JP4854029B2

JP4854029B2 - 無瞬断パケット切替装置

Info

Publication number: JP4854029B2
Application number: JP2007152667A
Authority: JP
Inventors: 整内藤; 淳小池
Original assignee: KDDI Corp
Current assignee: KDDI Corp
Priority date: 2007-06-08
Filing date: 2007-06-08
Publication date: 2012-01-11
Anticipated expiration: 2027-06-08
Also published as: US20080304488A1; US7843933B2; JP2008306545A

Description

本発明は、無瞬断パケット切替装置に関し、特に、複数系統の冗長構成を用いて映像データをパケットベースで伝送する伝送システムにおける無瞬断パケット切替装置であって、受信されるパケットから正常系統のパケットを選択しつつ、パケットレベルでの無瞬断切替でパケットを出力側に送出できる無瞬断パケット切替装置に関する。

二重化冗長構成を用いてデータ通信の信頼性を高める伝送システムでは、２系統に同一データを送信し、受信側では各系統から到着したデータのうちのいずれか一方を選択して受信する。このような構成によれば、一方の系統の故障時あるいは保守時にもデータを受信でき、データ通信の信頼性を高めることができる。

特許文献１には、０系、１系の冗長構成を対象として、受信側で系統間のデータの位相合わせを実現する無瞬断伝送路切替システムおよび受信装置が記載されている。ここでの系統間のデータの位相合わせは、伝送単位となるデータフレームごとに付与されたフレーム番号をもとに行われる。

特許文献２には、ATMやIPといった非同期通信網において回線障害が発生してもユーザ情報の誤りや紛失が発生しない無瞬断回線機能を備えたパケット通信装置、パケット通信網、およびその回線切替方法が記載されている。この送信パケット通信装置は、パケット列に所定の周期でマ−クドパケットを挿入する仕組みを有する。マークドパケットには、当該マークドパケットと直前に挿入されたマークドパケット間に位置するデータパケット群のエラーチェック情報と当該パケットがマークドパケットであることを示す識別情報が含まれる。受信パケット装置では、受信マ−クドパケットの内容から、対応するデータパケットの位相管理とエラー検出を行い、検出されたエラーの有無をもとに、マークドパケットに対応するパケット群の単位で最終出力する系統を選択する。

特許文献３には、インターネットワーク装置の冗長構成システムにおける障害検出方式に関し、現用系のルータのポート障害発生時の交換ポートへの切替え及び切替え後の運用の信頼性を向上させるため、送信側でOAM(operation administration and maintenance)フレームを定期的に挿入し、受信側で系統ごとの回線品質を測定することが記載されている。

非特許文献１には、ATMセル単位の無瞬断切替を対象として、遅延挿入によって系統間の位相合わせを行う手法が示されている。
特開２００１−２３７８１０号公報特開２００３−２７３９０２号公報特開平１０−３０３９６６号公報電子情報通信学会技術研究報告，１９９２年１０月，ＶＯＬ．９２，ＮＯ．２８７，ＣＳ９２−４８

特許文献１および非特許文献１に記載された技術では、現用/予備の選択基準となる各系統の障害情報が交換機などネットワーク設備側から与えられることが前提となっており、受信側装置は障害検出の機構を備えない。

しかしながら、特許文献１および非特許文献１に記載された技術のように、ネットワーク設備側で障害系統を検出し、その検出をもとに受信側装置で正常系統に切り替えるという構成では、障害が検出されてから系統が切り替えられるまでに所定期間を要し、この期間において伝送システムが一時的に障害状態に陥ることになる。映像のライブ配信などのリアルタイム系のデータ伝送システムでは、一時的に障害状態に陥ることも回避されることが望ましい。このためには、冗長構成を用いて信頼性の確保を追及する上で、正常系統の選択および系統切替を受信側の同一ポイントで行うことが理想的とされる。

特許文献２，３に記載された技術では、各系統のエラー検出のために送信側で定期的に品質測定用のパケットを付加的に生成する必要があるので、以下の(1)〜(3)の課題がある。
(1)無瞬断切替に対応したシステム構築を行うに際し、送信側装置に大幅な機能拡張が要求される。
(2)伝送回線において、データパケット以外に品質測定用のパケットを伝送することが必要となるため、伝送効率が低下する。また、伝送回線が断となった場合などでの品質測定用のパケット自体の損失に対して配慮がなされていないので、系統ごとの品質の測定が十分な信頼性を有していない。
(3)品質測定用のパケットの挿入周期、ならびに受信側での品質計測時間に依存して処理遅延が発生するため、低遅延が要求されるデータ伝送システムには適さない。

