JP4905342B2

JP4905342B2 - 通信パケット中継方法

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Publication number: JP4905342B2
Application number: JP2007326713A
Authority: JP
Inventors: 忠彦前田; 典恭菊池; 泰彦沼上
Original assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Current assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Priority date: 2007-12-19
Filing date: 2007-12-19
Publication date: 2012-03-28
Anticipated expiration: 2027-12-19
Also published as: JP2009152709A

Description

本発明は、通信パケットを中継する方法に関するものである。

伝送時の誤りが避けられない通信環境下（例えば無線ネットワーク）においては、実効的な誤り率を低減させるために、誤りが発生した場合は同じデータを再度送信する（再送）処理を行う。
再送時によく用いられる手法として、通信パケットの受信側が、受信の成功／失敗をＡＣＫ／ＮＡＣＫ応答を使用して送信側に通知し、再送の要否を送信側に通知する、というものがある。
ＡＣＫ／ＮＡＣＫ応答を返信して誤りパケットを再送する方式には、例えば以下の（１）〜（３）のようなものがある。

（１）ＳｔｏｐａｎｄＷａｉｔ
受信側は、１つの通信パケットの受信毎に、ＡＣＫ／ＮＡＣＫ（ＩｍｍｅｄｉａｔｅＡＣＫ）応答を返す。送信側は、応答があるまで後続のパケットの送信を待機し、ＮＡＣＫ応答を受け取った場合は先のパケットを再送する。

（２）ＧｏｂａｃｋｔｏＮ
送信側は、ＡＣＫ／ＮＡＣＫ応答を受け取るまでは、規定の順序通りにパケットを送信する。ＮＡＣＫ応答を受け取ると、その他のパケットの通信成功／失敗に関わらず、誤りが発生した通信パケットまで遡って以後のパケットを全て再送する。

（３）ＳｅｌｅｃｔｉｖｅＲｅｐｅａｔ（以下、ＳＲと略す）
送信側は、ＡＣＫ／ＮＡＣＫ応答を受け取るまでは、規定の順序通りにパケットを送信する。ＮＡＣＫ応答を受け取ると、誤りが発生した通信パケットのみ再送する。

一般的には、（３）のＳＲ方式が、伝送路における効率が最も良いため、高スループットの通信を要求される場合には、ＳＲ方式が適している。

上記のようなデータ通信再送方法に関し、『送受されるデータ量に合わせてフレーム内のフォーマットを変更し高い伝送効率を維持する』ことを目的とした技術として、『主にデータを送出するデータ送信局と、に受信したフレームに関する応答を送出するデータ受信局とを自律的に決定し、前記データ送信局から送出されるフレームには変更を加えず、前記データ受信局からの送出フレームにのみ、受信フレームの送達確認を逐次データ送信局に報告するための肯定応答番号領域を付加する。』というものが提案されている（特許文献１）。

また、近年では無線ネットワークにおける通信方式の標準化が進んでおり、例えば近距離通信のワイヤレスパーソナルエリアネットワーク（ＷＰＡＮ）の方式標準が規格化されている（非特許文献１）。
同規格では、ノード間で一時的に形成されるネットワーク（ピコネット）について規定されている。

特開平１１−８８３０４号公報（要約）ＩＥＥＥＳｔｄ８０２．１５．３

ＳＲ方式を用いて再送する場合、誤りが発生した通信パケットのみ再送されるため、受信側で通信パケットを送信順に再構築しなければならない。そのため、誤りなく受信された通信パケットを受信側で一時的に保持する必要があり、比較的大きなバッファが必要となるとともに、パケットの再構築に係る処理が複雑となる。
特に、中継を行う場合には、中継器毎に上述のバッファや再構築処理が必要となり、さらには中継段毎に中継処理による遅延が蓄積する。

そのため、誤りが発生した場合のみ再送する再送制御を行っている場合において、バッファや再構築処理負荷、中継遅延を少なくすることのできる通信パケット中継方法が望まれていた。

