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ERFINDUNGSGEBIET
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Die
vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen Kommunikationen und
insbesondere Paketkommunikationssysteme.
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STAND DER
TECHNIK
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Mit
der Weiterentwicklung von drahtlosen Systemen verlagern sich die
Kommunikationen zwischen einer Mobilvermittlungsstelle (MSC – Mobile
Switching Center) und ihren Basisstationen zu einem IP-basierenden
(Internet Protcol) Transportmechanismus. (Im hiesigen Gebrauch bezieht
sich der Begriff drahtlose Systeme auf z.B. CDMA (code division
multiple access), GSM (Global System for Mobile Communications),
das vorgeschlagene UMTS (Universal Mobile Telecommunications System)
usw.) Bei der gegebenen Beschaffenheit drahtloser Kommunikationen,
z.B. Echtzeitsprache, muß für jeden
IP-basierenden Transport ein Protokoll benutzt werden, das Echtzeitanwendungen
berücksichtigt.
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Ein
solches Protokoll ist das Echtzeitprotokoll (RTP – Real Time
Protocol) (z.B. siehe H. Schulzrinne, R. Frederick, V. Jacobson, "RTP: A Transport
Protocol for Real-Time Applications" (RTP: Ein Transportprotokoll für Echtzeitanwendungen),
RFC 1889). RTP ist deshalb attraktiv, weil es ein verfügbares Protokoll
der IETF (Internet Engineering Task Force) zur Bearbeitung von Echtzeitströmen ist.
RTP-Verkehr wird in UDP (User Datagram Protocol) und IP-Paketen
verkapselt.
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Durch
die Verwendung von RTP/UDP/IP wird leider ein großer Zusatzaufwand
erzeugt, wenn VoIP-Anwendungen (Voice-over-IP – Sprachübertragung via Internetprotokoll) über drahtlose
Netze laufen, da die Sprachennutzlast gewöhnlich gering ist (z.B. 10
bis 20 Byte), während
der RTP/UDP/IP-Kopfteil 40 Byte beträgt.
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In
GPRs und PDNs Interconnection Issues von William Delylle [On-Line]
August 1998 (1998-08), Seiten 1–78,
XP002168897, Abgerufen aus dem Internet: <URL:[PDF] www.ee.ucl.ac.uk/~lsacks/tcomsmsc/projects/pastproj/w_d
eylle.pdf> werden
die allgemeinen Netzverbindungsanordnungen mit PSDN (X.75/X.25), PDN
(IP) oder zwischen zwei GPRS-Netzen untersucht und verglichen. Zur
Netzverbindung gehört
der gesamte Leitwegteil und die verschiedenen möglichen Szenarien zwischen
einem Host und der Mobilstation. In dieser Literaturstelle wird
auch betrachtet, wie IPV6 mit GPRS bei der Adressierung, Tunnelung
und Komprimierung zusammenarbeitet, aber auch wie der Übergang
von IPV4 zu IPV6 gehandhabt wird. Die behandelten Adressierungsfragen
sind: Endbenutzeradressen, die vom Protokoll abhängig sind (X.25, IP), die Verwaltung
von Leitwegtabellen und Nachschlagetabellen und die Unterstützung von
IPV4-kompatiblen IPV6-Adressen. Im Tunnelteil wird das GPRS Tunneling
Protocol (GTP) entwickelt, mit dem mehr Protokollpakete durch das GPRS-Backbone
zwischen Paketvermittlungsstellen (GSN – GPRS Support Nodes) und Tunnelung
im IPV6 durchgetunnelt werden können.
Ein wichtiges Merkmal bei IP-Protokollen ist die Komprimierung und
es wird gezeigt, wie sie bei GPRS angepaßt wird.
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In
Low-Loss TCP-IP Header Compression For Wireless Networks (Verlustarme
TCP-IP-Kopfteilkomprimierung für
drahtlose Netze) von Degermark et al. WIRELESS NETWORKS, US, ACM,
Band 3, Nr. 5, 1. Oktober 1997 (1997-10-01), Seiten 375–387, XP000728935
ISSN: 1022-0038,
sind neue Kopfteilkomprimierungsanordnungen für UDP/IP- und TCP/IP-Protokolle
offenbart. Die Autoren zeigen, wie die Größe von UDP/IP-Kopfteilen um
eine Größenordnung
auf 4 bis 5 Byte verringert werden kann. Das Verfahren funktioniert über Simplexstrecken,
verlustbehaftete Strecken, Mehrzugriffsstrecken und unterstützt Multicast-Kommunikation.
Sie zeigen auch, wie das von Jakobsen entwickelte am meisten benutzte
Verfahren für
Kopfteilkomprimierung für
TCP/IPv4 auf IPv6 und Mehrfach-IP-Kopfteile verallgemeinert werden
kann. Leider wird durch die sich ergebende Anordnung der TCP-Durchsatz über verlustbehaftete
Strecken aufgrund einer ungünstigen Wechselwirkung
mit TCP-Blockierungsabwehrmechanismen
verringert. Durch Zufügen
von zwei einfachen Mechanismen kann jedoch der durch Kopfteilkomprimierung
ermöglichte
Gewinn über
verlustbehaftete drahtlose Netze sowie Punkt-Punkt-Modemstrecken realisiert
werden.
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Kurze Beschreibung
der Erfindung
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Ein
erfindungsgemäßes Verfahren
entspricht dem Anspruch 1. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen aufgeführt.
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Neben
dem mit RTP/UDP/IP-Kopfteilen verbundenen großen Zusatzaufwand wird diese
Lage weiter durch die Verwendung von im GTP (General Packet Radio
Service Tunneling Protocol) verkapselte Pakete verschlimmert. In
diesem Fall beträgt
der GTP/UDP/IP-Zusatzaufwand rund 980% bei einer Sprachnutzlast von
10 Byte. Der GTP/UDP/IP-Kopfteil wird daher erfindungsgemäß für die Übertragung
komprimiert.
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Bei
einer Ausführungsform
der Erfindung unterstützt
ein UMTS-Kernnetz eine Komprimierungsstruktur, die die Komprimierung
eines GTP/UDP/IP-Kopfteils ermöglicht
(was hier als "GTP-Kopfteilkomprimierung" bzw. "komprimierter GTP-Kopfteil" bezeichnet wird).
