JP5111352B2 - アドミッション制御方法およびアドミッション制御システム - Google Patents

Description

この発明は、パケットを用いて通信を行うネットワークにおいて、新規トラヒックフローの受け付け可否を判定するアドミッション制御方法およびアドミッション制御システムに関する。

パケットベースのアドミッション制御方法は、非同期転送モード（ＡＴＭ：Ａｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｍｏｄｅ）技術の一環として知られている。ＡＴＭでは、パケットは固定長であり、アドミッション制御アルゴリズムも固定長を前提としたものである。また、アドミッション制御では、単純な方法でかつ高精度な制御が必要とされる。単純な方法で高速処理が可能なアドミッション制御アルゴリズムとして、以下のものがある。

従来のＡＴＭスイッチでは、発生トラヒックフローは、リーキバケットモデルで規定される。そして、リーキバケットにより出力されるトラヒックフローを２状態モデルに置き換え、そのトラヒックフローを運ぶコネクションに必要な帯域を算出する。続いて、接続中のコネクションに、新たなコネクションが追加される際に算出された帯域を足し合わせ、与えられた帯域に収容できるか否かを判定する（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１では、ＡＴＭで決められた最大セル速度（ＰＣＲ：Ｐｅａｋ Ｃｅｌｌ Ｒａｔｅ）および平均セル速度（ＳＣＲ：Ｓｕｓｔａｉｎａｂｌｅ Ｃｅｌｌ Ｒａｔｅ）を用いてトラヒックフローを２状態モデルに置き換え、必要帯域を算出している（引用文献１の式（１９）参照）。そして、この必要帯域を現在設定されているコネクションに必要な帯域と足し合わせ、合計値が所定の帯域以下になっているか否かを判定する。

このとき、合計値が所定の帯域以下である場合には、該当する新規コネクションの接続を許可する。さらに、そのコネクションを接続した後の必要帯域を算出する。また、合計値が所定の帯域以下でない場合には、そのコネクションの接続を許可しない。
これにより、通信開始時に接続許可されたコネクションについて、必要な帯域が確保されることになる。

特開平１０−２７６２２２号公報

しかしながら、従来技術には、次のような問題点があった。
従来のアドミッション制御方法は、パケットが固定長のＡＴＭセルに特化した方法となっている。そのため、トラヒックモデルの観点では、ＩＰＰ／Ｄ／１モデル（ＩＰＰ：Ｉｎｔｅｒｒｕｐｔｅｄ Ｐｏｉｓｓｏｎ Ｐｒｏｃｅｓｓ）またはＤ／Ｄ／１モデルを用いている。
したがって、パケットが可変長となるイーサネット（登録商標）やＩＰ（Ｉｎｔｅｒｎｅｔ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ）には、適用することができないという問題点があった。

また、従来技術の前提では、バースト性の高いトラヒックフローが少数多重化されている場合と、バースト性の低いトラヒックフローが多数多重化されている場合には、高い精度を期待できるものの、それ以外の場合には、精度が著しく劣化するという問題点があった。
なお、パケットが可変長である場合にアドミッション制御を適用するものもあるが、処理が複雑で、精度も低いという問題点があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであって、その目的は、単純な処理で高精度にアドミッション制御を実行することができるアドミッション制御方法およびアドミッション制御システムを提供することにある。