本発明の目的は、上記課題を解決し、複数系統の冗長構成を用いて映像データをパケットベースで伝送する伝送システムにおける無瞬断パケット切替装置であって、特殊なパケットを利用することなく、受信されるパケットから正常系統のパケットを選択しつつ、パケットレベルでの無瞬断切替でパケットを出力側に送出できる無瞬断パケット切替装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明は、複数系統の冗長構成を用いて映像データをパケットベースで伝送する伝送システムにおける無瞬断パケット切替装置であって、複数の系統からのパケットを選択して出力側へ通過させるパケット選択手段と、前記パケット選択手段が通過させたパケットの履歴情報を保持するパケット出力履歴情報蓄積手段と、前記パケット選択手段の前段に設けられ、ほぼ同時に受信されるパケットに含まれるシーケンス番号を一定期間に亘って調べることによって、あるいは同一シーケンス番号を含むパケットが受信される時間差を一定期間に亘って調べることによって系統間の平均的な伝送遅延差を取得し、該伝送遅延差を吸収するための位相調整手段とを備え、前記パケット出力履歴情報蓄積手段は、前記パケット選択手段がパケットを選択して出力側へ通過させるごとに、該パケットに含まれるシーケンス番号を前記履歴情報として保持し、前記パケット選択手段は、各系統からパケットが到着する都度、前記パケット出力履歴情報蓄積手段に保持されているシーケンス番号を基に該パケットが通過済みであるか否かを判定し、通過済みであれば該パケットの出力側への通過を阻止し、通過済みでなければ該パケットを出力側へ通過させることにより、各系統から到着するパケットをパケット単位で選択して出力側へ通過させる点に第１の特徴がある。

また、本発明は、前記位相調整手段における位相調整量が、パケット列の受信開始動作に伴う初期シーケンスで設定される点に第２の特徴がある。

また、本発明は、前記パケット選択手段が、各系統におけるパケットの到着位相の変化を監視し、この監視結果に応じてパケットの通過を制御する機能を有し、ある系統におけるパケットの到着位相が予め設定された許容値よりも早まった場合、以後に該系統から到着するパケットの出力側への通過を阻止すると共に前記位相調整手段に該系統に対する位相の再設定を指示する位相調整要求を送出し、前記位相調整手段より位相調整完了通知を受けた後に該系統のパケットの出力側への通過の阻止を解除し、前記位相調整手段は、前記パケット選択手段から位相調整要求を受けると、出力側へのパケットの通過が阻止された系統に対する位相を再設定して系統間の伝送路遅延差が吸収されるようにした後、前記パケット選択手段に位相調整完了通知を送出する点に第３の特徴がある。

さらに、本発明は、前記パケット選択手段が、到着するパケットにおけるシーケンス番号の連続性に基づいて各系統におけるパケットの到着位相の変化を監視する点に第４の特徴がある。

本発明の第１ないし第４の特徴によれば、パケット選択手段とパケット出力履歴情報蓄積手段を備え、パケットが通過済みであるか否かによって該パケットを通過阻止あるいは通過させるという構成を用い、系統のエラー検出のために特別なパケットを挿入する仕組みを用いないので、系統のエラー検出のために特別なパケットを挿入することなく、受信側装置でのパケット切替という簡易な構成でパケット単位での無瞬断切替を実現できる。

したがって、映像データをパケットベースで冗長構成を用いて伝送する際、送信側装置において、特別なパケットを挿入する機能拡張が不要であり、既存のパケット出力部の構成をそのまま利用することができ、ネットワークインターフェースのポイントで複数の系統に映像データを分配するだけでよい。したがって、従来技術の上記(1),(2)の課題を解決できる。

また、特別なパケットを挿入する仕組みを用いない上に、パケット単位で系統を選択するので、品質測定用のパケットの挿入周期や受信側での品質計測時間に依存した処理遅延は発生しない。したがって、従来技術の上記(3)の課題も解決できる。

さらに、第３および第４の特徴によれば、各系統におけるパケットの到着位相の変化を監視し、ある系統におけるパケットの到着位相が予め設定された許容値よりも早まった場合、伝送遅延差吸収を再確立するので、最終出力への影響をなくし、受信側のシステムが不安定になることや映像の停止を防ぐことができる。

