JPH10313324A - 通信ネットワークにおけるパケットの配送装置とその方法 - Google Patents

通信ネットワークにおけるパケットの配送装置とその方法

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JPH10313324A
JPH10313324A JP2757398A JP2757398A JPH10313324A JP H10313324 A JPH10313324 A JP H10313324A JP 2757398 A JP2757398 A JP 2757398A JP 2757398 A JP2757398 A JP 2757398A JP H10313324 A JPH10313324 A JP H10313324A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 公平待ち行列システムを提供する。 【解決手段】 本発明のパケットの配送装置は、パケッ
トを一時的に記憶する複数の結線毎の待ち行列２０と、
所定レートでもって前記パケットをサービスする重み付
き公平待ち行列スケジューリング手段４０と、前記待ち
行列内のパケットの存否を検出する手段と、前記パケッ
トの不存在を検出すると、その結果生成される余剰のバ
ンド幅を最分配する状態依存性スケジューリング手段２
００と、からなり、前記状態依存性スケジューリング手
段２００は、前記待ち行列の性能特性に応じた状態変数
に従って、これらの待ち行列２０にサービスする。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、パケット通信シス
テムに関し、特に、このパケット通信システムのルータ
と交換機内で実行される公平待ち行列システム（fair-q
ueuing system ）に関する。
【０００２】
【従来の技術】沢山の研究が、理想的な流れ（fluid fl
ow）モデル（即ち複数のソースから送信されるデータパ
ケットは、無限に分解できるものとし、かつ複数のソー
スは、そのデータを例えば１本の物理的通信リンクに同
時に送信できるようなモデル）をできるだけエミュレー
ト（模擬）するパケット通信ネットワーク用の待ち行列
システムの開発に費やされている。パケットを無限に分
割できることは、実際にはありえないことである。
【０００３】パケットネットワークにおいては、通常パ
ケットがリンクを介して伝送されると、すべてのパケッ
トを伝送しなければならない、即ちその間に別のパケッ
トの伝送を阻止することはできない。パケットネットワ
ーク内で、サービスの質（Quality of Service（Ｑｏ
Ｓ））を保証するような要望があるために、データパケ
ット交換器、あるいはルータ内でトラフィックスケジュ
ーリング方法の実現が必要とされている。
【０００４】このスケジューリング方法の機能とは、交
換器の各出力用リンクにとってその出力リンクを共有す
る通信期間に属するパケットの中から次のサイクルに送
信すべきパケットを選択することである。このような選
択は、個々のトラフィック期間に対し、保証されるサー
ビスの質（ＱｏＳ）（例えば、最大遅延の上限）を満足
するように行う必要がある。この方法の実行は、ハード
ウェアあるいはソフトウェアで行われるが、速度のこと
を考慮するとスケジューリングは通常ＡＴＭ交換器およ
び高速ルータ内のハードウェア内で実行される。
【０００５】多くの様々な種類のスケジューリング方法
が、汎用プロセッサシェアリング（Generalized Proces
sor Sharing（ＧＰＳ）） として知られる理論的スケジ
ューリング原理を近似すべく提案されている。このスケ
ジューリング原理は、「流体」モデルを用いて定義され
る原理である。このようなＧＰＳによりリンク上で通信
できる各期間に割り当てられたバンド幅をきっちりと制
御できる。しかし、ある期間に伝送されるパケットは、
これ以上分割することができないので複数のソースから
のデータは、パケットの間（境界）にインターリーブ
（挟み込む）しなければならない。このためＧＰＳ原理
は、実際のパケット交換ネットワークでは、実行するこ
とができない。
【０００６】単純なＦＩＦＯ技術，ラウンドロビン技
術，公平待ち行列技術により、個々の待ち行列をサービ
スすることは公知である。しかし、この流体システムを
最もよく近似する重み付けされた公平待ち行列（Weight
ed fair-queuing（ＷＦＱ））系が開発されている。特
に、A. Demers, S. Keshav, S. Shenker著の "Analysis
and Simulation of a Fair Queuing Algorithm" Intern
etworking: Research and Experience, pp, 3-26, vol.
