JP6391100B2 - トラヒック観測システムおよび方法 - Google Patents

Description

本発明は、通信トラヒック観測技術に関し、特に汎用サーバに観測機能を付加してトラヒックを効率的に観測するトラヒック観測技術に関する。

近年、ネットワークの制御プレーンとデータプレーンを分離し、論理的集中管理によりネットワークサービスの自動化を実現するＳＤＮ（Software Defined Networking）関連技術が、将来の柔軟化指向ネットワークを実現するためのキーテクノロジーとして多くの関心を集めている。その影響はクラウドサービスを提供するためのデータセンタに留まらず、通信事業者の広域インフラの在り方に及んでいる。

背景として、汎用サーバの高性能化が挙げられる。２０１３年には世界の通信事業者が連携して、ＮＦＶ（Network Functions Virtualization）の構想が提唱されている。ＮＦＶは、特定ベンダの高価なプロプライエタリ・ハードウェア装置ではなく、安価なコモディティ・ハードウェアとネットワーク仮想化技術を用いて、ソフトウェア主体で迅速かつ柔軟にネットワークサービスを提供し、設備コストおよび運用コストの低減を図るものである。

このようなＳＤＮやＮＦＶによるネットワークに限らず、従来からのＩＰネットワークにおける負荷の高い処理のひとつに、通信トラヒック量を観測して情報収集・制御するネットワーク統計情報処理がある。ネットワーク管理者は輻輳を起こすことなく変動するトラヒックを収容しなければならない。従来、ネットワーク管理者はトラヒックを収容するために、冗長なリンク容量を用意することによってこの問題を回避してきた。しかしながら、このアプローチではトラヒック変動の増加に合わせて高いコストが必要になる。

多大なコストを必要せずに変動するトラヒックを収容する方法の一つとして、トラヒック変動に追随して経路を動的に設定する手法が検討されている。このアプローチはＴＥ（トラヒックエンジニアリング：Traffic Engineering）と呼ばれ盛んに研究されている。ＴＥでは通常、管理装置が設置されることになる。管理装置はネットワーク内のノードからトラヒック観測情報を収集し、次に、収集したトラヒック観測情報に基づいて適切な経路を算出する。

既存のＴＥの手法ではＮｅｔＦｌｏｗ（非特許文献１）やｓＦｌｏｗ（非特許文献２）などのトラヒック観測技術が用いられる。ＮｅｔＦｌｏｗは、トラヒック観測器はフロー毎にトラヒックカウンタを用意しパケットが到着するとそれらをインクリメントし、次に、管理装置はネットワーク上のすべてのトラヒック観測器からフロー統計値を収集しトラヒック観測情報を取得する方式である。一方で、ｓＦｌｏｗでは、トラヒック観測器サンプリングされたパケット情報を整理し直接管理装置に送信する方式であり、管理装置はサンプリングされたパケット情報に基づいてトラヒック情報を把握することができる。

B.Claise, "Cisco Systems NetFlow Services Export Version 9", RFC 3954, Oct.2004 Peter Phaal 他, "sFlow Version 5"，Jul.2004, http://sflow.org/sflow_version_5.txt 田中, "圧縮センシングの数理"，電子情報通信学会，Fundamentals Review, vol.4(2010), No.1, p.39-47 V. Abolghasemi, S. Ferdowsi, B. Makkiabadi, and S. Sanei,"On Optimization of the Measurement Matrix for Compressive Sensing", in Proceedings of European Signal Processing Conference, 2010, pp. 427-431. C. Luo, F. Wu, J. Sun, and C. W. Chen, "Compressive Data Gathering for Large-scale Wireless Sensor Networks", in Proceedings of ACM MobiCom, 2009, pp. 145-156.

しかしながら、このような従来技術では、制御周期が短くなると、観測データの収集も短い周期で行うことが必要となる。その結果、多量のトラヒックを収集することが必要となり、特に、観測器から転送されたトラヒック情報が集中するネットワーク管理装置に近いリンクに大きな負荷をかけてしまうという問題点があった。また、トラヒック観測に際し、観測器で多量のトラヒックをフロー単位に分類して観測を行う検討がなされているものの、観測器から管理装置へのトラヒック情報転送にかかる負荷については、十分に検討されていないという問題点があった。

本発明はこのような課題を解決するためのものであり、ネットワークに負荷をかけず、時間変動の大きなトラヒックをリアルタイムに観測するためのトラヒック観測技術を提供することを目的としている。

このような目的を達成するために、本発明にかかるトラヒック観測システムは、観測対象となるネットワークの各所に配置されて、指定されたフローに関するトラヒック量を観測して得られた観測データを送信する複数の観測器と、これら観測器から送信された観測データを収集する管理装置とを備えるトラヒック観測システムであって、前記観測器は、前記フローのトラヒック量を予め観測して得られた学習用の観測データに基づいて、指定された観測時点における観測データを予測値として予測するトラヒックモデルを生成し、前記管理装置へ通知するモデル生成部と、前記フローのトラヒック量を新たに観測して得られた観測データと、前記トラヒックモデルから得られた当該観測データの観測時点における予測値との差分値を量子化し、得られた差分データを送信する観測処理部とを備え、前記管理装置は、前記観測器から通知された前記トラヒックモデルを取得して保存するモデル管理部と、前記観測器から送信された前記差分データを受信して逆量子化し、得られた差分値と、前記トラヒックモデルから得られた当該差分データの元の観測データの観測時点における予測値とから、元の観測データを推定する収集処理部とを備え、前記観測器は、前記モデル生成部および前記観測処理部を含む観測機能部と、前記管理装置および自己以外の前記観測器とデータ通信を行うスイッチ部と、前記観測機能部と前記スイッチ部との間で前記観測データを高速転送するライブラリ部と、前記観測機能部に対して観測データを観測するための具体的な観測プログラムを提供する複数の観測アプリケーションと、前記スイッチ部を介して前記観測アプリケーションを前記観測機能部に接続する観測Ｉ／Ｆ部とを備えている。

本発明にかかる上記トラヒック観測システムの一構成例は、前記観測処理部が、前記差分データを送信する際、前記差分値が許容範囲内である場合には当該差分データの送信を省略するようにしたものである。

