JP4294674B2 - パケット品質評価システムおよび方法 - Google Patents

Description

本発明は、インターネットに代表される大規模ネットワーク上を流れるパケット、特に音声パケットの品質を評価するパケット品質評価システムおよび方法に関する。

回線交換呼に代表される音声の監視機能については、音声の品質が交換機によって保証されているため、品質評価手法に対しては、実際の送信・受信により音声そのものを比較することによる評価手法が一般的であった。

これに対して、ＶｏＩＰに代表されるＩＰ電話では、複数のアプリケーションによる発生するパケットと同一のネットワーク上を伝播するため、ネットワークの様々な状況により、音声が劣化するということがわかっている。音声劣化の要因としては、遅延、パケット送信間隔のゆらぎ、パケット損失などが該当する。特に、パケット送信間隔のゆらぎについては、端末のバッファを超える場合には、パケット損失と捉えられるため、品質に対する影響度が大きいことで知られている。このような中、試験計測用のプローブパケットを用いて、品質を評価する手法がとられてきた。これをアクティブ計測という。

これに対して、ユーザの実トラヒックをそのまま計測対象トラヒックとして、測定対象とすることをパッシブ計測という。様々な評価が実現可能なアクティブ計測手法に対し、パッシブ計測では、計測可能なものが制限されるという問題があった。

これに対し、パケット・ペアという手法では、パッシブ計測とアクティブ計測の手法を混在させて、計測を行い、より柔軟性を高めるような考慮がなされている。本手法は、対となるプローブパケットをネットワークに注入し、Ｅｎｄ−Ｅｎｄの可用帯域を推定するというものであった。しかし、この手法では、パケットの遅延変動・受信間隔変動などを計測できないという問題や計測対象パケットとプローブパケットを同一経路上に通過させないといけないという制約があった。

なお、プローブパケットを用いる手法が記載された文献としては、例えば、特許文献１がある。特許文献１には、送信端末から受信端末に向けて、プローブパケットの送信間隔を変えながらプローブパケットの連続送信を繰り返し、受信端末は、受信したプローブパケットの受信間隔を順次測定し、送信端末と受信端末との間の通信経路の利用可能帯域を計算する技術が記載されている。

また、本発明にて利用するフローモニタリング技術については、非特許文献１、２に記載されている。

特開２００４−２５４０２５号公報 "InMon Corporation's sFlow: A Method for Monitoring Traffic in Switched and Routed Network"、ＲＦＣ３１７６、September 2001 "IPFIX Protocol Specification"、IPFIX working group Internet Draft draft-ietf-ipfix-protocol-21.txt、April 2006

現在、ＩＰネットワーク環境で音声・画像などの品質を測定する際には、以下のような手法が活用される。（この場合の音声・画像データは、ＲＴＰ（real-time transport protocol）プロトコルにより転送される。ここでは、音声・画像データのようにＲＴＰプロトコル等のプロトコルにより転送されるパケットを、総称して音声パケットという。）
・予め音声パケットが経由するＬＡＮセグメント上に品質を監視する装置を配置し、ＬＡＮセグメント上を流れるＲＴＰパケットを収集することで、遅延、ジッタ、パケット損失を測定することを行っている。これをパッシブ計測という。
・ＩＰ端末に品質を測定する機能をもたせ、ＩＰ端末を用いて、ネットワークの各拠点で定期的に品質を測定する。ネットワークの複数箇所に対して、検証用のプローブパケットを送信し、情報を収集参照することで品質を測定する。これをアクティブ計測という。

上記のパッシブ測定の手法では、ネットワーク上の音声パケットを受信して、通話情報を管理する音声パケット品質監視装置を配置することが必要となる。現在、音声パケットが介するネットワークは、年々大規模化され、音声パケット以外の様々なパケットが混在する環境となっている。このような状況の中、ネットワークの複数箇所に音声パケットを監視する音声パケット品質監視装置を配置することは、コスト的な面から困難な状況となっている。また、アクティブ測定の手法では、プローブパケットを専用に送信する端末を用意し、定期的にネットワークの品質を確認する作業が必要となり、これについても膨大なコストがかかる。また、一般的なパッシブ測定では、ユーザの音声パケットをもとにリアルタイムに品質評価できないという問題がある。

