JP4729413B2 - パケット通信装置 - Google Patents

Description

限られた帯域で特性の異なるさまざまな通信を効果的に捌くパケット通信装置に関し、特に、リアルタイム性の要求される通信についての通信品質の保証や制御を効果的に行うパケット通信装置に関するものである。

一般に、例えば無線のアクセスポイント（ＡＰ）等においては、音声通話やテレビ電話等リアルタイム性の要求されるものから、ファイル転送、ＨＴＴＰによるウエブ閲覧等、特性の異なった様々な通信をパケット単位の制御によって旨く捌く必要がある。

特にリアルタイム性の要求される通信についてはＱｏＳ（Quality of Service）／ＣｏＳ（Class of Service）を実現するために、従来は通信ごとに優先度を付け、その優先度に応じてパケット通信の処理を制御していた。その基本的な制御は、パケットをキュー（ＦＩＦＯバッファ）に一時的に格納し、パケットの内容によって、送信する順番を変えるために、キューをグループごとに分けて各パケットを格納（キューイング）し、特定のキューからのパケット転送の優先制御や各キューからの取り出し量の調整（スケジューリング）を行うことである。
例えば特許文献１には、パケットフローのスケジューリングを行う方法の例が開示されている。

従来一般にパケットの優先度は、パケットの優先度ビット、送信元アドレス、送信先アドレス、グループ分け、プロトコル、通信ステートなどに基づいて、予め定めた複数段階に区別されている。またパケットを優先度に応じて処理する方法としてＰＱ（Priority Queuing），ＷＦＱ（Weight Fair Queuing）、ＣＢＱ（Class-Based Queuing）などが採られている。

一方、優先度に応じたパケットのキューイングおよびスケジューリングを行っても、パケット通信装置の処理能力を超えてしまえば通信品質の低下は免れない。
無線通信やＷＡＮ接続など、通信帯域が狭くなる機器においては、ＱｏＳ／ＣｏＳのために、通信サービスを同時に利用できる端末の数を制限することが有効である。例えば特許文献２には、許容接続端末台数テーブルを設けて通信サービスを同時に利用できる端末数を制限する方法が開示されている。

従来一般には、上記ＱｏＳ／ＣｏＳのために、パケットの優先付けを行うとともに複数の回線を用いて負荷分散を行うことがなされている。

例えば無線アクセスポイントの負荷分散には次のような手法が用いられている。
（１）接続台数に制限を設けて、それ以上は接続を受け入れないようにする（特許文献２参照）。

（２）全体的な通信量（通信量の総和）の制限を設けて、それ以上は接続を受け入れないようにする。

（３）接続するアクセスポイントを乱数で選択したり、ラウンドロビン方式で選択（ＤＮＳにおいて１つのドメイン名に複数のＩＰアドレスを割り当てておき、問い合わせ毎にＩＰアドレスを順番に応答）するなどして複数のアクセスポイントの負荷を平均化する。
特開２００１−１０３１２０号公報 特開２０００−１１２８５２号公報

前述した優先度に応じてパケット通信を制御するためには、優先度が定まったパケットを扱うことになるが、従来のキューイングおよびスケジューリングでは、明示的に優先度が定められていないパケットも多く、優先度の付けられたパケットとそうでないパケットが混在した状態でのパケット通信制御は、通信の特性を見極めて設定を行わなければならず、各種パラメータの調整などで手作業の部分がかなり存在するため、誰でも簡便にできるようなものではなかった。また、通信網の状態の変化を監視して多くのパラメータを手動で設定しなければならなかった。

また、前述した無線アクセスポイントの負荷分散方式では、無線端末側が例えば無線音声専用端末など、一定の通信負荷が発生するもののみが接続されるのであれば期待通り動作する。しかし様々な特性の通信を行う機器が接続される場合、汎用的な無線ＬＡＮ用のアクセスポイントでは、ある優先度の通信のみが輻輳するなどして通信品質が保てない。例えばＦＴＰ（File Transfer Protocol）でファイル転送中にＶｏＩＰ（Voice over InternetProtocol）による音声通話が入るとＦＴＰによるファイル転送速度が異常に遅くなったりする。