本発明にかかる上記トラヒック観測システムの一構成例は、前記観測処理部が、前記管理装置をルートとするツリー構造の収集経路に沿って、当該収集経路の下位ノードから送信された下位差分データを受信し、前記差分データを送信する際、当該差分データを当該下位差分データに付加して当該収集経路の上位ノードへ送信するようにしたものである。

本発明にかかる上記トラヒック観測システムの一構成例は、前記管理装置が、前記モデル管理部および前記収集処理部を含む収集機能部と、前記観測器とデータ通信を行うコントローラ部と、前記収集機能部と前記コントローラ部とを連携させるライブラリ部と、前記観測機能部に対して前記観測器を制御するための具体的な制御プログラムを提供する複数の制御アプリケーションと、前記コントローラ部を介して前記制御プログラムを前記収集機能部に接続する制御Ｉ／Ｆ部とを備えている。

本発明にかかるトラヒック観測方法は、観測対象となるネットワークの各所に配置されて、指定されたフローに関するトラヒック量を観測して得られた観測データを送信する複数の観測器と、これら観測器から送信された観測データを収集する管理装置とを備えるトラヒック観測システムで用いられるトラヒック観測方法であって、前記観測器が、前記フローのトラヒック量を予め観測して得られた学習用の観測データに基づいて、指定された観測時点における観測データを予測値として予測するトラヒックモデルを生成し、前記管理装置へ通知するモデル生成ステップと、前記観測器が、前記フローのトラヒック量を新たに観測して得られた観測データと、前記トラヒックモデルから得られた当該観測データの観測時点における予測値との差分値を量子化し、得られた差分データを送信する観測処理ステップと、前記管理装置が、前記観測器から通知された前記トラヒックモデルを取得して保存するモデル管理ステップと、前記管理装置が、前記観測器から送信された前記差分データを受信して逆量子化し、得られた差分値と、前記トラヒックモデルから得られた当該差分データの元の観測データの観測時点における予測値とから、元の観測データを推定する収集処理ステップとを備え、前記観測器は、観測機能部が、前記モデル生成ステップおよび前記観測処理ステップを実行する観測機能ステップと、スイッチ部が、前記管理装置および自己以外の前記観測器とデータ通信を行うスイッチステップと、ライブラリ部が、前記観測機能ステップと前記スイッチステップとの間で前記観測データを高速転送するライブラリステップと、複数の観測アプリケーションが、前記観測機能ステップに対して観測データを観測するための具体的な観測プログラムを提供する観測アプリケーションステップと、観測Ｉ／Ｆ部が、前記スイッチステップを介して前記観測アプリケーションステップを前記観測機能ステップに接続する観測Ｉ／Ｆステップとを備えている。

本発明にかかる上記トラヒック観測方法の一構成例は、前記観測処理ステップが、前記差分データを送信する際、前記差分値が許容範囲内である場合には当該差分データの送信を省略するようにしたものである。

本発明にかかる上記トラヒック観測方法の一構成例は、前記観測処理ステップが、前記管理装置をルートとするツリー構造の収集経路に沿って、当該収集経路の下位ノードから送信された下位差分データを受信し、前記差分データを送信する際、当該差分データを当該下位差分データに付加して当該収集経路の上位ノードへ送信するようにしたものである。

本発明によれば、観測器から管理装置には、観測データではなく、観測データよりデータサイズの小さい差分データが通知される。このため、ネットワークに負荷をかけず、時間変動の大きなトラヒックをリアルタイムに観測することが可能となる。

本発明にかかるトラヒック観測システムの構成を示すブロック図である。 本発明にかかるラヒック観測システムの構成例である。 観測器の構成を示すブロック図である。 管理装置の構成を示すブロック図である。 観測器におけるトラヒックモデル作成処理を示すフローチャートである。 観測器におけるトラヒック観測処理を示すフローチャートである。 観測器における符号化処理を示す説明図である。 管理装置におけるトラヒックモデル管理処理を示すフローチャートである。 管理装置におけるトラヒック収集処理を示すフローチャートである。 管理装置における復号処理を示す説明図である。

次に、本発明の一実施の形態について図面を参照して説明する。
［トラヒック観測システム］
まず、図１を参照して、本発明の一実施の形態にかかるトラヒック観測システム１について説明する。図１は、本発明にかかるトラヒック観測システムの構成を示すブロック図である。
このトラヒック観測システム１は、ＩＰネットワーク、さらにはＳＤＮやＮＦＶによるネットワークに適用されて、観測対象となるネットワークＮＷの各所に配置された複数の観測器ＴＲｉ（ｉは１〜ｎの整数：ｎは２以上の整数）で各フローｊ（ｊは１〜ｍの整数：ｍは２以上の整数）のトラヒック量を観測し、得られた観測データを、ネットワークＮＷを介して管理装置ＳＶで収集するためのシステムである。なお、理解を容易とするため、以下では、各観測器ＴＲｉで同一のフローｊを観測対象としている場合を例として説明するが、それぞれ異なるフローを観測対象としてもよい。

［本発明の原理］
本発明にかかるトラヒック観測システム１では、観測器ＴＲｉで観測したフローｊの観測データＸｉｊを管理装置ＳＶへ転送する際、観測データＸｉｊを符号化してデータ量を低減することにより、ネットワーク負荷を低減するようにしたものである。この具体的構成として、まず、観測器ＴＲｉと管理装置ＳＶとの間でフローｊごとにトラヒックモデルＭｉｊを共有しておき、フローｊの観測データＸｉｊを観測器ＴＲｉから管理装置ＳＶへ送信する際には、観測器ＴＲｉ側においてトラヒックモデルＭｉｊに基づき観測データＸｉｊを差分データＤＸｉｊに符号化して送信し、管理装置ＳＶ側において受信した差分データＤＸｉｊをトラヒックモデルＭｉｊに基づき復号して観測データＸｉｊを生成するようにしたものである。

また、観測器ＴＲｉにおいて、フローｊの観測データＸｉｊを転送する際、トラヒックモデルＭｉｊから得られた予測値Ｅｉｊと観測データＸｉｊとの差分値（予測誤差）Ｄｉｊが、予め設定されている許容範囲を超える観測データＸｉｊのみを、管理装置ＳＶへ転送することにより、転送データ量を時間方向に圧縮するようにしたものである。

