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Diese
Erfindung bezieht sich auf Paketdatensendungen und insbesondere
auf die Sendung von Daten unter Verwendung des Transportkontrollprotokolls
(TCP) über
Internet-Protokoll-(IP-)Netze. TCP bietet Netzwerkstabilität durch
integrierte Überfüllungs-
und Flusskontrollmechanismen. Weitere Information über TCP
und IP-Netze ist beispielsweise aus
US 6 298 041 B1 verfügbar.
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Während die
TCP-Senderate normalerweise durch den Sender gesteuert wird, gibt
es Szenarien und Umgebungen, wo der Empfänger eine gewisse Kenntnis
von den verwendeten Verbindungen und Bitraten hat, die es ratsam
machen, den Empfänger
in gewissem Ausmaß die
Datenübertragungsrate
des Senders kontrollieren zu lassen. Um diesen Mechanismus anzuwenden,
sollte der Empfänger
den Hin- und Rück-Zeitwert
(RTT-Wert) kennen, um die Bitrate des Senders zu steuern oder zu
begrenzen. Als Folge würde
der Sender nicht die verfügbare
Bitrate selbst zu prüfen
haben, was normalerweise zu Paketverlusten führt und weniger genau als die
Information des Empfängers
ist.
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Die
Sendebitrate im TCP-Sender wird durch ein gleitendes Fenster, genannt Überfüllungsfenster, gesteuert.
Der Sender sendet Daten und empfängt kumulative
Bestätigungen.
Fehlende Daten sind solche, die der Sender bereits ausgesandt hat,
für die
er aber keine Bestätigungen
erhalten hat. Der Sender darf nur so viel fehlende Daten haben,
wie dem laufenden Wert des Überfüllungsfensters
entspricht. Weil die Daten gewöhnlich
eine RTT nach dem Versenden bestätigt
werden, kann die zulässige
Sendebitrate B_send aus der RTT und der Überfüllungsfenstergröße cwnd
als B_send = cwnd/RTT berechnet werden. Ein Beispiel dieser Werte
könnte
sein RTT = 100 ms und B_send = 64 Kbit/s.
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Das Überfüllungsfenster
am Server wird dynamisch entsprechend der aufgenommenen Netzwerkinformation
eingestellt, d.h. in Fallen von Paketverlusten würde der TCP-Sender eine Überfüllung im Netz
annehmen und das Fenster entleeren. Wenn keine Paketverluste vorliegen,
wird das Fenster geringfügig
und regelmäßig vergrößert. Jedoch
ist das Fenster, das TCP für
die Steuerung der Sendung von Datenpaketen verwendet, das kleinere
des Überfüllungsfensters
und einer weiteren Fenstergröße sein, die
vom Empfänger
angezeigt und Empfangsfenster (advertised window) awnd genannt wird.
Dieses wird gewöhnlich
für die
Flusssteuerung von TCP verwendet, also um sicherzustellen, dass
ein schneller TCP-Sender nicht mehr Daten sendet, als der Empfänger verarbeiten
kann.
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Folglich
kann der Empfänger
die obere Senderate des Senders einer TCP-Verbindung begrenzen,
indem er die integrierte Flusssteuerung verwendet und ein Empfangsfenster
mit dem Wert sendet, der aus der RTT und der maximalen Sendebitrate
berechnet wird. Mit anderen Worten, der Empfänger kann dem Server eine maximale
Sendebitrate vorschreiben. Wenn diese maximale Bitrate vergrößert wird,
sollte der Empfänger
das Verhalten des Senders vorhersehen, um die Raten nicht zu schnell
zu steigern, was einen Burst von Datenpaketen auslösen würde, die
am TCP-Sender übertragen
würden, was
zu einem Überlauf
des Puffers auf dem Übertragungsweg
führen
könnte.
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Wenn
andererseits der Empfänger
das Empfangsfenster zu langsam vergrößert, dann steigert der Sender
die Senderate ebenfalls langsam und nutzt daher die Verbindungskapazität nicht
vollständig
aus.
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Was
daher benötigt
wird, ist ein optimierter Weg der Vergrößerung des Empfangsfensters,
was zu einer optimierten Steigerung der Senderate am TCP-Sender
führt.
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US-A-5
675 742 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung in einem digitalen Übertragungsnetz
zur Vermeidung von Überfüllung durch
Erfassung von Lastzuständen
an Zwischenstationen, die eine Überlastbedingung überschreiten.
