JP4842912B2 - 拠点装置間の双方向通信の帯域制御方式 - Google Patents

Description

本発明は拠点装置間の双方向通信の帯域制御方式に関する。

通信拠点間の通信としてはコンピュータネットワークにおけるサーバ・クライアント間通信や，ＷＡＮ高速化通信におけるセッションを中継する中継装置間の通信等が存在する。このような２つの拠点装置間の通信を双方向で行う場合，扱うデータが高速・多量である場合に，データ送信の処理と受信の処理が各拠点装置の処理能力（ＣＰＵ性能，バス速度等）を越えてしまい，送受信性能が著しく低下したり，片方向の通信だけに偏ってしまったり，装置が無応答になるなどの不安定な状態に陥ることがある。

図８は従来の通信拠点間における双方向通信の説明図である。図８の(a) は拠点Ａと拠点Ｂがネットワークを介して接続された構成を示し，拠点Ａ，拠点Ｂからの送信帯域制限の上限値をＰ（伝送帯域：伝送速度）とすると，拠点Ａ，Ｂとも単一方向通信では装置全体に余裕があり，Ｐでの送信及びＰでの受信の各々は可能である。ここでＰは装置性能により単一方向通信が可能な帯域（速度）であるものとする。

図８の(b) は拠点Ａから拠点Ｂへの片方向の通信であり，拠点ＡはＰでの送信が可能で，拠点ＢはＰでの受信が可能である。図８の(c) は拠点Ｂから拠点Ａへの片方向の通信であり，拠点ＢはＰでの送信が可能で，拠点ＡはＰでの受信が可能である。図８の(d) は拠点Ａと拠点ＢでそれぞれがＰでの送信と受信を同時に行おうとするものであるが，Ｐでの送信と受信を同時に実行することは上記した各拠点装置の処理能力を越えてしまい不可能である。

従来の方法として，拠点装置の通信品質を保つため次の(1) 〜(3) のような解決方法が考えられる。

(1) 通信帯域制限の上限値を，拠点Ａから拠点Ｂ方向へはＰ，拠点Ｂから拠点Ａ方向へはごく微量（装置性能への影響が無いレベル）に制限する。

(2) 拠点Ａから拠点Ｂ方向と，拠点Ｂから拠点Ａ方向を交互に切り替える。例えば，1 秒毎に切り替える。

(3) 送信帯域制限値の上限値として，装置性能から双方向で送受信可能なＰ’を決定する。例えば，Ｐ’＝Ｐ／２とする。

ところが，上記(1) の方法では, 双方向通信を高速に行いたいという要求を満たすことができない。また，(2) の方法では瞬間的に実際に通信しているのはどちらか一方なので，総合的な通信性能はＰの半分にも満たない。また，切り替え時間により各拠点への応答の遅れが問題になったり，特に，利用されるケースが多いＴＣＰプロトコルでは，スロースタート制御（最初は低速度で開始して相手からの正常応答を受けて順次速度を上げる制御）により回線の速度をＰまで有効に利用できないという問題がある。なお，この方法に含まれる技術として，主に無線通信において，時分割複信（ＴＤＤ：Time Division Duplex) や時分割多元接続（ＴＤＭＡ：Time Division Multiple Access)という技術があるが，これは同一周波数の電波を用いて（擬似的に）全二重通信を実現する方式であり，双方向通信における負荷を軽減するという目的とは異なる。

(3) の方法では双方向通信が発生した場合に，装置性能を充分に活用できるが，一時的に片方向通信となった場合に，片方向ではＰでの通信ができるはずなのにＰ’に抑えられてしまい，（Ｐ−Ｐ’）分の性能を活用できていないことになる。

光ファイバを用いて局間で双方向通信を行う技術において，一方の局から光カプラを介して接続した光ファイバを用いて他方の局へ信号を伝送すると共に，他方の局から該光ファイバを介して送られてきた信号を光カプラで分波して受信を行うことで双方向通信を行い，各局装置に光送信器と光受信器と，該光送信器と光受信器と光ファイバに光学的に接続され受信器の方向と送信器の方向との合分波比率が受信器の方向より送信器の方向が小である光カプラを設けるよう構成した技術が提案され（特許文献１参照），光カプラの合分波比率として送信器側がｘ，受信器側が（１−ｘ）（０＜ｘ＜０．５）を使用することで，受信側での送信方向への光パワー減衰量を確保して利用効率を上げるものである。
特開２００３−２３４００号公報