また、観測データＸｉｊを管理装置ＳＶへ転送する際、予め設定した収集経路に沿って観測器ＴＲ間で観測データＸｉｊを順に転送するものとし、各観測器ＴＲｉにおいて下位の観測器ＴＲｋから転送された下位差分データＤＸｋに対して、自己で生成した差分データＤＸｉｊを付加して上位へ転送することにより、転送データ量を空間方向に圧縮するようにしたものである。

すなわち、本発明は、トラヒック観測情報がネットワーク帯域を圧迫する問題を解決するため、予測と連携して差分値（予測誤差）Ｄｉｊが許容範囲Ｄｍｉｊ内のエントリについては、管理装置ＳＶに対して観測データＸｉｊを送信せず、差分値（予測誤差）Ｄｉｊが許容範囲Ｄｍｉｊを超えたエントリについてのみ、予測値Ｅｉｊから生成した差分データＤＸｉｊを収集経路に沿って少数のパケットに圧縮して送信するようにしたものである。

当該手法では、各観測器ＴＲｉにおいて、過去に観測されたトラヒック情報をもとに、学習対象の各フローｊについて、予測用のトラヒックモデルＭｉｊを生成し、生成したトラヒックモデルＭｉｊを予め管理装置ＳＶに通知する。以後、各観測器ＴＲｉにおいては、各フローｊについて、生成しておいたトラヒックモデルＭｉｊから取得した予測値Ｅｉｊと、新たに観測した観測データＸｉｊとの差分値（予測誤差）Ｄｉｊを計算する。そして、差分値Ｄｉｊが予め設定されている許容範囲Ｄｍｉｊを超える場合は、差分値Ｄｉｊから差分データＤＸｉｊを生成する。これら差分データＤＸｉｊは、管理装置ＳＶをルートとするツリー構造の収集経路に沿って転送される。この際、各観測器ＴＲｉでは、下位ノードとなる観測器ＴＲｋからパケット転送されてきた差分データＤＸｋに、自己の差分データＤＸｉｊを付加することにより、少数のパケットとなるように圧縮した上で、上位ノードへ一括してパケット転送する。

この方法により、ネットワーク内のいずれの地点においても、観測周期ごとに少数のパケットしか流れず、ネットワークの帯域を圧迫することを防ぐことができる。管理装置ＳＶでは、送られてきた差分情報パケットに対して、復元処理を行い、各フローエントリの差分情報を得る。その後、各フローの予測モデルと当該差分情報を足し合わせることにより、当該時刻のトラヒック情報を得る。

図２は、本発明にかかるラヒック観測システムの構成例である。ここでは、６個の観測器ＴＲ１〜ＲＴ６が、ネットワークＮＷを構成する異なるノードにそれぞれ接続されており、これら観測器ＴＲ１〜ＲＴ６と管理装置ＳＶとが、ネットワークＮＷを介して接続されている。
観測器ＴＲｉ（ｉは１〜６の整数）は、それぞれのノードを経由する観測対象フローｊのトラヒック量を観測して観測データＸｉｊを取得し、予め生成しておいたトラヒックモデルＭｉｊに基づき観測データＸｉｊを符号化して差分データＤＸｉｊを生成し、管理装置ＳＶへ送信する。

この際、観測データＸｉｊの収集経路として、ＴＲ１・ＴＲ２→ＴＲ３→ＳＶとＴＲ４→ＴＲ５→ＴＲ６→ＳＶの２つが、予め設定されているものとする。したがって、観測器ＴＲ１から送信された差分データＤＸ１ｊと、観測器ＴＲ２で生成された差分データＤＸ２ｊとが、観測器ＴＲ３で受信されて、観測器ＴＲ３で生成された差分データＤＸ３ｊに付加され、管理装置ＳＶへ差分データＤＸ１ｊ＋ＤＸ２ｊ＋ＤＸ３ｊが転送される。

同じく、観測器ＴＲ４から送信された差分データＤＸ４ｊは、観測器ＴＲ５で受信されて、観測器ＴＲ５で生成された差分データＤＸ５ｊに付加されて、観測器ＴＲ６へ転送される。また、これら差分データＤＸ４ｊ＋ＤＸ５ｊは、観測器ＴＲ６で受信されて、観測器ＴＲ６で生成された差分データＤＸ６ｊに付加されて、管理装置ＳＶへ差分データＤＸ４ｊ＋ＤＸ５ｊ＋ＤＸ６ｊが転送される。

本発明では、後述する図７および図１０に示すように、観測データＸｉｊの符号化・復号を考えることによって、トラヒック観測への圧縮センシング適用を可能とする。非特許文献３に示すように、圧縮センシングは信号・画像処理の分野で注目されている技術で、データに含まれる冗長性を利用したサンプリングを行うことによってデータサイズの削減を図る。本発明では、圧縮センシングにおける原信号を各観測器ＴＲで観測タイミング（タイムスロット）ごとに発生する観測データとし、観測データを圧縮した収集対象情報を観測信号として管理装置ＳＶまで収集するものと考える。

この際、まず、観測データＸｉｊのモデル化を行う。トラヒックのモデル化が正確に行えれば、各時刻に観測された観測データＸｉｊとトラヒックモデルＭｉｊから得た予測値Ｅｉｊとの差Ｄｉｊをとることにより、得られる差分データＤＸｉｊは高いスパース性を示すと期待できる。事前にトラヒックモデルＭｉｊを観測器ＴＲｉと管理装置ＳＶとで共有しておけば、収集が必要な観測情報は差分データＤＸｉｊだけで済み、差分データＤＸｉｊに圧縮センシングを適用することによって収集オーバーヘッドの大幅な削減が期待できる。

各観測対象のフローｊに対してトラヒックモデルＭｉｊを構築し、観測器ＴＲｉと管理装置ＳＶとで共有をする。そして、観測器ＴＲｉでは、観測した観測データＸｉｊの差分値（誤差）Ｄｉｊが許容範囲Ｄｍｉｊを超えた場合に、差分データＤＸｉｊを管理装置ＳＶに伝える。この差分データＤＸｉｊを用いることにより、管理装置ＳＶでは正しい観測データＸｉｊを把握することができる。また、予測が正確に行える場合、各時刻において、差分値（誤差）Ｄｉｊが許容範囲Ｄｍｉｊを超える観測データＸｉｊ数は限られると考えられる。そのため差分データＤＸｉｊは、圧縮センシングの考え方を用いて圧縮して送信することができる。

