JP5937955B2

JP5937955B2 - パケット転送遅延計測装置及び方法及びプログラム

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Publication number: JP5937955B2
Application number: JP2012253605A
Authority: JP
Inventors: 川口　銀河; 銀河川口
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2012-11-19
Filing date: 2012-11-19
Publication date: 2016-06-22
Anticipated expiration: 2032-11-19
Also published as: JP2014103516A

Description

本発明は、パケット転送遅延計測装置及び方法及びプログラムに係り、特に、3G/4G等の広域無線データ通信におけるパケットの転送遅延を計測するためのパケット転送遅延計測装置及び方法及びプログラムに関する。

3G/4GのワイヤレスWAN(Wide Area Network)回線(以下、「WAN」と記す)でのデータ通信は、ネットワーク品質が固定回線比でよくないとされる。WWAN(Wireless WAN)の品質があまりよくない理由の一つは、パケット転送遅延が大きいことにある。

しかし、転送遅延の実態品質が悪いとしても、通常はWWAN回線でも100〜数百m程度となる。平均遅延について、計測していると時々極端な劣化が観測される。これらの状況でもファイル転送スループットはそれなりに計測できるなどの状況を考慮すると、遅延計測として適切な計測になっていないことが推測される。

従来は、計測対象として安定している固定回線がターゲットであり、接続断が頻繁に生じることを考慮していない。そのため、極端に大きな遅延計測結果が出ることがある。大きな遅延への考慮としては、計測結果中に異常に大きな遅延を除外するという考え方がある（例えば、非特許文献１参照）。当該非特許文献１では、片道遅延で３秒以上の遅延を除外し、損失として扱うとなっている。

また、接続断時には計測から除外すべきという規定がある（例えば、非特許文献２参照）。当該規定は、準定常状態の固定イーサネット（登録商標）が対象であり、１０秒以上、異常状態が継続すれば、不可用状態（unavailable）として除外するステートになるという考え方である。

以下に、pingコマンドにより１秒間隔で計測パケットを送受信した場合に極端な遅延値を観測した際の計測パケットの応答遅延の例を説明する。図１にパケット応答遅延の例を示す。

読み方は、icmp_seq=XがXというシーケンス番号のパケットのデータ、time=Y msの部分がそのパケットで観測されたRTT値である。

シーケンス番号が180〜184のものについて、その前後の200ms強の値のものと比較して極端に大きな値となっている。それらをそのまま平均をとるなどすると、平均遅延は異常な値を取ることになる。

この現象の特徴は、巨大な遅延を観測したシーケンス番号180〜184のパケット群については、その群の最初(シーケンス番号が最小)のものが最大の遅延値であり、次以降のシーケンス番号の観測値は、送信間隔（１秒）とほぼ同じ間隔で減少していく点である。これを計測パケットを送信した側の時間ではなく、受信した時刻の観点で整理するとパケットのシーケンス番号180は到着までの所要時間が約５秒、１秒後に送出されたシーケンス番号181のパケットは約４秒…ということで、いずれもほぼ同時刻に到着していることがわかる。

これらは、ネットワークでの「伝播」に時間を要したのではなく（シーケンス番号180〜１８４のパケットが送信される時刻前後について）その間どこかのネットワークリンクが切れており、その間に送出されたパケットは実際には切れたリンクの手前のノードの送信バッファに溜まりネットワークの再接続時に一気に送信バッファが捌けて処理されたと推測するのが適切である。

そこで、この「ネットワークが接続断の時間」を判断して計測から除外・分離する必要がある。

ITU-T Y. 1540勧告 ITU-T Y. 1563勧告

しかしながら、上記の非特許文献１のネットワークの接続断を疑う事例では、１，２秒の遅延(つまり３秒未満)も通常のネットワーク転送遅延の時間スケール（数十〜数百ms）よりはるかに大きく、影響は大きい。

また、そもそも遅延として計測したい現象（伝搬遅延やネットワーク中のルータのキューの待ち時間）とは原因が異なるため、分離できるならば分離すべきである。

また、非特許文献２の「接続断（unavailable）」時には計測から除外すべきという規定は、こちらも基本的には準定常状態の固定イーサネット（登録商標）が対象のため、１０秒以上、異常状態が継続すれば不可用状態（unavailable）として除外するステートになるという考え方であり、これもまた無線計測には適さない。

では、接続が実際に切れていることを観測すればよいかというと、これも判断が難しい。直接WWAN接続モジュールがOSに接続されていれば判断可能なこともあるが、その状態情報へのアクセスは簡便ではない。

