JP2000307634A - パケット交換網の中継局による輻輳制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 中継局のバッファを大容量化することなく、
かつ既存の送受信端末に手を加えることなく、パケット
を高効率で転送可能なパケット交換網の中継局による輻
輳制御方法を提供する。 【解決手段】 中継局は、一方の端末から他方の端末へ
の転送データを一時記憶する第１方向バッファおよび他
方の端末から一方の端末への転送データを一時記憶する
第２方向バッファの各キュー長を監視し、一方のバッフ
ァにおけるキュー長が所定の長さに達すると、他方のバ
ッファに所定の遅延時間を設定する。前記キュー長の所
定の長さは、当該バッファのデータ転送側に輻輳状態が
生じていると予測される長さに設定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、パケット交換網の
中継局による輻輳制御方法に係り、特に、ＴＣＰ（Tran
smission Control Protocol ）セッションにおける高速
通信に好適なパケット交換網の中継局による輻輳制御方
法に関する。

【０００２】

【従来の技術】インターネットに広く用いられている、
ＷＷＷ（World Wide Web）の転送プロトコルであるＨＴ
ＴＰ（Hyper Text Transport Protocol ）は、ＴＣＰ／
ＩＰ（Internet Protocol ）のトランスポート層に位置
するＴＣＰ上に実装されている。このＴＣＰでは、送受
信端末間にルータや低速リンクが介在したときでもスル
ープットが低下しないように、例えばＷ．Ｒichard Ｓ
tevens著の「ＴＣＰ／ＩＰ Ｉllustrated, Ｖolume 1
」、２０．６章に記載された“スロー・スタート”（s
low-start）と呼ばれるフロー制御が行われる。

【０００３】スロー・スタート方式によるフロー制御で
は、データ転送に先立って受信側から送信側へ自身のＴ
ＣＰウインドウサイズ（ｗｎｄ）が宣言される。ＴＣＰ
ウインドウサイズとは、送信側が応答確認（ＡＣＫ）パ
ケットを得るまでに転送できるデータ量である。送信側
は、１回の転送データの量をＴＣＰウインドウサイズ以
下にする必要があるので、ＴＣＰウインドウサイズが大
きいほど、またＡＣＫパケットの受信周期が短くなるほ
ど、単位時間当たりの転送データ量が増えてデータ転送
速度は向上することになる。

【０００４】ＴＣＰでは、データパケットを送出した送
信局に対して受信局から応答確認用のＡＣＫパケットが
返送されなかったり（タイムアウト）、あるいは返送さ
れたＡＣＫパケットにおいて転送済みパケットの再送要
求が登録されている（重複ＡＣＫ）と、送受信端末間で
輻輳が生じていると判断して輻輳回避のためのフロー制
御が実行される。

【０００５】しかしながら、上記したフロー制御は、ル
ータなどの中継機器におけるキュー長が増加してキュー
溢れによりパケット損失が発生するまで機能しないの
で、フロー制御が開始される頃にはネットワーク全体の
遅延が進行している。さらに、このようなキュー溢れに
よるバースト的なパケット損失は、伝送効率を著しく劣
化させる要因となってしまう。

【０００６】このような問題点を解決するために、輻輳
が深刻化する前にフロー制御を実行させ得る輻輳制御方
式として、レッド（ＲＥＤ：Random Early Detection g
ateway）やＤＥＣｂｉｔ（例えば、 Ramakrishnan, K.
K.,et al.著, “A Binary Feedback Scheme for Conges
tion Avoidance in Computer Network ”, ACM Transac
tions on Computer Systems, V.8, N.2 pp.158-181, 19
90 など）と呼ばれる輻輳回避方式が提案されている。

【０００７】ＲＥＤでは、バッファ内での平均キュー長
を監視し、この長さに応じた確率でパケットを損失させ
ることで、端末に対して明示的に輻輳を通知する。この
結果、端末においてはＴＣＰのフロー制御が開始される
ので、中継機器におけるキュー溢れが生じる前に輻輳を
回避できる。

