JP4643473B2 - ネットワーク伝送装置 - Google Patents

Description

本発明はネットワーク伝送装置およびその制御方法に係り、特にリアルタイム性を要求されるフレームをより少ない遅延で伝送するネットワーク伝送装置およびその制御方法に関する。

現在、ブロードバンド回線を使用した高速かつ低コストなインターネット常時接続環境が普及している。ＦＴＴＨに代表されるこれらのインターネット接続サービスでは、各家庭（ユーザ）へのアクセスインターフェースとして、安価なEthernet（登録商標）が使用されている。しかしながらEthernetにおいては、ＷＡＮやＡＴＭといった専用線サービスと比較すると、帯域保証の機能がなく、ユーザに対して均等なインターネット接続速度を保証することが課題となっている。

また、近年のインターネット接続サービスは接続料金が低価格化する傾向にある。その中で、回線事業者やインターネットサービスプロバイダ（ＩＳＰ： Internet Service Provider）では、他社との差別化による新規顧客の獲得、および増益を目的として、付加価値サービスを提供する動向にある。代表的な付加価値サービスとしては、ＩＰ電話（ＶｏＩＰ：Voice over IP）や動画配信（ＶｏＤ：Video on Demand）といったものが挙げられる。

特許文献１には、ユーザの帯域の変化により生じる未使用帯域を有効に利用するためのシェーピング装置が記載されている。このシェーピング装置は、特許文献１の図１に示されているように、パケット転送装置の出力フレーム送受信インターフェース部に設けられ、どのキューに入っているフレームを送信するか決定する。この結果、パケット転送装置は、送信側に存在する複数のユーザに対して、契約に基づいた帯域を保証することができる。

特許文献１に記載されたパケット転送装置のキューの概念について図１を用いて説明しよう。ここで、図１は、パケット転送装置のキューの概念を説明する図である。パケット転送装置において、特許文献１に記載される帯域制御機能を有した回線インターフェース１本に対して、図１に示すキュー構造をもつ。１本の回線インターフェースは、ユーザ別にＵｓｅｒ＃０〜Ｕｓｅｒ＃１０２３に多重される。さらに、１人のユーザに対してはアプリケーション別に４クラスのＱｏＳ＃０〜ＱｏＳ＃３に多重される。ＱｏＳ＃０〜ＱｏＳ＃３の間には優先度が定められており、ここでは、ＱｏＳ＃０が最も優先度が高く、ＱｏＳ＃３が最も優先度が低い。パケット転送装置を通過するユーザデータは、宛先とするユーザ別にＵｓｅｒ＃０〜Ｕｓｅｒ＃１０２３に分類され、さらにユーザデータのアプリケーション別に、Ｕｓｅｒ＃０を宛先とするデータはＱｏＳ＃００〜ＱｏＳ＃３０、Ｕｓｅｒ＃１を宛先とするデータはＱｏＳ＃０１〜ＱｏＳ＃３１、… 、Ｕｓｅｒ＃１０２３を宛先とするデータはＱｏＳ＃０１０２３〜ＱｏＳ＃３１０２３に分類される。

特許文献１に記載される帯域制御機構では、図１のキュー構造を有する回線インターフェース内において多重されるＵｓｅｒ＃０〜Ｕｓｅｒ＃１０２３から１つのＵｓｅｒを選出する。次に、選出されたＵｓｅｒ＃内において多重されるＱｏＳ＃０〜ＱｏＳ＃３から１つのＱｏＳ＃を選出する。このようにして選出されたキューに分類されたユーザデータを回線インターフェースより送出する。

