JP7025105B2 - データ圧縮伝送システム、中間サーバ、方法およびプログラム - Google Patents
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Description
パケットキャッシュを適用することでショートパケットを圧縮できるため、通信トラヒックを削減することはできる。しかし、通信パケット数を削減することはできない。通信パケット数が多い場合は、優れたパケット処理性能を持つ高価な通信機器を、中央サーバの通信機器として設置しなければならないため、データを収集する際のコストが増加してしまう。また、ショートパケットに含まれるTCP/IPやイーサネット(登録商標)などのヘッダのサイズも無視できなくなり、全体的な通信効率も低下してしまう。通信トラヒックと通信パケット数を同時に削減する手法が必要となる。
デバイス上でデータをバッファリングすることで、通信パケット数を削減することができる。通常、イーサネットでは1,500Byteまでのデータを1つのパケットに格納可能である。そこで、デバイス上でデータを1,500Byte溜まるまでバッファリングして送信すれば、通信パケット数を削減することができる。しかし、デバイスが生成するデータをバッファリングする場合、データが十分に溜まるまで待つための遅延時間が発生する。リアルタイム性が重要なユースケースでは、高頻度に発生するデータをショートパケットのまま送信しなければならない。通信トラヒックと通信パケット数を同時に削減するだけでなく、リアルタイム性を損なわない方式が必要となる。
IoTなどの分野ではデバイスの台数は数億台規模となるため、デバイスと中央サーバの間に多数のネットワーク接続(コネクション)が生成される。中央サーバに多数のネットワーク接続が生成されると、C10Mなどの接続問題が発生する。C10Mとは、ハードウェアの性能上は問題がなくても、接続するクライアントの数が多くなるとサーバの処理負荷が処理能力を超える問題のことを言う。数百万を超えるコネクションに対応するプロセスやスレッドを生成すると、サーバのメモリ上にプロセスやスレッドの管理領域が確保され、使われるメモリサイズも大きくなり、接続を維持するためのコストが増加してしまう。多数のコネクション数が引き起こす問題を回避するために、中央サーバのネットワーク接続数を削減する必要がある。
(構成)
(1)システム
図1は、この発明の一実施形態に係るデータ圧縮伝送システム1の全体構成の一例を示す図である。
このシステム1は、無線アクセス網RANを介して基地局BSとの間で通信可能な複数のデバイス301,302,・・・30n(以下、まとめて「デバイス30」と言う)と、基地局BSとの間で有線アクセス網ANW、有線コア網CNWおよびインターネット等を介して通信可能な中央サーバ20とを備えている。基地局BSには、有線アクセス網ANWを介して中間サーバ10および制御サーバ40が通信可能に接続される。なお、中央サーバ20には、同時に複数の基地局BSおよび中間サーバ10が接続可能であるが、簡単のため1つの基地局BSおよび1つの中間サーバ10のみを図示している。
図2は、図1に示した複数のデバイス301,302,・・・30nを代表するデバイス30のハードウェア構成にソフトウェア構成を追加して示した例を示すブロック図である。
(3-1)ハードウェア構成
図3は、中間サーバ10のハードウェア構成の一例を示すブロック図である。
中間サーバ10は、ハードウェアとして、例えば、CPU(Central Processing Unit)やMPU(Micro Processing Unit)等のハードウェアプロセッサ12Aを有する。そして、このハードウェアプロセッサ12Aに対し、プログラムメモリ12B、データメモリ13、通信インタフェース11を、バス50を介して接続したものとなっている。
図4は、この発明の一実施形態に係る中間サーバ10のソフトウェア構成を、図3に示したハードウェア構成と関連付けて示したブロック図である。
データメモリ13の記憶領域には、データパケット記憶部131と、対応表記憶部132とが設けられている。
図5は、この発明の一実施形態に係る中央サーバ20のハードウェア構成にソフトウェア構成を追加して示した例を示すブロック図である。
