(57)【要約】【課題】  着目するフローのTCP品質とリンク使用率を関係づけて帯域管理する方法ならびに様々なアクセス回線帯域やラウンドトリップタイムを持つフローが多重されている場合にも対応して、クラス毎の要求品質を満たすのに必要な帯域を算出して前記リンクの通信帯域を設計し、通信品質を管理する。【解決手段】  通信網におけるあるリンクを経由するユーザフローの通信品質を設計し、管理する通信帯域設計管理法であって、前記リンクの通信帯域をC、着目するTCPフローの転送可能速度をr'として、前記通信帯域Cと前記転送可能速度r'の比R＝C／r' 及びリンク使用率ρ、ならびにリンク使用率が十分小さいときの前記TCPフローの品質を基準としたTCPフロー品質劣化度数Dの関係を表す品質劣化度関数D＝D(R,ρ)を用いて、前記リンク使用率がρとなったときの品質を推定し、前記リンクの通信品質を管理する通信帯域設計管理方法である。【選択図】        図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
通信網におけるあるリンクを経由するユーザフローの通信品質を設計し、管理する通信帯域設計管理法であって、
前記リンクの通信帯域をC、着目するTCPフローの転送可能速度をr'として、前記通信帯域Cと前記転送可能速度r'の比R＝C／r' 及びリンク使用率ρ、ならびにリンク使用率が十分小さいときの前記TCPフローの品質を基準としたTCPフロー品質劣化度数Dの関係を表す品質劣化度関数D＝D(R,ρ)を用いて、前記リンク使用率がρとなったときの品質を推定し、前記リンクの通信品質を管理することを特徴とする通信帯域設計管理方法。
【請求項２】
前記リンクに加わると想定される最大負荷をLmax[bps]、予め定められた品質劣化度数に対する許容値εとして、前記品質劣化度関数Dを用いて(1＋ε)＝D(C*／r'，Lmax／C*)を満たす通信帯域C*を算出し、前記リンクの通信帯域がC*となるように設計し、前記リンクのTCP転送可能速度がr'となるユーザフローの通信品質を維持することを特徴とする請求項１に記載の通信帯域設計管理方法。
【請求項３】
前記リンクにおいて着目するTCPフローの転送可能速度r'を、前記フローのアクセス回線帯域r、あるいは前記フローのTCP通信での最大ウインドーサイズWmaxとラウンドトリップタイムRTTの比Wmax／RTTと前記アクセス回線帯域rの値の小さい方とすることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の通信帯域設計管理方法。
【請求項４】
前記品質劣化度関数D＝D(R,ρ)は、下記数式１で表されるC(R,ρ)
【数１】
2005210572.tif 000011
を用いた下記数式２から算出することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の通信帯域設計管理方法。
【数２】
2005210572.tif 000012
【請求項５】
前記品質劣化度数Dの代わりに、前記着目するフローの平均ファイルサイズをsとし、前記リンク使用率が十分小さいときのTCPファイル転送時間をs／r'により算出し、前記リンク使用率がρとなったときの平均ファイル転送時間T(ρ)をT(ρ)＝s／r'×D(R,ρ)を用いて、前記リンクの通信品質を管理することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の帯域設計管理方法。
【請求項６】
前記品質劣化度数Dの代わりに、前記着目するフローの平均ファイルサイズをsとし、前記リンク使用率が十分小さいときのTCPファイル転送時間をs／r'により算出し、前記リンクに加わると想定される最大負荷をLmax[bps]、予め定められた平均ファイル転送時間に対する許容値T*として、T*＝s／r'×D(C*／r'，Lmax/C*)を満たすC*を算出し、前記リンクの通信帯域がC*となるように設計することを特徴とする請求項２乃至請求項４のいずれか１項に記載の通信帯域設計管理方法。
【請求項７】
前記リンクに様々な転送可能速度（クラス）を持つフローが多重されている場合に、
クラスiに属するフローの転送可能速度をr'(i)、クラスiのフローの発生レートをλ(i)[flows/s]、クラスiのフローの平均ファイルサイズをs(i)とし、クラスiのフローの品質劣化度に対する許容値ε(i)を予め設定しておき、前記品質劣化度関数Dを用いて(1＋ε(i))＝D(C*(i)／r'(i)，Σλ(i)s(i)／C*(i))を満たす通信帯域C*(i)を、クラスiに対して算出し、C*＝max{C*(i)}をもって各クラスの品質劣化度D(i)がD(i)≦(1＋ε(i))となるのに必要な前記リンクの通信帯域として算出し、前記リンクの通信帯域がC*となるように設計することを特徴とする請求項２乃至請求項６のいずれか１項に記載の通信帯域設計管理方法。
【請求項８】
前記クラスiのフローの品質劣化度に対する許容値ε(i)の代わりに、クラスiのフローの平均ファイル転送時間に対する許容値T*(i)を予め設定しておき、前記品質劣化度関数Dを用いてT*(i)＝s(i)／r'(i)×D(C*(i)／r'(i)，Σλ(i)s(i)／C*(i))を満たす帯域C*(i)をクラスiに対して算出し、C*＝max{C*(i)}をもって各クラスの平均ファイル転送時間T(i)がT(i)≦T*(i)となるのに必要な前記リンク通信帯域として算出し、前記リンクの通信帯域がC*となるように設計することを特徴とする請求項７に記載の通信帯域設計管理方法。
【請求項９】
前記クラスiのフローの転送可能速度r'(i)を、クラスiのフローのアクセス回線帯域r(i)、あるいは、クラスiのフローのTCP通信での最大ウインドーサイズWmax(i)、およびラウンドトリップタイムRTT(i)の比Wmax(i)／RTT(i)と前記アクセス回線帯域r(i)の値の小さい方とすることを特徴とする請求項７または請求項８に記載の通信帯域設計管理方法。
