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JP2008053878A - パケットサンプルを用いた大量バースト生成フロー特定方法およびそのシステム - Google Patents

パケットサンプルを用いた大量バースト生成フロー特定方法およびそのシステム Download PDF

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Abstract

【課題】ST法を階層的に用いることにより、サンプルパケット情報を用いて効果的に大量バースト生成フローを特定する。
【解決手段】パケットサンプルにより得られた統計データのみを用いて、他のフローに与える影響が大きく平滑化の効果の高い、レート変動とフローサイズの大きなフロー(大量バースト生成フローと言う)をアクセスルータにおいて特定し、特定した大量バースト生成フローを対象に、アクセスルータにおいてフロー単位のキューイングを行うことにより、長期平均レートに平滑化する。パラメータ設定装置101により、任意の特定曲線を実現するタイムアウト時間とサンプリング周期が設計され、大量バースト生成フロー特定装置104は、フローテーブル103に登録されたフローから高レートフローを特定し、大量バースト生成フローリスト105に出力する。
【選択図】図1

Description

本発明は、パケットサンプルから得られた情報を用いて、フローサイズが大きくレート変動が大きい大量バースト生成フローを特定する方法およびそのシステムに関する。
アクセス回線の大容量化に伴って、ユーザは短時間に大量のパケット送出が可能となる。その結果、形成されるバーストは、中継ルータにおける待ちキュー長を増大させ輻輳の大きな要因となる。これらバーストの網に与える影響を排除するためには、アクセスルータにおいてフロー単位のキューイングによるバーストの平滑化が有効である。しかし、そのための処理負荷や所要メモリ量は大きく、全てのフローに対して平滑化処理を行うことは非現実的である。
網には、レート変動やフローサイズの小さなフローも存在する。平滑化処理に伴うパケット損失は避けるべきであり、そのため平滑化後の転送レートは長期平均レートとなり、レート変動が小さいフローは平滑化効果が期待できない。また、フローサイズが小さく生成バースト数の少ないフローは、他のトラヒックに与える影響が小さく、平滑化の効果も限定的となる。そのため、平滑化を行う対象は、レート変動が大きくフローサイズの大きな、平滑化の効果が高いフローに限定することが望ましい。ここでは、このようなフローを大量バースト生成フローと定義する。大量バースト生成フローをフロー計測によって特定し、特定したフローのみを平滑化の対象とすれば、限られたルータ資源を効率的に用いながら平滑化処理を効果的に実現できる。
従来の高レートフロー特定方法では、フローレートに対する特定確率が定式化されておらず、特定されるフローレートの閾値の与え方が明らかではなかった。全てのパケットに対して特定のための処理を行う方法は、高速回線への適用が困難である。また、RED(Random Eary Detection)の使用を前提とした方法は、特定閾値となるフローレートを明示的に与えることができるが、REDの使用が前提であるため、REDを用いないルータには適用できず、やはり任意のフローレートに対する特定確率が定式化されていないため、特定精度が明らかでない。
ところで、フローサイズとフローレートには正の強い相関があることが知られているため、大サイズフローの特定方式で高レートフロー特定の代用を図ることが考えられるが、一般に、フローサイズとフローレートとの関連を定式化することができないため、特定閾値となるフローレートを明示的に与えることができず、特定曲線も得られないため、特定精度も明らかでない。
また、パケットサンプリングにより高レートフローのフローレートを高精度に推定するアプローチもあるが、フローレートの推定を目的としているため、特定の閾値となるフローレートを与えたときの任意のフローレートに対する特定確率が定式化されておらず、やはり特定精度が明らかでない。
高レートフローの特定を行う際には、高レートと定義するフローレートの閾値f*とその特定確率H*を設計できることが、実用上重要である。さらに、フローレートfがf<f*のフローが誤って特定される確率(FPR:False Positive Ratio)と、f≧f*のフローが誤って特定されない確率(FNR:False Ngative Ratio)を明確にし、特定精度を明らかにすることが重要である。そのためには、f*とH*を与えたときの任意のfに対する特定確率H(特定曲線)を明らかにする必要がある。