Zusätzlich
unterstützt
das UMTS-Kernnetz auch RTP/UDP/IP-Kopfteilkomprimierung (was hier
als "RTP-Kopfteilkomprimierung" bzw. "komprimierter RTP-Kopfteil" bezeichnet wird),
unabhängig
von der GTP-Kopfteilkomprimierung.
Im Ergebnis ist das UMTS-Kernnetz
in der Lage, kleine Multimedien-RTP-Pakete wirkungsvoller zu transportieren.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNG
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1 zeigt ein unkomprimiertes
GTP-verkapseltes RTP-Paket
des Stands der Technik;
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2 zeigt ein UMTS-Netz mit
den Grundsätzen
der Erfindung;
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3 und 4 zeigen beispielhafte Protokollprofile
zur Verwendung bei einer Mobilstation;
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5 zeigt beispielhafte Komprimierer/Dekomprimiererstellen
im UMTS-Netz der 2;
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6–10 zeigen
beispielhafte Nachrichtenflüsse;
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11–13 zeigen
IP-, UDP- und RTP-Kopfteilformate des Standes der Technik;
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14 zeigt ein beispielhaftes
Format für
einen komprimierten RTP-Kopfteil;
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15 zeigt ein beispielhaftes
Format für
einen komprimierten GTP-Kopfteil; und
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16 zeigt ein beispielhaftes
höheres
Blockschaltbild eines Paketservers zur Verwendung bei der Durchführung von
GTP-Kopfteilkomprimierung entsprechend den Grundsätzen der
Erfindung.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG
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In
der 1 ist ein beispielhaftes
Format eines unkomprimierten GTP-verkapselten RT-Pakets 10 nach
dem Stand der Technik (Version Freigabe 97) dargestellt. Der GTP/UDP/IP-Kopfteil 11 umfaßt einen IP/UDP-Kopfteil 12 und
einen GTP-Kopfteil 13. Der GTP/UDP/IP-Kopfteil 11 sitzt
wie im Stand der Technik bekannt oben auf der GTP-Nutzlast 14 auf.
Bei einer Sprachnutzlast, die beispielhafterweise gleich 10 Byte
ist (z.B. Nutzlast 15 der 1)
ergibt dies einen Zusatzaufwand von rund 980% als Ergebnis des GTP/UDP/IP-Kopfteils 11.
Der GTP/UDP/IP-Kopfteil wird daher erfindungsgemäß zur Übertragung komprimiert. Aus 1 ist ersichtlich, daß die GTP-Nutzlast 14 auch
einen IP-Kopfteil und einen UDP-Kopfteil transportiert. Nach dem
Stand der Technik umfaßt
der IP/UDP-Kopfteil 12 Ursprungs- und Zielinformationen
bezüglich
des Tunnels, während
der IP-Kopfteil und UDP-Kopfteil der GTP-Nutzlast 14 Ursprungs-
und Zielinformationen bezüglich
der Kommunikationsendpunkte umfaßt. (Es ist zu beachten, daß der TID-Wert
(Tunnel-ID) auf der Version der Freigabe 97 basiert, die im GSM-Dokument
(Global System for Mobile Communications) 04.08, Digital Cellular
Telecommunications System (Phase 2+); Mobile Radio Interface Layer
3 – Specification (digitales
zellulares Telekommunikationssystem (Phase 2+); Mobilfunkschnittstellenspezifikation
der Schicht 3) definiert ist. Der TID-Wert enthält 8 Byte: 12 Bit MCC (Mobile
Country Code – Mobil-Landeskennzahl),
8 Bit MNC (Mobile Network Code – Mobil-Netzkennzahl),
40 Bit MSIN (Mobile Subscriber Identification Number – Mobil-Teilnehmerkennung)
und 4 Bit NSAPI (Network Service Acces Point – Netzdienst-Zugriffspunkt).
MCC, MNC, MSIN und NSAPI sind Teile der in der Schrift GSM 04.08
definierten IMSI (International Mobile Subscriber Identity – Internationale
Mobilteilnehmerkennung)).
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In
der 2 ist ein beispielhaftes
UMTS-Netz 200 dargestellt, das entsprechend den Grundsätzen der Erfindung
abgeändert
worden ist. Außer
dem erfindungsgemäßen Konzept
sind die in der 2 dargestellten Elemente
wohlbekannt und werden nicht ausführlich beschrieben. Beispielsweise
umfaßt
das UMTS-Netz 200 ein Funkanschlußnetz (RAN – Radio Access Network), ein
Kernnetz (CN – Core
Network), ein Backbonenetz und einen durch den IP-End-Host 240 dargestellten
beispielhaften Endpunkt. Das Backbonenetz umfaßt das Internet und das öffentliche
Wählnetz
(PSTN – Public
Switched Telephone Network). Das RAN umfaßt die Mobilstation (MS) 205,
den Knoten B 210 und die Funknetzsteuerung 215.
(Obwohl bei UMTS der Begriff "Knoten B" benutzt wird, wird
dies auch als eine Basisstation bezeichnet). Das CN umfaßt einen
SGSN (Serving GPRS Support Node – GPRS-Abnehmernetzknoten) 220,
GGSN (Gateway GPRS Support Node – GPRS-Zugangsnetzknoten) 225 und
das Element 230, das einen Gatekeeper (GK) (eine Komponente
in ITU H.323) und ein IP/PSTN-Gateway (GW) (zur Umsetzung zwischen
H.323 und dem PSTN) umfaßt.
Obwohl sie als einzelne Blockelemente dargestellt sind, enthalten
die Elemente des UMTS-Netzes 200 speicherprogrammierbare
Prozessoren, Speicher und entsprechende Schnittstellenkarten (die
nicht gezeigt sind). Für
die Zwecke der vorliegenden Beschreibung besteht eine beispielhafte
Gesamtverbindung zwischen Mobilstation 205 und IP-End-Host 240 (die
auch als Endpunkte bezeichnet werden). Der Begriff "Paketserver", so wie er hier
benutzt wird, bezieht sich auf einen beliebigen Paketprozessor,
wie beispielhafterweise die obenerwähnten Elemente von UMTS 200.
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Erfindungsgemäß unterstützt das
UMTS-Netz 200 eine Komprimierungsstruktur, die eine GTP-Kopfteilkomprimierung
ermöglicht.