本発明は、IPネットワークに代表される非同期のパケット通信網において、複数の系統により同一の映像データが伝送される冗長構成の伝送システムを適用対象としている。

IPネットワークにおいて、リアルタイムの映像伝送を行う場合、一般にUDP/IPプロトコルが用いられる。映像データや音声データ、さらにはテキストデータなどを含むマルチメディアデータを扱う場合、UDPパケットのペイロードフォーマットとしてRTPが利用されるケースが多い。RTPパケットには、ヘッダ部分にシーケンシャルな番号(シーケンス番号)が付与されており、これは受信側でのパケットロスの検出に利用できる。

以下ではRTPのように、UDP/IPのペイロードフォーマットを形成するパケットを単に上位パケットと呼ぶ。上位パケットは、RTPフォーマットに限定されず、最低限、各パケットが生成された順序を識別可能なシーケンス番号が何らかの規則により付与されていれば良い。

図１は、0系、1系で二重化された冗長構成の伝送システムを示すブロック図である。送信側装置は、映像信号を符号化する符号化器11、RTPパケット化器12、ネットワーク・インタフェース13(0系),14(1系)を備える。二重化は上位パケットからみて、より下位(ネットワーク側)のプロトコル階層において行う。つまり、送信側において、上位パケット列をRTPパケット化器12からUDP/IP出力する段階で２系統に分配する。これにより分配された上位パケット列は、それぞれネットワーク・インタフェース13(0系),14(1系)を介してIP回線15(0系),16(1系)に送出され、受信側装置17に伝送される。各系統の回線15,16は個別に確保されるため、ある上位パケットが受信側に到達するタイミングが系統間で一致するとは限らない。

本発明は、上位パケットが受信側に到達するタイミングが系統間で一致するとは限らないという状況下において、受信されるパケットから正常系統のパケットを選択しつつ、パケットレベルでの無瞬断切替でパケットを出力側に送出することを可能にするものである。

以下、図面を参照して本発明を説明する。本発明は、圧縮映像もしくは非圧縮映像に代表されるリアルタイム系のデータをパケットベースで、冗長構成により伝送する際に、受信側に閉じて正常系統の選択および系統切替を同一ポイントで行うものである。

図２は、本発明が前提とする無瞬断パケット切替装置を示す機能ブロック図である。本無瞬断パケット切替装置は、系統間の伝送遅延量が一致しないがほぼ合っていることを前提としている。この前提は、冗長構成を構築する際の経路設定によって成立させることができる。

図２に示すように、本無瞬断パケット切替装置は、パケット選択回路21およびパケット出力履歴レジスタ22を備える。

0系および1系から受信される上位パケットは、パケット選択回路21に入力される。パケット選択回路21は、入力された上位パケットが未通過か否かを判定し、未通過と判定すれば該上位パケットを出力側へ通過させ、通過済みと判定すれば該上位パケットを出力側へ通過させずに廃棄する。

入力された上位パケットが未通過か否かの判定は、パケット出力履歴レジスタ22に登録されているパケット出力履歴情報を参照し、入力された上位パケットのシーケンス番号がパケット出力履歴レジスタ22に既に登録済みか否かで行うことができる。

また、パケット選択回路21は、上位パケットの出力側への通過に合わせ、該上位パケットのシーケンス番号(パケット出力情報)をパケット出力履歴レジスタ22に送出する。

パケット出力履歴レジスタ22は、パケット選択回路21を通過した上位パケットのシーケンス番号を登録する。パケット出力履歴レジスタ22には、パケット選択回路21を通過した上位パケットのシーケンス番号がパケット出力履歴情報として登録される。なお、パケット出力履歴レジスタ22では、登録から一定時間が経過した上位パケットのシーケンス番号を消去したり、あるいは登録から一定時間が経過した上位パケットのシーケンス番号上に新たに通過した上位パケットのシーケンス番号を書き込む(上書き)などして、新たなパケット出力情報を登録するための記録エリアを確保できる。

パケット選択回路21を通過した上位パケットは、最終出力パケット列として上位パケット処理部に送出される。上位パケット処理部では、無瞬断切替機能を搭載しない従来の処理ロジックをそのまま適用して上位パケットを処理すればよい。

図３は、本発明に係る無瞬断パケット切替装置の第１実施形態を示す機能ブロック図である。第１実施形態は、系統間の伝送遅延差を吸収した上でパケット選択を行うものであり、したがって、図２の無瞬断パケット切替装置のように、系統間の伝送遅延量がほぼ合っていることを前提としない。

