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性能評価 - 奈良先端科学技術大学院大学附属図書館
NAIST−IS一肌9651003 修士論文 CATVとインターネットを続合した ATMネットワークのシミュレーションによる 性能評価 安達直世 1998年2月13日 奈良先端科学技術大学院大学 情報科学研究科情報システム学専攻 本論文は奈良先端科学技術大学院大学情報科学研究科に 修士（工学）授与の要件として提出した修士論文である。 安達直世 指導教官：高橋豊教授 西谷紘一教授 石田好輝助教授 CATVとインターネットを続合した ATMネットワークのシミュレーションによる 性能評価＊ 安達直世 内容梗概 平成10年3月より兵庫県において、通信・放送機構によるCATVインターコ ネクトプロジェクトの実験ネットワークが稼働する。このプロジェクトでは、神 戸市・西宮市・尼崎市に位置する3つのCATV局がATM網で相互接続される。 各CATV局は映像をMPEG2方式でエンコードし、ATM網を介して他局に配信 する。ATMスイッチ間のトラフィックを減少させるために、MPEG2のセルは、 ATMスイッチのマルチキャスト機能に従ってコピーされて目的局に送られる。一 方、CATV網では、加入者宅からケーブルモデムを介してインターネット通信が 行なわれ、ATM網内でMPEG2のデータとともに多重化される。このCATVと インターネットがATMを介して統合されたネットワークにおいて、送信される 映像の品質を一定の水準で保ち続けることが重要な問題となる。リアルタイム性 が重要視される映像データの品質尺度の一つにジッタがある。本研究ではCATV とインターネットが統合されたATMネットワークにおける映像デーアのジッタ について、シミュレーションを用いた実験により考察を行なう。 キーワード ATM，マルチキャスト，CATV，MPEG2，ジッタ ＊奈良先端科学技術大学院大学情報科学研究科情報システム学専攻修士論文，NAほT−Ⅰ㌻ MT粥51003，1998年2月13臥 1 SimulationStudyonATMNetwork IntegratingCATVandInternet＊ NaotoshiAdachi Abstract TheexperimentalnetworkfortheprojectofinterconnectingCATVinHyogoPre一 鎚cturewillbestartedh）mthebeginningofMarch，1998．Inthisproject，therea∫e threeCATVcompaniesinHanshinarea；Kobe，NishinomiyaandAmagasaki．AnATM SwitchisequippedineachcompanyandtheseCATVsareconnectedseriallyin the aboveorder・Eachcompanyprovidesthevideoservicetotherestofcompaniesonean− OtherusingtheMPEG20VerATM．EachMPEG2streamissenttotheothertwoCATV COmpanleSaCCOrdingtothefunctionofmulticastimplementedinATMswitch．Inthe COVerageOfeachCATVISubscribersutilizeIntemetconnectionusingcablemodems aswellasstandardCATVbroadcastingservice．hthispaper，WeeXaminethejitter processesofdecodingpointsbythesimulation．Inourtestbed，Cellswithtwotypes OfrequirementforQoSaremultiplexed：CellsforMPEG2whichrequiretherealtime transmissionandthosefbrInternetpaCketswhicharemudlmOreSenSitiveforthecel1 lossprobability，Weinvestigatethejitterprocessesundersomescenariosandshow howthejitterprocessisa鮎ctedbytheInternettra伍candtheothercellstrea MPEG2・Furthermore，WeStudythee鮎ctofthenumberofATMswitchesonthejitter processwhenmoreCATVnetworksareaddedserially． Keywords： ATM，Multicast，CATV，MPEG2，Jitter ’Master’s TlleSis，Departmemt orInfbrmation Systems，GradtLate SchoolofInLbrmation Science，NaraImtit11teOfScienceandTeclmology，NAIST−IS−MT9651003，February13，1998． u 目次 1．はじめに 1 2．OPNET 4 2．1 0PNET．． 5 2．2 モジュール ‥ 5 2．2．1 MPEG2エンコーダ ‥ 6 2．2．2 MPEG2デコーダ ‥ ‥ 7 2．2．3 ATMスイッチ． 7 2．2．4 インターネットセルを生成するクライアント ‥‥‥ 8 2．2．5 クライアントに対するサーバおよびインターネット・ゲー トウェイ… ‥． 9 8．シミュレーションモデル 9 4．マルチキャスト 11 4．