JP5810048B2 - Ｉｐルータ装置、及びパケット通信方法 - Google Patents

Description

本発明は、移動を伴う通信端末の移動管理を、簡易的で低コストに行うネットワークを構成するIPルータ装置に関するものである。

携帯電話などのモバイル通信においては、3GPPにおいて標準化された通信方式を用いている（非特許文献１）。

無線端末は一般的に、自身がどこにいるのかをネットワーク側に通知する位置登録と呼ばれる処理を行う。無線端末は移動するため、場所が変わった際にもネットワーク側から呼び出す必要性から、ネットワーク側へ、現在接続している無線基地局の情報を伝えることで位置を登録する。これによりネットワーク側から端末を呼び出す際に、全ての基地局に呼び出しのための信号を送信することなく、無線端末が存在するであろう無線基地局に対して呼び出しを行うことができる。例えば、3GPPで標準化されているLTE(Long Term Evolution)標準手続ではこの処理をTracking Area Update(TAU)と呼び、端末は周期的もしくは、ある無線基地局(eNodeB)から別のeNodeBにハンドオーバした際に、移動先のeNodeBが異なるTAI(Tracking Area Indicator)を報知している場合にTAUを実行する。TAIはTAUの実行を促すためのeNodeBのグループである。このTAUの処理信号は、主にMME(Mobility Management Entity)と呼ばれる端末の移動を管理する制御装置に送信され、負荷がかかる。また、3GPPのアーキテクチャでは、端末は、S-GWとP-GWと呼ばれる装置間でトンネルを構成し、端末の移動に伴い、端末を収容するS-GWが変化した場合は、新たなS-GWとP-GWでトンネルを張り替え、端末が移動してもパケットが到達できるようになっている。

一方で、将来の無線端末の動向の推測では、M2M(Machine-to-Machine)通信のための端末が増加すると考えられている。M2Mではこれまで人が所持して使用し、人の数以上に著しく増えることがなかった携帯電話に比べ、飛躍的に端末数が増加すると考えられる。予想される端末の分野としては、自動車、家電、スマートメーター、センサなどがあり、また、物流に使用されるRFIDなどにも拡大する可能性がある。将来の端末数としては数十億台といった規模になると考えられ、ネットワーク設計にインパクトを与える。M2M端末で数量的に多数となるRFID、センサなどの端末では、トラフィック量としては、例えば数分に一度、小さいデータをアップロードするといった使用方法になると思われ、トラフィック総量としてのインパクトよりも、端末数が増加することによる、制御信号の増加が、ネットワークの移動管理ノードに負荷を与えることが問題である。

このようなM2M端末は極少量のデータを、頻繁でない周期で送信し、通信トラフィック総量が少ないものがあり、そのような端末には通信料金を高く設定することが難しい場合がある。しかしながら、3GPPのアーキテクチャでは、このような端末も、携帯電話と同様の収容方法をとるため、位置登録や、移動管理のトンネルの維持などの制御信号の面からはコストに合わない管理方式を使用していることになる可能性がある。

All-IPモバイルネットワーク, 薮崎正美 編著, オーム社, ISBN 978-4-274-20711-2

様々な通信特性を持つM2M端末の収容について、コストの観点から、高機能な移動管理を提供する3GPPの移動コア網への収容と、データを運ぶだけに特化したトランスポート網で収容とに、端末またはトラフィックフローに応じて収容するネットワークを分けることが考えられる。しかし、現状のトランスポート網では、移動管理を行うことは全く考えられておらず、トランスポート網で収容できる端末は移動を全く伴わないものに限られる。そこで、トランスポート網で、簡易的に低コストな移動管理を実現し、トランスポート網で収容できる端末の範囲を増加することが必要である。

本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、移動を伴う通信端末の移動管理を、簡易的に低コストで行うネットワークを構成するIPルータ装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明は、インターネットと端末との間の通信ネットワークを構成するためのIPルータ装置であって、
受信したパケットが、インターネット向けのアップリンクのパケットか、それとも端末向けのダウンリンクのパケットかを判断する判断手段と、
前記受信したパケットがアップリンクのパケットである場合に、当該パケットの送信元IPアドレスと、当該パケットを送信した直前のルータとを、ダウンリンク方向のルーティングテーブルにおける宛先IPアドレス及び転送先ルータとして記憶手段に格納するテーブル処理手段と、
ダウンリンクのパケットを受信した場合に、前記記憶手段に格納されたダウンリンク方向のルーティングテーブルに基づいて、当該パケットの宛先IPアドレスに対応する転送先ルータに、当該パケットを転送するルーティング手段とを備え、
前記テーブル処理手段は、前記送信元IPアドレスと前記直前のルータとを前記記憶手段に格納した後、当該送信元IPアドレスを持つアップリンクのパケットを所定の時間が経過するまでに受信しない場合に、前記ダウンリンク方向のルーティングテーブルにおける当該送信元IPアドレスに対応するレコードを削除し、
前記所定の時間は、前記端末によりアップリンクのパケットに付加された所定のフィールドから読み取った時間であることを特徴とするIPルータ装置として構成される。