【請求項１０】
通信網におけるあるリンクを経由するユーザフローの通信品質を設計し、管理する通信帯域設計管理装置であって、
前記リンクの通信帯域をC、着目するTCPフローの転送可能速度をr'として、前記通信帯域Cと前記転送可能速度r'の比R＝C／r' 及びリンク使用率ρ、ならびにリンク使用率が十分小さいときの前記TCPフローの品質を基準としたTCPフロー品質劣化度数Dの関係を表す品質劣化度関数D＝D(R,ρ)を用いて、着目するクラスに属するフローの品質劣化度あるいは平均ファイル転送時間を推定する手段と、前記リンクに加わると想定される最大負荷をLmax[bps]、予め定められた品質劣化度数に対する許容値εとして、前記品質劣化度関数Dを用いて(1＋ε)＝D(C*／r'，Lmax／C*)を満たす通信帯域C*を算出する手段とを備えることを特徴とする通信帯域設計管理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、通信帯域設計管理方法及び通信帯域設計管理装置に関し、特に、IPネットワークにおける異なるクラスのユーザフローが通過するリンクの設計及び通信品質の管理に適用して有効な技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、IPネットワークが広く利用されてくるに伴って、IPネットワーク上での通信品質保証に対する要求が高まっている。その一方で、通信設備に対するコストを抑える必要がある。そのため、所望の通信品質を維持するのに必要な通信帯域を適切に算出し、かつ、現在の通信品質が維持できているかを管理する通信帯域設計管理法が重要となってきている。
【０００３】
現状のIPネットワーク管理においては、あるリンクが輻輳しているか否かは、予め定められたリンク使用率に対する閾値と、測定されたリンク使用率を比較して判定している（例えば、非特許文献１，非特許文献２，非特許文献３を参照。）。しかし、リンク使用率とユーザの体感するファイル転送時間やスループット等の品質との関連が不明であるため、輻輳状態と判定する使用率に対するしきい値を具体的に特定することが困難であった。
【０００４】
また、必要な帯域を算出する方法としては従来、例えば、IPレベルのパケット損失率、あるいはATMレベルのセル損失率やキューイング遅延時間をある目標値以下にするような方法がある（例えば、非特許文献４，非特許文献５，非特許文献６，特許文献１，特許文献２，特許文献３，特許文献４，特許文献５を参照。）。しかしながら、これらの方法では、パケット損失率や遅延時間といったIPレベルの品質とユーザの体感するファイル転送時間やスループット等のTCPレベルの品質との関連が不明であるため、目標値の設定が困難であるという問題があった。
【０００５】
そこで、そのような問題を解決する方法として、近年、TCPレベルの品質を考慮した方法が提案されている（例えば、非特許文献７，非特許文献８，非特許文献９，非特許文献１０，非特許文献１１，非特許文献１２を参照。）。
【０００６】
しかしながら、前記非特許文献７，非特許文献８，非特許文献９，非特許文献１０，非特許文献１１，非特許文献１２等に記載された方法では、着目するリンクに多重される全フローのラウンドトリップタイムやアクセスリンク速度は均一であるという仮定を必要とする。そのため、異なるアクセス回線帯域を持つフローや異なるラウンドトリップタイムを持つフローが多重されている場合には対応できないという問題があった。この問題を解決する方法としては、例えば、測定が容易なフロー数とリンク使用率の組から、全フローのファイル転送可能速度の平均値r'を推定し（r'はr'＝s／Tidealで定義される。ここで、sは平均ファイルサイズ、Tidealはフローを集約するリンクの使用率が十分小さいときの全フローの平均ファイル転送時間）、それをパラメータとしてリンク使用率が増加してρとなったときの平均ファイル転送時間を予測し、必要な帯域を設計する方法が提案されている（例えば、非特許文献１３を参照。）。
【０００７】
ところが、前記非特許文献１３に記載された方法では、フロー全体の平均ファイル転送時間しか扱えない。そのため、例えば、料金別等のユーザのサービス契約種別毎にサービスクラスを設定し、ユーザフローをクラス別に管理して設計したい場合には対応できないという問題があった。近年、Diffserv（Differentiated services）のようなクラス間でサービス差別化を図る技術が着目されており、契約されたクラス毎に品質を管理することが重要となってきている。また、アプリケーション種別に応じて、要求される通信品質も異なる場合がある。例えば、webのように小さいファイルをダウンロードして自分の端末に表示させ、また次のページにアクセスするような場合にはそのレスポンス時間に対する要求は厳しくなるが、ftpのように大きなファイルをダウンロードする場合にはダウンロード時間に対する要求は緩やかになる場合が想定される。このような場合には、クラス毎に異なる品質要求に対応して帯域を設計し、通信品質を管理する必要があるが、これまでに提案された方法では、そのような要望に対応できないという問題があった。
【特許文献１】特開２０００−４２３２号公報
【特許文献２】特開平１１−３４１０００号公報
【特許文献３】特開平９−１６２８６７号公報
【特許文献４】特開平１１−１５４９５２号公報
【特許文献５】特開２００１−５３８０４号公報
【非特許文献１】N. Ansari, G. Cheng, S. Israel, Y. Luo, J. Ma, and L. Zhu, "QoS provision with path protection for next generation SONET," ICC2002, 2002.