【０００８】ＤＥＣｂｉｔでは、gateway が平均キュー
長を監視し、輻輳を検知するとパケットヘッダ内に輻輳
を通知するビットをセットして送信し、送信端末はこの
ビットを検出するとＴＣＰウインドサイズを制限してフ
ロー制御を実行する。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上記した従来技術のう
ち、ＲＥＤによる輻輳制御では、平均キュー長に応じた
確率でパケットを損失させることで輻輳制御を行うが、
ＴＣＰの利用可能な帯域はウィンドウサイズ／遅延時間
積で制限することが可能である。したがって、パケット
を破棄する代わりにキュー長に応じた遅延時間を挿入す
ることで、ＴＣＰの再送処理を喚起することなく、輻輳
制御が可能になるものと考えられる。しかしながら、キ
ュー長に応じた遅延時間を挿入するためには、遅延制御
を行うための、より大きなキュー長が必要となるので、
大きなバッファ容量が必要となってしまう。

【００１０】また、ＤＥＣｂｉｔによる輻輳制御では、
送受信端末に前記ビットを検知するための構成やアルゴ
リズムを追加しなければならないので、送受信端末とし
て既存端末の利用を前提とすれば、その導入が難しい。

【００１１】本発明の目的は、上記した従来技術の問題
点を解決し、中継局のバッファを大容量化することな
く、かつ既存の送受信端末に手を加えることなく、パケ
ットを高効率で転送可能なパケット交換網の中継局によ
る輻輳制御方法を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記した目的を達成する
ために、本発明は、送受信端末同士が中継局を介して接
続され、送信側端末が応答確認（ＡＣＫ）パケットを得
るまで転送し得るデータ量をＴＣＰウインドウサイズと
して定義することによりフロー制御を実行するパケット
交換網の中継局による輻輳制御方法において、前記中継
局は、一方の端末から他方の端末への転送データを一時
記憶する第１方向バッファおよび他方の端末から一方の
端末への転送データを一時記憶する第２方向バッファの
各キュー長を監視し、一方のバッファにおけるキュー長
が所定の長さに達すると、他方のバッファに所定の遅延
時間を設定することを特徴とする。

【００１３】送受信端末が、ＴＣＰウインドウサイズを
可変制御するフロー制御機能を有する場合、ＡＣＫパケ
ットを受け取る送信端末では、ＡＣＫパケットの受信周
期が長くなれば単位時間当たりの転送データ量が減少す
るので、結果的に輻輳状態が緩和あるいは解消すること
になる。

【００１４】一方、ＴＣＰによるクライアント／サーバ
間でのトラフィックに着目すると、サーバからクライア
ントへ転送される情報の大部分がデータパケットである
のに対して、クライアントからサーバへ転送される情報
の大部分はＡＣＫパケットとなる。ここで、バルクデー
タ伝送においては、一般的にＡＣＫパケットのデータ量
はデータパケットの１０分の１以下なので、各中継局で
は送受信するトラヒック量が非対称となる。このため、
サーバからクライアントへの回線が輻輳状態にあって
も、クライアントからサーバへの回線には利用可能な帯
域が残っている場合が多い。

【００１５】本発明では、このようなＴＣＰによるデー
タ通信のトラヒック量の非対称性に着目し、輻輳が生じ
たときに、平均キュー長が増加しているキュー内のパケ
ットに対して遅延を挿入するのではなく、大部分がＡＣ
Ｋパケットであると予測される反対方向のパケットに対
して遅延を挿入することにより、ＡＣＫパケットの送信
タイミングを遅延させ、単位時間当たりの転送データ量
を減じて輻輳を緩和あるいは解消させるようにした。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明を詳
細に説明する。図１は、本発明を適用した中継局（ルー
タ）５０の構造を模式的に表現したブロック図であり、
サーバ側から提供された情報（主に、データパケット）
２０ａをクライアント側へ中継する第１方向バッファ１
０ａと、クライアント側から提供された情報（主に、Ａ
ＣＫパケット）２０ｂをサーバ側へ中継する第２方向バ
ッファ１０ｂとを含む。

【００１７】キュー長監視部１１は、前記各バッファ１
０ａ、１０ｂにおけるキュー長を監視し、監視結果を遅
延挿入部１２へ通知する。遅延挿入部１２は、前記キュ
ー長監視部１１による監視結果に基づいて各バッファ１
０ａ、１０ｂに遅延時間を挿入することにより、各バッ
ファ１０ａ、１０ｂがパケットを転送するタイミングを
遅らせる。遅延挿入部１２の遅延時間演算部１３は、後
に詳述するように、各バッファでのキュー長に基づいて
前記挿入すべき遅延時間を演算する。