1, 1990 の文献によれば、流体フローＧＰＳシステム
をシミュレートし、このＧＰＳシステム内の出発の順番
に対し、パケットのスケジューリング決定にバイアスを
掛けることによりＧＰＳをエミュレートする公平待ち行
列系が記載されている。
【０００７】重み付け公平待ち行列においては、スケジ
ューリング方法により制御される出力リンクを共有する
各トラフィック期間ｉに、その期間の予約バンド幅に対
応するφi が割り当てられている。この値φi は、リン
ク上の期間ｉの予約バンド幅が次式で与えられるように
計算される。
【数１】 ここで、分母はリンクを共有する全てのυ期間のφi の
値の和を計算している。
【０００８】図１に従来技術に係る重み付け公平待ち行
列ＷＦＱシステム１０を示す。この重み付け公平待ち行
列ＷＦＱシステム１０は、複数の結線用（結線毎に用意
される）行列２０ａ，... ，２０ｉを有し、各待ち行列
はデータ端末のようなソースからの入力トラフィックで
ある情報パケットを、共有メモリ２５内の別々の場所に
パケットを一時的に記憶する。様々な種類のトラフィッ
ク、例えばオーディオ，ビデオ，データ等を収納する様
々な種類の待ち行列が存在する。
【０００９】さらにまた、重み付け公平待ち行列ＷＦＱ
システム１０は、この待ち行列からパケットを割り当て
られたレートと全く同一のレートでもって重み付け公平
待ち行列スケジューラであるレート比例型サーバー４０
に転送するシェーパー３０ａ，... ，３０ｉを具備す
る。この重み付け公平待ち行列スケジューラは、重みは
それぞれ各結線用待ち行列２０ａ，... ，２０ｉに関連
づけられ、その結果スケジューラによりこれらの待ち行
列の１つに提供されるサービスは、待機中のパケットが
ある場合には、常に重みに比例することになる。
【００１０】例えば、リンクの容量（バンド幅）をＣ＝
１０パケット／秒と仮定する。同時にスケジューラも３
つの待ち行列にサービスするものとし、待ち行列Ｑ１は
重みＷＱ１＝２０％、待ち行列Ｑ２は重みＷＱ２＝３０
％、待ち行列Ｑ３は重みＷＱ３＝５０％とする。する
と、この３個の全ての待ち行列が待機パケットを有して
いる場合には、Ｑ１は２パケット／秒の保証されたバン
ド幅を、Ｑ２は３パケット／秒の保証されたバンド幅
を、Ｑ３は５パケット／秒の保証されたバンド幅を受領
する。
【００１１】しかし、例えばＱ３が待機中のパケットを
持っていない場合には、過剰（余分）のバンド幅は５パ
ケット／秒に等しくなる。ＷＦＱシステムにおいては、
この過剰バンド幅は、待機中のパケットを有する待ち行
列の重みに比例して再分配される。上記の実施例では、
Ｑ３は待機パケットを有していないので過剰のバンド幅
はＱ１とＱ２に比例して分配され、その結果Ｑ１は４パ
ケット／秒、Ｑ２は６パケット／秒の瞬間的なバンド幅
を受領することになる。それぞれのシェーパー３０から
出ていった各パケットは、直接、レート比例型サーバー
４０に転送され、このレート比例型サーバー４０はこの
パケットをさらに出力リンク５０に転送する。このレー
ト比例型サーバー４０は重み付け公平待ち行列の変形例
である。
【００１２】このようなＷＦＱ系においては、端末間の
遅延が保証されるような利点がある。例えば、各パケッ
トはストリーム内の各パケットフローに対しあるレート
が保証され、ストリーム間の隔離が確保され、例えば誤
動作をするソースは他のストリームのフローには影響を
及ぼさない。さらにまた、容量の利用が十分でない場合
には、例えばフローが特にバースト型であり、送信しな
い空き時間が存在する場合には、このＷＦＱシステムは
作業保存特性（work-conservation property）を保存す
るために未使用のバンド幅の再分配を容易にする。
【００１３】現在複数の待ち行列の間で未使用のバンド
幅の容量を再分配する特性は、流体フローモデル（flui
d-flow model）に特有な方法、例えば特定の待ち行列の
