JP6900833B2 - 通信システム、通信方法および通信処理プログラム - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、通信システム、通信方法および通信処理プログラムに関する。

インターネット上のWEBアプリケーションは、複数のアプリケーションロジック（以降、ロジックと称することがある）の組み合わせにより実現され、大別して二つの実現方法がある。

一つ目の実現方法は、モノリシック（一枚岩）と呼ばれ、この方法では、WEBアプリケーションは、単一の実行プロセス（実行ファイル）内に全てのロジックを実装することで実現される。
二つ目の実現方法は、マイクロサービスと呼ばれ、この方法では、WEBアプリケーションは、複数のロジックを複数の実行プロセスに分割し、これらのプロセスを組み合わせることで実現される。このマイクロサービスは、分散アプリケーションとして実現できるため、ロジックを地理的に分散された複数のサーバに配置することで、性能をさらに向上することができる（例えば非特許文献１参照）。

例えば、アプリケーションの利用者に、地理的に近い場所のサーバにロジックを配置することで、通信速度が向上し、アプリケーションの応答時間を高速化できる。
また、ロジックの種類ごとに動作時のハードウェア要件が異なるため、ロジックの動作に最適なハードウェア要件を満たすサーバにロジックを配置することで、ロジックの性能を最大化することもできる。

地理的に分散したマイクロサービスを実現する分散アプリケーションは、ロジックを配置できるサーバの候補が複数選択できる状況下において、ロジックをどのように分散配置するかによって性能が大きく変化する。
地理的に分散された複数のサーバ上に各ロジックを分散配置すると、アプリケーションの性能やスケーラビリティを向上することができる。

しかし、地理的に分散された複数のサーバ上に各ロジックを分散配置する場合、地理的に分散された複数のサーバ間でロジック間の通信が行われるようになる。ロジック間の通信量が大きくなると、地理的に分散された複数のサーバ間で大量のトラヒックが発生するため、サーバ間のネットワークの負荷が増大してしまうという課題がある。そこで、ネットワークのトラヒックを削減する仕組みが必要となる。

図１０は、従来技術を用いた通信システムに適用される冗長トラヒック（冗長性を有するデータを含むトラヒック）削減機能の具体例を示す図である。
この図１０では、送受信されるトラヒックにおいて、通信パケット（パケットと称することもある）に含まれる冗長性を削減するための「Redundancy Elimination」という技術の動作例を示す。複数の通信パケットには、冗長性を持つデータが含まれているが、上記のRedundancy Eliminationの技術を用いることで、冗長性を持つデータを削減することができる（例えば非特許文献２参照）。

図１０に示した例では、冗長トラヒック削減機能#1を有する装置（以降、単に、冗長トラヒック削減機能#1と称することがある）と冗長トラヒック削減機能#2を有する装置（以降、単に、冗長トラヒック削減機能#2と称することがある）とからなる２つの装置をネットワークの両端に設置する。図１０に示した例では、帯域が太いネットワーク１０１、冗長トラヒック削減機能#1、帯域が細いネットワーク１０２、冗長トラヒック削減機能#2、帯域が太いネットワーク１０３の順でデータの伝送がなされる。そして、冗長トラヒック削減機能#1と冗長トラヒック削減機能#2の双方に「キャッシュA」と「キャッシュB」をそれぞれ保存する。「キャッシュA」と「キャッシュB」は、冗長性の削減を行なう前の元のデータである。これらの保存を行なうために、例えば別のネットワーク機器が「キャッシュA」と「キャッシュB」を冗長トラヒック削減機能#1、#2にネットワーク経由で送信し、これらの「キャッシュA」と「キャッシュB」を遠隔で冗長トラヒック削減機能#1、#2に保存する。

例えば、冗長トラヒック削減機能#1と冗長トラヒック削減機能#2を経由するトラヒック１１１（以降、元のトラヒック１１１と称することがある）に、「キャッシュA」と同一のデータが含まれる場合、２つの装置間で元のトラヒック１１１をそのまま送受信するのではなく、元のトラヒックにおけるキャッシュAのデータと同一の部分を、キャッシュAの索引情報に変換して、冗長性削減後のトラヒック１１２として冗長トラヒック削減機能#1，#2の間で送受信する。

索引情報とは、冗長トラヒック削減機能において、特定のキャッシュを素早く参照できるように、各キャッシュを特定の順番に並べ、このキャッシュの項目が出現する物理的な位置を示す情報である。キャッシュ自体のデータサイズと比較して、索引情報のデータサイズは小さいことが一般的である。

元のトラヒック１１１に含まれるデータに、冗長トラヒック削減機能#1と冗長トラヒック削減機能#2が保持するキャッシュと同一のデータが含まれる場合、冗長トラヒック削減機能#1と冗長トラヒック削減機能#2との間で、冗長性削減後のトラヒック１１２（キャッシュAの索引情報を含むデータ）を送受信する。

例えば、図１０に示した例では、元のトラヒック１１１の中で冗長性が削減されたデータである、冗長性削減後のトラヒック１１２を、冗長トラヒック削減機能#2が受信した場合、冗長トラヒック削減機能#2は、この冗長性削減後のトラヒック１１２に含まれる部分である、キャッシュAの索引情報の部分を、キャッシュA自体のデータに復元することで、元のトラヒック１１３に戻すことができる。この効果により、元のトラヒックの情報量（意味）を失うことなく、各冗長トラヒック削減機能の間でトラヒックを削減することができるようになる。