Das Netz enthält
mehrere Endsysteme, die durch eine Matrix von Routern verbunden
sind, die als Zwischensysteme oder Gateways bekannt sind. Die Endsysteme und
die Router sind durch Verbindungen miteinander verbunden, über die
sie Daten und weitere Information übertragen. Daten laufen über das
Netz in Form von Mitteilungen. Jede Mitteilung umfasst wiederum mehrere
Pakete, von denen jedes einen Datenteil und einen Kopfteil enthält.
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Bevor
eine Quelle Pakete an einen Bestimmungsort senden kann, erhält sie im
Allgemeinen vom Bestimmungsort eine Angabe über die Anzahl der Pakete,
die sie auf dem Netz ohne weitere Genehmigung durch den Empfänger übertragen
kann. Diese Anzahl stellt eine maximale Fenstergröße dar, und
die Anzahl der Pakte auf dem Netz, die zu jedem Zeitpunkt zum Bestimmungsort
wandern, überschreitet
dann die maximal zulässige
Fenstergröße nicht. Ein
Lasteinstellalgorithmus ermöglicht
es einer Quelle, die Größe zu bestimmen,
um die sich die Quellenfenstergröße ändern könnte. In
einer Ausführungsform
erlaubt der Algorithmus die Vergrößerung der Fenstergröße um ein
Paket.
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Der
Artikel mit dem Titel "ACTIVE
TCP CONTROL BY A NETWORK" von
KOIKE A, der in IEEE GLOBAL TELECOMMUNNICATIONS CONFERENCE, NEW
YORK, NY: IEEE, USA, Band 3, 5. Dezember 1999 erschienen ist, bezieht
sich auf die aktive TCP-Steuerung durch ein Netz.
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Für die Zusammenarbeit
zwischen Netzen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten verwendet eine
Bestätigungsverzögerungslösung einen
Bestätigungspuffer
im Router für
die Rückwärtsrichtung.
Der Bestätigungspuffer
wird zur Steuerung der Bestätigungszeitlage
verwendet und benutzt einen variablen Parameter und Konstante zur
Vergrößerung oder Verkleinerung
des Bestätigungsintervalls.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren für eine optimierte,
vom Empfänger
initiierte Senderatensteigerung anzugeben, das es erlaubt, die Bitrate
so schnell wie möglich
auf einen optimalen Wert zu vergrößern, und das gleichzeitig
die verfügbaren
Verbindungsmittel vollständig ausnutzt.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren gelöst, das die im Anspruch 1 angegebenen
Schritte umfasst. Bevorzugte Ausführungsformen des Verfahrens
sind Gegenstand zahlreicher abhängiger
Ansprüche.
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung vergrößert das Empfangsfenster um
maximal eine Segmentgröße pro Bestätigung.
Daher kann die Sendebitrate auf einen neuen Wert eingestellt werden, ohne
einen Burst von Paketen auszulösen,
die zu einem Pufferüberlauf
auf dem Sendeweg führen
könnten.
Der Empfänger
ist daher in der Lage, die Bitrate des Senders allmählich, aber
noch immer sehr schnell, zu erhöhen.
Der Sender sendet dann wirklich nicht mehr Daten, als durch das
Empfangsfenster erlaubt wird, und erzeugt nicht mehr als ein Paket gleichzeitig.
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Weiterhin
werden die Bestätigungen
in regelmäßigen Intervallen
gesendet, was zusätzlich
die Erhöhung
der Bitrate am Sender glättet
und die übertragenen
Pakete gleichmäßig verteilt.
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Ein
zusätzlicher
Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Bestätigungen
in einer Warteschlange gespeichert werden, bevor sie zum Sender übertragen
werden. Als Folge wird der Empfang der ankommenden Datenpakete nicht
direkt bestätigt,
sondern in regelmäßigen Intervallen,
so lange genügend
Bestätigungen
in der Warteschlange verfügbar
sind.
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Schließlich bietet
die Erfindung eine vorteilhafte Wirkung, wenn weniger als eine vorbestimmte Anzahl
Bestätigungen
in der Warteschlange im nächsten
regulären
Zeitintervall vorhanden sind, denn es werden Bestätigungen
nur für
einen Teil des Segments zum Sender übertragen. Im Falle, dass nicht
genügend
Bestätigungen
verfügbar
sind, werden zusätzliche
Bestätigungen
erzeugt, die nicht ein ganzes Segment bestätigen. Der Sender kann jedoch
die Bestätigung
verwenden, um das Empfangsfenster einzustellen und dementsprechend
die Sendebitrate zu erhöhen.