図１において、パケット転送装置を通過するユーザデータのアプリケーション種別として、ＶｏＩＰ（Voice over IP）などの音声データ、ＶｏＤ（Video on Demand）などの動画データ、その他のデータ（Web閲覧およびMail等）を挙げる。ここで、アプリケーションのＱｏＳ（Quality of Service）は、一般にその他データ＜ＶｏＤ用データ＜ＶｏＩＰ用データの順に高い。Ｕｓｅｒ＃０を流れるユーザデータに着目すると、ユーザ内の帯域制御で最も優先されるＱｏＳ＃００のキューには、ＶｏＩＰデータが溜められる。次に優先度の高いＱｏＳ＃１０のキューには、ＶｏＤデータが溜められる。同様にＱｏＳ＃２０およびＱｏＳ＃３０のキューには、その他データが溜められる。
なお、特許文献１の対応米国出願として、特許文献２がある。

特開２００４−２８２７２８号公報 米国特許出願公開第２００４／０２０８１２３号明細書

ここで、アプリケーションごとの特徴を説明する。まず、ＶｏＩＰのデータは、フレーム長が６４〜２５６Ｂｙｔｅと短く、リアルタイムな双方向の通信である。また、ＶｏＤのデータは、フレーム長が６４〜１５１８Ｂｙｔｅと長く、リアルタイムな片方向の通信である。更に、Ｗｅｂ閲覧、Ｍａｉｌ等のデータは、フレーム長が６４〜１５１８Ｂｙｔｅと長く、片方向の通信である。

ユーザデータが流れるネットワークにおいて、トラフィックが増大するなどして輻輳が発生すると、ユーザデータの伝送遅延に揺らぎが生じ、ユーザデータがパケット転送装置において廃棄されるといった現象が生じる。このような状況下においては、ＶｏＩＰデータにおいては、通話が途絶え、音声が聞き取りにくくなるといった影響を受けやすくなる。

ＶｏＤにおいても、遅延の増大によりコマ落ちやブロックノイズといった影響を受ける。しかし、ＶｏＤを受信する端末装置にキャッシュを持つことにより、データの遅延揺らぎをある程度、吸収できる。また、ＶｏＤデータにパケット廃棄が起きた場合についても、ＴＣＰにおける再送機能によりデータの再取得が可能であり、ＶｏＤデータを再送する際に生じる遅延揺らぎについては、前述したキャッシュで救済することが可能である。

一方、Ｗｅｂ閲覧・Ｍａｉｌ等のデータに関しては、ＶｏＩＰやＶｏＤのようなリアルタイムのデータ転送を要求されないため、遅延揺らぎが生じたとしても、ユーザにはほとんど影響がない。また、Ｗｅｂ閲覧・Ｍａｉｌのデータに対してパケット廃棄が起きた場合についても、前述したＴＣＰの再送機能により救済が可能である。
上述した理由により、アプリケーションのＱｏＳは、その他データ＜ＶｏＤ用データ＜ＶｏＩＰ用データの順に高く設定する。

特許文献１に記載されたパケット転送装置は、Ｍａｉｌ等の長いフレームとＶｏＩＰの短いフレームがパケット転送装置の受信側に混在したとき、ＩＰ電話のアプリケーションを使用するユーザは、フレームデータの伝達遅延およびフレーム廃棄の影響を受け易いという問題がある。

本発明は、リアルタイム性を要求されるアプリケーションのフレームをより少ない遅延で伝送するネットワーク伝送装置（パケット転送装置）を実現する。

上述した課題は、受信したフレームを格納する複数のキュー；受信したフレームからヘッダ情報を認識して、ヘッダ情報に含まれる１つ以上のフィールド情報から、識別子（前述のユーザ番号に相当する）と優先度（前述のＱｏ Ｓに相当する）とを生成して、識別子と優先度の組合せから該フレームをキューイングすべきキューを判定するキュー判定部；キュー判定部が判定したキューにフレームを格納するキューイング部と、複数のキューからフレームを送信すべきキューを選択するスケジューラ部；とを有するネットワーク伝送装置により達成できる。

また、スケジューラ部において、同じ優先度に属するキューの集合体を構成して予め定めた周期毎に各キュー集合において少なくとも１つのキューを送信可能であるか判定するステップと、各キュー集合からそれぞれ送信すべきキューを判定するステップと、各キュー集合の優先度を比較するステップと、送信すべきキューを選択するステップとを含む制御方法により達成できる。