【非特許文献２】A. Feldmann, A. Greenberg, C. Lund, N. Reingold, and J. Rexford, "Netscope: Traffic engineering for IP networks," IEEE Network, pp. 11-19, March/Apl. 2000.
【非特許文献３】A. Kumar, M. Hegde, S. V. R. Anand, B. N. Bindu, D. Thirumurthy, and A. A. Kherani, "Nonintrusive TCP connection admission control for bandwidth management of an Internet access link," IEEE Commun. Mag., pp. 160-167, May 2000.
【非特許文献４】Y. Kamado and K. Miyake, "A measured-traffic-based bandwidth dimensioning method for Internet ATM backbone networks," IEICE Trans. Commun., vol. E81-B, no. 2, Feb. 1998.
【非特許文献５】J.-s. Li, "Measurement and in-service monitoring for QoS violations and spare capacity estimations in ATM network," Computer Communications, 23, pp. 162-170, 2000.
【非特許文献６】横井, 土屋, "バッファ内セル数分布の推定に基づくVP容量設計法," 電子情報通信学会技術研究報告, SSE99-16, pp. 25-29, 1999.
【非特許文献７】S. B. Fredj, T. Bonald, A. Proutiere, G. Regnie, and J. W. Roberts, "Statistical bandwidth sharing: A study of congestion at flow level," ACM SIGCOMM 2001, 2001.
【非特許文献８】小沢, "プロセッサシェアリングモデルを用いた通信応答時間の近似解析," 電子情報通信学会技術研究報告, NS2002-12, pp. 45-48, 2002.
【非特許文献９】J. W. Roberts and L. Massoule, "Bandwidth sharing and admission control for elastic traffic," Proc. ITC Specialist Seminar, 1998.
【非特許文献１０】M. Nabe, M. Murata, and H. Miyahara, "Analysis and modeling of World Wide Web traffic for capacity dimensioning ofInternet access lines," Perfbrmance Evaluation, Vbl. 34, No. 4, 1998.
【非特許文献１１】A. Riedl, T. Bauschert, M. Perske, and A. Probst, "Investigation of the M/G/R processor sharing model for dimensioning of IP access networks with elastic traffic," Proc. First Polish-German Teletraffic Symposium, 2000.
【非特許文献１２】福嶋, 中村, 野本, "スロースタートを考慮した複数TCPコネクション資源共有モデルの解析," 電子情報通信学会技術研究報告, IN2002-29, pp. 43-48, 2002.
【非特許文献１３】川原, 石橋, 朝香, "フロー統計情報を用いた帯域設計管理法," 電子情報通信学会技術研究報告, NS2003-87, pp. 1-4, 2003.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明が解決しようとする問題点は、前記背景技術で説明したように、従来の通信品質設計管理方法では、様々なアクセス回線帯域やラウンドトリップタイムを持つフローが多重されているリンクの通信帯域の設計、通信品質の管理が難しいという点である。
【０００９】
本発明の目的は、着目するフローのTCP品質とリンク使用率を関係づけて帯域管理する方法ならびに様々なアクセス回線帯域やラウンドトリップタイムを持つフローが多重されている場合にも対応して、クラス毎の要求品質を満たすのに必要な帯域を算出して前記リンクの通信帯域を設計し、通信品質を管理することが可能な通信帯域設計管理方法及び通信帯域設計管理装置を提供することにある。
【００１０】
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面によって明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本願において開示される発明の概略を説明すれば、以下の通りである。