［観測器の構成］
次に、図３を参照して、本実施の形態にかかる観測器ＴＲの構成について詳細に説明する。図３は、観測器の構成を示すブロック図である。
観測器ＴＲｉには、主な機能部として、観測機能部１１、スイッチ部１２、ライブラリ部１３、複数の観測アプリケーション１４、観測Ｉ／Ｆ部１５が設けられている。

観測機能部１１は、トラヒックモデルＭｉｊおよび差分データＤＸｉｊを生成する機能を有しており、主な処理部として、モデル生成部１１Ａと観測処理部１１Ｂとが設けられている。
モデル生成部１１Ａは、観測対象として指定されたフローｊの観測に先立って、過去に観測して得られた観測データＸｉｊのうち、予め指定された学習期間に得られた観測データＸｉｊを学習データとして選択し、これら学習データに基づいて、指定された観測時点ｔにおけるフローｊの観測データＸｉｊを予測値Ｅｉｊとして予測するトラヒックモデルＭｉｊを作成して、管理装置ＳＶへ通知する機能を有している。なお、トラヒックモデルＭｉｊの入力パラメータとなる観測時点ｔについては、観測タイミングを規定するタイムスロットに準じるものとする。

観測処理部１１Ｂは、観測対象フローｊのトラヒック量を新たに観測して得られた観測データＸｉｊ（１６）と、モデルデータＭＤｉｊ（１７）から再生したトラヒックモデルＭｉｊから得られた当該観測データＸｉｊの観測時点ｔにおける予測値Ｅｉｊとの差分値Ｄｉｊを量子化し、得られた差分データＤＸｉｊ（１８）を、観測器ＴＲｋからなる下位ノードから転送された下位差分データＤＸｋに付加して、観測器ＴＲまたは管理装置ＳＶからなる上位ノードへ送信する機能を有している。

スイッチ部１２は、ネットワークＮＷを介して管理装置ＳＶおよび自己以外の観測器ＴＲｉとの間で、パケットを送受信することによりデータ通信を行う機能を有している。
ライブラリ部１３は、観測機能部１１とスイッチ部１２との間で観測データＸｉｊを高速転送する機能を有している。
観測アプリケーション１４は、観測機能部１１に対して観測データＸｉｊを観測するための具体的な観測プログラムを提供する機能を有している。
観測Ｉ／Ｆ部１５は、スイッチ部１２を介して観測アプリケーション１４のプログラムを観測機能部１１に接続する機能を有している。

本発明の観測器ＴＲｉにおける構成上の特徴は、まず、図３に示すように、観測機能部１１を汎用サーバの拡張機能としてアドオン可能としている点である。これにより、観測性能が問題にならないケースでは、観測機能部１１をサーバプロセッサ上でソフトウェアとして実装してもよいし、観測性能が問題となる場合はＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）のようなプログラマブルデバイスに論理回路として観測機能部１１を実装してもよい。この場合、ＰＣＩ Ｅｘｐｒｅｓｓに代表されるシリアルＩ／Ｏインタフェースでサーバの拡張ボードとして観測機能部１１を実装することができ、サーバによるソフトウェア処理の柔軟性を保ちながら、処理性能を補うことが可能である。

また、他の特徴として、観測器ＴＲｉのスイッチ部１２は、レイヤ２／３のスイッチングおよびルーティングの動作を行う点である。スイッチ部１２については、典型的にはＡＳＩＣ（Applicatoin Specific Integrated Circuits）やＦＰＧＡのようなハードウェアとして実現することもできるし、仮想スイッチや仮想ルータのようなソフトウェアとして実装してもよい。いずれにしても、スイッチ部１２により、上位の観測アプリケーション１４および下位の観測機能部１１と接続する観測Ｉ／Ｆ部１５を結合することができる。このような構成とすることの利点として、ＳＤＮ／ＮＦＶに適した装置を構成できるだけでなく、従来のＩＰネットワークにも対応した装置構成を実現できる。

［管理装置の構成］
次に、図４を参照して、本実施の形態にかかる管理装置ＳＶの構成について詳細に説明する。図４は、管理装置の構成を示すブロック図である。
管理装置ＳＶには、主な機能部として、収集機能部２１、コントローラ部２２、ライブラリ部２３、複数の制御アプリケーション２４、制御Ｉ／Ｆ部２５が設けられている。

収集機能部２１は、トラヒックモデルＭｉｊの管理および観測データＸ‘ｉｊの収集を行う機能を有しており、主な処理部として、モデル管理部２１Ａと収集処理部２１Ｂとが設けられている。
モデル管理部２１Ａは、各観測器ＴＲｉから通知されたモデルデータＭＤｉｊを取得し、このモデルデータＭＤｉｊからトラヒックモデルＭｉｊを再生して、観測器ＴＲｉおよび観測対象フローｊごとに保存する機能を有している。
収集処理部２１Ｂは、各観測器ＴＲｉから送信された差分データＤＸｉｊを受信して逆量子化し、得られた差分値Ｄｉｊと、トラヒックモデルＭｉｊから得られた、当該差分データＤＸｉｊの元の観測データＸｉｊの観測時点ｔにおける予測値Ｅｉｊとから、元の観測データＸ‘ｉｊを推定して保存する機能を有している。

コントローラ部２２は、ネットワークＮＷを介して各観測器ＴＲｉとデータ通信を行うことによりこれら観測器ＴＲｉを制御する機能を有している。
ライブラリ部２３は、収集機能部２１とコントローラ部２２とを柔軟に連携させる機能を有している。
制御アプリケーション２４は、収集機能部２１に対して観測器ＴＲｉを制御するための具体的な制御プログラムを提供する機能を有している。
制御Ｉ／Ｆ部２５は、コントローラ部２２を介して制御アプリケーション２４のプログラムを収集機能部２１に接続する機能を有している。

本発明の管理装置ＳＶにおける構成上の特徴は、観測器ＴＲｉの構成同様、コントローラ部２２により、上位の制御アプリケーション２４および下位の収集機能部２１と接続する観測Ｉ／Ｆ部を結合するようにした点である。これにより、ＳＤＮ／ＮＦＶに適した装置を構成できるだけでなく、従来のＩＰネットワークにも対応した装置構成を実現できる。コントローラ部２２に関しては、制御アプリケーション２４の柔軟性を最大限に確保することが望ましいため、典型的にはソフトウェアで実装される。一般によく知られるＲｙｕやＴｒｅｍａなどオープンソースのコントローラを利用することもできる。なお、管理装置ＳＶは、典型的にはネットワークのフロー統計情報を収集するコレクタや、より高機能な統計情報アナライザとして構成してもよい。