本発明に係る通信パケット中継方法は、通信パケットを受信する第１ステップと、使用している誤り再送方法の種別を判定する第２ステップと、前記第１ステップで受信したパケットを中継先に中継する第３ステップと、を有し、前記第２ステップにおいて、使用している誤り再送方法が、誤り発生時のみその通信パケットを再送する方法であると判定した場合は、前記第１ステップで受信した通信パケットをバッファに一旦蓄積して送信元で送信された順に整列し、前記第３ステップにおいて、整列後の通信パケットを中継先に中継するものである。

本発明に係る通信パケット中継方法によれば、誤り発生時のみその通信パケットを再送する方法を採用している場合に限り、バッファや再構築処理を要するので、必要バッファ容量や処理負荷を低減することができる。
また、通信パケットを中継する場合には、中継段毎の上述のバッファや再構築処理を抑えることができるとともに、中継遅延を低減することができる。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る通信装置１００の機能ブロック図である。
通信装置１００は、通信パケットの送受信や中継を行うものであり、受信部１１０、整列要否判定部１２０、入力バッファ１３０、順序整列部１４０、出力バッファ１５０、送信部１６０、データ受付部１７０、データ引渡部１８０を備える。

受信部１１０は、伝送路に接続され、通信装置１００に送信された通信パケットを伝送路より受信し、整列要否判定部１２０に出力する。
整列要否判定部１２０は、受信部１１０が受信した通信パケットを整列する必要があるか否かを判定する。判定の詳細は後述する。整列が必要である場合は通信パケットを入力バッファ１３０に出力し、必要ない場合は出力バッファ１５０に出力する。

入力バッファ１３０は、整列する必要がある通信パケットを一旦蓄積するためのバッファである。
順序整列部１４０は、入力バッファ１３０に蓄積されている通信パケットを取得して正しい順序に整列し、出力バッファ１５０に出力する。整列の詳細は後述する。
出力バッファ１５０は、送信部１６０に出力する通信パケットを一旦蓄積するためのバッファである。

送信部１６０は、伝送路に接続され、出力バッファ１５０に蓄積されている通信パケットを取得して伝送路に送信するものである。
データ受付部１７０は、通信装置１００の上位アプリケーションよりデータを受け取って出力バッファ１５０に出力する。その後、そのデータは送信部１６０より伝送路に送信される。
データ引渡部１８０は、出力バッファ１５０に蓄積されている通信パケットを取得して通信装置１００の上位アプリケーションに引き渡す。

受信部１１０と送信部１６０は、伝送路との間の通信方式に応じたインターフェースを適宜備える。通信方式は、有線・無線いずれのものでもよい。

整列要否判定部１２０と順序整列部１４０は、これらの機能を実現する回路デバイスのようなハードウェアで構成することもできるし、マイコンやＣＰＵのような演算装置とその動作を規定するソフトウェアで構成することもできる。また、整列要否判定部１２０と順序整列部１４０を一体的に構成することもできる。

入力バッファ１３０と出力バッファ１５０は、ＲＡＭ（ＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）のような書き込み可能な一時記憶装置で構成するのが適している。これらを一体的に構成してもよいし、通信装置１００の共用メモリで代用してもよい。

データ受付部１７０とデータ引渡部１８０は、通信装置１００の上位アプリケーションとデータの授受が可能な任意の構成を用いることができる。例えば信号配線や回路デバイス、ソフトウェア上のインターフェース、などで構成することが可能である。

以上、図１に示す通信装置１００の機能ブロック図について説明した。
次に、通信装置１００の詳細動作の説明に先立ち、ＳＲ方式を例に取り、誤りが生じたフレームのみ再送を行う際の通信動作について説明する。その後、通信装置１００の詳細動作を説明する。

例えば無線ネットワークのように、伝送時の誤りが発生する確率が比較的高い環境下においては、何らかの誤り制御を行う必要がある。
誤り制御の手法としては、誤り訂正符号を通信パケット中に入れておく手法や、誤りが生じた通信パケットを検出して再送する手法がある。以下では、誤り再送方法のなかでも通信効率が良いとされるＳＲ方式について説明する。

図２は、ＳＲ方式を用いて誤り再送を行う手順を説明するものである。
図２において、左側は通信パケットの送信側、右側は受信側を表し、両者の間の通信シーケンスを示した。以下、図２の通信シーケンスについて説明する。

