JP4536047B2 - 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。また、全てのフローに対する資源の公平分配が、現在の資源分配方法の基本的な考えとなっている。そのため通信数が増えると各通信への資源分配が減少し、全ての通信の転送レートが著しく低下する可能性がある。

そこで、各通信が利用する資源量をある一定以上に保証するために、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、また、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は、送信側である送信ホスト１から受信側である受信ホスト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Ｊａｍ−ｐａｃｋｉｎｇ（例えば、特許文献１参照）は、ファイル転送アプリケーションに対して、平均転送レートおよび転送ファイルサイズを要求パラメータとするアドミッション制御を行なう方式である。

Ｊａｍ−ｐａｃｋｉｎｇのアドミッション制御に係る機能ブロックを図４に示す。Ｊａｍ−ｐａｃｋｉｎｇでは、フローが経由するノードが要求受信、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。要求受信部２０は要求パラメータとして平均転送レートおよび転送ファイルサイズを入力とする。Ｊａｍ−ｐａｃｋｉｎｇでは送信者が要求した転送レートを守ることを前提として、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と各ノードのバッファ容量および空き帯域と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が許可して分配した転送レートの割当てを行なう。なお、図４における記号∀は一般的に全称記号と呼ばれている記号である。

Ｊａｍ−ｐａｃｋｉｎｇの各機能部の概要を以下に説明する。

要求受信部２０は、新規フローｉの平均転送レートａ_iと転送ファイルサイズｆと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。

アドミッション判断部２１は、まず受け取ったａ_iとｆとから予測転送完了時刻を算出する。要求を受信した時点でａ_iの転送レート以上の空き帯域がある場合は許可と判断する。また、要求時点で空き帯域がａ_i未満の場合に、送信者からの送信データの空き帯域を超える分をバッファに保持して、他のフローの終了により空いた帯域を割当てることで予想転送完了時刻に転送を完了できる場合であり、それに必要なバッファ量がある場合に許可と判断する。

トラヒック制御部２２は、アドミッション判断部２１による帯域の分配に従った帯域を割当てる転送スケジューリングを行なう。

Ｊａｍ−ｐａｃｋｉｎｇのアドミッション制御の例を図５に示す。フローＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄが収容されており、それぞれの平均転送レートをａ_A、ａ_B、ａ_C、ａ_D、転送ファイルサイズから算出された予測転送完了時刻をｄ_A、ｄ_B、ｄ_C、ｄ_Dとする。このとき平均転送レートをａ_E、予測転送完了時刻をｄ_EとするフローＥが新規に要求を行い、Ｕ＜Σａ_iの場合を考える。

フローＣおよびフローＤが終了することにより利用可能となる空き帯域をフローＥが利用することで、フローＥはｄ_iに転送を完了できるために許可と判断される。Ｔ_C時点は、ノードのバッファに蓄積されていたフローＥのパケットが全て転送された時点を表し、Ｔ_C以降は送信者の転送レートａ_Eで転送が行なわれる。

特開２００２−３６８７９７号公報

従来技術では、送信者が要求した転送レートを守ることを前提にしており、転送レートを超えて転送を行なった場合には、アドミッション制御は機能しない可能性がある。また、帯域資源に余裕がある場合に、要求転送レートを超える転送を許容することで予想転送完了時刻以前に転送が完了できることが考慮されていない。そのため、送信者の転送レートを固定した場合に、ネットワークの資源が有効に利用されていないことになり、結果として資源の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、必要最低レートを満たしつつ、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ならびに方法を提供することを目的とする。

本発明は、指定する要求パラメータである転送レートとして最低保証転送レートを受け取ってアドミッション判断を行なう。また、加えて転送データ量を要求パラメータとして受け取って、それによって空き資源を分配して平均転送時間を最小とすることで資源の利用効率を向上させるトラヒック制御を行なう。

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、前記フローの最低保証転送レートおよび転送データ量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、フローの最低保証転送レートおよび転送データ量に加え、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、フローの最低保証転送レートおよび転送データ量に加え、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、ネットワークの上限帯域から、設定許可された全てのフローの最低保証転送レートの和を除いた空き帯域が、要求された最低保証転送レート以上のときに設定許可し、未満のときに拒否の判断を行なう手段を備えることができる。

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、前記空き帯域が存在する時間帯において、前記設定許可したフローに最低保証帯域以上の帯域割当てることで、現在時刻から各フローの転送完了時刻までの時間で転送データ量を除した値であるフローの平均転送時間を最小にする帯域割当手段を備える。このときに、前記帯域割当手段は、現在および将来の全ての帯域割当パターンを割り出し、そこから前記平均転送時間が最小となるパターンを導くことが望ましい。

また、前記トラヒック制御手段は、設定許可したフローそれぞれに対し、トラヒックが過負荷状態のときに、前記帯域割当手段により割当てられ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、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判断する手段を含むことができる。