【００１８】図２は、本発明の動作を示したフローチャ
ートである。ステップＳ１０では、キュー長監視部１１
が各バッファ１０ａ、１０ｂ内でのキュー長を監視し、
監視結果を遅延挿入部１２へ通知する。ステップＳ１１
では、遅延挿入部１２が前記通知された監視結果に基づ
いて、キュー長が所定の基準値Ｃref を超えているか否
かを判定する。この基準値Ｃref は、輻輳が生じ得る状
態でのキュー長に予め設定されている。

【００１９】ここで、図１に示したように、サーバ側か
ら転送されて第１方向バッファ１０ａに保留されている
データパケット２０ａのキュー長が基準値Ｃref を超え
ていると、ステップＳ１４では、現在のキュー長に基づ
いて、挿入すべき遅延時間が演算される。

【００２０】たとえば、前記キュー長監視部１１による
キュー長の監視間隔、すなわち当該フローの起動周期を
Ｐ［秒］、今回監視時のキュー長をＣ［パケット］、前
回監視時のキュー長をＬ［パケット］、平均パケット長
をＭ［バイト］、伝送遅延時間をＤ［秒］、すべてのＴ
ＣＰコネクションの総ＴＣＰウインドウサイズをＷ［バ
イト］とすれば、期間ｐの間に増加したトラヒック量Ｏ
［ｂｐｓ］は、Ｃ＞Ｌであるとき次式(1) で与えられ
る。 Ｏ＝８×Ｍ×（Ｃ−Ｌ）／Ｐ …(1) 一方、Ｉ［秒］の遅延時間を挿入することで抑制される
帯域Ｓ［ｂｐｓ］は次式(2) で与えられる。 Ｓ＝（８Ｗ／Ｄ）−｛８Ｗ／（Ｄ＋Ｉ）｝ …(2) 増加トラヒックを抑制するためには、Ｏ＝Ｓであれば良
いので、必要な挿入遅延時間Ｉは次式(3) で与えられ
る。 Ｉ＝（Ｄ^２ ×Ｏ）／（８Ｗ−Ｄ×Ｏ） …(3) 以上のようにして求められた挿入遅延時間Ｉは、ステッ
プＳ１５において、キュー長が基準値Ｃref を超えてい
ない側のバッファ、すなわち第２方向バッファ１０ｂに
挿入される。この結果、当該ルータ５０からサーバへの
ＡＣＫパケット２０ｂの転送周期が長くなる。サーバ側
では、次のＡＣＫパケットが受信されるまでに転送でき
るデータ量がＴＣＰウインドウサイズにより制限されて
いるので、ＡＣＫパケットの転送周期が長くなることに
より、サーバ側では単位時間あたりの転送データ量が減
少し、輻輳が解消方向へ向かうことになる。

【００２１】一方、前記ステップＳ１１において、いず
れのバッファにおいてもキュー長が基準値Ｃref を超え
ていないと判定されると、ステップＳ１２では、現段階
でいずれかのバッファに遅延時間が挿入されているか否
かが判定される。ここで、挿入状態でなければステップ
Ｓ１０へ戻り、挿入状態であれば、輻輳状態から回復し
たものと判断してステップＳ１３へ進む。ステップＳ１
３では、遅延時間の挿入を解除するか、あるいは遅延時
間を現在よりも短縮する。

【００２２】遅延時間を現在より短縮する場合、すなわ
ち前記Ｌ＞Ｃにおいて最適な挿入遅延時間Ｉも、前記
(2) 式により同様に求めることができる。ただし、複数
のフローが集中する中継局においては、必ずしも上記し
た数式が当てはまらないので、このような場合には、キ
ュー長の監視結果に基づいて適宜の数値最適化アルゴリ
ズムを実行し、最適な挿入遅延時間Ｉを探索的に求める
ことが望ましい。

