-
Die
vorliegende Erfindung betrifft Kommunikationssysteme im Allgemeinen
und kann insbesondere für
Kommunikationssysteme angewendet werden, die eine Vielzahl von Übertragungsstrecken
aufweisen, wobei eine Übertragungsstrecke
im Hinblick auf den Datenfluss wesentlich langsamer ist als andere Übertragungsstrecken.
-
Um
den Datenfluss und seine Steuerung in herkömmlichen Systemen zu veranschaulichen, zeigt 1 eine
schematische Darstellung des Kommunikationssystems. Die Einheit 1,
welche als der Absender (von Informationen) bezeichnet werden kann,
stellt eine Quelle von zu übertragenden Daten
dar und kann zum Beispiel das Internet sein. Sie besitzt eine Draht-Übertragungsstrecke 2 mit
einer drahtlosen Basisstation 3. Diese drahtlose Basisstation
kommuniziert über
Funkstrecken 4 mit Einheiten A, B, C, bei denen es sich
in der Praxis um eine Anzahl von Mobiltelefonen handeln kann.
-
Bei
einem bekannten System mit einer herkömmlichen Betriebsweise sendet
die Einheit 1 ein Datenpaket unter Verwendung des standardmäßigen Transmission
Control Protocols (TCP, Übertragungssteuerungsprotokolls)
an die drahtlose Basisstation. Beim TCP-System sendet die drahtlose
Basisstation 3 eine Quittung an den Absender, mit der sie
bestätigt,
dass sie das Datenpaket empfangen hat, und der Absender (oder Server)
verdoppelt daraufhin die Datenübertragungsgeschwindigkeit
und sendet zwei Datenpakete. Nachdem er eine Quittung empfangen hat,
dass die Basisstation diese zwei Datenpakete empfangen hat, verdoppelt
er erneut die Datenübertragungsgeschwindigkeit
und sendet vier Datenpakete. Dieser Prozess setzt sich fort, bis
eine maximale Transfergeschwindigkeit erreicht ist. Die Funktion
der Basisstation besteht darin, die Daten zu Mobiltelefonen weiterzuleiten.
Da diese zweite Übertragungsstrecke
eine Funkstrecke ist, ist die Datenübertragungsgeschwindigkeit
wesentlich niedriger als die der ersten Übertragungsstrecke, d. h. sie
besitzt eine begrenzte Bandbreite. Da die drahtlose Basisstation über einen
begrenzten Pufferspeicherplatz verfügt und ankommende Daten bearbeiten
und quittieren muss sowie weitergeleitete Datenpakete steuern und absenden
muss, treten Fehler auf, wie etwa ein Verlust von Datenpaketen.
Bei Verwendung des TCP wird ein Verlust von Datenpaketen durch unterschiedliche
Mechanismen erkannt, wie etwa daran, dass für ein bestimmtes Datenpaket
nicht innerhalb einer vorgegebenen Zeit eine Quittung empfangen wird,
oder daran, dass die nummerierten Datenpakete nicht in der erforderlichen
Reihenfolge ankommen. In den letzteren Fällen sendet die Basisstation
zum Beispiel das Duplikat der Anforderung (oder eine wiederholte
Anforderung) für
das Datenpaket Nr. 3, falls nach dem Datenpaket Nr. 2 die Datenpakete
Nr. 4 und 5 usw. kommen sollten. Wenn der Server einen Verlust von
Datenpaketen erkennt, sendet er die verloren gegangenen Daten nochmals
und nimmt an, dass er die Daten zu schnell sendet. Infolgedessen halbiert
er daraufhin die Datenübertragungsgeschwindigkeit.
Erneute Verluste von Datenpaketen bewirken dann eine nochmalige
Halbierung der Datenübertragungsgeschwindigkeit
und haben schließlich
eine sukzessive Verlangsamung der Übertragung (Meltdown) zur Folge.
Infolgedessen kann der Server nichts anderes mehr tun, und die Geschwindigkeit
des Datenflusses wird stark verlangsamt, und es wird Zeit benötigt, um
die Datenübertragungsgeschwindigkeit
wieder allmählich
zu erhöhen.
-
Kurz
gesagt, implementiert TCP daher eine Reihe von Algorithmen unter
der allgemeinen Überschrift "Stauvermeidung" (Congestion Avoidance). Diese
sind dazu bestimmt, TCP "reaktionsfähig" auf Staus im Netz
zu machen und seine Sendegeschwindigkeit so zu steuern, dass ein
Verursachen eines "Stau-Kollapses" vermieden wird.
Dies ist im Internet eine sehr reale Gefahr, und daher sind die
Algorithmen wesentlich. Die wichtigen Aspekte der Stauvermeidung
sind folgende:
- – Slowstart (langsamer Start) – eine exponentielle Erhöhung der
TCP-Sendegeschwindigkeit.
Ein Slowstart wird durchgeführt:
bei jeder neuen Verbindung; nachdem eine Verbindung eine gewisse Zeit
inaktiv war; und nachdem ein Übertragungswiederholungs-Timeout
erfolgt ist.
- – Fast-retransmit/recovery
(schnelle Übertragungswiederholung/Wiederherstellung) – weggelassene
Datenpakete können
durch wiederholte Quittungen erkannt werden. Wenn dies geschieht, wird
die aktuelle Sendegeschwindigkeit effektiv halbiert und erhöht sich
danach linear.
-
Kurz
gesagt, sind die Umgebung des drahtlosen Zugangs und andere Kommunikationsszenarien
daher mit einer Reihe von Bedingungen verknüpft, welche die Erzielung einer
hohen Leistung von Übertragungen
unter Verwendung des TCP erschweren, wie begrenzte Bandbreite, variable
Bandbreite, lange Latenzzeiten sowie eventuell länger andauernde Unterbrechungen.