重みに従って実行される。かくしてパケットの待ち行列
がないアイドル状態の時には、過剰の（余分）のバンド
幅は長期の要件に基づくその重みに比例して予備接続
（backlogged connections）に再分配される。
【００１４】全ての公平待ち行列システムがＧＰＳの近
似を受け継ぐが、このＧＰＳの欠点は、ＧＰＳが状態依
存性バンド幅の共有を厳しく制限してしまうことであ
る。ＧＰＳにおける状態の依存性のみが予備接続の数に
なる。従ってこれ以上の自由度は存在せず、接続の長期
間のニーズに基づいて設定された保証レートによっての
み決定される。
【００１５】バンド幅の共有に対するこの制限は、公平
待ち行列の特性を維持するため、およびリーキーバケッ
ト制御のトラフィックソースに対する最悪の遅延限界を
保証するためには、必要以上に厳しいものである。した
がって、ＧＰＳの余剰バンド幅共有を次善策としてエミ
ュレートするような公平待ち行列システムに対するニー
ズは存在しない。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】したがって本発明の目
的は、ＧＰＳをエミュレートする重み付け公平待ち行列
システムにおいて、残りのトラフィックフローの瞬時の
ニーズを反映するような状態に依存する方法で未使用の
バンド幅の再分配を効率よく達成する方法を提供するこ
とである。
【００１７】
【課題を解決するための手段】本発明は、適応型再分配
系を実行する重み付け公平待ち行列への改良型アプロー
チである。このような再分配系においては、接続毎の各
フローは、適応しながら再分配される余剰のバンド幅と
リンクバンド幅の特定の共有が保証される。この再分配
系により、最悪の場合の端末間の遅延限界を与えるよう
な公平な待ち行列機能を保存でき、そしてこの再分配系
は、余剰のバンド幅が存在しない場合でも公平待ち行列
のように働く。この余剰のバンド幅は個々の条件に従っ
て再分配される。
【００１８】状態依存性の条件の例は、１）現在最も長
い遅延を有するフローにサービスする最長遅延優先条件
（Longest delay first（ＬＤＦ））と、 ２）許容され
た最大遅延と現在の遅延との差が最小のフローにサービ
スする対オーバフロー最短時間条件（Least time to ov
erflow（ＬＴＯ））と、３）最悪のケースの到着が発生
したときに、バッファが最初にオーバフローを引き起こ
すようなフローにサービスするリーキーバケットのオー
バフローへの最短時間条件（Least time to overflow w
ith leaky buckets（ＬＴＯ−ＬＢ））である。
【００１９】この適応型バンド幅再分配系は、常に各接
続に必要とされる最小限の保証を与え、最悪の場合の公
平さを満足させている。
【００２０】このＬＤＦ方式は、余剰のバンド幅を用い
て遅延分配の変動を低減し、これにより音声ソース，ビ
デオソースに対しプレイアウト（使い切った）バッファ
サイズを縮小できるメリットがある。ビデオトレースと
ボイストラフィックのシミュレーションによれば、この
方式は最悪の場合の保証を犠牲にすることなくＧＰＳよ
りは、性能がよい。
【００２１】許容最大遅延からの変動を考慮にいれてな
いので、遅延制限が小さいフロー（例、音声）は、遅延
制限が大きいフローの存在の元では、余剰のバンド幅を
ほとんど得ることができない。割当重みの不正確さは、
大きな遅延制限のフローよりは、これらの小さな遅延制
限のフローの方がはるかに大きな損失を受けることにな
る。
【００２２】ＬＴＯ方式は、最も早くオーバフローする
可能性のあるフローが、最も瞬時のバンド幅を必要とす
るという仮定の元で、余剰バンド幅を割り当てることに
よりパケットの喪失を最小にしようとしてる。このよう
にする際に、許容最大遅延からの各フローの現行の変動
を考慮にいれている。ＣＢＲと音声ソースとビデオソー
スを異なる遅延限界で組み合わせてシミュレーションす