［観測器の動作］
次に、図５〜図７を参照して、本発明にかかる観測器ＴＲｉの動作について説明する。図５は、観測器におけるトラヒックモデル作成処理を示すフローチャートである。図６は、観測器におけるトラヒック観測処理を示すフローチャートである。図７は、観測器における符号化処理を示す説明図であり、図７（ａ）はトラヒックモデルの符号化処理を示し、図７（ｂ）は観測データの符号化処理を示している。

［トラヒックモデル生成処理］
まず、観測器ＴＲｉにおけるトラヒックモデル生成処理について説明する。
観測器ＴＲｉは、管理装置ＳＶからの指示に応じて、観測対象フローｊのトラヒックモデルＭｉｊを生成する際、観測機能部１１のモデル作成部１１Ａにより図５に示すトラヒックモデル生成処理を実行する。

まず、モデル作成部１１Ａは、観測対象フローｊの観測に先立って観測した過去の観測データＸｉｊのうち、予め指定された学習期間に得られた観測データＸｉｊを学習データとして選択し（ステップ１００）、これら学習データに基づいて、指定された観測時点ｔにおいて観測器ＴＲｉで観測されるフローｊのトラヒック量を示す観測データＸｉｊを予測するトラヒックモデルＭｉｊを作成する（ステップ１０１）。

次に、モデル作成部１１Ａは、作成したトラヒックモデルＭｉｊを量子化してモデルデータＭＤｉｊを生成し（ステップ１０２）、このモデルデータＭＤｉｊを管理装置ＳＶへ送信する（ステップ１０３）。
また、モデル作成部１１Ａは、モデルデータＭＤｉｊを逆量子化してトラヒックモデルＭｉｊを再生し（ステップ１０４）、新たな観測データＸｉｊに対応する予測値Ｅｉｊを予測するためのトラヒックモデルＭｉｊとして保存し（ステップ１０５）、一連のトラヒックモデル作成処理を終了する。

［トラヒック観測処理］
次に、観測器ＴＲｉにおけるトラヒック観測処理について説明する。
観測器ＴＲｉは、管理装置ＳＶからの指示に応じて、観測対象フローｊのトラヒック量を周期的に観測する際、観測タイミングである観測時点ｔの到来ごとに、観測機能部１１の観測処理部１１Ｂにより図６に示すトラヒック観測処理を実行する。

まず、観測処理部１１Ｂは、観測対象フローｊのトラヒック量を観測して観測データＸｉｊを取得し（ステップ１１０）、フローｊに対応するトラヒックモデルＭｉｊから観測データＸｉｊの観測時点ｔにおける予測値Ｅｉｊを取得する（ステップ１１１）。
続いて、観測処理部１１Ｂは、これら観測データＸｉｊと予測値Ｅｉｊの差分値（予測誤差）Ｄｉｊを計算し（ステップ１１２）、差分値Ｄｉｊと許容範囲Ｄｍｉｊとを比較する（ステップ１１３）。

ここで、トラヒックエンジニアリングで必要となる観測データＸｉｊには誤差として一定の値を許容できる。この許容範囲Ｄｍｉｊは、観測データＸｉｊの誤差に対する許容範囲に基づき、管理装置ＳＶから各観測器ＴＲｉに対してフローｊごとに予め設定される。
したがって、差分値（予測誤差）Ｄｉｊが許容範囲Ｄｍｉｊ内である場合（ステップ１１３：ＹＥＳ）、観測データＸｉｊに代えて予測値Ｅｉｊを用いても誤差として許容されうることから、観測処理部１１Ｂは、管理装置ＳＶに対する観測データＸｉｊの送信が不要と判断し、一連のトラヒック観測処理を終了する。

一方、差分値（予測誤差）Ｄｉｊが許容範囲Ｄｍｉｊ外である場合（ステップ１１３：ＮＯ）、観測データＸｉｊに代えて予測値Ｅｉｊを用いてはいけないことから、観測処理部１１Ｂは、管理装置ＳＶに対する観測データＸｉｊの送信が必要と判断し、差分値Ｄｉｊを量子化して差分データＤＸｉｊを生成する（ステップ１１４）。

観測器ＴＲｉでは、まず、圧縮センシング適用対象となるデータのスパース性を確保するため、予測値からの差分データは事前に定められた量子サイズによって量子化する。フローｊの実際に観測された観測データをＴｊとし、トラヒックモデルＭｊから得られた予測値をＥｊとし、これらＴｊとＥｊの差分値をＤｊとし、量子化サイズをρとし、変数ｘの小数点以下切り捨て値を求める関数をｔｒｕｎｃ（ｘ）とした場合、フローｊに該当する差分データＤＸｊは、次の式（１）のように表される。

なお、ｔｒｕｎｃ（ｘ）は、０からの距離｜ｔｒｕｎｃ（ｘ）｜が｜ｘ｜を超えない最大整数のうちｘと同じ符号を持つ整数を示す関数であり、例えば、ｔｒｕｎｃ（０．４）＝０であり、ｔｒｕｎｃ（-１．２）＝-１である。

次に、観測処理部１１Ｂは、観測データＸｉｊの収集経路に沿って下位ノードから転送されてきた下位差分パケットＤＰｋから下位差分データＤＸｋを復元し（ステップ１１５）、得られた差分データＤＸｉｊを下位差分データＤＸｋに付加することにより、少数のパケットとなるように圧縮した上で（ステップ１１６）、上位ノードへ一括してパケット転送し（ステップ１１７）、一連のトラヒック観測処理を終了する。

下位差分パケットＤＰｋには、観測データＸｉｊの収集経路に沿って当該観測器ＴＲｉから下位に位置する観測器ＴＲｋで生成された下位差分データＤＸｋがそれぞれ含まれており、観測時点ｔに同期して下位から通知されているものとする。なお、管理装置ＳＶに通知すべき観測データＸｉｊがなく下位差分パケットＤＰｋが届いていない場合、自己の差分データＤＸｉｊのみを上位ノードへパケット転送することになる。

