JP7200534B2 - ネットワーク制御装置、ネットワーク制御方法及びプログラム - Google Patents

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Description

本発明は、ネットワーク制御装置、ネットワーク制御方法及びプログラムに関する。
一般的に、映像配信サービスでは、あらかじめ分割した映像データ(セグメントファイル又はチャンクとも呼ばれる)を逐次ダウンロードしてクライアントのバッファに蓄積しながら映像コンテンツを再生する。通信品質が低下すると、クライアントは画質やダウンロードタイミングを動的に調整し、ユーザ体感品質(QoE:Quality of Experience)の低下を防ぐことを試みる。クライアントが通信品質の低下に対して動的な調整が追随できない場合、バッファ内のデータが枯渇して再生が一時的に中断する事象(リバッファリング)が発生し、QoEが低下する。
ネットワーク事業者は、映像配信サービスに対してコンテンツ配信事業者が要求するQoE(要求QoE)を維持するために、通信品質を監視して適切なネットワーク制御を行う必要がある。
ネットワーク事業者が実施することができるネットワーク制御の例として、通信品質を監視してトラヒックを迂回させる技術(特許文献1)が存在する。また、ユーザが要求QoEを満足するようネットワーク制御を行う技術(非特許文献1)が存在する。
特開2018-085585号公報
金田泰, "ユーザ・レベルの通信品質要求を満足させるネットワーク制御機構の試作," 電子情報通信学会技術研究報告, vol.109, IN2009 1-11, pp.25-30, 2009年5月
ネットワーク事業者は、コンテンツ配信事業者の要求QoEを維持するために、ネットワークの通信品質を監視し、QoEが低下したときに輻輳箇所(ボトルネック)を回避する迂回経路(バイパス)を提供することができる。一般的に、バイパスは、その通信品質を厳密に管理する必要があり、その利用に際して追加費用がかかる。そのため、ネットワーク事業者及びコンテンツ配信事業者の観点からは、QoEの維持が必要で、かつ、輻輳箇所に起因して要求QoEを満たせない特定のサービスセッションに限り、バイパスへ迂回させることが望まれる。
特許文献1において、通信品質を監視してトラヒックを迂回させることは検討されているが、輻輳検知による一律の迂回が目的になっており、コンテンツ配信事業者の要求QoEを入力する機能やサービスセッション単位で要求QoEに基づき迂回の制御が必要であるか否かを判断する機能が存在しない。すなわち、特定のサービスセッションを対象として要求QoEに基づいて個々にネットワーク制御を行うことができないという問題がある。
また、非特許文献1において、ユーザが入力した要求QoEをQoS(Quality of Service)にマッピングして各ネットワークノードに設定することは検討されているが、非特許文献1における制御対象はすべての通信であり、コンテンツ配信事業者がサービスセッション単位で要求QoEを設定する機能が存在しない。すなわち、特定のサービスセッションを対象として要求QoEに基づいて個々にネットワーク制御を行うことができないという問題があり、また、すべての通信を制御対象とするため処理負荷が大きいという問題がある。
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであって、特定のサービスセッションを対象として要求QoEに基づくネットワーク制御を行うことを目的とする。
本発明の一形態に係るネットワーク制御装置は、
サーバと端末との間の複数のサービスセッションの中の特定のサービスセッションに関して、当該特定のサービスセッションの要求体感品質に基づいて、前記サーバと前記端末との間で満たすべき通信品質要件を導出する通信品質要件導出部と、
サービスセッション単位で前記サーバと前記端末との間の通信品質を監視する監視部と、
前記特定のサービスセッションに関して、前記監視した通信品質が前記導出した通信品質要件を満たすか否かを判定する判定部と、
前記特定のサービスセッションに関して、前記監視した通信品質が前記導出した前記通信品質要件を満たさない場合、前記通信品質要件を満たすように、前記特定のサービスセッションに利用されない通信経路を変更せずに、前記サーバと前記端末との間で前記特定のサービスセッションに利用される通信経路を迂回させる制御部と、
を有することを特徴とする。
