JP2017055336A - 負荷変動およびパケット伝送損失があるlfn伝送路で高信頼通信を行うためのデータ通信制御方法 - Google Patents
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Abstract
Description
Aspera社のFASP(特許文献3)は、LFNでの10G超での高速伝送を目指すファイル伝送用の高信頼データ通信制御方式である。このFASPは、通信や回線の空き容量を予測し、データを通信回線の空き容量と回線速度に見合う量に自動調整してからデータ送出を行なうことで、回線遅延やパケットロスなどの影響を避けて利用可能な帯域幅を最大限に活用するものである。また、ファイル伝送用のバルク通信技術であり、リアルタイム通信用ではない。
ソフトウェアレベルのTCPベースの実装例としては、標準化HSTCP(RFC3649)、標準化SCTP(RFC4960)、米メンタット社XTP(SkyX)、クレアリンクテクノロジー社xTCPなどがあるが、これらは10Gbpsを超える実装例とはなっていない。TCPをベースとした10Gbpsを超える高速伝送アプリケーション例としては情報学研究所のMMCFTPがあるが、OSのユーザランド(ユーザ空間と同じ)で利用できるソケットタイプのライブラリではなく、また帯域保証を高精度に行うことはできない。
これらはいずれも国際的に用いられているが、高速伝送の視点で考えるとFASPが10Gbpsでの単純なリンク上でのファイル伝送に成功しているのみである。なお、ソケットタイプのライブラリとして提供されているのはUDTのみである。
(1)肯定応答(ACK)返信を所定の等時間間隔で行う事で上記LFNネットワークでの伝送遅延による影響を抑制し、かつ、
(2)上記パケット伝送損失について、その損失割合を求め、該損失割合から上記パケット伝送損失に対する再送要求を決定して上記LFNネットワークの負荷変動による影響を制御し、かつ、
(3)パケット送信においては、設定可能な最大伝送可能情報レートを探索し、探索された上記最大伝送可能情報レート以下の所定の伝送可能情報レートについて、上記パケット送信の送信レートを上記所定の伝送可能情報レートに収束させる送信レート制御を所定の時間間隔で行うことで輻輳制御を行う、
ことを特徴とする。
なお、LFNネットワークでの上記高信頼通信は、リアルタイム性のあるデータ通信であってもよい。
従来のデータ通信制御方式(TCP系、UDP系)では、単一コネクションのスループットが数100Mbps〜数Gbps程度であり、さらにマルチリンク手法が確立されていなかった。そのためにLFN環境で高スループットのデータ通信(特にストリーム系データ通信)はほとんど実現していない。
コンピュータのOS上のユーザランドの実行権限で動作するアプリケーション(ソケットライブラリ)によって10Gbps超の性能を実現するために、本発明は、ネットワークI/OとコンピュータのCPU(コア)の効率化(オーバヘッドをなくす)と高精度アルゴリズムによる通信制御を行うデータ通信制御方式を、UDPベースで提案している。
通信開始時の制御としては、RTT(制御技術の説明F)やPath MTU(制御技術の説明E)を測定し、回線状況をいち早く確認する。通信中の制御としては、受信側から継続して送られるデータのロス率(制御技術の説明G)、受信バッファの使用率(制御技術の説明D)、再送パケット情報(制御技術の説明C)をフィードバック情報とし、再送・輻輳・フロー制御を行いつつデータ送信を継続する。
一般にTCP等で行われるデータ通信では、受信側で、送信側からのパケットに応じたACK送信を行うが、RTTが大きくなるに従い、通信性能が劣化することがよく知られている。本発明では、図3に示すように、受信側において送信側からのパケット受信とは独立に定期的にACK送信を行うことによって通信性能を高める。具体的には人の感応速度やTCP通信などで一般的にACK Delay値として利用される値(たとえば200ms)を固定送信間隔としてACK応答する。一方、送信側もACK確認とは独立にデータ送信を行うことで、通信性能の劣化を回避する。
本発明を用いた実験では、以下に述べる輻輳制御(制御技術の説明B)とフロー制御(制御技術の説明D)で説明するアルゴリズムの働きにより、4秒程度の遅延環境でもほぼワイヤーレートを達成することができた。
実測による図4(b)においては、受信バッファの使用状況に応じて送信側から送出される情報量を調整することにより、受信バッファの飽和が回避されていることが分かる。
このため、本発明では通常パケットとパケットロスの送信割合を制御する。特にACKが送信側に届かない場合には大きな輻輳が発生したと判断して、一定時間だけタイムアウトによるパケットの再送信を行う再送制御(制御技術の説明C)を行う。