図３に示すように、第１実施形態の無瞬断パケット切替装置は、位相調整回路33、パケット選択回路31およびパケット出力履歴レジスタ32を備える。

0系および1系の回線からの上位パケットは、位相調整回路33に入力される。位相調整回路33は、0系と1系の上位パケットを、系統間の平均的な伝送遅延差を吸収した上でパケット選択回路31に送出する。

パケット選択回路31は、図２の無瞬断パケット切替装置と同様に、パケット出力履歴レジスタ32に登録されているパケット出力履歴情報を参照して未通過の上位パケットを出力側へ通過させ、該上位パケットのシーケンス番号をパケット出力履歴レジスタ32に送出する。パケット出力履歴レジスタ32は、パケット選択回路31を通過した上位パケットのシーケンス番号をパケット出力履歴情報として登録する。

図４は、位相調整回路33の具体的構成の一例を示すブロック図である。位相調整回路33は、シーケンス番号検出部331,332、待ち行列メモリ333,334および位相差推定部335を備える。

シーケンス番号検出部331,332は、0系と1系の各々に対して設けられ、それぞれの系統から受信される上位パケット列に含まれる各上位パケットのシーケンス番号を検出する。待ち行列メモリ333,334は、シーケンス番号検出部331,332を介して入力される上位パケット列をそれぞれ蓄積する。位相差推定部335は、シーケンス番号検出部331,332で検出されるシーケンス番号に基づいて系統間に存在する伝送遅延差を推定する。

位相差推定部335で推定された伝送遅延差に従って待ち行列メモリ333,334を制御して該伝送遅延差を吸収し、0系と1系が互いにほぼ同位相となるタイミングで待ち行列メモリ333,334から上位パケットを送出させる。

系統間に存在する伝送遅延差は、0系、1系から受信される上位パケットのシーケンス番号から推定できる。系統間に存在する伝送遅延差の吸収は、上位パケット列の受信開始動作に伴う初期シーケンスとして行えばよい。系統間に存在する伝送遅延差の吸収は、各系統の待ち行列メモリ333,334において滞留させるパケット数Lq0,Lq1を設定することにより行うことができる。

一般に信号ソースが固定ビットレートであっても、回線(ネットワーク)の特性に起因して上位パケットの到着間隔にはジッタが存在しているので、系統間のすべてのパケットにおいて厳密に伝送遅延差を吸収することは不可能である。待ち行列メモリ333,334での伝送遅延差の吸収は、系統間に内在する平均的な伝送遅延差を補償することを意味する。この伝送遅延差は、ほぼ同時に受信される上位パケットのシーケンス番号を一定期間に亘って調べることにより、あるいは同一シーケンス番号の上位パケットが受信される時間差を一定期間に亘って調べることにより取得できる。

図５は、本発明に係る無瞬断パケット切替装置の第２実施形態を示す機能ブロック図である。映像ライブ配信などのリアルタイム系の映像伝送システムでは、伝送経路の変更などによりパケットの到着位相が大幅に変化すると、受信側のシステムが不安定となる結果、映像の停止を伴う恐れがあるという、特有の問題がある。第３実施形態は、このような問題に対処できるようにしたものである。

第２実施形態は、第１実施形態と同様に、位相調整回路53、パケット選択回路51およびパケット出力履歴レジスタ52を備えるが、位相調整回路53が、さらに伝送遅延差吸収の再確立機能を有し、パケット選択回路51が、位相調整回路53から受信した上位パケットについて系統ごとにシーケンス番号の連続性をチェックする機能を有する点が異なる。

位相調整回路53、パケット選択回路51およびパケット出力履歴レジスタ52は、第１実施形態と同様に動作する。ある系統の途中で障害が発生するなどして伝送遅延が大きく短縮される方向に伝送経路が切り替えられた場合、該系統から受信される上位パケットのシーケンス番号が大きく変化する。このように、ある系統の伝送遅延が大きく短縮される方向に伝送経路が切り替えられ、該系統から受信される上位パケットのシーケンス番号に大きな変化があった場合、パケット選択回路51は、これを判定し、該系統から受信される上位パケットの通過を阻止するとともに、位相調整回路53に再確立要求を送出する。

ある系統の伝送遅延が大きく短縮される方向に伝送経路が切り替えられたことは、該系統から受信された上位パケットのシーケンス番号、その直前に受信された上位パケットのシーケンス番号をそれぞれnＣ,nＰとしたとき、(nＣ-nＰ)が予め定められた正の閾値を上回ることで判定できる。