Zusätzlich
unterstützt
das UMTS-Netz 200 auch RTP-Kopfteilkomprimierung unabhängig von
der GTP-Kopfteilkomprimierung. (So wie sie hier benutzt werden,
beziehen sich die Begriffe "GTP-Kopfteilkomprimierung" bzw. "komprimierter GTP-Kopfteil" auf die Komprimierung
eines GTP/UDP/IP-Kopfteils.
Auf ähnliche
Weise beziehen sich die Begriffe "RTP-Kopfteilkomprimierung" bzw. "komprimierter RTP-Kopfteil" auf die Komprimierung
eines RTP/UDP/IP-Kopfteils.) Da GTP-Kopfteilkomprimierung von der
RTP-Kopfteilkomprimierung unabhängig
ist, können
sich GTP-Partner von den RTP- Partnern unterscheiden
(aber dies ist nicht erforderlich). Damit wird auch eine Auslegungsflexibilität bereitgestellt,
da sich mancher Multimedienverkehr nicht des RTP sondern reiner
UDP-Verkapselung
bedienen könnte.
Im Ergebnis ist das UMTS-Netz 200 in
der Lage, kleine Multimedienpakete wirkungsvoller zu transportieren.
Die Beschreibung des erfindungsgemäßen Konzepts wird unten fortgesetzt.
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Übersicht über Kopfteilkomprimierung
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Es
sollte klar sein, daß erfindungsgemäß die RTP-Kopfteilkomprimierung
und GTP-Kopfteilkomprimierung unabhängig zwischen Partnern ausgehandelt
werden kann (was weiter unten beschrieben wird). Außer dem
erfindungsgemäßen Konzept
sind Komprimierungs/Dekomprimierungsverfahren wohlbekannt und werden
hier nicht beschrieben. Beispielsweise ist typischerweise ein Komprimierer/Dekomprimierer
ein in einem (nicht gezeigten) Speicher, z.B. von MS 205 gespeichertes
und durch einen (nicht gezeigten) speicherprogrammierbaren Mikroprozessor,
z.B. von MS 205, ausgeführtes
Softwaremodul. Das Softwaremodul bedient sich herkömmlicher
Programmierungsverfahren, die als solche hier nicht beschrieben
werden, um (unten beschriebene) geteilte Informationen zu speichern
und komprimierte bzw. reduzierte Formen eines GTP/UDP/IP-Kopfteils
oder eines RTP/UDP/IP-Kopfteils (wie unten beschrieben) für die Übertragung
zu formatieren.
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In
bezug auf die Mobilstation, z.B. MS 205 der 2, sind in 3 und 4 zwei
beispielhafte Protokollprofile mit einem Komprimierer/Dekomprimierer
dargestellt. Im Protokollprofil der 3 befindet
sich der RTP-Komprimierer/Dekomprimierer zwischen der IP-Schicht
und der RLC/MAC-Sicherungsschicht (Radio Link Control/Media Access
Control). (Der Einfachheit halber ist die physikalische Schicht
des Protokollprofils nicht dargestellt). Im Protokollprofil der 4 befindet sich der RTP-Komprimierer/Dekomprimierer
zwischen der Anwendungsschicht und der RLC/MAC-Sicherungsschicht (die physikalische
Schicht ist wiederum nicht dargestellt). Obwohl unten eine Form
von RTP-Kopfteilkomprimierung beschrieben wird, ist zu beachten,
daß die
Ausführungsform
der 4 auch die Form
von RTP-Kopfteilkomprimierung darstellt, bei der ein RTP-Kopfteil
einfach in seiner Gesamtheit abgestreift wird (in 13 ist ein RTP-Kopfteil dargestellt).
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Auf
ergänzende
Weise befindet sich ein entsprechender RTP-Komprimierer/Dekomprimierer
und GTP-Komprimierer/Dekomprimierer
im UMTS-Netz. Eine beispielhafte Ansicht der Stelle des RTP-Komprimierers/Dekomprimierers
und des GTP-Komprimierers/Dekomprimierers
im UMTS-Netz 200 ist in der 5 dargestellt.
In der 5 befindet sich
der RTP-Komprimierer/Dekomprimierer (C/D) in der MS 205 und
dem IP-End-Host 240 (d.h. MS 205 und IP-End-Host 240 sind
RTP-Partner), während
sich der GTP-Komprimierer/Dekomprimierer
(C/D) im RNC 215 und GGSN 225 befindet (d.h. RNC 215 und
GGSN 225 sind GTP-Partner).
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RTP
ist ein Punkt-zu-Punkt-Protokoll. Für RTP-Kopfteilkomprimierungspartner ist daher
zu beachten, daß dabei
angenommen wird, daß eine
Sicherungsschicht-Kennzeichnung
(ID) auf jede RTP-Sitzungskennzeichnung abgebildet wird. Eine beispielhafte
RTP-Sitzungskennzeichnung
umfaßt
die IP-Zieladresse und die IP-Zielanschlußnummer (für die Endpunkte), die SSRC-Kennzeichnung (z.B.
siehe 13) und den UDP-Zielanschluß (z.B.
siehe 12). Wenn ATM
(Asynchronous Transfer Mode – asynchroner Übertragungsmodus) zum
Transport benutzt wird, ist eine beispielhafte Sicherungsschicht-ID
die zugehörige
VPI/VCI (Virtual Path Identifier/Virtual Connection Identifier).
Die Abbildung der Sicherungsschicht-ID und der RTP-Sitzung findet
innerhalb jedes RTP-Partners statt.
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Auch
ist zu beachten, daß als
Alternative ein RTP-Komprimierer/Dekomprimierer
in das Funkzugangsnetz, z.B. RNC 215 oder sogar ins Kernnetz,
z.B. bei SGSN 220 gesetzt werden kann.
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Im
Kernnetz ist es zu bevorzugen (obwohl nicht erforderlich), den GTP-Komprimierer/Dekomprimierer in
den GGSN 225 zu setzen. Wenn sich der GTP-Komprimierer/Dekomprimierer
im SGSN 220 befindet, müssen
Weiterschaltungen (In der Technik auch als "handoffs" bekannt) aufgrund einer Verlegung des
SRNS (Serving Radio Network Subsystem – Abnehmerfunknetz-Teilsystem) unter
Umständen
noch berücksichtigt
werden. (Beim UMTS enthält
ein SRNS nicht nur ein bestimmtes RAN, sondern auch unterstützende Elemente (z.B.
eine (nicht gezeigte) Datenbank). Wenn sich jedoch der GTP-Komprimierer/Dekomprimierer
im GGSN 225 befindet, ist keine Kontextübertragung erforderlich, selbst
im Fall einer SRNS-Verlegung.