また、無線端末が実行するアプリケーションプログラムがどのような通信を行うものであるかといったアプリケーション情報が利用できないため、負荷分散制御そのものが無線端末の実行するアプリケーションプログラムにとって最適でない状態が発生しやすい。

そこで、この発明の目的は、優先度の情報が明示的に付与されていないパケットの処理を行う場合に、パケットの優先度を自動的に決定できるようにし、且つその優先度の自動判別が十分でない場合でも優先制御が大きく破綻しないパケット通信装置を提供することにある。

また、この発明の他の目的は、複数のパケット通信装置が存在する場合に、それらによって負荷分散を行って効率的なパケット通信を行えるようにしたパケット通信装置を提供することにある。

前記課題を解決するために、この発明は次のように構成する。
（１）処理するパケットの優先度に応じてキュー制御を行う手段を備えたパケット通信装置において、処理するパケットの優先度毎に設けた複数のキューと、前記パケットを当該パケットの優先度に応じたキューに蓄積する手段と、前記キュー毎に、満杯になった状態でさらにパケットが到来した時に生じるドロップ（損失）の単位時間あたりの数を検出するとともに、その数が所定のしきい値を超えたとき、前記ドロップが生じたパケットのソースから送信元アドレスを抽出し、当該送信元からのアクセスを制限するアクセス制限手段と、を備える。

（２）前記アクセス制限手段は、例えば前記送信元からの前記優先度のパケットを前記キューに蓄積しないことによってアクセス制限を行う。

（３）また、前記アクセス制限手段は、例えば前記優先度毎のキューの状態（負荷状況）を前記送信元へ放送するものとする。

（４）また、この発明は、パケットのi番目の特徴量w_iが所定の優先度nに属する確率をpg_n(w_i)とし、前記パケットがw_i（iは1からmまでの整数）であるものとして、その複合確率pg_n(w)を次式で表したとき、
pg_n(w)={ _i=1Π^mpg_n(w_i) } / { _i=1Π^mpg_n(w_i) + _i=1Π^m(1-pg_n(w_i)) }
複合確率pg_n(w)が優先度毎に定めたしきい値ε_nより大きければ前記パケットの優先度を優先度nに分類することによって前記優先度を定める手段と、を設けたことを特徴としている。例えば、n個の優先度があって、最も高い優先度がｎである場合、先ずpg_n(w)を求め、結果としてpg_n(w)に属さなければ、pg_n-1(w)を求め、結果としてpg_n-1(w)に属さなければ、pg_n-2(w)を求める、という計算を以降同様に行う。

（５）前記特徴量は、前記パケットに含まれる優先ビットの状態、通信頻度、パケットの大きさ、パケット間隔、パケット間隔のばらつき、プロトコルの区別の中から選択される複数の量である。

（６）また、この発明は、処理するパケットの優先度に応じて順位付けした複数のキューと、最も優先度の高いパケットを入れる最も順位の高いキューからパケットを取り出す手段と、前記最も順位の高いキューが空になったとき、順位が低い他の昇格可能なキューの順位を繰り上げるとともに、当該空になったキューを前記昇格可能なキューのうち最も低順位のキューとして降格する手段と、を備えたことを特徴としている。

（１）単位時間当たりのパケットのドロップ（損失）の数が所定のしきい値を超えた時に、そのドロップが生じたパケットの送信元からのアクセスが制限されるので、その負荷の限界が近づいている優先度のパケットを送信している送信元は早期に他のパケット通信装置（無線アクセスポイントなど）へのハンドオーバ（ローミング）を行うことができる。そのため、特性の異なる通信毎の負荷分散ができ、輻輳が抑制できる。

（２）前記アクセス制限は、前記送信元からのパケットをキューに蓄積しない制御とすることによってパケットのドロップが生じるので、アプリケーションやプロトコル側ではこのようなパケットの輻輳を結果的に検知することができ、他のパケット通信装置（他の無線アクセスポイントなど）へのハンドオーバが可能となる。

（３）また、前記アクセス制限手段が、優先度毎のキューの状態を放送するものとすることにより、アプリケーションやプロトコルではその放送内容からパケット通信装置の負荷状況を知ることができ、低負荷状態のパケット通信装置（無線アクセスポイントなど）へのハンドオーバが可能となる。

（４）また、パケットの特徴量を基に前記複合確率pg_n(w)が所定のしきい値を超えるか否かによって優先度を自動的に求めるようにしたことによって、手動設定の煩雑性が回避できる。