中央サーバ20は、ハードウェアとして、例えば、ハードウェアプロセッサと、プログラムメモリと、データメモリ230と、通信インタフェース210とを備えている。
図6は、この発明の一実施形態に係る制御サーバ40のハードウェア構成にソフトウェア構成を追加して示した例を示すブロック図である。
制御サーバ40は、ハードウェアとして、例えば、ハードウェアプロセッサと、プログラムメモリと、データメモリ430と、通信インタフェース410とを備えている。
(1)システム
次に、以上のように構成されたデータ圧縮伝送システム1によるデータ圧縮伝送のための処理動作の概要を説明する。図7A~7Dはデータ圧縮伝送処理の流れとその内容およびデータフローを示す図である。
図7Aでは、デバイス30から中間サーバ10までの区間は無線アクセス網、中間サーバ10から中央サーバ20までの区間はインターネットである。ただし、図7Aの構成は一例にすぎず、一実施形態に係る発明を適用できるネットワーク形態は、無線ネットワークとインターネットに限られない(WiFi、ミリ波、光回線等の有線ネットワークに対しても同様に適用可能である)。
図7Bは、デバイス30に関する動作1-1を、特に第1のデバイス301に関して示す図である。
まずステップS101において、デバイス301は、センシングデータ生成部321の制御の下、センサ群60を構成する各センサ61~6kからセンサインタフェース311を介してセンシング信号を取り込み、所定のサンプリングレートでサンプリングして、16Byteの元データOD1を生成する。なお、この16Byteというデータサイズは一例にすぎず、この実施形態を適用できるデータのサイズは16Byteに限定されない。
ここでは、帯域が太いネットワークBN1を流れるトラヒックTF1が、第1の装置PC1と第2の装置PC2との間の帯域が細いネットワークNNを経由して、再び帯域が太いネットワークBN2を流れる例を考える。各々がパケットキャッシュ機能を有する第1の装置PC1と第2の装置PC2が、ネットワークの両端に設置されている。第1の装置PC1および第2の装置PC2の各々には、あらかじめ「キャッシュA」と「キャッシュB」が保存されている。
図7Cは、中間サーバ10に関する動作1-2の一例を示す図である。
ステップS103において、中間サーバ10がデバイス301からキャッシュミスとして生成された17ByteのデータパケットPKT1を受信すると、ステップS106において、中間サーバ10は、パケットキャッシュとしてのデータ復元部122の制御の下、受信した17ByteのパケットPKT1から1Byteのヘッダ情報を削除して、16Byteの元データOD2を復元する。
図7Dは、中央サーバ20に関する動作1-3の一例を示す図である。
ステップS110において中央サーバ20が中間サーバ10から300Byteの符号化データED1を受信すると、ステップS111において、パケット復号部222の制御の下、300ByteのデータED1を、情報源復号化を用いて解凍する。解凍後のデータLPKT2には、2ByteのデバイスIDと16Byteの元データの複数の組み合わせがバッファリングされている。
図9は、制御サーバ40による制御信号生成の処理手順と処理内容の一例を示すフローチャートである。
制御サーバ40は、ステップS201において、処理を開始するトリガの有無を取得している。この状態で、例えば、一定時間ごとにトリガを発生するタイマー(図示せず)からのトリガを受け取ると、以下の処理を開始する。
以上詳述したように、この発明の一実施形態では、複数のデバイス30により生成されたデータをネットワークNWを介して中央サーバ20で収集するためのデータ圧縮伝送システム1であって、複数のデバイス30と中央サーバ20との間に配置された中間サーバ10を具備するシステムが提供される。このデータ圧縮伝送システム1では、上記複数のデバイス30の各々が、パケットキャッシュ機能により、元のデータから得られるハッシュ値と元のデータとの対応関係を表す対応表を記憶しておき、送信対象のデータが対応表に含まれる場合にはデータをハッシュ値に変換して、ヘッダ情報を付加してデータパケットとして出力する。また、上記データ圧縮伝送システム1では、中間サーバ10が、パケットキャッシュ機能により、複数のデバイス30の各々から送信されたデータパケットを取得し、取得したデータパケットからヘッダ情報を削除し、残りのデータにハッシュ値が含まれる場合にはハッシュ値を元のデータに変換してデータを復元する。中間サーバ10はまた、バッファリング機能により、上記復元されたデータをバッファリングしてロングパケット(結合データ)として出力する。中間サーバ10はまた、上記ロングパケットを圧縮符号化して符号化データとして出力する。
