JP4708978B2 - 高スループットを実現する通信システム、通信端末、セッション中継装置、及び通信プロトコル - Google Patents

高スループットを実現する通信システム、通信端末、セッション中継装置、及び通信プロトコル Download PDF

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Description

本発明は、通信システム、通信端末、セッション中継装置、及び通信プロトコルに関し、特に、パケット廃棄の頻度が高い場合でも高いスループットを維持可能な通信システム、通信端末、セッション中継装置、及び通信プロトコルに関する。
インターネットにおけるデータ通信用の第四層プロトコルとして最も多く用いられているプロトコルとして、TCP (Transmission Control Protocol)が知られている。TCPを用いることにより、端末間で信頼性の高い、すなわち通信途中でのデータの消滅のない通信を実現することが出来る。また、TCPは、ネットワークの輻輳状況に応じて輻輳ウインドを適切に調整する輻輳制御機能を備えている。ネットワークが輻輳していない場合は、輻輳ウインドを大きく設定することで送信帯域を増加させ、ネットワークが輻輳している場合には輻輳ウインドを小さく設定することで送信帯域を減少させている。
TCPには多くのバージョンがあり、その中で最も広く普及しているバージョンはTCP-Reno (W. Stevens, “TCP Slow Start, Congestion Avoidance, Fast Retransmit, and Fast Recovery Algorithms,” RFC2001, Jan 1997) である。TCP-Renoでは、パケット廃棄を検出すると、ネットワークが輻輳状態にあると判断し、輻輳ウインドを半分に減少させることで、送信帯域を減少させる。一方、パケット廃棄を検出していない場合には、ネットワークが輻輳状態にないと判断し、輻輳ウインドを線形に増加させる。
TCP-Renoでは、特に無線回線のように、輻輳以外の原因でパケット廃棄が発生する際には高いスループットが得られないという問題がある。例えば、無線回線のエラーによりパケットが失われた場合、この時輻輳が発生していなくても、TCP-Renoでは輻輳が発生したと判断し、輻輳ウインドを減少させてしまう。輻輳以外の原因によるパケット廃棄に対処するため、従来、以下のような技術が提案されている。
第一の従来技術は、パケット廃棄が発生した際、ネットワークから端末に対してパケット廃棄が輻輳によるものであるか否かに関する何らかの情報を与えるものである。特開2004-80413には、回線のエラーによりパケット廃棄が発生した際、受信端末から送信端末に対してELN (Explicit Loss Notification)情報を送信し、送信端末はパケット廃棄が輻輳によるものであるときのみ輻輳ウインドを減少させる方式が示されている。特開平11-243419でも同様の方式が示されている。また、特開2000-253096は、無線回線の品質を送信端末に与えることにより、無線回線の品質が悪いときには無線回線に適した制御手法により輻輳ウインドを制御する方法を開示している。
第二の従来技術は、パケット廃棄が発生した際、これが輻輳によるかどうかには関係なく、輻輳ウインドを変更しているが、その際、一律に輻輳ウインドを半分に変更するのではなく、状況に応じて適切な値に輻輳ウインドを設定するものである。特開2004-32218、あるいは、文献[C. Casetti, M. Gerla, S. Mascolo, M. Y. Sanadidi, and R. Wang, “TCP Westwood: Bandwidth Estimation for Enhanced Transport over Wireless Links”, In proc. of Mobicom 2001] では、送信中常に該TCPセッションが利用可能な帯域の計測を行ない、パケット廃棄が発生した際には、前記帯域を用いて最適に輻輳ウインドの更新を行なう方式が示されている。これらの方式では、たとえ回線のエラーによってパケット廃棄が発生した場合でも、輻輳ウインドを単純に半分に設定するのではなく、 最適に輻輳ウインドの更新が行なわれるため、パケット廃棄によるスループットの低下が発生しない。