図１１は、従来技術における通信システムに適用される冗長トラヒック削減機能の配置例を示す図である。
従来技術では、冗長トラヒック削減機能をハードウェアの装置として実現する。図１１に示した例では、通信システムにおける、冗長トラヒック削減機能の適用先の通信経路は、ユーザ端末１２０、無線アクセス網１２１、無線基地局（基地局と称することがある）１２２、有線アクセス網１２３、有線コア網１２４、ゲートウェイ１２５、データセンタ網１２６、サーバ１２７の順で接続されて構成される。

図１１に示した例では、冗長トラヒック削減機能#1を実現する装置と、データセンタのゲートウェイに、冗長トラヒック削減機能#2を実現する装置を無線基地局にそれぞれ配置する。図１１では、冗長トラヒック削減機能#1と冗長トラヒック削減機能#2を有する、仮想的な冗長トラヒック削減機能部１３０について示す。これにより、有線コア網１２４と有線アクセス網１２３との間で送受信される通信パケットの中に含まれる冗長トラヒックを削減することができる。

O'Reilly Media."Microservice Architecture: Aligning Principles, Practices, and Culture," July, 2016. N. T. Spring, D. Wetherall, "A Protocol-Independent Technique for Eliminating Redundant Network Traffic," Proc. of ACM SIGCOMM’00, 2000.

上記の従来技術を用いることで、有線コア網と有線アクセス網との間の冗長トラヒックを削減することができる。しかし、ユーザが分散アプリケーションと通信をする際に発生する通信トラヒックを削減するために、従来技術の中で下記の５つの課題を解決していく必要がある。

（課題ａ）従来技術では、地理的に分散されたサーバの拠点数が増加すると、通信経路の数が増加するため、冗長トラヒック削減機能の装置の設置数が増加し、機器設置コストが増加してしまう。そこで、機器設置コストを抑えることができるトラヒック削減方式が必要となる。

（課題ｂ）ネットワーク内に冗長トラヒック削減機能の装置を設置する従来技術では、（１）ユーザ端末から無線基地局の間の「無線アクセス網のトラヒック」と、（２）データセンタのゲートウェイから各サーバの間の「データセンタ内トラヒック」とを削減することはできない。そこで、これら「無線アクセス網のトラヒック」と「データセンタ内トラヒック」を削減できる方式が必要となる。

（課題ｃ）ユーザとサーバ間の通信が暗号化されている場合、従来技術では冗長トラヒック削減機能が機能しなくなり、トラヒックを削減することができなくなる。そこで、暗号化トラヒックに対応できる仕組みが必要となる。

（課題ｄ）冗長トラヒック削減機能を実現する装置の性能が乏しい場合、通信トラヒックの増大等により装置の負荷が高くなると、通信性能が著しく劣化してしまう。そこで、冗長トラヒック削減機能を実現する装置の負荷を抑えたトラヒック削減方式が必要となる。

（課題ｅ）夜間のバッチ処理やシステムアップデートなどの際に、冗長トラヒック削減機能に対して通常時よりも大容量の通信が発生することがある。そこで、バーストトラヒックに対応できる仕組みが必要となる。

本発明の目的は、通信トラヒックに含まれるデータの冗長性の削減の実施を適正化することができる通信システム、通信方法および通信処理プログラムを提供することである。

上記目的を達成するために、この発明の一実施形態における通信制御システムの第１の態様は、ユーザ端末とサーバとの間でネットワークを介して通信を行う通信システムにおいて、前記ユーザ端末および前記サーバの一方は、前記ユーザ端末および前記サーバの他方に送信する通信パケット中のトラヒックに含まれるデータである、冗長性を有するデータを索引情報に変換することで、冗長性を削減したトラヒックを含む通信パケットを生成する第１の冗長トラヒック削減機能と、前記生成された通信パケットを前記ユーザ端末および前記サーバの他方に送信する機能とを備え、前記ユーザ端末および前記サーバの他方は、前記冗長性を有するデータと同じデータをキャッシュとして保持する機能と、前記送信された通信パケットを受信すると、この通信パケット中のトラヒックに含まれるデータである、前記第１の冗長トラヒック削減機能により変換されたデータを前記キャッシュとして保持されたデータに変換することで、冗長性を削減する前のトラヒックを復元する第２の冗長トラヒック削減機能とを備え、前記ユーザ端末および前記サーバの一方は、前記第１の冗長トラヒック削減機能により冗長性を削減したトラヒックを含む通信パケットに対する暗号化を行なう機能を、さらに備え、前記送信する機能は、前記暗号化を行なった後の通信パケットを前記ユーザ端末および前記サーバの他方に送信し、前記ユーザ端末および前記サーバの他方は、前記送信された通信パケットを受信すると、この通信パケットに対する復号化を行う機能を、さらに備え、前記第２の冗長トラヒック削減機能は、前記復号化を行った後の通信パケットにより、冗長性を削減する前のトラヒックを復元するシステムを提供する。
この発明の一実施形態における通信制御システムの第２の態様は、ユーザ端末とサーバとの間でネットワークを介して通信を行う通信システムにおいて、前記ユーザ端末および前記サーバの一方は、前記ユーザ端末および前記サーバの他方に送信する通信パケット中のトラヒックに含まれるデータである、冗長性を有するデータを索引情報に変換することで、冗長性を削減したトラヒックを含む通信パケットを生成する第１の冗長トラヒック削減機能と、前記生成された通信パケットを前記ユーザ端末および前記サーバの他方に送信する機能とを備え、前記ユーザ端末および前記サーバの他方は、前記冗長性を有するデータと同じデータをキャッシュとして保持する機能と、前記送信された通信パケットを受信すると、この通信パケット中のトラヒックに含まれるデータである、前記第１の冗長トラヒック削減機能により変換されたデータを前記キャッシュとして保持されたデータに変換することで、冗長性を削減する前のトラヒックを復元する第２の冗長トラヒック削減機能とを備え、前記通信システムは、前記サーバまたは前記ユーザ端末との間で前記ネットワークを介して通信を行うネットワーク機器を、さらに備え、前記第１の冗長トラヒック削減機能は、前記冗長性を有するデータの一部を索引情報に変換することで、冗長性を削減したトラヒックを生成し、前記ネットワーク機器は、前記冗長性を有するデータのうち、前記第１の冗長トラヒック削減機能により索引情報に変換されなかったデータの少なくとも一部を索引情報に変換することで、冗長性をさらに削減したトラヒックを含む通信パケットを生成する第３の冗長トラヒック削減機能と、前記生成された通信パケットを前記ユーザ端末および前記サーバの他方に送信する機能とを備えるシステムを提供する。