（１）送信側は、各送信パケットにシーケンス番号を付加して受信側に送信する。図２では、シーケンス番号「１」〜「８」のパケットを受信側に送信するものとする。
（２）送信側は、受信側からＡＣＫ／ＮＡＣＫ応答を受信するまでは、送信パケットをシーケンス番号通りの順番で送信する。

（３）シーケンス番号「１」「３」「５」のパケットは、伝送路の品質等の影響により誤りが発生し、受信側で正しく受信できなかったものとする。受信側は、これら誤りが発生したシーケンス番号のパケットについては、ＮＡＣＫ応答を送信側に送信する。

（４）送信側は、ＮＡＣＫ応答を受信すると、その誤りパケットのみ再送する。誤りパケットの送信は、後続のパケットの送信よりも優先される。
図２では、シーケンス番号「６」の送信に先立ち、ＮＡＣＫを受け取ったシーケンス番号「１」のパケットの再送を優先している。同様に、シーケンス番号「３」「５」のパケットの再送は、後続のパケットの再送に優先される。

（５）送信側は、ＮＡＣＫ応答を受け取ったパケットの再送が終了すると、後続のパケットの送信を順次再開する。
（６）図２の例で示す通信シーケンスで送信パケットが正常に受信される順序は、シーケンス番号で「２、４、６、３、７、５、１、・・・」となる。

（７）受信側は、受信したパケットを上位のアプリケーション等に引き渡す前に、正しいシーケンス番号で並び替える必要がある。そのため、受信側は、並び替えおよび引き渡し前のパケットをバッファに蓄積しておかなければならない。

以上説明したように、誤り再送にＳＲ方式を採用する場合、受信側では、連続しない順序で到達したパケットを並び替えできるだけのサイズを有するバッファを備えていなければならない。
また、パケットをシーケンス番号順に並び替えて再構築するため、再構築処理に係る処理負荷が必要となる。

そこで、本実施の形態１に係る通信装置１００は、誤り再送方法がＳＲ方式のような誤りパケットのみ再送する方法である場合に限り、パケットのバッファへの蓄積や再構築処理を行うこととし、誤り再送に係るバッファサイズや処理負荷を最小限に抑える。

以上、ＳＲ方式と、同方式を採用した場合に必要となるバッファおよびパケット再構築処理について説明した。
次に、本実施の形態１に係る通信装置１００の詳細動作について説明する。
以下の説明では、受信部１１０が当該通信装置１００宛ての通信パケットを受信し、整列要否判定部１２０が、その時点の通信シーケンスにおいて採用されている誤り再送方法の種別を判定するものとする。

（１）誤りパケットのみ再送する方法を用いている場合
整列要否判定部１２０が、その時点の通信シーケンスにおいて、例えばＳＲ方式のような誤りパケットのみ再送する方法が用いられていると判定した場合は、以下のような動作となる。

（１．１）整列要否判定部１２０は、受信部１１０が受信した通信パケットを入力バッファ１３０に出力する。
（１．２）入力バッファ１３０は、受け取った通信パケットを蓄積する。図２に示す例では、シーケンス番号「２、４、６、３、７、５、１、・・・」の順に、通信パケットが蓄積される。

（１．３）順序整列部１４０は、入力バッファ１３０に蓄積されるパケットを監視し、整列可能なシーケンス番号が入力バッファ１３０内に揃った時点で、それらの通信パケットをシーケンス番号通りに並び替えて出力バッファ１５０に出力する。
（１．４）出力バッファ１５０に所定サイズ分の通信パケットが蓄積されると、それらのデータはデータ引渡部１８０より上位アプリケーションに引き渡される。

（２）誤りパケットのみ再送する方法を用いていない場合
整列要否判定部１２０が、その時点の通信シーケンスにおいて、誤りパケットのみ再送する方法が用いられていないと判定した場合は、以下のような動作となる。

（２．１）整列要否判定部１２０は、受信部１１０が受信した通信パケットを、そのままの順序で直ちに出力バッファ１５０に出力する。
（２．２）出力バッファ１５０に所定サイズ分の通信パケットが蓄積されると、それらのデータはデータ引渡部１８０より上位アプリケーションに引き渡される。