-
In
der folgenden Dokumentenliste sind Entwürfe von Protokollen aufgeführt, welche
dazu bestimmt sind, die Funktionsweise von Mobilfunksystemen, Internet
und anderen derartigen Systemen zu verbessern:
- • HAAS Z
J ET AL: "Mobile-TCP:
an asymmetric transport protocol design for mobile systems" (Mobile-TCP: ein
Entwurf eines asymmetrischen Transportprotokolls für Mobilfunksysteme),
COMMUNICATIONS, 1997. ICC '97
MONTREAL, TOWARDS THE KNOWLEDGE MILLENIUM. 1997 IEEE INTERNATIONAL
CONFERENCE ON MONTREAL, QUE., CANADA 8.–12. JUNI 1997, NEW YORK, NY,
USA, IEEE, US, 8. JUNI 1997 (1997-06-08), Seiten 1054–1058. XP010227263 ISBN:
0-07803-3925-8
- • KUANG-YEH
WANG ET AL: "Mobile-end
transport protocol: an alternative to TCP/IP over wireless links" (Mobile-end Transportprotokoll:
eine Alternative zu TCP/IP über
drahtlose Übertragungsstrecken),
INFOCOM '98. SEVENTEENTH ANNUAL
JOINT CONFERENCE OF THE IEEE COMPUTER AND COMMUNICATIONS SOCIETIES.
PROCEEDINGS. IEEE SAN FRANCISCO, CA, USA 29. MÄRZ – 2. APRIL 1998, NEW YORK,
NY, USA, IEEE, US, 29. März
1998 (1998-03-29), Seiten 1046–1053,
XCP010270379 ISBM: 0-7803-4383-2
- • BALAKRISHNAN
H ET AL: "IMPROVING TCP/IP
PERFORMANCE OVER WIRELESS NETWORKS" (VERBESSERUNG DER LEISTUNG VON TCP/IP
IN DRAHTLOSEN NETZEN), MOBICOM, PROCEEDINGS OF THE ANNUAL INTERNATIONAL
CONFERENCE ON MOBILE COMPUTING AND NETWORKING, XX, XX, November
1995 (1995-11), Seite ERGÄNZEN XP002920962
- • AJAY
BAKRE ET AL: "I-TCP:
INDIRECT TCP FOR MOBILE HOSTS" (I-TCP:
INDIREKTES TCP FÜR
MOBILE HOSTS), PROCEEDINGS OF THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON DISTRIBUTED
COMPUTING SYSTEMS. VANCOUVER, 30. MAI – 2. JUNI 1995, LOS ALAMITOS, IEEE
COMP. SOC. PRESS, US, Bd. CONF. 15, 30. Mai 1995 (1995-05-30), Seiten
136–143, XP000530804
ISBM: 0-7803-2963-5
- • YAVATKAR
R ET AL: "IMPROVING END-TO-END
PERFORMANCE OF TCP OVER MOBILE INTERNETWORKS" (VERBESSERUNG DER ENDE-ENDE-LEISTUNG
VON TCP IN MOBILFUNK-VERBINDUNGSNETZEN), PROCEEDINGS, WORKSHOP ON
MOBILE COMPUTING SYSTEMS AND APPLICATIONS, IEEE COMPUTER SOCIETY
PRESS, LOS ALAMITOS, CAR, US, 8. Dezember 1994 (1994-12-08), Seiten
146–152,
XP0002062284
- • Internationales
Patent WO 00 151372 A (3COM CORP) 31. August 2000 (2000-08-31)
-
Eine
Aufgabe der Erfindung ist es, Paketverlust-Ereignisse zu begrenzen
und zu verhindern und den Datenfluss so zu verwalten, dass Übertragungsquellen
auf eine ausgewogene Art und Weise optimal genutzt werden und die
Möglichkeit
eines Überlauf der
verfügbaren
Puffer-Ressourcen verringert wird und somit die Gesamteffizienz
des Systems erhöht wird.
-
Die
Erfindung besteht in einem Verfahren und einem System nach Anspruch
1 und 6.
-
Indem
der Enhancer (Verbesserungseinheit) Daten gleichmäßiger und
besser steuerbar sendet, sowie mit einer Geschwindigkeit, bei der
die auf der Downstream-Seite (netzabwärts) befindlichen Einheiten
arbeiten können,
kann der Verlust von Datenpaketen auf ein Minimum begrenzt oder
vermieden werden. Außerdem
kann der Enhancer auf optimale Weise von schnellen Übertragungsstrecken
Gebrauch machen, wie es gewöhnlich
die Übertragungsstrecke
zwischen Absender und Enhancer sein würde. Der Enhancer kann schnell
Quittungen an den Absender senden, dass er Daten empfangen oder
nicht empfangen hat, ohne dass der Absender darauf warten muss,
dass auf der Downstream-Seite befindliche
Einheiten (mit langsameren Übertragungsstrecken)
Quittungen zurücksenden.
Bei Systemen, die den bisherigen Stand der Technik verkörpern, hat
der Absender möglicherweise
viele Datenpakete während
der Zeit ausgesendet, nach welcher Überlast und Datenverlust aufgetreten
sind, was eine Zeitverschwendung wäre.
-
Durch
diese Maßnahme
werden Flusssteuerung und Stau-Management nicht mehr durchgehend von
Ende zu Ende durchgeführt,
wie es beim gewöhnlichen
TCP geschehen würde.
Dies ist wichtig, weil die drahtlose Übertragungsstrecke charakteristische
Eigenschaften aufweist, die sich sehr von denen der anderen, terrestrischen
Abschnitte unterscheiden, welche die Pakete benutzen werden. Indem
er die Verbindung aufspaltet, anstatt einfach als Router zu wirken,
kann der Enhancer den Zugriff auf die drahtlose Ressource steuern,
ohne Pakete weglassen zu müssen.
Dies ist ein wesentlicher Vorteil gegenüber einem einen Engpass darstellenden
Router, welcher, wenn er mit Daten "überschwemmt" wird, Pakete aussondern
müsste.
-
Ein
wichtiger Punkt, der für
die Verwendung asymmetrischer Enhancer gemäß der Erfindung spricht, besteht
darin, dass, sobald ein Paket die Schnittstelle mit der drahtlosen Übertragungsstrecke erreicht
hat, die Daten über
eine Punkt-zu-Punkt-Übertragungsstrecke
zur Mobilstation übertragen
werden. Diese Übertragungsstrecke wird
nicht gemeinsam genutzt, und auf ihr kann kein Stau auftreten. Es
ist außerdem
wichtig anzumerken, dass das mit dem Mobiltelefon verknüpfte Netz
ein "Stichleitungs"-Netz ist. Das heißt, es existieren
keine darüber
hinausreichenden Netze, in denen ein Routing hierüber erfolgt.