このため、プローブパケットを用いて、ユーザの音声パケットをもとに評価する手法が考えられているが、プローブパケットは、ユーザと同一の経路を通過する必要があるなど、制約事項が多い。また、上記の手法でも、ユーザの音声パケットの遅延ゆらぎや受信間隔ゆらぎを評価する手法については、考えられていない。

このように、ＩＰネットワーク上で、端末間で直接交換される音声パケットの品質をスケーラブルに実施することは、困難な状況であった。また、音声品質監視を実現する場合には、特別な装置をネットワークの複数箇所に配置する必要があり、設備費用的な面で非常に非効率であった。また、ユーザの音声パケットに対してもリアルタイムに品質を評価すること要望されていた。

本発明の目的は、計測対象パケットとプローブパケットをパケット品質監視装置に誘導し、任意のモニタポイントでのパケットの品質を評価することを可能とするシステム、方法を提供することにある。この場合に、プローブパケットは、計測対象パケットと同一の経路を通過する必要はない。

本明細書において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、以下のとおりである。

パケット（例えば、音声パケット）が転送されるＩＰネットワーク上には、必要最小限のパケット品質監視装置（例えば、音声パケット監視装置）を配置し、ネットワーク上に流れる品質測定対象のパケット（以降、これを計測対象パケットという。）をパケットを転送する装置であるパケット転送装置（ルータ・スイッチ等）で複製し、複製したパケットをパケット品質監視装置に向けて送信することで、品質の評価を可能とする。複製したパケットを誘導するためには、パケット転送装置で選択的ミラーリング機能や、ｓＦｌｏｗ、ＩＰＦＩＸと呼ばれるフロー・モニタリング機能を用いることができる。ミラーリングやフロー・モニタリングによる機能を用いた場合においても、個々のパケットの到着時間情報が取得できないため、正確に到着間隔ゆらぎ、遅延ゆらぎを推定することが難しい。そこで、一定の周期でパケットを発するプローブパケット発生装置から特定のパケット（以降、これをプローブパケットという。）をパケット転送装置向けに送信し、パケット転送装置では、計測対象パケットとプローブパケットの双方のパケットを複製し、パケット品質監視装置に向けて送信する。パケット品質監視装置では、計測対象パケットの間に何個のプローブパケットが挿入されているかによって、計測対象パケットの送信間隔を推定することが可能となる。

本発明により、計測対象パケットとプローブパケットをパケット品質監視装置に誘導し、任意のモニタポイントでのパケットの品質を評価することができる。この場合に、プローブパケットは、計測対象パケットと同一の経路を通過する必要はない。

大規模、大容量化したネットワークでは、音声パケット品質監視装置をネットワークの複数箇所に配置することが必要となる。本実施形態では、特定の音声パケットを計測対象パケットとし、ルータにて音声パケットとプローブパケットを複製し、複製したそれぞれのパケットを音声パケット品質監視装置に誘導することで、効率的に音声パケットの品質を計測する。これにより、多大な費用を掛けることなく、ユーザからの問い合わせにより、音声パケットの品質評価を行うことが可能となる。また従来、評価試験用の機器をネットワークの各所に配置し、試験評価用のプローブ・パケットをネットワークに流すことで、間接的に実施していた品質評価のためのコストを、大きく削減することができる。

本実施形態のパケット品質評価システムを有するネットワークの概要図を図１に示す。１０はＩＰネットワーク網であり、ルータ＃１〜＃６はＩＰネットワーク網１０においてパケットを転送するルータである。端末＃１、＃３、＃４、＃６はルータ＃１、＃３、＃４、＃６を介してＩＰネットワーク網１０に接続する。１１はプローブパケット発生装置であり、１２は音声パケット品質監視装置であり、１３は運用管理ＮＷ（ネットワーク）である。本実施形態においては、図１に示すように、実トラヒックが流通するＩＰネットワーク網１０とは別の運用管理ＮＷ１３上に音声パケット品質監視装置１２とプローブパケット発生装置１１が接続されているものとする。ＩＰネットワーク網上の各ルータも運用管理ＮＷ上に接続されている。

