JP4536046B2 - アドミッション制御装置および方法 - Google Patents

Description

本発明は、通信ネットワークにおける輻輳回避を目的としたアドミッション制御技術に関する。

インターネットに代表される、アプリケーションのデータをパケット形式で転送するパケット交換ネットワークでは、複数の異なるアプリケーション間通信によって通信資源が共有されている。そのため各通信が要求する資源の総和が、利用可能な資源量を超えると輻輳が発生してパケット転送の遅延やパケット廃棄が起こる。

パケット転送遅延やパケット廃棄は、時間制約の厳しいアプリケーションの性能に大きな影響を与える。ここで、時間制約の厳しいアプリケーションとは、正常な動作のためにデータの転送が終了しなければならない時間的要求条件が厳しいアプリケーションである。

例えば、１秒間に２４フレームの映像ストリーミングでは、フレーム再生周期（１／２４秒）毎に、再生する１フレーム分のデータを全て受信する必要がある。パケット転送の遅延が原因でフレームの再生時刻までにフレームデータの一部が間に合わなかった場合は、データが一部不足したまま再生されるため、そのフレームの表示が乱れる。また、一時的に映像が止まるなどの不具合が発生する。

パケット廃棄が起こった場合には再送を行なうことができるが、受信側から送信側への廃棄パケットの再送を求める通知とそれに対する再送に少なくとも１往復時間の遅れが生じる。往復時間が長い場合には、パケット転送の遅延の場合と同様にフレーム再生時刻に必要なデータが間に合わなくなり、結果として同等の不具合が発生する。

ファイル転送アプリケーションにおいては利用者が期待する転送完了時刻とデータ量とに対して伝送速度に余裕がない場合には、やはり厳しい時間制約が存在して、パケット転送の遅延やパケット廃棄のために制約を満たせないことがある。

時間制約を満たすためには、輻輳の発生を未然に防ぐことでパケット転送遅延やパケット廃棄を防ぐ必要がある。そのために、利用可能な通信資源を超える通信要求を制限するアドミッション制御が利用される。アドミッション制御とは、ネットワークへの新規通信に対し、その資源要求量と利用可能な資源とをもとに許可または拒否を判断し、許可したフローへ資源を割当てる方法である。

アドミッション制御システムの必要最小限の構成要素を含む対象環境を図１に示す。アドミッション制御システム１０は、送信側の送信ホスト１から受信側の受信ホスト５への単方向パス４に対するアドミッション制御を行なう。それぞれ、アドミッション判断装置２は、アドミッション判断と通信資源の管理とを行い、トラヒック制御装置３は許可したフローのトラヒックの監視または必要に応じたトラヒック制御を行なう。

従来技術であるＲＳＶＰ（非特許文献１）を用いた方式は、送信および受信のアドレスおよびポート番号およびプロトコル番号によって識別されるパケットの集合をフローとして扱い、フローの転送レートを用いたアドミッション制御を行なう。

ＲＳＶＰのアドミッション制御に係る機能ブロック図を図４に示す。ＲＳＶＰはフローが経由するルータがアドミッション判断およびトラヒック制御の機能を有することを前提として、各ルータがアドミッション判断を行なう。要求受信部２０は要求パラメータとして転送レートを入力とする。アドミッション判断部２１は、管理通信資源として上限帯域Ｕと既に許可された全ての転送中の収容フローの全ての転送レート（∀_jＶ_j）の情報をもとに新規フローの進入の許可または拒否を判断する。トラヒック制御部２２はアドミッション判断部２１が行なった資源配分をもとにトラヒック制御を行なう。

なお、記号∀_jは既に許可された全ての収容フローｊを示し、記号∀_jＶ_jは既に許可された全ての収容フローｊの転送レートを示す。記号∀は一般的に全称記号と呼ばれている記号である。