この発明に係るアドミッション制御方法およびアドミッション制御システムは、パケットを用いて通信を行うネットワークにおける新規トラヒックフローの追加要求に対して、新規トラヒックフローの受け付け可否を判定するものであって、新規トラヒックフローの特性パラメータをオン状態およびオフ状態からなる２状態モデルに変換する変換ステップと、２状態モデルに基づいて、新規トラヒックフローのパケット発生間隔の平均および自乗変動係数を算出する第１算出ステップと、新規トラヒックフローのパケット発生間隔の平均および自乗変動係数と、既存の各トラヒックフローのパケット発生間隔の平均および自乗変動係数とに基づいて、新規トラヒックフローと既存の各トラヒックフローとを足し合わせた合成トラヒックフローのパケット発生間隔の平均および自乗変動係数を算出する第２算出ステップと、合成トラヒックフローのパケット送信時間の平均および自乗変動係数を算出する第３算出ステップと、合成トラヒックフローのパケット発生間隔の平均および自乗変動係数、ならびに合成トラヒックフローのパケット送信時間の平均および自乗変動係数に基づいて、バッファに蓄積される蓄積パケット数の平均を、平均蓄積パケット数として算出する第４算出ステップと、平衡状態における蓄積パケット数の分布が幾何分布に従うとみなし、平均蓄積パケット数に基づいて、ｉ個（ｉは、任意の自然数）のパケットが蓄積されている確率を、平衡状態確率として算出する第５算出ステップと、平衡状態確率に基づいて、蓄積パケット数がバッファの最大蓄積可能パケット数を超える確率を、超過確率として算出する第６算出ステップと、超過確率と所定の許容値とを比較して、超過確率が許容値よりも高い場合に、新規トラヒックフローの受け付けを拒絶し、超過確率が許容値以下である場合に、新規トラヒックフローの受け付けを許可する比較ステップとを備えたものである。

この発明のアドミッション制御方法およびアドミッション制御システムによれば、平衡状態における蓄積パケット数の分布が幾何分布に従うとみなし、平均蓄積パケット数に基づいて、ｉ個のパケットが蓄積されている確率を、平衡状態確率として算出する第５算出ステップと、平衡状態確率に基づいて、蓄積パケット数がバッファの最大蓄積可能パケット数を超える確率を、超過確率として算出する第６算出ステップと、超過確率と所定の許容値とを比較して、超過確率が許容値よりも高い場合に、新規トラヒックフローの受け付けを拒絶し、超過確率が許容値以下である場合に、新規トラヒックフローの受け付けを許可する比較ステップとを備えている。
そのため、単純な処理で高精度にアドミッション制御を実行することができる。

以下、この発明の各実施の形態について図に基づいて説明するが、各図において同一、または相当する部分については、同一符号を付して説明する。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係るアドミッション制御システムによるアドミッション制御方法を示すフローチャートである。
図１の各ステップは、パケットを用いて通信を行うネットワークにおいて、新規トラヒックフローの追加要求が発生したときに実行される。

図１において、まず、新規トラヒックフローの特性パラメータを、図２に示すようなオン状態およびオフ状態からなる２状態モデル（または、ＩＰＰモデル）に変換する（ステップＳ１）。なお、新規トラヒックフローの特性パラメータは、新規トラヒックフローの追加要求に伴って通知される。

新規トラヒックフローは、最大情報転送レート（ＥＩＲ：Ｅｘｐｒｅｓｓ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｒａｔｅ）、最低保障情報転送レート（ＣＩＲ：Ｃｏｍｍｉｔｔｅｄ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｒａｔｅ）および最大バースト長（ＥＢＳ：Ｅｘｐｒｅｓｓ Ｂｕｒｓｔ Ｓｉｚｅ）の特性パラメータで形成される。
ここで、パラメータ変換は、次式（１）〜（３）で表される。

Ｔ＝ＥＩＲ （１）
１／ａ＝ＥＢＳ×ＥＩＲ （２）
１／ｂ＝ＥＢＳ×（ＥＩＲ−ＣＩＲ）／ＣＩＲ （３）

続いて、式（１）〜（３）のＴ、ａ、ｂを用いて、新規トラヒックフローのパケット発生間隔の平均ｈ_ｉおよび自乗変動係数Ｃ_ａｉ ^２（＝分散／（平均ｈ_ｉの自乗））を算出する（ステップＳ２）。また、パケット発生間隔の平均ｈ_ｉの逆数を、到着率λ_ｉと表す。
ここで、パケット発生間隔の平均ｈ_ｉ、パケット発生間隔の自乗変動係数Ｃ_ａｉ ^２および到着率λ_ｉは、次式（４）〜（６）で表される。