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Vorzugsweise
umfasst das Verfahren den Schritt der Ermittlung der Maximalzeitdauer,
innerhalb der die Übertragung
einer Bestätigung
abgeschlossen sein sollte. Dieses vermeidet, dass die Übertragung
einer Bestätigung übermäßig verzögert wird,
was zu einer Neuübertragungs-Auszeit am TCP-Sender
führen
könnte.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
des Verfahrens wird eine Bestätigung
für den
Rest des Segments spätestens
dann ausgesandt, wenn die Maximalzeitdauer für den Abschluss einer Bestätigung verstrichen
ist.
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Nachfolgend
wird die Erfindung detaillierter unter Bezugnahme auf die begleitende
Zeichnung erläutert.
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1 zeigt
ein Flussdiagramm, das die Schritte zur Initiierung einer neuen
Sendebitrate am Server darstellt.
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Zur
Erläuterung
der Erfindung wird nachfolgend eine TCP-Verbindung zwischen einem
Sender und einem Empfänger
angenommen, wobei die Sendebitrate B_old durch das Empfangsfenster
awnd entsprechend der folgenden Gleichung begrenzt wird: B_old = awnd/RTT
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Der
Empfänger
erhält
Information, dass die für
diese Verbindung verfügbare
Verbindungskapazität
von B_old auf B_new erhöht
ist, z.B. weil die Funkbetriebsmittelsteuerung in einem Mobilnetz
einen neuen Funkträger
aufgebaut hat oder ein anderer Datenfluss, der die Verbindung bislang
mitbenutzt hat, geendet hat. Der Empfänger berechnet ein neues Empfangsfenster
entsprechend: awnd_new = B_new·RTT
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Unter
Bezugnahme auf 1 besteht ein erster Schritt 100 darin,
ein neues Bestätigungsfenster
ACK_space_gemäß ACK_space = MSS/B_newzu berechnen, wobei
MSS die maximale Segmentgröße ist,
die beim Verbindungsaufbau zustande gebracht wird oder entsprechend ACK_space = RTT/awnd_newwobei awnd_new als
Anzahl von Segmenten angegeben ist. Alle ankommenden Datenpakete
werden nicht direkt bestätigt,
vielmehr werden die Bestätigungen
in einer ACK-Warteschlange gespeichert. Beim Einstellen des Zeitgebers
im Schritt 100 wartet der Empfänger, bis die nächste ACK_space-Zeit
vorüber ist, wie im Schritt 200 dargestellt.
Beachte, dass weil erwünscht
ist, dass der Sender das Senden mit der neuen Bitrate so bald wie
möglich
beginnt, der Zeitgeber im Schritt 100 auf einen kleineren
Wert oder sogar auf null für
die erste Bestätigung
eingestellt sein kann (in Abhängigkeit
von der Zeit, zu welcher die vorangehende Bestätigung gesendet wurde). Daher
haben die Bestätigungen
einen variablen Abstand entsprechend ACK_space, um Paketbursts zu
vermeiden.
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Dabei
sollte eine Bestätigung
gesendet werden, und das Flussdiagramm fährt mit der Abfrage 300 fort,
um zu ermitteln, ob mehr als eine Bestätigung in der ACK-Warteschlange
enthalten ist. Im Falle, dass keine Bestätigung in der Warteschlange
enthalten ist, muss der Algorithmus an diesem Punkt pausieren, bis
eine neue Bestätigung
erzeugt werden kann.
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Wenn
mehr als eine Bestätigung
in der ACK-Warteschlange enthalten ist, wird eine Bestätigung gesendet,
der awnd-Wert wird aktualisiert und der ACK_space-timer wird neu
initiiert, wie im Block 400 angegeben. Unter dieser Bedingung
sind genügend
Bestätigungen
in der Warteschlange vorhanden, um als Flusssteuerbefehle zum sanften
Erhöhen
der Sendebitrate des Servers verwendet zu werden.
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Wenn
andererseits nur eine Bestätigung
in der Warteschlange enthalten ist, geht der Vorgang zu den Schritten über, die
in Block 500 der Zeichnung angegeben sind. Der Parameter
original_ack_no stellt die Bestätigungszahl
eines Segments zur Bestätigung
eines vollständigen
Datenpakets dar. Mit anderen Worten, das Bestätigungszahlfeld des ursprünglichen
Bestätigungspakets.