ＲＳＶＰの各機能部の詳細を以下に説明する。

要求受信部２０は、新規フローｉの転送レートＶ_iを要求パラメータとして受け取り、アドミッション判断部２１へ渡す。要求パラメータとして許容遅延時間を含むこともある。ここでは許容遅延時間を“０”として説明する。

アドミッション判断部２１は、転送中の収容フローの転送レートＶ_jを管理し、新規要求時には、収容フローｊの転送レートＶ_jの総和（ΣＶ_j）にＶ_iを加えた値が、単方向パスの上限帯域Ｕ以下であれば許可、Ｕを超える場合は拒否と判断する。また、許可したフローの転送レートの値を保持する。

例えば、図５のように縦軸を転送レート、横軸を時間として収容フローＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄを表した場合に、新規フローＥの要求する転送レートを縦軸方向に積み上げたとき上限帯域Ｕを超えるためフローＥは拒否される。

トラヒック制御部２２は、各フローの転送レートを監視し、アドミッション判断部２１が決定した資源配分量を超えるトラヒックを廃棄する。

Ｒ．Ｂｒａｄｅｎ，Ｌ．Ｚｈａｎｇ，Ｓ．Ｂｅｒｓｏｎ，Ｓ．Ｈｅｒｚｏｇ，Ｓ．Ｊａｍｉｎ，"ＲＳＶＰ"，ＲＦＣ２２０５，Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ １９９７

従来技術では要求パラメータとして受け取った平均転送レートで収容可能か否かを判断している。しかし、時間制約を保証することは必ずしも一定の転送レートを保証することとは一致しない。

新規フローの要求時点で要求する転送レートが満たせないとしても、他のフローの終了後に平均転送レート以上の転送レートで転送が可能であれば、時間制約を満たすことは可能である。したがって、時間制約が厳しいアプリケーションにとって、その時間制約を満たす資源が確保可能であっても拒否される可能性があり、結果として利用効率が低下するという問題があった。

本発明は、このような背景の下に行なわれたものであって、時間制約の厳しいアプリケーションの要求条件を満たしつつ、ネットワークの利用効率を低下させないサービスが提供可能となるアドミッション制御装置およびシステムおよび方法を提供することを目的とする。

従来の課題を解決するために、本発明のアドミッション制御は、指定する要求パラメータとして要求平均転送レートに加えて転送完了要求時刻を用いたアドミッション制御を行なう。すなわち、要求時点の転送レートではなく、送信開始時刻から要求完了時刻までの間隔における平均転送レートにより判断を行なう。

すなわち、本発明は、ネットワークにおける新たなフローの設定要求に対し、フローの設定許可または拒否の判断または設定許可するフローの帯域を判断するアドミッション制御装置であって、本発明の特徴とするところは、前記フローの平均転送レートおよび転送完了要求時刻を入力パラメータとして前記判断を行なう判断手段を備えたところにある。

また、前記判断手段は、フローの平均転送レートおよび転送完了要求時刻に加え、転送開始時刻を入力パラメータとして判断を行なう手段を含むことができる。これにより、将来の任意の時点からデータ受信を開始することが可能になる。

また、前記判断手段は、フローの平均転送レートおよび転送完了要求時刻に加え、最大転送レートを入力パラメータとして判断を行なう手段を含むことができる。これにより、送信ホストの性能以上の資源を与えてしまい、資源が有効利用されなくなることを回避できる。

また、前記判断手段は、送信開始時刻に、ネットワークの上限帯域から設定許可した全てのフローの帯域の和を除いた空き帯域が、要求された平均転送レート以上のときに設定許可と判断する手段を含むことができる。

また、前記判断手段は、送信開始時刻における空き帯域が要求された平均転送レート未満の場合に、将来の時間帯において要求されたレート以上の帯域を利用することで、平均転送レートを要求されたレートとすることが可能な場合に設定許可し、不可能な場合に拒否と判断する手段を含むことができる。このときに、前記要求されたレート以上の帯域を利用している間は、新規フローの要求を拒否することが望ましい。