本発明によれば、リアルタイム性を要求されるアプリケーションのフレームをより少ない遅延で伝送するネットワーク伝送装置を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について、実施例を用いて図面を参照しながら説明する。
図２を用いて、付加価値サービス（ＶｏＩＰ、ＶｏＤ）を提供するインターネットサービスのネットワーク構成を説明する。ここで、図２はインターネットサービスのネットワーク構成を説明するブロック図である。図２において、ネットワーク伝送装置１００は、アクセス網６００と、インターネット３００と接続されたネットワーク伝送装置２００−１と、ＶｏＩＰネットワーク４００と動画配信サーバ５００と接続されたネットワーク伝送装置２００−２と、接続されている。また、アクセス網６００は、光スプリッタ６１０を介して、複数の加入者宅７００に設置された加入者終端装置（ＯＮＵ：Optical Network Unit）７１０と接続されている。

ＯＮＵ７１０は、宅内ゲートウェイ端末７２０を介して、ＩＰ電話機７３０、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）７４０、ＩＰテレビ（ＩＰＴＶ）７５０と接続されている。ＩＰ電話機７３０は、ＶｏＩＰネットワーク４００との間で上り下りの音声データの送受を行なう。ＰＣ７４０は、インターネット３００との間で上り下りのデータの送受を行なう。また、ＩＰテレビ７５０は、動画配信サーバ５００からの動画配信を受信する。なお、ＩＰテレビの代わりにセットトップボックスで受信して、通常のテレビで表示させても良い。

ここで、ネットワーク伝送装置１００は、図２の左半分で形成するバックボーン網の端局をなしている。ネットワーク伝送装置１００は、ネットワークを接続する装置である。すなわち、バックボーン網とアクセス網６００を接続し、ルーティングテーブルを参照して、パケットを転送する。ネットワーク伝送装置は、この機能からパケット転送装置と呼ばれることもあり、ルータ、スイッチを含み、これらに限定されない。

図３を用いて、ネットワーク伝送装置の構成を説明する。ここで、図３はネットワーク伝送装置の構成を説明するブロック図である。図３において、ネットワーク伝送装置１００は、フレーム送受信インターフェース１１０−１、１１０−２と、転送エンジン１３０と、検索エンジン１４０とで構成される。フレーム送受信インターフェース１１０−１は、回線よりフレームを受信して、転送エンジン１３０に転送する。ここで、ＴＣＰ／ＩＰネットワークで転送されるフレームは、ヘッダ部とペイロード部から構成される。ヘッダ部は、宛先情報や送信元情報、アプリケーションの種別を示すポート番号などの情報を含む。ペイロード部にはユーザデータが含まれる。

転送エンジン１３０は、受信したフレームのヘッダ部に制御情報を加えて検索エンジン１４０に検索要求を送出する。ここでいう制御情報とは、フレームのヘッダ部には含まれない情報であり、パケット転送装置においてフレームを受信した回線インターフェースの識別番号や、フレームの長さなどが含まれる。転送エンジン１３０は、検索結果として検索エンジン１４０から更新された宛先情報とキュー情報を受信すると、更新された宛先情報を元にフレームのヘッダ部を更新して、更新されたフレームとともにキュー情報を、フレーム送受信インターフェース１１０−２に送出する。

検索エンジン１４０は、フレームヘッダに含まれる宛先情報から転送する宛先を検索し、検索結果を転送エンジン１３０に送信する。フレーム送受信インターフェース１１０−２は、転送エンジン１３０から受信した転送先にフレームを転送する。

フレーム送受信インターフェース１１０−１は、フレーム受信側帯域制御部１２０を含む。同様に、フレーム送受信インターフェース１１０−２は、フレーム送信側帯域制御部１５０を含む。フレーム送信側帯域制御部１５０の動作については、特許文献１に記載があるので、ここでは省略する。