【００１２】
（１）  通信網におけるあるリンクを経由するユーザフローの通信品質を設計し、管理する通信帯域設計管理法であって、前記リンクの通信帯域をC、着目するTCPフローの転送可能速度をr'として、前記通信帯域Cと前記転送可能速度r'の比R＝C／r' 及びリンク使用率ρ、ならびにリンク使用率が十分小さいときの前記TCPフローの品質を基準としたTCPフロー品質劣化度数Dの関係を表す品質劣化度関数D＝D(R,ρ)を用いて、前記リンク使用率がρとなったときの品質を推定し、前記リンクの通信品質を管理する通信帯域設計管理方法である。
【００１３】
（２）  前記（１）の手段において、前記リンクに加わると想定される最大負荷をLmax[bps]、予め定められた品質劣化度数に対する許容値εとして、前記品質劣化度関数Dを用いて(1＋ε)＝D(C*／r'，Lmax／C*)を満たす通信帯域C*を算出し、前記リンクの通信帯域がC*となるように設計し、前記リンクのTCP転送可能速度がr'となるユーザフローの通信品質を維持する。
【００１４】
（３）  前記（１）または（２）の手段において、前記リンクにおいて着目するTCPフローの転送可能速度r'を、前記フローのアクセス回線帯域r、あるいは前記フローのTCP通信での最大ウインドーサイズWmaxとラウンドトリップタイムRTTの比Wmax／RTTと前記アクセス回線帯域rの値の小さい方とする。
【００１５】
（４）  前記（１）から（３）の手段において、前記品質劣化度関数D＝D(R,ρ)は、下記数式１で表されるC(R,ρ)
【数１】
2005210572.tif 000003
を用いた下記数式２から算出する。
【数２】
2005210572.tif 000004
【００１６】
（５）  前記（１）から（４）の手段において、前記品質劣化度数Dの代わりに、前記着目するフローの平均ファイルサイズをsとし、前記リンク使用率が十分小さいときのTCPファイル転送時間をs／r'により算出し、前記リンク使用率がρとなったときの平均ファイル転送時間T(ρ)をT(ρ)＝s／r'(R,ρ)を用いて、前記リンクの通信品質を管理する。
【００１７】
（６）  前記（２）から（４）の手段において、前記品質劣化度数Dの代わりに、前記着目するフローの平均ファイルサイズをsとし、前記リンク使用率が十分小さいときのTCPファイル転送時間をs／r'により算出し、前記リンクに加わると想定される最大負荷をLmax[bps]、予め定められた平均ファイル転送時間に対する許容値T*として、T*＝s／r'×D(C*／r'，Lmax/C*)を満たすC*を算出し、前記リンクの通信帯域がC*となるように設計する。
【００１８】
（７）  前記（２）から（６）の手段において、前記リンクに様々な転送可能速度（クラス）を持つフローが多重されている場合に、クラスiに属するフローの転送可能速度をr'(i)、クラスiのフローの発生レートをλ(i)[flows/s]、クラスiのフローの平均ファイルサイズをs(i)とし、クラスiのフローの品質劣化度に対する許容値ε(i)を予め設定しておき、前記品質劣化度関数Dを用いて(1＋ε(i))＝D(C*(i)／r')，Σλ(i)s(i)／C*(i))を満たす通信帯域C*(i)を、クラスiに対して算出し、C*＝max{C*(i)}をもって各クラスの品質劣化度D(i)がD(i)≦(1＋ε(i))となるのに必要な前記リンクの通信帯域として算出し、前記リンクの通信帯域がC*となるように設計する。
【００１９】
（８）  前記（７）の手段において、前記クラスiのフローの品質劣化度に対する許容値ε(i)の代わりに、クラスiのフローの平均ファイル転送時間に対する許容値T*(i)を予め設定しておき、前記品質劣化度関数Dを用いてT*(i)＝s(i)／r'(i)×D(C*(i)／r')，Σλ(i)s(i)／C*(i))を満たす帯域C*(i)をクラスiに対して算出し、C*＝max{C*(i)}をもって各クラスの平均ファイル転送時間T(i)がT(i)≦T*(i)となるのに必要な前記リンク通信帯域として算出し、前記リンクの通信帯域がC*となるように設計する。
【００２０】
（９）  前記（７）または（８）の手段において、前記クラスiのフローの転送可能速度r'(i)を、クラスiのフローのアクセス回線帯域r(i)、あるいは、クラスiのフローのTCP通信での最大ウインドーサイズWmax(i)、およびラウンドトリップタイムRTT(i)の比Wmax(i)／RTT(i)と前記アクセス回線帯域r(i)の値の小さい方とする。
【００２１】