(A)送出制御(ペーシング)
本発明では、データ送信において目標スループット性能を実現するようにパケットの送信間隔を制御する。輻輳制御のアルゴリズムに基づいて決定された目標スループット値とPath MTU探索により得られるセグメントサイズに従い、送出ペースをコントロールする。この値を用いて送信時間をスケジューリングし、使用する計算機の高精度な時刻取得関数で取得した時刻と比較して、送信すべき時刻になっていればパケットの送信を行い、そうでなければ待機する。目標とするスループットには、次項で説明する輻輳制御によって決定されるスループットを使用する。
例えば、目標10Gbps、セグメントサイズが8900Byteの際、ペーシング間隔は7120nsとなり現在の計算機では十分に達成可能なタイミングである。図5に示すように、本発明を試験的に実装し40Gbps環境において実測したところ、1コネクションで約14.5Gbpsを達成した。
一般にフィードバックモデル等による自動制御方式では、最適なパラメータを設定しなければ制御対象や通信系全体によい応答を与えない場合がある。本発明では、送出する情報量に関しては、例えば、よく知られたPID(Proportional-Integral-Derivative)制御を行う。また、PID制御の伝達関数の係数は、ジーグラ・ニコルスのステップ応答法などにより決定する。ステップ応答法は制御対象にステップ信号を入力して応答特性を観測する方法で、一般に自動制御に使用される。この決定法による伝達関数の特性として、送信スループットの立ち上がりが緩やかで目標スループットに到達するのに時間がかかり、外乱などによって急激にスループットが下がった時にも回復に時間がかかる。
具体的には次の技術から構成される。
(イ)送信スループットを抑制してもパケットロス率に変化がない場合、ネットワーク状況が粗悪で送信スループットに依存しない一定のパケットロス域が存在していると判断し、送信スループットの抑制を休止する技術。具体的には1秒間パケットロス率に変化がない時、その時点での送信スループットを目標スループットとする。
(ロ)目標送信スループットに到達するためのネットワーク帯域が十分に用意されているにも関わらず、目標送信スループットに到達するまでに送信スループットの変化がなくなった場合、ネットワーク状況が粗悪であると判断して目標送信スループットを抑制する。具体的には、1秒間受信スループットに変化がない時、その受信スループット値を目標スループットとする。
(ハ)スループット評価(目標スループット値の設定)にプロセス制御技術(例えば上記PID制御技術)を用い、即応性、継続性、予見性を含めた予測を行う技術。具体的にはプロセス制御として上記PID制御を用い、その時刻までのスループット値の偏差(P)、偏差の累計(I)、前回の偏差との差(D)の総和により目標スループット値を求める。
図3に示すように、パケット受信側はパケット受信とは独立に定常的にACK送信を行う。また、パケット送信側もACK確認とは独立にデータ送信を行うことで、通信速度の劣化を回避する。図3はパケットロスがない場合を示すが、パケットロスがある場合には、図6に示す様に、パケット受信側が固定送信間隔で送信したACKをパケット送信側で受信した際に、パケット受信側でパケットロスが判明したパケットのシーケンス番号を、パケット受信側からのフィードバック情報のひとつとして、パケット送信側がデータロス率とともに取得する。パケット送信側は、このパケットのシーケンス番号に基づいて再送信を行う。その際、本発明では、通常送られるパケット(通常パケット)とパケットロスの送信の割合をデータロス率で決めて送信する。これにより、リアルタイム性を損なわない送信が実現できる。また、ACKパケットロスによりパケット受信側が送出したACKパケットがパケット送信側に届かない時は、過大な輻輳が発生したと判断して、一定時間タイムアウトによるパケットの再送信を行う。ACKパケットロス時の再送制御は、リアルタイム性よりもデータ修復を優先し、ロストパケットのみの再送を行う。
(イ)再送要求リストとデータロス率をACKパケットでサーバ側(受信側)からクライアント側(送信側)に送信する。
(a)受信側が受信したパケットのシーケンス番号が連番でなく、かつ過去受信したパケットの最大シーケンス番号より大きい時、抜けたシーケンス番号のパケットがデータロスしたパケットであると判断する。
(b)ロスしたパケットのシーケンス番号が連番の場合、再送要求リストの開始番号と終了番号にロスしたパケットの連番開始番号と終了番号を格納する。
(c)ロスしたパケットのシーケンス番号が連番でない場合、再送要求リストの開始番号と終了番号にロスしたパケットのシーケンス番号を格納する。