ると、この方式は全てのクラスに対しパケットの喪失を
低減できかつ各クラスの遅延の変動を低減することがで
きる。
【００２３】
【発明の実施の形態】図２は適応型余剰バンド幅再分配
を用いた公平待ち行列方法を表すブロック図。本発明の
システムは、図１に示した従来のシステムに加えて状態
依存性スケジューラ２００を有し、この状態依存性スケ
ジューラ２００へは各結線用待ち行列２０ａ，... ，２
０ｉからパケットが入力され、状態依存性スケジューラ
２００の出力はマルチプレクサ３５０で出力リンク５０
と多重化される。パケットは一時的に結線用待ち行列２
０ａ，... ，２０ｉ内に記憶される。重みがこれらの各
待ち行列に割り当てられ、この重みは、各待ち行列に到
着したパケットに割り当てられなければならない出力バ
ンド幅の一部を表す。
【００２４】シェーパー３０ａ，... ，３０ｉは、結線
用待ち行列２０ａ，... ，２０ｉからのパケットを割り
当てられたレートと等しいレートでレート比例型サーバ
ー４０に転送する。このような構成により、余剰のバン
ド幅は、再分配用に利用できることになる。本発明によ
れば、他のソース即ち他の待ち行列からのトラフィック
は、適応型バンド幅再分配メカニズムである状態依存性
スケジューラ２００にも入力される。結線毎の待ち行
列，シェーパー，スケジューラ等のハードウェア構成
は、当業者には公知である。
【００２５】上述したようにシェーパー３０ａ，... ，
３０ｉは、パケットを割り当てられたレートに等しいレ
ートで、パケットを状態依存性スケジューラであるレー
ト比例型サーバー４０に送る。シェーパー３０ａ，...
，３０ｉよりそれぞれの待ち行列の接続「ｉ」に時間
間隔の間提供されるサービスは、Ｓi（τ，ｔ） で表
す。パケットはシェーパー３０から無限の容量を有する
サーバー４０に転送されるものとする。レート比例型サ
ーバー４０により提供されるサービスは、Ｒi（τ，
ｔ） で表す。
【００２６】サービスを受ける資格のなくなったパケッ
トは、シェーパー内の対応する接続待ち行列内に保存さ
れ、一方全ての資格のあるパケットは、レート比例型サ
ーバー４０内でサービスを受けるために待機する。サー
ビスはパケットがそこにある限りレート比例型サーバー
４０から与えられる。状態依存性スケジューラ２００の
待ち行列の全てが空の時には、状態依存性スケジューラ
２００は結線用待ち行列２０ａ，... ，２０ｉからパケ
ットを選択するよう起動され、シェーパー３０の状態に
影響を及ぼさない接続に提供されるサービスでもって伝
送する。図２に示すように、シェーパー３０によりタイ
ムインターバルの間待ち行列接続「ｉ」へ提供されるサ
ービスは、Ｄi（τ，ｔ） で示し、状態依存性スケジュ
ーラ２００により提供されるサービスは、Ｚi（τ，
ｔ） で示す。
【００２７】シェーパー３０は当業者に公知のカレンダ
ー（暦）待ち行列を用いて実現できる。シェーピング用
のカレンダー待ち行列のメカニズムは、D. Stiliadis
と A.Verma 著の A General Methodology for Designi
ng Scheduling and ShapingAlgorithms, in Proceeding
s of IEEE INFOCOM '97 を参照のこと。
【００２８】重み付き公平待ち行列サーバーであるレー
ト比例型サーバー４０は、公知の公平待ち行列メカニズ
ムを用いて実現できる、これに関しては、D. Stiliadis
とA. Varma の Traffic Scheduling System and Metho
d for Packet-Switched Networks, 米国特許出願第０８
／６３４，９０４号（１９９６年４月１５日提出）を参
照のこと。
【００２９】ある時点でＲＰＳスケジューラ２００内に
パケットが存在しないと決定された場合には、これはフ
リーの（だれでもが使用可能な）バンド幅があることを