（１０）  通信網におけるあるリンクを経由するユーザフローの通信品質を設計し、管理する通信帯域設計管理装置であって、前記リンクの通信帯域をC、着目するTCPフローの転送可能速度をr'として、前記通信帯域Cと前記転送可能速度r'の比R＝C／r' 及びリンク使用率ρ、ならびにリンク使用率が十分小さいときの前記TCPフローの品質を基準としたTCPフロー品質劣化度数Dの関係を表す品質劣化度関数D＝D(R,ρ)を用いて、着目するクラスに属するフローの品質劣化度あるいは平均ファイル転送時間を推定する手段と、前記リンクに加わると想定される最大負荷をLmax[bps]、予め定められた品質劣化度数に対する許容値εとして、前記品質劣化度関数Dを用いて(1＋ε)＝D(C*／r'，Lmax／C*)を満たす通信帯域C*を算出する手段とを備える通信帯域設計管理装置である。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の通信帯域設計管理方法は、前記（１）から（９）の手段のように、前記リンクの通信帯域C，着目するTCPフローの転送可能速度r'，リンク使用率ρから通信品質の劣化度、あるいは平均ファイル転送時間を算出し、前記リンクの通信品質の管理及び通信帯域の設計をする。また、１つのリンクに複数のクラスが混在しても各クラスで要求される通信品質を満たすように通信帯域を設計し、管理することができる。
【００２３】
また、前記（１）から（９）の手段を用いて前記リンクの通信帯域を設計し、通信品質を管理するときには、例えば、前記（１０）の手段のような通信帯域設計管理装置を、対象となるリンクに挿入すればよい。
【００２４】
以下、本発明について、図面を参照して実施の形態（実施例）とともに詳細に説明する。
なお、実施例を説明するための全図において、同一機能を有するものは、同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
本発明の通信帯域設計管理方法では、前記リンクの通信帯域C，着目するTCPフローの転送可能速度r'，リンク使用率ρから通信品質の劣化度、あるいは平均ファイル転送時間を算出し、前記リンクの通信品質の管理及び通信帯域の設計をし、１つのリンクに複数のクラスが混在しても各クラスで要求される通信品質を満たすように通信帯域を設計し、管理する。
【００２６】
従来の通信帯域の設計管理方法のうち、例えば、前記非特許文献７に記載された方法では、各フローのラウンドトリップタイムやアクセス回線帯域は均一であると仮定し、TCPのスロースタートの影響を無視できる位に十分大きいファイルを転送する場合におけるTCP品質劣化度を、R＝(集約回線帯域C)／(アクセス回線帯域r)で与えられるパラメータRを用いて、下記数式３により算出している。
【数３】
2005210572.tif 000005
前記数式３において、D(R,ρ)はTCP品質劣化度であり、リンク使用率が十分小さいときの平均ファイル転送時間Tidealに対する、リンク使用率がρとなったときのファイル転送時間T(ρ)の劣化度合いを意味し、D(R,ρ)＝T(ρ)／Tidealで定義される。なお、Tidealは、平均ファイルサイズsを用いてTideal＝s／rで与えられる。また、前記数式３において、C(R,ρ)はアーランC式として知られているものであり、下記数式４で表される。
【数４】
2005210572.tif 000006
【００２７】
しかしながら、一般に、各ユーザのアクセス帯域は様々であるため、前記パラメータRを(集約回線帯域C)／(アクセス回線帯域r)により設定できない。
【００２８】
そこで、本発明では、異なるアクセス回線帯域を持つフローが多重されている場合におけるクラスiのフローのアクセス回線帯域をr(i)とし、前記パラメータR，前記クラスiのフローの品質劣化度D(i)，平均ファイル転送時間T(i)の近似式として、下記数式５で表される各数式を提案する。
【数５】
2005210572.tif 000007
なお、S(i)はクラスiの平均ファイルサイズとする。以下、前記近似式（数式５）の推定精度を評価した例を示す。
【００２９】
図１及び図２は、本発明の通信帯域設計管理方法の原理を説明するための模式図であり、図１は通信帯域の設計及び管理に用いる近似式の推定精度の評価の一例を示すグラフ、図２は他の評価例を示す図である。
【００３０】
前記数式５で表される近似式の推定精度を評価するために、評価の一例として、ある時点で通信中のTCPフローの転送速度が、集約回線帯域Cをそのときの同時接続フロー数で均等割した値と、着目するフローのアクセス回線帯域の小さい方となるようなシミュレーションを実施した。具体的には、時刻tにおけるクラスiのフロー数をn(i,t)、その和をn(t)＝Σn(i,t)、r(1)＜r(2)＜…＜r(k)（kはクラス数）とし、下記数式６
【数６】
2005210572.tif 000008
を満たす最小の正の整数Iに対して、クラスiフローの転送速度A(i,t)が下記数式７
【数７】
2005210572.tif 000009
で与えられるとしてシミュレーションを実施した。またこのとき、前記集約回線帯域C＝22.5Mbpsとし、４つのクラス（r(1)＝0.5Mbps，r(2)＝1.5Mbps，r(3)＝2.5Mbps，r(4)＝4.5Mbps）のフローが混在しているとする。また、ファイルサイズは、s(1)＝1MB，s(2)＝3MB，s(3)＝5MB，s(4)＝9MBとし、各クラスのフロー発生率を振らせてリンク使用率を変えたときの、各クラスの平均ファイル転送時間を評価した。なお、各クラスのフロー発生率の比は、（クラス１）：（クラス２）：（クラス３）：（クラス４）＝0.5：0.278：0.167：0.055となるように設定した。このような方法で評価を行った結果は、図１に示すようになり、高いアクセス回線帯域を持つフローの転送時間を精度良く推定できていることが分かる。また、低いアクセス回線帯域フローについては、若干大きめに近似しているが安全側となっている。