本実施形態のパケット品質評価システムは、特定の周期でプローブ・パケットを発生するプローブパケット発生装置１１と、ルータ＃１〜＃６と、ルータ＃１〜＃６から複製されたパケットを受信し、計測対象パケットの間に何個のプローブパケットを受信したかを確認し、計測対象パケットの到着間隔を推定する音声パケット品質監視装置１２からなる。

図２に本実施形態のパケット品質評価システムの概要を示す。ここでは、ルータ＃１からルータ＃３へルータ＃２を経由する特定のパケットを計測対象パケットとしている。ルータ＃１からのパケットはルータ＃２のＩＦ（インタフェース）＃２に流入し、ＩＦ＃３からルータ＃３に送出される。また、プローブパケット発生装置１１が特定の周期で発生したプローブパケットはルータ＃２のＩＦ＃１に流入する。ＩＦ＃２に流入したパケットは複製され、計測対象パケットのみを選択するようにフィルタリングされ、ＩＦ＃４から音声パケット品質監視装置１２へ送出される。また、ＩＦ＃１に流入したパケットは複製され、プローブパケットのみを選択するようにフィルタリングされ、ＩＦ＃４から音声パケット品質監視装置１２に送出される。その結果、ルータ＃２のＩＦ＃４から計測対象パケットとプローブパケットが音声パケット品質監視装置１２に対して送信される。

図２は、計測対象パケットとプローブパケットを音声パケット品質監視装置１２に誘導する手法として、ミラーリングと呼ばれる機能を使用した場合である。図２に示すように、計測対象パケットが流入するＩＦ＃２でパケットを複製し、ＩＦ＃４に複製パケット送出する機能が有効となっている。また、プローブパケットが流入するＩＦ＃１でもこのミラーリング機能が有効となり、ＩＦ＃４に複製パケット送出するものとする。この場合、ＩＦ＃２もしくはＩＦ＃１に流入するそのほかのパケットもＩＦ＃４から送信されることになるから、ルータ＃２では、計測対象パケットとプローブパケットのみを選択してミラーリングする選択的ミラーリング機能により、当該トラヒックのみを音声パケット品質監視装置１２に誘導することとする。

また、計測対象パケットとプローブパケットを音声パケット品質監視装置１２に誘導する手法として、フローモニタリング機能を使用する場合は、計測対象パケットが流入するＩＦ＃２とプローブパケットが流入するＩＦ＃１でｓＦＩｏｗ、ＩＰＦＩＸの各機能が有効となっているものとする。この際、ｓＦＩｏｗパケット、ＩＰＦＩＸパケットの送信先としてあらかじめ、音声パケット品質監視装置１２がルータ＃２において指定されている。この場合においても、計測対象パケットとプローブパケットのみを選択してｓＦｌｏｗ、ＩＰＦＩＸパケットに格納する機能がルータ＃２に実装されているものとする。

計測対象パケットとプローブパケットを受信した音声パケット品質監視装置１２では、計測対象パケット内に何個のプローブパケットが格納されているかを確認することで、計測対象パケットのルータ＃２での受信間隔を測定可能とする。図３にそのイメージ図を示す。図３において、上段に示されたものがプローブパケットで、送信間隔は一定間隔であり、Ｊ（ｍｓｅｃ）である。中段に示されたものが計測対象パケットで、送信間隔にはゆらぎが存在し、ｉ番目のパケットの送信間隔がδ_ｉである。下段は、フローモニタリング機能を使用した場合のｓＦｌｏｗパケットを示す。図に示すように、音声パケット品質監視装置１２に流入するｓＦｌｏｗデータグラムの中にプローブパケットと計測対象パケットが格納されている。

図３に示すように、プローブパケットの送信間隔をＪ（ｍｓｅｃ）とし、ｉ番目の計測対象パケットの送信間隔をδ_ｉとし、ｉ番目とｉ−１番目の計測対象パケットの間に含まれるプローブパケットの数をｎ_ｉ個とすると、計測対象パケットのルータでの受信間隔δ_ｉは、以下のように表される。