また、本発明の一形態に係るネットワーク制御方法は、
サーバと端末との間の複数のサービスセッションの中の特定のサービスセッションに関して、当該特定のサービスセッションの要求体感品質に基づいて、前記サーバと前記端末との間で満たすべき通信品質要件を導出するステップと、
サービスセッション単位で前記サーバと前記端末との間の通信品質を監視するステップと、
前記特定のサービスセッションに関して、前記監視した通信品質が前記導出した通信品質要件を満たすか否かを判定するステップと、
前記特定のサービスセッションに関して、前記監視した通信品質が前記導出した前記通信品質要件を満たさない場合、前記通信品質要件を満たすように、前記特定のサービスセッションに利用されない通信経路を変更せずに、前記サーバと前記端末との間で前記特定のサービスセッションに利用される通信経路を迂回させるステップと、
を有することを特徴とする。

また、本発明の一形態に係るプログラムは、
コンピュータを、上記のネットワーク制御装置の各部として機能させることを特徴とする。
特定のサービスセッションを対象として要求QoEに基づくネットワーク制御を行うことが可能になる。
本発明の実施形態に係るシステムの全体構成例を示す図である。 本発明の実施形態に係るネットワーク制御装置の構成例を示す図である。 本発明の実施形態に係るネットワーク制御装置の動作手順を示すフローチャートである。 本発明の実施形態に係るネットワーク制御装置のハードウェア構成例を示す図である。
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
以下の実施形態では映像配信サービスについて説明するが、本発明の実施形態はサーバと端末との間でサービスセッションを設定してデータを配信する他のサービスにも適用可能である。
<第1の実施形態:装置構成>
図1に、本発明の実施形態に係るシステムの全体構成例を示す。図1に示すように、本発明の実施形態に係るシステムは、ネットワーク制御装置10と、映像配信サーバ20と、端末30と、複数のネットワーク装置40とを含む。
映像配信サーバ20は、端末30から映像配信要求を受け付けると、端末30との間にサービスセッションを設定する。サービスセッションは、端末30から映像配信サーバ20への映像配信要求毎に設定される。サービスセッションが設定された後に、映像配信サーバ20は、あらかじめ分割した映像データ(以下、セグメントファイルと呼ぶ)を端末30に配信する。端末30は、映像配信サーバ20から受信したセグメントファイルをバッファ内に格納し、バッファ内のセグメントファイルを再生する。
映像配信サーバ20から端末30への映像配信に対して、コンテンツ配信事業者が要求するQoE(以下、要求QoEと呼ぶ)を維持するためには、映像配信サーバ20と端末30との間の通信品質を適切に制御する必要がある。ここで、本発明の実施形態では、通信品質の1つの指標としてスループットを用いるが、通信品質はスループットに限定されず、遅延、遅延ゆらぎ等を含んでもよい。
端末30は、通信品質の1つの指標であるスループットを測定し、ネットワーク制御装置10に送信する機能を有してもよい。ここで、端末30が測定するスループットは、端末30が映像配信サーバ20からセグメントファイルを受信しているときの単位時間当たりに受信可能なデータ量である。
また、映像配信サーバ20及びネットワーク装置40は、通信品質の指標であるスループットを推定可能な状態値をネットワーク制御装置10に送信する機能を有してもよい。スループットを推定可能な状態値の例は、ネットワーク使用率である。例えば、単位時間当たりにネットワーク装置40を通過できるデータ量であるスループットは、ネットワーク装置40のネットワーク使用率に基づいて推定されてもよい。
なお、システム内のいずれかの箇所に、スループット推定のためのデータを計測する1つ又は複数の品質計測用端末(図示せず)が設置されてもよい。遅延、遅延ゆらぎ等の通信品質が用いられる場合には、事前の実験等によって通信品質に影響を与える状態値が決められ、当該状態値が端末30、映像配信サーバ20、ネットワーク装置40及び品質計測用端末等からネットワーク制御装置10に送信される。
通常では、システム内に複数のネットワーク装置40が配置される。例えば、図1に示すネットワーク装置40において輻輳が発生したと想定されるときに、輻輳箇所であるネットワーク装置40を迂回できる迂回経路(バイパス)がシステム内にあらかじめ設定される。端末30は、迂回指示に基づき通信経路をバイパスに迂回させる機能を有する。また、映像配信サーバ20も、迂回指示に基づき通信経路をバイパスに迂回させる機能を有する。