【００３１】
前記数式５で表される近似式では、TCPスロースタートの影響を無視できるとしているが、転送すべきファイルサイズが小さい場合には無視できるとは限らない。そこで、アクセス回線帯域r(i)の代わりに、TCPスロースタートを考慮した実際の転送可能速度r'(i)が与えられたとして、前記数式５の代わりに、下記数式８で表される近似式を用いてもよい。
【数８】
2005210572.tif 000010
【００３２】
前記数式８で表される近似式の推定精度を評価するために、TCP動作を模擬したシミュレーションを実施した。このとき、前記集約回線帯域C＝10Mbpsとし、アクセス回線帯域が2Mbpsのフローと600kbpsのフローが混在しているとし、いずれの平均ファイルサイズも10KBとする。また、2Mbpsのフロー発生率と600kbpsのフロー発生率の比を1:2とし、フロー発生率を振らせてリンク使用率を変えたときの平均ファイル転送時間を評価した。近似式におけるフローの転送可能速度r'は、リンク使用率が十分小さいときの平均ファイル転送時間T'をクラス毎に測定し、ファイルサイズ10KBをT'で除した値をr'として用いた（2Mbpsフローのr'は1.5288Mbps、600kbpsフローのr'は575.51kbpsであった）。このときの評価結果は、例えば、図２に示すようになり、提案する近似式で各クラスのTCP品質を精度良く推定できていることが分かる。
【００３３】
以上説明したように、複数クラスが混在しても、着目するクラスのアクセス回線帯域（あるいは転送可能速度）を用いてクラス毎に帯域比R(i)＝C／r(i)を求め、それを均一クラスの推定式におけるRの代わりに用いることにより、クラス毎のTCP品質を推定できる。
【００３４】
そこで、本発明の通信帯域設計管理方法では、該リンク通信帯域をC、着目するTCPフローの転送可能速度をr'とし、それらの比をR＝C／r'、リンク使用率ρ、リンク使用率が十分小さいときの該TCPフロー品質を基準とした該TCPフローの品質劣化度数Dの関係を表す品質劣化度関数D＝D(R,ρ)を用いてリンク使用率がρとなったときの品質を推定し、通信品質を管理する。
【００３５】
このとき、TCPフローの転送可能速度r'は、例えば、アクセス回線帯域に設定するか、あるいは、該リンク使用率が十分小さいときにファイル転送時間を測定して転送可能速度r'を設定する。別の設定方法としては、前記着目するTCPフローの転送可能速度r'は、前記フローのアクセス回線帯域r、あるいは、前記フローのTCP通信での最大ウインドーサイズWmax、及びラウンドトリップタイムRTTの比Wmax/RTTと前記アクセス回線帯域ｒの値の小さい方とする。ここで、Wmax／RTTはTCPウインドー制御における最大転送可能速度となるので、それとアクセス回線速度rの小さい方を転送可能速度としている。
【００３６】
また、本発明の通信帯域設計管理方法では、リンクに加わると想定される最大負荷をLmax[bps]、予め定められた品質劣化度数に対する許容値εを用いて、前記品質劣化度数Dを用いて(1＋ε)＝D(C*／r'，Lmax/C*)を満たすC*を算出し、前記リンク帯域がC*となるように設計する。
【００３７】
このとき、前記許容値εは、通信サービスとしてどれくらいの品質を、どの位のコスト（帯域）で提供するかを決定するパラメータであり、例えば、εを大きくすると、必要な帯域C*を削減できるためコスト削減につながるが、大きな品質劣化度を許容することになり、顧客満足度が得られない場合には顧客数の減少につながる恐れがある。従って、サービスレベルとコストのトレードオフで決定されるパラメータである。
【実施例】
【００３８】
図３及び図４は、本発明による一実施例の通信帯域設計管理方法を説明するための模式図であり、図３は本発明が適用されるIPネットワークの一例を示す図、図４は通信帯域設計管理装置の概略構成を示す図である。
図３において、１Ａ，１Ｂはノード、２はリンク、３は帯域設計管理装置、４Ａ，４Ｂは端末、５Ａはクラス１のユーザ端末、５Ｂはクラス２のユーザ端末である。また、図４において、３０１はパケットヘッダ解析手段、３０２はフロー品質測定手段、３０３はリンク使用率算出手段、３０４はフロー品質／使用率管理手段、３０５は帯域設計手段である。
【００３９】
本発明の通信品質管理方法が適用される通信網は、例えば、IPネットワークのように複数のノード及びリンクから構成されているネットワークであり、例えば、図３に示すように、ノード１Ａ，１Ｂ間を接続するリンク２に、前記リンク２の通信帯域を設計、管理する装置（通信帯域設計管理装置）３が挿入される。このとき、前記通信帯域設計管理装置３が挿入されたリンク２は、例えば、ネットワーク上の端末４Ａ，４Ｂから、アクセス回線が2Mbps（クラス１）のユーザ端末５Ａ、及び600kbps（クラス２）のユーザ端末５Ｂに伝送されるパケット（ユーザフロー）が通過する集約回線であるとする。またこのとき、図４に示した例では、前記各端末４Ａ，４Ｂ，５Ａ，５Ｂがそれぞれ１台ずつであるが、前記各端末４Ａ，４Ｂ，５Ａ，５Ｂは複数台あってもよい。また、前記ネットワーク上の端末４Ａ，４Ｂとノード１Ａ、あるいはノード１Ｂと前記ユーザ端末５Ａ，５Ｂの間で、複数のノード及びリンクを経由してパケットを伝送するようなネットワークであってもよい。