フレーム受信側帯域制御部１２０は、さらにフロー検索/キュー判定部１２１と、廃棄判定部１２２と、キューイング部１２３と、複数のキュー１２５と、スケジューラ部１２６と、フレーム送信部１２７とからなる。

ここで、フロー検索/キュー判定部１２１は、フレームのヘッダ部を解析して、ヘッダ部に含まれる宛先情報と、アプリケーション種別を取得する。フロー検索/キュー判定部１２１は、取得した宛先情報とアプリケーション種別から、複数のキュー１２５のうちどのキューに送信すべきかを判定する。

廃棄判定部１２２は、フロー検索/キュー判定部１２１が判定したキューに関して、キューに現在溜められているフレームの個数を取得する。また、廃棄判定部１２２はキューごとに予め定められたキューの長さを取得する。ここでいうキューの長さとは、該当のキューに同時間中に滞留可能なフレームの最大個数のことを指す。そして、廃棄判定部１２２は、キューに現在溜められているフレームの個数と、キューの長さを比較して、受信したフレームを廃棄するか、キューに滞留させるかを判定する。

キューイング部１２３は、廃棄判定部１２２がフレームをキューに滞留させる判定を行った場合に、フロー検索/キュー判定部１２１が判定したキュー番号に基づいて、キュー１２５から１つのキューを選択して、フレームをキューの最後尾に記憶させる。キューイング部１２３は、スケジューラ部１２６に割り振ったキュー番号を送信する。複数のキュー１２５は、それぞれが独立したＦＩＦＯ（First In First Out）メモリであり、フレームを記憶する。

スケジューラ部１２６は、どのキューに入っているフレームを送信するか決定し、決定されたキュー番号を、フレーム送信部１２７に送信する。フレーム送信部１２７は、スケジューラ部１２６から受信したキュー番号に基づいて、キュー１２５から１つのキューを選択して、ＦＩＦＯメモリの先頭にあるフレームを取り出して、転送エンジン１３０に送信する。

図３で説明したネットワーク伝送装置のフレーム受信側帯域制御部が持つキューの構造について、図４を用いて説明しよう。ここで、図４は、ネットワーク伝送装置のフレーム受信側帯域制御部が持つキューの構造を説明する図である。図４において、パケット転送装置を通過するユーザデータのアプリケーション種別として、ＶｏＩＰ等の音声データ、ＶｏＤ等の動画データ、その他のデータを挙げる。アプリケーションのＱｏＳは、その他データ＜ＶｏＤ用データ＜ＶｏＩＰ用データの順に高いとする。ここで、図１で説明したキューの構造との違いを説明しよう。図１で示したキュー構造では、１つの回線インターフェース内において多重されるユーザから１つのユーザを選出し、次に、選出したユーザ内において多重されるＱｏＳから１つのＱｏＳを選出することで、フレームを送出するキューを決定していた。これに対して、本実施例のキュー構造では、１本の回線インターフェースは、アプリケーション別に４つのＱｏＳ＃０〜ＱｏＳ＃３に多重される。さらに、１つのＱｏＳに対してはユーザ別にＵｓｅｒ＃０〜Ｕｓｅｒ＃１０２３に多重される。すなわち、フレーム送信時には、１本の回線インターフェース内において多重されるＱｏＳから１つのＱｏＳを選出して、次に、選出されたＱｏＳ内において多重されるＵｓｅｒ＃０〜Ｕｓｅｒ＃１０２３から１つのＵｓｅｒを選出することで、フレームを送出するキューを決定する。

図４において、ＶｏＩＰのデータは、ユーザごとにＵｓｅｒ＃ｎ０（ｎは、０〜１０２３）のキューに蓄積され、全ユーザのＶｏＩＰデータはＱｏＳ＃０に集約される。また、ＶｏＤのデータは、ユーザごとにＵｓｅｒ＃ｎ１のキューに蓄積され、全ユーザのＶｏＤデータはＱｏＳ＃１に集約される。同様に、その他のデータは、ユーザごとにＵｓｅｒ＃ｎ２またはＵｓｅｒ＃ｎ３のキューに蓄積され、ＱｏＳ＃２またはＱｏｓ＃３に集約される。
これらのＱｏＳ＃０〜Ｑｏｓ＃３は、回線として多重化されて、出力される。