δ_ｉ=ｎ_ｉ×Ｊ±Ｊ
パケット到着間隔分散（Ｖａｒ[δ]）は、プローブパケットが計測対象パケットの送信間隔の間に何（ｎ）個含まれているかの分散（Ｖａｒ［ｎ］）をもとにすると、以下の式により導出される。

Ｖａｒ［δ］＝Ｖａｒ［ｎ］×Ｊ^２±Ｊ^２
音声パケット品質監視装置１２は、このようにして導出されたパケット到着間隔分散（Ｖａｒ[δ]）、すなわち受信間隔ゆらぎを出力する。

図４にＪ=５ｍｓｅｃとしてプローブパケットを注入し、一定の送信間隔（１０ｍｓｅｃ）で発信される計測対象パケットの間に含まれるプローブパケットの個数（ｎ）を求めた実験結果を示す。図４（ａ）は計測対象パケットの受信間隔を示す図であり、横軸は音声パケット品質監視装置１２が受信する計測対象パケット（ＲＴＰパケット）の累積受信数で、縦軸は音声パケット品質監視装置１２が受信する計測対象パケットの受信間隔（ｍｓｅｃ）である。図４は計測対象パケットが一定の送信間隔（１０ｍｓｅｃ）で発信される場合であるから、図４（ａ）に示されているように、計測対象パケットの受信間隔は１０ｍｓｅｃである。図４（ａ）には１０ｍｓｅｃから上下に何本かの縦の線が示されているが、これはノイズである。図４（ｂ）は計測対象パケット受信間隔内のプローブパケットの個数を示す図であり、横軸は音声パケット品質監視装置１２が受信する計測対象パケット（ＲＴＰパケット）の累積受信数で、縦軸は計測対象パケットの受信間隔内に音声パケット品質監視装置１２が受信したプローブパケットのパケット数である。図４（ｂ）に示されているように、計測対象パケット受信間隔内のプローブパケットの個数は２個である。図４（ａ）には２個から上下に何本かの縦の線が示されているが、これはノイズである。

これに対し、Ｊ=５ｍｓｅｃとしてプローブパケットを注入し、１０ｍｓｅｃで発信される計測対象パケットに遅延ゆらぎを発生された場合の計測対象パケットの間に含まれるプローブパケットの個数（ｎ）を求めた実験結果を図５に示す。図５（ａ）（ｂ）は、図４（ａ）（ｂ）に対応しているが、図５は計測対象パケットに遅延ゆらぎを発生させた場合であるから、データは分散している。図５（ａ）（ｂ）はどちらも実験による実測値であるが、本実施形態は、図５（ｂ）の計測対象パケット受信間隔内のプローブパケット数を実測することにより、前述のパケット到着間隔分散：Ｖａｒ[δ]＝Ｖａｒ［ｎ］×Ｊ^２±Ｊ^２の式により、パケット到着間隔分散すなわち受信間隔ゆらぎを推定するものである。

図５（ｂ）の結果をもとにパケット到着間隔分散（Ｖａｒ[δ]）をもとめるとＶａｒ[ｎ]＝６．８７７となっており、Ｊ^２＝２５をかけると１７１．９４±２５となる。これは、図５（ａ）の実験結果をもとに得られた実トラヒックの分散値１７１．９５とほぼ同等の結果となっており、本実施形態の有効性が示されている。

以上の実施形態においては、計測対象パケット受信間隔内のプローブパケット数を実測することによりパケット到着間隔分散を推定したが、逆に、プローブパケット受信間隔内の計測対象パケット数を実測することによりパケット到着間隔分散を推定してもよい。すなわち、音声パケット品質監視装置１２は、ルータから受信した計測対象のパケットとプローブパケットに基づいてパケットの受信間隔ゆらぎを測定すればよい。

以上、音声パケットについて説明したが、音声パケット以外のＲＴＰパケットやその他のプロトコルによるパケットであってもよい。また、ルータの代わりにスイッチを用いてもよく、一般には、パケットを転送する装置すなわちパケット転送装置であればよい。

以上説明した各装置は、それぞれその機能、動作を実現する手段を備えている。そして、その手段はコンピュータとプログラムによって構成することができ、その一部または全部をハードウェアで構成してもよい。