また、計測の際に図２に示すシステムのバイルルータを経由してのWWANへの接続で計測を行う場合も多いが、その接続状態はモバイルルータ側でしか判断できず、計測結果に反映させるのは困難である。

本発明は、上記の点に鑑みなされたもので、無線回線における転送遅延計測において、例外事象を除外してパケット転送の遅延時間を計測することが可能なパケット転送遅延計測装置及び方法及びプログラム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、本発明（請求項１）は、通信ネットワークの品質測定において、パケット転送の遅延を計測するパケット転送遅延計測装置であって、
パケット毎の遅延及びシーケンス番号を含む計測データが入力されると、リンクの切断と推測される事象（疑似断）を判断し、該疑似断が生じている時間についてシーケンス番号が最小のものが最大の遅延値であるとし、該シーケンス番号以降のシーケンス番号の計測値が送信間隔とほぼ同じ間隔で減少していくものとして、最小のシーケンス番号s1から所定の遅延値以下となる区間の計測値を疑似断イベントとして、疑似断判定結果記憶手段に格納する計測データ処理手段と、
前記疑似断判定結果記憶手段から前記疑似断イベントを読み出して、遅延指標を算出して出力する判定結果集計手段と、を有する。

また、本発明（請求項２）は、前記計測データ処理手段において、
前記計測データからシーケンス番号が小さい順に遅延値が所定の異常遅延検出閾値d_aを越えている計測データを抽出し、抽出された該計測データのシーケンス番号sの遅延値D1が、該遅延値D1から一連の疑似断によるものであった場合に想定される遅延時間dに対し、所定の異常判定ゆらぎ幅t_v以下の誤差に含まれる場合に、疑似断と判定する手段を含む。

また、本発明（請求項３）は、前記判定結果集計手段において、
前記疑似断判定結果記憶手段から読み出した前記疑似断イベントから、前記遅延指標として、疑似断回数、総疑似断時間、平均疑似断時間、最大疑似断時間のいずれかを算出する手段を含む。

上述のように、本発明によれば、異常挙動として観測された回線断による不可用状態の計測値を定常的な転送遅延計測から除外することで、除外した以外時間のデータを転送遅延計測データとして扱うことにより、本来の無線ネットワークの品質を評価することができる。

パケット応答遅延例である。計測パターン例である。本発明の一実施の形態におけるパケット転送遅延計測装置の構成図である。本発明の一実施の形態における初期設定パラメータの例である。本発明の一実施の形態におけるパケット遅延計測装置の動作のフローチャートである。本発明の一実施の形態におけるパラメータを説明するための図である。

以下、図面と共に本発明の実施の形態を説明する。

まず、本発明の概要を説明する。

リンクの接続断状態は直接モニタできないが、計測結果から適切に除外する手法が必要である。そこで、本発明は、問題とする短時間の接続断における特徴的なパターンに着目する。接続断が生じている時間について、その最初(シーケンス番号が最小)のものが最大の遅延値であり、次以降のシーケンス番号の観測値は、送信間隔(１秒)とほぼ同じ間隔で減少していく。本発明では、これを計測後のデータ処理で分離する。

図３は、本発明の一実施の形態におけるパケット転送遅延計測装置の構成図である。

同図に示すパケット転送遅延計測装置１０は、初期設定パラメータ記憶部１１、計測データ処理部１２、疑似断判定結果格納ＤＢ１３、判定結果集計部１４を有し、計測データ処理部１２は、外部の計測部２０と接続されている。計測部２０は、本実施の形態ではping計測を行うものとし、パケットごとの遅延、シーケンス番号等の計測データを計測データ処理部１２に出力する。また、計測データ処理部１２は、計測部２０以外の外部での計測結果を取得してもよい。

初期設定パラメータ記憶部１１には、図４に示すように、異常遅延検出閾値(d_a)、異常判定ゆらぎ幅(t_v)、異常終了判定閾値(d_f)、疑似断判定閾値(p_d)、エンド−エンド品質計測の相手先IPアドレス(remote_addr)、プローブパケット送出間隔(t_g)、計測回数(n)等のパラメータが格納されている。

以下に上記の構成における処理を説明する。

図５は、本発明の一実施の形態におけるパケット転送遅延計測装置の動作のフローチャートである。

ステップ０）まず、前処理として、疑似断判定結果格納部DB１３上に、疑似断時間集計用の変数X（空リスト)（X＝［］）と、疑似断該当パケット数集計用の整数型変数Y（Y＝０）を設定する。また、初期設定パラメータ記憶部１１から判定閾値等のパラメータを読み込む。