上記図８を用いて説明した従来の技術によれば，双方向通信を行うが上記(3) の場合のように，一時的に片方向通信となった時に，片方向ではＰ（送信帯域制限の上限値）での帯域に対応した処理能力があるのに，送信帯域制限の上限値として決定したＰ’（＝Ｐ／２）の帯域に対応した処理量に抑えられてしまい（Ｐ−Ｐ’）分の性能（処理能力）を活用できないという問題がある。

また，上記特許文献１の技術は，光ファイバによる同一波長（周波数）を用いた双方向通信において送信が０＜ｘ＜０．５（ｘは光カプラの合分波比率）の時に利用効率を上げるための技術であり，拠点間の双方向通信において拠点の装置性能を有効に活用するという目的を実現するものではない。

本発明は送・受信データの処理能力に限界がある拠点装置間の双方向通信において，扱うデータが高速・多量の場合の各拠点の装置の処理能力を有効に活用すると共に送・受信の過大な負荷を軽減することができる拠点装置間の双方向通信の帯域制御方式を提供することを目的とする。

ネットワークで接続された２つの拠点装置間の双方向通信時に，予め決められた単位時間毎にトリガ部から発生する信号により帯域計算部が起動し，帯域計算部は自拠点装置における現時点での送信可能最大帯域（Ｑamaxとする）を計算する。帯域計算部には，自拠点装置の送信帯域変動の上限値（Ｐａ）と相手拠点装置の送信帯域変動の上限値（Ｐｂ）が予め帯域設定部に設定されており，相手拠点装置から送信されたデータを受信する受信部における受信量を計算する受信量計算部から計算した値である受信帯域（Ｒａ）が出力され，その値を受け取って自拠点装置の送信可能最大帯域（Ｑamax）を，次の式(1) により求める。

Ｑamax＝Ｐａ（１−（Ｒａ／Ｐｂ）） (1)
但し，計算により求めた送信可能最大帯域（Ｑamax）がＰａ／２を下回ってしまう場合は，ＱamaxをＰａ／２とする。こうして，求めた自拠点装置の送信可能最大帯域（Ｑamax）を送信部の送信帯域（速度）を制御する帯域制御部に供給することで相手拠点装置への送信が実行される。相手拠点装置でも，図１と同様の構成で，同様の原理により受信帯域を得て，送信可能最大帯域の計算を行って相手拠点装置における送信可能最大帯域を求めて相手拠点装置の送信制御部の送信帯域を制御する。

こうして，送信帯域を受信帯域から算出するため，受信量が少ない期間には送信可能な帯域が送信帯域変動の上限値（Ｐａ）に近づき，装置性能を常に有効に使用できる。

本発明によれば，送信可能な変動最大帯域の算出を，運用する状況に対応して適宜に設定した間隔で行うことにより，各時点での受信通信量に基づいて適切な帯域設定をすることが可能となり，コンピュータ等の拠点装置のそれぞれにおいて双方向通信の処理能力を最大限活用可能な高速通信を実現すると共に過大な負荷を抑制することができる。

また，送信帯域変動の下限を最大帯域の半分に止めることにより，送受信の帯域がシーソー状態になったり，片方向の通信に偏ることを防ぐことができる。

本発明による基本構成を図１に示す。図中，１は拠点装置，１０は帯域計算部，１００は自拠点の送信可能最大帯域算出部，１０１は帯域設定部，１０１ａは送信帯域変動の上限値（Ｐａ），１０１ｂは相手（通信相手の拠点装置）の送信帯域変動の上限値（Ｐｂ），１１は帯域計算部１０による帯域計算を一定周期で起動するトリガ部，１２は帯域制御部，１３は受信量計算部，１４は送信データを出力すると共に相手拠点装置からのデータを受け取るアプリケーション部，１５は外部ネットワークとのインタフェースであり送受信を行う通信部，１５ａは送信部，１５ｂは受信部である。

この方式では送・受信データの処理能力に限界がある２つの拠点装置の間で双方向通信を行う場合に，時間によって変化する通信量によってデータ送信量をＰ〜Ｐ／２（Ｐは送信帯域制限の上限値）の範囲内で動的に変動させ，拠点装置の通信品質を保ちつつ可能な限り高速な通信を行うものである。