Aufgrund dieser Punkte dürfte
ersichtlich sein, dass keine Stau-Steuerungsmechanismen erforderlich
sind, nachdem die drahtlose Übertragungsstrecke
erreicht worden ist. Dies ist die Art und Weise, wie die Verbesserung
erzielt wird. Die Verbindung wird am Enhancer aufgespalten. Ein TCP-Fluss,
welcher zurück
in das Internet regeneriert wird, bleibt ein standardmäßiger, reaktionsfähiger TCP-Fluss.
Bei einem TCP-Fluss, welcher zu einem Mobiltelefon hin regeneriert
wird, ist jedoch der Stauvermeidungsmechanismus entfernt. Auf diese Weise
ist das vom Enhancer verwendete Protokoll vollständig mit dem Host kompatibel,
der mit der Mobilstation verknüpft
ist – sämtliche
Datagramme entsprechen vollkommen dem Standard TCP/IP. Die Leistung
wird verbessert, weil Stauvermeidung nicht auf einer Übertragungsstrecke
ausgeführt
wird, für die
sie unangebracht ist.
-
Die
Luftschnittstelle, die für
die Kommunikation mit den Mobilstationen verwendet wird, besitzt eine
feste maximale Kapazität.
Die Ist-Geschwindigkeit, mit welcher Benutzerdaten über die Übertragungsstrecke übertragen
werden können,
hängt jedoch
von der Fehlerrate der Übertragungsstrecke und
der Aufteilung zwischen Aufwärtsstrecke
und Abwärtsstrecke
ab.
-
Da
die Verbindung am Enhancer aufgespalten wird, ist es möglich, nicht
nur die Stauvermeidung anzupassen, sondern auch die Rückübertragungsstrategie
zwischen dem Enhancer und einem mobilen Host. Auch in diesem Falle
unterscheiden sich die charakteristischen Eigenschaften der Übertragungsstrecke
genügend
stark von denen einer drahtgebundenen Internet-Verbindung, so dass
dies eine nützliche
Maßnahme
darstellt.
-
Die
Erfindung wird im Folgenden anhand eines Beispiels und unter Bezugnahme
auf die beigefügten
Abbildungen beschrieben, wobei:
-
1 eine
einfache schematische Darstellung eines Systems nach dem bisherigen
Stand der Technik zeigt;
-
2 eine
sehr einfache Ausführung
der Erfindung in Anwendung auf das System von 1 zeigt,
welche einen Enhancer umfasst;
-
3 eine
Ausführung
des Systems zeigt, bei welcher die Zunahme der zu Einheiten auf
der Downstream-Seite übertragenen
Daten von dem Enhancer überwacht
wird.
-
4 zeigt
die physikalische Darstellung einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung, bei welcher eine Übertragungsstrecke
mit drei Verbindungen vorhanden ist.
-
5 zeigt
eine weitere Ausführungsform der
Erfindung, bei welcher die Menge der nicht quittierten netzabwärts gesendeten
Daten überwacht werden
kann.
-
6 zeigt
eine Ausführungsform
der Erfindung, welche ein Beispiel für die Software-Architektur
des Enhancers darstellt.
-
2 zeigt
eine einfache Ausführung
der Erfindung, die im Wesentlichen dieselben Merkmale wie in 1 umfasst,
wobei jedoch zusätzlich
ein Enhancer 6 eingefügt
ist, der zwischen dem Internet-Server und der drahtlosen Basisstation
angeordnet ist. Der Enhancer teilt oder trennt praktisch das Kommunikationssystem
in zwei Hälften
und bewirkt, dass Probleme, die auf einer Seite des Enhancers auftreten,
sich nicht auf die Funktionsweise auf der anderen Seite auswirken.
Die Aufspaltung der Verbindung ist der Hauptmechanismus, um eine
Verbesserung der Leistungsfähigkeit
des TCP möglich
zu machen. Anstatt zu ermöglichen,
dass die TCP-Verbindung
wie gewöhnlich
durchgehend von Ende zu Ende besteht, wird die Verbindung in Abschnitte
aufgeteilt. Der Enhancer beendet eine TCP-Verbindung an einer Schnittstelle
und erzeugt sie an einer anderen neu (regeneriert sie). Die Verbindungsaufspaltung
erfolgt mittels einer Methode, die in der Technik als "Spoofing" (Vortäuschung)
bezeichnet wird, wobei der Enhancer eine Quittung an den Absender "fälscht", mit der er sagt "Ich bin die drahtlose Basisstation", so dass, soweit
es den Absender betrifft, die Verbindung am Enhancer beendet ist.
Der Enhancer wirkt mit den dahinter (netzabwärts) angeordneten Systemen
und Einheiten auf eine solche Weise zusammen, dass er an sie Daten
auf eine geregeltere, aggressivere und somit effizientere Art und
Weise sendet, auf eine adaptive Weise unter Nutzung von Kenntnissen
darüber,
wie die netzabwärts
angeordneten Systeme funktionieren. Anders ausgedrückt, der
Enhancer verschafft sich ein Maß dafür, wie gut die
netzabwärts
angeordneten Einheiten arbeiten bzw. wie "verstopft" die netzabwärts angeordneten Systeme sind;
und er sendet Daten regulierbar und so, dass er den netzabwärts angeordneten
Einheiten nicht mehr liefert, als sie verkraften können, und
so, dass kein Verlust von Datenpaketen auftritt.
-
Ein
Weg, wie dies implementiert werden kann, besteht darin, dass der
Enhancer für
die Kommunikation mit den netzabwärts angeordneten Einheiten
ein modifiziertes TCP verwendet, welches mit den Übertragungsstrecken
kompatibel ist, gleichzeitig jedoch adaptiv arbeitet. Der Begriff "adaptiv" bedeutet hierbei,
dass sich das TCP so anpassen lässt, dass
dessen Funktionsweise von der Art der Übertragungsstrecke und der
Einheiten, d. h. von den netzabwärts
angeordneten Systemen und deren Funktionsweise, abhängt.