Der Parameter last_ack_no enthält
die ack_no des letzten gesendeten Segments. In den Schritten des
Blocks 500 werden das Empfangsfenster awnd und das letzte
Empfangsfenster awnd_last jeweils um ein Segment vergrößert. Weiterhin
werden die Bestätigungszahl ack_no
und die letzte Bestätigungszahl
last_ack_no jweils um ein Byte erhöht. Schließlich muss ein Zeitgeber split_ack_timer
definiert werden, der die maximale Zeitperiode bestimmt, innerhalb
der die Übertragung
einer Bestätigung
ACK abgeschlossen sein sollte. Dieser Zeitgeber sollte dementsprechend
so eingestellt sein, dass eine übermäßige Verzögerung der Übertragung
der vollständigen
ACK vermieden wird, was zu einer Neuaussendungs-Auszeit am Sender
führen
würde.
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Anschließend wird
eine Bestätigung
erzeugt. Erzeugen bedeutet, dass einige der Kopfteilfelder der ursprünglichen
Bestätigung
in jene, die nun berechnet werden, geändert werden. Die Variablen,
nämlich Empfangsfenster
awnd und Bestätigungszahl ack_no,
sollten im TCP-Kopfteil geeignet eingestellt werden. Der Rest der
Variablen wird nur örtlich
für Berechnungen
innerhalb des Algorithmus aufbewahrt. Als Folge dieser Änderungen
muss auch die Kopfteil-Prüfsumme
berechnet und eingestellt werden. Im letzten Schritt wird die Bestätigung gesendet. Es
ist anzumerken, dass diese Bestätigung
nicht für ein
ganzes Segment, sondern nur für
einen Teil desselben gilt, im vorliegenden Beispiel ist sie nur
ein Byte. Diese Bestätigung
erlaubt es somit dem Sender nicht, ein zusätzliches Datenpaket zu senden.
Dennoch enthält
es (wie jede Bestätigung)
ein Empfangsfenster (das in diesem Falle um eins erhöht ist),
was das Senden eines neuen Datenpakets auslöst. Es sei jedoch betont, dass
das Datenpaket nicht durch die Bestätigung selbst ausgelöst wird,
sondern aufgrund der vergrößerten Fenstergröße. Schließlich dient
der letzte Schritt im Block 500 dazu, den ACK-space-Zeitgeber
zu initiieren oder zu starten, da eine Bestätigung gesendet worden ist.
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Die
nächste
Abfrage 600 im Flussdiagramm ermittelt, ob der ACK_space-timeroder
der split_ACK-timer erreicht worden ist. Im Falle, dass der split_ACK-timer
erreicht worden ist, geht der Ablauf zum Block 700, da
die maximale Zeitdauer für den
Abschluss einer Bestätigung
für ein
vollständiges
Segment verstrichen ist. Daher wird eine Bestätigung mit der ursprünglichen
Bestätigungszahl
gesendet, und der Parameter last_ack_no und der Empfangsfensterwert
werden aktualisiert. Diese Bestätigung
löst nun
das Senden eines neuen Datenpakets aus, da ein ganzes TCP-Segment
bestätigt
worden ist.
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Andererseits,
wenn in der Abfrage 600 ermittelt wird, dass der ACK_space-timer
erreicht worden ist, prüft
die Abfrage 800, ob eine weitere Bestätigung in der Bestätigungs-Warteschlange
verfügbar
ist. Ist dieses der Fall, geht der Ablauf zu den Schritten 700 über. Ansonsten
erreicht er den Block 900. Im Block 900 werden
die gleichen Schritte wie im Block 500 ausgeführt, mit
der Ausnahme, dass der split_ACK_timer nicht gestartet werden muss.
Im Block 900 wird daher eine weitere Bestätigung für das nächste Byte
des Segments mit der entsprechenden ack_no und dem awnd-Wert gesendet.
Der Ablauf fährt
nun mit der Abfrage 600 fort, wie oben beschrieben.
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Schließlich sei
angemerkt, dass immer dann, wenn der Wert des Empfangsfensters modifiziert wird,
verglichen wird, ob der neue Zielwert für awnd erreicht worden ist.
Ist dieses der Fall, endet der Algorithmus, da das Empfangsfenster
seinen endgültigen
Zielwert erreicht hat.
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Durch
Verwendung des oben beschriebenen Algorithmus stellt der Empfänger sicher,
dass nach Empfang einer Bestätigung
der Sender sofort das Senden mit der neuen Datenrate beginnt, da
der vergrößerte Empfangsfensterwert
am Sender empfangen wird. Der Sender sendet also nicht mehr Daten, als
durch das Empfangsfenster erlaubt wird, und wird keine Paketburst
erzeugen.
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Der
Algorithmus erlaubt es somit dem Empfänger, die Bitrate des Senders
sehr sanft und schnell ohne Risiko eines Pufferüberlaufs auf dem Übertragungsweg
zu erhöhen.
Gleichzeitig wird die verfügbare
Verbindungskapazität
effizient ausgenutzt.