以上、本実施の形態１に係る通信装置１００の動作について説明した。
なお、以上の説明において、通信パケット中にシーケンス番号を付加する箇所は特に限定されるものではなく、使用する通信プロトコルに応じて適宜適切な箇所とすればよい。例えばパケットの任意のヘッダ中に付加してもよいし、データ部分に入れ込んでおいてもよい。

また、以上の説明において、誤り再送方法の例としてＳＲ方式を説明したが、誤りパケットのみ再送するその他の誤り再送方法を用いる場合であっても、同様の動作により同様の効果を発揮することができる。

以上のように、本実施の形態１に係る通信装置１００は、整列要否判定部１２０が誤り再送方法の種別を判定し、例えばＳＲ方式のように誤りパケットのみ再送する方法を用いている場合に限り、入力バッファ１３０にいったん受信パケットを蓄積し、順序整列部１４０がシーケンス番号通りに並び替える。
これにより、通信パケットの到着順の不連続が発生し得る誤り再送方法を用いている場合のみ並び替えによる再構築を行うことになるので、再構築に係る処理負荷を低減することができる。

また、誤りパケットのみ再送する方法を用いて送信されるパケット量に対応できる程度の容量を有する入力バッファ１３０を備えていればよいので、全てのパケットをＳＲ方式で再送することを想定した場合と比較して、入力バッファ１３０の容量を抑えることができる。
即ち、総ての通信パケットのうち、誤りパケットのみ再送する方法を用いて送信されるパケットの割合は一定以下であるものと想定されるので、瞬時的に必要となる入力バッファ１３０の容量も、その割合に応じて小さくなると考えられ、よって入力バッファ１３０の容量を小さくすることができるのである。

実施の形態２．
実施の形態１では、通信装置１００宛てに送信された通信パケットをシーケンス番号通りに並び替えて再構築することを説明した。
本発明の実施の形態２では、通信装置１００以外の機器に宛てた通信パケットを通信装置１００が受信し、最終宛先に向けて中継する場合の動作について説明する。

図３は、通信パケットを中継する際に遅延が蓄積する様子を説明するものである。
図３において、送信側通信装置１００ａ、通信装置（中継器）１００ｂ〜１００ｃ、受信側通信装置１００ｄは、実施の形態１の図１で説明した通信装置１００と同様の構成を備えているものとする。
また、各通信装置は、誤り再送方法としてＳＲ方式のような誤りパケットのみ再送する方法を用いているものとする。
以下、送信側通信装置１００ａが送信パケットを送信し、各中継器により中継されて受信側通信装置１００ｄで受信されるまでの流れを説明する。

（１）送信側通信装置１００ａは、５つの通信パケットを、シーケンス番号「１」〜「５」を付して送信する。この時点では誤りは発生しないため、シーケンス番号通りの順序で各通信パケットが送信される。

（２）通信装置１００ｂは、シーケンス番号「３、５、４、１、２」の順序で通信パケットを受信する。この通信パケットは通信装置１００ｂ宛ではないため、別途定められた通信経路に従って通信パケットを中継する必要がある。
通信装置１００ｂは、受信した通信パケットを正しいシーケンス番号に並び替えて通信パケットを再構築し、再構築後の通信パケットを通信装置１００ｃに中継する。
このとき、再構築処理などに一定の時間を要するため、中継遅延が生じる。

（３）通信装置１００ｃは、通信装置１００ｂと同様に、受信した通信パケットを正しいシーケンス番号に並び替え、受信側通信装置１００ｄに中継する。このときも、同様に中継遅延が生じる。
（４）受信側通信装置１００ｄは、受信した通信パケットを正しいシーケンス番号に並び替え、上位アプリケーションに引き渡す。

このように、通信パケットの中継を伴う場合、各中継器（通信装置１００ｂおよび１００ｃ）においてパケット再構築の処理負荷が必要となり、さらには各中継器にパケット再構築のためのバッファを要する。
そこで、各中継器として実施の形態１で説明した通信装置１００を用い、再構築処理負荷やバッファを抑えることを図る。

次に、本実施の形態２において、通信装置１００が通信パケットを中継する際の詳細動作について説明する。これは、図３における通信装置１００ｂと１００ｃの動作に相当するものである。
以下の説明では、受信部１１０が通信装置１００以外に宛てた通信パケットを受信し、整列要否判定部１２０が、その時点の通信シーケンスにおいて採用されている誤り再送方法の種別を判定するものとする。