観測時点ｔにおける、ｈ個のフローｊの差分データをＤＸ１，ＤＸ２，…，ＤＸｈとし、これら差分データＤＸ１，ＤＸ２，…，ＤＸｈを用いて表される原信号をｘ＝（ＤＸ１，ＤＸ２，…，ＤＸｈ）とし、観測行列をＡとした場合、圧縮して得られる差分データに相当する観測信号ｙは、次の式（２）で求められる。この際、原信号ｘのサイズＳｘに対する観測信号ｙのサイズＳｙの比Ｓｘ／Ｓｙが、圧縮により得られる圧縮比に相当する。

本発明では、非特許文献４で述べられている手法を用い、コヒーレンシーが小さくなるよう、以下の値を最小化することによって観測行列Ａを定める。コヒーレンシーを小さい観測行列Ａを設定することによって、より広範囲のスパース性な信号に性能が良い圧縮センシングが適用可能になることが知られている。

［管理装置の動作］
次に、図８〜図１０を参照して、本発明にかかる管理装置ＳＶの動作について説明する。図８は、管理装置におけるトラヒックモデル管理処理を示すフローチャートである。図９は、管理装置におけるトラヒック収集処理を示すフローチャートである。図１０は、管理装置における復号処理を示す説明図であり、図１０（ａ）はトラヒックモデルの復号処理を示し、図１０（ｂ）は観測データの復号処理を示している。

［トラヒックモデル管理処理］
まず、管理装置ＳＶにおけるトラヒックモデル管理処理について説明する。
管理装置ＳＶは、観測器ＴＲｉから送信されたモデルデータＭＤｉｊに応じて、観測器ＴＲｉにおける観測対象フローｊのトラヒックモデルＭｉｊを保存する際、収集機能部２１のモデル管理部２１Ａにより図８に示すトラヒックモデル管理処理を実行する。

まず、モデル管理部２１Ａは、観測器ＴＲｉから送信されたモデルデータＭＤｉｊを受信し（ステップ１２０）、このモデルデータＭＤｉｊを逆量子化することにより、トラヒックモデルＭｉｊを再生し（ステップ１２１）、すでに保存されている観測データＸ‘ｉｊ復号用のトラヒックモデルＭｉｊを更新し（ステップ１２２）、一連のトラヒックモデル管理処理を終了する。

［トラヒック収集処理］
次に、管理装置ＳＶにおけるトラヒック収集処理について説明する。
管理装置ＳＶは、各観測器ＴＲｉから観測対象フローｊのトラヒック量を周期的に収集する際、観測時点ｔの到来ごとに、収集機能部２１の収集処理部２１Ｂにより図９に示すトラヒック収集処理を実行する。

まず、収集処理部２１Ｂは、観測データＸｉｊの収集経路に沿って下位ノードから転送されてきた下位差分パケットＤＰｋを受信し（ステップ１３０）、差分パケットＤＰｋから観測器ＴＲｉにおけるフローｊに関する差分データＤＸｉｊを復元する（ステップ１３１）。

本発明において、圧縮された差分データに相当する観測信号ｙから、各フローｊの差分データＤＸｊ（ｊ＝１〜ｈ：ｈは２以上の整数）に相当する原信号ｘ‘を復元する際、最も一般的な再構成アルゴリズムである、ＯＭＰ（Orthogonal Matching Pursuit）アルゴリズムを用いて復元する。この際、原信号ｘ‘は次の式（４）により得ることができる。

ここで、差分データＤＸｉｊが復元できた場合（ステップ１３１：ＹＥＳ）、収集処理部２１Ｂは、差分データＤＸｉｊを逆量子化して差分値Ｄｉｊを生成する（ステップ１３２）。この後、収集処理部２１Ｂは、トラヒックモデルＭｉｊから観測時点ｔにおいて観測器ＴＲｉでフローｊから観測される観測データＸｉｊの予測値Ｅｉｊを取得し（ステップ１３３）、予測値Ｅｉｊと差分値Ｄｉｊとから観測データＸ‘ｉｊを推定して（ステップ１３４）、観測データＸ‘ｉｊとして保存した後（ステップ１３５）、一連のトラヒック収集処理を終了する。

一方、ステップ１３１において、差分データＤＸｉｊが復元できなかった場合（ステップ１３１：ＮＯ）、収集処理部２１Ｂは、トラヒックモデルＭｉｊから観測時点ｔにおいて観測器ＴＲｉでフローｊから観測される観測データＸｉｊの予測値Ｅｉｊを取得し（ステップ１３６）、得られた予測値Ｅｉｊを観測データＸ‘ｉｊとして保存した後（ステップ１３７）、一連のトラヒック収集処理を終了する。

各フローｊの差分データＤＸｊ（ｊ＝１〜ｈ）に相当する原信号をｘ‘とし、トラヒックモデルＭｊから得られた予測値をＥｊとし、量子化サイズをρとした場合、観測データＴ’は、次の式（５）により求められる。

［階層的観測データの収集］
各観測器ＲＴｉ（観測地点）で発生した、スパースである差分データＤＸｉｊを１パケットに集約して送る方法として、ＣＤＧ（Compressive Data Gathering）を用いてもよい。ＣＤＧは、圧縮センシングされたセンサ情報の低帯域な収集方法であり、非特許文献５では、大規模センサネットワークにおけるセンサ情報収集に応用されている。各観測地点で生成された観測信号を、収集経路上で圧縮・集約していくことによって、１パケットによる観測情報の収集が可能となる。本来は、異なる観測地点で別空間の観測信号が生成されるところを、原信号を観測地点を超えて同空間に定義することによって、観測システム全体で一つの観測信号の定義が可能となる。

観測器ＴＲｉにおいて生成される圧縮データｙｉは、木構造で形成される収集経路において自身の下位ノードｋとなる観測器ＴＲｋから送られた圧縮データｙｋと、自身のフローの観測結果ｘｉとから、次の式（６）で表される。

ただし、式（６）において、Ｘｉは観測器ＴＲｉで観測されないフローについては「０」としたベクトルであり、Ｃｉは観測器ＴＲｉの下位ノードｋの集合である。
このような階層的に形成された収集経路上の各観測器ＴＲｉで圧縮を行うことによって、管理装置ＳＶ付近のリンクの帯域使用率を削減することができると考えられる。