（５）前記特徴量として例えば優先ビットの状態、通信頻度、パケットの大きさ、パケット間隔、パケット間隔のばらつき、プロトコルの区別などを用いれば、手動入力を行うことなく優先度を自動的に求めることができる。

（６）処理するパケットの優先度に応じて格納する複数のキューを順位付けし、最も優先度の高いパケットを入れる最も順位の高いキューからパケット出力するようにし、その最も順位の高いキューが空になった時、順位が低い他のキューの順位を繰り上げるとともに、その空になったキューを最も低順位キューとして設定するようにしたことにより、パケットの優先度に応じたパケット通信が効率良く行われる。

第１の実施形態に係るパケット通信装置について図１・図２を参照して説明する。
図１はパケット通信装置の構成を示すブロック図である。全体の構成は図１の（Ａ）に示すように、入力されてくるパケットを順に受け取るとともにその優先度を分類する分類器１０、優先度に応じたパケットＦＩＦＯ形式で蓄積するキュー１１（１１ａ，１１ｂ，１１ｃ）、これらの複数のキュー１１からいずれかのパケットを選択して出力する出力選択器１２を備えている。この例では３つの優先度に応じて３つのキュー１１ａ，１１ｂ，１１ｃを設けている。

図１の（Ｂ）は各キューについてドロップ制御およびアクセス制限を行う部分の構成を示すブロック図である。ドロップ制御部１３はキュー１１が満杯になった状態でさらに新たなパケットが到来した時に、その満杯状態を検出するとともにキュー１１内に蓄積されているパケットをドロップ（損失）させる制御を行う。ドロップパケット読出部１４はドロップ制御部１３によりドロップされたパケットの内容からその送信元アドレスを抽出する。

ドロップカウンタ１５はドロップ制御部１３により検出されたドロップの回数をカウントする。バッファ１６は計測時間周期のタイミング信号に応じてドロップカウンタ１５のカウント値をラッチする。なお、ドロップカウンタ１５はこの計測時間初期のタイミング信号でリセットされる。

コンパレータ１７は予め定めたしきい値Ｌとバッファ１６の値ｄｐとの大小比較を行い、ｄｐ＞Ｌの関係となれば上記送信元アドレスに対してアクセス制限のための切断指示信号を出力する。
図１の（Ｂ）に示した構成は、図１の（Ａ）に示した各キュー１１ａ，１１ｂ，１１ｃのそれぞれについて設けている。

図２は図１の（Ｂ）に示したキュー毎の処理をフローチャートとして表したものである。
まず上述した通り、ドロップの有無を検知し、ドロップが生じれば、その数をカウントするとともに単位時間当たりの（計測時間周期の）ドロップ数ｄｐを検出する。（Ｓ１→Ｓ２→Ｓ３）このドロップ数ｄｐがしきい値Ｌを超えたなら、最後にドロップしたパケットから送信元アドレスを抽出し、その送信元アドレスに対してアクセス制限処理を行う（Ｓ４→Ｓ５→Ｓ６）。

なお、上述の例では、最後に（すなわち単位時間当たりのドロップ数ｄｐがしきい値Ｌを超えた時に）ドロップしたパケットから、その送信元アドレスを抽出し、その送信元に対してアクセス制限処理を行うようにしたが、ドロップしたパケットの送信元毎の履歴を求め、単位時間当たりのドロップ数がしきい値Ｌを超えた時に、その送信元に対してアクセス制限処理を行うようにしてもよい。すなわち、ドロップの頻度が最も高い送信元からのアクセスを制限するようにしてもよい。

上記アクセス制限処理としては、送信元に対して通信の切断を行う。すなわち、現在の通信を切断し、またその送信元からの接続要求があっても繋がない。

なお、このアクセス制限処理で、所定時間内に同じ送信元が選択される（同じ送信元に対して切断処理が行われる）ような場合、その送信元は他に移れるアクセスポイントがないという状況であることが推測されるので、この検知を行った後は、実際に切断するまで所定時間だけ猶予するという制御を行えばよい。これによりオーバヘッドが少なくなり、複数のアクアセスポイントを含むネットワーク全体の通信効率が高まる。