-
Es
gibt viele Wege, wie sich der Enhancer ein Maß dafür verschaffen kann, wie die
netzabwärts angeordneten
Einheiten zurzeit arbeiten. Im Allgemeinen kann der Enhancer nicht
nur Kenntnisse über den
Typ der netzabwärts
von ihm angeordneten Übertragungsstrecken
und Systeme verwenden, wie etwa darüber, ob es sich um Mobiltelefon-Übertragungsstrecken handelt,
sondern er kann sich auch auf verschiedene Weise Rückmeldungen
verschaffen, um Informationen darüber zu erhalten, wie diese netzabwärts angeordneten
Systeme funktionieren, und um die Datenübertragungsgeschwindigkeit
zu diesen Systemen dementsprechend zu steuern.
-
Die
effektive Aufspaltung des Systems durch den Enhancer bedeutet außerdem,
dass er, da er vortäuscht,
die netzabwärts
angeordneten Systeme zu sein, mit dem Server kommunizieren kann,
um an diesen eine frühzeitige
Rückmeldung
von Quittungen zu senden, da er nicht darauf warten muss, dass Quittungen
von den weiter netzabwärts
angeordneten Systemen kommen, was aufgrund der Entfernung des Netzes
und der Langsamkeit der netzabwärts
befindlichen Übertragungsstrecken
gewöhnlich länger dauert.
Dank der schnellen Übertragungsstrecke
zwischen dem Enhancer und dem Server können eventuell verloren gegangene
Pakete somit schnell bestätigt
und nochmals übertragen
werden. Eine solche schnelle Kommunikation, bei der man nicht auf eine
Quittung von der Downstream-Seite angewiesen ist, hat eine bessere
Ausnutzung und höhere
Effizienz dieser Übertragungsstrecke
zur Folge und ermöglicht
folglich hohe Datenübertragungsgeschwindigkeiten
vom Server zum Enhancer.
-
Der
Enhancer muss einen Puffer enthalten; dieser muss jedoch nicht so
groß sein,
wie man zunächst
annehmen könnte,
da der Enhancer, wie bereits erwähnt,
die Datenübertragungsgeschwindigkeit
weiter gesendeter Datenpakete durch intelligente, effiziente Steuerung
derselben wie oben beschrieben erhöhen kann.
-
Im
Folgenden werden Beispiele angegeben, wie der Enhancer an die jeweilige
Betriebsart der auf der Downstream-Seite angeordneten Systeme angepasst
werden kann.
-
Beispiel 1. Messung der
Umlaufzeit
-
3 zeigt
eine schematische Zeichnung eines Kommunikationssystems zur Veranschaulichung
dieser Ausführungsform.
Auch in diesem Falle ist die Abbildung den vorhergehenden Abbildungen ähnlich,
zeigt jedoch zusätzlich
den Puffer einer drahtlosen Basisstation. Die Funkstrecke zur Station würde eine
feste Kapazität
haben, d. h. es würde
eine feste Pufferkapazität
von beispielsweise 64 KByte vorliegen. Die Funkstation übermittelt
Daten über eine
Funkstrecke an einen oder mehrere Hosts, z. B. an Mobiltelefone.
Die Daten, welche in der Form von Datenpaketen 7 zum mobilen
Host gesendet werden, bewirken, dass eine Quittung 8 zurück zum Enhancer gesendet
wird. Diese Quittungen werden entweder umgehend beim Empfang eines
Pakets gesendet, oder unter gewissen Umständen nach einer kurzen Verzögerung (normalerweise
in der Größenordnung von
200 ms). Falls die Geschwindigkeit, mit der die Pakete an den Host
gesendet werden, kleiner als die verfügbare Bandbreite bleibt, wird
sich niemals mehr als 1 Datenpaket im Puffer befinden, und die Umlaufzeit
ist dann relativ gleich bleibend. Die Umlaufzeit ist als die Zeit
zwischen dem Absenden eines Datenpakets und dem Empfang einer Quittung
definiert. Wenn sich die Geschwindigkeit des Sendens über die
verfügbare
Bandbreite hinaus erhöht,
beginnt sich der Puffer zu füllen,
was schließlich
zu einem Pufferüberlauf
führen
könnte.
Der Puffer entleert sich außerdem
mit der Geschwindigkeit, die durch die verfügbare Bandbreite bestimmt wird.
Dies bewirkt, dass sich die Umlaufzeit zu erhöhen scheint. Dies setzt sich
ständig
fort, bis die Sendegeschwindigkeit zu hoch ist und der Puffer sich
füllt und
es zu einem Verlust von Datenpaketen kommt.
-
Der
Enhancer verwendet die Messung der Umlaufzeit (unter der Annahme,
dass der Puffer eine angemessene Größe hat) für Rückschlüsse darauf, in welchem Grade
die Übertragungsstrecke überlastet
ist, und um die Datenübertragungsgeschwindigkeit
entsprechend zu verlangsamen. Somit kann der Enhancer die Übertragungsgeschwindigkeit
bei einer Erhöhung
der Umlaufzeit dynamisch anpassen.
-
Beispiel 2. Gesamtüberwachung
-
Bei
vielen Protokollen wie etwa TCP wird ein "Gleitfenster" als wirksames Mittel zur Flusssteuerung
verwendet. Das Fenster ist die maximale Datenmenge, welche ein Sender
ausgeben kann, ohne eine Quittung zu empfangen, was eine nützliche
Methode darstellt, um die Fähigkeit
eines Systems einzuschränken,
ein auf der Downstream-Seite befindliches Netz zu "überfluten". Somit kann man, wenn man die Größe der Datenpakete,
die Größe des Puffers
auf der Downstream-Seite
und die Anzahl der nicht quittierten Pakete kennt, eine entsprechende Verlangsamung
vornehmen, um sicherzustellen, dass kein Pufferüberlauf eintritt. Es ist wichtig,
dass das Fenster genügend
groß ist,
um das Maximum zu unterstützen.