なお、本実施の形態では、トラヒックモデルＭｉｊについては、トラヒック観測の開始に先立って、各観測器ＴＲｉから管理装置ＳＶへ通知しておくものとして説明したが、必要に応じて、トラヒックモデルＭｉｊを自動更新するようにしてもよい。

すなわち、観測器ＴＲｉと管理装置ＳＶとで、同じトラヒックモデルＭｉｊを共有することができれば、観測データＸｉｊの収集に必要なデータは差分データＤＸｉｊのみであり、量子化によって得られる差分データＤＸｉｊはスパースであることが期待できる。しかし、一般的に遠い将来であればあるほど、トラヒックモデルＭｉｊによって取得できる予測値Ｅｉｊと観測される観測データＸｉｊとの差分データＤＸｉｊは大きくなり、量子化によって得られる差分データＤＸｉｊのスパース性は低下することが考えられる。このため、データのスパース性低下によって、圧縮センシングの性能が悪化し、観測誤差Ｄｉｊを許容範囲Ｄｍｉｊ内に抑えるために必要な観測信号のサイズ拡大を引き起こしてしまう。

したがって、このような事態を防ぐために、観測器ＴＲｉと管理装置ＳＶの動作として、トラヒックモデルＭｉｊの正確性のチェックおよび更新処理が必要である。ここで、各フローｊのトラヒック量の真値は、観測器ＴＲｉしか知り得ないので、トラヒックモデルＭｉｊの正確性のチェックは観測器ＴＲｉが行うことになる。トラヒックモデルＭｉｊの更新の必要性の判定は、様々な判定ルールが考えられる。例えば、モデル作成部１１Ａにおいて、フローｊから得られた差分値Ｄｉｊが、一定タイムスロット数以上連続して許容範囲Ｄｍｉｊを超えた場合、トラヒックモデルＭｉｊの更新が必要と判断してもよい。これにより、現行のトラヒックモデルＭｉｊの作成に用いた学習データより後に観測された学習データに基づき、新たなトラヒックモデルＭｉｊを作成して管理装置ＳＶに通知すればよい。

［本実施の形態の効果］
このように、本実施の形態は、観測器ＴＲｉにおいて、モデル生成部１１Ａが、観測対象となるフローｊのトラヒック量を予め観測して得られた学習データに基づき、指定された観測時点における観測データＸｉｊを予測値Ｅｉｊとして予測するトラヒックモデルＭｉｊを生成して管理装置ＳＶへ通知し、観測処理部１１Ｂが、フローｊを新たに観測して得られた観測データＸｉｊと、トラヒックモデルＭｉｊから得られた当該観測時点ｔにおける予測値Ｅｉｊとの差分値Ｄｉｊを量子化し、得られた差分データＤＸｉｊを送信し、管理装置ＳＶにおいて、モデル管理部２１Ａが、観測器ＴＲｉから通知されたトラヒックモデルＭｉｊを取得して保存し、収集処理部２１Ｂが、観測器ＴＲｉから送信された差分データＤＸｉｊを受信して逆量子化し、得られた差分値Ｄｉｊと、トラヒックモデルＭｉｊから得られた当該差分データＤＸｉｊの元の観測データＸ‘ｉｊの観測時点ｔにおける予測値Ｅｉｊとから、元の観測データＸ‘ｉｊを推定するようにしたものである。

これにより、観測器ＴＲｉから管理装置ＳＶには、観測データＸｉｊではなく、観測データＸｉｊよりデータサイズの小さい差分データＤＸｉｊが通知される。このため、ネットワークＮＷに負荷をかけず、時間変動の大きなトラヒックをリアルタイムに観測することが可能となる。本発明は、実装するプログラムおよびデバイスの別を問わず、通信用デバイス一般に適用することができる。

また、本実施の形態において、観測処理部１１Ｂが、差分データＤＸｉｊを送信する際、差分値Ｄｉｊが許容範囲Ｄｍｉｊ内である場合には当該差分データＤＸｉｊの送信を省略するようにしてもよい。
これにより、トラヒック観測時に、各観測器ＴＲｉから管理装置ＳＶに対して転送する転送データ量を、時間方向に圧縮することができ、ネットワークＮＷに対する負荷を軽減することが可能となる。

また、本実施の形態において、観測処理部１１Ｂが、管理装置ＳＶをルートとするツリー構造の収集経路に沿って、当該収集経路の下位ノードから送信された下位差分データＤＸｋを受信し、差分データＤＸｉｊを送信する際、当該差分データＤＸｉｊを当該下位差分データＤＸｋに付加して当該収集経路の上位ノードへ送信するようにしてもよい。
これにより、トラヒック観測時に、各観測器ＴＲｉから管理装置ＳＶに対して転送する転送データ量を、空間方向に圧縮することができ、ネットワークＮＷに対する負荷を軽減することが可能となる。

［実施の形態の拡張］
以上、実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明のスコープ内で当業者が理解しうる様々な変更をすることができる。また、各実施形態については、矛盾しない範囲で任意に組み合わせて実施することができる。

また、本発明の実施形態が示され、説明がなされた。実施形態の説明において「〜手段」と説明しているものは、「〜回路」、「〜装置」、「〜機器」であってもよく、また、「〜ステップ」、「〜部」、「〜処理」であってもよい。本実施形態で示したハードウェアアシストによる走査処理の高速性、およびプログラムによるトラヒック走査設定の柔軟性の両立を可能とするような命令セットを、特定用途向けプロセッサが具備する構成を最良の形態と見なしているものの、「〜手段」として説明しているものは、ＲＯＭに記憶されたファームウェアおよび再構成型デバイス・素子・基板・配線などのハードウェアで実現されていても構わない。或いは、ソフトウェアとハードウェアとの組み合わせ、さらには、ファームウェアとの組み合わせで実施されても構わない。ファームウェアとソフトウェアは、プログラムとして、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク、ＤＶＤ等の記録媒体に記憶される。プログラムはＣＰＵにより読み出されて実行される。すなわち、プログラムは、本発明の実施形態の「〜手段」としてコンピュータを機能させるものである。あるいは、実施形態の「〜手段」の手順や方法をコンピュータに実行させるものである。