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により実行され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、前記フローの最低保証転送レートおよび転送データ量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。

また、前記判断を行なうと共に、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い、このトラヒックの制御の際に、空き帯域が存在する時間帯において、前記設定許可したフローに最低保証帯域以上の帯域割当てることで、前記フローの平均転送時間を最小にする帯域割当てを行い、この帯域割当ての際に、現在および将来の全ての帯域割当パターンを割り出し、そこから前記平均転送時間が最小となるパターンを導くことができる。

本発明によれば、データの要求最低保証転送レートと送信アプリケーションとが取得可能な転送データサイズをもとにアドミッション判断および資源割当を行なうことにより、必要最低レートを満たしつつ、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と全ての収容フローの最低保証転送レートｇ_j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が行なった資源の分配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、最低保証転送レートｇおよび転送データ量ｌ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、最低保証転送レートｇ、転送データ量ｌ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。最大転送レートは指定せず、送信開始時刻は要求時刻と一致するものとする。

アドミッション判断部３１は、全ての収容フローｉについて最低保証転送レートｇ_i、転送データ量ｌ_i、現在時刻ｔまでに転送が完了したデータ量ｂ_i（ｔ）、ｔ時点における残余データ量ｒ_i（ｔ）＝ｌ_i−ｂ_i（ｔ）を定義および保持する。ｔ、ｂ_i（ｔ）、およびｒ_i（ｔ）を、縦軸を転送レート、横軸を時間とするグラフに表すと図９のようになる。フローｉにおける転送レートを示したグラフと横軸で囲まれた部分において、ｔまでがｂ_i（ｔ）となり、ｔ以降の転送する残余データ量がｒ_i（ｔ）となる。

新規フローの要求パラメータを受け取り、アドミッション判断部３１は要求時点における新規フローを加えた全てのフローのｇ_iの総和Σｇ_iが、上限帯域Ｕ以下のとき許可、Ｕを超えるときは拒否と判断する。

トラヒック制御部３２は、図１０のフローチャートに示すように、パケットｐが到着すると（Ｓ１）、パケットｐが属すフローｉの転送レートｖ_i（ｔ）を測定し（Ｓ２）、過負荷状態時に（Ｓ３）、その測定値をもとに超過トラヒックを制限することで、超過トラヒックによって転送レートがｇ_i以下に低下するフローが生じることを防ぐ。過負荷状態にない場合には、各フローのｇ_iを超える転送レートも許容される（Ｓ４）。

本実施例では、トラヒック制御部３２はキュー長に閾値Ｑ_thを設定して、Ｑ_thに達した場合を過負荷状態とする（Ｓ３）。過負荷状態時に、パケットｐが属するフローｉのＶ_i（ｔ）を取得し（Ｓ５）、
ｖ_i（ｔ）＞Ｖ_i（ｔ）
ならば（Ｓ６）、各フローのトラヒックに対して下記の廃棄確率Ｐｌにしたがってパケットを廃棄する（Ｓ７）。

Ｐｌ＝（ｖ_i（ｔ）−Ｖ_i（ｔ））／ｖ_i（ｔ）
ｖ_iはトラヒック制御部３２が測定したフローｉの転送レート、Ｖ_iはトラヒック制御部３２がフローｉに割当てた転送レートである。よって、ｖ_i（ｔ）は、時刻ｔにおけるトラヒック制御部３２が測定したフローｉの転送レート、Ｖ_i（ｔ）は、時刻ｔにおけるトラヒック制御部３２がフローｉに割当てた転送レートである。本実施形態では、ｖ_iおよびＶ_iはそれぞれ以下のようにして求める。

ｖ_iは下記の式によって近似測定する。

ｖ_i（ｔ）＝１／（Ｉｎｔ_i（ｊ））＊ｐｓｉｚｅ_j
ｖ_i（ｔ）＝（１−α）ｖ_i（ｔ−Ｉｎｔ_i（ｊ））＋αｖ_i（ｔ）
Ｉｎｔ_i（ｊ）はフローｉの２つの連続するパケットｊとパケットｊ＋１の到着間隔、ｐｓｉｚｅ_jはパケットｊのサイズを示し、αは０から１までの値をとる。

例えば、ＡおよびＢの二つのフローがある場合には、Ａ、Ｂのデータ量をＭＡＸ帯域を使用したときの転送時間をそれぞれ、５秒、１秒とすると、現在時刻０から、最初にＡをＭＡＸ帯域で転送して、５秒後に転送完了して、続いてＢをＭＡＸ帯域で転送して、現在時刻から６秒後に転送完了する場合には、平均転送時間は（５＋６）／２＝５．５秒となる。

一方、最初にＢをＭＡＸ帯域で転送し、１秒後に転送完了し、続いてＡをＭＡＸ帯域で転送し、現在時刻から６秒後に転送完了する場合には、平均転送時間は（１＋６）／２＝３．５秒となり、こちらの方が平均転送時間は短くなる。