従来のシステムでは、デバイス30と中央サーバ20の間の通信にパケットキャッシュを適用することで、デバイス30と中央サーバ20の間の通信トラヒックを削減することはできる。しかし、通信パケット数は変わらないため、中央サーバ20にデバイス30のデータを収集する際のコストが増加する。
従来のシステムでは、デバイス30上でデータをバッファリングすることで、通信パケット数を削減することができるが、データをバッファリングするための遅延時間が発生する。リアルタイム性が重要なユースケースでは、バッファリングにより通信パケット数を削減することはできなくなる。
従来のシステムでは、中央サーバ20はデバイス30の台数分のネットワーク接続を維持する必要がある。IoTなどの分野ではデバイス30の台数は数億台規模となるため、中央サーバ20に多数のネットワーク接続が生成されると、C10Mなどの接続問題が発生する。
なお、この発明は上記実施形態に限定されるものではない。
例えば、上述したように、制御サーバ40は、データ圧縮伝送システム1に不可欠な構成ではない。制御サーバ40が備える各機能部は、中間サーバ10の制御ユニット12内に設けることもでき、中央サーバ20の制御ユニット212内に設けることもでき、あるいは他の複数のエッジサーバに分散配置することもできる。
10…中間サーバ
11…通信インタフェース
12…制御ユニット
12A…ハードウェアプロセッサ
12B…プログラムメモリ
13…データメモリ
20…中央サーバ
30,301,302,30n…デバイス
40…制御サーバ
50…バス
60…センサ群
61~6k…センサ
71…入力デバイス
72…出力デバイス
121…データパケット取得部
122…データ復元部
123…バッファリング処理部
124…パケット符号化部
125…送信制御部
131…データパケット記憶部
132…対応表記憶部
210…通信インタフェース
212…制御ユニット
220…制御ユニット
221…符号化データ取得部
222…パケット復号部
223…元データ抽出部
224…出力制御部
230…データメモリ
231…符号化データ記憶部
232…元データ記憶部
310…通信インタフェース
311…センサインタフェース
312…入出力インタフェース
320…制御ユニット
321…センシングデータ生成部
322…ハッシュ化処理部
323…パケット出力部
324…送信制御部
330…データメモリ
331…セシングデータ記憶部
332…対応表記憶部
410…通信インタフェース
420…制御ユニット
421…負荷状態取得部
422…パケットキャッシュ制御部
423…バッファリング制御部
424…パケット符号化制御部
425…制御信号出力制御部
430…データメモリ
431…負荷状態記憶部
432…制御信号記憶部
3221,3222…ハッシュ化処理部
Claims (8)
- 複数のデバイスにより生成されたデータをネットワークを介して中央サーバで収集するためのデータ圧縮伝送システムであって、
前記複数のデバイスと前記中央サーバとの間に配置された中間サーバを具備し、
前記複数のデバイスの各々は、
生成したデータをキャッシュに基づいてハッシュ値に変換するハッシュ化処理を行うハッシュ化処理部と、
前記ハッシュ値を含むパケットを生成して前記中間サーバに送信する第1の送信部と
を備え、
前記中間サーバは、
前記複数のデバイスの各々から送信された前記パケットを受信する受信部と、
前記受信したパケットに含まれるハッシュ値を元データに復元するデータ復元部と、
前記復元された元データを複数まとめて結合データとして出力するバッファリング処理を行うバッファリング処理部と、
前記出力された結合データを圧縮して符号化データを生成する圧縮符号化処理を行う圧縮符号化処理部と、
前記符号化データを前記中央サーバに送信する第2の送信部と