そこで、本発明者は、サンプル情報から高精度で高レートフローを特定するShort Timeout法(ST法と表記)を提案した(特願2005−003868号明細書及び図面)(特許文献1参照)。パケットサンプルでは、フロー統計値を収集するためにフローテーブルが作成されるが、最後にサンプルされた時刻からタイムアウト時間T内に同一フローに属するパケットが新たにサンプルされなかった場合に、フローテーブルからフローのエントリを消去する。ST法では、Tを数〜数10サンプル周期という短い時間に設定し、T内に2個のパケットがサンプルされたフローを高レートフローとして特定する。ST法の原理は非常に単純であり、実装が容易であること、また、所要メモリサイズが小さいという特質がある。
フローを発着IPアドレス、発着ポート番号、プロトコルタイプが共通のパケットの集合と定義する。大容量リンクでは、同時に流れるフロー数が膨大な数となるため、全てのフローを計測対象とすることは困難であり、一定周期で取出したパケットのみを計測の対象とするパケットサンプルが有効である。ST法は、パケットサンプルを用いて高レートフローを特定する方法である。ST法は、長さがφ(s)の測定期間Φを定め、各フローに対してΦ内に到着したパケット数をuとするとき、フローレートfをf≡u/φ(pps)と定義する。パケット到着率∧(pps)はΦの間一定とし、Nパケットごとに1個のパケットをサンプルする。フローのトラヒック比率pをp≡f/∧と定義し、任意に定めた閾値p*に対してp≧p*のフローを高レートフローと定義し、Φ内で2個のパケットがサンプルされたフローを高レートフローとして特定する。p=p*のフローを確率H*で特定することを考え、任意のp*とH*を実現するYとD(すなわちN)の組を次式で算出する。
Figure 2008053878
その後に、本発明者は、ST法を改良し、Y個のパケットがタイムアウトしないてサンプルされたフローを特定する方法を提案した(特願2005−181968号明細書及び図面)(特許文献2参照)。上記方法によれば、与えられたパケット到着率と計測時間とから、所望の特定レート閾値とその特定確率を満足する特定曲線を与えるパラメータ設計を行いながら、パケットサンプリングにより簡易な方法をメモリサイズを抑えるとともに、高レートフローを高精度で特定することができるようにしている。
上記方法の動作原理は、下記の通りである。
まず、フローを発着IPアドレス、発着ポート番号、プロトコルタイプが共通のパケットの集合と定義する。そして、長さがφ(s)の任意の測定期間Φを定め、各フローに対して、Φ内に到着したパケット数をuとするとき、フローレートfをf≡u/φ(pps)と定義する。任意に定めた閾値f*に対して、f≧f*のフローを高レートフローと定義し、着目リンクにおいて、高レートフローをΦ内で特定することを考える。
測定期間Φの時間長をφ(s)とし、着目リンクのパケット到着率∧(pps)はΦの間一定であるとする。そして、一定周期Nパケットごとに1個のパケットをサンプルする。このとき、平均サンプリング間隔はN/∧(s)となる。平均的には高レートフローであるほどサンプルされる確率が高くなる。そのため、単純に1個以上のパケットがサンプルされたフローを全て高レートフローとして特定する方法が考えられる。以後、この方法をNaive Sampling法(NS法と表記)と呼ぶ。この方法は、直感的で実現も容易であるが、特定の判断基準が大雑把であるため特定精度が低い。
パケットサンプリングを行うルータでは、最後にパケットがサンプルされてから、タイムアウト時間T内に新たにパケットがサンプルされなかった場合に、フローテーブルに保持されたフロー状態を消去する。通常のパケットサンプリングはフロー統計値の収集を目的としており、Tは通常、15秒や30秒といった大きな時間に設定される。しかし、パケットサンプルの目的を高レートフローの特定に限定した場合、必ずしもTを大きく設定する必要はない。
高レートフローのパケットは短い間隔で到着することから、そのパケットがサンプルされる間隔は短くなる傾向にある。そこで、Tを数〜数10サンプル周期という短い時間に設定し、タイムアウトしないでY個のパケットがサンプルされたフローを高レートフローとして特定することを提案する。すなわち、各々の連続するサンプル間隔がT以内でY個のパケットがサンプルされたフローを特定する。以後、パラメータYによって規定される上記の方法をShort Timeout−Y法(ST−Y法と表記)と呼ぶ。
ここでは、タイムアウト時間Tを、Kを任意の整数をとるパラメータとしてKサンプル周期(T=KN/∧)で与える。ST−Y法は、パラメータKとNを調整することにより、任意の特定曲線を実現する。
特願2005−003868号明細書及び図面 特願2005−181968号明細書及び図面