ネットワーク制御装置10は、サービスセッション単位で映像配信サーバ20と端末30との間の通信品質要件であるスループット要件が満たされているかを監視し、サービスセッション単位で映像配信サービスの要求QoEを維持する。具体的には、ネットワーク制御装置10は、映像配信サーバと端末30との間のスループット要件が満たされていない場合、輻輳箇所であるネットワーク装置40を迂回させるための迂回指示を行う。
図2に、本発明の実施形態に係るネットワーク制御装置10の構成例を示す。図2に示すように、ネットワーク制御装置10は、通信品質要件導出部110と、監視部120と、判定部130と、制御部140とを含む。
通信品質要件導出部110は、映像配信サーバ20と端末30との間の特定のサービスセッションに関して、当該特定のサービスセッションの要求QoEに基づいて、映像配信サーバ20と端末30との間で満たすべき通信品質要件であるスループット要件を導出する。
監視部120は、映像配信サーバ20、ネットワーク装置40、端末30、品質計測用端末等からの情報に基づいて、映像配信サーバ20と端末30との間の特定のサービスセッションのスループットを監視する。
判定部130は、監視部120において監視した特定のサービスセッションの現在のスループットが、特定のサービスセッションに関して通信品質要件導出部110において導出したスループット要件を満たしているか否かを判定する。このように、判定部130は、サービスセッション単位で現在のスループットがスループット要件を満たしているかを判定する。
制御部140は、監視部120において監視した特定のサービスセッションの現在のスループットが、特定のサービスセッションに関して通信品質要件導出部110において導出したスループット要件を満たさない場合、当該スループット要件を満たすように、映像配信サーバ20と端末30との間で特定のサービスセッションに利用される通信経路を制御する。
<第1の実施形態:動作手順>
次に、図3のフローチャートを参照して、図2に示した構成例における動作手順を説明する。
まず、コンテンツ配信事業者が、ある映像の映像配信サーバ20から端末30への配信を開始する際に、その映像配信における制御対象とするサービスセッションを特定してその要求QoEを設定する。特定するサービスセッションとは、例えば、優遇したい特定の端末からのサービスセッション、特定の経路を経由するサービスセッション、特定の時間帯におけるサービスセッション等を指す。そして、通信品質要件導出部110が、配信する映像データの属性情報と要求QoEから通信品質要件であるスループット要件を算出する(S101)。
具体的には、通信品質要件導出部110は、スループットに応じて映像配信サーバ20から端末30に配信されるデータの属性情報を適切に調整したと仮定してスループットに対するQoEレベルを導出することにより、スループットとQoEレベルとの間のマッピング関数をあらかじめ作成する。属性情報は、配信時に用意する選択可能な画質(解像度)、フレームレート、音声符号化ビットレート、映像符号化ビットレート、映像圧縮規格、映像の長さ、ダウンロードタイミング等である。マッピング関数は、スループットとQoEレベルとの対応関係を関係式にしたものであり、例えば、一般的に普及しているQoE推定モデルを用いて作成することができる。QoE推定モデルについては、例えば、K. Yamagishi and T. Hayashi, "Parametric Quality-Estimation Model for Adaptive-Bitrate Streaming Services," IEEE Transactions on Multimedia, 2017等が参考とされてもよい。上記の属性情報のうち、端末30が調整可能な属性情報の例は画質(解像度)及びダウンロードタイミングである。スループットがxのとき、端末30が画質やダウンロードタイミングを適切に調整し、リバッファリングが生じない映像視聴状況になった場合、そのときの映像の属性情報をQoE推定モデルに入力してスループットxに対応するQoEレベルyを求めることができる。通信品質要件導出部110は、スループットxが取りうる全範囲におけるQoEレベルyを導出することにより、スループットとQoEレベルとの間のマッピング関数を作成する。通信品質要件導出部110は、あらかじめ作成したマッピング関数に要求QoEを入力して、映像配信サーバ20と端末30との間で満たすべきスループット要件を導出する。