また、前記設定許可したフローに対して設定許可した帯域に基づいてトラヒックの制御を行なうトラヒック制御手段を備えることができる。

例えば、前記トラヒック制御手段は、トラヒックが過負荷状態のときに、上限帯域を超えるトラヒックを廃棄する手段を含む。このときに、前記トラヒック制御手段は、キュー長に閾値の設定を行い、キュー長が当該閾値を超えた状態をトラヒックの過負荷状態とする手段を含む。

また、前記トラヒック制御手段は、設定許可した複数のフローに対して、それぞれ設定許可した帯域の比に基づいて前記上限帯域を各フローに分配して、各フローに前記分配した帯域を超えるトラヒックを廃棄する手段を含むことができる。

また、各フローにおいて、前記設定許可した帯域を超えるトラヒックを廃棄する手段を備えることができる。

また、本発明を、本発明のアドミッション制御装置と、本発明のアドミッション制御装置における前記トラヒック制御手段を備えたトラヒック制御装置とで構成されたアドミッション制御システムとして観ることもできる。

また、本発明をアドミッション制御方法の観点から観ることもできる。すなわち、本発明は、ネットワークにおける新たなフローの設定要求に対し、フローの設定許可または拒否の判断または設定許可するフローの帯域を判断するアドミッション制御装置が実行するアドミッション制御方法であって、本発明の特徴とするところは、前記フローの平均転送レートおよび転送完了要求時刻を入力パラメータとして前記判断を行なうところにある。

前記判断を行なう際に、送信開始時刻における空き帯域が要求された平均転送レート未満の場合に、将来の時間帯において要求されたレート以上の帯域を利用することで、平均転送レートを要求されたレートとすることが可能な場合に設定許可し、不可能な場合に拒否と判断することができる。

本発明によれば、平均転送レートとデータの転送完了要求時刻とをもとにアドミッション制御を行なうことで、時間制約の厳しいアプリケーションの要求条件を満たしつつ、ネットワークの利用効率を低下させないサービスが提供可能となる。

本発明のアドミッション制御装置およびシステムならびに方法と、その目的および利点について、実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

本実施形態は、任意のルールによって識別されるパケットの集合をフローとして扱い、資源配分をフロー単位に行なう。例えば、同一の送信アドレス、宛先アドレス、送信ポート、受信ポート、プロトコル番号を有するパケットの集合をフローと捉える。

対象環境は図１の形態をとるが、ここに示す単方向パス４は、図２の複数のリンク６−１、６−２から構成されるパスとして捉えることもできる。複数のリンク６−１、６−２をつなぐデータ転送機能を有する転送装置が、トラヒック制御装置３の機能を有し、アドミッション判断装置２は全体のトラヒック情報を管理する。

また、本実施形態はパケット単位で優先度毎にクラス分けを行い、クラスの優先度に則して転送が行なわれるＤｉｆｆＳｅｒｖアーキテクチャにも適用できる。共通の転送ポリシを有するルータ群で構成されるＤｉｆｆＳｅｒｖネットワークはＤＳドメインと定義され、図３のように単方向パスはレイヤ３転送機能を有するトラヒック制御装置が接続された単一のＤＳドメイン７と捉えることもできる。

例えば、仮想専用回線サービスを提供できるＥＦ−ＰＨＢ(Expedited
Forwarding - Per-Hop Behavior)をサポートすることで、ＥＦクラスの転送帯域を単方向パス帯域としてそこに流れるフローのアドミッション制御が可能である。アドミッション制御システムが接続された単方向パス４は、あらゆる形態として捉えることができる。

本実施形態の機能ブロック図を図６に示す。本実施形態は、要求受信部３０、アドミッション判断部３１、トラヒック制御部３２から構成される。本実施形態は、各構成要素を図７（ａ）のようにトラヒック制御部３２を分けてトラヒック制御装置３とアドミッション判断装置２として実現する形態と、図７（ｂ）のようにアドミッション制御装置１１として全ての機能を含む形で単一装置内に実現する形態とがある。