【００４０】
またこのとき、前記通信帯域管理装置３は、例えば、図４に示すように、前段のノード１Ａから到着したパケットを解析するパケットヘッダ解析手段３０１、前記管理対象となるフローの通信品質を測定するフロー品質測定手段３０２、前記管理対象となるリンクの使用率を算出するリンク使用率算出手段３０３、前記フローの通信品質及びリンク使用率を管理するフロー品質／使用率管理手段３０４、前記フローの通信品質を維持するために必要な帯域を設計する帯域設計手段３０５を備える。
【００４１】
以下、前記通信帯域設計管理装置３を用いた前記リンク２の通信帯域の設計方法及び通信品質の管理方法の一例を説明する。
【００４２】
前段のノード１Ａから前記通信帯域設計管理装置３にパケットが到着すると、前記通信帯域設計管理装置３では、パケットヘッダ解析部３０１によって到着したパケットのサイズ、TCPフラグ情報に加え、例えば、送信元IPアドレス，着信先IPアドレス，送信元ポート番号，着信先ポート番号，プロトコル番号といった情報を読み取り、後段のノード１Ｂヘ送信する。このとき、前記パケットヘッダ解析部３０１では、前記５つの情報の組でなるアドレス等の情報とサービスクラスを対応づけるテーブルを予め用意しておき、到着したパケットのクラスLを判別し、管理対象とするフローであるか判別する。このとき、前記対応テーブルは、前記パケットヘッダ解析部３０１が持っていてもよいし、前記パケットヘッダ解析部３０１とは別に持っていてもよい。また、前記テーブルを参照してクラスを判別する代わりに、ネットワークの入口でパケット毎にそのヘッダ内にクラスを表すフラグを立てておき、パケットヘッダ解析部３０１では、そのヘッダ内のフラグからクラスを判別してもよい。
【００４３】
また、前記到着したパケットとクラスを対応づけるときには、前記５つの情報ではなく、例えば、送信元IPアドレスと着信先IPアドレスの２つの情報の組でもよく、クラスをどのように定義するかに依存してクラスの判別法は決まる。
【００４４】
またこのとき、管理対象とするフローは１本でもよいし、複数本でもよいが、ここでは簡単のため、管理対象フローは１本であるとする。
【００４５】
前記パケットヘッダ解析手段３０１において、前記到着したパケットが管理対象フローに属するパケットであると判定された場合、そのときのTCPフラグ情報及びパケットサイズがフロー品質測定手段３０２に通知される。
【００４６】
前記フロー品質測定手段３０２では、通知されたTCPフラグにおいてTCPフローの開始を示すSYNフラグビットが立っているパケットを検出したら、新しいフローが発生したと判断し、そのときの時刻をTstartという変数に記憶しておく。一方、TCPフロー終了を表すFINフラグビットが立っているパケットを検出したら、フローが終了したとして、現在の時刻からTstartを差し引いた値を計算し、それをファイル転送時間Tf(n)として測定する。ここでnは、n番目に検出されたフローを意味する。
【００４７】
また、前記フロー品質測定手段３０２では、前記ファイル転送時間Tf(n)の測定とともに、SYNフラグビットを検出してからFINフラグビットを検出するまでの間に転送されたパケットのバイト数の和をファイルサイズSf(n)として測定する。この測定をリンク使用率が小さいようなある限られた時間帯にのみ実施する。計測後、これらの平均avgTf＝ΣTf(n)／N、avgSf＝ΣSf(n)／N（Nは測定回数）を計算し、その結果を前記フロー品質／使用率管理手段３０４に通知する。なお、ここでは、リンクを流れるパケットをキャプチャして、フロー通信品質を測定する例を示したが、そうする代わりに、あるパケット発生装置からフロー通信品質測定のための試験パケットをパケット受信装置に送信して品質を測定してもよい。
【００４８】
また、前記パケットヘッダ解析手段３０１は、フローIDに関係なく、読み取られたパケットサイズは全てリンク使用率算出手段３０３へ通知する。前記リンク使用率算出手段３０３は、一定時間t0の間に通過したパケットのサイズの和をt0で割り、さらにそれを該リンク通信帯域Cで割ることによってt0毎のリンク使用率ρ(j)を算出し、これをt0時間毎にフロー品質／使用率管理手段３０４に通知する。
【００４９】
前記フロー品質／使用率管理手段３０４では、フロー品質測定手段３０２から受信したavgTf，avgSfを用いて、前記フローの転送可能速度r'をr'＝avgSf／avgTfにより算出する。そして、前記転送可能速度r'と前記リンクの通信帯域Cから帯域比R＝C／r'を算出し、リンク使用率算出手段３０３より通知されたj番目に測定されたリンク使用率ρ(j)とRを、前記数式３で表される品質劣化度関数D(R,ρ(j))に代入し、そのときの品質劣化度D(j)を算出する。このとき、前記品質劣化度D(j)が予め定めた品質許容値1＋εを超えていたら、品質劣化と判定する。また、品質劣化と判定した場合、算出した前記転送可能速度r'を帯域設計手段３０５に通知する。