を意味する。このためパケットは、状態依存の方法に基
づいて状態依存性スケジューラ２００によりサービスさ
れる。この状態依存の方法により、決定はシステムに関
連するある変数の現在の状態に基づいて行われる。状態
依存の決定の２つの例は、最長遅延優先（Longest Dela
y First） とオーバフローへの最短時間（Least Time t
o Overflow）である。
【００３０】最長遅延優先方式においては、状態依存性
スケジューラ２００は結線用待ち行列２０ａ，... ，２
０ｉの中からこの保証されたのと等しいレートでもって
これらの待ち行列がサービスされた場合には、遅延が最
長となるパケットを有する待ち行列を選択する。これを
実行するために、スケジューラは各待ち行列に保証レー
トにより除算された待ち行列のサイズに等しい遅延値を
割り当てる。この値は、この待ち行列の最後のパケット
が受ける遅延を表す。状態依存性スケジューラ２００
は、一組の数の中から最大値を選択するために何らかの
メカニズムを用いて、最大値を有する待ち行列を選択す
る。この選択メカニズムは公知である。
【００３１】オーバフローへの最短メカニズムにおいて
は、状態依存性スケジューラ２００は結線用待ち行列２
０ａ，... ，２０ｉの中から最短時間でオーバフローす
る可能性のある待ち行列を選択する。このメカニズム
は、最大サイズは待ち行列に関係していると見なしてい
る。パケットが到着したり、あるいは待ち行列によりサ
ービスされる毎にオーバフローするパケット（packet-t
o-overflow）の変数は、最大容量を超えることなく待ち
行列に付加されるパケットの数をカウントする。
【００３２】第２の変数（オーバフローする時間（time
-to-overflow）と称する）は、オーバフローする予測時
間を表し、関連レートでオーバフローするパケット変数
（packets-to-overflow） を除算することにより計算さ
れる。状態依存性スケジューラ２００は、最小のオーバ
フローする時間変数（time-to-overflow）を有する待ち
行列を伝送用に選択する。この最小値は、公知のメカニ
ズムにより決定できる。
【００３３】上記の変数は、状態依存性の変数を計算す
る２種類の方法について説明したが、他の類似の方法も
用いることができる。状態依存性の変数に基づいて、状
態依存性スケジューラ２００は、選択された待ち行列か
らパケットをリンク７５を介して、マルチプレクサ３５
０により多重化されて次の宛先に転送される。
【００３４】最悪の場合の公平性の特徴は、本発明のシ
ステムで満足されることが分かる。最悪の場合の公平性
においては、異なる割当レートで異なる長さの待ち行列
をサービスすることは、第１の待ち行列からのパケット
が時間ｔ1 でサービスされ、第２の待ち行列のパケット
が時間ｔ2 でサービスされるように、インタリーブされ
る（間に入れられる）。
【００３５】本発明においては、最悪の場合の公平性は
満足され、その結果、最悪の場合の時間間隔ｔ2 −ｔ1
は、接続の数の関数ではない値により制限されるか、あ
るいはそれよりも少なく、しかし時間ｔにおいてサービ
スされる待ち行列のような最長の待ち行列のパケットサ
イズと、最長の待ち行列の割当レートの関数である。
【００３６】最悪の場合の公平性の特徴は、本発明の重
み付け公平待ち行列システム内の状態依存性スケジュー
ラ２００により満足される。
【図面の簡単な説明】
【図１】重み付け公平待ち行列とレート比例型サーバー
の特徴を表すデータフロー図
【図２】本発明による重み付け公平待ち行列スケジュー
リングシステムを表す図
【符号の説明】
１０ 従来技術に係る重み付け公平待ち行列ＷＦＱシス
テム ２０ 結線用待ち行列 ２５ 共有メモリ ３０ シェーパー ４０ レート比例型サーバー ５０ 出力リンク ７５ リンク １００ 本発明に係る重み付け公平待ち行列ＷＦＱシス