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Uns
nunmehr den 6–10 zuwendend sind dort beispielhafte
Nachrichtenflüsse
zur Verwendung von GTP-Kopfteilkomprimierung
und RTP-Kopfteilkomprimierung im UMTS-Netz 200 dargestellt.
Außer
dem erfindungsgemäßen Konzept
werden bei der folgenden Beschreibung wohlbekannte UMTS-Nachrichtenflüsse verwendet,
die nicht hier beschrieben werden. Bei den 6–10 wird angenommen, daß die GTP-Kopfteilpartner
RNC 215 und GGSN 225 und die RTP-Kopfteilpartner
MS 205 und IP-End-Host 240 sind.
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6 zeigt, wie eine Mobilstation,
z.B. MS 205 der 2 und 5, GTP-Kopfteilkomprimierung/-dekomprimierung aushandelt.
Nach Durchführung
von "Attach Procedures" (nach dem Stand
der Technik) zwischen MS 205 und RNC 215 überträgt MS 205 zum
SGSN 220 eine Anforderungsnachricht "Activate PDP (Packet Data Protocol)
context" (PDP-Kontext
aktivieren), die erfindungsgemäß abgeändert ist,
um eine GTP-Kopfteilkomprimierungsanfrage
zu umfassen, die durch eine vordefinierte Kennzeichnung mit der
Bezeichnung "GTP Comp" dargestellt wird.
Als Antwort sendet SGSN 220 eine Anforderungsnachricht "Create PDP context" (PDP-Kontext erstellen)
(die abgeändert
ist, um die Kennzeichnung "GTP
Comp" zu enthalten)
zum GGSN 225, um eine Anforderung nach GTP-Kopfteilkomprimierung
anzuzeigen. GGSN 225 antwortet mit einer Antwortnachricht "Create PDP context" (PDP-Kontext erstellen)
als Bestätigung
(die abgeändert
ist, um die Kennzeichnung "GTP
Comp" zu enthalten).
Bei Empfang der Antwortnachricht "Create PDP context" sendet SGSN 220 eine Antwortnachricht "Activate PDP context" (PDP-Kontext aktivieren)
(die abgeändert
ist, um die Kennzeichnung "GTP
Comp" zu enthalten)
zur MS 205.
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Wie
oben bemerkt wird, um einen GTP-Kopfteilkomprimierungskontext
herzustellen, entweder eine Markierung GTP Compressed (z.B. ein
vordefiniertes Bitmuster) oder ein GTP-Kopfteilkomprimierungskontext-Informationselement
(IE – Information
Element) dem bestehenden Nachrichtensatz hinzugefügt. Dieses GTP-Kopfteilkomprimierungskontext-IE
umfaßt
die vollständigen
GTP-Kopfteilinformationen. Wenn dieses Element vorhanden ist, muß kein voller
GTP-Kopfteil gesendet werden, um den GTP-Kopfteilkontext herzustellen.
Ansonsten kann es notwendig sein, ein oder mehrere Pakete mit dem
vollen GTP-Kopfteil zu senden, um den Kopfteilkontext herzustellen.
(Es ist zu bemerken, daß in
dem Fall, wo sich der GTP-Komprimierer/Dekomprimierer
an einem SGSN befindet und eine SRNS-Verlegung eintritt, die eine Änderung
des SGSN bewirkt, der neue SGSN eine GTP-Kontextanfragenachricht zum alten SGSN
senden kann und der alte SGSN mit der entsprechenden GTP-Kontextantwortnachricht
antworten kann, so daß der
neue SGSN nunmehr der neue Komprimierer/Dekomprimiererpunkt für GTP-Kopfteilkomprimierung
sein kann).
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Uns
nunmehr der 7 zuwendend
sind dort beispielhafte Paketflüsse
dargestellt. Zur GTP-Kopfteilkomprimierung
wird mindestens ein Paket mit einem vollen GTP-Kopfteil gesendet,
um den Kontext für
den komprimierten GTP-Kopfteil (7(A))
zwischen den GTP-Partnern herzustellen (die hier durch RNC 215 und GGSN 225 dargestellt
werden). Wie bemerkt werden Pakete unter Verwendung von GTP zwischen
GGSN 225 und RNC 215 übermittelt (d.h. GTP endet
bei GGSN 225 und RNC 215). Sobald die GTP-Kopfteilkomprimierung
ausgehandelt worden ist, formatiert jeder GTP-Partner, z.B. GGSN 225,
Datenpakete entsprechend dem GTP und komprimiert dann den GTP-Kopfteil
vor Übertragung
der Pakete (unten beschrieben) zu seinem GTP-Partner, in diesem
Fall RNC 215, der den GTP-Kopfteil dekomprimiert und die
Nutzlast (die RTP enthalten kann oder nicht) zur Übertragung
zur MS 205 regeneriert. Auf ähnliche Weise wird in die andere
Richtung der GTP-Kopfteil von RNC 215 zur Übertragung
zu GGSN 225 komprimiert, der den GTP-Kopfteil dekomprimiert
und die Nutzlast regeneriert. Pakete werden zwischen GGSN 225 und
IP-End-Host 240 mit
einem Sicherungsschichtkopfteil nach dem Stand der Technik übermittelt.
Nach der Aushandlung der GTP-Kopfteilkomprimierung kann wahlweise
eine RTP-Kopfteilkomprimierung
zwischen MS 205 und IP-End-Host 240 (7(B)) auf ähnliche
Weise, wie die für
die GTP-Kopfteilkomprimierungsaushandlung der 6 dargestellte, ausgehandelt werden.
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In
der 8 sind beispielhafte
RTP-Kopfteilkomprimierungskontextnachrichtenaustausche
dargestellt. (Es wird wiederum eine Abänderung bestehender Zeichengabenachrichten
angenommen. Dabei werden vordefinierte Bitwerte zu bestehenden Nachrichtensätzen hinzugefügt, um die
zusätzlichen
Nachrichtenerfordernisse zu kennzeichnen, z.B. daß dies eine
Nachricht "RTP context
set up" (RTP-Kontextherstellung) ist).