1 マルチキャストの必要性． 11 4．2 マルチキャストの手法 ‥ 12 5．シミュレーション結果および考察 15 6．おわりに 20 謝辞 29 参考文献 ＄0 i最 図目次 1 兵庫県CATVインターコネクトプロジェクト・実験ネットワーク 2 2′ 実験ネットワークのモデル化． 9 3 マルチキャスト機能を使わなかった場合 ‥． 11 4 マルチキャスト横能を使った場合 ‥ 12 5 セルコピー機能を持ったコピーネットワークを用いる方法 ‥． 13 6 出力側から入力側にフィードバックループ経路を設ける方法 ‥ 13 7 段数Ⅳ＝3，MPEGビットレート13Mbps，インターネットセル ビットレート26Mbpsとしたときの各分室での各局からのジッタ 17 8 段数Ⅳ＝3，MPEGビットレート13Mbps，インターネットセル ビットレート13Mbpsとしたときの各分室での各局からのジッタ 18 9 段数Ⅳ＝3，MPEGピットレート13Mbps，インターネットセル ビットレートObpsとしたときの各分室での各局からのジッタ． 19 10 段数Ⅳ＝3，MPEGビットレート8Mbps，インターネットセルビッ トレート26Mbpsとしたときの各分室での各局からのジッタ‥． 21 11段数N＝3，MPEGビットレート8Mbps，インターネットセルビッ トレート13Mbpsとしたときの各分室での各局からのジッタ‥ 22 12 段数N＝3，MPEGビットレート8Mbps，インターネットセルビッ トレートOMbpsとしたときの各分室での各局からのジッタ． 23 13 段数Ⅳ＝3，MPEGビットレート4Mbps，インターネットセルビッ トレート26Mbpsとしたときの各分室での各局からのジッタ‥． 24 14 段数Ⅳ＝3，MPEGビットレート4Mbps，インターネットセルビッ トレート13Mbpsとしたときの各分室での各局からのジッタ．‥ 25 15 段数Ⅳ＝3，MPEGビットレート4Mbps，インターネットセルビッ トレートOMbpsとしたときの各分室での各局からのジッタ．‥ 26 16 段数N＝5，MPEGビットレート8Mbps，インターネットセルビッ トレート13Mbpsとしたときの各分室での各局からのジッタ‥． 1V 27 表目次 1 MPEG2エンコーダにおけるパラメータ ‥ 6 2 ATMセルヘッダパラメータ． 6 3 MPEG2テすコーダでのプローブ．． 7 4 ATMスイッチモジュールにおけるパラメータ ‥． 8 5 インターネットセルを生成するクライアントにおけるパラメータ． 8 6 シミュレーションにおける各パラメータ． 15 7 到着時間間隔の平均 ‥ 15 Ⅴ 1．はじめに 硯在、多チャンネルを持ったデジタル衛星放送サービス、世界にまたがるイン ターネット、これら2つの新しいメディアの間の中で、ケーブルテレビのメディ アとしてのこれからのあり方が改めて問われている。ケーブルテレビは、1947年 にアメリカで生まれ、テレビ放送を目的としたネットワークとして広まった。し かし、ケーブルテレビのネットワークの形状がEt土Iemetに近いバス型であるこ とに加え、最近のディジタル伝送技術の進歩もあり、ケーブルモデムを利用する ことによって、コンピュータ・ネットワークの接続形態の一つとして利用できる ようになった。 このような新しいケーブルテレビの利用方法をもとに、ケーブルテレビの新し いあり方の一つとして、「兵庫ケーブルテレビインターコネクト構想」が考えら れた［5］。本構想は通信・放送機構による「兵庫県CATVインターコネクトプロ ジェクト」という研究プロジェクトとなり、平成10年3月より実験ネットワー クが稼働する。 このプロジェクトの構想段階で特に重要視されてきたのは、災害時に一番必要 と考えられる被災地の住民への情報提供の手段としてのケーブルテレビの有効性 と、これらのネットワーク網の耐災害性である。ケーブルテレビは、地域情報を 提供するメディアとしては住民ともっとも近い存在にある。したがって、災害時 の被災地域の住民に対する情報提僕拠点としては一番適したメディアと考えるこ とができる。また、ケーブルテレビの伝送路となる、電柱に架設された同軸ケー ブルについても、火災による焼失、電源部の被害などの被害以外にはとくに見当 たらず、災害時の被災地城への情報提供の手段として非常に有効な方法と考えら れる。 さらに、ケーブルテレビ局が災害により被害を受け、被災地の住民への情報提 供が不可能となった時のバックアップシステムとして、他局からの情報提僕を受 信することが考えられている。この、他局との伝送路となる光ファイバーケーブ ルについて、阪神・淡路大震災後次のことが報告された。 1．光ファイバーケーブルが敷設された鉄道高架が崩落した激震地でも、光ファ 1 イバーケーブルはつながっていた。 2．火災で光ファイバーケーブルが焼けた場合でも、両端で電力を供給できる 状態であれば通信可能であった。 このように、鉄道線路を利用した光ファイバーケーブルによる伝送路の設置は耐 災害性を視野に入れたインターコネクトには不可欠な要素となる。 兵庫県CATVインターコネクトプロジェクトにおける実験ネットワークの概 要は次の通りである（図1）。 MpEG HPEG ト：PFlコ Encoder Encoder Encoder ATM Switch ATM ■ 諾EG n 悪喪「■■ 囚 ÅT忙／Eヒhernet Cable Router Cable Rouヒer Hpeg Decoder Decoder Cable Rouヒer Switch Ama9aSak Ⅳ1sh土nomly AでH／Eヒheごne亡 Rouヒer Kpeg Decoder Head End Head End Mod ATM ロコ【 l Kob Router Switch Mod ト：、￣・、1 PC PC −−一一−■ト工n亡er Ne亡 Hしlト 図1兵庫県CATVインターコネクトプロジェクト・実験ネットワーク このプロジェクトでは、現在、神戸市・西富市・尼崎市に設置されている各ケー ブルテレビ網をATMスイッチを介して、光ケーブルによって多段接続し、通信・ 2 放送統合ネットワークが構築される。