を備える、データ圧縮伝送システム。 - 前記中央サーバは、前記中間サーバから送信された前記符号化データを復号して前記結合データを生成する復号部を備える、請求項1に記載のデータ圧縮伝送システム。
- 前記複数のデバイス、前記中間サーバおよび前記中央サーバのうちの少なくとも1つについての負荷状態を取得する負荷状態取得部と、
前記取得された負荷状態に応じて、前記ハッシュ化処理を実行せずにデータを送信するよう指示する第1の制御信号、前記バッファリング処理を実行せずにデータを出力するよう指示する第2の制御信号、または前記圧縮符号化処理を実行せずにデータを送信するよう指示する第3の制御信号を生成して出力する処理制御部とをさらに具備する、請求項1または2に記載のデータ圧縮伝送システム。 - 生成したデータをキャッシュに基づいてハッシュ値に変換し、当該ハッシュ値を含むパケットを生成して送信する複数のデバイスと、前記複数のデバイスにより生成されたデータをネットワークを介して収集する中央サーバとの間に配置される中間サーバであって、
前記複数のデバイスの各々から送信された前記ハッシュ値を含むパケットを受信する受信部と、
前記受信したパケットに含まれるハッシュ値を元データに復元するデータ復元部と、
前記復元された元データを複数まとめて結合データとして出力するバッファリング処理を行うバッファリング処理部と、
前記出力された結合データを圧縮して符号化データを生成する圧縮符号化処理を行う圧縮符号化処理部と、
前記符号化データを前記中央サーバに送信する送信部と
を備える、中間サーバ。 - 前記複数のデバイス、前記中間サーバおよび前記中央サーバのうちの少なくとも1つについての負荷状態を取得する負荷状態取得部と、
前記取得された負荷状態に応じて、前記ハッシュ値に変換する処理を実行せずにデータを送信するよう指示する第1の制御信号、前記バッファリング処理を実行せずにデータを出力するよう指示する第2の制御信号、または前記圧縮符号化処理を実行せずにデータを送信するよう指示する第3の制御信号を生成して出力する処理制御部とをさらに備える、請求項4に記載の中間サーバ。 - データを生成する複数のデバイスと、前記複数のデバイスにより生成されたデータをネットワークを介して収集する中央サーバと、前記複数のデバイスと前記中央サーバとの間に配置される中間サーバとを具備するデータ圧縮伝送システムが実行する、データ圧縮伝送方法であって、
前記複数のデバイスの各々が、生成したデータをキャッシュに基づいてハッシュ値に変換するハッシュ化処理を行う過程と、
前記複数のデバイスの各々が、前記ハッシュ値を含むパケットを生成して前記中間サーバに送信する過程と、
前記中間サーバが、前記複数のデバイスの各々から送信された前記パケットを受信する過程と、
前記中間サーバが、前記受信したパケットに含まれるハッシュ値を元データに復元する過程と、
前記中間サーバが、前記復元された元データを複数まとめて結合データとして出力するバッファリング処理を行う過程と、
前記中間サーバが、前記出力された結合データを圧縮して符号化データを生成する圧縮符号化処理を行う過程と、
前記中間サーバが、前記符号化データを前記中央サーバに送信する過程とを備える、
データ圧縮伝送方法。 - キャッシュに基づいてデータをハッシュ値に変換し、当該ハッシュ値を含むパケットを生成して送信する複数のデバイスと、前記複数のデバイスにより生成されたデータをネットワークを介して収集する中央サーバとの間に配置される中間サーバが実行する、データ圧縮伝送方法であって、
前記複数のデバイスの各々から送信された前記ハッシュ値を含むパケットを受信する過程と、
前記受信したパケットに含まれるハッシュ値を元データに復元する過程と、
前記復元された元データを複数まとめて結合データとして出力するバッファリング処理を行う過程と、
前記出力された結合データを圧縮して符号化データを生成する圧縮符号化処理を行う過程と、
前記符号化データを前記中央サーバに送信する過程と
を備える、データ圧縮伝送方法。 - 請求項4または5に記載の中間サーバの各部による処理をプロセッサに実行させるプログラム。
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