前述したST法は、測定期間Φの時間スケールの高レートフローを特定するため、φを例えば10msといった短時間に設定すれば、ST法を用いてピークレートの高いバーストを有するフローを特定できる。しかしこの場合、ピークレートが高くてもフローサイズが小さく、他のトラヒックに与える影響が小さなフローも同様に特定される。一方、φを例えば1sといった長時間に設定すれば、やはりST法を用いてフローサイズの大きいフローを特定することができる。しかしこの場合、フローサイズが大きくてもピークレートが低く、レート変動が小さいため、平滑化の効果が期待できないフローも同様に特定される。
(目的)
本発明の目的は、上述のような課題を解決し、ST法を階層的に用いることにより、サンプルパケット情報を用いて効果的に大量バースト生成フローを特定することができるパケットサンプルを用いた大量バースト生成フロー特定方法およびそのシステムを提供することにある。
本発明によるパケットサンプルを用いた大量バースト生成フロー特定方法は、パケットサンプルにより得られた統計データのみを用いて、他のフローに与える影響が大きく平滑化の効果の高い、レート変動とフローサイズの大きなフロー(大量バースト生成フローと言う)をアクセスルータにおいて特定し、特定した大量バースト生成フローを対象に、アクセスルータにおいてフロー単位のキューイングを行うことにより、長期平均レートに平滑化することを特徴としている。
また、本発明は、測定周期Φを考え、測定周期Φをk個の測定周期Φに分割し、各測定周期Φ内でサンプルされたパケット数が閾値Y以上となったフローをその測定周期Φにおいて特定し、k個の測定周期Φ中に特定された回数をフローごとにカウントし、特定回数がZ回以上になったフローを最終的に大量バースト生成フローとして特定することを特徴としている。すなわち、本発明は、先に提案したST法で用いる測定周期内をさらに細かな測定周期に分割し、2種の測定結果からバーストを効率良く特定する方法であ
さらに、本発明では、高レートで長時間パケットを送出し続けるようなフローを特定することを避けるため、測定周期Φ内の特定回線が閾値Z’(ただし、Z’>Z)を超えたフローは特定対象から除外することも特徴としている。
本発明によれば、アクセスルータにおいて、パケットサンプルから得られた情報を用いてフローサイズが大きくレート変動が大きい大量バースト生成フローを特定し、特定されたフローに対して平滑化処理を行うことにより、限られたルータ資源を用いて効果的に輻輳を緩和できる、という効果がある。
以下、本発明の実施形態を図面により詳細に説明する。
図1は、本発明の一実施形態に係る大量バースト生成フロー特定装置の構成図である。
図1において、101はパラメータ設定装置、102はパケットサンプル装置、103はフローテーブル、104は大量バースト生成フロー特定装置、105は大量バースト生成フローリストである。メモリに内蔵された大量バースト生成フローリスト105以外の装置は、いずれもCPU、メモリ等を内蔵したコンピュータで構成され、プログラムを実行することにより、それぞれの機能を逐行する。
パラメータ設定装置101により、パケットサンプルレートや特定判断閾値YとZが設定される。パケットサンプル装置102によりパケットが一定周期ごとにサンプルされる。
フローテーブル103によりサンプルされたフローのサンプルパケット数と特定回数が記憶される。大量バースト生成フロー特定装置104により、フローテーブル103に記憶されているサンプル回数と特定回数に応じて大量バースト生成フローが特定され、大量バースト生成フローリスト105に出力される。
(大量バースト生成フロー特定方法)
以下、本発明の大量バースト生成フロー特定方法について説明する。
まず、測定周期Φを考え、その長さをΦ(s)とする。そして、Φをk個の測定周期Φに分割する。測定周期Φの長さをΦ(s)とすると、Φ=kΦとなる。そして、ST法をΦの各々の測定周期で実施し、k個のΦ中に特定された回数をフローごとにカウントし、特定回数がZ回以上となったフローを最終的に大量バースト生成フローとして特定する。フローサイズが大きくてもレート変動が小さいフローは測定周期測定周期Φの時間スケールで特定されず、またレート変動が大きくてもフローサイズが小さいフローは特定回数が少ないため、共にΦ内の特定回数が少なく、最終的に特定されない。
この結果、フローサイズとレート変動が大きい大量バースト生成フローのみを効果的に特定できる。なお、高レートで長時間パケットを送出し続けるようなフロー(レート変動が小さいため、平滑化の効果が期待できない)も特定されるため、Φ内の特定回数が閾値Z’(ただし、Z’>Z)を超えたフローは特定対象から除外する。
(比較評価)
本発明の基本的な有効性を確認するため、計算機シミュレーションによる評価を行った。以下の三種類のフローを混在させた。
VRLS:variable−rate large−size flow:レート変動とサイズの大きなフローであり、大量バースト生成フローに相当する。on−off過程によりモデル化し、on期間中はピークレートが100Mbpsになるようパケットを指数分布に従う間隔で発生させ、on期間中はフローごとに1/240〜1/80sの範囲でランダムに設定し、平均レートが20Mbpsになるようにoff期間長を設定した。10本のVRLSフローを多重させた。