また、前記IPルータ装置は、転送先が不明なパケットを受信した場合、当該パケットを破棄することとしてもよい。

また、本発明は、前記IPルータ装置が実行するパケット通信方法として構成することもできる。

本発明によれば、移動を伴う通信端末の移動管理を、簡易的に低コストで行うネットワークを構成するIPルータ装置を提供することが可能となる。

本発明の実施の形態に係るIPルータ１０１の機能構成図である。 IPルータ１０１の動作を説明するためのフローチャートである。 ダウンリンクのルーティングテーブル１０７を示す図である。 レコード保持期限を追加したIPパケット３０１の構成例を示す図である。 本発明の実施の形態に係るIPルータを用いたネットワーク構成と移動管理の動作概要を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。なお、以下で説明する実施の形態は一例に過ぎず、本発明が適用される実施の形態は、以下の実施の形態に限られるわけではない。

＜実施の形態の概要＞
本実施の形態に係る技術は、移動通信のネットワークに用いられるIPルータ装置（以下、"IPルータ"と呼ぶ）であり、簡易的な移動管理を行う機能を備える。

すなわち、このIPルータは、ネットワークにおいて、インターネット方向に送信されるトラフィック(アップリンク)と、端末方向に送信されるトラフィック(ダウンリンク)を区別し、アップリンクとダウンリンクを分けてルーティングテーブルを保持する。アップリンクには通常のIPルータの経路制御で使用されるBGP, OSPF, スタティックルーティング等の通常のIPルーティングで使用される方式を用いる。これに対して、ダウンリンク方向のルーティングテーブルは、アップリンクのパケットを受信した場合に、直前の送信元のルータと、パケットの送信元のアドレスを記憶し、ダウンリンク用のルーティングテーブルに記載することで、形成される。

これにより、端末がアップリンクパケットを送信した場合、経路上のルータにダウンリンクの経路が記憶され、ダウンリンクのパケット到達性が確保される。端末が移動後、再びアップリンクパケットを送信すれば下り方向の経路が再構築される。アップリンクが送信されなければダウンリンクの経路が書き変わらないため、移動に対して追随できないということになるため、移動にどの程度追随する必要があるかどうかで端末の挙動を変え、アップリンクを送信するタイミングを調整する。

具体的には、なるべくリアルタイムに通信を行いたい場合は、無線基地局をハンドオーバした後すぐにアップリンクパケットを送信し、移動管理がそれほど重要ではない場合はハンドオーバ後時間を空けてアップリンクパケットを送信する。本技術では、端末の中でアップリンクパケットの送信を行う。すなわち、無線基地局のハンドオーバ後、アップリンクパケットを送信するまでのタイミングは端末が必要に応じて決定する。実際に端末の内部でアップリンクパケットの送信を決定する際は、個々の通信を伴うアプリケーションが必要に応じて決定する、あるいは、移動管理を司るミドルウェアにより、各アプリケーションの要求をとりまとめて、アップリンクパケットの送信を管理する方式が考えられる。

以上のような方法でアップリンクパケットの送信タイミングをコントロールできるが、この方式では、移動して異なる基地局に接続次第アップリンクパケットを送信したとしても、経路上の全てのIPルータのダウンリンクのテーブル切り換えにはある程度の時間がかかると思われ、例えばリアルタイムな通話の継続には使用できない。しかしながら、それで十分な移動頻度である端末の収容には問題なく、移動管理のためのトンネルを保持せず、ステートレスな移動管理であるため、低コストに実現可能である。

＜IPルータの基本的な構成＞
以下、本発明の実施の形態をより詳細に説明する。図１に、本実施の形態に係るIPルータ１０１の機能構成を示す。本実施の形態のIPルータ１０１は、IPルーティング機能部１０２、テーブル追加・削除機能部１０３、ルーティングテーブルの記憶部１０４、アップリンク・ダウンリンク判断部１０５を備える。なお、図１は、実際のIPルータが持つ機能のうち、本発明に特に関わる機能を示している。

IPルーティング機能部１０２は、ルーティングテーブルを参照して、受信したパケットを適切な宛先に送出する処理や、通常の方法でアップリンク方向のルーティングテーブルを作成する処理等を行う機能部である。記憶部１０４にはアップリンク方向のルーティングテーブル１０６とダウンリンク方向のテーブル１０７が独立に格納される。テーブル追加・削除機能部１０３は、ダウンリンクのルーティングテーブルに対するデータ追加／削除を行う機能部である。アップリンク・ダウンリンク判断部１０５は、受信したパケットがアップリンクかダウンリンクかを判断する機能部である。