ステップ１）計測データ処理部１２は、計測部２０または外部での計測済みのデータを受け付け、メモリ１５に格納する。計測部２０では、ホストＡ−ホストＢ間のRTTもしくは片道転送遅延値(以下、「遅延値」と記す)の計測を行う。ここでは、図１に示すような計測結果を取得したものとする。

ステップ２）メモリ１５にデータがある場合はステップ３に移行し、ない場合はステップ８に移行する。

ステップ３）計測データ処理部１２は、計測結果について、シーケンス番号（図１では、icmp_seqの欄）の順にメモリ１５内の計測結果の遅延値（time=XX ms）をソートする。

ステップ４）メモリ１５内のソートされた先頭のシーケンス番号から（シーケンス番号が小さい順に）計測された遅延値が異常遅延検出閾値d_a(図６参照)を越えていないか確認し、越えているものがある場合は、ステップ５に移行し、越えていなければステップ２に戻り、順次次のデータについての処理を行う。図１の例では、icmp_seq=180の行がd_aを越えているデータに該当する。

ステップ５）計測データ処理部１２は、観測された異常遅延検出閾値d_aを越す遅延値をD1とし、そのシーケンス番号をs1とする(図６参照)。ここで、C=int(（D1−d_f）／t_g)とする。但し、d_fは異常終了判定閾値であり、t_gはプローブパケット送出間隔(例：1秒)である。int()は小数点以下切捨てで浮動小数点を整数に変換する関数とする。計測データ処理部１２は、シーケンス番号s1に続くs1〜（s1＋C）のC+1個(図６の区間内個数C+1に対応)のシーケンス番号の計測データについて評価を行う。各データについて、シーケンス番号s、遅延値Dとして、以下の誤差Eと比較する。なお、パケット損失によるデータ欠損があればそのデータはスキップする。

dは該当パケットがD1から一連の疑似断によるものであった場合に想定される遅延時間
d=D1−((s−s1) * t_g）
であり、その該当パケットの遅延時間Dがdに対し、t_v以下の誤差に収まっているかを、以下の条件
E=((d+t_v) > D) && (d−t_v) < D)
によって判定する。このデータ群について、以下の式(1)を満たせば疑似断が発生したものと見做す。

(Eが真である個数）/ (C+1) > p_d (1)
但し、p_dは疑似断判定閾値である。

ステップ６）上記の式(1)が「真」であればステップ７に移行し、「偽」であればステップ２に移行する。

ステップ７）計測データ処理部１２は、評価された疑似断イベントを疑似断判定結果格納ＤＢ１３に記録する。ここで、シーケンス番号s1〜（s1＋C）のデータは遅延値の評価から除外する。疑似断判定結果格納ＤＢ１３の疑似断該当パケット数集計用の整数型変数YをY=Y+(C+1)とする(但し、区間内の該当個数はC+1個)。それに伴い計測パケット総数もC+1個減る。また、疑似断判定結果格納ＤＢ１３の疑似断集計リストXの末尾に疑似断時間(D1−d_f)を追加し、ステップ２に戻る。

ステップ８）ステップ２において、データがない場合（全データ処理済み）は、判定結果集計部１４において、疑似断判定結果格納ＤＢ１３から判定結果の疑似断該当パケット数集計用の整数型変数Yと疑似断集計リストXを読み出して、遅延及び疑似断の集計を行う。遅延については、平均遅延などの算出を既存技術の各パラメータ処理で実施する。但し、データは元のデータ数に対し、ステップ７で除外した分減らしたもので算出する。

例えば、平均遅延は、以下のようになる
修正された遅延リスト(mod_delay_list)は、元の遅延リスト [d0,d1,d2,…,dn-1]で個数n個からステップ７の各データを除外したもの(n−Y個)になり、平均遅延は、
sum(mod_delay_list) / (n−Ｙ)
により求められる。なお、sum( )はリストの和をとる関数である。

疑似断関連の指標は、以下に示すように、「疑似断回数」、「疑似断時間」、「平均疑似断時間」、「最大疑似断時間」等を算出して出力する。

・疑似断回数：リストXの要素数：length(X)
・総疑似断時間：リストXの各要素の総和: sum(X)
・平均疑似断時間：(sum(X) / length(X))
・最大疑似断時間：リストXの要素のうち最大のもの：max(X)
上記により、所定の閾値を越えた遅延値を検出した場合、図６に示す異常判定ゆらぎ幅t_vの範囲に含まれる計測値を転送遅延計測結果から除外することが可能となる。