Normalerweise wird das Fenster entsprechend dem Produkt von Verzögerung und
Bandbreite der Übertragungsstrecke
bemessen.
-
Ein
hierbei auftretendes Problem besteht darin, dass diese Bemessung
der Größe für jede Übertragungsstrecke
durchgeführt
wird, wobei eine Übertragungsstrecke
jeweils zwischen zwei Einheiten definiert ist. Falls mehrere gleichzeitige
Verbindungen auf einer Übertragungsstrecke
vorhanden sind, hat dies zur Folge, dass die effektive Fenstergröße vervielfacht
wird, was sich als ein Problem im Hinblick auf die Steuerung der
Pufferverwendung erweisen kann und zu Arbitrierungs- und Synchronisationseffekten
von Bursty Networks (Netzen mit ruckartigem Verkehr) führen kann.
-
Bei
einer Ausführungsform
der Erfindung wird dieses Problem durch die Verwendung eines kombinierten
Fensters überwunden,
wobei jede Verbindung wie üblich
ihr eigenes Fenster verwendet, jedoch ein Gesamtfenster für alle Verbindungen
angewendet wird. Dies ist in
-
4 dargestellt.
Zwischen dem Enhancer und dem Ziel sind mehrere Verbindungen in
Betrieb, im Beispiel drei Verbindungen, welche gleichzeitig betrieben
werden. Falls jede Verbindung zum Beispiel eine Fenstergröße von 10
KB ermöglicht,
jedoch der Puffer am Endziel nur 20 KB hat, tritt dann ein Überlauf
des Puffers ein. Um einen solchen Datenverlust zu vermeiden und
somit das wiederholte Senden auf ein Minimum zu begrenzen, ist die
Steuerung des Enhancers so beschaffen, dass er nur dann Daten auf
einer bestimmten Verbindung einer Übertragungsstrecke ausgeben
kann, wenn das Fenster der betreffenden Verbindung nicht voll ist UND
das Gesamtfenster nicht voll ist. Anders ausgedrückt, der Enhancer summiert
die Anzahlen der nicht quittierten Datenpakete für die einzelnen Verbindungen
auf und stellt sicher, dass, falls die Summe oder Gesamtmenge größer als
ein vorgegebener Wert ist, keine weiteren Daten an die Einheit gesendet
werden.
-
Beispiel 3. Überwachung
der Summengeschwindigkeit
-
Im
Folgenden wird noch eine weitere Möglichkeit beschrieben, wie
der Enhancer quantitative Messwerte für den netzabwärts gerichteten
Datenfluss erhalten kann. Oft ist auf einem Übermittlungsabschnitt, zum
Beispiel zu einer Basisstation, der Datenfluss von einem Server
von einem gemischten Typ; es können
Datenpakete unterschiedlicher Art vorhanden sein. Beispielsweise
sind manche Datenpakete, wie etwa Audio- oder Video-Datenpakete, nicht
quittierte Datenpakete (Unacknowledged Data Packets, UDP), das heißt, wenn
sie von einer Einheit empfangen wurden, wird keine Quittung an den
Absender gesendet. In diesen Fällen
hat es, wenn UDP verloren gehen, keinen Sinn, sie nochmals zu senden,
da diese Datenpakete gleichmäßig, d.
h. in einer bestimmten Reihenfolge gesendet werden müssen. Der
Verlust eines Datenpakets ist nicht so kritisch und verursacht lediglich
einen kurzzeitigen Aussetzer in einem Video- oder Audiosignal.
-
Bei
einer solchen gemischten Datenübertragung
tritt ein Problem auf, welches darin besteht, dass der Enhancer
keine Informationen empfängt, die
den Fortschritt der Übertragung
der UDPs betreffen, da die UDPs nicht quittiert werden und dem Enhancer
somit nicht bekannt ist, ob sie angekommen oder verloren gegangen
sind. Die Erfinder haben eine innovative Methode bereitgestellt,
wie es dem Enhancer ermöglicht
werden kann zu bestimmen, wie es den UDPs ergeht, indem die Tatsache
ausgenutzt wird, dass alle Datenpakete, sowohl die quittierten als
auch die nicht quittierten, in einer Folge abgesendet werden, in
der sie unmittelbar aneinander angrenzen. Indem die nicht quittierten
Pakete an quittierte Pakete "angehängt" werden, ist es möglich zu bestimmen,
ob die UDPs angekommen sind. Dies ist in 5 dargestellt.
Diese zeigt einen Datenfluss zwischen dem Enhancer und einer netzabwärts angeordneten
Einheit. Der Datenstrom umfasst Pakete, die gemäß dem TCP-Protokoll zu quittieren
sind (mit TCP bezeichnet), sowie nicht quittierte Pakete (mit UDP
bezeichnet). Wenn ein Datenpaket TCP1 ohne Fehler verarbeitet und
gespeichert oder weitergesendet worden ist, wird eine Quittung Ac1
gesendet. Wenn ein Datenpaket UDP1 eintrifft, wird, selbst wenn
es ohne Fehler gespeichert oder weitergesendet worden ist, keine
Quittung gesendet. Wenn jedoch das Datenpaket TCP2 ohne Fehler korrekt
gespeichert oder weitergesendet worden ist, verwendet der Enhancer
dies, um anzunehmen, dass das Paket UDP1 korrekt und ohne Fehler
gespeichert worden ist. Somit liefert dies dem Enhancer Informationen über die
noch nicht eingetroffenen Daten, darüber, wie viel Pufferplatz belegt
worden ist und welche Datenübertragungsgeschwindigkeit
vorliegt, und kann somit in Verbindung mit jeder beliebigen der
obigen Methoden verwendet werden.
-
Software-Architektur
-
6 zeigt
in schematischer Darstellung ein Beispiel für die Software-Architektur
einer Ausführungsform
des Enhancers. Die Übertragungsstrecke
zu "Host B [Mobilseite]" verläuft nicht
direkt zum Mobiltelefon. Diese Übertragungsstrecke
transportiert die Pakete zum drahtlosen Zugangspunkt oder Steuergerät (im Weiteren
als das "SG" bezeichnet).