各ケーブルテレビ局では、製作された自主 放送番組はMPEG2でエンコードされ、ATMスイッチに実装されたマルチキャス トの機能を用いて他局に配信される。一方他局から配信されてきたMPEG2デー タはデコードされ、自局のケーブルテレビ網に配信される。また、各ケーブルテ レビ綱の加入者に対し、ケーブルモデムを使用して、ATMスイッチ・光ファイ バーケーブルを介し、神戸東分室に設置されたインターネット・ゲートウェイか ら、WWW、FTP、電子メールなどのインターネットサービスの利用を可能と する。 ここでこのネットワークには2種類のセルが混在していることがわかる。一 つは、MPEG2でエンコードされた自主放送番組に関するセルで、これらは、動 画である性質上リアルタイム性が要求される。これらのセルを、以下MPEGセ ルと呼ぶ。もう一つは、各ケーブルテレビ網加入者による、インターネット通信 に関するセルである。以下インターネットセルと呼ぶ。インターネットセルは、 MPEGセルと違いリアルタイム性は要求されないが、セルの棄却率が非常に重 要となってくる。MPEGセルのリアルタイム性を表現する指標として、本研究で はジッタ（Jitter）を考える。一般にジッタとは、セル発生源で平均的に間隔を開 けて送出されたセルがATMネットワークを通じて転送される聞に、その間隔が 狭まったり、広がったりする割合を指す［6］。ここでは、ジッタをMPEGセルが デコーダに到着する時間間隔の分散と定義する。したがって、デコーダでのジッ タが小さいほど動画のリアルタイム性が確保されていることになる。 このような、特に多段接続された状況におけるジッタに関する過去の研究とし ては、［1］，【2］などがある。［1］では、単一のATMスイッチにおいて、映像データ とデータ通信を想定した場合におけるジッタについて待ち行列モデルを提案し、 その解析を行なっている。【2】では［1］で得られた結果を元に、多段にATMスイッ チが接続された場合のジッタを近似的に解析している。しかし、このような多段 接続された場合における解析は非常に複雑となり、解析不可能となる場合が多い。 今回の研究対象となる、兵庫県CATVインターコネクトプロジェクトにおける 実験ネットワークにおいても、あるデコーダにおいて、あるケーブルテレビ局か ら配信されたMPEG2のジッタを考える場合、考慮しなければならないセルのス 3 トリームは次の3種類である。 1．注目しているMPEGセルのストリーム 2．注目していないMPEGセルのストリーム 3．インターネットセルのストリーム 3種類のストリームを考慮したATMネットワークは複雑な数学モデルとなり、 ジッタの理論的解析は極めて困難となる。 このような理由から、本研究ではシミュレーションツールを用い、兵庫県CATV インターコネクトプロジェクトでの実験ネットワークをモデル化しシミュレーショ ンを行なう。そして、注目していないMPEGセルおよびインターネットセルが， 注目しているMPEGセルのジッタにどのような影響を与えるかを調べ考察を与 える。 また、兵庫県CATVインターコネクトプロジュクトでは、現在、接続される ケーブルテレビ網として、神戸市・西富市・尼崎市の3都市のケーブルテレビ網が 考えられているが、今後の計画としてさらに接続される都市を増やすことになっ ている。そこで、本研究では上記のジッタに関する考察だけでなく、多段接続さ れたATMスイッチの数が、MPEGセルのジッタにどのような影響を与えるのか についても考察することにする。 本論文の構成は以下の通りとなっている。2節では本研究で使用したシミュレー ションツールOPNETに関する説明と、実際のシミュレーションで使ったモデ ル及びモジュールとパラメータについて説明する。3節では、ATMスイッチモ ジュールに独自に実装した、マルチキャストの手法について説明する。4節では、 シミュレーションの結果を示し、その結果に村して考察を与える。 2．OPNET この節では、シミュレーションツールOPNETの概略及び、シミュレーション で使用したモジュール、シミュレーションを実行する際に設定したパラメータに ついて述べる。 4 2．10PNET OPNETは1984年にマサチューセッツ工科大学で研究が開始された、ネット ワーク専用のシミュレーションツールである。特徴としては、以下のことがあげ られる。 1．状態遷移図を用いたモジュール設計 状態遷移図によってモジュールの内部のプロセス設計を行なうため、プロ グラミング不要な開発環境が実現できる。 2．オブジェクト指向モデリング及びプログラミング ネットワークのモデリングを行なう際、モジュールは一つのオブジェクト として利用できるので、ネットワークモデルの構築はそれらのオブジェク トを組み合わせることにより進められる。また、モジュール内部も、プロ セス単位でオブジェクトとして扱うことができる。 3．モジュール及びプロセスの再利用性 プロセス単位でもオブジェクト指向が取り入れられているので、新たなモ ジュール設計において過去の資産を利用できる。 4．プローブ設定によるデータ収集とデータ分析機能 プローブを設定することによって、簡単にデータ収集を行なうことができ る。また、プローブの設定の変更によって再コンパイルの必要がない。さ らに、プローブを用いて収集したデータに対して、分析するためのツール が用意されている。 2．