JP5990491B2 - ネットワーク品質測定システム及び方法及びプログラム - Google Patents

Description

本発明は、ネットワーク品質測定システム及び方法及びプログラムに係り、特に、大規模ネットワーク上を流れるパケットのユーザ別の通信品質（片方向遅延ゆらぎ、往復遅延）を推定するためのネットワーク品質測定システム及び方法及びプログラムに関する。

ネットワーク品質測定技術は、パッシブ計測技術とアクティブ計測技術に大別される。

パッシブ計測技術は、ユーザの実トラヒックを計測対象トラヒックとする技術である（例えば、非特許文献１参照）
アクティブ計測技術は、測定用のユーザ端末に品質計測のためのプローブパケットを送信させ、その遅延時間を計測することでネットワーク品質を計測する技術である（例えば、特許文献１，２，３、非特許文献２参照）。

特開２０１２−１８２７４７号公報 特許第４８１５５３４号公報 特許第４５２２１６４号公報

電子情報通信学会論文誌 2006年１月 日本電信電話株式会社 ハッシュ関数を用いたIPネットワークのパッシブ遅延変動測定法における記憶領域削減と測定誤りの回避. 情報処理学会ワークショップ 2002年6月 日本IBM株式会社 インターネットにおけるパケット到着間隔時間及び損失率の特性.

上記のパッシブ計測技術は、測定装置の設置位置及び設置数によって、計測対象トラヒック量、ユーザ量が大きく異なる。例えば、計測対象トラヒック量、ユーザ量を大きくした場合には、多くのユーザの通信品質を計測できるが、トラヒック収集コスト及びトラヒック分析コストが大きくなる。このように、通信品質をパッシブ計測で計測するにあたっては、多数のリンク・ユーザ・パスのトラヒックを分析するためには、トラヒック収集ポイントを増加させる必要があり、このような計測精度と計測コストのトレードオフ関係が存在する。また、測定装置を通過するユーザトラヒックしか計測できないため、測定できる範囲が狭いという問題がある。

上記のアクティブ計測技術は、プローブパケットの通過パスのネットワーク品質しか計測できない。一方で多くの通過パスの品質計測を行うためには、測定用端末のネットワーク内位置を変えて品質計測を実施する必要があるため測定コストが掛かる。また、試験トラヒックとユーザトラヒックとでは特性が異なるため、通信品質を正確に測定できない。さらに、計測精度を上げるためにプローブパケットを複数投げる必要があり、ネットワークへの計測負荷がかかるという問題がある。

本発明は、上記の点に鑑みなされたもので、計測範囲が大きく、計測コストが小さく、計測精度が高い、ネットワーク品質計測が可能なネットワーク品質測定システム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、一態様によれば、大規模ネットワーク上を流れるパケットのユーザ別の通信品質を推定するための品質測定システムであって、
複数のルーティング装置、１台のパケット収集装置、１台の遅延計算装置を含むネットワークにユーザ端末が接続されており、
前記ルーティング装置は、
ネットワーク内に存在しない宛先に送信されるSYNパケットのみを前記パケット収集装置にルーティングする手段を有し、
前記パケット収集装置は、
前記ルーティング装置からルーティングされた前記SYNパケットのみをキャプチャし、該SYNパケットに含まれるヘッダ情報を収集する手段を有し、
前記遅延計算装置は、
前記ヘッダ情報から抽出したタイムスタンプ情報から求めたパケット間の到着間隔時間Xi、該ヘッダ情報のOS情報に対応する再送タイムアウト時間RTO及びユーザ端末からの片方向遅延OWDからパケットの片方向遅延の揺らぎ△OWDを求める手段を有する品質測定システムが提供される。

さらに、他の態様によれば、大規模ネットワーク上を流れるパケットのユーザ別の通信品質を推定するための品質測定システムであって、
複数のルーティング装置、１台の到達不能通知返信装置、１台のパケット収集装置、１台の遅延計算装置を含むネットワークにユーザ端末が接続されており、
前記ルーティング装置は、
ネットワーク内に存在しない宛先に送信されるSYNパケットのみを前記到達不能通知返信装置にルーティングする手段を有し、
前記到達不能通知返信装置は、
前記ルーティング装置からルーティングされた前記SYNパケットに対するRSTパケットを該SYNパケットの送信元に送信する手段を有し、
前記パケット収集装置は、
前記到達不能通知返信装置を介して前記SYNパケットのみをキャプチャし、該SYNパケットに含まれるヘッダ情報を収集する手段を有し、
前記遅延計算装置は、
前記ヘッダ情報から抽出したタイムスタンプ情報からパケット間の到着時間の差分Xiを求め、前記到達不能通知返信装置から前記SYNパケットを受信してから前記RSTパケットを送信するまでの時間RDiを求め、該ヘッダ情報のOS情報に基づいて該RSTパケットを受信してからSYNパケットを送信するまでのユーザ端末の時間TDiを求め、上りの片方向遅延と下りの片方向遅延時間を加算して往復遅延を求める手段を有する品質測定システムが提供される。