拠点装置１は外部ネットワークを介して図示省略された相手の拠点装置との間で双方向通信を行っており，アプリケーション部１４からのデータ（パケット）が帯域制御部１２による帯域制御を受ける通信部１の送信部１５ａから送信される。帯域制御部１２は帯域計算部１０により計算された現在の送信可能最大帯域（Ｑamax）を越えないよう送信データ量の調整をして帯域制御を行う。

相手拠点装置から送信されたデータは受信部１５ｂで受信されてアプリケーション部１４に供給される。受信部１５ｂで受信した受信データは受信量計算部１３に供給されて，単位時間当たりの受信量が計算されて，現時点での受信帯域（Ｒａ）として送信可能最大帯域算出部１００に供給される。受信量計算における単位時間は後述するトリガ部１１のトリガ周期と同じにすることができる。

トリガ部１１は予め設定された単位時間（トリガ間隔またはトリガ周期）毎に帯域計算部１０を駆動し，これを契機として当該拠点装置１におけるこの時点での送信可能最大帯域を求める計算が送信可能最大帯域算出部１００で開始される。送信可能最大帯域の計算は上記の式(1) を用いて実行する。但し，この拠点装置１（相手の拠点装置に対してこれを自拠点装置１という場合もある）の送信帯域変動の上限値（Ｐａ）と相手の送信帯域変動の上限値（Ｐｂ）は自拠点装置１及び相手拠点装置の処理能力（送受信データの処理能力）の上限値により制限されており，その処理能力に対応した上限値は帯域設定部１０１の格納位置１０１ａ，１０１ｂに予めユーザにより設定されている。

なお，自拠点装置の送信帯域変動の上限値（Ｐａ）と相手拠点装置の送信帯域変動の上限値（Ｐｂ）は同じ値となるのが一般的であるが，各拠点装置の処理性能の違いがある場合や，ＡＤＳＬ等の通信速度が非対称な回線の場合には異なる値となる。

上記の式(1) は自拠点の送信可能な変動最大帯域は，自拠点装置の受信量の割合から算出し，割合は受信し得る最大帯域（すなわち相手拠点装置の送信帯域変動の最大値Ｐｂ）を元にした，実際の受信量との比率である。この(1) の式により求めた自拠点の送信可能最大帯域ＱamaxがＰａ／２を下回る場合は，ＱamaxをＰａ／２とする。

このように拠点装置１において送信可能最大帯域Ｑamaxを求めて，その送信帯域によりデータを送信する動作を行う一方で，相手拠点装置でも上記の(1) と同様の原理による次の式(2) により相手拠点装置の送信可能最大帯域（Ｑbmaxとする）を求めて，その送信帯域により拠点装置１に対して送信を行う。但し，Ｐａ，Ｐｂは上記式(1) と同じ設定値であり，Ｒｂは相手拠点装置で受信したデータ受信量に基づく受信帯域である。計算により求めた送信可能最大帯域（Ｑbmax）がＰｂ／２を下回ってしまう場合は，ＱbmaxをＰｂ／２とする。

Ｑbmax＝Ｐｂ（１−（Ｒｂ／Ｐａ）） (2)
上記トリガ部１１のトリガ周期は，ネットワークの伝送路の特性，拠点装置１における送受信の処理能力等の条件に応じて適宜の間隔を設定し，その時点での通信量に応じた適切な帯域設定をすることができる。具体的には，例えば２５０ミリ秒周期等を採用することができる。イーサネット（登録商標）の１０Base（１０メガビット秒）やギガビット秒など実際のネットワークの環境に応じて，計算誤差が発生しない程度が良い。また，この一定周期毎の送信帯域計算による調整が負荷にならない程度であることが必要であることは言うまでもない。

また，自拠点装置の帯域Ｑamaxは，Ｐａ／２＜Ｑamax＜Ｐａの範囲で，相手拠点装置の帯域Ｑbmaxは，Ｐｂ／２＜Ｑbmax＜Ｐｂの範囲を変動することになる。特に，自拠点装置と相手拠点装置の装置性能が同じであり，送信帯域変動の上限値も同じＰａ＝Ｐｂに設定した場合，高負荷での双方向通信時のデータ送信量とデータ受信量が，ともにＰａ／２となり，等しくなる。この場合，送受信共にＰａ／２の帯域での全二重通信となる。