2 モジュール 今回シミュレーションを行なうのに使用したモジュールは、以下の通りである。 1．MPEG2エンコーダ 2．MPEG2デコーダ 5 3．ATMスイッチ 4．インターネットセルを生成するクライアント 5．クライアントに対するサーバ 以下、これらのモジュールの機能について説明を行なう。 2．2．1 MPEG2エンコーダ ATMセルヘッダに、マルチキャストを行なうためのフラグを立てセルを生成 しATMスイッチに向けて送出する。今回のシミュレーションでは、マルチキャ ストのためのフラグとして、VPIにシミュレーション中使用されない−100を設 定して送出させている。表1に、このモジュールで使用したパラメータを示す。 表1MPEG2エンコーダにおけるパラメータ パラメータ名 意味 Interarrivaltime MPEGセルの生成間隔の平均時間 Interarrivalpdf MPEGセルの生成間隔の分布 so11rCe」number セルを生成したモジュールの番号 また、今回のシミュレーションを行なうにおいて使用した、主なATMセルヘッ ダのパラメータリストを表2に示す。 表2 ATMセルヘッダパラメータ パラメータ名 意味 VPIvallle バーチャルパスを生成した際に付けられる番号 VCIvalⅦe バーチャルコネクションが確立した時に付けられる番号 soⅥrCe」甘umber セルが生成されたモジュールの番号 6 実際のセルヘッダには使用していないパラメータも新しく作ったが、シミュレー ション上ではセルヘッダのサイズは、5バイトに収まるようにしている。 2．2．2 MPEG2デコーダ MPEG2エンコーダから送出されたセルを受けとり、エンコーダ別にセルの到 着間隔の計測を行なう。表2．2．2に、設定したプローブのリストを示す。 表3 MPEG2デコーダでのプローブ プロープ名 計測内容 Jitter（1−5）それぞれのエンコーダから送出されたセルの到着間隔を記録 2．2．3 ATMスイッチ 到着したセルのスイッチングを行ない、必要に応じてマルチキャストのための セルをコピーし適切な出力ポートへ送出する。ATMマルチキャストについては 次節で述べる。表4に、このモジュールで使用したパラメータを示す。 OPNETのATMライブラ1）のモジュールは、標準ではSVC接続しかサポート していない。そこで、今回のシミュレーションを行なうに当たって、疑似的にPVC 接続を可能にするために、SW」number，COpy＿pOrt（l−3），SerVer＿POrt，Client＿pOrt， patllrpOrt，のパラメータを新たに作った。これらの情報によって、インターネッ トセルおよびMPEGセルのルーティング・マルチキャストのためのコピーを行 なう。また、OPNETの標準ライブラリにおけるATMスイッチではマルチキャ スト機能はサポートされていない。そこで、2．2．1で述べたように、VPIの備に −100が設定されているセルについては、マルチキャストの必要なセルとしてコ ピーを行ない適切なポートに送信するようにして、マルチキャストの機能を新し く作った。 7 表4 ATMスイッチモジュールにおけるパラメータ パラメータ名 意味 ATMSwitchFabricDelay ATMスイッチでのスイッチング時に生じる遅れ sw」111mber MPEGセルのコピー数およびインターネットセルの ルーティングを行なう際に参照するインデックス copy＿pOrt（ト3） MPEGセルおよびコピーしたセルの送出先ポート番号 server＿pOrt インターネットサーバ宛のセルを送出するポート番号 client＿pOrt sw」甘umberと一致したクライアント宛のセルを 送出するポート番号 path」）Or七 client＿pOrtに送出されなかった インターネットセルを送出するポート番号 2．2．4 インターネットセルを生成するクライアント インターネットセルを、指数分布にしたがった間隔で生成しサーバ宛にセルを 送出する。生成したセルは、インターネットセルであることを示すフラグとして、 VPIに一50を設定する。また、サーバからのセルを受けとり破棄する。表5に、 このモジュールで使用したパラメータを示す。 表5 インターネットセルを生成するクライアントにおけるパラメータ パラメータ名 意味 Intera∬ivaltime インターネットセルの生成間隔の平均時間 Interarrivalpdf インターネットセルの生成間隔の分布 so11rCe」nⅥmber セルを生成したモジュールの番号 この値を元にサーバでの返送先を決める 8 2．2．5クライアントに対するサーバおよびインターネット・ゲートウェイ 今回のシミュレーションでは、クライアントから送られてきたセルを、そのま ま送信元のクライアントに送り返す。 3．シミュレーションモデル 兵庫県CATVインターコネクトプロジェクトにおける、実験ネットワークの モデルをOPNET上に図2の様に構築した。 子十十＋十十十十十∵★十十十十十★★★テ十十十十十小十＋＋十 ＋＋←＋＋十＋十＋十←小小十十←† 十★＋十＋＋＋十十 十小十十十小小叫卓 ■叫腑i元i■■iiiiiii璽寧■■■！れ■ii症iii円l学 園2 実験ネットワークのモデル化 MPEGエンコーダのモデルとして、2．2．1で説明したモジュールを用い、図2 中のjitterを作った。兵庫県CATVインターコネクトプロジェクトの実験ネッ トワークにおける、MPEGエンコーダはビットレート3Mbps∼14Mbpsでセル 9 を送出することができる。そこで、本研究でのMPEGエンコーダのビットレー ト（入）は、約4Mbps，8Mbps，13Mbpsの3種類とした。また、実際にジッタを 計測する際には、ジッタを計測したいエンコーダに注目し、そのエンコーダのセ ルの生成間隔は一定として、それ以外のエンコーダのセルの発生過程は到着率 入のポアソン過程とした。