次に、新規トラヒックフローのパケット発生間隔の平均ｈ_ｉおよび自乗変動係数Ｃ_ａｉ ^２に基づいて、新規トラヒックフローと既存の各トラヒックフローとを足し合わせた合成トラヒックフローのパケット発生間隔の平均ｈおよび自乗変動係数Ｃ_ａ ^２を算出する（ステップＳ３）。また、パケット発生間隔の平均ｈの逆数を、到着率λと表す。
ここで、到着率λ、パケット発生間隔の平均ｈおよびパケット発生間隔の自乗変動係数Ｃ_ａ ^２は、次式（７）〜（９）で表される。

続いて、合成トラヒックフローのパケット送信時間の平均ｒおよび自乗変動係数Ｃ_ｓ ^２を算出し、与えられた帯域に対する回線利用率ρを算出する（ステップＳ４）。このとき、パケット送信時間は、パケット長／転送レートで表されるので、パケット送信時間の平均ｒおよび自乗変動係数Ｃ_ｓ ^２は、あらかじめシステムで決められているものとすることができる。
ここで、回線利用率ρは、次式（１０）で表される。

次に、合成トラヒックフローのパケット発生間隔の自乗変動係数Ｃ_ａ ^２、合成トラヒックフローのパケット送信時間の自乗変動係数Ｃ_ｓ ^２、ならびに回線利用率ρに基づいて、バッファに蓄積される蓄積パケット数の平均を、平均蓄積パケット数Ｌとして算出する（ステップＳ５）。
ここで、平均蓄積パケット数Ｌは、拡散近似を用いて、次式（１１）で表される。

続いて、平均蓄積パケット数Ｌに基づいて、ｊ個（ｊは、任意の自然数）のパケットが蓄積されている確率を、平衡状態確率Ｐ_ｊとして算出する（ステップＳ６）。
ここで、平衡状態確率Ｐ_ｊは、平衡状態における蓄積パケット数の分布が幾何分布に従うとみなせることから、次式（１２）で表される。

なお、式（１２）において、ρハットは、平均蓄積パケット数Ｌに基づいて回線利用率ρを次式（１３）のように補正した値である。

次に、バッファの最大蓄積可能パケット数Ｋを、最大許容遅延時間／平均パケット遅延により算出する（ステップＳ７）。
なお、最大許容遅延時間および平均パケット遅延は、システムによってあらかじめ決められている値である。

続いて、平衡状態確率Ｐ_ｊに基づいて、蓄積パケット数がバッファの最大蓄積可能パケット数Ｋを超える確率を、超過確率Ｑ_ｋとして算出する（ステップＳ８）。
なお、超過確率Ｑ_ｋは、バッファが無限大であるモデルにおいて、蓄積パケット数が最大蓄積可能パケット数Ｋを超える確率を加算して算出される。すなわち、バッファ数が無限大（オーバーフローしない）の場合（Ｇ／Ｇ／１モデル）の平衡状態確率Ｐ_ｊを用いて、バッファ数を有限とするモデル（Ｇ／Ｇ／１／Ｋモデル）で近似する。
ここで、超過確率Ｑ_ｋは、次式（１４）で表される。

なお、式（１４）において、ｑ_ｋは、次式（１５）で表される。

次に、超過確率Ｑ_ｋとあらかじめシステムで与えられる所定の許容値ｔ（一般的に１Ｅ−５〜１Ｅ−８程度）とを比較し、超過確率Ｑ_ｋが許容値ｔ以下であるか否かが判定される（ステップＳ９）。

ステップＳ９において、超過確率Ｑ_ｋが許容値ｔ以下である（すなわち、Ｙｅｓ）と判定された場合には、最大遅延時間が規定値を満たすので、新規トラヒックフローの受け付けは許可され、図１の処理を終了する。