(d)受信側が受信したパケットのシーケンス番号が過去受信したパケットの最大シーケンス番号より小さく、再送リストに載せられているシーケンス番号である時、受信したパケットのシーケンス番号を再送要求リストから削除する。
(a)通常状態には、ACKパケットで受け取ったパケットロス率からパケットロス率の3倍を全送信パケットの再送信転送配分にする。ただし、再送率は最低30%とする。
(b)受信バッファ飽和状態には、再送パケットを再優先で送信する。
(c)パケット送信時には、上記再送率を、例えば、「パケット100回送信ごとの再送パケット送信回数」に変換して送信する。
(ニ)ACKが送信側に届かない場合には、大きな輻輳が発生してデータパケットがサーバ側(受信側)に届かなかったと判断して一定時間タイムアウトによる再送信を行う。タイムアウトする一定時間は、RTO(Retransmission Time Out)として算出する。RTOは転送パケットのRTTからRTOを計算するが、ネットワークの状態によってRTT時間は大きく変動するのでRTT時間を平滑して用いる。例えば、以下の300msはACK送信間隔の1.5倍として経験的に定義した。
パケット送信側は、(1)パケット受信側で使用可能なバッファの使用率閾値と、そのバッファの使用率閾値に達するまでのバッファ飽和時間の閾値と、を設定し、(2)パケット受信側から取得した受信バッファの使用率からそのバッファが飽和するまでの予測時間を計算する。(3)受信バッファの使用率が上記使用率閾値を、あるいは、上記予測時間が上記バッファ飽和時間の閾値を、超えた場合、バッファが溢れると判断して送信側の送出する情報量を抑制する。
(イ)送信側が受信側から取得した受信バッファの使用率と現在の送信スループットから受信バッファが飽和するまでの時間を予測計算する。
(ハ)送信側が、受信側から取得した受信バッファの使用率が受信バッファの使用率閾値を超えた場合、現状の送信スループットを維持すると受信バッファがあふれると判断して送信側の送信スループットを抑制する。上記(b)に対応する。
(ニ)送信側が受信側から取得した受信バッファの使用率がバッファ飽和時間の閾値を超えた場合、現状スループットを維持するとバッファがあふれると判断して、送信側のスループットを抑制する。上記(b)に対応する。
(ホ)受信バッファ飽和時間を予測する。ACKパケット中のバッファ使用率データから、そのバッファ使用率が由来する受信バッファが飽和する時刻を予測する。例えば、直前1秒間のデータから飽和予想時間を算出する。
経路の許容する値で確認できる最大のMTUサイズを知り活用する(Path MTU Discovery)。UDPベースで実装するためDF(分割禁止)フラグ(IPヘッダに含まれる)によりICMP(Internet Control Message Protocol)実装におけるPath MTU Discovery 相当のMTU探索機構を実現できる。DFフラグをセットしたパケットを様々なセグメントサイズで送信することで、応答が確認できたサイズにより宛先に届く最大パケットサイズを確認する。この仕組みによってMTUサイズにほぼ近い単位でパケット送出を制御し、ヘッダオーバーヘッドによる帯域およびパケットカウントを無駄に消費せずに、パケット数の最小化とスループットの最大化を達成できる。近年のインターネット環境ではICMPを遮断したルータ設定(つまりファイアウォール)が多く、経路上のPath MTU Discovery 相当の探索が難しいが、本発明ではUDPを用いることでこの問題を解決する。
(イ)探索するMTUの区間を例えば10段階に分割し、DFフラグをセットして送信し、パケットの到達が確認できる最も大きなサイズを求める処理を再帰的に繰り返す。探索コストを抑えるため、正確なPath MTUを求めるのではなく誤差を最大で例えば10バイト許容する。
経路上のRTTを定期的に測定し、これに応じてフロー制御を行うことで変動する様々な環境下での応答性能を確保する。具体的には、送信側は送信パケットにRTTフラグをセットし、RTT応答パケットが到着する時刻でRTTを求める。この手法そのものに新しさはないが、これを本発明に適用することにより即応性の高い輻輳制御を実現できる。
(イ)TCPでのコネクションの確立に使用されるスリーウェイハンドシェイク(3way-handshake)の期間中にRTTを測定する。具体的には、データ送受信開始前にRTTを測定しておく。
(ロ)また、通信中に定期的にRTTを測定する。具体的には、1秒毎にRTTを測定するパケットを送信する。