図３のスケジューラ部１２６は、４０９６本（４×１０２４）のキューＵｓｅｒ＃ｎ０〜Ｕｓｅｒ＃ｎ３から、キューを選択して、送信キュー番号をフレーム送信部に送信する。このスケジューラ部１２６の構成について、図５を用いて説明する。ここで、図５はスケジューラのブロック図である。

図５において、キューイング部１２３から受信フレームのキュー番号をスケジューラ部１２６が受信する。スケジューラ部１２６では、キュー番号の情報を、キュー長管理部１２６１が受信する。キュー長管理部１２６１は、キュー番号を受信するとはじめにキュー長情報ＤＢ１２６２を参照する。キュー長情報ＤＢ１２６２には、図３に示す受信側帯域制御部１２０が持つすべてのキューに対して、現在キューに滞留しているフレームの個数をキュー別に格納する。キュー長管理部１２６１は、受信したキュー番号に基づいて、該当キューに滞留しているフレームの個数を取得して、フレームの個数を更新（加算）して、再びキュー長情報ＤＢに更新した値を格納する。キュー長管理部１２６１は、回線送信判定部１２６３にキューが属する回線番号を送信する。

回線送信判定部１２６３は、キュー長管理部１２６１より回線番号を受信すると、帯域設定情報と送信判定のための帯域制御情報を保持する回線別の制御情報ＤＢ１２６４を更新する。回線送信判定部１２６３は、一定の周期で自律的に起動して、制御情報ＤＢ１２６４が保持する帯域制御情報を受信し、起動時点でフレームが送信可能であるかを判定する。そして回線送信判定部１２６３は、送信判定結果を、送信判定部１２６５に送信する。

キュー長管理部１２６１は、回線送信判定部１２６３への回線番号を送信するとほぼ同時に、ユーザ/ＱｏＳ判定部１２６６に、キューが属するユーザ番号を送信する。ここで、ユーザ/ＱｏＳ判定部１２６６は、ユーザ集合（ＱｏＳ＃０〜ＱｏＳ＃３）ごとに４面ある。したがって、キュー長管理部１２６１は、それぞれのユーザ/ＱｏＳ判定部１２６６に送信する。キュー長管理部１２６１よりユーザ番号を受信すると、ユーザ/ＱｏＳ判定部１２６６は、一定の周期で自律的に起動して、それぞれ制御情報ＤＢ１２６７の帯域/ＱｏＳ情報を受信して、それぞれ送信するユーザを決定し、そのユーザのキューが送信可能か判定する。ユーザ/ＱｏＳ判定部１２６６は、それぞれ送信判定結果と送信可能なキュー番号を、送信判定部１２６５に送信する。なお、回線送信判定部１２６３、および４つのユーザ/ＱｏＳ判定部１２６６が自律的に起動する周期は同期しており、同じタイミングで判定結果を送信判定部１２６５に送信する。

送信判定部１２６５は、回線送信判定部１２６３の送信判定結果と、４つのユーザ/ＱｏＳ判定部１２６６の送信判定結果と送信可能なユーザ番号を一定周期で受信する。回線送信判定部１２６３が送信可能と判定し、かつ、４つのユーザ/ＱｏＳ判定部１２６６のうち１つでも送信可能と判定したときに、送信可能なユーザ番号とユーザ集合の番号（ＱｏＳ番号）から、送信するキュー番号を決定して、フレーム送信部１２７に送信キュー番号を送信する。

もし、２つ以上のユーザ/ＱｏＳ判定部１２６６が同時刻に送信可能と判定した場合は、送信判定部１２６５は、ＱｏＳ間の優先度に基づいて、１つのユーザ集合を選択する。ここではＱｏＳ＃０が最も優先度が高く、ＱｏＳ＃３が最も優先度が低い。送信判定部１２６５は、キュー長管理１２６１にも送信キュー番号を送信する。