（１．１）〜（１．３）
実施の形態１で説明した動作（１．１）〜（１．３）と同様である。
（１．４）出力バッファ１５０に所定サイズ分の通信パケットが蓄積されると、それらのデータは送信部１６０より次の中継先に送信される。

（２．１）実施の形態１で説明した動作（２．１）と同様である。
（２．２）出力バッファ１５０に所定サイズ分の通信パケットが蓄積されると、それらのデータは送信部１６０より次の中継先に送信される。

以上、図３における通信装置１００ｂと１００ｃの動作について説明した。
なお、受信側通信装置１００ｄの動作は、実施の形態１で説明したものと同様である。
また、送信側通信装置１００ａの動作は、以下の通りである。

（１）データ受付部１７０は、上位アプリケーションより、図３のシーケンス番号「１」〜「５」に相当する通信パケットのデータを受け取る。受け取ったデータは、そのままの順序で直ちに出力バッファ１５０に出力される。
（２）送信部１６０は、出力バッファ１５０に所定サイズ分の通信パケットが蓄積されると、それらのデータを、最終宛先＝受信側通信装置１００ｄとして送信する。

以上のように、本実施の形態２では、通信装置１００ｂと１００ｃは、通信パケットを中継する際に、その時点の通信シーケンスにおいて用いられている誤り再送方法の種別を判定し、必要な場合のみ再構築処理を行う。
これにより、実施の形態１と同様の効果を、通信パケットの中継時においても発揮することができるので、各中継器のバッファ容量を抑えることができる。
また、各中継段におけるパケット再構築処理に係る負荷を抑えることができるので、誤りパケットのみ再送する誤り再送方法を用いている場合の中継遅延を低減することができる。

実施の形態３．
実施の形態１〜２では、通信パケットにシーケンス番号を付加しておき、ＳＲ方式のような誤り再送方法を用いた際に、受信したパケットをシーケンス番号通りに並び替えることを説明した。
一般に、「通信パケット」とは、ＩＰ（ＩｎｔｅｒｎｅｔＰｒｏｔｏｃｏｌ）層における通信データの通信単位を表すものとして用いられることが多いが、本発明の適用対象は、ＩＰ層における誤り再送に限られるものではなく、その他の通信層、例えば物理層やデータリンク層における誤り再送にも用いることができる。
本発明の実施の形態３では、非特許文献１に規定されているピコネットにおいて、実施の形態１〜２で説明したものと同様の構成と動作を用い、フレームを再送する手順について説明する。

図４は、同等の機能を備えた４つの無線ノードＤＥＶ１〜ＤＥＶ４により構成される２つのピコネットの構成図である。
図４において、ＤＥＶ１〜ＤＥＶ４は、フレームの送信、受信、中継、スロット割り当て制御の全ての機能をそれぞれが等価に備えた無線ノードである。
各ノードは、実施の形態１の図１で説明した構成と同様の構成を備える。ただし、通信方式や通信単位などの仕様は、ピコネット上で用いられる通信方式などに合わせて適宜構成されているものとする。

ＤＥＶ１、ＤＥＶ２、ＤＥＶ４は、第１ピコネット１０を構成する。また、ＤＥＶ２、ＤＥＶ３は、第２ピコネット２０を構成する。ＤＥＶ２は、第１ピコネット１０と第２ピコネット２０の双方に属している。
ここでは、第１ピコネット１０を親ピコネット、第２ピコネット２０を子ピコネットとする従属関係があるものとする。

各ピコネットにおいては、予め規定された手順により、その構成ノードの中から１のノードが、スロット割り当て制御ノード（ＰＮＣ：ＰｉｃｏｎｅｔＣｏｏｒｄｉｎａｔｏｒ）として選定される。
各ピコネットの構成ノードは、各々が所属するＰＮＣから一定周期でビーコン情報を定期的に受信することにより、自己に割り当てられた通信スロットを事前に確認し、指定の通信スロットを使用してフレームの転送を行う。