上記構成の通信システムの第３の態様は、第２の態様において、前記ユーザ端末、前記サーバ、および前記ネットワーク機器のいずれかは、前記ユーザ端末および前記サーバの他方が前記キャッシュとして保持するデータを、前記ユーザ端末と前記サーバとの間で伝送する新たな通信パケット中のトラヒックに含まれるデータに応じて更新するキャッシュ更新機能を有するシステムを提供する。

本発明の一実施形態における通信方法の第１の態様は、ユーザ端末とサーバとの間でネットワークを介して通信を行う通信システムが行う通信方法であって、前記ユーザ端末および前記サーバの一方は、前記ユーザ端末および前記サーバの他方に送信する通信パケット中のトラヒックに含まれるデータである、冗長性を有するデータを索引情報に変換することで、冗長性を削減したトラヒックを含む通信パケットを生成し、前記生成された通信パケットを前記ユーザ端末および前記サーバの他方に送信し、前記ユーザ端末および前記サーバの他方は、前記冗長性を有するデータと同じデータをキャッシュとして保持し、前記送信された通信パケットを受信すると、この通信パケット中のトラヒックに含まれるデータである、前記変換されたデータを前記キャッシュとして保持されたデータに変換することで、冗長性を削減する前のトラヒックを復元し、前記ユーザ端末および前記サーバの一方は、前記冗長性を削減したトラヒックを含む通信パケットに対する暗号化を行ない、前記ユーザ端末および前記サーバの一方が前記生成された通信パケットを送信することは、前記暗号化を行なった後の通信パケットを前記ユーザ端末および前記サーバの他方に送信することを含み、前記ユーザ端末および前記サーバの他方は、前記送信された通信パケットを受信すると、この通信パケットに対する復号化を行ない、前記ユーザ端末および前記サーバの他方が前記トラヒックを復元することは、前記復号化を行った後の通信パケットにより、冗長性を削減する前のトラヒックを復元することを含む方法を提供する。
本発明の一実施形態における通信方法の第２の態様は、ユーザ端末とサーバとの間でネットワークを介して通信を行う通信システムが行う通信方法であって、前記ユーザ端末および前記サーバの一方は、前記ユーザ端末および前記サーバの他方に送信する通信パケット中のトラヒックに含まれるデータである、冗長性を有するデータを索引情報に変換することで、冗長性を削減したトラヒックを含む通信パケットを生成し、前記生成された通信パケットを前記ユーザ端末および前記サーバの他方に送信し、前記ユーザ端末および前記サーバの他方は、前記冗長性を有するデータと同じデータをキャッシュとして保持し、前記送信された通信パケットを受信すると、この通信パケット中のトラヒックに含まれるデータである、前記変換されたデータを前記キャッシュとして保持されたデータに変換することで、冗長性を削減する前のトラヒックを復元し、前記通信システムは、前記サーバまたは前記ユーザ端末との間で前記ネットワークを介して通信を行うネットワーク機器を具備し、前記生成することは、前記冗長性を有するデータの一部を索引情報に変換することで、冗長性を削減したトラヒックを生成することを含み、前記ネットワーク機器は、前記冗長性を有するデータのうち、前記冗長性を有するデータの前記一部からの変換で前記索引情報に変換されなかったデータの少なくとも一部を索引情報に変換することで、冗長性をさらに削減したトラヒックを含む通信パケットを生成し、当該生成された通信パケットを前記ユーザ端末および前記サーバの他方に送信する方法を提供する。

本発明の一実施形態における通信処理プログラムの態様は、第１乃至第３態様のいずれか１つにおける通信システムの各部としてプロセッサを機能させるプログラムを提供する。

本発明によれば、通信トラヒックに含まれるデータの冗長性の削減の実施を適正化することが可能になる。

本発明の一実施形態における通信システムの冗長トラヒック削減機能の第１の適用例を示す図。 本発明の一実施形態における通信システムの処理手順の一例を示すフローチャート。 本発明の一実施形態における通信システムの冗長トラヒック削減機能の第２の適用例を示す図。 本発明の一実施形態における通信システムの処理手順の一例を示すフローチャート。 本発明の一実施形態における通信システムのユーザ端末のみで冗長トラヒック削減を実施する例を示す図。 本発明の一実施形態における通信システムのユーザ端末、基地局、ゲートウェイで冗長トラヒック削減を実施する例を示す図。 本発明の一実施形態における通信システムの冗長トラヒック削減機能のキャッシュ更新機能の動作例を示す図。 通信システムにおける冗長トラヒック削減機能をOS（オペレーティングシステム）のユーザ空間で実装する例を示す図。 通信システムにおける冗長トラヒック削減機能をOSのカーネル空間で実装する例を示す図。 従来技術における通信システムに適用される冗長トラヒック削減機能の具体例を示す図。 従来技術における通信システムに適用される冗長トラヒック削減機能の配置例を示す図。