Anfänglich
tauschen zwei RTP-Partner
Zeichengabenachrichten aus, um den RTP-Kopfteilkomprimierungskontext herzustellen.
Eine Anforderungsnachricht "RTP
context set up" (RTP-Kontextherstellung)
wird von einem RTP-Partner, z.B. MS 205, zum anderen RTP-Partner,
z.B. IP-End-Host 240 gesendet. Der Nachrichtenaustausch
wird mit einer Antwortnachricht "RTP
context Set up" vervollständigt. Jedesmal
wenn eine Änderung
im RTP-Kontext stattfindet, wird der entsprechende Kontextaktualisierungscode
im ersten Byte des (unten beschriebenen) komprimierten RTP-Kopfteils
benutzt, um die zusätzlichen
geänderten
(bzw. Delta-) Informationen anzuzeigen, die im komprimierten RTP-Kopfteil
geführt
werden. So ist eine Anforderungsnachricht "RTP context update" (RTP-Kontextaktualisierung) eine implizite
Nachricht im komprimierten RTP-Kopfteil. Eine Antwortnachricht "RTP context update" ist jedoch wahlfrei.
(Es ist zu beachten, daß die
RTP-Kopfteilkomprimierung zwischen den (hier durch MS 205 und
IP-End-Host 240 dargestellten) RTP-Partnern Außerband-Zeichengabenachrichten
austauschen kann, um die RTP-Kopfteilkomprimierung
einzuschalten. Da wiederum die GTP-Kopfteilkomprimierung und die
RTP-Kopfteilkomprimierung
voneinander unabhängig
sind, besteht keine Notwendigkeit zur Aushandlung von RTP-Kopfteilkomprimierung
(in welchem Fall die Pakete einen komprimierten GTP-Kopfteil und
eine nichtkomprimierte RTP-Nutzlast umfassen). Auf ähnliche
Weise besteht ungeachtet der Verwendung von RTP-Kopfteilkomprimierung
keine Notwendigkeit zur Aushandlung von GTP-Kopfteilkomprimierung.
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Zurückkehrend
zu 7 werden, sobald
der RTP-Kopfteilkomprimierungskontext
hergestellt ist, nachfolgende Pakete unter Verwendung von GTP-Kopfteilkomprimierung
und RTP-Kopfteilkomprimierung gesendet (7(C)) (wie bemerkt, vorausgesetzt, daß sowohl
GTP-Kopfteilkomprimierung als auch RTP-Kopfteilkomprimierung eingeschaltet
sind). Sollte RTP-Kontextneusynchronisierung
erforderlich sein, kann der empfangende RTP-Partner eine Nachricht "RTP context repair" (RTP-Kontextreparatur)
zum sendenden RTP-Partner
senden. Dies ist in 9(D) dargestellt,
wo der empfangende RTP-Partner durch IP-End-Host 240 und
der sendende RTP-Partner durch MS 205 dargestellt ist.
Der sendende RTP-Partner sendet dann ein oder mehrere RTP-Pakete
mit vollem Kopfteil (9(E))
gefolgt von komprimierten RTP-Paketen (9(F)).
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Auf ähnliche
Weise kann der empfangende GTP-Partner, wenn GTP-Pakete verlorengegangen
sind, eine Nachricht "GTP
context repair" (GTP-Kontextreparatur)
zum sendenden GTP-Partner senden. Dies ist in 10(G) dargestellt, wo der empfangende
GTP-Partner durch GGSN 225 und der sendende GTP-Partner durch
RNC 215 dargestellt ist. Der sendende GTP-Partner sendet
dann ein oder mehrere Pakete mit einem vollständigen GTP-Kopfteil (10(H))
gefolgt von Paketen mit komprimierten GTP-Kopfteilen (10(I)). (Es ist zu beachten,
daß in
diesem Beispiel die RTP-Kopfteilkomprimierungssynchronisation
nicht ausgefallen ist).
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Der
obenbeschriebene Kontextreparaturmechanismus für sowohl GTP-Kopfteilkomprimierung
als auch RTP-Kopfteilkomprimierung
wird jedesmal dann durchgeführt,
wenn Pakete fehlen. Es ist zu beachten, daß ein vordefinierter Zeitdauerschwellwert
eingestellt werden kann, nachdem eine explizite Kontextreparaturnachricht
zum Sender zur Neusynchronisierung gesendet wird.
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Jedesmal
wenn ein GTP-Partner den GTP-Kontext abbauen möchte, kann er eine (nicht gezeigte) Nachricht
GTP context tear down (GTP-Kontextabbau) senden. Auf ähnliche
Weise können
die RTP-Partner den RTP-Kontext mittels der Übertragung einer (nicht gezeigten) Nachricht
RTP context tear down (RTP-Kontextabbau) abbauen.
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RTP-Kopfteilkomprimierung
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Obwohl
sie nicht direkt auf einer UMTS-Umgebung anwendbar sind, gibt es
Vorschläge,
den 40-Byte-RTP/UDP/IP-Kopfteil
auf 4–5
Byte zu reduzieren (z.B. S. Casner und V. Jacobson, "Compressing IP/UDP/RTP
Headers for Low-Speed Serial Links" (Komprimieren von IP/UDP/RTP-Kopfteilen
für niederratige serielle
Verbindungen), IETF RFC2508, und L. Jonsson und M. Degermark und
H. Hannu und K. Svanbro "Robust
Checksumbased Header Compression" (Robuste
prüfsummenbasierende
Kopfteilkomprimierung) IETF-Internetentwurf, Oktober 1999). Während 11–13 IP-,
RTP- und UDP-Kopfteilformate
des Standes der Technik für
Bezugszwecke zeigen, werden deren Einzelheiten nicht hier beschrieben.
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Im
allgemeinen ändert
sich in bezug auf einen IP-Kopfteil
(bei angenommener Verwendung von IPv4, der heute benutzten IP-Version)
normalerweise nur die Gesamtlänge,
Paket-ID (Kennung) und Kopfteilprüfsummenfelder. Die Gesamtlänge ist
jedoch redundant, da die Länge
auch durch die Sicherungsschicht bereitgestellt wird. Die Paket-ID
erhöht
sich gewöhnlich
um 1 oder eine kleine Zahl für
jedes Paket. Wenn angenommen wurde, daß keine IP-Paketfragmentierung
stattgefunden hat, würde
dies ebenfalls nicht übermittelt
werden müssen.