要求受信部３０は、受け取った要求パラメータをアドミッション判断部３１へ通知する。要求パラメータ通知を受けたアドミッション判断部３１は、管理通信資源として上限帯域Ｕと既に許可された全ての転送中の収容フローの全ての転送レート（∀_jＶ_j）の情報をもとに新規フローの進入の許可または拒否を判断する。トラヒック制御部３２はアドミッション判断部３１が行なった資源配分をもとにトラヒック制御を行なう。

以下、本実施形態について具体的な処理手順を、図面を用いて詳細に説明する。

要求受信部３０は、図８（ａ）のように受信ホスト５または図８（ｂ）のように送信ホスト１からフローの要求パラメータ通知を受けるインタフェースを有する。要求パラメータは、フロー識別子と、転送完了要求時刻ｄおよび平均転送レートａを含む。

また、要求パラメータとして、送信者が取得可能な値を含めることができる。例えば、受信者は送信開始時刻ｓを指定することによって、将来の任意の時点からデータ受信を開始することが可能になる。また、送信ホストの最大転送性能がネットワーク容量以下の場合には、ホストの最大転送性能ｐを通知することで、アドミッション判断部３１が送信ホスト１の性能以上の資源を与えてしまい、資源が有効利用されなくなることを回避することができる。

以下の実施例では、転送完了要求時刻ｄ、平均転送レートａの２つのパラメータを用いたアドミッション制御を示す。

アドミッション判断部３１は、現在時刻をｔとして、全ての収容フローｉについて転送完了要求時刻ｄ_i、平均転送レートａ_i、ｔまでの転送データ量ｂ_i（ｔ）を定義および保持する。新規フローｉの要求パラメータを受け取ったアドミッション判断部３１は、図９のフローチャートに示す手順に従って新規フローの許可または拒否を判断する。

すなわち、平均転送レートａ_iおよび転送完了時刻ｄ_iを受け取り（Ｓ１）、このときに残余帯域が有り（Ｓ２）、以下の不等式
Ｕ≧ΣＶ_j＋ａ_i
が成り立つならば（Ｓ３）、許可と判断する（Ｓ５）。Ｖ_jは収容フローｊに割当てた資源（転送レート）である。新規フローｉを上記の不等式によって許可した場合には、Ｖ_i＝ａ_iを割当てる。また、上記の不等式が成り立たない場合に、次の不等式
ａ_i×ｄ_i≦ｄ_i（Ｕ−ΣＶ_j）＋ΣＶ_j×（ｄ_i−ｍｉｎ（ｄ_j，ｄ_i））
が成り立つならば許可と判断する（Ｓ４）。この条件から許可と判断したフローｉを、Ｒとマーキングして、
ａ_i＞ｂ_i（ｔ）
のとき、
Ｖ_i＝Ｕ−ΣＶ_j
として残余帯域をすべて割当てる。

また、ａ_iｔ≦ｂ_i（ｔ₀）となった時点ｔ₀でＶ_i＝ａ_iを割当て、マーキングを解除する。Ｒとマーキングされたフローが収容されている間は、新規フローの要求を拒否する。

図５と同様にフローＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄが収容されているときに新規フローＥが要求を行なう場合において、フローＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅの転送要求完了時刻ｄ_A、ｄ_B、ｄ_C、ｄ_D、ｄ_Eの情報を用いて、図１０のようにｄ_Eまでに転送を完了できる資源分配が可能な場合には、フローＥを許可して、Ｒとマーキングする。フローＥに対して、ｔ₀まではＲとマーキングして
Ｖ_E＝Ｕ−（Ｖ_A＋Ｖ_B＋Ｖ_C＋Ｖ_D）
を割当て、ｔ₀時点以降でマーキングを解除してＶ_E＝ａ_Eを割当てる。