テム ２００ 状態依存性スケジューラ ３５０ マルチプレクサ
フロントページの続き (71)出願人 596077259 600 Ｍｏｕｎｔａｉｎ Ａｖｅｎｕｅ, Ｍｕｒｒａｙ Ｈｉｌｌ， Ｎｅｗ Ｊｅ ｒｓｅｙ 07974−0636Ｕ．Ｓ．Ａ. (72)発明者 ティ、ブイ、ラクシマン アメリカ合衆国、07724 ニュージャージ ー、イートンタウン、ヴィクトリアドライ ブ 188 (72)発明者 ディミトリオス ステリアリス アメリカ合衆国、07030 ニュージャージ ー、ホボーケン、パークアベニュー 106

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 （Ａ）それぞれのソースからパケットを
    受領し、宛先に配送する前にこの受領したパケットを一
    時的に記憶する複数の結線毎の待ち行列（２０）と、 （Ｂ）保証されたあらかじめ割り当てられたレートでも
    って、前記（Ａ）複数の結線毎の各待ち行列（２０）か
    らのパケットをサービスする重み付き公平待ち行列スケ
    ジューリング手段（４０）と、 （Ｃ）前記待ち行列内のパケットの存否を検出する手段
    と、 （Ｄ）前記パケットの不存在を検出すると、その結果発
    生する余剰のバンド幅を最分配する状態依存性スケジュ
    ーリング手段（２００）と、 からなり、 前記（Ｄ）状態依存性スケジューリング手段（２００）
    は、前記待ち行列（２０）の性能特性に応じた状態に従
    って、これらの待ち行列（２０）にサービスし、 その結果、それぞれの待ち行列（２０）のパケットをル
    ーティングする遅延特性と分離特性が保存されることを
    特徴とする通信ネットワークにおけるパケットの配送装
    置。
  2. 【請求項２】 前記待ち行列（２０）は、最大量のパケ
    ットを有する待ち行列を含み、前記（Ｄ）状態依存性ス
    ケジューリング手段（２００）は、最長の待ち行列に最
    初にサービスすることを特徴とする請求項１の装置。
  3. 【請求項３】 前記待ち行列（２０）は、サービスされ
    る為に最も長時間待機している最大遅延のパケットを有
    する待ち行列を含み、 前記（Ｄ）状態依存性スケジューリング手段（２００）
    は、最大遅延の待ち行列に最初にサービスすることを特
    徴とする請求項１の装置。
  4. 【請求項４】 前記待ち行列（２０）は、そのバッファ
    メモリがオーバフローする可能性が最も大きい待ち行列
    を含み、 前記（Ｄ）状態依存性スケジューリング手段（２００）
    は、バッファがオーバフローする最も可能性の高い待ち
    行列に最初にサービスすることを特徴とする請求項１の
    装置。
  5. 【請求項５】 前記接続に対し、最悪の場合の公平尺度
    が満足されていることを特徴とする請求項１の装置。
  6. 【請求項６】 （Ａ）それぞれのソースからパケットを
    受領し、宛先に配送する前に、この受領したパケットを
    一時的に記憶する待ち行列（２０）を形成するステップ
    と、 （Ｂ）保証されたあらかじめ割り当てられたレートでも
    って前記複数の結線毎の待ち行列（２０）からのパケッ
    トにサービスするステップと、 （Ｃ）前記待ち行列内のパケットの存否を検出するステ
    ップと、 （Ｄ）前記パケットの不存在を検出すると、その結果発
    生する余剰のバンド幅を再分配するステップと、 からなり、 前記（Ｄ）再分配ステップは、前記待ち行列の性能特性
    に応じた状態変化に従ってこれらの待ち行列にサービス
    し、 それぞれの待ち行列のパケットをルーティングする遅延
    特性と分離特性が保存されることを特徴とする通信ネッ
    トワークにおけるパケットの配送方法。
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