Um jedoch eine verlustlose Komprimierung aufrechtzuerhalten, können Änderungen
der Paket-ID übertragen
werden.
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In
bezug auf einen UDP-Kopfteil ist das Längenfeld redundant, da das
IP-Gesamtlängenfeld
und die Länge
durch die Sicherungsschicht angezeigt werden. Das UDP-Prüfsummenfeld
wird konstant null sein, wenn sich die Quelle entscheidet, keine
UDP-Prüfsummen
zu erzeugen.
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Ansonsten
ist festgestellt worden, daß die
UDP-Prüfsumme intakt übermittelt
werden muß,
um die verlustlose Komprimierung zu wahren.
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In
bezug auf einen RTP-Kopfteil ist die Kennung der SSRC (Synchronization
source – Synchronisierungsquelle)
in einem gegebenen Kontext konstant, da sie ein Teil dessen ist,
was den bestimmten Kontext kennzeichnet. Bei den meisten Paketen ändert sich
nur die Folgenummer und der Zeitstempel von Paket zu Paket. Wenn
Pakete nicht verlorengehen oder stromaufwärts vom Komprimierer falsch
eingeordnet sind, erhöht
sich die Folgenummer um eins für
jedes Paket. Bei Audiopaketen mit konstanter Dauer erhöht sich
der Zeitstempel um die Anzahl von in jedem Paket übermittelten
Abtastperioden. Bei Video ändert
sich der Zeitstempel am ersten Paket jedes Rahmens, bleibt aber
danach konstant für
alle zusätzlichen
Pakete im Rahmen. Wenn jeder Videorahmen nur ein Paket belegt, aber
die Videorahmen mit konstanter Rate erzeugt werden, dann ist die Änderung
des Zeitstempels wiederum konstant von Rahmen zu Rahmen. Es ist
zu beachten, daß in
jedem dieser Fälle
die Differenz zweiter Ordnung der Folgenummer- und Zeitstempelfelder
null beträgt
und der nächste
Paketkopfteil daher durch Zufügen
der Differenzen erster Ordnung für
diese Felder, die im Sitzungskontext zusammen mit dem vorher unkomprimierten
Kopfteil gespeichert sind, aus dem vorhergehenden Paketkopfteil
aufgebaut werden kann. Wenn die Differenz zweiter Ordnung nicht
null ist, ist die Änderungsgröße gewöhnlich viel
geringer als die volle Anzahl von Bit im Feld, so daß die Größe durch
Codieren der neuen Differenz erster Ordnung und ihre Übertragung
anstelle des Absolutwertes reduziert werden kann.
-
Das
M-Bit ist im ersten Paket eines Sprachblocks und im letzten Paket
eines Videorahmens gesetzt. Wenn es als konstantes Feld behandelt
werden würde,
so daß jede Änderung
das Senden des vollen RTP-Kopfteils erforderte, würde dadurch
der Wirkungsgrad von Kopfteilkomprimierung bedeutend reduziert werden.
Wie weiter unten beschrieben, wird daher das M-Bit explizit von
einem komprimierten RTP-Kopfteil geführt.
-
Wenn
die Pakete durch einen RTP-Mischer fließen, am gewöhnlichsten für Audio,
dann ändert
sich auch die CSRC-Liste und CC-Zählung. Die CSRC-Liste bleibt
jedoch typischerweise für
einen Sprachblock oder länger
konstant, so daß sie
nur bei ihrer Änderung
gesendet werden muß.
-
In
der 14 wird ein beispielhaftes
Format für
einen komprimierten RTP-Kopfteil zur Verwendung als Teil des RTP-Kopfteilkomprimierungsprotokolls
dargestellt. Wie oben bemerkt wird angenommen, daß ein RTP-Partner
den komprimierten RTP-Kopfteil überträgt und eine
Sammlung von geteilten Informationen (z.B. in einem (nicht gezeigten)
Speicher in konsistentem Zustand zwischen Komprimierer und Dekomprimierer
gespeichert) unterhält.
Der komprimierte RTP-Kopfteil umfaßt folgende Felder:
- – einen
Context Update Code (ein Byte) (Kontextaktualisierungscode);
- – ein
M-Feld (ein Bit) für
das RTP-M-Bit;
- – ein
Time Clicks Field (sieben Bit) (Zeittaktefeld);
- – ein
UDP-Prüfsummenfeld
(zwei Byte);
- – eine
IP-Paket-ID (zwei Byte);
- – eine
CSRC-Liste (zwei Byte); und
- – eine
RTP-Kopfteilerweiterung (zwei Byte).
-
Der
Wert des Feldes Context Update Code zeigt an, welche Informationen
im komprimierten RTP-Kopfteil nach der Darstellung in 14 enthalten sind. Die Mindestlänge für den komprimierten RTP-Kopfteil
beträgt
zwei Byte. Die RTP-Zeitstempel werden durch eine Zeittaktezahl (ein
Byte) ersetzt. Wenn die UDP-Prüfsumme,
IPv4-Paket-ID, CSRC-Liste und RTP- Kopfteilerweiterung enthalten sein müssen, wird der
komprimierte RTP-Kopfteil länger
als in 14 gezeigt sein.
Meistens wird jedoch der komprimierte RTP-Kopfteil nur 2 Byte umfassen (das Kontextaktualisierungscodebyte
und das M+Zeittaktebyte).
-
In
bezug auf die in jedem RTP-Partner gespeicherten geteilten Informationen
gibt es einen getrennten Sitzungskontext für jeden IP/UDP/RTP-Paketstrom,
so wie er durch eine bestimmte Kombination der IP-Quellen- und Zieladressen,
UDP-Quellen- und Zielanschlüsse
und des (oben beschriebenen) RTP-SSRC-Feldes definiert ist. Die
Anzahl unterhaltener Sitzungskontexte kann zwischen dem Komprimierer
und Dekomprimierer ausgehandelt werden. Jeder RTP-Kontext kann auf
eine GTP-TID abgebildet werden (GTP Tunnelkennung) (die größte Zahl,
die ausgehandelt werden kann, beträgt 65536). Jeder RTP-Kopfteilkomprimierungskontext weist
seinen eigenen getrennten Folgenummerraum auf, so daß ein einziger
Paketverlust nur einen Kontext ungültig machen muß.