また、上記アクセス制限処理の別の処理は負荷状況の放送を行うことである。例えば優先度毎のキューのドロップ発生頻度（前記ｄｐ）を放送する。このように優先度毎に負荷の状況を放送することにより、送信元である無線端末などはその放送内容から判断して主体的に現在の通信の切断または再接続の中止を行う。

送信元は、送信パケットに書き込む優先度情報の設定、自己のアプリケーションからの推定、自己のアドレスや名称、手動の設定などによって、自己が送信しようとする送信パケットの優先度を予め判断することができる。

そのため、例えば、送信元が通信を行う際に用いられる優先度のキューが混んでいれば、送信元は主体的に切断し、他のアクセスポイントにハンドオーバ（ローミング）する。

また、この応用として例えば音声通信プログラムを実行する時に、例えば先に音声通信の優先度の負荷状態を見て必要に応じてハンドオーバ（ローミング）し、音声通信プログラムを実行し、終了すれば積極的に再度ハンドオーバ（ローミング）してその回線を他の通信に明け渡す、といったシーケンスも可能である。このようなシーケンスによれば、優先度も含めた形で通信容量の効率的な活用ができる。

次に、第２の実施形態に係るパケット通信装置について図３〜図５を参照して説明する。
図３はパケット通信装置の構成を示すブロック図である。このパケット通信装置は第１の実施形態で示したものと同様に、入力されてくるパケットを順に受け取るとともにその優先度を分類する分類器１０、優先度に応じたパケットＦＩＦＯ形式で蓄積するキュー１１（１１ａ〜１１ｅ）、これらの複数のキュー１１からいずれかのパケットを選択して出力する出力選択器１２を備えている。

図４は上記分類器１０は入力されてくるパケットの内容からその優先度を自動的に決定して分類する手順をフローチャートとして表したものである。具体的には次のようにして優先度を求める。

まず、優先度の値nに最大値を設定する（Ｓ１１）。
次に優先度分類対象のパケットａの各種特徴量wを抽出する（Ｓ１２）。

続いて、パケットのi番目の特徴量w_iが所定の優先度nに属する確率をpg_n(w_i)とし、前記パケットの特徴量がw_i（iは1からmまでの整数）であるものとして、その複合確率pg_n(w)を次式で求める。

pg_n(w)={ _i=1Π^mpg_n(w_i)} / { _i=1Π^mpg_n(w_i) + _i=1Π^m(1-pg_n(w_i)) }
ここで、_i=1Π^m はｉが１からｍまでについての積演算を表している。

上記確率pg_n(w₁)〜pg_n(w_m)は、各優先度ｎ毎に、手動で設定したものを予め定めたり、パケットの実績（優先度ｎに属するパケットの各特徴量の実績）を統計的に求めたものを設定する。また、動作しながら上記パケットの実績を求めるとともに、その統計情報によって上記確率を修正するようにしてもよい。

そして、この複合確率pg_n(w)がしきい値ε_nより大きければそのパケットを優先度ｎに分類する（Ｓ１３）。
上記の方法はいわゆるベイズ理論による確率推定に基づいている。

この計算を優先度の高いものから順に行う（Ｓ１４→Ｓ１５→Ｓ１６→Ｓ１３）。例えば、特徴量としてw1,w2,w3の３つがあるものとし、優先度の高いものから順に２，１，０の３つの優先度がある場合、
pg₂(w1,w２,w3)＝{ pg₂(w₁)*pg₂(w₂)* pg₂(w₃) } / { pg₂(w₁)*pg₂(w₂)* pg₂(w₃) + (1-pg₂(w₁))*(1-pg₂(w₂))* (1-pg₂(w₃)) }
の演算によりまずpg₂(w1,w２,w3)を求め、この値がしきい値ε₂を超えていれば、そのパケットａの優先度を“２”とする。もしε₂に満たなければ、そのパケットは優先度“２”に属さないものとし、次に
pg₁(w1,w２,w3)＝{ pg₁(w₁)*pg₁(w₂)* pg₁(w₃) } / { pg₁(w₁)*pg₁(w₂)* pg₁(w₃) + (1-pg₁(w₁))*(1-pg₁(w₂))* (1-pg₁(w₃)) }
によりpg₁(w1,w２,w3)を求め、この値がしきい値ε₁を超えていれば、そのパケットａの優先度を“１”とする。もしε₁に満たなければ、そのパケットの優先度は“０”とする。