すなわち、プローブパケット発生装置１１は、プローブパケットを定期的にパケット転送装置（実施形態ではルータ＃２）に送信する手段を備え、パケット転送装置は、受信したパケットの中から計測対象のパケットとプローブパケットをパケット品質監視装置（実施形態では音声パケット品質監視装置１２）に送信する手段を備え、パケット品質監視装置は、パケット転送装置から受信した計測対象のパケットとプローブパケットに基づいてパケットの受信間隔ゆらぎを測定する手段を備える。

また、パケット転送装置は、選択的ミラーリング機能またはフローモニタリング機能を用いて、パケットを複製し、パケット品質監視装置１２に送信する手段を備える。

以上、本発明者によってなされた発明を、前記実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは勿論である。

本発明の実施形態のパケット品質評価システム有するネットワークの概要図である。 本発明の実施形態のパケット品質評価システムの概要を示す図である。 パケット到着間隔分散の推定手法を示すイメージ図である。 計測対象パケットの発信間隔が一定である場合の実験結果を示す図である。 計測対象パケットの発信間隔に遅延ゆらぎがある場合の実験結果を示す図である。

符号の説明

１０…ＩＰネットワーク網、１１…プローブパケット発生装置、１２…音声パケット品質監視装置、１３…運用管理ＮＷ

Claims (6)

1. プローブパケット発生装置、パケットを転送する装置であるパケット転送装置およびパケット品質監視装置を有するパケット品質評価システムであって、
   前記プローブパケット発生装置は、プローブパケットを定期的に前記パケット転送装置に送信する手段を備え、
   前記パケット転送装置は、受信したパケットの中から計測対象のパケットと前記プローブパケットを前記パケット品質監視装置に送信する手段を備え、
   前記パケット品質監視装置は、前記パケット転送装置から受信した計測対象のパケットの間に前記パケット転送装置から受信したプローブパケットが何個挿入されているか、または前記パケット転送装置から受信したプローブパケットの間に前記パケット転送装置から受信した計測対象のパケットが何個挿入されているか、によって計測対象のパケットの受信間隔を測定し、測定した測定対象のパケットの受信間隔に基づいてパケットの受信間隔ゆらぎを測定する手段を備える
   ことを特徴とするパケット品質評価システム。
2. 請求項１記載のパケット品質評価システムであって、前記パケット転送装置は、選択的ミラーリング機能を用いて、パケットを複製し、前記パケット品質監視装置に送信する手段を備えることを特徴とするパケット品質評価システム。
3. 請求項１記載のパケット品質評価システムであって、前記パケット転送装置は、フローモニタリング機能を用いて、パケットを複製し、前記パケット品質監視装置に送信する手段を備えることを特徴とするパケット品質評価システム。
4. プローブパケット発生装置、パケットを転送する装置であるパケット転送装置およびパケット品質監視装置を有するパケット品質評価システムにおけるパケット品質評価方法であって、
   前記プローブパケット発生装置は、プローブパケットを定期的に前記パケット転送装置に送信し、
   前記パケット転送装置は、受信したパケットの中から計測対象のパケットと前記プローブパケットを前記パケット品質監視装置に送信し、
   前記パケット品質監視装置は、前記パケット転送装置から受信した計測対象のパケットの間に前記パケット転送装置から受信したプローブパケットが何個挿入されているか、または前記パケット転送装置から受信したプローブパケットの間に前記パケット転送装置から受信した計測対象パケットが何個挿入されているのか、によって計測対象のパケットの受信間隔を測定し、測定した測定対象のパケットの受信間隔に基づいてパケットの受信間隔ゆらぎを測定する
   ことを特徴とするパケット品質評価方法。
5. 請求項４記載のパケット品質評価方法であって、前記パケット転送装置は、選択的ミラーリング機能を用いて、パケットを複製し、前記パケット品質監視装置に送信することを特徴とするパケット品質評価方法。
6. 請求項４記載のパケット品質評価方法であって、前記パケット転送装置は、フローモニタリング機能を用いて、パケットを複製し、前記パケット品質監視装置に送信することを特徴とするパケット品質評価方法。

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