-
Die
geteilten Informationen in jedem RTP-Kopfteilkomprimierungskontext umfassen
folgende Posten:
- – die vollständigen IP-,
UDP- und RTP-Kopfteile möglicherweise
mit einer CSRC-Liste für
das letzte vom Komprimierer gesendete oder vom Dekomprimierer regenerierte
Paket, und
- – die
Differenz erster Ordnung für
das IPv4-ID-Feld,
initialisiert auf 1 jedesmal, wenn ein unkomprimierter IP-Kopfteil
für diesen
Kontext empfangen wird und aktualisiert, jedesmal, wenn ein verändertes IPv4-ID-Feld
in einem komprimierten Paket empfangen wird.
-
Wie
oben erwähnt
und in 14 dargestellt,
gibt es im komprimierten RTP-Kopfteil ein Zeittaktefeld, das das
RTP-Zeitstempelfeld eines RTP-Kopfteils (z.B. siehe 13) ersetzt. Das erfordert einen Mechanismus
zur Berechnung bzw. Wiedergewinnung des Zeitstempelwertes und der
Folgenummer in einem RTP-Empfangspartner aus dem Zeittaktefeldwert.
Dabei werden folgende Definitionen festgelegt:
sd: Abtastwertdauer
(in ms);
TSalt: Zeitstempelnummer für das vorhergehende
Paket;
TSneu: Zeitstempelnummer für das vorliegende
Paket;
WTalt: Wanduhranzeige für das vorhergehende
Paket (eine Wanduhr ist einfach ein Netzbezugstaktgeber);
WTneu: Wanduhranzeige für das vorliegende Paket;
TNalt: Zeittaktnummer des vorliegenden Pakets
im komprimierten Kopfteil;
TNneu: Zeittaktnummer
des vorliegenden Pakets im komprimierten Kopfteil;
SNalt: RTP-Folgenummer des vorhergehenden Pakets;
SNneu: RTP-Folgenummer des folgenden Pakets;
T:
Zeitdauer dargestellt mit n Bit (eine Zyklusperiode), in Einheiten
von Abtastwertdauer,
T = 2n Abtastwerte
(T = 2n (sd) Millisekunden (ms)); und
M:
der Wert von M Bit im komprimierten Kopfteil.
-
Die
folgenden Gleichungen werden zur Berechnung bzw. Regenerierung des
Zeitstempelwerts und der Folgenummer in einem RTP-Empfangspartner
aus dem Zeittaktefeldwert benutzt:
-
Während eines
Sprachblocks erhöht
sich der Zeittaktefeldwert um einen Abtastwert. Während einer Sprachpause
erhöht
sich das Zeittaktefeld um die Pausenzeit (ausgedrückt als
Anzahl von Abtastwerten).
-
Für das Zeitstempelfeld
besteht das Hauptproblem darin, was zu tun ist, wenn die 7-Bit-Zeittaktenummer
umläuft.
Wenn während
einer Sprachpause kein Paket vom Komprimierer gesendet wird, muß der Zeitablauf
für die
Sprachpause erkannt werden (wie viele Taktzyklen abgelaufen sind).
Beispielhafterweise wird dazu eine im Stand der Technik bekannte
Wanduhr (wie oben gezeigt, z.B. WTalt und
WTneu) benutzt. Diese getrennte Wanduhr
am Dekomprimierer (oder RTP-Empfangspartner) wird zum Zählen der
Zyklen benutzt. Diese Wanduhr läuft
mit Grobkörnigkeit,
z.B. dreht sich nur um 1 für
jede T/4-Periode,
wobei T die Zeitdauer eines unter Verwendung von 7 Bit dargestellten
Zyklus ist.
-
In
bezug auf das RTP-Folgenummernfeld sollte, wenn Folgesteuerung erforderlich
ist, ein komprimierter Kopfteil mit Folgenummer alle T/4-Abtastwerte
und zu Beginn jedes Sprachblocks eingefügt werden. Wenn nötig kann
eine Kontextreparaturnachricht gesendet werden, um einen vollständigen RTP-Kopfteil
anzufordern. Wenn der Zeittaktwert T/4 überschreitet und es verlorene
Pakete gibt, kann die RTP-Folgenummer nicht richtig aktualisiert
werden, bis der RTP-Empfänger
ein Paket mit Folgenummerinformation empfängt.
-
Eine
Darstellung der Funktionsweise dieses Aktualisierungsalgorithmus
zur Bereitstellung von Zeitstempel- und Folgenummerregenerierung
ist unten gezeigt. Es wird angenommen, daß 18 Pakete von z.B. MS 205 mit
aufeinanderfolgenden Folgenummern 1 bis 18 übertragen werden. Am RTP-Empfänger, z.B. IP-End-Host 240 wird
nur ein Paket 18 empfangen (d.h. Pakete 7 bis 17 sind
verlorengegangen).
-
Im
ersten Beispiel wird angenommen, daß der Wanduhrwert 3 beträgt (nämlich 3(T/4)),
wenn das Paket mit Folgenummer 6 empfangen wird, und daß TSalt = 110. Bei Empfang des Pakets 18 beträgt der Wanduhrwert
6. Der Zeittaktewert bei Empfang von Paketen 6 und 18 ist
110 bzw. 75. Unter Verwendung der obigen Gleichungen ergeben sich
folgende Berechnungen:
TSalt =
110;
δtick = (128 + 75 – 110)modT = 93
δwtick =
(6(T/4) – 3(T/4))modT
= 3(T/4) = 96;
δ'Zyklus = ⌊(6(T/4) – 3(T/4))/T⌋ =
0
δZyklus = 0 ; und
TSneu =
110 + 93 = 203.
-
Im
folgenden zweiten Beispiel wird angenommen, daß TSalt =
38, und daß der
Wanduhrwert für
das Paket 6 5 ist, während
der Wanduhrwert für
das Paket 18 9 ist. Der Zeittaktewert bei Empfang der Pakete 6 und 18 ist
83 bzw. 32:
TSalt = 38
δtick =
(128 + 32 – 38)modT
= 122;
δwtick = (9(T/4) – 5(T/4))modT = 0 ;
δZyklus = ⌊(9(T/4) – 5(T/4))/T⌋ =
1;
δZyklus = 0; und
TSneu =
38 + 122 = 160.
-
Im
nachfolgenden dritten Beispiel wird angenommen, daß TSalt = 57, daß der Wanduhrwert für Paket 6 6
ist, während
der Wanduhrwert für
Paket 18 9 ist. Der Zeittaktewert bei Empfang der Pakete 6 und 18 ist
57 bzw. 28.