上記の実施の形態では、無線ネットワークの品質測定を例として説明したが、この例に限定されることなく、他の通信ネットワークにも適用可能である。

なお、上記の図３に示すパケット転送遅延計測装置の各構成要素の動作をプログラムとして構築し、パケット転送遅延計測装置として利用されるコンピュータにインストールして実行させる、または、ネットワークを介して流通させることが可能である。

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。

１０パケット転送遅延計測装置
１１初期設定パラメータ記憶部
１２計測データ処理部
１３疑似断判定結果格納ＤＢ
１４判定結果集計部
１５メモリ
２０計測部

Claims

通信ネットワークの品質測定において、パケット転送の遅延を計測するパケット転送遅延計測装置であって、
パケット毎の遅延及びシーケンス番号を含む計測データが入力されると、リンクの切断と推測される事象（疑似断）を判断し、該疑似断が生じている時間についてシーケンス番号が最小のものが最大の遅延値であるとし、該シーケンス番号以降のシーケンス番号の計測値が送信間隔とほぼ同じ間隔で減少していくものとして、最小のシーケンス番号s1から所定の遅延値以下となる区間の計測値を疑似断イベントとして、疑似断判定結果記憶手段に格納する計測データ処理手段と、
前記疑似断判定結果記憶手段から前記疑似断イベントを読み出して、遅延指標を計算して出力する判定結果集計手段と、
を有することを特徴とするパケット転送遅延計測装置。
前記計測データ処理手段は、
前記計測データからシーケンス番号が小さい順に遅延値が所定の異常遅延検出閾値d_aを越えている計測データを抽出し、抽出された該計測データのシーケンス番号sの遅延値D1が、該遅延値D1から一連の疑似断によるものであった場合に想定される遅延時間dに対し、所定の異常判定ゆらぎ幅t_v以下の誤差に含まれる場合に、疑似断と判定する手段を含む
請求項１記載のパケット転送遅延計測装置。
前記判定結果集計手段は、
前記疑似断判定結果記憶手段から読み出した前記疑似断イベントから、前記遅延指標として、疑似断回数、総疑似断時間、平均疑似断時間、最大疑似断時間のいずれかを算出する手段を含む
請求項１記載のパケット転送遅延計測装置。
通信ネットワークの品質測定において、パケット転送の遅延を計測するパケット転送遅延計測方法であって、
計測データ処理手段、疑似断判定結果記憶手段、判定結果集計手段を有する装置において、
前記計測データ処理手段が、パケット毎の遅延及びシーケンス番号を含む計測データが入力されると、リンクの切断と推測される事象（疑似断）を判断し、該疑似断が生じている時間についてシーケンス番号が最小のものが最大の遅延値であるとし、該シーケンス番号以降のシーケンス番号の計測値が送信間隔とほぼ同じ間隔で減少していくものとして、最小のシーケンス番号s1から所定の遅延値以下となる区間の計測値を疑似断イベントとして、前記疑似断判定結果記憶手段に格納する計測データ処理ステップと、
前記判定結果集計手段が、前記疑似断判定結果記憶手段から前記疑似断イベントを読み出して、遅延指標を算出して出力する判定結果集計ステップと、
を行うことを特徴とするパケット転送遅延計測方法。
前記計測データ処理ステップにおいて、
前記計測データからシーケンス番号が小さい順に遅延値が所定の異常遅延検出閾値d_aを越えている計測データを抽出し、抽出された該計測データのシーケンス番号sの遅延値D1が、該遅延値D1から一連の疑似断によるものであった場合に想定される遅延時間dに対し、所定の異常判定ゆらぎ幅t_v以下の誤差に含まれる場合に、疑似断と判定する
請求項４記載のパケット転送遅延計測方法。
前記判定結果集計ステップにおいて、
前記疑似断判定結果記憶手段から読み出した前記疑似断イベントから、前記遅延指標として、疑似断回数、総疑似断時間、平均疑似断時間、最大疑似断時間のいずれかを算出する
請求項４記載のパケット転送遅延計測方法。
コンピュータを、
請求項１乃至３のいずれか１項に記載のパケット転送遅延計測装置の各手段として機能させるためのパケット転送遅延計測プログラム。