図２は帯域計算の処理フローであり，図１に示す帯域計算部１０において，受信量計算部１３と連携して実行される。帯域計算部は図２のＡに示すように，計算トリガの発生に応じて，最初に受信量計算部から単位時間あたり受信量を取得する（図２のＳ１）。この受信量計算部における処理内容は図２のＢに記載されている。すなわち，受信量計算は前回計算時からの経過時間を測定し（図２のＳ１０），経過時間をΔｔとする。次に単位時間当たりの受信量（＝Δｒ／Δｔ）を計算する（同Ｓ１１）。但し，Δｒは累計受信量（データ量）である。次にΔｒを０にして（図２のＳ１２），単位時間当たりの受信量を帯域計算部に出力する（同Ｓ１３）。この受信量を取得した帯域計算部は，送信帯域変動の上限値を上記式(1) により計算し（図２のＳ２），帯域制御部へ帯域上限を通知する（同Ｓ３）。

図３乃至図７は本発明による具体例を示したものであり，図３は拠点Ａと拠点Ｂに関係する各帯域の表す符号を示す図であり，Ｑａは拠点Ａにおける送信可能な変動最大帯域（Ｑamaxと同じ），Ｒａは現在の受信量，Ｐａは拠点Ａの送信帯域変動の上限値，Ｑｂは拠点Ｂにおける送信可能な変動最大帯域（Ｑbmax），Ｒｂは現在の受信量，Ｐｂは拠点Ｂの送信帯域変動の上限値であり，拠点ＡのＱａの最大値はＰａ，拠点ＢのＱｂの最大値はＰｂである。

図４は拠点Ａ，拠点Ｂの双方向通信における帯域の具体例１である。この例では拠点Ａの送信帯域変動の上限値がＰａと拠点Ｂの送信帯域変動の上限値がＰｂとして，Ｐａ＝Ｐｂ＝３００とする。図４の(a) はＱａ＝３００の状態で，拠点Ｂから拠点Ａの通信を３００で始めようとした場合，拠点Ｂは受信量Ｒｂ＝３００であるため，上記式(2) と送信可能最大帯域（Ｑbmax）がＰｂ／２を下回った場合はＰｂ／２にすることから，拠点Ｂの送信可能な変動最大帯域Ｑbmax＝１５０に抑えられ，(b) に示すように拠点ＢからＱbmax＝１５０で送信される。Ｑbmax＝１５０であれば，拠点Ａにおける受信量はＲａ＝１５０であるため，上記式(1) によりＱamax＝１５０となる。結果として，Ｑａ＝Ｑｂ＝１５０の全二重通信となる。

図５は拠点Ａ，拠点Ｂの双方向通信における帯域の具体例２である。この例も上記具体例１と同様にＰａ＝Ｐｂ＝３００であるものとする。(a) において拠点Ａから拠点Ｂへの片方向通信をＱａ＝２６０で行っている時に，拠点Ｂから拠点Ａの通信を１２０で始めようとした場合，拠点ＢはＲｂ＝２６０であるため，上記式(2) と送信可能最大帯域（Ｑbmax）がＰｂ／２を下回った場合はＰｂ／２にすることから，Ｑbmax＝１５０となる。ここで，拠点ＢからＱｂ＝１２０の通信を始めると，拠点ＡはＲａ＝１２０であり，上記式(1) よりＱamax＝１８０となる。従って，図５の(b) に示すようにＱａ＝１８０に抑えられる。なお，この具体例２でも，拠点Ａ，Ｂの両方とも送受信量が拠点装置の処理能力を越えていない。

図６は拠点Ａ，拠点Ｂの双方向通信における帯域の具体例３である。この例は，拠点Ａの送信帯域変動の上限値Ｐａ＝１００，拠点Ｂの送信帯域変動の上限値Ｐｂ＝２００（上り：下り＝１：２）の場合であり，拠点Ａから拠点Ｂヘの片方向通信をＱａ＝１００で行っていて，拠点Ｂから拠点Ａの通信を２００で始めようとした場合，図６の(a) に示すよように拠点ＢはＲｂ＝１００であり，上記式(2) と送信可能最大帯域（Ｑbmax）がＰｂ／２を下回った場合はＰｂ／２にすることから，Ｑbmax＝１００となる。