TSalt = 57
δtick =
(128 + 28 – 57)modT
= 29;
δwtick = (9(T/4) – 6(T/4))modT = 3(T/4) = 96;
δ'Zyklus = ⌊(9(T/4) – 6(T/4))T⌋ =
0 ;
δZyklus = 1; und
TSneu =
57 + 122 = 214.
-
GTP-Kopfteilkomprimierung
-
15 zeigt ein beispielhaftes
Format eines komprimierten GTP-Kopfteils. Der komprimierte GTP-Kopfteil umfaßt ein Versionsfeld
(Vers, 3 Bit), ein Nutzlastart-Feld (PT, 1 Bit), ein Erweiterungsbitfeld
(E, 1 Bit), ein Folgenummerfeld (S, 1 Bit), ein Feld Tunnelkennung
(TID) vorhanden (T, 1 Bit), ein Feld SNDCP vorhanden (N, 1 Bit),
ein Nachrichtenart-Feld (Msg Type, 1 Byte), ein zwei-Byte-Längenfeld,
ein zwei- bis vier-Byte-Feld
Tunnelkennung (TID), ein zwei-Byte-Folgenummerfeld, ein vier-Bit-Erweiterungscodefeld,
ein vier-Bit-Erweiterungslängenfeld
und ein Erweiterungsinhaltsfeld.
-
In
bezug auf das TID-Feld wird das höchstwertige Bit zum Anzeigen
der Größe des TID-Feldes
benutzt. Wenn der Wert des höchstwertigen
Bits 0 ist, dann beträgt
die TID-Feldgröße 2 Byte.
Wenn der Wert dieses Bit 1 ist, dann beträgt die TID-Feldgröße 4 Byte.
Zusätzlich
liegt das TID-Feld nur dann vor, wenn der Wert des T-Bit-Feldes SET ist, d.h.
gleich einer binären
Eins. Das E-Bit-Feld
wird dazu benutzt, anzuzeigen, ob ein Erweiterungskopfteil vorliegt.
Jeder Erweiterungskopfteil umfaßt
ein 4-Bit-Feld Erweiterungskopfteilart (Ext. Type), ein 4-Bit-Feld
Erweiterungskopfteillänge
(Ext. Length) und ein Feld Erweiterungsinhalt (Ext. Content) (dessen
Größe durch den
Wert des Erweiterungskopfteillängenfeldes
angedeutet wird). Der Wert des Erweiterungskopfteillängenfeldes
wird als Mehrfache von 2 Byte ausgedrückt. Wenn beispielsweise eine UDP-Prüfsumme vorhanden
sein muß,
wird dafür
eine entsprechende Erweiterungskopfteilart definiert und die Erweiterungskopfteillänge beträgt 1 (was
bedeutet, daß die
Größe des Erweiterungsinhaltsfeldes
2 Byte ist, da eine UDP-Prüfsumme
2 Byte lang ist).
-
Da
das Erweiterungskopfteilartfeld 4 Bit breit ist, können 16
Erweiterungsarten definiert werden. Da das Erweiterungskopfteillängenfeld
4 Bit breit ist, weist das Erweiterungsinhaltfeld eine maximale
Größe von 32
Byte (d.h. 16 zwei-Byte-Mehrfache) auf. Es ist zu bemerken, daß, wenn
mehr Erweiterungsarten zugeteilt werden müssen, die Größe dieser
Felder eingestellt werden kann, z.B. auf eine Größe von je einem Byte.
-
Die
geteilten Informationen in jedem GTP-Kopfteilkomprimierungskontext (d.h.
bei jedem GTP-Partner gespeichert)
umfassen folgende Posten (diese Posten werden auf Grundlage der
im anfänglichen "vollständigen" GTP-Kopfteil empfangene
Werte initialisiert):
- – die vollständigen IP-
und UDP-Kopfteile (sollte eine UDP-Prüfsumme erforderlich sein, wird
sie einfach vom GTP-Empfangspartner auf Grundlage der empfangenen
UDP-Daten neu berechnet);
- – das
zwei-Byte-Flußettiket
und die LLC-Rahmennummer;
und
- - den TID-Wert.
-
Wie
oben bemerkt, unterstützt
das in 15 gezeigte GTP-Kopfteilkomprimierungsformat
entweder zwei oder vier Byte wahlweiser TID-Werte. (Wie oben bemerkt,
beträgt
eine TID der Freigabeversion 97 8 Byte. TID-Werte können jedoch in der Zukunft
neu definiert werden, um weniger Byte zu umfassen (daher die Möglichkeit,
entweder TID-Werte von zwei oder vier Byte im komprimierten GTP-Kopfteil
aufzuweisen). Das TID-Feld
im GTP-Kopfteilkomprimierungsformat der 15 wird wahlweise (über den Wert der T-Bit) zur
Aktualisierung von TID-Informationen benutzt.
-
Uns
kurz der 16 zuwendend
wird dort ein höheres
Blockschaltbild eines repräsentativen
Paketservers zur Verwendung gemäß den Grundsätzen der
Erfindung dargestellt. Der Paketserver 605 ist eine Speicherprogrammierbare
Prozessorarchitektur und enthält
den Prozessor 650, Speicher 660 (zum Speichern
von Programmanweisungen und Daten, z.B. zum Kommunizieren entsprechend
der obenerwähnten
GTP-Kopfteilkomprimierung usw.) und Kommunikationsschnittstelle(n) 665 zum
Ankoppeln an eine oder mehrere Paketkommunikationseinrichtungen,
so wie sie durch den Weg 666 dargestellt werden.
-
Das
obige stellt nur die Grundsätze
der Erfindung dar und man wird daher erkennen, daß der Fachmann
in der Lage sein wird, zahlreiche alternative Anordnungen auszuarbeiten,
die, obwohl sie nicht ausdrücklich
hier beschrieben sind, die Grundsätze der Erfindung verkörpern und
in ihrem Rahmen liegen. Beispielsweise ist das erfindungsgemäße Konzept,
obwohl es im Zusammenhang mit UMTS dargestellt ist, auf ein beliebiges
drahtloses System (z.B. UMTS, usw.) oder Anwendung anwendbar, die
die Verwendung eines Tunnelprotokolls erfordert.