キュー長管理部１２６１は、受信したキュー番号に基づいて、該当キューに滞留しているフレームの個数を取得して、フレームの個数を更新（減算）して、再びキュー長情報ＤＢに更新した値を格納する。

図６を用いて、実施例の効果を説明する。ここで、図６はフレーム受信側帯域制御部の効果を説明する図である。図６において、フレーム受信側帯域制御部１２０に、２つの入路からフレーム長の短いＶｏＩＰフレームと、フレーム長の長いＭａｉｌフレームがほぼ同時に受信されたと、仮定する。スケジューラ１２６は、優先度の高いＶｏＩＰフレームを優先して通す。この結果、フレーム長の長い、Ｍａｉｌフレームの影響で、ＶｏＩＰフレームに遅延が生じることはない。

本実施例に拠れば、ネットワーク伝送装置のフレーム受信側帯域制御部において、ネットワークによる遅延の影響が最も大きい音声データを優先して転送エンジンに送信する。その結果、リアルタイム性を要求されるアプリケーションのフレームをより少ない遅延で伝送するネットワーク伝送装置（パケット転送装置）を提供することができた。

パケット転送装置のキューの概念を説明する図である。 インターネットサービスのネットワーク構成を説明するブロック図である。 ネットワーク伝送装置の構成を説明するブロック図である。 ネットワーク伝送装置のフレーム受信側帯域制御部が持つキューの構造を説明する図である。 スケジューラのブロック図である。 フレーム受信側帯域制御部の効果を説明する図である。

符号の説明

１０…制御端末、２０…回線、１００…ネットワーク伝送装置、１１０…フレーム送受信インターフェース、１２０…フレーム受信側帯域制御部、１２１…フロー検索/キュー判定部、１２２…廃棄判定部、１２３…キューイング部、１２５…キュー、１２６…スケジューラ部、１２７…フレーム送信部、１３０…転送エンジン、１４０…検索エンジン、１５０…フレーム送信側帯域制御部、２００…ネットワーク伝送装置、３００…インターネット、４００…ＶｏＩＰネットワーク、５００…動画配信サーバ、６００…アクセス網、６１０…光スプリッタ、６２０…ネットワーク伝送装置、７００…加入者宅、７１０…加入者終端装置（ＯＮＵ）、７２０…宅内ゲートウェイ端末、７３０…ＩＰ電話機、７４０…パーソナルコンピュータ（ＰＣ）、７５０…ＩＰテレビ。

Claims (4)

1. 複数のキューを収容する制御部と、
   フレームを格納すべきキューを判定するキュー判定部と、
   前記複数のキューからフレームを送信する送信キューを選択するスケジューラとを有し、
   前記制御部は、１つの回線に複数のフレームの優先クラスごとのキューを収容し、更に、前記優先クラスごとに複数のユーザに基づく複数のキューを収容し、
   前記スケジューラは、前記複数のフレームの優先クラスから１つの優先クラスを選出して、次に選出された当該優先クラス内の複数のユーザから１つのユーザのキューを選出し、送信キューとすることを特徴とするネットワーク伝送装置。
2. 請求項１に記載のネットワーク伝送装置であって、
   さらに廃棄判定部を有し、
   前記廃棄判定部は、前記キュー判定部がキュー中のフレームの個数と、キューの長さを比較して、受信したフレームを廃棄するか、キューに滞留させるかを判定することを特徴とするネットワーク伝送装置。
3. 請求項１または請求項２に記載のネットワーク伝送装置であって、
   前記優先クラスは、音声データと映像データとその他データとに区分されていることを特徴とするネットワーク伝送装置。
4. 請求項３に記載のネットワーク伝送装置であって、
   前記優先クラスの優先度は、前記その他データ＜前記映像データ＜前記音声データの順に高いことを特徴とするネットワーク伝送装置。

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