-
Zwei
TCP-Stapel, die mittels des Spoofers verbunden sind, befinden sich über einem
einzelnen IP-Stapel, welcher seinerseits über der Ethernet-Schicht angeordnet
ist. Der Begrenzungsmodul schätzt
den Füllzustand
der SG-Puffer und schaltet den Datentransfer aus, vom äußeren zum
inneren TCP-Stapel, wenn der Puffer als zu voll eingeschätzt wird.
Außerdem
ist ein Weighted Fair Queuing Modul (WFQ-Modul, Modul für gewichtete
faire Warteschlangenbildung) vorhanden, welcher die maximale Gesamt-Datenübertragungsgeschwindigkeit
vom äußeren zum
inneren Stapel steuert.
-
Das
SG weist mehrere Puffer auf (pro Mobiltelefon einen). Wenn Daten
mit einer zu hohen Geschwindigkeit zum SG gesendet werden, könnten diese
Puffer überlaufen
und einen Verlust von Datenpaketen verursachen. Diese Pakete müssten dann erneut
gesendet werden, was die Leistung des verbesserten TCP ernsthaft
beeinträchtigen
würde.
Der Enhancer verfügt über keine
direkte Möglichkeit
zur Abfrage des SG, um festzustellen, wie voll diese Puffer sind.
Deshalb wurde ein Begrenzungsmodul entworfen, das den Füllzustand
dieser Warteschlangen schätzt
und, falls erforderlich, dem Spoofer mitteilt, dass er keine Daten
mehr übertragen
soll, bis die Puffer entleert worden sind. Das Grundprinzip besteht
darin, die minimale und die mittlere RTT (Round Trip Time, Umlaufzeit)
für jede
Klasse (Puffer) zu verfolgen. Dies ist die Zeit, die vergeht, bis
eine Quittung eines Pakets, das vom inneren TCP-Stapel ausgesendet
wurde, wieder beim inneren Stapel eintrifft. Die minimale RTT wird
als Kennwert für
die einer Übertragungsstrecke
innewohnenden Latenzzeit verwendet. Große RTT, von denen angenommen
wird, dass sie auf nochmalige Übertragungen
zurückzuführen sind,
werden ignoriert. Wenn die mittlere RTT größer wird als ein gewisses Vielfaches
der minimalen RTT, wird angenommen, dass sich der Puffer füllt (Pakete
müssen
im Puffer in eine Warteschlange eingereiht werden, bevor sie verarbeitet
werden, demzufolge erhöht
sich die RTT). In diesem Falle wird dem Spoofer untersagt, weitere
Pakete für
diese Klasse zu senden, bis ein Timeout erfolgt (dies ist eine Absicherung,
und das sollte nicht eintreten).
-
Die Begrenzerklasse
-
Der
Begrenzer einschätzt,
dass sich der Puffer ausreichend geleert hat, so dass die Datenübertragung
wieder beginnen kann. Um am besten zu beschreiben, wie der Begrenzungsmodul
funktioniert, ist es erforderlich, die zentrale Datenstruktur des
Moduls zu beschreiben – die
Begrenzerklasse. Pro Puffer wird im SG eine Begrenzerklasse verwaltet;
sie weist die folgenden Elemente auf: Einen Merker, welcher angibt,
ob sich die Klasse im aktiven Zustand oder im Ruhezustand befindet.
Der Spoofer darf keine Daten für
eine Klasse senden, welche sich im Ruhezustand befindet.
-
Eine
Paketschleife. Diese Schleife enthält mehrere Datenpakete für die Klasse
(den Konfigurationsparameter loop_length). Bei diesen Paketen handelt
es sich nicht um die vollständigen
Pakete, die gesendet werden, sondern sie enthalten lediglich die notwendigen
Informationen zur Identifizierung des TCP-Abschnitts, d. h. die
Quell- und Ziel-IP-Adresse und Anschlussnummer (Port-Nummer) sowie
die Laufnummer. Die Zeit zwischen Registrierungen von Paketen in
dieser Schleife ist durch die Konfigurationsvariable "Time between logs" (Zeit zwischen Registrierungen)
definiert. Diese Paketschleife hat zwei Hauptzwecke: die Umlaufzeiten
RTT zu verfolgen und mit ihrer Hilfe zu bestimmen, wann eine Klasse in
den Ruhezustand versetzt werden soll; und zu bestimmen, wann eine
im Ruhezustand befindliche Klasse aktiviert werden soll. Die Pakete
werden entsprechend dem in Millisekunden angegebenen Zeitintervall
der Registrierung ständig
registriert. Der innere TCP-Stapel übermittelt die relevanten detaillierten
Angaben an den Begrenzer, bevor er das Paket ausgibt. Pakete werden
erst aus der Paketschleife gelöscht,
wenn eine Quittung ACK am inneren TCP-Stapel empfangen worden ist.
Zu diesem Zeitpunkt kann dann eine Umlaufzeit RTT für das registrierte
Paket berechnet werden.
-
Den
Zeitpunkt, zu dem die Paketschleife zuletzt aktualisiert wurde.
Dieser wird registriert, um zu überwachen,
wann ein anderes Paket in der Paketschleife registriert werden sollte.
-
Eine
Marke für
den Anfangsblock und das Ende der Schleife. Dies sind zyklische
Werte modulo Schleifenlänge.
Der Paket-Kopf stellt die Position für die Protokollierung des nächsten Pakets
dar, während
das Paket-Ende das älteste
registrierte Paket repräsentiert.
Das Vorliegen eines zyklischen Puffers stellt sicher, dass zu jedem
beliebigen Zeitpunkt ein Maximum an sinntragenden Paketen entsprechend der
Schleifenlänge
gespeichert werden kann.
-
Den
Zeitpunkt, zu dem eine Klasse in den Ruhezustand versetzt wurde
(trifft nur zu, wenn der Aktivierungsmerker auf FALSE gesetzt ist).