上記のように一態様によれば、ネットワーク内に実ユーザの存在しない宛先へのSYN(Synchronize)パケットだけを１箇所にルーティングさせることで、ネットワークから多数のユーザ端末名でのユーザ端末別の詳細な通信品質（片方向遅延ゆらぎ、双方向遅延、双方向遅延ゆらぎ等）を省コストで（ネットワーク内の１箇所でパケット収集するだけで）計測できる。

また、ネットワーク品質測定で利用されるアクティブ測定と比べると以下の利点がある。

・計測用端末ではなく、一般のユーザ端末の通信品質を測定できる（実環境に即した測定ができる）。

・観測端末数が多い。

・観測対象端末及びネットワークに計測負荷をかけない。

本発明の第１の実施の形態におけるシステム構成図である。 本発明の第１の実施の形態における処理のフローチャートである。 本発明の第１の実施の形態におけるＳ１２０の処理のフローチャートである。 本発明の第１の実施の形態における存在しない宛先に送信されたパケットをキャプチャする例である。 本発明の第２の実施の形態におけるシステム構成図である。 本発明の第２の実施の形態における処理のフローチャートである。 本発明の第２の実施の形態における存在しない宛先に送信されたパケットにRSTパケットが送信される例である。

以下、図面と共に本発明の実施の形態を説明する。

本発明は、存在しない宛先へのパケットを１ヵ所で収集することで、ユーザからネットワークへの上りの片方向遅延のジッダを計測する方法（第１の実施の形態）と、存在しない宛先へのパケットへの到達不能通知返信機構が存在する環境下でパケット収集を実施し、往復遅延時間と、往復遅延のジッタを計測する方法（第２の実施の形態）を行う。

［第１の実施の形態］
図１は、本発明の第１の実施の形態におけるシステム構成を示す。

同図に示すシステムは、ネットワーク１に複数のユーザ端末２が接続されており、ネットワーク１内には、複数のルーティング装置１０、１台のパケット収集装置２０、１台の遅延計算装置３０が具備されている。

各ルーティング装置１０は、ネットワーク１内に存在しない宛先に送信されるパケットをネットワーク１内のパケット収集装置２０にルーティングする。

パケット収集装置２０は、同図の例では、ルーティング装置１０_１に接続されており、当該ルーティング装置１０_１から送信されたネットワーク内に存在しない宛先に送信される全てのパケット（SYNパケット）をキャプチャし、収集パケット情報をメモリ（図示せず）に記録する。

遅延計算装置３０は、パケット収集装置２０に記録された収集パケット情報を読み出して識別し、片方向遅延ジッダの計算を行う。

以下に、上記の構成における処理について説明する。

図２は、本発明の第１の実施の形態における処理のフローチャートである。

ステップ１００） ルーティング装置１０での存在しない宛先へのパケットのルーティング：
各ルーティング装置１０_１〜１０_３は、ネットワーク１内に存在しない宛先に送信されるパケットをルーティングし、ルーティング装置１０_１は、パケット収集装置２０にルーティングする。トラヒックの大半を占めるTCP通信の場合、通信のはじめに送信されるSYNパケットだけがパケット収集装置２０にルーティングされるため、パケット収集装置２０に必要となるディスク容量は通常のパッシブ計測の場合と比べると小さくて済む。

ステップ１１０） パケット収集装置２０でのパケット収集：
パケット収集装置２０には、存在しない宛先に送信される全てのパケットが到着するが、ここでは、特にTCP（Transmission Control Protocol）通信で利用されるSYNパケットを収集対象とし、SYNパケットのみをキャプチャする。収集する情報は、タイムスタンプ情報、送信元IPアドレス、宛先IPアドレス、送信元ポート番号、プロトコル番号などを含めたTCP SYNパケットに含まれる全てのヘッダ情報である。これらの情報をパケット収集装置２０内のメモリ（図示せず）に記録する
ステップ１２０） 遅延計算装置３０での事前処理：
図３は、本発明の第１の実施の形態におけるステップ１２０の処理のフローチャートである。