本実施の形態に係るIPルータ１０１は、例えば、コンピュータ（メモリ、ＣＰＵ）の機能を含む一般的なIPルータにおいて、本実施の形態で説明する処理に対応するプログラムを実行させることにより実現可能である。当該プログラムは、可搬メモリ等の記憶媒体に格納して配布し、上記IPルータにインストールして用いてもよいし、ネットワーク上のサーバからダウンロードして上記IPルータにインストールしてもよい。また、本実施の形態で説明する処理をハードウェア回路として実現し、当該ハードウェア回路をIPルータに備えることとしてもよい。

以下、上記構成を備えるIPルータ１０１の動作、及びテーブルの詳細な内容を説明する。動作については、図２のフローチャートに沿って説明する。

IPルータ１０１がパケットを受信すると（ステップ１）、アップリンク・ダウンリンク判断部１０５により、受信したパケットがアップリンクのパケットかダウンリンクのパケットかを判断する（ステップ２）。アップリンク／ダウンリンクの判断の方法は、特定の方法に限定されないが、例えば、パケットの宛先アドレスがインターネット向けのアドレスであった場合にアップリンクであると判断し、端末向けのアドレスであった場合にダウンリンクと判断する。

アップリンクであった場合、IPルーティング機能部１０２により、アップリンクのルーティングテーブル１０６に従いルーティングを行う（ステップ３）。アップリンクであった場合、更に、受信したパケットの送信元のIPアドレスと、直前の送信ルータを、テーブル追加・削除機能部１０３がダウンリンクのルーティングテーブル１０７に記述する（ステップ４）。

ステップ２の判断においてダウンリンクであった場合は、IPルーティング機能部１０２により、上述した手法で生成されているダウンリンクのルーティングテーブル１０７に従いルーティングを行う（ステップ７）。すなわち、ルーティングテーブル１０７（図２）におけるIPアドレス２０２と合致する宛先アドレスを持つパケットについて、当該パケットをIPアドレス２０２に対応する転送先のルータに転送する。

なお、IPルータ１０１は、アップリンク、ダウンリンクのいずれの場合も、転送先が不明なパケットを受信した場合（ルーティングテーブルに該当レコードが存在しない場合等）、当該パケットを破棄する機能を有する。

図３にダウンリンクのルーティングテーブル１０７の構成を示す。図３に示すように、ダウンリンクのルーティングテーブル１０７の必須要素として、送信元のIPアドレス２０２と、転送先のルータ２０３（上述した直前の送信ルータ）、レコード保持期限２０４を備える。なお、ルータ２０３の情報は、例えば、直前の送信ルータのIPアドレス、直前の送信ルータが接続されているインタフェース等である。レコード保持期限２０４は、アップリンクのパケットを受信することで、保持期限（ある定められた時間）が更新される。更新時に設定される時間は、あらかじめ定められた一定値（IPルータ１０１に予め保持しておく値）である場合もあり、または、端末から送信されるIPパケットに記載されている場合もある。このうちのいずれかを採用するかは、例えば、IPルータ１０１の設定で選択することができる。

ＩＰルータ１０１のテーブル追加・削除機能部１０３は、パケットを受信した後、同一の送信元IPアドレスを持つアップリンクのパケットを受信しないままこのレコード保持期限（ある定められた時間）が経過したことを検知した場合（図２のステップ５のYes）、当該送信元IPアドレスに対応するレコードをダウンリンクのルーティングテーブルから削除する（ステップ６）。つまり、同一の送信元IPアドレスを持つアップリンクのパケットを、所定の時間が経過するまでに受信しない場合に、当該送信元IPアドレスに対応するレコードをダウンリンクのルーティングテーブルから削除する。

この仕組みにより、端末が移動して経路が変化した場合、旧経路上のIPルータのダウンリンクのルーティングテーブルから自動的に無駄なレコードが削除される。図４にIPパケットにレコード保持期限が記載されている場合のIPパケット３０１の構成例を示す。例えば端末は、ヘッダ３０２、ペイロード３０３の後に、レコード保持期限３０４のフィールドを追加して送信する。端末は自身の移動度を考慮して、このレコード保持期限３０４の値を決定する。IPルータ１０１は、レコード保持期限３０４のフィールドから時間の値を読み取ってダウンリンクのルーティングテーブルに設定する。

＜ネットワーク構成、及び動作＞
図５に、本実施の形態に係るIPルータを用いたネットワーク構成例と、動作を示す。図５に示すように、本実施の形態に係るネットワークにおいて、複数のIPルータ４０１により無線基地局（４０３〜４０５）からインターネット４０２までの経路が構成されている。