１…トラヒック観測システム、ＴＲ，ＴＲｉ…観測器、１１…観測機能部、１１Ａ…モデル生成部、１１Ｂ…観測処理部、１２…スイッチ部、１３…ライブラリ部、１４…観測アプリケーション、１５…観測Ｉ／Ｆ部、ＳＶ…管理装置、２１…収集機能部、２１Ａ…モデル管理部、２１Ｂ…収集処理部、２２…コントローラ部、２３…ライブラリ部、２４…制御アプリケーション、２５…制御Ｉ／Ｆ部、ｊ…フロー、Ｍｉｊ…トラヒックモデル、Ｘｉｊ，Ｘ‘ｉｊ…観測データ、Ｅｉｊ…予測値、Ｄｉｊ…差分値、Ｄｍｉｊ…許容範囲、ＤＸｉｊ…差分データ、ＤＰｉ…差分パケット、ＤＸｋ…下位差分データ、ＤＰｋ…下位差分パケット。

Claims (7)

1. 観測対象となるネットワークの各所に配置されて、指定されたフローに関するトラヒック量を観測して得られた観測データを送信する複数の観測器と、これら観測器から送信された観測データを収集する管理装置とを備えるトラヒック観測システムであって、
   前記観測器は、
   前記フローのトラヒック量を予め観測して得られた学習用の観測データに基づいて、指定された観測時点における観測データを予測値として予測するトラヒックモデルを生成し、前記管理装置へ通知するモデル生成部と、
   前記フローのトラヒック量を新たに観測して得られた観測データと、前記トラヒックモデルから得られた当該観測データの観測時点における予測値との差分値を量子化し、得られた差分データを送信する観測処理部とを備え、
   前記管理装置は、
   前記観測器から通知された前記トラヒックモデルを取得して保存するモデル管理部と、
   前記観測器から送信された前記差分データを受信して逆量子化し、得られた差分値と、前記トラヒックモデルから得られた当該差分データの元の観測データの観測時点における予測値とから、元の観測データを推定する収集処理部とを備え、
   前記観測器は、
   前記モデル生成部および前記観測処理部を含む観測機能部と、
   前記管理装置および自己以外の前記観測器とデータ通信を行うスイッチ部と、
   前記観測機能部と前記スイッチ部との間で前記観測データを高速転送するライブラリ部と、
   前記観測機能部に対して観測データを観測するための具体的な観測プログラムを提供する複数の観測アプリケーションと、
   前記スイッチ部を介して前記観測アプリケーションを前記観測機能部に接続する観測Ｉ／Ｆ部とを備える
   ことを特徴とするトラヒック観測システム。
2. 請求項１に記載のトラヒック観測システムにおいて、
   前記観測処理部は、前記差分データを送信する際、前記差分値が許容範囲内である場合には当該差分データの送信を省略することを特徴とするトラヒック観測システム。
3. 請求項１または請求項２に記載のトラヒック観測システムにおいて、
   前記観測処理部は、前記管理装置をルートとするツリー構造の収集経路に沿って、当該収集経路の下位ノードから送信された下位差分データを受信し、前記差分データを送信する際、当該差分データを当該下位差分データに付加して当該収集経路の上位ノードへ送信することを特徴とするトラヒック観測システム。
4. 請求項１〜請求項３のいずれかに記載のトラヒック観測システムにおいて、
   前記管理装置は、
   前記モデル管理部および前記収集処理部を含む収集機能部と、
   前記観測器とデータ通信を行うコントローラ部と、
   前記収集機能部と前記コントローラ部とを連携させるライブラリ部と、
   前記観測機能部に対して前記観測器を制御するための具体的な制御プログラムを提供する複数の制御アプリケーションと、
   前記コントローラ部を介して前記制御プログラムを前記収集機能部に接続する制御Ｉ／Ｆ部と
   を備えることを特徴とするトラヒック観測システム。
5. 観測対象となるネットワークの各所に配置されて、指定されたフローに関するトラヒック量を観測して得られた観測データを送信する複数の観測器と、これら観測器から送信された観測データを収集する管理装置とを備えるトラヒック観測システムで用いられるトラヒック観測方法であって、
   前記観測器が、前記フローのトラヒック量を予め観測して得られた学習用の観測データに基づいて、指定された観測時点における観測データを予測値として予測するトラヒックモデルを生成し、前記管理装置へ通知するモデル生成ステップと、
   前記観測器が、前記フローのトラヒック量を新たに観測して得られた観測データと、前記トラヒックモデルから得られた当該観測データの観測時点における予測値との差分値を量子化し、得られた差分データを送信する観測処理ステップと、
   前記管理装置が、前記観測器から通知された前記トラヒックモデルを取得して保存するモデル管理ステップと、
   前記管理装置が、前記観測器から送信された前記差分データを受信して逆量子化し、得られた差分値と、前記トラヒックモデルから得られた当該差分データの元の観測データの観測時点における予測値とから、元の観測データを推定する収集処理ステップと
   を備え、
   前記観測器は、
   観測機能部が、前記モデル生成ステップおよび前記観測処理ステップを実行する観測機能ステップと、
   スイッチ部が、前記管理装置および自己以外の前記観測器とデータ通信を行うスイッチステップと、
   ライブラリ部が、前記観測機能ステップと前記スイッチステップとの間で前記観測データを高速転送するライブラリステップと、
   複数の観測アプリケーションが、前記観測機能ステップに対して観測データを観測するための具体的な観測プログラムを提供する観測アプリケーションステップと、
   観測Ｉ／Ｆ部が、前記スイッチステップを介して前記観測アプリケーションステップを前記観測機能ステップに接続する観測Ｉ／Ｆステップとを備える
   ことを特徴とするトラヒック観測方法。
6. 請求項５に記載のトラヒック観測方法において、
   前記観測処理ステップは、前記差分データを送信する際、前記差分値が許容範囲内である場合には当該差分データの送信を省略することを特徴とするトラヒック観測方法。
7. 請求項５または請求項６に記載のトラヒック観測方法において、
   前記観測処理ステップは、前記管理装置をルートとするツリー構造の収集経路に沿って、当該収集経路の下位ノードから送信された下位差分データを受信し、前記差分データを送信する際、当該差分データを当該下位差分データに付加して当該収集経路の上位ノードへ送信することを特徴とするトラヒック観測方法。