受信側(サーバ側)において、受信パケットを計測しパケットロス率を評価する。具体的には、ある時点で次に受信期待するシーケンス番号と受信したパケットのシーケンス番号とを比較し、番号の差をロスサイズ(バイト)として累積カウントする。ただし、期待するより一定区間前のシーケンス番号は到着順序の入れ替わりとみなし、既に累積カウントされたロスサイズからデータ長を差し引いてパケットロスとしては累積カウントしないようにする。シーケンス番号が進んだ分に対するロスサイズをパケットロス率とする。このパケットロス率から回線状態を測定し、パケットロス率が変化しない場合のフロー制御等に使用する。この様な算出自体は公知であるが、これにより本発明の再送制御において全送信量に対する再送量が決定され、効率のよい再送処理を実現できる。
上記データ通信制御方式を組み込むことで、各種のアプライアンス製品開発も可能である。例えばピーク帯域を継続的に必要とするシンプルなスイッチに組み込む実アプリケーションには、中間ネットワーク機器の特性を利用して、端末間帯域を確保するための手法として有効に用いることが出来る。
2 AUSAccept
3 AUSSend
4 AUSRecv
5 AUSSend
6 AUSRecv
7 送信スレッド
8 送信バッファ
9 受信バッファ
10 送信スレッド
11 送信バッファ
12 受信バッファ
13 管理スレッド
14 受信スレッド
15 SOCKET API
16 NIC
100 ユーザスレッド
200 AUSOCK ライブラリ
Claims (6)
- 10Gbit毎秒以上の伝送帯域を持った長距離広帯域ネットワーク(LFN)で伝送量が時間的に変動する高信頼パケット通信を行う際のデータ通信制御方法であり、該LFNはそのLFNで送受信を行う使用者からみてパケット伝送損失が発生するものであって、
(1)肯定応答(ACK)返信を所定の等時間間隔で行う事で上記LFNでの伝送遅延による影響を抑制し、かつ、
(2)上記パケット伝送損失について、その損失割合を求め、該損失割合から上記パケット伝送損失に対する再送要求を決定して上記LFNの負荷変動による影響を制御し、かつ、
(3)パケット送信においては、設定可能な最大伝送可能情報レートを探索し、探索された上記最大伝送可能情報レート以下の所定の伝送可能情報レートについて、上記パケット送信の送信レートを上記所定の伝送可能情報レートに収束させる送信レート制御を所定の時間間隔で行うことで輻輳制御を行う、
ことを特徴とする、負荷変動およびパケット伝送損失があるLFN伝送路で高信頼通信を行うためのデータ通信制御方法。 - 上記送信レート制御手段は、データ送信において所定の目標スループット性能を実現するようにパケットの送信間隔を制御する制御手段であることを特徴とする請求項1に記載の、負荷変動およびパケット伝送損失があるLFN伝送路で高信頼通信を行うためのデータ通信制御方法。
- パケットの送信間隔を制御する上記制御手段は、所定の時点のスループット予測結果がその前回測定時のスループットより、(1)大きい場合は、目標値との差分値の小数(1未満の値)倍分を加算することで立ち上がりを急勾配にし、(2)小さい場合は、上記時点とその過去所定回分のスループット値を平均することで、目標スループットまでの到達時間を短くするものであることを特徴とする請求項2に記載の、負荷変動およびパケット伝送損失があるLFN伝送路で高信頼通信を行うためのデータ通信制御方法。
- 上記パケット通信の送信側では、その受信側で使用可能なバッファの使用率閾値と該バッファの飽和時間閾値を設定し、上記受信側から取得した受信バッファの使用率からバッファが飽和するまでの時間を予測する計算手段を有し、上記バッファの使用率閾値あるいは上記で予測された時間が上記バッファの飽和時間閾値を超えた場合、送信側で上記送信レート制御手段を用いて送信レートを抑制するものであることを特徴とする請求項1から3のいずれか1つに記載の、負荷変動およびパケット伝送損失があるLFN伝送路で高信頼通信を行うためのデータ通信制御方法。
- 上記パケット通信の受信側は、パケット受信とは独立に周期的にACK送信を行うものであり、一方、送信側では、送信側で受信した上記ACKとは独立にパケット送信を行うものであることを特徴とする請求項1から4のいずれか1つに記載の、負荷変動およびパケット伝送損失があるLFN伝送路で高信頼通信を行うためのデータ通信制御方法。
- 上記最大伝送可能情報レート探索を行う探索手段は、分割禁止フラグをセットしたパケットを様々なセグメントサイズで送信し、応答が確認できた最大セグメントサイズから最大パケットサイズを見出して最大伝送ユニット(MTU)サイズとして用いるものであることを特徴とする請求項1から5のいずれか1つに記載の、負荷変動およびパケット伝送損失があるLFN伝送路で高信頼通信を行うためのデータ通信制御方法。
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