以下、図面を参照しながら、この発明に係わる一実施形態を説明する。
（第１の適用例）
図１は、本発明の一実施形態における通信システムの冗長トラヒック削減機能の第１の適用例を示す図である。
図１に示した例では、冗長トラヒック削減機能の適用先の通信システムにおける通信経路は、ユーザ端末１０、無線アクセス網１１、無線基地局１２、有線アクセス網１３、有線コア網１４、ゲートウェイ１５、データセンタ網１６、サーバ１７の順で接続されて構成される。無線基地局１２およびゲートウェイ１５は、サーバ１７またはユーザ端末１０との間でネットワークを介して通信を行うネットワーク機器である。

そして図１に示した例では、ネットワーク全体を監視するオペレータ端末２０は、冗長トラヒック削減機能部２１を有する。この冗長トラヒック削減機能部２１は、サーバ１７に冗長トラヒック削減機能＃1を組み入れ、ユーザ端末１０に冗長トラヒック削減機能＃2を組み入れる機能を有する。本実施形態では、冗長トラヒック削減機能をユーザ端末１０とサーバ１７にそれぞれ組み入れる。

先に説明した従来技術では、冗長トラヒック削減機能をハードウェアの装置として実現し、この機能を無線基地局とデータセンタのゲートウェイに配置していた。
一方、本実施形態では、冗長トラヒック削減機能をソフトウェアとして実現してオペレータ端末２０の内部メモリに保持しておき、オペレータ端末２０の冗長トラヒック削減機能部２１が、このソフトウェアをユーザ端末１０とサーバ１７にネットワーク経由で送信し、このソフトウェアをユーザ端末１０とサーバ１７にそれぞれインストールして利用する。

本実施形態では、ユーザ端末１０とサーバ１７との間で送受信される通信パケットについて、冗長トラヒック削減機能#1（サーバ１７にインストールされる冗長トラヒック削減機能）と冗長トラヒック削減機能#2（ユーザ端末１０にインストールされる冗長トラヒック削減機能）の効果により、通信パケット中の冗長性を有するデータを削減することができる。

図２は、本発明の一実施形態における通信システムの処理手順の一例を示すフローチャートである。
また、ユーザ端末１０とサーバ１７間で送受信される通信パケットを暗号化する必要がある場合は、ユーザ端末１０とサーバ１７のうち、通信パケットの送信元である装置は、通信パケットを暗号化する前に、冗長トラヒック削減機能を用いて、サーバ１７に伝送する通信パケット中のトラヒックに含まれる、冗長性を有するデータを索引情報に変換することで、冗長性を削減したトラヒック（冗長性を削減したデータを含むトラヒック）を含む通信パケットを生成する（Ｓ１１）。

その後、この装置は、冗長性が削減されたトラヒックを含む通信パケットについて暗号化を行い（Ｓ１２）、ユーザ端末１０とサーバ１７間（ユーザ端末１０が送信元であるときはユーザ端末１０、無線基地局１２、ゲートウェイ１５、サーバ１７の順）で、「データの冗長性が削減されて暗号化されたパケット」の送受信を行う（Ｓ１３）。

このパケットの送信先の装置は、このパケット中のトラヒックにおける、冗長性を有する（冗長性を削減する前の）データと同じデータをキャッシュとして保持している。そして、上記のパケットがユーザ端末１０とサーバ１７間の送信先に送信されると、この送信先の装置は、「データの冗長性が削減されて暗号化されたパケット」の復号化を行ない（Ｓ１４）、また、冗長トラヒック削減機能を用いて、この復号化したパケット中のトラヒックに含まれるデータ（索引情報への変換により冗長性が削減されたデータ）を、冗長性を有するデータ（キャッシュ）に変換することで、冗長性を削減する前のトラヒックを復元する（Ｓ１５）。

（第２の適用例）
図３は、本発明の一実施形態における通信システムの冗長トラヒック削減機能の第２の適用例を示す図である。
図３に示した例では、オペレータ端末２０の冗長トラヒック削減機能部２１ａは、冗長トラヒック削減機能＃1、冗長トラヒック削減機能＃2に、冗長トラヒック削減機能＃3、冗長トラヒック削減機能＃4を通信経路上の各部にインストールする機能を有する。

具体的には、冗長トラヒック削減機能部２１ａは、サーバ１７に冗長トラヒック削減機能＃1を、ゲートウェイ１５に冗長トラヒック削減機能＃2を、無線基地局１２に冗長トラヒック削減機能＃3を、ユーザ端末１０に冗長トラヒック削減機能＃4をそれぞれインストールする。

図３に示した第２の適用例は、冗長トラヒック削減機能をユーザ端末１０とサーバ１７にそれぞれ具備させるという点で、図１に示した第１の適用例と同一であるが、無線基地局１２やゲートウェイ１５に冗長トラヒック削減機能を配置し、これらの冗長トラヒック削減機能を同時に利用するという点で、図１に示した第１の適用例と異なる。

また、図３に示した第２の適用例は、オペレータ端末２０の冗長トラヒック削減機能部２１ａは、削減量調整機能を通信経路のいずれかの装置にインストールする機能をさらに具備する。この削減量調整機能は、ユーザ端末１０からサーバ１７までの間に複数の冗長トラヒック削減機能が存在する場合に、各冗長トラヒック削減機能によるトラヒック削減量の割合を調整する機能を具備する。

削減量調整機能は、例えばサーバ１７にソフトウェアとしてインストールすることで実現することができる。この場合、サーバ１７は、サーバ１７自身、ユーザ端末１０、無線基地局１２、ゲートウェイ１５にインストールされる各冗長トラヒック削減機能に対して、削減量調整を指示するパケットを送信すればよい。削減量調整機能のインストール先は、上記の通信経路内であれば特に限られない。

