トラフィックシェーピング入門：原理・アルゴリズム・実装とベストプラクティス

2025年12月11日 最終更新日時 : 2025年12月11日 エバープレイ編集部

はじめに — トラフィックシェーピングとは何か

トラフィックシェーピング（traffic shaping）は、ネットワーク上のパケット送信タイミングやレートを制御して帯域の利用を平滑化（スムージング）し、遅延・ジッタ・輻輳の管理やサービス品質（QoS）の担保を行う技術です。単に帯域を制限するポリシング（policing）とは異なり、超過パケットを即座に破棄するのではなく、バッファリングして送信を遅らせることでパケット損失を抑え、突発的なバーストを整形します。

なぜ重要か — ユースケースと効果

  • VoIPやリアルタイムストリーミングの遅延・ジッタ低減で音声・映像品質を確保する。
  • バックアップや大容量転送の帯域を調整し、重要トラフィックの優先度を保つ。
  • ISPやクラウド事業者でアクセス回線における不公平利用を抑え、総合的なユーザ体験を向上させる。
  • バッファブロート（bufferbloat）対策として遅延を抑える設計と併用する。

基本原理 — アルゴリズムと動作

代表的なアルゴリズムには、トークンバケット（Token Bucket）とリ―キーバケット（Leaky Bucket）があります。どちらもバースト管理と平均レート制御を目的としますが挙動が異なります。

  • トークンバケット：一定速度でトークン（許可）を生成しバケットに蓄える。パケットを送信する際にパケットサイズ分のトークンを消費し、トークンが足りなければ送信を待機（または遅延）する。バーストを許容しつつ平均レートを維持するのに適している。
  • リ―キーバケット：内部的には一定レートで出力を行うキューと見なせる。到着パケットはバッファに溜められ、出力は一定の「漏出」速度で行われる。バーストを滑らかにするが、実装によっては遅延が増える。

ネットワーク機器では、これらの基本を拡張した実装（例：単一/階層トークンバケット、HTB：Hierarchical Token Bucket、TBF：Token Bucket Filter 等）が用いられます。

ポリシング（policing）との違い

ポリシングは規定帯域を超過したパケットを即座に破棄したりマーク（DSCPなど）する処理で、シンプルかつ速いですが損失が発生します。一方シェーピングは送信タイミングを調整して損失を回避するため、リアルタイムアプリケーションに有利です。実運用では、シェーピングとポリシングを組み合わせることが多いです（例えば、顧客側でシェーピングして余剰を吸収し、送信先側でポリシングを行う）。

QoSとの連携 — クラス分類とキューイング

シェーピングは分類（classification）とキューイング（queuing）とセットで運用されます。代表的なキューイング戦略には以下があります。

  • FIFO（First-In First-Out）: 最も単純。
  • PQ（Priority Queueing）: 高優先度トラフィックを常に先出し。
  • WRR / WFQ（Weighted Round Robin / Weighted Fair Queuing）: 帯域を重み付けして公平に分配。
  • CBQ（Class-Based Queuing） / HTB: 階層的にクラス分けして帯域を配分。
  • CoDel / fq_codel: バッファブロート対策に有効な遅延制御アルゴリズム。

さらに、DiffServ の DSCP マークを用いてパケットに優先度を付け、ネットワーク全体のポリシーと連携することが一般的です（RFC 2474/2475 等）。

実装例 — Linux の tc と代表的 qdisc

Linux では tc コマンドを用いて qdisc（queueing discipline）を設定します。代表的なもの：

  • TBF（Token Bucket Filter）：単純で低オーバーヘッドなレート制御。
  • HTB（Hierarchical Token Bucket）：クラス階層を持ち、柔軟に帯域を配分可能で ISP や企業のアクセス制御に多用。
  • fq_codel：公平なキューイングと遅延短縮を両立する現代的 qdisc。
  • pfifo_fast：デフォルトのシンプルキュー。

実運用では、端末側/顧客ゲートウェイで TBF/HTB によるシェーピングを行い、ルータやプロバイダ側で優先制御（DSCP→キュー）と CoDel 系 qdisc を併用する構成が多いです。

どこでシェーピングするか — 出入口の考え方

シェーピングは原則として「エグレス（出力）」で行うのが効果的です。パケットの送出を制御できるタイミングがエグレス側だからです。インバウンド（受信）トラフィックの整形が必要な場合は、顧客側で ACK を遅延させるなどの間接的手法や、プロバイダ側でポリシングを併用する方法があります。

設計とチューニングのポイント

  • 目標指標を明確に：帯域、最大遅延、許容ジッタ、損失率など。
  • バーストサイズ（バケットサイズ）の設定：小さすぎればアプリケーションの短期バーストを潰す、 大きすぎれば遅延が増える。
  • バッファブロート対策：CoDel/fq_codel を検討し、キュー長を適切に制御する。
  • 測定と監視：sFlow、NetFlow、tcpdump、iperf、ping、ホスト側の QoS モニタを活用する。
  • エンドツーエンドの観点：経路にある中間ノードのキューイング特性も品質に影響するため、単一箇所でのチューニングでは限界がある。

トラブルシューティングの例

  • 高遅延・ジッタが増加：バッファが大きすぎる（バッファブロート）か、シェーピングのバースト許容が不適切。
  • パケット損失が多い：ポリシングによるドロップや、過度なキューオーバーフロー。シェーピングでバッファを調整するか、優先度設定を見直す。
  • ユーザからの不満（速度不足）：過度に厳しい帯域制限、または他トラフィックの優先度が高すぎる可能性。

ベストプラクティスまとめ

  • エッジでのシェーピング + コアでの優先制御という分担を基本にする。
  • リアルタイムトラフィックは優先かつ最小遅延、バルクトラフィックはバーストを許容してバックグラウンドで処理する。
  • CoDel / fq_codel 等の遅延制御アルゴリズムを導入しバッファブロートを防ぐ。
  • 変更ごとに性能試験（iperf、実トラフィックの観測）を行い、ユーザ体験に与える影響を測定する。

まとめ

トラフィックシェーピングは単なる帯域制限ではなく、ネットワーク品質を守るための重要な手段です。適切なアルゴリズム選択、階層的なクラス設計、遅延制御（CoDel 等）の併用、そして継続的な監視とチューニングが成功の鍵です。事前に目標を明確に定め、実測ベースでパラメータを最適化しましょう。

参考文献

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