アドミッション制御のポリシとして“ユーザから要求された最低帯域を保証する”のと同時に“ネットワークの利用効率から平均転送時間を最小にする”というポリシがユーザ側およびネットワーク側の双方からの要求条件を満たすポリシとして重要である。

Ｖ_iは、ｇ_iの総和が上限帯域Ｕと等しい場合は、Ｖ_i＝ｇ_iとする。一方、ｇ_iの総和がＵに満たない場合には、余剰帯域Ｒ＝Ｕ−Σｇ_iを、フローの転送完了時間の平均が最小になるように追加分配する。各フローの開始と終了とを契機に、その時点における収容フローに対するＲの配分の組み合わせを全て計算して、平均転送完了時間が最小になる組み合わせにしたがってＲを割当てる。すなわち、ある時間においては余剰帯域Ｒは全て、ある一つのフローに割当てるとして、そのフローを割当てる順序について、想定される組み合わせについて計算する。つまり、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅの場合には、５！通りの組み合わせについて計算する。

例えば、フロー数ｎ、ｇ₁＝ｇ₂＝…＝ｇ_i＝ｇ_i+1＝ｇ_nのとき、ｒ_i（ｔ）について降順でフローｉにＶ_i＝ｇ_i＋Ｒを割当てることで平均転送完了時間が最小となる。このように平均転送完了時間を最小にすることで、利用効率を向上させることが可能である。

図１１に、本アドミッション制御の例を、図５と同様の想定における比較を用いて示す。フローが終了するごとに空く帯域を、フローＣ、フローＥ、フローＢ、最後にフローＡへと割当てることで、空き帯域を有効に利用して、最低保証転送レートを維持しつつ平均転送時間を最小にすることで資源の利用効率の向上が確認できる。

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と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。

以下に、図１２を参照して送信ホスト１の転送レートと要求パラメータとの関係を示す。図１２に示すように、要求パラメータｇ_iおよびｌ_iは、縦軸を転送レートおよび横軸を時間とするグラフ上でｇ_iの実線と時間軸との間の面積として表される。破線が送信ホスト１の転送レートであって、過負荷状態となるＴ_Cまでは、送信ホスト１はｇ_iを超えて転送レートを増加できる。本アドミッション制御は、Ｔ_C時点で転送レートｇ_iまで抑える。送信ホスト１が要求した転送データ量を転送した時点で、フローｉが終了となる。

本発明によれば、必要最低レートを満たしつつ、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。 Ｊａｍ−ｐａｃｋｉｎｇのアドミッション制御に係る機能ブロック図。 Ｊａｍ−ｐａｃｋｉｎｇのアドミッション制御の例を示す図。 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。 ｔ、ｂ_i（ｔ）、およびｒ_i（ｔ）をグラフに表した図。 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。 本アドミッション制御の例を示す図。 送信ホストの転送レートと要求パラメータとの関係を示す図。

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 (8)

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、
   前記フローの最低保証転送レートおよび転送データ量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な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、前記空き帯域が存在する時間帯において、前記設定許可したフローに最低保証帯域以上の帯域を割当てることで、現在時刻から各フローの転送完了時刻までの時間で転送データ量を除した値であるフローの平均転送時間を最小にする帯域割当手段を備えた
   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、フローの最低保証転送レートおよび転送データ量に加え、転送開始時刻を入力パラメータとして判断を行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、フローの最低保証転送レートおよび転送データ量に加え、最大転送レートを入力パラメータとして判断を行う手段を含む請求項１記載のアドミッション制御ウソ値。
4. 前記判断手段は、ネットワークの上限帯域から、設定許可された全てのフローの最低保証転送レートの和を除いた空き帯域が、要求された最低保証転送レート以上のときに設定許可し、未満のときに拒否の判断を行なう手段を備えた請求項１ないし３のいずれかに記載のアドミッション制御装置。
5. 前記帯域割当手段は、現在および将来の全ての帯域割当パターンを割り出し、そこから前記平均転送時間が最小となるパターンを導く請求項１記載のアドミッション制御装置。
6. 前記トラヒック制御手段は、設定許可したフローそれぞれに対し、トラヒックが過負荷状態のときに、前記帯域割当手段により割当てられ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５のいずれかに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判断する手段を含む請求項６記載のアドミッション制御装置。
8. 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より実行されるアドミッション制御方法において、
   前記フローの最低保証転送レートおよび転送データ量を入力パラメータとして前記判断を行ない、
   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を行って、このトラヒックの制御の際に、空き帯域が存在する時間帯において、前記設定許可したフローに最低保証帯域以上の帯域を割当てることで、現在時刻から各フローの転送完了時刻までの時間で転送データ量を除した値であるフローの平均転送時間を最小にする
   ことを特徴とするアドミッション制御方法。

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