ステップ１２１） 遅延計算装置３０は、パケット収集装置２０のメモリ（図示せず）から収集パケット情報を読み込み、以下の処理を行う。

ステップ１２２） 送信元IPアドレス別分解処理：収集したパケット情報を送信元IPアドレス別パケットに分解する。

ステップ１２３） TCPセッションIP別分解処理：送信元IPアドレス別にパケットをTCPセッションID別パケットに分解する。

ステップ１２４） OS識別処理：TCPセッションID別パケットに対してOS識別を実施する。

ステップ１３０） 遅延計算装置３０での片方向遅延ジッタ計算処理：
遅延計算装置３０は、ステップ１０３の処理で得られた情報から以下の処理を行う。

(1)上記のステップ１２４の処理で抽出されたTCPセッションID別パケット情報のタイムスタンプ情報からパケット到着時間T_iとT_i+1の差分である到着間隔時間X_i=T_i+1−T_iを求め、メモリ（図示せず）に記録する。

(2)ステップ１２４で識別したOS情報からTCP再送タイムアウト時間RTO_iを調べる。

(3)ユーザ端末２からの片方向遅延（One-Way-Delay）をOWD_iを表すと、OWD_iとX_iとRTOの関係は式(1)のように表すことができる（図４参照）。

X _i =RTO_i−OWD_i＋OWD_i+1 式(1)
(4)上記の式(1)からジッタを求める。

△OWD_i+1 ＝OWD_i+1−OWD_iとすると、式(1)は式(2)のように変形でき、△OWD _i を求めることができる。

△OWD_i=X_i−RTO_i （片方向遅延ゆらぎ） 式(2)
ここで、△OWD_iはパケットの片方向遅延の揺らぎ（ジッタ）である。

(5)△OWD_iを複数求めることで、平均ジッダ値、最大ジッタ値といったネットワーク品質の指標を送信元IP別に計測することができる。

上記のようにして求められたジッタを品質測定結果をとして出力する。

上記のように、本実施の形態では、TCP通信における存在しない宛先へのパケット送信時のOS別再送挙動が予め分かっていることを利用して、パケットの到着間隔情報のみから通信品質を計測している。

［第２の実施の形態］
本実施の形態は、特許文献４（特許4472651号公報）に記載のIPv6/IPv4フォールバック問題を解決するTCPリセッタを前提としている。当該技術は、IPv4及びIPv6による通信可能なノードがIPv４アドレス及びIPv6アドレスの両方を登録しているサーバとの通信を確立する際の無駄な待ち時間を短縮するものである。

図５は、本発明の第２の実施の形態におけるシステム構成を示す。

同図において、図１と同一構成部分には同一符号を付し、その説明を省略する。

同図に示すシステムは、図１に示すシステムに、到達不能通知返信機構であるパケット応答装置４０が付加され、当該パケット応答装置４０がルーティング装置１０及びパケット収集装置２０に接続されている点において図１のシステム構成と異なる。

第１の実施形態では、ルーティング装置１０_１からルーティングされたパケットをパケット収集装置２０でキャプチャしていたが、本実施の形態では、パケット応答装置４０がルーティング装置１０_１からのSYNパケットを受信する。パケット応答装置４０は、SYNパケットを受け取ると、RSTパケットをユーザ端末２に返信する。このとき、遅延計算装置３０が、パケット応答装置４０内のSYNパケットを受信してRSTパケットを返信し、次のSYNパケットを受信するまでの間の時間Xを計測する。具体的には、IP網が複数あり、それらがIPv4網、IPv6網からなり、IPv4及びIPv6による通信可能なノードが、IPv4に基づくIPv4アドレス及びIPv6に基づくIPv6アドレスの両方を登録しているサーバとの通信を確立しようとした場合、ノードが、例えば、まず、IPv6による通信確立を試みると、当該ノードから送信されたIPvc6によるTCPセッション確立要求パケットは、IPv6網に設置されたパケット応答装置４０で受信される。そしてパケット応答装置４０において、受信したTCPセッション確立要求パケットの宛先アドレスを参照し、IPv6網から宛先アドレスで指定されたサーバへの接続経路の有無を判定し、接続経路がない場合に、RSTパケットを返信する。遅延計算装置３０は、この時間を計測する。