なお、通信品質要件導出部110は、安全率を考慮して映像配信サーバ20と端末30との間で満たすべきスループット要件を導出してもよい。具体的には、制御部140の即応性とスループットの変動とを考慮して、上記の通り導出したスループット要件に安全率を乗算してもよい。
ここで、特定のサービスセッションの配信が終了して配信データが存在しない場合には(S103:N)、処理を終了する。特定のサービスセッションの配信データが存在する場合(S103:Y)、以下の処理が行われる。
監視部120は、映像配信サーバ20及びネットワーク装置40からの状態値や端末30からの実測スループット等の情報を収集し(S105)、特定のサービスセッションの現在のスループットを推定する(S107)。
例えば、監視部120は、映像配信サーバ20と端末30との間のサービスセッションの実測スループットを収集して、外れ値を除外したのち加重平均することで現在のサービスセッションのスループットを推定してもよい。また、監視部120は、映像配信サーバ20及びネットワーク装置40からスループットを推定可能な状態値(例えば、ネットワーク使用率)を収集し、あらかじめ作成したマッピング関数に基づき、現在のサービスセッションのスループットを推定してもよい。例えば、マッピング関数は、ネットワーク使用率とスループットの対応関係を関係式にしたものである。事前の実験等により、ある装置iのネットワーク使用率がxiのとき、その装置iを通過する通信が出しうる最大スループットyiを導出する。装置iのネットワーク使用率xiが取りうる全範囲における最大スループットyiを導出する。そして、特定のサービスセッションが通過するすべての装置(i=1,2, …)において求められた最大スループットyiの中で最小のものy=min(yi)を求める。また、システム内に設置された品質計測用端末が品質計測用サーバに送信した計測用データをダウンロードすることでスループットを計測し、外れ値を除外したのち加重平均することで現在のサービスセッションのスループットを推定してもよい。
次に、判定部130が、スループット要件と現在のスループットを比較して、制御の要不要を判断する(S109)。現在のスループットがスループット要件を満たしている場合、制御が不要であると判断し、現在のスループットがスループット要件を満たしていない場合、制御が必要であると判断する。
なお、通信品質要件導出部110において安全率を考慮する代わりに、判定部130において安全率を考慮してもよく、具体的には、制御部140の即応性とスループットの変動とを考慮してスループット要件に安全率を乗じた第2のスループット要件が判定部130において用いられてもよい。
制御が不要であると判断した場合(S109:制御不要)、制御部140は既に設定している通信経路を利用するよう指示する(S113)。この場合、制御部140から映像配信サーバ20及び端末30への指示は行われなくてもよい。制御が必要と判断した場合(S109:要制御)、制御部140はバイパスを利用するよう映像配信サーバ20及び端末30に指示する(S111)。
制御部140は、現在のスループットがスループット要件を満たさない場合、あらかじめバイパスが設定されている箇所のどこで輻輳が発生しているかを検出し、サービスセッション単位でスループット要件を満たすように、映像配信サーバ20及び端末30等に輻輳箇所を回避させるための迂回指示を行う。その結果、特定のサービスセッションに利用される通信経路を、あらかじめ設定されたバイパスに迂回させる。通信経路をバイパスに迂回させる方法は、例えば、視聴開始時の通信経路を利用するためのアドレスと、バイパスを利用するためのアドレスとを映像配信サーバ20に付与しておき、制御部140から端末30へ映像配信サーバ20のアドレスを切り替えてネットワーク内でバイパスにルーティングさせることで実現する。なお、この迂回方法は一例であり、スループットを適切に推定してサービスセッションを適切に迂回できる限り、上記の迂回方法に限定されない。
その後、S103に戻り、配信が終了するまで、監視部120による処理(S105、S107)、判定部130による処理(S109)、及び制御部140による処理(S111、S113)を、繰り返し実行する。なお、図3のフローチャートでは、これらの処理群が特定のサービスセッションの配信データが存在する限り繰り返される例が示されているが、これらの処理群の実行タイミングは図3の例に限定されず、一定時間ごとに1回だけ行われてもよいし、視聴要求毎に行われてもよい。