このようにした理由は、すべてのエンコーダでの発生 過程を等間隔とした場合、ジッタの分布はそれぞれのエンコーダのセル発生時刻 の初期値に依存するためである。セルーつ当たりのサイズは53バイトであるの で、それぞれの、MPEGエンコーダのビットレートに対して、“Interal・rivaltime” を4（Mbps）／53（bytes）墓1・0×10￣4（sec）），8（Mbps）／53（bytes）墓5．0×10￣5（sec）， 13（Mbps）／53（bytes）墓3・0×10￣5（sec）とした。また、MPEGデコーダのモデル として、2．2．2で説明したモジュールを用いて図2中のdecoderを作った。 ATMスイッチのモデルとして、2．2．3で述べたモジュールを使用して図2中の swを用意した。実験ネットワークで必要とされるATMスイッチのスイッチング 能力は、5Gbps以上となっている。そこで、本研究ではスイッチング能力を6Gbps とするため、“ATMSwitchFabricI）elay”を6（Gbps）／53（bytes）墓7×10￣8（sec） とした。また、ATM伝送路の容量は156Mbpsとしている。 インターネットセルを生成するクライアントとして、2．2．4で述べたモジュール を使用しIP＿Clientを作った。また、このクライアントに対するサーバのモデル として、2．2．5を使用しIP」SerVerを用意した。インターネットセルのビットレー トを決定するために接続されているATMスイッチの段数をⅣとし、各分室のク ライアントが同じビットレートでインターネットセルを送出すると仮定する。イ ンターネットサーバの回線では、クライアントから送出されたセルがサーバで折 り返されることから、クライアントが送出できるインターネットセルの最大ビッ トレート Ⅳは、 Ⅳ＝諾（Mbps） となる。したがって、Ⅳ＝3の場合クライアントが送出できるインターネット セルの最大ビットレートは、 Ⅳ＝芸＝26（Mbps） 10 となる。今回のシミュレーションでは、インターネットセルがMPEGセルにど のような影響を与えるかを調べるために、インターネットセルの送出ビットレー トを段数Ⅳに対して、0，156／4Ⅳ，156／2〃（Mbps）の3種類とした。の3種類に ついてシミュレーションを行なう。 4．マルチキャスト この節では、実験ネットワークにおけるマルチキャストの必要性および、ATM スイッチモジュールに新たに実装したマルチキャストについて述べる。 4．1マルチキャストの必要性 実験ネットワークにおいて、ATMスイッチのマルチキャスト機能を用いずに 各CATV局にMPEGデータを配信しようとすると、図3のようなデータの転送 を行なう必要がある。この様な方法でデータを配信すると、スイッチとスイッチ の間の伝送路は、同じデータが二重にながれており帯域の無駄使いをしているこ とになる。 M e bl亡ra亡e x2 ncoderl ncoder2 ncoder3 ecoderl ecoder2 ecoder3 囲3 マルチキャスト機能を使わなかった場合 そこで、ATMスイッチによるマルチキャストを行なうと、図4の様にMPEG データを配信することができ、帯域の無駄使いを避けることができる。さらに、 11 ATMスイッチでスイッチングする必要のあるセルの数が少なくて済む。このよ うな帯域の節約・ATMスイッチの負荷軽減はATMスイッチの段数が増えるほ ど効果がある。 ncoderl ncoder2 ncoder3 CO wl亡ch O witch wl亡Ch ecoderl ecoder2 ecoder3 図4 マルチキャスト機能を使った場合 4．2 マルチキャストの手法 ATMにおけるでは、Multicastについては特にその方法は定められていないの で、ATMSwitchのベンダーがそれぞれ独自の方法を用いて、Multicastの機能 を加えることになる。したがって、ATMにおけるMulticastと言っても、ベン ダーの数だけ方法が有るということになる。そこで、まず代表的なM111ticastの 方法を2つ紹介する。 1，セルコピー機能を持ったコピーネットワークを用いる方法（図5） ATMスイッチの前に、コピーネットワークを設置し、マルチキャストの必 要なセルがコピーネットワークに到着した時必要な数のコピーを行なう。コ ピーされたセルは、必要に応じてヘッダの書換えが行なわれ、出力ポート先 のATMスイッチに送信され、ATMスイッチにスイッチングを行なわせる。 2・出力側から入力側にフィードバックループ経路を設ける方法（図6） ATMスイッチから適切な出力ポートに送出される際、マルチキャストの必 要なセルを検出する。検出したセルのコピーを行ない、必要に応じてヘツ 12 ダ情報もの書換える。最後に、コピーしたセルを再びスイッチの入力ポー トに入力し直す。 − − − − − ト ul亡1cas 1 ○聖′ Cell ナ ／ ＼ ＼ ／ 2 ＼ ／ ＼ 、 ＼／ ＼ ／〈、、 ＼ 、 3 ＼ ＼ 4 ATM Sw土亡Ch Copy Network 図5 セルコピー機能を持ったコピーネットワークを用いる方法 1 2 3 ulヒ1cas 4 cell l AでM Swlヒch l I l＿ COpy 図6 出力側から入力側にフィードバックループ経路を設ける方法 1の方法の場合、マルチキャストの必要なセルは、同時にATMスイッチに入 力されることになるが、非マルチキャストのセルについてもコピーネットワーク 13 を通ることになるので、非マルチキャストのセルの遅延が大きくなる。 また、2の方法の場合、マルチキャストの必要なセルを検出した場合、コピー 後再びスイッチの入力ポートに入力し直すので、コピーされたセルの遅延が大き くなる。