一方、ステップＳ９において、超過確率Ｑ_ｋが許容値ｔよりも大きい（すなわち、Ｎｏ）と判定された場合には、ステップＳ３以降の算出結果は破棄されて（ステップＳ１０）、新規トラヒックフローの受け付けは拒絶される。

この発明の実施の形態１に係るアドミッション制御システムによれば、平衡状態における蓄積パケット数の分布が幾何分布に従うとみなし、平均蓄積パケット数に基づいて、ｉ個のパケットが蓄積されている確率を、平衡状態確率として算出する第５算出ステップと、平衡状態確率に基づいて、蓄積パケット数がバッファの最大蓄積可能パケット数を超える確率を、超過確率として算出する第６算出ステップと、超過確率と所定の許容値とを比較して、超過確率が許容値よりも高い場合に、新規トラヒックフローの受け付けを拒絶し、超過確率が許容値以下である場合に、新規トラヒックフローの受け付けを許可する比較ステップとを備えている。
そのため、単純な処理で高精度にアドミッション制御を実行することができる。

なお、上記実施の形態１のステップＳ３では、新規トラヒックフローと既存の各トラヒックフローとを足し合わせた合成トラヒックフローのパケット発生間隔の平均ｈおよび自乗変動係数Ｃ_ａ ^２を算出すると説明した。ここで、既存の各トラヒックフローのパケット発生間隔の平均および自乗変動係数については、ネットワーク中の実際のトラヒックフローをモニタして算出されてもよい。

実際のトラヒックフローをモニタして既存の各トラヒックフローのパケット発生間隔の平均ｈ_ｅ（またはパケット発生率λ_ｅ）および自乗変動係数Ｃ_ａｅ ^２を算出した場合、上記式（７）および式（９）は、次式（１６）および次式（１７）のように表される。このとき、算出された既存のパケット発生間隔の平均ｈ_ｅ（またはパケット発生率λ_ｅ）および自乗変動係数Ｃ_ａｅ ^２は、定期的にクリアされる。

この場合には、実際のトラヒックフローをモニタすることにより、必要な帯域を狭くすることができる。
なお、上記式（１６）に代えて、次式（１８）を用いてもよい。

また、上記実施の形態１では、パケット送信時間の平均ｒおよび自乗変動係数Ｃ_ｓ ^２は、あらかじめシステムで決められているものと説明したが、ネットワーク中の実際のトラヒックフローをモニタして算出されてもよい。
この場合には、実際のトラヒックフローをモニタすることにより、必要な帯域を狭くすることができる。

また、合成トラヒックフローのパケット発生間隔の平均ｈおよび自乗変動係数Ｃ_ａ ^２は、ネットワーク中の実際のトラヒックフローにおけるパケット内部の情報（例えばＩＰパケットの優先クラス、ＴＣＰ／ＵＤＰのポート番号等）に基づいて通信プロトコルやアプリケーションを特定することによって算出されてもよい。
また、合成トラヒックフローのパケット送信時間の平均ｒおよび自乗変動係数Ｃ_ｓ ^２を、同様にネットワーク中の実際のトラヒックフローにおけるパケット内部の情報に基づいて算出してもよい。
これらの場合には、イーサネット（登録商標）等でトラヒックパラメータを通知しない通信に対応することができる。

この発明の実施の形態１に係るアドミッション制御システムによるアドミッション制御方法を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態１による２状態モデルを示す説明図である。

Claims (9)