【００５０】
前記帯域設計手段３０５では、前記フロー品質／使用率管理手段３０４から通知された前記転送可能速度r'の値、前記リンクに加わると想定される最大負荷Lmax[bps]及び予め定められた品質劣化度数に対する許容値ε、ならびに前記数式３で表される品質劣化度関数Dを用いて、(1＋ε)＝D(C*／r'，Lmax／C*)を満たす通信帯域C*を算出する。そして、算出した通信帯域C*を、前記品質が劣化している帯域の新しい帯域として設定する。
【００５１】
以上説明したように、本実施例の通信帯域設計管理方法によれば、前記リンクの通信帯域C，着目するTCPフローの転送可能速度r'，リンク使用率ρから通信品質の劣化度、あるいは平均ファイル転送時間を算出し、前記リンクの通信品質の管理及び通信帯域の設計をすることで、１つのリンクに複数のクラスが混在しても各クラスで要求される通信品質を満たすように通信帯域を設計し、管理することができる。
【００５２】
また、本実施例の通信帯域設計管理方法では、前記フロー品質／使用率管理手段３０４において前記品質劣化度D(j)を品質尺度としたが、前記品質劣化度D(j)の代わりに、前記数式５あるいは数式８に示したように、平均ファイル転送時間を品質尺度としてもよい。この場合、前記リンク使用率がρ(j)のときの着目するフローの平均ファイル転送時間T(j)をT(j)＝avgTf×D(R,ρ(j))により算出して、それを予め定められた品質許容値T*と比較して、T(j)＞T*ならば品質劣化と判定する。
【００５３】
またこのとき、前記帯域設計手段３０５では、前記リンクに加わると想定される最大負荷Lmax[bps]を用いて、予め定められた平均ファイル転送時間に対する許容値T*を用いて、T*＝avgTf×D(C*／r'，Lmax／C*)を満たす通信帯域C*を算出する。
【００５４】
また、前記フロー転送可能速度r'は、本実施例のように実測を通じて設定する代わりに、前記フローのアクセス回線帯域rをフロー転送可能速度r'として設定してもよい。また、そのほかにも、例えば、前記フローのTCP通信での最大ウインドーサイズWmaxとラウンドトリップタイムRTTの比Wmax／RTTと、前記アクセス回線rの値の小さい方を前記フロー転送可能速度r'としてもよい。
【００５５】
また、前記帯域設計手段３０５では、本実施例のように、想定される最大負荷Lmax[bps]を用いる代わりに、前記リンクに多重されるクラスiに属するフローの転送可能速度をr'(i)、クラスiフローの発生レートをλ(i)[flows/s]、クラスiフローの平均ファイルサイズをs(i)とし、クラスiフローの品質劣化度に対する許容値ε(i)を予め設定しておき、前記数式３で表される品質劣化度関数Dを用いて(1＋ε(i))＝D(C*(i)／r'(i)，Σλ(i)s(i)／C*(i))を満たす帯域C*(i)をクラスiに対して算出し、C*＝max{C*(i)}をもって各クラスの品質劣化度D(i)がD(i)≦(1＋ε(i))となるのに必要な通信帯域として算出してもよい。
【００５６】
また、前記帯域設計手段３０５では、品質劣化度D(i)を品質尺度とする代わりに、平均ファイル転送時間を品質尺度としてもよい。この場合、クラスiフローの平均ファイル転送時間に対する許容値T*(i)を予め設定しておき、前記数式３で表される品質劣化度関数Dを用いてT*(i)＝s(i)／r'(i)×D(C*(i)／r'(i)，Σλ(i)s(i)／C*(i))を満たす帯域C*(i)をクラスiに対して算出し、C*＝max{C*(i)}をもって各クラスの平均ファイル転送時間T(i)がT(i)≦T*(i)となるのに必要な通信帯域として算出する。
【００５７】
以上、本発明を、前記実施例に基づき具体的に説明したが、本発明は、前記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において、種々変更可能であることはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の通信帯域設計管理方法の原理を説明するための模式図であり、通信帯域の設計及び管理に用いる近似式の推定精度の評価の一例を示すグラフである。
【図２】本発明の通信帯域設計管理方法の原理を説明するための模式図であり、他の評価例を示す図である。
【図３】本発明による一実施例の通信帯域設計管理方法を説明するための模式図であり、本発明が適用されるIPネットワークの一例を示す図である。
【図４】本発明による一実施例の通信帯域設計管理方法を説明するための模式図であり、通信帯域設計管理装置の概略構成を示す図である。
【符号の説明】
【００５９】
１Ａ，１Ｂ…ノード
２…リンク
３…通信帯域設計管理装置
３０１…パケットヘッダ解析手段
３０２…フロー品質測定手段
３０３…リンク使用率算出手段
３０４…フロー品質／使用率管理手段
３０５…帯域設計手段
４Ａ，４Ｂ…ネットワーク上の端末
５Ａ…クラス１のユーザ端末
５Ｂ…クラス２のユーザ端末
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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