上記特徴量としては、例えば前記パケットに含まれる優先ビットの状態、通信頻度、パケットの大きさ、パケット間隔、パケット間隔のばらつき、プロトコルの区別の中から選択される複数の量とする。

さて、図３に戻って、キュー１１ａ〜１１ｅで示す５つのキューは、この順に順位付けしていて、最上位のＡｃｔｉｖｅキュー１１ａに続いて、Ｗａｉｔｉｎｇ１キュー１１ｂ、Ｗａｉｔｉｎｇ２キュー１１ｃ、Ｗａｉｔｉｎｇ３キュー１１ｄ、Ｉｄｌｅキュー１１ｅを設けている。これらのキューのうちＷａｉｔｉｎｇ１キュー１１ｂ、Ｗａｉｔｉｎｇ２キュー１１ｃ、Ｗａｉｔｉｎｇ３キュー１１ｄはＡｃｔｉｖｅキュー１１ａが空になった時、それぞれの順位が１つずつ格上げされる。順位が最下位のＩｄｌｅキュー１１ｅは順位の格上げはなく、その上位のキュー（１１ａ〜１１ｄ）の内容が全て空である時、このＩｄｌｅキュー１１ｅに溜まっているパケットが選択され出力される。

図５はこの順位付けされたキューの処理内容をフローチャートで示したものである。まずＡｃｔｉｖｅキューが空であるか否かを判定し、空であればＷａｉｔｉｎｇ１キューをＡｃｔｉｖｅキューに格上げし、Ｗａｉｔｉｎｇ２キュー，Ｗａｉｔｉｎｇ３キューの順位を１つずつ格上げし、元のＡｃｔｉｖｅキューをＷａｉｔｉｎｇキューの最下位の順位のキューに格下げする（Ｓ２１→Ｓ２２→Ｓ２３）。すなわちＷａｉｔｉｎｇ１キュー１１ｂをＡｃｔｉｖｅキューに格上げし、Ｗａｉｔｉｎｇ２キュー１１ｃをＷａｉｔｉｎｇ１キューに、Ｗａｉｔｉｎｇ３キュー１１ｄをＷａｉｔｉｎｇ２キューにそれぞれ格上げする。また、Ａｃｔｉｖｅキュー１１ａをＷａｉｔｉｎｇキューの最も順位の低いＷａｉｔｉｎｇ３キューに格下げする。図３中の破線の矢印はこの順位の格上げ・格下げの方向を示している。Ｉｄｌｅキュー１１ｅにパケットが蓄積されていて、他のキュー１１ａ〜１１ｄの内容が全て空であればＩｄｌｅキュー１１ｅからパケットを出力する（Ｓ２４→Ｓ２５→Ｓ２６）。

なお、上記キューの順位の格上げ・格下げは、各キューに割り当てる順位を変更することによって行うようにしたが、次に述べるようにキューの内容自体をキュー間でシフトする言わばシフト方式で行うようにしてもよい。

すなわち、Ａｃｔｉｖｅキュー１１ａの内容が空になったとき、Ｗａｉｔｉｎｇ１キュー１１ｂの内容をＡｃｔｉｖｅキュー１１ａにコピーし、Ｗａｉｔｉｎｇ２キュー１１ｃの内容をＷａｉｔｉｎｇ１キュー１１ｂにコピーし、Ｗａｉｔｉｎｇ３キュー１１ｄの内容をＷａｉｔｉｎｇ２キュー１１ｃにコピーし、Ｗａｉｔｉｎｇ３キュー１１ｄの内容をクリアする、というようにして、上位のキューへ下位のキューから順次内容をコピーしていくことによって、キューの内容をキュー間でシフトするようにしてもよい。

このようにパケットの優先度に応じてキューを区分し、且つ各キューの順位を制御するキューシステムを構成することにより、次のような効果を奏する。
（１）優先度の高いパケットほど遅延が少なく、且つパケットの損失は少なくなる。
（２）最上位になったキューからのみパケットが送信されるので、順位の低いキューはパケットがある程度バッファリングされてから送信状態になるため、出力選択器１２から出力されるパケットを送信する際、その通信の成立する最低限のパケットの固まりが確保しやすくなる。すなわち、従来の単純な優先度キューの場合、優先度の高い通信が、パケットの塊が十分でない通信で割り込まれてしまうため、帯域があるのに効率の悪い通信が成立する確率が高いが、それが防止できる。