例えば、トラヒック削減量の割合は、冗長トラヒック削減機能＃4において全体の冗長トラヒック削減量のうち20%を削減し、冗長トラヒック削減機能＃3において全体の冗長トラヒック削減量のうち30%を削減することなどが挙げられる。

さらに、図３に示した第２の適用例は、オペレータ端末２０の冗長トラヒック削減機能部２１ａは、キャッシュ更新機能を通信経路のいずれかにインストールする機能をさらに具備する。
このキャッシュ更新機能は、ユーザ端末１０からサーバ１７までの通信経路上に複数の冗長トラヒック削減機能が存在する場合に、各冗長トラヒック削減機能がデータの復元に用いるキャッシュの内容を、任意のタイミングで任意の内容に変更する機能を具備する。

このキャッシュ更新機能は、例えばサーバ１７にソフトウェアとしてインストールすることで実現することができる。この場合、サーバ１７は、サーバ１７自身、ユーザ端末１０、無線基地局１２、ゲートウェイ１５にインストールされる各冗長トラヒック削減機能に対して、キャッシュの更新を指示するパケットを送信すればよい。キャッシュ更新機能のインストール先は、上記の通信経路内であれば特に限られない。
図４は、本発明の一実施形態における通信システムの処理手順の一例を示すフローチャートである。ここでは、ユーザ端末１０とサーバ１７間で送受信される通信パケットを暗号化する必要がある場合について説明する。

図３に示した第２の適用例における処理手順として、まず、削減量調整機能を実現する装置（例えばサーバ１７）は、通信経路上の各装置にインストールされた各冗長トラヒック削減機能によるトラヒック削減量の割合を調整し（Ｓ２１）、キャッシュ更新機能により、通信経路上の各装置にインストールされた各冗長トラヒック削減機能が用いるキャッシュの内容を、任意のタイミングで任意の内容に変更する（Ｓ２２）。

そして、ユーザ端末１０とサーバ１７のうち、通信パケットの送信元である装置は、通信パケットを暗号化する前に、冗長トラヒック削減機能を用いて、サーバ１７に伝送する通信パケット中のトラヒックに含まれる、冗長性を有するデータを索引情報に変換することで、冗長性を削減したトラヒックを含む通信パケットを生成する（Ｓ２３）。

その後、この装置は、冗長性が削減されたトラヒックを含む通信パケットについて暗号化を行い（Ｓ２４）、ユーザ端末１０とサーバ１７間（ユーザ端末１０が送信元であるときはユーザ端末１０、無線基地局１２、ゲートウェイ１５、サーバ１７の順）で、「データの冗長性が削減されて暗号化されたパケット」の送受信を行う（Ｓ２５）。

このパケットの送信先の装置は、このパケット中のトラヒックにおける、冗長性を有する（冗長性を削減する前の）データと同じデータをキャッシュとして保持している。そして、上記のパケットがユーザ端末１０とサーバ１７間の送信先に送信されると、この送信先の装置は、「データの冗長性が削減されて暗号化されたパケット」の復号化を行ない（Ｓ２６）、また、冗長トラヒック削減機能を用いて、この復号化したパケット中のトラヒックに含まれるデータを、冗長性を有するデータ（キャッシュ）に変換することで、冗長性を削減する前のトラヒックを復元する（Ｓ２７）。

（削減量調整機能）
図５は、本発明の一実施形態における通信システムのユーザ端末のみで冗長トラヒック削減を実施する例を示す図である。
ユーザ端末１０からサーバ１７へ送信される通信パケット中のトラヒックに含まれるデータに90%の冗長性が現れる場合、冗長トラヒック削減機能を用いて、通信パケット中のデータ量を90%削減することが可能となる。

しかし、図５に示すように、ユーザ端末１０で動作する冗長トラヒック削減機能#2のみを用いて、この90%の冗長性削減を実施する場合、冗長性削減処理によるユーザ端末１０の負荷が大きくなってしまう。

ユーザ端末１０には十分な計算資源が備わっていない場合も多いため、このユーザ端末１０上の冗長トラヒック削減機能#2の負荷により、ユーザ端末１０上の他のアプリケーションの動作に影響を及ぼす可能性がある。

また、ユーザ端末１０の負荷を抑えるために、本来は90%の冗長トラヒックを削減できるデータに対し、50%の冗長トラヒック削減のみを実施するといった対応が必要となることがある。このように、計算資源の不足によりユーザ端末１０で全ての冗長性削減処理を行うことは現実的ではない。

図６は、本発明の一実施形態における通信システムのユーザ端末、基地局、ゲートウェイで冗長トラヒック削減を実施する例を示す図である。
ユーザ端末１０からサーバ１７への通信パケット中のトラヒックに含まれるデータの中に90%の冗長性が現れる場合、通信経路における各装置にインストールされる冗長トラヒック削減機能をそれぞれ用いることで、データ量を合計で90%削減することが可能となる。図６に示した例では、削減量調整機能が、各冗長トラヒック削減機能に対して削減量の指示を行う。
図６に示した例では、削減量調整機能を用いて、ユーザ端末１０の冗長トラヒック削減機能#4で、冗長トラヒックに含まれるデータの一部を索引情報に変換することで、冗長性を有するデータを20%削減する。

次に、この冗長トラヒック削減機能#4により索引情報に変換されなかったデータの一部を無線基地局１２の冗長トラヒック削減機能#3で索引情報に変換することで、冗長トラヒックをさらに30%削減（最初の20%削減前に対する削減率）する。

次に、この冗長トラヒック削減機能#4，#3により索引情報に変換されなかったデータの一部をゲートウェイ１５の冗長トラヒック削減機能#2で索引情報に変換することで、冗長トラヒックをさらに40%削減（最初の20%削減前に対する削減率）する。
これにより、冗長トラヒックにおける合計90%の冗長性を削減することが可能となる。