さらに、OPNETのATMスイッチモジュールにマルチキャスト機能を 組み込む場合、複数個コピーするためにはコピーしたセルのヘッダ情報をどのよ うに書き換えるかを管理しなければならない。 そこで、今回のOPNETのATMスイッチモジュールにマルチキャスト機能を 組み込むに当たっては、実装のしやすさから1の方法を用いることにした。 14 5．シミュレーション結果および考察 シミュレーションにおける各パラメータの設定を表6に示す。 表6 シミュレーションにおける各パラメータ 国番号 段数N MPEGセル（Mbps） インターネットセル（Mbps） 図7 3 13 26 図8 3 13 13 図9 3 13 0 図10 3 8 26 図11 3 8 13 図12 3 8 0 図13 3 4 26 図14 3 4 13 図15 3 4 0 図16 5 8 13 まず、MPEGエンコーダのビットレートを13Mbps，インターネットセルのビッ トレートを26Mbpsとしたときの到着間隔の平均を表7に示す。 表7 到着時間間隔の平均 神戸局からの 西宮局からの 尼崎局からの MPEGセル MPEGセル MPEGセル 神戸局（10￣6sec） 3．00士7．29×10▼4 2．99土3．75×10￣3 3．00士4．06×10￣3 西富局（10￣5sec） 3．00士1．53×10￣3 2．99土7．70×10￣4 3．00土1．32×10￣3 尼崎局（10■5sec） 3．00土1．97×10￣き 3．00土1．56×10−3 3．00土7．34×10￣4 15 このように、到着時間間隔の平均については、どの場合も値はほとんど変わら ないことがわかる。 図7から図9はジッタのシミュレーション結果を表している。図7は、ATMス イッチの段数Ⅳ＝3、MPEGエンコーダのビットレートを13Mbpsインターネッ トセルのビットレートを26Mbpsとした時の、各分室における各局からのMPEG セルの到着間隔のジッタを表している。 神戸から送出されたMPEGセルについて見ると、ATMスイッチの段数が増加 するに従って、MPEGセルのジッタも大きくなることがわかる。次に、西宮から 送出されたMPEGセル着目すると、ATMスイッチを多く介するほどMPEGセ ルのジッタが大きくなること、そして、神戸分室のデコーダでのジッタが特に大 きくなることが観察される。これは、神戸分室のATMスイッチには多局からの インターネットセルが集中しており、このためATMスイッチの負荷が大きくな りジッタに影響を及ぼしているものと考えられる。尼崎から送出されたMPEG セルについても同様の傾向が見られることがわかる。 図8は、ATMスイッチの段数N＝3、MPEGエンコーダのビットレートを 13Mbpsインターネットセルのビットレートを13Mbpsとした時の、各分室にお ける各局からのMPEGセルのジッタを表している。この場合、図7と比較して ジッタの値は小さくなることを除いて、同様の結果が現れていることがわかる。 図9は、ATMスイッチの段数N＝3、MPEGエンコーダのビットレートを 13MbpsインターネットセルのビットレートをObpsとした時の、各分室における 各局からのMPEGセルのジッタを表している？神戸から送出されたMPEGセル に関するジッタは、西宮のデコーダで大きくなっている。さらに、もう一段ATM スイッチを介して尼崎で受信されたセルのジッタは、西宮でのジッタよりも小さ くなっていることがわかる。これは、ATMスイッチを多く介することによって、 ATMスイッチ内のバッファでジッタが緩和されるためと考えられる。尼崎から 送出された、MPEGセルについても同様のことが考えられる。西宮から送出さ れたMPEGセルについては、図7，図8と同じ傾向が見られることがわかる。 また、図9の条件下ではネットワークの構造が、西宮を中心に対称となるため、 ジッタに関するグラフも左右対称になっているのがわかる。 16 80 MPEGdatafrom Kobe − MPEGdatafromNishinomlya−−・ MPEGdatafromAmagasaki−・・ 叶 70 ＼ ＼ 60、＼ 、、＼ 50 J ⊂〉 q〉 く） ⊂ （ロ ■＝：： 40 再 ＞ 、、＼ 、、＼ 、、＼ 、、＼ 、、、＼ ヽ、、＼ q） ヽ、、＼ ヽ ￣つ 30 20 、＼ 、、＼ 、、、＼ 、、、＼ ヽ ヽ＼ ヽヽ、＼ ヽヽ、＼ 10 ヽ ヽ ヽ ロー■ 、二＝1−1二二 ㌧一一￣ ■lll1−■ 、 ＿ O Kobe Nishjnomlya Amagasaki 図7段数N＝3，MPEGビットレート13Mbps，インターネットセルビットレー ト26Mbpsとしたときの各分室での各局からのジッタ 17 22 MPEGdatafromKobe − MPEGdatafromNishinom吋a−−・ MPEGdatafromAmagasakl−・・ 20 ＼ ＼ 18 ＼ ＼ ＼ 16、 ヽ ＼ ヽ ヽ 茎 14 ＼ ヽ ヽ ＼ ヽ ヽ ＼ ヽ ・… 12 ヽ ＼ ヽ ＼ ヽ q） ヽ ご⊆ 10 ヽ 、＼ ヽ ヽ ＼ ヽ 、 ＼ ヽ 8 ヽ ′ ヽ ′ ＼ ′ ヽ 6 ′ 、、＼、 ′ 、、、ゝ、 ′ ■−−■ ′′ ヽ ヽく ヽ ′′ ヽ 一′ 、′′ 、 、 、 、 、 42 Kobe N由him吋a Amagasakj 図8段数N＝3，．MPEGビットレート13Mbps，インターネットセルビットレー ト13Mbpsとしたときの各分室での各局からのジッタ 18 4 ヽ MPEGdatafrom Kobe − ヽ ヽ MPEGdatafromNishinomlya−−・′ ヽ 3．8 MPEGdatafromAmagasaki−；I ヽ ヽ ′ ヽ ′ ヽ ′ ヽ ′ ヽ 3．