CRLS:constant−rate large−size flow:レートが一定でサイズの大きなフローであり、フローごとにレートを10Mbps〜30Mbpsの範囲でランダムに設定した。評価期間中、終始アクティブであり、パケットは指数分布に従う間隔で発生させた。やはり10本のCRLSフローを多重させた。
SS:small−size flow:サイズの小さなフローであり、フローサイズを平均が1Mbyteの指数分布で与え、平均が2msの指数分布に従う間隔でSSフローを多重させた。各フローのレートを10Mbps〜100Mbpsの範囲でランダムに設定し、各フローがアクティブである間、指数分布に従う間隔でパケットを発生させた。
パケット長は全て1500byteとし、φ=1s、φ=10ms、Y=8、Z=7とした。また、Z’については考慮しなかった。
図2は、フローごとの散布図である。図2では、横軸をφ=1s内の転送パケット数(長期平均レ−ト)、縦軸をφ=10ms内の転送パケット数の最大値(短期ピークレート)としたときのフローを示している。
図2(a)は、全フローを示す。図2(b)は、φ=1sとしたST法により特定されたフロ−を示す。図2(c)は、φ=10msとしたST法により特定されたフローを示す。図2(d)は、本発明により特定されたフローを示す。φを長期に設定してST法を用いると、CRLSフローが、またφを短期に設定してST法を用いると、SSフローが、、各々誤って特定されることが分かる。しかし、本発明を用いれば、VRLSフローを効果的に特定できることが確認できる。
(特定例)
図3は、本発明の特定例を示す説明図である。
ここでは、Φ内に3本のフローから合計で12個のパケットがサンプルされた場合を示している。K=2、Y=4とすると、フロー3のみが特定される。フロー3からは、タイムアウトしないでY+1個のパケットがサンプルされているため、Y番目のパケットがサンプルされた時点で特定される。フロー2からもΦ内にフロー3と同数(5)のパケットがサンプルされているが、2番目と3番目のパケットがサンプルされる間でタイムアウトするため、フロー2は特定されない。
任意の時点で、フローテーブルにエントリされているフロー数をnとすると、これらn本の全てのフローから1個以上のパケットが過去T以内にサンプルされたはずである(さもなければ、タイムアウトするためエントリが消去される)。そのためには、少なくともn個のパケットサンプルが過去T内で必要であるが、T内にはK個のパケットがサンプルされるため、n≦Kが成立する。すなわち、ST−Y法では、最大でもK個のフローが同時にエントリされるだけであるため、必要メモリ量はKで上限を抑えることができる。
(特定確率の導出)
以下では、Y−Short timeout法の特定確率を解析的に導出し、特定フローレート閾値f*とその特定確率H*を実現するためのパラメータ設定法について説明する。
Φの間に到着する総パケット数をL、総サンプルパケット数をDとすると、L=∧φ、D=L/Nとなる。DはD≧Yを満たす必要がある。フローレートfのフローのΦ内におけるトラヒック比率pをp≡f/∧と定義し、Φ中は着目フローから一定のレートfでパケットが着目リンクに到着すると仮定する。多重フロー数が十分に多い場合、サンプルされるパケットは各々独立であり、サンプルされたパケットがトラヒック比率pのフローに属している確率はΦの間、常にpとなる。fはpに比例することから、fの代わりにpに対する特定確率Hを導出する。また、特定の閾値をf*で規定する代わりにp*で規定し、与えられたLから、トラヒック比率がp*のフローを確率H*で特定することを考える。
qy(p,j)を、区間Φにおいてトラヒック比率がpの着目フローのパケットがj個サンプルされ、かつ着目フローが特定されない確率と定義する。そして、qy(p,j)>0となるjの最大値をJと定義する。
図4は、jの最大値を実現するパケットサンプリングパターンの説明図である。
T以内にY個以上のパケットがサンプルされると、着目フローは特定されるため、図4に示すように、着目フローのパケットがY−1個連続してサンプルされる(図4中、黒丸)期間と、着目フロー以外のパケットがK個連続してサンプルされる(図4中、白丸)期間が交互に現われる場合に、着目フローが特定されないという条件でjが最大となる(図4は、Y=3、K=2の場合)。よって、Jは次式(2)となる。
Figure 2008053878
このとき、トラヒック比率がpのフローの特定確率H(p)は、次式(3)で与えられる。
Figure 2008053878
以下では、0≦j≦Jの各jに対するq(p,j)を導出する。