（３）キューが満杯になった時、ランダムな位置のパケットが消去されることにより、順位の低いキューは送信状態になるまでにキューの順位昇格が何段階か発生する。そのため、通信量が多い時には送信が待たされるだけでなく、パケットの優先度に応じてパケットが効率的に間引かれることになる。例えばＦＴＰやＳＭＴＰ，ＨＴＴＰなどのプロトコルは、パケットの損失に応じて転送速度を低下させる機構を持つが、上記の間引きによって、優先度に応じた転送速度になるように自動的に調整されることになる。

（４）音声通信や画像通信など，優先度の高いアプリケーション同士がぶつかり、通信網の能力を超えるような時にも、パケットが優先度に応じて均等に損失されるように作用する。また、古いパケットほど消去される確率が高まるので、時間遅れですでに必要でなくなったパケットが無駄に送信されるという確率も減少する。このため、どれか１つの通信に影響が集中してしまうといったことがなく、通信品質を穏やかに劣化させることができる。

（５）パケットの入力速度より出力可能なパケットの出力速度が大きい場合には、キューが満杯にならないためパケットが損失することはない。

以上に述べた各効果により、優先度の自動判別が十分でない場合でも優先制御が大きく破綻することはない。

第１の実施形態に係るパケット通信装置の構成を示すブロック図である。 同パケット通信装置のキュー毎の処理を示すフローチャートである。 第２の実施形態に係るパケット通信装置の構成を示すブロック図である。 パケットの優先度を求める処理手順を示すフローチャートである。 同パケット通信装置における複数のキューの処理内容を示すフローチャートである。

符号の説明

１０−優先度分類器
１１−キュー
１２−出力選択器

Claims (6)

1. 処理するパケットの優先度に応じてキュー制御を行う手段を備えたパケット通信装置において、
   処理するパケットの優先度毎に設けた複数のキューと、
   前記パケットを当該パケットの優先度に応じたキューに蓄積する手段と、
   前記キュー毎に、満杯になった状態でさらにパケットが到来した時に生じるドロップの単位時間あたりの数を検出するとともに、その数が所定のしきい値を超えたとき、前記ドロップが生じたパケットのソースから送信元アドレスを抽出し、当該送信元からのアクセスを制限するアクセス制限手段と、
   を備えたパケット通信装置。
2. 前記アクセス制限手段は、前記送信元からの前記優先度のパケットを前記キューに蓄積しない制御を行うものである請求項１に記載のパケット通信装置。
3. 前記アクセス制限手段は、前記優先度毎のキューの状態を前記送信元へ放送するものである請求項１に記載のパケット通信装置。
4. パケットのi番目の特徴量w_iが所定の優先度nに属する確率をpg_n(w_i)とし、前記パケットの特徴量がw_i（iは1からmまでの整数）であるものとして、その複合確率pg_n(w)を次式で表したとき、
   pg_n(w)={ _i=1Π^mpg_n(w_i) } / { _i=1Π^mpg_n(w_i) + _i=1Π^m(1-pg_n(w_i)) }
   複合確率pg_n(w)が優先度ｎ毎に定めたしきい値ε_nより大きければ前記パケットの優先度を優先度nに分類することによって前記優先度を定める手段と、
   を設けた、請求項１に記載のパケット通信装置。
5. 前記特徴量は、前記パケットに含まれる優先ビットの状態、通信頻度、パケットの大きさ、パケット間隔、パケット間隔のばらつき、プロトコルの区別の中から選択される複数の量である請求項４に記載のパケット通信装置。
6. 処理するパケットの優先度に応じて順位付けした複数のキューと、
   最も優先度の高いパケットを入れる最も順位の高いキューからパケットを取り出す手段と、
   前記最も順位の高いキューが空になったとき、順位が低い他の昇格可能なキューの順位を繰り上げるとともに、当該空になったキューを前記昇格可能なキューのうち最も低順位のキューとして降格する手段と、
   を備えた、請求項１に記載のパケット通信装置。

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