６の宛先アドレスを格納しておく。
そして、通信処理部２は入力インタフェース２１に入力して来たパケットを図６に示すように処理する。
すなわち、まずパケットが入力すると（ステップＳ１１）、このパケットの宛先がＴＣＰトンネル６の宛先であるか否かを判定する（ステップＳ１２）。これは、プロトコル処理装置２３におけるパケット振分部２３１が、記憶装置２２におけるＴＣＰ宛先アドレス（ＤＡ）２２１を参照することにより入力して来たパケットのＩＰヘッダに示された宛先アドレスが上記のようにＴＣＰトンネル宛先アドレス２２１に設定されたＴＣＰトンネル６の宛先である例えばルータ４のアドレスであることが分かったときにはステップＳ１３に進むが、そうでないときにはステップＳ１６へ進む。
すなわち、入力パケットがＴＣＰトンネル６を通過すべきであることが分かったときには、さらにデータの優先度チェックを行う（ステップＳ１３）。これは、入力パケットのＩＰヘッダにおけるＴＯＳフィールドが優先度の高い値に設定されているか否かによりチェックを行う。
例えば、このＴＯＳフィールドにＶｏＩＰ等の一般的なデータ（廃棄しても構わないデータ）に対応する低い優先度が設定されていることが分かったときには、ステップＳ１６へ進み、パケット振分部２３１は入力バッファ２４１に対して制御を行い、入力インタフェース２１で入力したパケットを入力バッファ２４１から一般パス用バッファ２４２に転送して格納する。
一方、ＴＯＳフィールドの優先度が高い値に設定されている場合には、入力パケットを入力バッファ２４１からＴＣＰトンネル用バッファ２４３へ格納するようにパケット振分部２３１が入力バッファ２４１に対して制御を行う（ステップＳ１４）。
このステップＳ１４の後、ＴＣＰトンネル用バッファ２４３に格納されたパケットに対しパケット送出制御部２３２はＴＣＰカプセリングを行う（ステップＳ１５）。
図７には、このＴＣＰカプセリングの手順が示されている。すなわち、元のＩＰパケット８は、ＴＣＰトンネル用バッファ２４３に格納された後、ＩＰヘッダ及びＴＣＰヘッダが付加されることによりＴＣＰトンネル６を通過するためのカプセル化されたパケット９に変換されてＴＣＰトンネル６を通過することになる。
この場合、カプセル化パケット９の送信元ＩＰアドレスはルータ３であり、同宛先ＩＰアドレスはルータ４となり、さらに送信元ＴＣＰポート番号はルータ３であり、さらに同宛先ＴＣＰポート番号はルータ４となる。
この後、パケット送出制御部２３２は、ＴＣＰトンネル用バッファ２４３に格納されているパケットをそれぞれ出力インタフェース２５からＴＣＰトンネル６へフォワーディングし、一般パス用バッファ２４２に格納されているパケットは、記憶装置２２におけるルーティング情報２３３を参照して、出力インタフェース２５から一般パス７（図２参照）へフォワーディングされる（ステップＳ１７）。
以上のように、本発明に係るパケット転送方法及び装置によれば、所定ルータ間を接続する通信回線に一部速度（帯域）保証型サービスを適用する場合に、該ルータ間にＴＣＰトンネル（ＴＣＰコネクション）を設定しておき、該回線に接続されたルータを宛先とするパケットについては、該ＴＣＰトンネルを通過させ、それ以外のパケットについては、通常のルーチング制御により該ＴＣＰトンネルを通さずにフォワーディングを行うように構成したので、速度非保証型の安価であるが品質が１００％保証されないサービスをルータ間の中継回線として適用した場合に発生するルータ間通信品質（帯域）の変動を、これらのサービスを利用するルータ側の新たな仕組みにより吸収することで、これらの安価な通信サービスを適用した場合でも、高品質のネットワークを構築することが可能となる。

Claims (10)

1. 所定ルータ間の使用回線に一部速度保証型サービスを設定する第１のステップと、
   該一部速度保証型サービスの設定に対応して該使用回線の対向装置との間にＴＣＰトンネルを設定する第２のステップと、
   入力したパケットの宛先が該対向装置を示しているとき、該パケットをカプセル化して該ＴＣＰトンネルを通過させる第３のステップと、
   を備えたことを特徴とするパケット転送方法。
2. 請求の範囲１において、
   該第３のステップが、該パケットの優先度に応じて該ＴＣＰトンネルを通過させるか否かを選択するステップを含むことを特徴とするパケット転送方法。
3. 請求の範囲２において、
   該優先度が、ＩＰパケットのヘッダにおけるＴＯＳ（Ｔｙｐｅ Ｏｆ Ｓｅｒｖｉｃｅ）フィールドによって示されることを特徴とするパケット転送方法。
4. 請求の範囲１から３のいずれか１つにおいて、
   該第２のステップが、該ＴＣＰトンネル用のバッファとこれ以外のバッファに分けて該パケットを登録するステップを含むことを特徴とするパケット転送方法。
5. 請求の範囲１において、
   一部速度保証型サービスが、ＡＴＭネットワークで実施されるＧＦＲ（Ｇｕａｒａｎｔｅｅｄ Ｆｒａｍｅ Ｒａｔｅ）であることを特徴とするパケット転送方法。
6. 所定ルータ間の使用回線に一部速度保証型サービスを設定する第１の手段と、
   該一部速度保証型サービスの設定に対応して該使用回線の対向装置との間にＴＣＰトンネルを設定する第２の手段と、
   入力したパケットの宛先が該対向装置を示しているとき、該パケットをカプセル化して該ＴＣＰトンネルを通過させる第３の手段と、
   を備えたことを特徴とするパケット転送装置。
7. 請求の範囲６において、
   該第３の手段が、該パケットの優先度に応じて該ＴＣＰトンネルを通過させるか否かを選択する手段を含むことを特徴とするパケット転送装置。
8. 請求の範囲７において、
   該優先度が、ＩＰパケットのヘッダにおけるＴＯＳ（Ｔｙｐｅ Ｏｆ Ｓｅｒｖｉｃｅ）フィールドによって示されることを特徴とするパケット転送装置。
9. 請求の範囲６から８のいずれか１つにおいて、
   該第２の手段が、該ＴＣＰトンネル用のバッファとこれ以外のバッファに分けて該パケットを登録する手段を含むことを特徴とするパケット転送装置。
10. 請求の範囲６において、
    一部速度保証型サービスが、ＡＴＭネットワークで実施されるＧＦＲ（Ｇｕａｒａｎｔｅｅｄ Ｆｒａｍｅ Ｒａｔｅ）であることを特徴とするパケット転送装置。

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