1. パケットを用いて通信を行うネットワークにおける新規トラヒックフローの追加要求に対して、前記新規トラヒックフローの受け付け可否を判定するアドミッション制御方法であって、
   前記新規トラヒックフローの特性パラメータをオン状態およびオフ状態からなる２状態モデルに変換する変換ステップと、
   前記２状態モデルに基づいて、前記新規トラヒックフローのパケット発生間隔の平均および自乗変動係数を算出する第１算出ステップと、
   前記新規トラヒックフローのパケット発生間隔の平均および自乗変動係数と、既存の各トラヒックフローのパケット発生間隔の平均および自乗変動係数とに基づいて、前記新規トラヒックフローと前記既存の各トラヒックフローとを足し合わせた合成トラヒックフローのパケット発生間隔の平均および自乗変動係数を算出する第２算出ステップと、
   前記合成トラヒックフローのパケット送信時間の平均および自乗変動係数を算出する第３算出ステップと、
   前記合成トラヒックフローのパケット発生間隔の平均および自乗変動係数、ならびに前記合成トラヒックフローのパケット送信時間の平均および自乗変動係数に基づいて、バッファに蓄積される蓄積パケット数の平均を、平均蓄積パケット数として算出する第４算出ステップと、
   平衡状態における前記蓄積パケット数の分布が幾何分布に従うとみなし、前記平均蓄積パケット数に基づいて、ｉ個（ｉは、任意の自然数）のパケットが蓄積されている確率を、平衡状態確率として算出する第５算出ステップと、
   前記平衡状態確率に基づいて、前記蓄積パケット数が前記バッファの最大蓄積可能パケット数を超える確率を、超過確率として算出する第６算出ステップと、
   前記超過確率と所定の許容値とを比較して、前記超過確率が前記許容値よりも高い場合に、前記新規トラヒックフローの受け付けを拒絶し、前記超過確率が前記許容値以下である場合に、前記新規トラヒックフローの受け付けを許可する比較ステップと、
   を備えたことを特徴とするアドミッション制御方法。
2. 前記合成トラヒックフローのパケット発生間隔の平均は、前記新規トラヒックフローのパケット発生間隔の平均と前記既存の各トラヒックフローのパケット発生間隔の平均との逆数の和により算出され、
   前記合成トラヒックフローのパケット発生間隔の自乗変動係数は、前記新規トラヒックフローのパケット発生間隔の自乗変動係数と前記既存の各トラヒックフローのパケット発生間隔の自乗変動係数との、それぞれのトラヒックフローのパケット発生間隔の平均の逆数による重み付け加算により算出される
   ことを特徴とする請求項１に記載のアドミッション制御方法。
3. 前記超過確率は、前記バッファが無限大であるモデルにおいて、前記蓄積パケット数が前記最大蓄積可能パケット数を超える確率を加算して算出される
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のアドミッション制御方法。
4. 前記既存の各トラヒックフローのパケット発生間隔の平均および自乗変動係数は、前記ネットワーク中の実際のトラヒックフローをモニタして算出されることを特徴とする請求項１から請求項３までの何れか１項に記載のアドミッション制御方法。
5. 前記実際のトラヒックフローをモニタして算出された値は、定期的にクリアされることを特徴とする請求項４に記載のアドミッション制御方法。
6. 前記合成トラヒックフローのパケット送信時間の平均および自乗変動係数は、前記ネットワーク中の実際のトラヒックフローをモニタして算出されることを特徴とする請求項１から請求項５までの何れか１項に記載のアドミッション制御方法。
7. 前記合成トラヒックフローのパケット発生間隔の平均および自乗変動係数は、前記ネットワーク中の実際のトラヒックフローにおけるパケット内部の優先度情報およびポート番号情報の少なくとも一方に基づいて算出されることを特徴とする請求項１から請求項３までの何れか１項に記載のアドミッション制御方法。
8. 前記合成トラヒックフローのパケット送信時間の平均および自乗変動係数は、前記ネットワーク中の実際のトラヒックフローにおけるパケット内部の優先度情報およびポート番号情報の少なくとも一方に基づいて算出されることを特徴とする請求項１から請求項３までおよび請求項７の何れか１項に記載のアドミッション制御方法。
9. 請求項１から請求項８までの何れか１項に記載のアドミッション制御方法を用いて、アドミッション制御を実行することを特徴とするアドミッション制御システム。

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