まず、0≦j≦Y−1のときは、着目フローは必ず特定されない。一方で、D個のサンプルにおいて着目フローのパケットがj個サンプルされる確率は二項分布に従うことから、q(p,j)は次式(4)で得られる。
Figure 2008053878
しかし、Y≦j≦Jのときは、着目フローのパケットがサンプルされる位置によって着目フローが特定される場合とされない場合があるため、q(p,j)はこのような簡易な式で求めることはできない。Y≦j≦Jにおけるq(p,j)を導出するため、A(d)、r(p,d,j,v,w)、α(j,w)を以下のように定義する。
区間A(d)はΦ内の任意の連続するd個のサンプルが行われる区間であり、d=Dのとき、A(d)=Φとなる。r(p,d,j,v,w)は、区間A(d)において着目フローのパケットがj個サンプルされ、かつ、最後(j番目)のサンプル位置が区間A(d)の最後のサンプル位置から遡ることv番目のサンプル位置であり、区間A(d)の終了時点でフローテーブル内の着目フローのエントリのカウンタ値がwであり(タイムアウトしないでw個サンプルされている)、かつ、着目フローがこの間、特定されない確率である。
また、与えられたjとwに対して、r(p,d,j,v,w)>0となるdの最小値をα(j,w)と定義する(dの最小値はjとwに依存するためαはjとwの関数となる)。
図5は、dの最小値を実現するパケットサンプリングパターンの説明図である。
ここでは、dの最小値α(j,w)を与えるパケットサンプルパターンを示す(図5では、Y=3、K=3、j=5、w=1の場合)。
dが最小となるのは、A(d)の末尾から連続してw個のサンプル位置で着目フローのパケットがサンプルされ、残るj−w個の着目フローのパケットがKのブランクを挟んでY−1個以下のクラスタを形成する場合であるため、α(j,w)の値は次式(5)となる。
Figure 2008053878
(p,j)は、r(p,d,j,v,w)を全てのvとwについて足し合わせることにより導出できる。w≧Yのとき、着目フローはA(d)内で特定されるため、0≦w≦Y−1のwについてのみ考えればよい。
本発明の実施形態に係るパケットサンプルを用いた大量バースト生成フロー特定システムのブロック図である。 フローごとの長期平均レートと短期ピークレートに関する散布図である。 本発明の高レートフローの特定例を示す説明図である。 jの最大値を実現するパケットサンプリングパターンを示す図である。 dの最小値を実現するパケットサンプリングパターンを示す図である。
符号の説明
101 パラメータ設計装置
102 パケットサンプリング装置
103 フローテーブル
104 大量バースト生成フロー特定装置
105 大量バースト生成フローリスト
L 総パケット数
D 総サンプルパケット数
Y パラメータ(任意の整数)
K パラメータ(任意の整数)

Claims (4)

  1. パケットサンプルにより得られた統計データのみを用いて、他のフローに与える影響が大きく平滑化の効果の高い、レート変動とフローサイズの大きな大量バースト生成フローをアクセスルータにおいて特定し、特定した大量バースト生成フローを対象に、該アクセスルータにおいてフロー単位のキューイングを行うことにより、長期平均レートに平滑化することを特徴とする大量バースト生成フローの特定方法。
  2. レート変動とフローサイズの大きな大量バースト生成フローを特定する特定方法において、
    まず測定周期Φを考え、該測定周期Φをk個の測定周期Φに分割し、各測定周期Φ内でサンプルされたパケット数が閾値Y以上となったフローを該測定周期Φにおいて特定し、k個の測定周期Φ中に特定された回数をフローごとにカウントし、特定回数がZ回以となったフローを最終的に大量バースト生成フローとして特定することを特徴とする大量バースト生成フローの特定方法。
  3. 請求項2に記載の大量バースト生成フローの特定方法において、
    前記測定周期Φ内の特定回数が閾値Z’(ただし、Z’>Z)を超えたフローは、特定対象から除外して、高レートで長時間パケットを送出し続けるようなフローの特定を避けることを特徴とした大量バースト生成フローの特定方法。
  4. パケットサンプルレートや特定判断閾値を設定するパラメータ設定装置と、
    パケットを一定周期ごとにサンプルするパケットサンプル装置と、
    サンプルされたフローのサンプルパケット数と特定回数を記憶するフローテーブルと、
    該フローテーブルに記憶されているサンプル回数と特定回数に応じて大量バースト生成フローを特定する大量バースト生成フロー特定装置と、
    特定された大量バースト生成フローを出力する大量バースト生成フローリストと
    を有することを特徴とする大量バースト生成フロー特定システム。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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