ここで，拠点Ｂから帯域２００の通信を始めようとするが，図６の(b) に示すようにＱbmaxによりＱｂ＝１００に抑えられる。

更に，拠点ＡはＲａ＝１００であり，上記式(1) により図６の(c) に示すようにＱamax＝５０となる。これによりＲｂ＝５０の時にも，Ｑbmax＝１００のままであり，図６の(c) の状態が維持される。

このように，送信帯域変動の上限値が非対称である場合，上記(1) において自拠点の送信可能な最大帯域を受信量と受信最大帯域の割合で算出することにより，帯域が動的に抑えられたときでも，双方向の通信量は各拠点の送信帯域変動の上限値の比率を保っている。

図７は拠点Ａ，拠点Ｂの双方向通信における帯域の具体例４である。この例は，上記図６の具体例３と同じく拠点Ａの送信帯域変動の上限値Ｐａ＝１００，拠点Ｂの送信帯域変動の上限値Ｐｂ＝２００（上り：下り＝１：２）であるが，拠点Ａから拠点Ｂヘの片方向通信をＱａ＝５０で行っていて，拠点Ｂから拠点Ａの通信を２００で始めようとした場合である。この場合，拠点ＢはＲｂ＝５０であり，図７の(a) に示すように拠点ＢはＱbmax＝１００となる，ここで，拠点ＢからＱｂ＝２００の通信を始めようとするが，図７の(b) に示すようにＱbmaxによりＱｂ＝１００に抑えられる。
この具体例４でも，具体例３と同様に双方向の通信量は各拠点の送信帯域変動の上限比率を保っている。

本発明による基本構成を示す図である。 帯域計算の処理フローを示す図である。 拠点Ａと拠点Ｂに関係する各帯域を表す符号を示す図である。 拠点Ａ，拠点Ｂの双方向通信における帯域の具体例１を示す図である。 拠点Ａ，拠点Ｂの双方向通信における帯域の具体例２を示す図である。 拠点Ａ，拠点Ｂの双方向通信における帯域の具体例３を示す図である。 拠点Ａ，拠点Ｂの双方向通信における帯域の具体例４を示す図である。 従来の通信拠点間における双方向通信の説明図である。

符号の説明

１ 拠点装置
１０ 帯域計算部
１００ 自拠点の送信可能最大帯域算出部
１０１ 帯域設定部
１０１ａ 送信帯域変動の上限値（Ｐａ）
１０１ｂ 相手の送信帯域変動の上限値（Ｐｂ）
１１ トリガ部
１２ 帯域制御部
１３ 受信量計算部
１４ アプリケーション部
１５ 通信部

Claims (3)

1. ネットワークに接続された拠点装置間の双方向通信の帯域制御方式において，
   拠点装置は，予め決められた単位時間毎に出力を発生するトリガ部と，前記トリガ部からの出力により起動して自拠点の送信可能最大帯域を計算する帯域計算部と，
   前記帯域計算部により求めた送信可能最大帯域により送信部の帯域を制御する帯域制御部と，
   相手拠点装置からのデータを受信部から入力して受信帯域（Ｒａ）を算出して出力する受信量計算部と，
   自拠点装置の送信帯域変動の上限値（Ｐａ）と，相手拠点装置の送信帯域変動の上限値（Ｐｂ）を保持する帯域設定部と，
   を備え，前記帯域計算部は，前記受信量計算部から出力する受信帯域（Ｒａ）と前記自拠点装置と相手拠点装置の送信帯域変動の上限値を用いて次の式
   Ｑamax＝Ｐａ（１−（Ｒａ／Ｐｂ））
   の計算により求めた自拠点の送信可能最大帯域（Ｑamax）の値を前記帯域制御部に供給して自拠点からの送信帯域を制御することを特徴とする拠点装置間の双方向通信の帯域制御方式。
2. 請求項１において，
   前記帯域計算部は，前記の式の計算により求めた自拠点の送信可能最大帯域（Ｑamax）の値が自拠点装置の送信帯域変動の上限値（Ｐａ）の１／２より小さい場合は，送信帯域変動の上限値の１／２を発生することを特徴とする拠点装置間の双方向通信の帯域制御方式。
3. 請求項１において，
   前記受信量計算部は，受信部からのデータの受信量を求め，所定の時間当たりの受信量を計算することにより受信帯域を算出して前記帯域計算部に供給し，前記所定の時間を前記トリガ部が出力を発生する単位時間と等しい時間に設定することを特徴とする拠点装置間の双方向通信の帯域制御方式。

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