位相調整回路53は、パケット選択回路51から再確立要求を受けると、シーケンス番号に大きな変化があった系統の上位パケットの送出を一旦停止し、初期シーケンスと同様の処理を実行して系統間の伝送遅延差を吸収する。位相調整回路53は、伝送遅延差吸収の再確立後、パケット選択回路51に完了通知を送出する。パケット選択回路51は、位相調整回路53から完了通知を受けると、上位パケット送出を阻止していた系統を通常状態に戻す(上位パケット送出の阻止を解除)。

伝送遅延差吸収の再確立を行う一連の処理が行われる場合でも、当該系統とは別の系統における上位パケットの送出処理の連続性は保持される。

以上の実施形態から明らかなように、本発明においては、信頼性および実装の簡易性を優先し、現用として選択される系統がパケット単位で更新される仕組みとなっている。このため、従来の一般的な冗長構成システムと異なり、現用系統を意識した制御となっておらず、系統の切替イベントが現用系統における異常発生と完全に対応するものとはなっていない。

二重化された冗長構成の伝送システムを示すブロック図である。本発明が前提とする無瞬断パケット切替装置を示す機能ブロック図である。本発明に係る無瞬断パケット切替装置の第１実施形態を示す機能ブロック図である。位相調整回路の具体的構成の一例を示すブロック図である。本発明に係る無瞬断パケット切替装置の第２実施形態を示す機能ブロック図である。

符号の説明

11・・・符号化器、12・・・RTPパケット化器、13,14・・・ネットワーク・インタフェース
15,16・・・IP回線、17・・・受信側装置、21,31,51・・・パケット選択回路、22,32,52・・・パケット出力履歴レジスタ、33,53・・・位相調整回路、331,332・・・シーケンス番号検出部、333,334・・・待ち行列メモリ、335・・・位相差推定部

Claims

複数系統の冗長構成を用いて映像データをパケットベースで伝送する伝送システムにおける無瞬断パケット切替装置であって、
複数の系統からのパケットを選択して出力側へ通過させるパケット選択手段と、
前記パケット選択手段が通過させたパケットの履歴情報を保持するパケット出力履歴情報蓄積手段と、
前記パケット選択手段の前段に設けられ、ほぼ同時に受信されるパケットに含まれるシーケンス番号を一定期間に亘って調べることによって、あるいは同一シーケンス番号を含むパケットが受信される時間差を一定期間に亘って調べることによって系統間の平均的な伝送遅延差を取得し、該伝送遅延差を吸収するための位相調整手段とを備え、
前記パケット出力履歴情報蓄積手段は、前記パケット選択手段がパケットを選択して出力側へ通過させるごとに、該パケットに含まれるシーケンス番号を前記履歴情報として保持し、
前記パケット選択手段は、各系統からパケットが到着する都度、前記パケット出力履歴情報蓄積手段に保持されているシーケンス番号を基に該パケットが通過済みであるか否かを判定し、通過済みであれば該パケットの出力側への通過を阻止し、通過済みでなければ該パケットを出力側へ通過させることにより、各系統から到着するパケットをパケット単位で選択して出力側へ通過させることを特徴とする無瞬断パケット切替装置。
前記位相調整手段による位相調整量は、パケット列の受信開始動作に伴う初期シーケンスで設定されることを特徴とする請求項１に記載の無瞬断パケット切替装置。
前記パケット選択手段は、各系統におけるパケットの到着位相の変化を監視し、この監視結果に応じてパケットの通過を制御する機能を有し、ある系統におけるパケットの到着位相が予め設定された許容値よりも早まった場合、以後に該系統から到着するパケットの出力側への通過を阻止する共に前記位相調整手段に該系統に対する位相の再設定を指示する位相調整要求を送出し、前記位相調整手段より位相調整完了通知を受けた後に該系統のパケットの出力側への通過の阻止を解除し、前記位相調整手段は、前記パケット選択手段から位相調整要求を受けると、出力側へのパケットの通過が阻止された系統に対する位相を再設定して系統間の伝送路遅延差が吸収されるようにした後、前記パケット選択手段に位相調整完了通知を送出することを特徴とする請求項１または２に記載の無瞬断パケット切替装置。
前記パケット選択手段は、到着するパケットにおけるシーケンス番号の連続性に基づいて各系統におけるパケットの到着位相の変化を監視することを特徴とする請求項３に記載の無瞬断パケット切替装置。