6 ′ ′ ヽ ′ ヽ ′ ヽ ′ ヽ 3．4 ′ ′ ヽ ′ ヽ ＼ ′ ′ ヽ 畠 ′ ヽ ′ ヽ q〉 U ⊂ 3．2 ヽ ヽ ．空 ′ ヽ ′ ′ ヽ （8 ＞ q〉 ′ ′ ヽ ′ ヽ 3 ヽ ′ ′ ヽ ■■■つ ′ ヽ ′ ヽ ′ ヽ 2．8 ヽ 目 ′ ＼′ ′ ■一￣ ＼ ／ 2．6 ／ ／ ノ′ ＼ 、 ′ ＼ ヽ ′ V ／一／ ＼ ＼ ＼ ＼ ＼ ＼ 2．4 ＼ 2．2 Kobe Nishinomlya Amagasaki 図9段数Ⅳ＝3，MPEGビットレート13Mbps，インターネットセルピットレー トObpsとしたときの各分室での各局からのジッタ 19 次に、図10，11，13，14におけるパラメータでは、図7，8と同じ傾向が現れている ことがわかる。しかし、図12，15では図9の場合と多少異なり、神戸および尼崎 から送出されたセルのジッタは、西宮のデコーダでほとんど同じか、あるいは小 さくなっている。これは、MPEGセルのビットレートが小さく西宮でのATMス イッチのバッファでもジッタの吸収が行なわれていると思われる。 図16は、ATMスイッチの段数〃＝5、MPEGエンコーダのビットレートを 8Mbpsインターネットセルのビットレートを13Mbpsとした時の、各分室にお ける各局からのMPEGセルのジッタを表している。 神戸局以外の各局から送信されたセルを、神戸局のデコーダで受信した場合、 セルのジッタは1．0×10￣10のオーダーとなるが観測された。したがって、到着時 開聞隔は平均1．0×10￣5のオーダーで変動することになる。このオーダーは，，兵 庫県インターコネクトプロジェクト，，で想定されているMPEGデコーダの許容 範囲を越えている。したがって、ATMスイッチの段数が増えた時のMPEGデー タのジッタについて、何らかの対策が必要と考えられる。 20 6．おわりに 本研究ではCATVとインターネットが統合されたATMネットワークにおいて、 注目していないMPEGセルおよびインターネットセルが，注目しているMPEG セルのジッタにどのような影響を与えるかをシミュレーションにより考察した。 また、多段接続されたATMスイッチの段数が、MPEGセルのジッタにどのよう な影響を与えるのかについても考察した。 本研究より、インターネットセルが多重化されている時、ジッタは段数を経る ごとに増加する。また、インターネットセルが送出されない場合は、MPEGセル のジッタに対してATMスイッチの段数はさほど影響が無いということがわかっ た。特にインターネットセルの集中する神戸分室のATMスイッチを介して、神 戸分室のデコーダに配信されるMPEGセルのジッタがインターネットセルの影 響を強く受けることがシミュレーションによってわかった。しかし、ATMスイッ チの段数が5段の時にインターネットセルが混在した場合、デコードする際に悪 影響が生じる程度のジッタが発生することも観測された。 21 80皿 MPEGdatafromKobe −−・・− MPEGdatafromNishinomlya−−・ MPEGdatafromAmagasaki−・・ ＼ 70 ＼ 、＼ 、、＼ ヽ 60 、＼ ヽ 、＼ ヽ 、＼ ヽ N 50 、、＼ 畠 q） U ⊂ 祀 、＼ 、、＼ 40 （ロ ＞ 、、＼ ヽ ヽ ＼、 ヽ q〉 ヽ ヽ ￣つ 30 ＼ ヽ＼ ヽ、＼ ヽ 20 、＼ 、、＼、 、、＼、 ヽ、＼、 10 ヽ、＼ 、、革 ＝ニー丁ごニ ーーーーーーーー→ O Kobe NishinomIya ATMSwitch Amagasaki 図10段数Ⅳ＝3，MPEGビットレート8Mbp5，インターネットセルビットレー ト26Mbpsとしたときの各分室での各局からのジッタ 22 20 MPEGdatafromKobe − MPEGdatafromNishinomlya−−・ MPEGdatafromAmagasaki−・・ 小 18 ＼ ＼ 16 ＼ ＼ ＼ 14 ヽ ヽ 12 ＼ ヽ ヽ ＼ ヽ ヽ ．空 ＼ ヽ （ロ ＞ q） ＼ ヽ 呈 q） 0 ⊂ ＼ ヽ N ヽ 10 ＼ ヽ ヽ ＼ ヽ ￣つ ヽ ＼ ヽ ヽ 8 ヽ ヽ ＼ ヽ ヽ ′ ＼ ヽ 6 ヽ ′ ′ ＼ ヽ ′ ヽ ゝ、 ヽ ヽ 4 ヽ ′ ′ ′ 、 ヽ ヽ ′ ′ 1六こ．、 ′ ヽ ′′ 、 、 、 2□ Kobe Nishinomlya ATM Switch Amagasaki 図11段数N＝3，MPEGピットレート8Mbps，インターネットセルビットレー ト13Mbpsとしたときの各分室での各局からのジッタ 23 2．7 2．6 ヽ MPEGdatafromKobe − MPEGdatafromNishinomrya−−・ MPEGdatafromAmagasakI−・r ヽ ′ ヽ ′ ヽ ノ ヽ ′ ヽ 2．5 ′ ヽ ′ ヽ ′ ヽ ′ ヽ ′ ヽ ′ ヽ ′ ヽ 2．4 ′ ヽ ′ ヽ N ′ ′ ヽ ′ ヽ 畠 ′ ヽ ヽ 竜 、至q〉 ′ ヽ 2．3 ′ ′ ヽ ヽ ′ ′ ヽ ′ ヽ ′ 2．2 ヽ ′ ヽ ′ 芸 ヽ ′ ￣つ ヽ ′ Y 2．1 2 ／ ／ ／ ／ 一月−・ −−・−・−・−・−・−・−・一田 ／ ／ 1・9．／・／ 1．8 Kobe Nishinom吋a ATMSwitch Amagasaki 図12段数Ⅳ＝3，MPEGビットレート8Mも匹，インターネットセルビットレー トOMbpsとしたときの各分室での各局からのジッタ 24 90 MPEGdatafromKobe − MPEGdatafromNishinomlya−−・ MPEGdatafromAmagasaki−・・ 80 ＼ 70、、＼ ヽ ＼ 、、＼ 60 、、＼ ヽ N ヽ 、、＼ 畠 q） くJ ⊂ d ＼ 50 ヽ ヽ ＼ ヽ ヽ ＼ ＼、 ヽ （q ＞ q） ＼ ヽ 40 ヽ ＼ ヽ ヽ ￣つ 30 、＼ ヽ、、t＼． 