<第2の実施形態>
第1の実施形態では、輻輳箇所を迂回できるバイパスをあらかじめ設定し、特定のサービスセッションの通信をバイパスに誘導する例について説明した。第2の実施形態では、DiffServ等の技術を用いて優先転送クラスを設定しておき、特定のサービスセッションの通信を優先転送クラスに誘導する例について説明する。
第2の実施形態に係るネットワーク制御装置10の構成は、制御部140の機能を除き、第1の実施形態と同一である。第2の実施形態では、輻輳が発生したときに特定のサービスセッションのパケットに設定できる優先転送クラスをネットワーク装置40内にあらかじめ設定する。
制御部140は、現在のスループットがスループット要件を満たさない場合、映像配信サーバ20及び端末30を収容するネットワークの入口にあるネットワーク装置40に対して、特定のサービスセッションに関して映像配信サーバ20と端末30との間で送信されるパケットに優先転送クラスを設定するように指示する。例えば、制御部140は、現在のスループットがスループット要件を満たさない場合、送信元アドレスが映像配信サーバ20であり宛先アドレスが端末30であるパケットに対して、優先転送クラスのDSCP(DiffServ Code Point)を割り当てる。その結果、特定のサービスセッションに対する輻輳の影響を低減できる。
<第3の実施形態>
第2の実施形態では、特定のサービスセッションの通信を優先転送クラスに誘導する例について説明した。第2の実施形態では、特定のサービスセッションに対する輻輳の影響を低減できるが、ネットワークの複数の箇所で輻輳が発生したときに、優先転送クラスが設定されたパケットが増加してスループット要件を満たすことができない可能性がある。第3の実施形態では、IntServ等の技術を用いて輻輳箇所が発生する毎に通信リソースを確保して迂回経路を設定する例について説明する。
第3の実施形態に係るネットワーク制御装置10の構成は、制御部140の機能を除き、第1の実施形態と同一である。
制御部140は、現在のスループットがスループット要件を満たさない場合、映像配信サーバ20と端末30との間に位置するネットワーク装置40に対して迂回経路の通信リソースを確保するように指示する。迂回経路の通信リソースが確保された場合、制御部140は、特定のサービスセッションに関して映像配信サーバ20と端末30との間で送信されるパケットを当該迂回経路に迂回させるようにネットワーク装置40に対して指示する。例えば、制御部140は、現在のスループットがスループット要件を満たさない場合、端末30に対してRSVP(Resource Reservation Protocol)のPathメッセージを送信させる。Pathメッセージに対して通信リソースが確保されたことを示すResvメッセージが端末30に届いた場合、制御部140は、迂回経路の通信リソースが確保されたと判断する。第3の実施形態では、迂回経路の通信リソースが確保されるため、特定のサービスセッションのスループット要件を保証でき、要求QoEを維持できる。
上記のように、本発明の実施形態によれば、通信品質を監視してサービスセッション単位で要求QoEに基づいて個々にネットワーク制御を行うことで、要求QoEを維持することが可能になる。
<ハードウェア構成例>
図4に、本発明の実施形態に係るネットワーク制御装置10のハードウェア構成例を示す。ネットワーク制御装置10は、CPU(Central Processing Unit)151等のプロセッサ、RAM(Random Access Memory)やROM(Read Only Memory)等のメモリ装置152、ハードディスク等の記憶装置153等から構成されたコンピュータでもよい。例えば、ネットワーク制御装置10の機能及び処理は、記憶装置153又はメモリ装置152に格納されているデータやプログラムをCPU151が実行することによって実現される。また、ネットワーク制御装置10に必要な情報は、入出力インタフェース装置154から入力され、ネットワーク制御装置10において求められた結果は、入出力インタフェース装置154から出力されてもよい。
<補足>