アドミッション判断処理後、トラヒック制御部３２は各フローｉに対して要求を満たすための帯域（転送レート）Ｖ_iの割当てを行なう。フローチャートを図１１に示して、具体的な制御に係る手順を以下で説明する。

トラヒック制御部３２は、パケットｐが到着すると（Ｓ１０）、パケットｐが属するフローｉの転送レートｖ_i（ｔ）を測定し（Ｓ１１）、キュー長に閾値Ｑ_thを設けて、Ｑ_th未満のときは何も行なわず、Ｑ_thに達したとき過負荷状態と判断し（Ｓ１２）、適切な超過トラヒックの制限を行なう。すなわち、過負荷状態時に（Ｓ１２）、トラヒック制御部３２がフローｉに割当てた転送レートＶ_iを取得し（Ｓ１４）、上限帯域ＵをＶ_iの比で分けた帯域（Ｕ×Ｖ_i／ΣＶ_i）を超える転送レートｖ_i（ｔ）のフローに対して、そのフローに属すパケットをある確率に従って廃棄する（Ｓ１６）。廃棄確率Ｐ_iはＶ_iを保証できる任意の廃棄確率であって、本実施例では以下の式で示す廃棄確率Ｐ_iを用いる。

Ｐ_i＝（ｖ_i（ｔ）−Ｕ×Ｖ_i／ΣＶ_i）／ｖ_i（ｔ）
（但し、ｖ_i（ｔ）＞Ｖ_i）
フローｉの２つの連続するパケットｊとパケットｊ＋１の到着時刻間隔をＩｎｔ_i（ｊ）として、ｖ_i（ｔ）は下記の式にて近似する。

ｖ_i（ｔ）＝１／（Ｉｎｔ_i（ｊ））＊ｐｓｉｚｅ_j
ｖ_i（ｔ）＝（１−α）Ｖ_i（ｔ−Ｉｎｔ_i（ｊ））＋αｖ_i（ｔ）
ｐｓｉｚｅ_jはパケットｊのサイズであり、αは０から１までの値をとる。

以上、上述したアドミッション制御において、送信ホスト１は許可されたフローを送信ホスト１と受信ホスト５に具備されている標準的な転送レート制御の枠組みで送信する。

トラヒックが過負荷状態ではない場合は、資源割当分を超える転送レートが許容され、また、トラヒック過負荷状態時においては、標準的なレート制御技術（ＴＣＰ制御（ＲＦＣ２５８１）、ＴＦＲＣ制御（ＲＦＣ３４４８）、その他）がパケット廃棄をもとに転送レートを増減させるため、本トラヒック制御により転送レートが資源割当分に近づくように調整される。

本発明によれば、時間制約の厳しいアプリケーションの要求条件を満たしつつ、ネットワークの利用効率を低下させないサービスが提供可能となるため、ネットワークユーザに対するサービス品質を向上させることができると共に、ネットワーク事業者におけるネットワーク運営効率を高めることができる。

アドミッション制御システムの必要最小限の構成要素を含む対象環境を示す図。 図１の単方向パスを複数リンクから構成されるパスに置き換えた図。 図１の単方向パスをレイヤ３転送機能を有するトラヒック制御装置が接続された単一のＤＳドメインと置き換えた図。 ＲＳＶＰのアドミッション制御に係る機能ブロック図。 上限帯域Ｕを超える新規フローＥを示す図。 本実施形態の機能ブロック図。 トラヒック制御部を分けてトラヒック制御装置とアドミッション判断装置として実現する形態およびアドミッション制御装置として全ての機能を含む形で単一装置内に実現する形態を示す図。 受信ホストまたは送信ホストからデータフローの要求パラメータ通知を受け取るインタフェースを示す図。 本実施形態の新規フローの許可または拒否を判断する手順を示すフローチャート。 本実施形態の転送レートの収容状態を示す図。 本実施形態のトラヒック制御部における制御手順を示すフローチャート。