第一の従来技術の問題点は、ネットワークに端末に対してパケット廃棄の原因や無線回線の状態を通知する機構が必要であるため、導入が難しいことである。特に、無線回線に接続された端末が、無線回線に接続されていない不特定多数の端末と通信を行なう場合、無線回線に接続された端末に前記機構を導入することは難しくないが、無線回線に接続されていない不特定多数の端末全てに対して前記機構を導入することは容易ではない。また、通常の有線回線においてエラーによるパケット廃棄が発生する場合、このような有線回線全てに対して前記機構を導入することは容易ではない。
第二の従来技術の問題点は、ネットワークを共有する既存のTCPセッションとの共存が難しいことである。これらの技術を用いたTCPセッションでは、パケット廃棄がたとえ輻輳によるものであったとしても、既存のTCPセッションとは異なる輻輳ウインドの更新を行なう。そのため、これらの異なるTCPセッションがネットワーク内で共存する場合、特に大部分のパケット廃棄が輻輳によるものである場合、既存のTCPセッションのみが高いスループットを得たり、また逆に、既存のTCPセッションのスループットが大きく低下したりするといった問題が発生する。
そこで、本発明の第１の目的は、ネットワークから端末に対して情報を通知する機構を必要とせず、端末のプロトコル処理のみで高スループットを実現することにより、導入を容易にすることである。
本発明の第二の目的は、新たに導入したTCPセッションと既存のTCPセッションが共存した場合には、それぞれが公平に帯域を分け合うことにより、これらのTCPセッションが一つのネットワークの中で共存できるようにすることである。
上記目的を達成する本発明は、端末及び端末間の通信を中継するセッション中継装置を含む通信システムにおいて、各端末が、ネットワーク内での片道あるいは往復の遅延時間を計測する手段と、ネットワークが輻輳したと判定する遅延時間の閾値を決定する手段と、パケット廃棄を検出した時の遅延時間と前記閾値から該パケット廃棄が輻輳によるものである可能性を推定する手段とを有する通信システムが得られる。パケット廃棄を検出した際には、前記可能性を基づいて輻輳ウインドが変更される。そのため、ネットワークから端末に対して情報を通知する機構を必要としない。また、輻輳によるパケット廃棄に対して、現存するTCPセッションと同様に輻輳ウインドの変更を行なうことができる。
通信システム、端末、セッション中継装置では、以下のような効果が得られる。
第１に、ネットワークから端末に対して情報を通知する機構を必要とせず、端末のプロトコル処理のみで高スループットを実現する。スループット向上のための機構の導入が容易である。
第２に、新たに導入したTCPセッションと既存のTCPセッションが競合した場合には、それぞれが公平に帯域を分け合うように動作する。そのため、これらのTCPセッションが一つのネットワークの中で問題なく共存することができる。
次に、図面を参照して、本発明の実施例について説明する。
図１を参照すると、端末1は、送信データを発生するデータ発生部1-1と送信データをネットワークに出力するデータ送信制御部1-2とを有している。
データ送信制御部1-2は、ネットワークに対してパケットを送信するパケット送信部1-3、ネットワークからパケットを受信するパケット受信部1-4、パケット廃棄の有無より輻輳の発生を判定する輻輳判定部1-5、輻輳ウインドの増減を行う輻輳ウインド決定部1-6、ネットワーク内の待ち行列遅延を計測する遅延計測部1-7、輻輳と判断すべき待ち遅延時間の閾値を決定する輻輳時遅延推定部1-8、パケットの廃棄原因が輻輳によるものである可能性を推定し輻輳ウインドの減少率を決定する輻輳ウインド減少率決定部1-9、で構成される。
図１及び図２を参照して、本実施例の動作について説明する。