Wenn die Klasse in den Ruhezustand versetzt wird, wird der Zeitpunkt
registriert, so dass sie, wenn sie nicht aktiviert ist, durch ein
ACK eines Pakets in der Paketschleife innerhalb eines vorgegebenen
Zeitintervalls aktiviert werden kann.
-
Den
Mittelwert und die Varianz der RTT. Die minimale RTT und der "Zählwert" der RTT werden ebenfalls gespeichert.
Wenn der Mittelwert der RTT größer wird
als ein gewisses Vielfaches der minimalen RTT, so wird die Klasse
in den Ruhezustand versetzt. Der RTT-"Zählwert" wird zu Beginn schrittweise bis
auf einen maximalen Wert erhöht
und als ein Gewichtsfaktor bei der Berechnung der neuen mittleren RTT
aus dem alten Wert verwendet, d. h.
wobei ⟨R⟩
new die neue mittlere RTT ist, ⟨R⟩
old die alte mittlere RTT ist, R
new die
neu übermittelte
RTT ist und R
c der RTT-"Zählwert" ist. Diese "schrittweise Erhöhung" des RTT-"Zählwerts" stellt sicher, dass zu einem frühen Zeitpunkt
auftretende Werte der RTT (d. h. wenn der Begrenzer erstmals gestartet
wird) mit einem größeren Gewicht
in den Mittelwert eingehen als spätere. Zu beachten ist, dass,
wie bei allen Berechnungen von gleitenden Mittelwerten, die Summe
der Gewichtsfaktoren (in runden Klammern) eins beträgt. Die
Varianz der RTT wird verwendet, um zu schätzen, wann eine RTT eine nochmalige Übertragung erfordert.
Diese werden ignoriert.
-
Einen
Merker, welcher angibt, ob RTTs ignoriert werden sollten oder nicht.
Es sei daran erinnert, dass RTTs verwendet werden, um zu schätzen, wann eine
Klasse in den Ruhezustand versetzt werden sollte. Wenn eine Klasse
in den Ruhezustand versetzt wird, werden RTTs, die zu Paketen gehören, welche
ab diesem Zeitpunkt bis zu dem Zeitpunkt registriert werden, zu
dem die Klasse wieder aktiviert wird, ignoriert. Wenn die Klasse
in den Ruhezustand versetzt wird, wird der Merker "RTTs ignorieren" auf TRUE gesetzt,
und die Variable "Ignorieren
bis Paket" wird
auf die Position gesetzt, an welcher das erste Paket, nachdem die
Klasse wieder aktiviert worden ist, registriert werden soll. Alle
Pakete, die in der Paketschleife vor diesem kommen, werden (für die Zwecke
der Berechnung von RTTs) ignoriert. Sobald das Paket, das durch "Ignorieren bis Paket" angegeben wird,
quittiert worden ist, wird der Merker "RTTs ignorieren" auf FALSE gesetzt. Durch diese Methode
ist sichergestellt, dass die mittlere RTT nicht von sehr großen RTTs
beeinflusst wird, auf die bereits effektiv reagiert worden ist (indem
die Klasse in den Ruhezustand versetzt wurde). Wenn diese RTTs nicht
ignoriert würden,
würde eine
Klasse, die gerade aktiviert worden ist, unnötigerweise wieder in den Ruhezustand
versetzt.
-
Schätzung des
Füllgrades
des SG-Puffers
-
Unter
der Annahme, dass jedes Paket, das an den SG-Puffer gesendet wird,
in der Schleife der Begrenzerklasse registriert wird, und dass keine
Latenzzeit in der Übertragungsstrecke
vorhanden ist, spiegelt die Schleife der Begrenzerklasse exakt den Zustand
des SG-Puffers wider. Das heißt,
das Paket am vorderen Ende der Begrenzerklassenschleife befindet
sich am hinteren Ende der Warteschlange des SG-Puffers, und das Paket am hinteren Ende
der Begrenzerklassenschleife befindet sich am vorderen Ende der
Warteschlange des SG-Puffers. Unter der weiteren Annahme, dass die
Datenflüsse
sowohl in den Puffer hinein als auch aus ihm heraus eine konstante
Geschwindigkeit aufweisen, sind die Umlaufzeiten für diese
Pakete exakt gleich der Länge
der Warteschlange (in ms). Daher ist die Differenz der Registrierungszeitpunkte
zwischen dem Paket am vorderen Ende und dem Paket am hinteren Ende
der Paketschleife exakt gleich der Länge des SG-Puffers in ms (d.
h. der Zeit, die benötigt
würde,
um die Warteschlange zu leeren, wenn keine Pakete mehr gesendet
würden).
Dies sind die Prinzipien, die angewendet werden, um eine Klasse
in den Ruhezustand zu versetzen und wieder zu aktivieren. Wenn die RTTs
für Pakete
im Klassen-Puffer größer werden
als ein gewisses Vielfaches der Basis-RTT, wird angenommen, dass
sich der SG-Puffer füllt,
und die Klasse wird in den Ruhezustand versetzt. Wenn die Differenz
der Registrierungszeitpunkte zwischen dem Paket am vorderen Ende
und dem Paket am hinteren Ende der Paketschleife kleiner wird als
ein gewisses Vielfaches der Basis-RTT, wird die Klasse wieder aktiviert.
-
Nochmalige Übertragung
-
Zu
handhaben ist die Bereitstellung eines gesicherten Schicht-2-Dienstes auf der Übertragungsstrecke
zum mobilen Host (von Schicht 2 wird ausgegangen, um die ARQ-Schemata
der Quittungswiederholungs-Anforderung
[Acknowledgement Repeat Request] nutzen zu können). Die Übertragungsstrecke wird dem
TCP nun weniger als eine fehlerhafte Strecke, als vielmehr als eine Übertragungsstrecke mit
in hohem Grade variabler RTT erscheinen (jede nochmalige Übertragung
einer niedrigeren Schicht bewirkt eine Verdopplung der RTT). Aufgrund
der auftretenden Latenzzeiten könnte
dies zur Folge haben, dass das Ende-zu-Ende-TCP unnötig Pakete nochmals überträgt, da die
Erhöhung
der RTT ein Timeout auslösen
kann.