同一ピコネット内のノード同士、例えば第１ピコネット１０内のＤＥＶ１〜ＤＥＶ２、第２ピコネット２０内のＤＥＶ２〜ＤＥＶ３は、ノード同士で直接通信可能であるが、ピコネットを跨ぐＤＥＶ１〜ＤＥＶ３間では、直接通信を行うことができず、ＤＥＶ２を介して通信を行う。
即ち、ＤＥＶ２は、第１ピコネット１０と第２ピコネット２０の間の通信を中継する。

各ノードがフレームを送信する場合において、送信側は、フレーム毎にフレーム番号を付加する。また、各ノードは、誤り再送方法として、ＳＲ方式のような、誤りが発生したフレームのみ再送する方法を用いるものとする。
伝送時に誤りが生じると、受信側ノードは誤りが生じたフレームについてＮＡＣＫ応答を返信する。送信側ノードは、ＮＡＣＫ応答を受け取ったフレームのみ再送する。

図５は、本実施の形態３において各ノードがフレームを再送する手順を説明するものである。
初回送信において、送信側ノードは、フレーム番号「１」〜「５」のフレームを、フレーム番号通りの順番で受信側に送信する。
以下、受信側ノードでは、正常に受信できたフレームについてはＡＣＫ応答を、誤りが発生したフレームについてはＮＡＣＫ応答を返信する。
送信側ノードは、ＮＡＣＫ応答を受信したフレームのみ再送する。

図５のフレーム再送手順により受信側ノードで受信されるフレームは、フレーム番号「２、４、３、５、１」の順となる。
受信側ノードは、これを正しいフレーム順序に並び替えて再構築し、中継する場合は次の中継先に正しいフレーム順序で中継し、自己宛のフレームである場合は正しいフレーム順序で上位アプリケーションに引き渡す。

なお、図５において、複数のフレーム毎にまとめてＡＣＫ／ＮＡＣＫ応答を返信する方式（ＢｌｏｃｋＡＣＫ）を用いた例を説明したが、本発明の適用対象はこれに限られるものではないことを付言しておく。

本実施の形態３において、各ノードは、実施の形態１〜２で説明した通信装置１００の動作と同様に、誤りフレームのみ再送する誤り再送方法を用いている場合のみフレームの再構築処理を行うこととし、これにより再構築に係る処理負荷を抑え、また入力バッファ１３０の容量を小さくすることができる。

なお、本実施の形態３の説明で用いた「フレーム」とは、データリンク層における通信単位を表すものとして用いられることが多いが、本発明の適用対象はこれに限定して解釈されるものではなく、各通信プロトコル上で用いられている各通信単位において、同様の誤り再送方法を用いることができることはいうまでもない。

実施の形態１に係る通信装置１００の機能ブロック図である。ＳＲ方式を用いて誤り再送を行う手順を説明するものである。通信パケットを中継する際に遅延が蓄積する様子を説明するものである。同等の機能を備えた４つの無線ノードＤＥＶ１〜ＤＥＶ４により構成される２つのピコネットの構成図である。実施の形態３において各ノードがフレームを再送する手順を説明するものである。

符号の説明

１００通信装置、１１０受信部、１２０整列要否判定部、１３０入力バッファ、１４０順序整列部、１５０出力バッファ、１６０送信部、１７０データ受付部、１８０データ引渡部。

Claims

通信パケットを中継する方法であって、
通信パケットを受信する第１ステップと、
使用している誤り再送方法の種別を判定する第２ステップと、
前記第１ステップで受信したパケットを中継先に中継する第３ステップと、
を有し、
前記第２ステップにおいて、使用している誤り再送方法が、誤り発生時のみその通信パケットを再送する方法であると判定した場合は、前記第１ステップで受信した通信パケットをバッファに一旦蓄積して送信元で送信された順に整列し、
前記第３ステップにおいて、
整列後の通信パケットを中継先に中継する
ことを特徴とする通信パケット中継方法。
前記第２ステップにおいて、
使用している誤り再送方法が、誤り発生時のみその通信パケットを再送する方法ではないと判定した場合は、
前記第３ステップにおいて、
前記第１ステップで受信した通信パケットを受信順に中継先に中継する
ことを特徴とする請求項１に記載の通信パケット中継方法。