データ発生部1-1において送信データが発生すると、送受信端末間にTCPコネクションが開設され、データの送信が開始される。この例では、図示された端末１は送信端末或いは受信端末として使用されているものとする。パケット送信部1-3は現在の輻輳ウインドの値に従って、発生したデータをパケット化してネットワークに出力する。このとき、輻輳ウインドの値が大きければ一度に多くのパケットをネットワークに出力できるため高いスループットが得られ、輻輳ウインドの値が小さいときにはスループットが低くなる。
端末１がパケットを受信端末に送信すると、これらのパケットに対して受信端末より受信確認パケット(ACKパケット)が端末１に送り返される。ACKパケットは、パケット受信部1-4で受信される。輻輳判定部1-5では、送信パケットに対して正しくACKパケットが受信されたかを確認し、もし正しく受信できていれば輻輳が発生していないと判断する。一方、送信パケットに対して正しくACKパケットが受信されない場合、パケット廃棄が発生したと判断する。輻輳ウインド決定部1-6では、輻輳が発生していない場合には、スループットを増加できると判断し、輻輳ウインドを増加させる。一方、パケット廃棄が発生した場合には、以下のように廃棄原因が輻輳であるか否かの判定結果から輻輳ウインドの減少率を決定し、輻輳ウインドの調整を行う。
パケット廃棄が発生すると、まず遅延計測部1-7においてパケット廃棄検出時の遅延時間を計測する。遅延計測部1-7では常に往復遅延時間(RTT)を計測しており、その最小値はネットワークの往復の伝播遅延と考えてよい。そこで、パケット廃棄検出時のRTTから最小RTTの値を引けば、パケット廃棄検出時の遅延時間を計測できる。
次に、輻輳時遅延推定部1-8では、パケット廃棄検出時に測定された遅延時間を統計的に処理して、輻輳と判断する遅延時間の閾値を決定する。例えば、あらかじめ設定しておいた下限値以上のパケット廃棄を検出した際に、遅延時間の平均を計算し、平均を前記閾値とする。また、別の例としては、パケット廃棄検出時の遅延時間の分布を作成し、最も分布頻度の高い遅延時間を前記閾値とする。
輻輳ウインド減少率決定部1-9では、パケット廃棄検出時の遅延時間と、輻輳と判断する遅延時間の閾値を比較し、輻輳ウインドの減少率を決定する。ここでは、前記遅延時間が閾値よりも大きい場合には、パケット廃棄の原因は輻輳であるとして、輻輳ウインドの減少率を50%とする。一方、前記遅延時間が閾値よりも小さくなるに従って、パケット廃棄の原因は輻輳以外である可能性が高いと判断し、徐々に輻輳ウインドの減少率を大きくする(従って輻輳ウインドの下げ幅が小さくなる)。例えば、輻輳ウインドの減少率は以下のように決定する。
輻輳ウインド減少率 ＝ 閾値 / (閾値 + 遅延時間)

最後に、輻輳ウインド決定部1-6では、パケット廃棄検出時に、以下のようにスロースタート閾値および輻輳ウインドの値を設定する。
スロースタート閾値 ＝ 輻輳ウインド x 輻輳ウインド減少率
輻輳ウインド ＝ スロースタート閾値
本実施例においては、パケット廃棄検出時にその原因が輻輳であるかどうかを判定して輻輳ウインドがリセットされる。このため、輻輳以外の原因でパケット廃棄が発生し、これにより、リンク利用率が低い状況においては、スループットを向上させることが出来る。また、リンク利用率が十分に高く、パケット廃棄の主な原因が輻輳によるものである場合、不必要にスループットを向上させること無く、同じボトルネックを共有する従来のTCPセッションと公平に帯域を分け合うことが出来る。
図３を参照すると、本発明の実施例２に係る端末２は、送信データを発生するデータ発生部2-1と送信データをネットワークに出力するデータ送信制御部2-2で構成される。
データ送信制御部2-2は、実施例1におけるデータ送信制御部1-2の構成に加えて、該TCPセッションが使用している帯域を計測する使用帯域計測部2-10、経路上で最も帯域の小さな回線の帯域を計測する回線帯域計測部2-11、回線の利用率が低い時にパケット廃棄を検出した際には輻輳ウインドを増加させる輻輳ウインド増加率決定部2-12を有している。