、、＼、 、、＼、 20 、、＼ ヽ、＼、 10 、、＼ 、L ヽ ニニ・F・ご・二二二 O Kobe Nishinomlya ATMSwitch 図13段数Ⅳ＝3，MPEGビットレート4Mbps，インターネットセルビットレー ト26Mbpsとしたときの各分室での各局からのジッタ 25 18 MPEGdatafrom Kobe −・ MPEGdatafromNishinomIya−−・ MPEGdatafromAmagasaki−・・ 16 1 ＼ ＼ ＼ 14 ＼ ＼ N ヽ ＼ 12 ヽ ヽ 畠 ＼ ヽ ヽ ．喜 ＼ ヽ q） U ヽ 10 【ロ ＞ ＼ ヽ ヽ ＼ ヽ 、、 ＼ q〉 甚 ‘￣つ 8 、、 ＼ 、、 ＼ ヽ ヽ ヽ ＼ ヽ 6 ′ 、、＼ ′ ヽ ′ ヽ ＼ 4 ′ 、、、し ヽ ヽ ′ ノ ′ ′ −、・−；く ′ 、 ヽ ′ ヽ ′ ヽ ′′ 2 Kobe Nishinomlya ATMSwitch 、 、 、 Amagasaki 図14段数Ⅳ＝3，MPEGビットレート4Mbps，インターネットセルビットレー ト13Mbpsとしたときの各分室での各局からのジッタ 26 2．3 MPEGdatafromKobe − MPEGdatafromNishinomrya−−r MPEGdatafromAnugasakl−・・ 2．25 ヽ ヽ ′ ヽ ′ ヽ ′ ヽ ′ ヽ 2．2 ′ ヽ ′ ヽ ′ ヽ ′ ヽ ′ ヽ ′ ヽ ′ ヽ 2．15 ′ ヽ ′ ′ ヽ N ′ ヽ ′ ヽ 呈 ′ ヽ ′ ヽ 2．1 q） ′ ヽ 竜 、至 ′ ヽ ′ ヽ ′ ヽ ′ ヽ ′ Y 2．05 巨 ／ ■■■つ ／ ／ E］ ′′ 2 ／ ／ ／ ′′ ノ′ 1．95 ／ ／ ／ ／℡ ■■′ ／■ ／■ ／ 1．9 ／’ ．一■ ．／ 1．85 Kobe Nishinom∼a Amagasa柚 ATMSw旺ch 図15段数Ⅳ＝3，MPEGビットレート4Mbps，インターネットセルビットレー トOMもpsとしたときの各分室での各局からのジッタ 27 200 MPEGdatafromKobe MPEGdatafromNishinom吋a MPEGdatafromAmagasakl MPEGdatafromUnknownl MPEGdatafromUnknown2 180 ＼ 、＼ 160 t＼ −＼ ．＼ 140 ．＼ 、＼ 巾．＼ ●＼ N 畠 1 ＼ 20 ＼ 巴 忘 1 ＼ 00 ＼ −l −＼ ．＼ ．＼ −＼ 、＼ ■＼ 、＼ ■≡ ＼．、〉、 ￠ 芸 ■■つ 80 ＼、＼ ヽ ヽ 、▲ ＼ ヽ 火＼＼ ヽ 60 ヽ ＼ ＼ ＼ ＼ 、、＼ 40 ＼ ＼ 、、、＼ ＼ ＼ ＼ 、、＼ ＼ ＼ ゝ ヽ 血、 ヽ 20 ヽ ＼ ノ■一一一一一 ヽ札、− ＼ 、、♪く、 、＿＿＿一一一−、一：二′：ニ、＞くニトこ二＿、 0 Kobe Nishinonwa Amagasaki Unknownl Unknown2 ATM Switch 図16段数Ⅳ＝5，MPEGビットレート8Mbps，インターネットセルビットレー ト13Mbpsとしたときの各分室での各局からのジッタ 28 謝辞 本研究を進めるにあたって日頃から丁寧に御指導くださった高橋豊教授に心 からお礼申し上げます。 また、多くの貴重な助言を下さった石田好輝助教授、田地宏一助手、笠原 正治助手心から感謝します。 最後に、私の研究活動を支えて下さったシステム基礎講座の皆様に感謝致し ます。 29 参考文献 ［1］W．Matragi，C．Bisdikian，andK．Solmaby，“JittercalculusinATMnetworks＝ SingleNodeCase，’’inProc．1EEEINFOCOM’94，pp．232−241，1994． ［2】W．Matragi，C．Bisdikian，andK．Sohraby，“Ji七tercalculusinATMnetworks： MultipleNodeCase，”inProc．1EEEINFOCOM，94，l）P．242−251，1994． 聞J・W・ByunandT・T・Lee，”Thedesi卯．andanalysisofATMmulticastswitch Withadaptivetra侃ccontro11er，”1EEEnCMnYmS．Net．，VO12，pp．288−298， J11ne1994． ［4］遠藤俊樹，厩橋正樹，塩川茂樹，笹瀬巌，同報セル／非同報セル分離入力型 ATMマルチキャスト交換機，電子情報通信学会論文誌，B−Ⅰ，Ⅵ）1．J80−B−Ⅰ，No． 10，pp．701−708，1997年10乱 ［5】ケーブルテレビインターコネクト構想一研究報告一兵庫ニューメディア推進 協議会ケーブルテレビ部会 ［6］マックダイサン＆スポーン，村田正幸訳，ATMネットワーク，科学技術出 版，1997 ［7］川西康之，山岸健太郎，笠原正治，高橋豊，“兵庫県CATVインターコネク トプロジェクトにおけるATM綱シミュレーションモデルの研究，”電子情報 通信学会総合大会発表予定，1998．3． ［8】OPNETインストール手順書・基本操作説明書株式会社情報工房 ［9］OPNETTutorialman11alMIL3．Inc． ［10］OPNETModelingVol．1，2，Mil．3．Inc． ［11］OPNETSimulationKernelAnlm−Pk，MIL3．Inc． ［12］OPNETSimulationKernelPrg−Topo，MIL．3．Inc． 30 t13］OPNETModelsBase，MIL3．Inc． ［14］OPNETModelsProtocol，MIL．3．Inc． 31