-
Der
Enhancer ist in der Lage, diese Schwierigkeit zu bewältigen,
da der Zeitgeber für
die nochmalige Übertragung
so geändert
werden kann, dass er einen geeigneten minimalen Wert verwendet,
welcher die Möglichkeit
von Schicht-2 Übertragungswiederholungen
berücksichtigt.
Die Annahme, dass die Schicht-2 zuverlässig ist, bedeutet, dass es
als unwahrscheinlich angesehen werden kann, dass dieses Timeout
eintritt. Falls das Timeout dennoch ausgelöst wird, so kann dies darauf
hinweisen, dass die Übertragungsstrecke
zum mobilen Host zeitweilig getrennt ist.
-
Das
normale TCP nimmt im Falle einer Übertragungswiederholung eine
Reduzierung der Übertragungsgeschwindigkeit
vor. Das heißt,
wenn ein Timeout auftritt, wird das Paket nochmals übertragen.
Das Timeout für
dieses Paket wird dann verdoppelt. Dies geschieht, um eine Überlastung
des Netzes zu vermeiden. Im Falle eines mobilen Hosts können (relativ)
lange Zeitintervalle der Trennung vorhanden sein. Wenn diese exponentielle
Reduzierung durchgeführt
würde,
könnte
es lange dauern, bis ein Paket gesendet wird, welches feststellt,
dass die Übertragungsstrecke
wieder verfügbar
ist. Aus diesem Grunde nimmt der Enhancer im Falle einer Übertragungswiederholung
diese Reduzierung nicht vor. Stattdessen behält er den ursprünglichen
Wert des Zeitgebers der Übertragungswiederholung
bei und sendet das verloren gegangene Paket mit einer konstanten Übertragungsgeschwindigkeit
neu. Dies bewirkt eigentlich ein zyklisches Abfragen des mobilen
Hosts; es ruft eine umgehende Antwort hervor, wenn die Übertragungsstrecke
verfügbar
wird. Dies verbessert das Verhalten des Systems über Ende-zu-Ende-TCP. Im Falle
des Hochladens (Datenfluss vom Mobiltelefon aus) gibt es einen Fall,
in dem der Enhancer die Situation verbessern kann, und dies ist
bei lange andauernden Trennungen. Ein unveränderter TCP-Stapel am mobilen
Host nimmt an, falls er keine Quittung empfängt (infolge des Ausfalls der
Funkstrecke), dass ein Paketverlust eingetreten ist, und führt eine
nochmalige Übertragung
durch. Wie oben beschrieben, reduziert das TCP exponentiell die
Geschwindigkeit seiner Übertragungswiederholungen.
Das bedeutet, dass die Tendenz dahin gehen wird, dass es lange dauern
wird, um zu bemerken, dass die Übertragungsstrecke
verfügbar
geworden ist. Der Enhancer kann in diesem Falle die Wiederherstellung
verbessern, indem er erkennt, dass die Übertragungsstrecke zu einem
gegebenen Mobiltelefon frei (idle) ist. In diesem Falle sollte er
die letzte Quittung, die auf jeder Verbindung gesendet wurde, in
regelmäßigen, jedoch
nicht sehr kurzen Intervallen wiederholen. Dies hat dann die Wirkung,
dass das TCP am mobilen Host in eine Antwort "gestoßen" wird, wenn die Übertragungsstrecke verfügbar wird. Das
Erkennen, ob die Übertragungsstrecke
frei (und damit potentiell nicht verfügbar) ist, kann recht einfach
beschrieben werden: Falls wenigstens eine TCP-Verbindung zu dem
Mobiltelefon existiert und keine TCP-Verbindung zu diesem Mobiltelefon
während
der Dauer eines Timeout-Intervalls ein Paket erhalten hat, kann
die Übertragungsstrecke
als frei betrachtet werden. Die einzigen Fälle, in denen dies zutrifft,
sind die, wenn die Übertragungsstrecke
nicht verfügbar
ist oder wenn die Verbindungen alle zufällig frei sind (d. h. keine
ausstehenden nicht quittierten Daten oder Daten, die auf ihre Versendung
warten, vorhanden sind). Falls die Verbindungen frei sind, hat das
Senden von Quittungsduplikaten keinen Einfluss auf das Verhalten
des mobilgeräteseitigen
TCP-Stapels; es handelt sich somit um eine neutrale Aktivität. Hierfür wird zwar
eine gewisse Bandbreite benötigt, doch
das Senden eines "ACH"-Pakets alle paar
Sekunden ist keine große
Belastung. In dem Falle, wenn die Übertragungsstrecke nicht verfügbar ist, wird
ein Schließen
des TCP-Fensters ermöglicht,
das vom Enhancer für
die Internet-Hosts angezeigt wird. Damit wird dem sendenden TCP
signalisiert, dass die Pakete korrekt empfangen werden, jedoch von
der Anwendung nicht verarbeitet werden. Der Enhancer sendet dann
(wie beim Standard-TCP) ein Paket zur "Fensteraktualisierung", sobald wieder mit
der Verarbeitung von Daten begonnen wird, um dem Host zu signalisieren,
dass er wieder mit dem Senden beginnen kann. Zusätzlich sendet das sendende
TCP, wenn sich das Fenster vollständig schließt, periodisch einen "Fenstertest", um festzustellen,
wann sich das Fenster öffnet
(da die Fensteraktualisierung nicht zuverlässig übermittelt wird). Die kombinierte Wirkung
des "Anstoßens" des TCP und der
Steuerung des Absenders durch den Enhancer bedeutet, dass verbesserte
Verbindungen in der Lage sind, nach einer langen Trennung wesentlich
schneller wiederhergestellt zu werden als bei normalem Ende-zu-Ende
TCP/IP. Für
Fachleute ist klar, dass die Enhancer gemäß der Erfindung in vielfältigen unterschiedlichen
Kommunikationssystemen eingesetzt werden kann, und sie wissen, welcher
Ort dafür
am geeignetsten ist. Natürlich
kann ein Kommunikationssystem, insbesondere ein komplexes mit vielen Übertragungsstrecken,
sehr wohl auch von mehreren Enhancern profitieren.