図３及び図４を参照して、実施例２の動作を説明する。パケット廃棄検出の際の動作以外の本実施例２の動作は、実施例１と同様である。また、同様に動作する部分については説明を省略する。本実施例においては、ACKパケットを受信した際、RTTの計測を行うだけでなく、該TCPセッションが使用している帯域と、経路上で最も帯域の小さな回線の帯域の計測も行う。ここで、使用帯域は、輻輳ウインドの値をRTTで割ったもので求めても良いし、一定時間内に受信確認できたデータ量から求めても良い。また、後者の回線帯域は、隣接して到着した2つの受信確認パケットを用い、受信確認されたデータ量をその時間間隔で割ったもので求めても良い。このような帯域の計算については、文献[R. Wang, M. Valla, M.Y. Sanadidi, B. K. F. Ng, and M. Gerla, "Efficiency/Friendliness Tradeoffs in TCP Westwood", Seventh IEEE Symposium on Computers and Communications, 2002] に詳しく述べられているため、ここではその詳細についての説明は省略する。
パケット廃棄を検出した際、まず、第一の実施例と同様に、遅延計測部2-7、輻輳時遅延推定部2-8、輻輳ウインド減少率決定部2-9を用いて輻輳ウインドの減少率を決定する。
本実施例ではさらに、パケット廃棄時の遅延時間が輻輳と判定する閾値に比べて非常に短い場合には、回線利用率が非常に低いと判断して、パケット廃棄時に輻輳ウインドを増加させる処理を行う。輻輳ウインド増加率決定部2-12では、パケット廃棄時の遅延時間が非常に短い場合は、輻輳ウインド増加率を(回線帯域/使用帯域)まで増加させることで、スループットを回線帯域まで増加させる。そして、パケット廃棄時の遅延時間が長くなるに従って、輻輳ウインド増加率を1に漸近させ、回線利用率が低くない場合には不必要に輻輳ウインドを増加させない。例えば、輻輳ウインド増加率は以下のように決定する。
Figure 0004708978
輻輳ウインド増加率 ＝ (1-U)*1 + U*(回線帯域/使用帯域)

ここで、Uは回線利用率が非常に低いことをあらわす変数であり、αは遅延時間が閾値に近い場合にUが0に漸近するように設定された定数である。以上の式では、回線利用率が低い場合にはUが1となり、輻輳ウインド増加率が(回線帯域/使用帯域)となる。一方、回線利用率が高い場合にはUが0となり、輻輳ウインド増加率は1となる。
最後に、輻輳ウインド決定部2-6では、パケット廃棄検出時に、まず以下のようにスロースタート閾値を設定する。
スロースタート閾値 ＝ 輻輳ウインド x 輻輳ウインド減少率 x 輻輳ウインド増加率

そして、もしスロースタート閾値が輻輳ウインドよりも小さくなった場合は
輻輳ウインド ＝ スロースタート閾値

とする。
本実施例においても、第一の実施例と同様の効果がある。さらに、本実施例では、パケット廃棄率が高く、回線利用率が非常に低い場合には、パケット廃棄時に輻輳ウインドを増加させる機構によって、さらにスループットを向上させることが可能である。
図５を参照すると、本発明の第３の実施例に係る端末３は、送信データを発生するデータ発生部3-1と送信データをネットワークに出力するデータ送信制御部3-2で構成される。
データ送信制御部3-2は、遅延計測部2-7が遅延推定部3-13に置き換えられている点以外、実施例２におけるデータ送信制御部2-2と同様な構成を備えている。但し、他の部分3-3〜3-12には、図3の2-3、2-12とは異なる番号が付されている。
実施例３の動作は以下の点において実施例２の動作と異なっている。
実施例２においては、遅延計測部においてRTTの計測を行っている。一方、本実施例３おいては、使用可能帯域計測部3-10で計測した使用可能帯域を用い、RTTの推定値を生成している。特に、RTTの推定値は現在の輻輳ウインドの値を使用帯域で割ることによって得られている。
本実施例３は本質的に実施例２と同様であり、実施例２と同様の効果が得られる。ただし、本実施例３ではRTTを測定ではなく推定しているため、無線回線のように下位レイヤでパケットの再送を行うためRTTを正しく計測できない場合でも適用が可能である。