【００２３】上記したように、本実施形態によれば、ル
ータのバッファにおけるキュー長に基づいて輻輳の有無
を判定し、いずれかの転送方向に輻輳が生じると、輻輳
が生じていない転送方向のバッファに遅延時間を挿入す
ることで、主にＡＣＫパケットの転送周期を伸張し、デ
ータパケットを送出する側での単位時間あたりの転送デ
ータ量を減少させるので、送受信端末に特別な構成やア
ルゴリズムを追加することなく、効率の良い輻輳制御が
可能になる。

【００２４】図３は、上記した本発明の輻輳制御方法を
評価するシステムのブロック図であり、一方の４端末を
クライアント端末３０、他方の４端末をサーバ端末４０
とし、１つのサーバ４０から１つのクライアント３０
ヘ、２つのルータ５０を介してＴＣＰによりデータを転
送した。各ルータ５０同士は国際回線を想定して往復伝
搬遅延時間０．２［ｓｅｃ］のシリアル回線により接続
し、回線速度は５１２［ｋｂｐｓ］とした。各端末のＴ
ＣＰウインドウサイズは１６３８４［bytes]であり、ル
ータ５０内のキュー長は各方向３０［パケット］とし
た。

【００２５】図４、５は、図３のシステムによる評価結
果を示した図であり、ここでは、Alta Groups のBONeS
を用いたシミュレーションにより本発明の有効性を確認
した。なお、図４の縦軸はＴＣＰシーケンス番号の差分
値（最初のパケットのシーケンス番号を０とする）、横
軸は経過時間を示し、本発明を適用したルータを使用し
た場合（Ａ）と従来のルータを使用した場合（Ｂ）との
比較して示している。また、図５は本発明による挿入遅
延時間の推移を示しており、横軸は経過時間、縦軸は遅
延時間を示している。

【００２６】上記した実験結果から、本発明の輻輳制御
方式を採用すれば、キュー溢れによるＴＣＰの再送が抑
制され、効率良くデータが転送されていることが判る。

【００２７】

【発明の効果】上記したように、本発明によれば、中継
局（ルータ）でのバッファのキュー長に基づいて輻輳の
有無を判定し、いずれかの転送方向に輻輳が生じると、
輻輳が生じていない転送方向のバッファに遅延時間を挿
入することで、当該転送方向に転送されている主にＡＣ
Ｋパケットの送信周期を伸張し、送信端末側での単位時
間あたりの転送データ量を減少させるので、送受信端末
に特別が構成やアルゴリズムを追加することなく、効率
の良い輻輳制御が可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の輻輳制御方法を適用した中継局（ルー
タ）の構造を模式的に表現したブロック図である。

【図２】図１の動作を示したフローチャートである。

【図３】本発明の評価に用いたシステムのブロック図で
ある。

【図４】本発明の評価結果（その１）を示した図であ
る。

【図５】本発明の評価結果（その２）を示した図であ
る。

【符号の説明】

１０ａ、１０ｂ…バッファ、１１…キュー長監視部、１
２…遅延挿入部、３０…クライアント端末、４０…サー
バ端末、５０…ルータ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 浅見 徹 埼玉県上福岡市大原２−１−15 株式会社 ケイディディ研究所内 Ｆターム(参考） 5K030 GA13 HA08 HB28 HD03 JA11 JT02 KX11 LA02 LC03 MB15

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 送受信端末同士が中継局を介して接続さ
   れ、送信側端末が応答確認（ＡＣＫ）パケットを得るま
   で転送し得るデータ量をＴＣＰウインドウサイズとして
   定義することによりフロー制御を実行するパケット交換
   網の中継局による輻輳制御方法において、 前記中継局は、一方の端末から他方の端末への転送デー
   タを一時記憶する第１方向バッファおよび他方の端末か
   ら一方の端末への転送データを一時記憶する第２方向バ
   ッファの各キュー長を監視し、一方のバッファにおける
   キュー長が所定の長さに達すると、他方のバッファに所
   定の遅延時間を設定することを特徴とするパケット交換
   網の中継局による輻輳制御方法。
2. 【請求項２】 前記一方のバッファにおけるキュー長の
   所定の長さは、当該バッファのデータ転送側に輻輳状態
   が生じていると予測される長さであることを特徴とする
   請求項１に記載のパケット交換網の中継局による輻輳制
   御方法。