符号の説明

１ 送信ホスト
２ アドミッション判断装置
３ トラヒック制御装置
４ 単方向パス
５ 受信ホスト
６−１、６−２ リンク
７ ＤＳドメイン
１０ アドミッション制御システム
１１ アドミッション制御装置
２０、３０ 要求受信部
２１、３１ アドミッション判断部
２２、３２ トラヒック制御部

Claims (9)

1. ネットワークにおける新たなフローの設定要求に対し、フローの設定許可または拒否の判断または設定許可するフローの帯域を判断するアドミッション制御装置において、
   前記フローの平均転送レートおよび転送完了要求時刻を入力パラメータとして前記判断を行なう判断手段と、
   前記設定許可したフローに対して設定許可した帯域に基づいてトラヒックの制御を行うトラヒック制御手段と
   を備え、
   前記トラヒック制御手段は、
   過負荷状態時に、上限帯域Ｕを超える転送レートｖｉ（ｔ）のフローのトラヒックに対して、フローに割り当てた転送レートをＶｉとするとき、
   Ｐｉ＝（ｖｉ（ｔ）−Ｕ×Ｖｉ／ΣＶｉ）／ｖｉ（ｔ）
   で与えられる廃棄確率Ｐｉで廃棄する
   ことを特徴とするアドミッション制御装置
2. 前記判断手段は、フローの平均転送レートおよび転送完了要求時刻に加え、転送開始時刻を入力パラメータとして判断を行なう手段を含む請求項１記載のアドミッション制御装置。
3. 前記判断手段は、フローの平均転送レートおよび転送完了要求時刻に加え、最大転送レートを入力パラメータとして判断を行なう手段を含む請求項１記載のアドミッション制御装置。
4. 前記判断手段は、送信開始時刻に、ネットワークの上限帯域から設定許可した全てのフローの帯域の和を除いた空き帯域が、要求された平均転送レート以上のときに設定許可と判断する手段を含む請求項１記載のアドミッション制御装置。
5. 前記判断手段は、送信開始時刻における前記空き帯域が要求された平均転送レート未満の場合に、将来の時間帯において要求されたレート以上の帯域を利用することで、平均転送レートを要求されたレートとすることが可能な場合に設定許可し、不可能な場合に拒否と判断する手段を含む請求項１記載のアドミッション制御装置。
6. 前記要求されたレート以上の帯域を利用している間は、新規フローの要求を拒否する請求項５記載のアドミッション制御装置。
7. 前記トラヒック制御手段は、キュー長に閾値の設定を行い、キュー長が当該閾値を超えた状態をトラヒックの過負荷状態とする手段を含む請求項１記載のアドミッション制御装置。
8. 前記トラヒック制御手段は、設定許可した複数のフローに対して、それぞれ設定許可した帯域の比に基づいて前記上限帯域を各フローに分配して、各フローに前記分配した帯域を超えるトラヒックを廃棄する手段を含む請求項１ないし８のいずれかに記載のアドミッション制御装置。
9. ネットワークにおける新たなフローの設定要求に対し、フローの設定許可または拒否の判断または設定許可するフローの帯域を判断するアドミッション制御装置が実行するアドミッション制御方法において、
   判断手段が前記フローの平均転送レートおよび転送完了要求時刻を入力パラメータとして前記判断を行ない、
   前記設定許可したフローに対して設定許可した帯域に基づいてトラヒックの制御を行うトラヒック制御手段が、過負荷状態時に、上限帯域Ｕを超える転送レートｖｉ（ｔ）のフローのトラヒックに対して、フローに割り当てた転送レートをＶｉとするとき、
   Ｐｉ＝（ｖｉ（ｔ）−Ｕ×Ｖｉ／ΣＶｉ）／ｖｉ（ｔ）
   で与えられる廃棄確率Ｐｉで廃棄する
   ことを特徴とするアドミッション制御方法。

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