ユーザ端末１０のみで通信パケットのデータにおける90%の冗長性を削減すると、このユーザ端末１０への負荷が問題となってしまうが、図６のように複数の冗長トラヒック削減機能を組み合わせることで、冗長トラヒック削減機能を実現する１台の装置にかかる負荷を減らすことができるようになる。

（キャッシュ更新機能）
図７は、本発明の一実施形態における通信システムの冗長トラヒック削減機能のキャッシュ更新機能の動作例を示す図である。
キャッシュ更新機能は、任意のタイミングで特定の新たな通信トラヒック（冗長性を有するデータを含む通信トラヒック）が発生することが予測される場合において、通信経路上の複数の冗長トラヒック削減機能に対して、新たな通信トラヒックに対して、冗長性の削減に有効となるキャッシュ（冗長性を有する新たな特定のデータを復元するための、冗長性を削減する前の元のデータ）を各冗長トラヒック削減機能にそれぞれ送信することで、各冗長トラヒック削減機能におけるキャッシュ内容を事前に更新（追加または削除）する。

本発明の一実施形態では、冗長トラヒック削減機能は、新たな送受信パケットのデータ内容を監視し、パケット中のデータに冗長性が認められる場合は、この冗長性のあるデータを自身にキャッシュすることができる。しかし、冗長トラヒック削減機能がキャッシュをあらかじめ保持していない状態では、この冗長トラヒック削減機能において、送受信パケットのデータ内容を監視するための負荷や、キャッシュを新規に作成する負荷が発生してしまう。

そこで、図７に示したキャッシュ更新機能が、今後に送受信されるパケットの中で、冗長性削減に有効なキャッシュを各冗長トラヒック削減機能に追加（図１０参照）したり、また、新たな送受信パケット中のトラヒックに含まれるデータに冗長性が認められないことにより、不要なキャッシュを各冗長トラヒック削減機能から削除したりすることができるようになる。最終的に、各冗長トラヒック削減機能部の全体の効率を向上することが可能となる。

（本発明の一実施形態によって生じる効果）
従来技術のように、ゲートウェイ１５や無線基地局１２などの通信インフラに冗長トラヒック削減機能を設けることで（図１１参照）、有線コア網１４と有線アクセス網１３との間で伝送される冗長トラヒックを削減することは可能である。しかし、地理的に分散されたサーバ１７の拠点数が増加すると、通信経路の数が増加するため、冗長トラヒック削減機能を有する装置の設置数が増加し、機器設置コストが増加してしまう。

そこで、本発明の一実施形態では、ユーザ端末１０とサーバ１７が計算能力を有することに着目し、冗長トラヒック削減機能をユーザ端末１０に具備させることで、ゲートウェイ１５や無線基地局１２などの通信インフラに冗長トラヒック削減機能を設ける必要がなくなり、通信インフラ全体での冗長トラヒック削減機能の数を削減することができるようになり、この結果、機器設置コストを削減することができ、この結果、通信トラヒックに含まれるデータの冗長性の削減の実施を適正化することができる（課題ａの解決）。

また、本発明の一実施形態では、ユーザ端末１０とデータセンタ内のサーバ１７に冗長トラヒック削減機能を具備させることで、有線コア網と有線アクセス網だけでなく、（１）ユーザ端末１０から無線基地局の間の「無線アクセス網のトラヒック」と、（２）データセンタのゲートウェイから各サーバの間の「データセンタ内トラヒック」をそれぞれ削減することができ、この結果、通信トラヒックに含まれるデータの冗長性の削減の実施を適正化することができる（課題ｂの解決）。

ユーザとサーバ１７間の通信が暗号化されている場合、基地局やゲートウェイに配備した冗長トラヒック削減機能は機能しなくなるが、本発明の一実施形態のように、ユーザ端末１０とサーバ１７が通信するデータについて、暗号化前にデータの冗長性を削減することで、冗長トラヒック削減機能を用いた上で暗号化トラヒックに対応することができるようになり、この結果、通信トラヒックに含まれるデータの冗長性の削減の実施を適正化することができる（課題ｃの解決）。

冗長トラヒック削減機能が動作する装置の性能が乏しい場合、通信トラヒックの増大等により装置の負荷が高くなると、通信性能が著しく劣化してしまう。そこで、ユーザ端末１０などの計算機能が乏しい装置で冗長トラヒック削減機能を実現する場合、冗長トラヒック削減にかかる全ての処理をユーザ端末１０で行うのではなく、本発明の一実施形態のように、削減量調整機能を用いて、通信経路上の他の装置で動作する他の冗長トラヒック削減機能に冗長トラヒック削減にかかる負荷を分散することで、冗長トラヒック削減にかかる負荷が特定の装置に集中することを抑制した冗長トラヒック削減が可能となり、この結果、通信トラヒックに含まれるデータの冗長性の削減の実施を適正化することができる（課題ｄの解決）。

夜間のバッチ処理やシステムアップデートなどの、あらかじめ定まったタイミングにおいて、冗長トラヒック削減機能に対して通常時よりも大容量のバーストトラヒックの通信が発生することがある。そこで、任意のタイミングで特定の通信トラヒックが発生することを予測できる場合は、本発明の一実施形態のように、キャッシュ更新機能を用いて、冗長トラヒック削減機能に対して、冗長性削減に有効となるキャッシュを送信し、キャッシュ内容を事前に更新することで、大容量のバーストトラヒックの通信に対して冗長性を削減することができるようになり、この結果、通信トラヒックに含まれるデータの冗長性の削減の実施を適正化することができる（課題ｅの解決）。