図６を参照して、本実施例４として、セッション中継装置及びこれを用いた通信システムを説明する。本通信システムは、送信端末5、受信端末6、及びこれらの端末間の通信を中継するセッション中継装置4で構成される。本実施例４においては、送信端末5から受信端末6へと直接TCPセッションを用い通信を行なうのではなく、送信端末5からセッション中継装置4へのTCPセッションとセッション中継装置4から受信端末6へのTCPセッションの2つのTCPセッションを用い、セッション中継装置4でこれらのTCPセッション間のデータ中継処理をして通信を行なう。
送信端末5は、送信データを発生するデータ発生部5-1と送信データをネットワークに出力するデータ送信制御部5-2で構成される。データ送信制御部5-2は本発明によるデータ送信制御部であっても良いし、従来技術によるデータ送信制御部であっても良い。受信端末6は、対向する送信制御部が送信したパケットを受信してデータを取り出すデータ受信制御部6-14で構成される。データ受信制御部6-14は、TCP通信における一般的な構成と同様である。
セッション中継装置4は、データ受信制御部4-14とデータ送信制御部4-2で構成される。データ受信制御部4-14は、TCP通信における一般的な構成と同様であり、データ送信制御部4-2の構成は、第一の実施例におけるデータ送信制御部の構成と同様である。
以下では、送信端末5から受信端末6へ向けたデータ転送の動作について説明する。
送信端末5のデータ発生部5-1で発生したデータは、データ送信制御部5-2によってパケット化されネットワークに出力される。これらのパケットは受信端末6のデータ受信制御部6-14ではなく、セッション中継装置4のデータ受信制御部4-14が受信する。データ受信制御部4-14は受信したパケットに対してACKパケットを返送すると同時に、このパケットからデータを取り出しデータ送信制御部4-2へと渡す。データ送信制御部4-2は、第一の実施例の処理と同様のパケット出力処理を行ない、最終的に受信端末6のデータ受信制御部6-14がこれらのパケットを受信する。
本実施例では、送信端末とセッション中継装置との間は従来のTCP方式で通信を行ない、セッション中継装置と受信端末との間は本発明による高スループットなTCP方式で通信を行なうことが可能となる。従って、セッション中継装置と受信端末の間の回線品質が低い場合でも、送信端末と受信端末間でスループットの高いTCP通信を実現することができる。
本実施例では、送信端末及び受信端末は従来のTCP方式のまま変更が不要であるため、既存端末に変更を加えることなくセッション中継装置を導入するだけでスループットの向上が可能となる。
本発明の第１の実施例による端末の構成を示すブロック図である。 本発明の第１の実施例の動作を示すフローチャートである。 本発明の第２の実施例による端末の構成を示すブロック図である。 本発明の第２の実施例の動作を示すフローチャートである。 本発明の第３の実施例による端末の構成を示すブロック図である。 本発明の第４の実施例によるセッション中継装置及びこれを用いた通信システムの構成を示すブロック図である。

Claims (12)

  1. ネットワークを介して通信可能な通信システム用端末において、
    ネットワーク内での往復の遅延時間を検出する検出部と、
    ネットワークに輻輳が生じたことを判定する遅延時間閾値を決定する決定部、及び、
    パケット廃棄を検出した時の遅延時間及び前記遅延時間閾値に基づいて、前記パケット廃棄の原因が輻輳或いは輻輳以外によるものであることを推定する推定部を備え、前記パケット廃棄を検出した際には、前記推定部における推定結果に基づいて、前記輻輳或いは前記輻輳以外による場合、前記原因に応じて互いに異なる量だけ、輻輳ウインドを変更することを特徴とする端末。