説明の便宜上、本発明の実施形態に係るネットワーク制御装置10は機能的なブロック図を用いて説明しているが、本発明の実施形態に係るネットワーク制御装置10は、ハードウェア、ソフトウェア又はそれらの組み合わせで実現されてもよい。例えば、本発明の実施形態は、コンピュータに対して本発明の実施形態に係るネットワーク制御装置10の機能を実現させるプログラム、コンピュータに対して本発明の実施形態に係る方法の各手順を実行させるプログラム等により、実現されてもよい。また、各機能部が必要に応じて組み合わせて使用されてもよい。また、本発明の実施形態に係る方法は、実施形態に示す順序と異なる順序で実施されてもよい。
以上、特定のサービスセッションを対象として要求QoEに基づくネットワーク制御を行うための手法について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、特許請求の範囲内において、種々の変更・応用が可能である。
10 ネットワーク制御装置
20 映像配信サーバ
30 端末
40 ネットワーク装置
110 通信品質要件導出部
120 監視部
130 判定部
140 制御部

Claims (7)

  1. サーバと端末との間の複数のサービスセッションの中の特定のサービスセッションに関して、当該特定のサービスセッションの要求体感品質に基づいて、前記サーバと前記端末との間で満たすべき通信品質要件を導出する通信品質要件導出部と、
    サービスセッション単位で前記サーバと前記端末との間の通信品質を監視する監視部と、
    前記特定のサービスセッションに関して、前記監視した通信品質が前記導出した通信品質要件を満たすか否かを判定する判定部と、
    前記特定のサービスセッションに関して、前記監視した通信品質が前記導出した前記通信品質要件を満たさない場合、前記通信品質要件を満たすように、前記特定のサービスセッションに利用されない通信経路を変更せずに、前記サーバと前記端末との間で前記特定のサービスセッションに利用される通信経路を迂回させる制御部と、
    を有するネットワーク制御装置。
  2. 前記通信品質要件導出部は、通信品質に応じて前記サーバから前記端末に配信されるデータの属性情報を適切に調整したと仮定して前記通信品質に対する体感品質レベルを導出することにより、通信品質と体感品質レベルとの間のマッピング関数を作成し、当該マッピング関数に前記特定のサービスセッションの要求体感品質を入力して、前記サーバと前記端末との間で満たすべき通信品質要件を導出する、請求項1に記載のネットワーク制御装置。
  3. 前記通信品質要件導出部は、安全率を考慮して前記サーバと前記端末との間で満たすべき通信品質要件を導出する、請求項1又は2に記載のネットワーク制御装置。
  4. 前記制御部は、前記特定のサービスセッションに利用される通信経路を、あらかじめ設定された迂回経路に迂回させる、請求項1乃至3のうちいずれか1項に記載のネットワーク制御装置。
  5. 前記制御部は、前記サーバと前記端末との間に位置するネットワーク装置に対して迂回経路の通信リソースを確保するように指示し、前記特定のサービスセッションに関して前記サーバと前記端末との間で送信されるパケットを当該迂回経路に迂回させるように指示する、請求項1乃至3のうちいずれか1項に記載のネットワーク制御装置。
  6. ネットワーク制御装置が実行するネットワーク制御方法であって、
    サーバと端末との間の複数のサービスセッションの中の特定のサービスセッションに関して、当該特定のサービスセッションの要求体感品質に基づいて、前記サーバと前記端末との間で満たすべき通信品質要件を導出するステップと、
    サービスセッション単位で前記サーバと前記端末との間の通信品質を監視するステップと、
    前記特定のサービスセッションに関して、前記監視した通信品質が前記導出した通信品質要件を満たすか否かを判定するステップと、
    前記特定のサービスセッションに関して、前記監視した通信品質が前記導出した前記通信品質要件を満たさない場合、前記通信品質要件を満たすように、前記特定のサービスセッションに利用されない通信経路を変更せずに、前記サーバと前記端末との間で前記特定のサービスセッションに利用される通信経路を迂回させるステップと、
    を有するネットワーク制御方法。
  7. コンピュータを、請求項1乃至5のうちいずれか1項に記載のネットワーク制御装置の各部として機能させるためのプログラム。
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