（本発明の一実施形態のポイント）
上記のように、冗長トラヒック削減機能をユーザ端末１０とサーバ１７に具備することで、有線コア網１４と有線アクセス網１３の間の冗長トラヒックだけでなく、無線アクセス網１１とデータセンタ網１６の冗長トラヒックをそれぞれ削減することができる。

従来技術では、冗長トラヒック削減機能をハードウェアの装置として実現し、無線基地局とデータセンタのゲートウェイに配置していた。
本発明の一実施形態では、上記のように、冗長トラヒック削減機能をソフトウェアとして実現し、ユーザ端末１０とサーバ１７にインストールして、この冗長トラヒック削減機能により、冗長性を持つデータを削減することができる。

本発明の一実施形態では、ユーザ端末１０に冗長トラヒック削減機能を具備する際に課題となる、ユーザ端末１０の負荷を考慮して、上記のように削減量調整機能を用いることで複数の通信インフラの冗長トラヒック削減機能で負荷を分散することができる。

また、本発明の一実施形態では、ソフトウェアとして実装された冗長トラヒック削減機能を、ユーザ端末１０が具備するGPU（画像処理装置）やFPGA（フィールドプログラマブルゲートアレイ）などのハードウェアにオフロードすることで、ユーザ端末１０の性能を最大限活かした冗長トラヒック削減を実現することができる。

図８は、通信システムにおける冗長トラヒック削減機能をOSのユーザ空間で実装する例を示す図である。
図８に示すように、従来技術では、冗長トラヒック削減機能をソフトウェアで実装する際に、この冗長トラヒック削減機能をOSのユーザ空間で実装する。

このように冗長トラヒック削減機能をユーザ空間で実装する場合、カーネル空間内のパケット処理ドライバは、ユーザ空間内の、通信トラヒックを生成するアプリケーションから冗長トラヒック削減機能を明示的に呼び出す必要がある。

つまり、冗長トラヒック削減機能の利用を前提としていない従来のアプリケーションの場合、このアプリケーションの実装を新たに変更する必要があり、開発コストが増加してしまう。

図９は、通信システムにおける冗長トラヒック削減機能をOSのカーネル空間で実装する例を示す図である。
本発明の一実施形態では、冗長トラヒック削減機能をOSのカーネル空間で実装する。
冗長トラヒック削減機能をカーネル空間に実装した場合、Windows（登録商標）やLinux（登録商標）等のOSに組み込まれた通信機能の中で、この冗長トラヒック削減機能が動作することになる。

この場合、アプリケーションが通信トラヒックを生成した際に、OSの機能により自動的に冗長トラヒック削減機能が動作するため、既存のアプリケーションの実装を全く変更することなく、冗長トラヒック削減機能をユーザ端末１０やデータセンタのサーバ１７へ適用することができるようになる。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。また、各実施形態は適宜組み合わせて実施してもよく、その場合組み合わせた効果が得られる。更に、上記実施形態には種々の発明が含まれており、開示される複数の構成要件から選択された組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示される全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、課題が解決でき、効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。

また、各実施形態に記載した手法は、計算機（コンピュータ）に実行させることができるプログラム（ソフトウェア手段）として、例えば磁気ディスク（フロッピー（登録商標）ディスク、ハードディスク等）、光ディスク（ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ、ＭＯ等）、半導体メモリ（ＲＯＭ、ＲＡＭ、フラッシュメモリ等）等の記録媒体に格納し、また通信媒体により伝送して頒布することもできる。なお、媒体側に格納されるプログラムには、計算機に実行させるソフトウェア手段（実行プログラムのみならずテーブルやデータ構造も含む）を計算機内に構成させる設定プログラムをも含む。本装置を実現する計算機は、記録媒体に記録されたプログラムを読み込み、また場合により設定プログラムによりソフトウェア手段を構築し、このソフトウェア手段によって動作が制御されることにより上述した処理を実行する。なお、本明細書でいう記録媒体は、頒布用に限らず、計算機内部あるいはネットワークを介して接続される機器に設けられた磁気ディスクや半導体メモリ等の記憶媒体を含むものである。

１０，１２０…ユーザ端末、１１，１２１…無線アクセス網、１２，１２２…無線基地局、１３，１２３…有線アクセス網、１４，１２４…有線コア網、１５，１２５…ゲートウェイ、１６，１２６…データセンタ網、１７，１２７…サーバ、２０…オペレータ端末、２１，２１ａ，１３０…冗長トラヒック削減機能部。

Claims (6)