上記のシステムの動作を以下に示す。

図６は、本発明の第２の実施の形態における処理のフローチャートである。

ステップ２００） ルーティング装置１０_１〜１０_３において、ネットワーク１内に存在しない宛先に送信されるパケットのみをルーティングし、ルーティング装置１０_１はパケット応答装置４０にSYNパケットをルーティングする。

ステップ２１０） パケット応答装置４０は、SYNパケットを受信すると、当該パケットをパケット収集装置２０に送出し、当該SYNパケットの送信元に対してRSTパケットを送出する。このとき、受信したSYNパケット及び当該SYNパケットの送信元に返却したRSTパケットにタイムスタンプを付与する。

ステップ２２０） パケット収集装置２０は、第１の実施の形態のステップ１１０と同様に、パケット応答装置４０からパケットをキャプチャする。

ステップ２３０） 遅延計算装置３０は、第１の実施の形態と同様の事前処理を行う。

ステップ２４０） 遅延計算装置３０は、ステップ２３０により得られた情報に基づいて以下の処理を行う。

(1)TCP SYNパケットに含まれる全てのヘッダ情報から得られたTCPセッションＩＤ別パケット情報のタイムスタンプ情報から、パケット到着時間T_iとT_i+1の差分である到着間隔時間X _i ＝T _i+1 −T _iを記録する。

(2)遅延計算装置３０は、パケット収集装置２０のパケット収集のデータを読み取り、パケット応答装置４０におけるSYNパケットを受信してからRSTパケットを送信するまでの遅延RD _i を計測する。

(3)ステップ２３０の事前処理により識別したOS情報からRSTパケット受信してからSYNパケットを送信するまでのユーザ端末２における端末内遅延時間TD_iを調べる。なお、TDiはOS固有で設定されているものとする。

(4)上りの片方向遅延をOWD_i_up、下りの片方向遅延をOWD_i_downとすると、X_i、RD_i、TD_iの関係は式(3)のように表すことができる。

X _i ＝RD _i + TD _i + OWD _i _down + OWD _i+1 _up 式(3)
(5)ここで、往復遅延
RTT _i ＝OWD _i _up + OWD _i+1 _down
とすると、往復遅延RTT _iは式(4)で求められる。

RTT _i＝X_i −RD _i − TD _i （往復遅延） 式(4)
上記のようにして求められた往復遅延ジッタを品質測定結果として出力する。

上記のように、本実施の形態では、ネットワーク内の存在しない宛先へのパケットをパケット応答装置４０の１箇所に集めて計測しているため、パケット収集装置２０、遅延計算装置３０を１箇所に置けばよく、省コストでの品質測定が可能である。また、SYNパケットのみの収集であるため、収集コスト、分析コスト共に低い。

なお、上記の図１及び図５に示す遅延計算装置３０の各処理をプログラムとして構築し、遅延計算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。

１ ネットワーク
２ ユーザ端末
１０ ルーティング装置
２０ パケット収集装置
３０ 遅延計算装置
４０パケット応答装置

Claims (7)