まず端末４０６は、基地局４０４に接続する。端末４０６はアップリンクのパケットをインターネット４０２に送信する（４０８、４１２）。このとき、ネットワークの各IPルータはアップリンクのルーティングテーブルに従いパケットを転送するとともに、ダウンリンクのルーティングテーブルを更新（４１３）する。これにより、インターネット４０２からダウンリンクのパケットを受信した場合にも、経路をたどり、端末４０６までパケットが到達する（４１０）。

端末４０６が移動し（移動後の端末は４０７で示す）、異なる基地局４０５に接続した場合（４１４）、移動先で端末４０７の判断でアップリンクパケットを送信する（４０９，４１５）。これにより新しい経路上の各IPルータはダウンリンクの経路を再度構築する（４１６）。旧経路を記憶しているＩＰルータのレコードは、一定時間経過後自動的に削除される（４１７）。

＜実施の形態の効果＞
以上のようなアップリンクパケットで下り方向の経路を構築する機能を持つIPルータを用いることで、簡易的な移動管理を実現するネットワークを低コストに実現でき、M2M端末のうち、移動管理は必要だが、リアルタイムな管理までは必要ない端末が低コスト網で収容可能となり、高コストな移動網コアからのオフロードが可能となる。

本発明は、上記の実施の形態に限定されることなく、特許請求の範囲内において、種々変更・応用が可能である。

１０１ IPルータ
１０２ IPルーティング機能部
１０３ テーブル追加・削除機能部
１０４ ルーティングテーブルの記憶部
１０５ アップリンク・ダウンリンク判断部
１０７ ルーティングテーブル
２０２ IPアドレス
２０３ 転送先のルータ
２０４ レコード保持期限
３０１ IPパケット
３０２ ヘッダ
３０３ ペイロード
３０４ レコード保持期限
４０１ IPルータ
４０２ インターネット
４０３〜４０５ 無線基地局
４０６、４０７ 端末

Claims (4)

1. インターネットと端末との間の通信ネットワークを構成するためのIPルータ装置であって、
   受信したパケットが、インターネット向けのアップリンクのパケットか、それとも端末向けのダウンリンクのパケットかを判断する判断手段と、
   前記受信したパケットがアップリンクのパケットである場合に、当該パケットの送信元IPアドレスと、当該パケットを送信した直前のルータとを、ダウンリンク方向のルーティングテーブルにおける宛先IPアドレス及び転送先ルータとして記憶手段に格納するテーブル処理手段と、
   ダウンリンクのパケットを受信した場合に、前記記憶手段に格納されたダウンリンク方向のルーティングテーブルに基づいて、当該パケットの宛先IPアドレスに対応する転送先ルータに、当該パケットを転送するルーティング手段とを備え、
   前記テーブル処理手段は、前記送信元IPアドレスと前記直前のルータとを前記記憶手段に格納した後、当該送信元IPアドレスを持つアップリンクのパケットを所定の時間が経過するまでに受信しない場合に、前記ダウンリンク方向のルーティングテーブルにおける当該送信元IPアドレスに対応するレコードを削除し、
   前記所定の時間は、前記端末によりアップリンクのパケットに付加された所定のフィールドから読み取った時間である
   ことを特徴とするIPルータ装置。
2. 転送先が不明なパケットを受信した場合、当該パケットを破棄することを特徴とする請求項１に記載のIPルータ装置。
3. インターネットと端末との間の通信ネットワークを構成するためのIPルータ装置が実行するパケット通信方法であって、
   受信したパケットが、インターネット向けのアップリンクのパケットか、それとも端末向けのダウンリンクのパケットかを判断する判断ステップと、
   前記受信したパケットがアップリンクのパケットである場合に、当該パケットの送信元IPアドレスと、当該パケットを送信した直前のルータとを、ダウンリンク方向のルーティングテーブルにおける宛先IPアドレス及び転送先ルータとして記憶手段に格納するテーブル格納ステップと、
   ダウンリンクのパケットを受信した場合に、前記記憶手段に格納されたダウンリンク方向のルーティングテーブルに基づいて、当該パケットの宛先IPアドレスに対応する転送先ルータに、当該パケットを転送するルーティングステップと、
   前記送信元IPアドレスと前記直前のルータとを前記記憶手段に格納した後、当該送信元IPアドレスを持つアップリンクのパケットを所定の時間が経過するまでに受信しない場合に、前記ダウンリンク方向のルーティングテーブルにおける当該送信元IPアドレスに対応するレコードを削除するテーブル削除ステップとを備え、
   前記所定の時間は、前記端末によりアップリンクのパケットに付加された所定のフィールドから読み取った時間である
   ことを特徴とするパケット通信方法。
4. 前記IPルータ装置は、転送先が不明なパケットを受信した場合、当該パケットを破棄することを特徴とする請求項３に記載のパケット通信方法。

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