1. ユーザ端末とサーバとの間でネットワークを介して通信を行う通信システムにおいて、
   前記ユーザ端末および前記サーバの一方は、
   前記ユーザ端末および前記サーバの他方に送信する通信パケット中のトラヒックに含まれるデータである、冗長性を有するデータを索引情報に変換することで、冗長性を削減したトラヒックを含む通信パケットを生成する第１の冗長トラヒック削減機能と、
   前記生成された通信パケットを前記ユーザ端末および前記サーバの他方に送信する機能と
   を備え、
   前記ユーザ端末および前記サーバの他方は、
   前記冗長性を有するデータと同じデータをキャッシュとして保持する機能と、
   前記送信された通信パケットを受信すると、この通信パケット中のトラヒックに含まれる、前記第１の冗長トラヒック削減機能により変換されたデータを前記キャッシュとして保持されたデータに変換することで、冗長性を削減する前のトラヒックを復元する第２の冗長トラヒック削減機能と
   を備え、
   前記ユーザ端末および前記サーバの一方は、
   前記第１の冗長トラヒック削減機能により冗長性を削減したトラヒックを含む通信パケットに対する暗号化を行なう機能を、さらに備え、
   前記送信する機能は、前記暗号化を行なった後の通信パケットを前記ユーザ端末および前記サーバの他方に送信し、
   前記ユーザ端末および前記サーバの他方は、
   前記送信された通信パケットを受信すると、この通信パケットに対する復号化を行う機能を、さらに備え、
   前記第２の冗長トラヒック削減機能は、前記復号化を行った後の通信パケットにより、冗長性を削減する前のトラヒックを復元する、
   通信システム。
2. ユーザ端末とサーバとの間でネットワークを介して通信を行う通信システムにおいて、
   前記ユーザ端末および前記サーバの一方は、
   前記ユーザ端末および前記サーバの他方に送信する通信パケット中のトラヒックに含まれるデータである、冗長性を有するデータを索引情報に変換することで、冗長性を削減したトラヒックを含む通信パケットを生成する第１の冗長トラヒック削減機能と、
   前記生成された通信パケットを前記ユーザ端末および前記サーバの他方に送信する機能と
   を備え、
   前記ユーザ端末および前記サーバの他方は、
   前記冗長性を有するデータと同じデータをキャッシュとして保持する機能と、
   前記送信された通信パケットを受信すると、この通信パケット中のトラヒックに含まれる、前記第１の冗長トラヒック削減機能により変換されたデータを前記キャッシュとして保持されたデータに変換することで、冗長性を削減する前のトラヒックを復元する第２の冗長トラヒック削減機能と
   を備え、
   前記通信システムは、前記サーバまたは前記ユーザ端末との間で前記ネットワークを介して通信を行うネットワーク機器を、さらに備え、
   前記第１の冗長トラヒック削減機能は、
   前記冗長性を有するデータの一部を索引情報に変換することで、冗長性を削減したトラヒックを生成し、
   前記ネットワーク機器は、
   前記冗長性を有するデータのうち、前記第１の冗長トラヒック削減機能により索引情報に変換されなかったデータの少なくとも一部を索引情報に変換することで、冗長性をさらに削減したトラヒックを含む通信パケットを生成する第３の冗長トラヒック削減機能と、
   前記生成された通信パケットを前記ユーザ端末および前記サーバの他方に送信する機能と
   を備える、
   通信システム。
3. 前記ユーザ端末、前記サーバ、および前記ネットワーク機器のいずれかは、
   前記ユーザ端末および前記サーバの他方が前記キャッシュとして保持するデータを、前記ユーザ端末と前記サーバとの間で伝送する新たな通信パケット中のトラヒックに含まれるデータに応じて更新するキャッシュ更新機能を有する
   請求項２に記載の通信システム。
4. ユーザ端末とサーバとの間でネットワークを介して通信を行う通信システムが行う通信方法であって、
   前記ユーザ端末および前記サーバの一方は、
   前記ユーザ端末および前記サーバの他方に送信する通信パケット中のトラヒックに含まれるデータである、冗長性を有するデータを索引情報に変換することで、冗長性を削減したトラヒックを含む通信パケットを生成し、
   前記生成された通信パケットを前記ユーザ端末および前記サーバの他方に送信し、
   前記ユーザ端末および前記サーバの他方は、
   前記冗長性を有するデータと同じデータをキャッシュとして保持し、
   前記送信された通信パケットを受信すると、この通信パケット中のトラヒックに含まれるデータである、前記変換されたデータを前記キャッシュとして保持されたデータに変換することで、冗長性を削減する前のトラヒックを復元し、
   前記ユーザ端末および前記サーバの一方は、
   前記冗長性を削減したトラヒックを含む通信パケットに対する暗号化を行ない、
   前記ユーザ端末および前記サーバの一方が前記生成された通信パケットを送信することは、前記暗号化を行なった後の通信パケットを前記ユーザ端末および前記サーバの他方に送信することを含み、
   前記ユーザ端末および前記サーバの他方は、
   前記送信された通信パケットを受信すると、この通信パケットに対する復号化を行ない、
   前記ユーザ端末および前記サーバの他方が前記トラヒックを復元することは、前記復号化を行った後の通信パケットにより、冗長性を削減する前のトラヒックを復元することを含む、
   通信方法。
5. ユーザ端末とサーバとの間でネットワークを介して通信を行う通信システムが行う通信方法であって、
   前記ユーザ端末および前記サーバの一方は、
   前記ユーザ端末および前記サーバの他方に送信する通信パケット中のトラヒックに含まれるデータである、冗長性を有するデータを索引情報に変換することで、冗長性を削減したトラヒックを含む通信パケットを生成し、
   前記生成された通信パケットを前記ユーザ端末および前記サーバの他方に送信し、
   前記ユーザ端末および前記サーバの他方は、
   前記冗長性を有するデータと同じデータをキャッシュとして保持し、
   前記送信された通信パケットを受信すると、この通信パケット中のトラヒックに含まれるデータである、前記変換されたデータを前記キャッシュとして保持されたデータに変換することで、冗長性を削減する前のトラヒックを復元し、
   前記通信システムは、前記サーバまたは前記ユーザ端末との間で前記ネットワークを介して通信を行うネットワーク機器を具備し、
   前記生成することは、
   前記冗長性を有するデータの一部を索引情報に変換することで、冗長性を削減したトラヒックを生成することを含み、
   前記ネットワーク機器は、
   前記冗長性を有するデータのうち、前記冗長性を有するデータの前記一部からの変換で前記索引情報に変換されなかったデータの少なくとも一部を索引情報に変換することで、冗長性をさらに削減したトラヒックを含む通信パケットを生成し、
   当該生成された通信パケットを前記ユーザ端末および前記サーバの他方に送信する、
   通信方法。
6. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の通信システムの各部としてプロセッサを機能させる通信処理プログラム。

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