  2. ネットワークを介し、複数の端末間の中継通信用セッション中継装置を通して、複数端末間でデータの送受信を行う通信システムにおいて、前記複数の端末を形成する各端末が、ネットワーク内での往復の遅延時間を検出する検出部と、ネットワークが輻輳したと判定する遅延時間閾値を決定する決定部と、パケット廃棄を検出した時の遅延時間と前記遅延時間閾値に基づいて、該パケット廃棄の原因が輻輳或いは輻輳以外によるものであることを推定する推定部とを有し、前記パケット廃棄を検出した際には、前記推定部における推定結果に基づいて、前記輻輳或いは前記輻輳以外による場合、前記原因に応じて互いに異なる量だけ輻輳ウインドを変更することを特徴とする通信システム。
  3. 請求項２に記載の通信システムであって、
    ネットワークが輻輳したと判定する前記遅延時間閾値を決定する前記決定部が、パケット廃棄を検出した際に遅延時間を計測し、過去に計測された遅延時間を統計的に処理して前記遅延時間閾値を決定することを特徴とする通信システム。
  4. 請求項２に記載の通信システムであって、
    ネットワークが輻輳したと判定する前記遅延時間閾値を決定する前記決定部が、パケット廃棄を検出した際に遅延時間を計測し、計測された前記遅延時間の平均を用いて前記閾値を決定することを特徴とする通信システム。
  5. 請求項２に記載の通信システムであって、
    ネットワークが輻輳したと判定する前記遅延時間閾値を決定する前記決定部が、パケット廃棄を検出した際に遅延時間を計測して、計測された前記遅延時間の分布を作成し、最も分布密度が高い遅延時間を前記閾値と決定することを特徴とする通信システム。
  6. 請求項２に記載の通信システムであって、
    パケット廃棄の原因が輻輳或いは輻輳以外によるものであることを推定する前記推定部が、パケット廃棄検出時の遅延時間が前記遅延時間閾値よりも大きい場合には該パケット廃棄が輻輳によるものであると推定し、パケット廃棄検出時の遅延時間が前記遅延時間閾値よりも小さい場合、該パケット廃棄が輻輳以外によるものであると推定することを特徴とする通信システム。
  7. 請求項２に記載の通信システムであって、
    パケット廃棄検出時に輻輳ウインドを変更する際、前記推定部において、該パケット廃棄が輻輳によるものであると推定された場合、輻輳ウインドを半分に減少させ、該パケット廃棄が輻輳以外によるものと推定された場合、前記輻輳ウインドを減少させないことを特徴とする通信システム。
  8. 請求項２に記載の通信システムは、
    回線の利用率を計測する計測部分を有し、パケット廃棄を検出した際に、前記計測部分で計測した回線の利用率を参照して、輻輳ウインドを増減させることを特徴とする通信システム。
  9. 請求項８に記載の通信システムであって、
    回線の利用率を計測する前記計測部分が、前記遅延時間が前記遅延時間閾値との差に応じて前記回線の利用率を判定することを特徴とする通信システム。
  10. 請求項８に記載の通信システムが、
    回線帯域を測定する測定部と、該コネクションの使用帯域を測定する手段を有し、前記回線帯域、前記使用帯域、及び前記回線の利用率に基づいて輻輳ウインドを増減させることを特徴とする通信システム。
  11. 請求項２記載の通信システムが、
    コネクションの使用帯域を測定する測定手段を有し、前記使用帯域と輻輳ウインドの値よりネットワーク内の遅延時間を推定することを特徴とする通信システム。
  12. 複数の端末間に配置され、ネットワークを介して前記端末間の通信を中継するセッション中継装置において、
    ネットワーク内での片道或いは往復の遅延時間を検出する検出部と、
    ネットワークに輻輳が生じたことを判定する遅延時間閾値を決定する決定部、及び、
    パケット廃棄を検出した時の遅延時間及び前記遅延時間閾値に基づいて、前記パケット廃棄の原因が輻輳或いは輻輳以外によるものであることを推定する推定部を備え、前記パケット廃棄を検出した際には、前記推定部における推定結果に基づいて、前記パケット廃棄の原因に応じて互いに異なる量だけ、輻輳ウインドを変更することを特徴とするセッション中継装置。
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