1. 大規模ネットワーク上を流れるパケットのユーザ別の通信品質を推定するための品質測定システムであって、
   複数のルーティング装置、１台のパケット収集装置、１台の遅延計算装置を含むネットワークにユーザ端末が接続されており、
   前記ルーティング装置は、
   ネットワーク内に存在しない宛先に送信されるSYNパケットのみを前記パケット収集装置にルーティングする手段を有し、
   前記パケット収集装置は、
   前記ルーティング装置からルーティングされた前記SYNパケットのみをキャプチャし、該SYNパケットに含まれるヘッダ情報を収集する手段を有し、
   前記遅延計算装置は、
   前記ヘッダ情報から抽出したタイムスタンプ情報から求めたパケット間の到着間隔時間X _i 、該ヘッダ情報のOS情報に対応する再送タイムアウト時間RTO及びユーザ端末からの片方向遅延OWDからパケットの片方向遅延の揺らぎ△OWDを求める手段を有する
   ことを特徴とする品質測定システム。
2. 大規模ネットワーク上を流れるパケットのユーザ別の通信品質を推定するための品質測定システムであって、
   複数のルーティング装置、１台の到達不能通知返信装置、１台のパケット収集装置、１台の遅延計算装置を含むネットワークにユーザ端末が接続されており、
   前記ルーティング装置は、
   ネットワーク内に存在しない宛先に送信されるSYNパケットのみを前記到達不能通知返信装置にルーティングする手段を有し、
   前記到達不能通知返信装置は、
   前記ルーティング装置からルーティングされた前記SYNパケットに対するRSTパケットを該SYNパケットの送信元に送信する手段を有し、
   前記パケット収集装置は、
   前記到達不能通知返信装置を介して前記SYNパケットのみをキャプチャし、該SYNパケットに含まれるヘッダ情報を収集する手段を有し、
   前記遅延計算装置は、
   前記ヘッダ情報から抽出したタイムスタンプ情報からパケット間の到着時間の差分X _i を求め、前記到達不能通知返信装置から前記SYNパケットを受信してから前記RSTパケットを送信するまでの時間RD _i を求め、該ヘッダ情報のOS情報に基づいて該RSTパケットを受信してからSYNパケットを送信するまでのユーザ端末の時間TD _i を求め、上りの片方向遅延と下りの片方向遅延時間を加算して往復遅延を求める手段を有する
   ことを特徴とする品質測定システム。
3. 前記遅延計算装置は、
   パケット間の到着時間の差分をX_i=T_i+1−T _i 、前記再送タイムアウト時間RTO _i 、ユーザ端末からの片方向遅延OWD _i とし、
   X_i=RTO_i−OWD_i＋OWD_i+1
   △OWD_i+1 ＝OWD_i+1−OWD_iとし、片方向遅延の揺らぎ△OWD _i を、
   △OWD_i=X_i−RTO_i
   により求める手段を含む
   請求項１記載の品質測定システム。
4. 前記遅延計算装置は、
   パケットの到着間隔時間X _i 、前記時間RD _i 、前記時間TD _i 、前記上りの片方向遅延OWD _i _up、前記下りの片方向遅延OWD _i _downから
   X _i ＝RD _i+TD _i +OWD _i _down+OWD_i+1 _up
   を求め、往復遅延を
   RTT _i ＝OWD _i _up+OWD _i+1 _down
   RTT _i ＝X _i −RD _i −TD _i
   により求める手段を含む
   請求項２記載の品質測定システム。
5. 大規模ネットワーク上を流れるパケットのユーザ別の通信品質を推定するための品質推定方法であって、
   複数のルーティング装置、１台のパケット収集装置、１台の遅延計算装置を含むネットワークにユーザ端末が接続されているシステムにおいて、
   前記ルーティング装置が、
   ネットワーク内に存在しない宛先に送信されるSYNパケットのみを前記パケット収集装置にルーティングし、
   前記パケット収集装置が、
   前記ルーティング装置からルーティングされた前記SYNパケットのみをキャプチャし、該SYNパケットに含まれるヘッダ情報を収集し、
   前記遅延計算装置が、
   前記ヘッダ情報から抽出したタイムスタンプ情報から求めたパケット間の到着間隔時間X _i 、該ヘッダ情報のOS情報に対応する再送タイムアウト時間RTO及びユーザ端末からの片方向遅延OWDからパケットの片方向遅延の揺らぎ△OWDを求める
   ことを特徴とする品質推定方法。
6. 大規模ネットワーク上を流れるパケットのユーザ別の通信品質を推定するための品質推定方法あって、
   複数のルーティング装置、１台の到達不能通知返信装置、１台のパケット収集装置、１台の遅延計算装置を含むネットワークにユーザ端末が接続されているシステムにおいて、
   前記ルーティング装置が、
   ネットワーク内に存在しない宛先に送信されるSYNパケットのみを前記到達不能通知返信装置にルーティングし、
   前記到達不能通知返信装置が、
   前記ルーティング装置からルーティングされた前記SYNパケットに対するRSTパケットを該SYNパケットの送信元に送信し、
   前記パケット収集装置が、
   前記到達不能通知返信装置を介して前記SYNパケットのみをキャプチャし、該SYNパケットに含まれるヘッダ情報を収集し、
   前記遅延計算装置が、
   前記ヘッダ情報から抽出したタイムスタンプ情報からパケット間の到着時間の差分X _i を求め、前記到達不能通知返信装置から前記SYNパケットを受信してから前記RSTパケットを送信するまでの時間RD _i を求め、該ヘッダ情報のOS情報に基づいて該RSTパケットを受信してからSYNパケットを送信するまでのユーザ端末の時間TD _i を求め、上りの片方向遅延と下りの片方向遅延時間を加算して往復遅延を求める
   ことを特徴とする品質推定方法。
7. コンピュータを、
   請求項１乃至４のいずれか１項に記載の品質測定システムの遅延計算装置の手段として機能させるための品質推定プログラム。

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