JP6010502B2 - パケット処理方法及びパケット処理装置 - Google Patents

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Description

本発明は、パケット処理方法及びパケット処理装置に関する。
TCP(Transmission Control Protocol)/IP(Internet Protocol)のプロトコルに基づいて送信データを送信する場合、送信データを送信側装置でパケット化し、そのパケットを受信側装置に送信する。非特許文献1には、TCP/IPのプロトコルに基づいて送信データを送信する時に、輻輳を回避するために用いられる輻輳制御アルゴリズムの一例としてCUBICが示されている。
CUBICは、送信側装置が受信側装置からの確認応答を待たずに連続して送れるデータのサイズを制御する。
CUBICを用いる送信側装置は、パケットの廃棄が発生したときに、確認応答を待たずに連続して送れるデータのサイズを小さくし、パケットの廃棄が最後に発生してからの経過時間が短いときには、確認応答を待たずに連続して送れるデータのサイズをその経過時間に対して指数関数的に大きく増加させ、確認応答を待たずに連続して送れるデータのサイズが飽和点に近くなる時点で、確認応答を待たずに連続して送れるデータのサイズの増加をほぼ0に設定し、さらに時間が経過すると、再び確認応答を待たずに連続して送れるデータのサイズをゆっくり増加させる。
即ち、CUBICを用いる送信側装置は、連続して送れるデータのサイズを制御してデータ通信のトラフィックを制御し、輻輳の回避を図っている。
Lisong Xu著「CUBIC:A new TCP-Friendly High-Speed TCP Variant」ACM SIGOPS Operating System Review, Volume 42, Issue 5, July 2008、 p.64-74
上述のように、CUBICを利用したトラフィック制御方法は、確認応答を待たずに連続して送れるデータのサイズを変化させるので、トラフィックが制御される。しかしながら、このトラフィック制御方法は、確認応答を待たずに連続して送れるデータのサイズを制限するだけなので、瞬間的なバーストが繰り返して発生する。瞬間的なバーストでは、パケット廃棄等が発生する確率が高いので、パケットの廃棄により、パケットの再送が起きて送信レートが低下する。つまり、CUBICを利用したトラフィック制御方法は、送信データのデータ送信の効率が低くなる可能性が高いという問題があった。
本発明は、上述のような従来の問題を解決するためになされたもので、送信データのデータ通信の効率の低下を防ぐことができるパケット処理方法及びパケット処理装置を提供することを目的とする。
本発明のパケット処理方法は、送信側装置(10)からパケットを順次受け取り、該パケットを受信側装置(30)に送信するパケット処理装置(100)が行うパケット処理方法であって、前記受信側装置へ送信したパケットに対応して該受信側装置が送信する確認応答を受け取る応答受取処理(S60)と、前記受信側装置へ前記パケットを送信してから、該パケットに対応する前記確認応答を前記受信側装置から受け取るまでの時間をパケットの往復遅延時間として推定する往復遅延時間推定処理(S60)と、前記パケットに分けられて前記受信側装置に連続して送信されるデータのサイズを決定するサイズ決定処理(S70)と、前記サイズ決定処理で決定された前記データのサイズおよび前記往復遅延時間推定処理で推定された往復遅延時間に応じて、前記受信側装置に送信するパケットの送信レートを計算して更新する送信レート更新処理(S80)と、前記送信レート更新処理で更新された送信レートで前記パケットを均一な時間間隔で前記受信側装置に送信する送信処理(S90)と、を含む構成にしている。
この構成により、本発明のパケット処理方法では、パケット処理装置から受信側装置へ送信するパケットの送信レートが、サイズ決定処理で決定されたデータのサイズ及び往復遅延時間推定処理で推定された往復遅延時間に応じて更新され、その更新された送信レートでパケットが均一な時間間隔で受信側装置に送信される。
更新された送信レートで、パケットが均一な時間間隔で受信側装置に送信されるため、パケットの輻輳が回避され、パケット廃棄等の発生する確率が抑制され、バケットの再送により送信レートが低下することが抑制される。
なお、前記往復遅延時間推定処理は、前記受信側装置から前記パケット処理装置に前記確認応答が受け取られるたびに、行われてもよい。
この方法により、パケットの送信レートを常に最新の通信状況に応じたものとすることができる。
また、前記サイズ決定処理は、前記応答受取処理で受信された前記確認応答の受取状況に応じて、前記データのサイズを増減させてもよい。
この方法により、トラフィックの状況で確認応答の受取状況が変化しても、その変化に応じて、データのサイズが増減されるので、トラフィックに応じたパケットの送信速度を確保できる。
本発明のパケット処理装置は、送信側装置(10)からパケットを順次受け取り、該パケットを受信側装置(30)に送信するパケット処理装置(100)であって、前記受信側装置へ送信したパケットに対応して該受信側装置が送信する確認応答を受け取る応答受取部(130)と、前記受信側装置へ前記パケットを送信してから、該パケットに対応する前記確認応答を前記受信側装置から受け取るまでの時間をパケットの往復遅延時間として推定する往復遅延時間推定部(150)と、前記パケットに分けられて前記受信側装置に連続して送信されるデータのサイズを決定するサイズ決定部(160)と、前記サイズ決定部で決定された前記データのサイズおよび前記往復遅延時間推定部で推定された往復遅延時間に応じて、前記受信側装置に送信するパケットの送信レートを計算して更新する送信レート更新部(170)と、前記送信レート更新部で更新された送信レートで前記パケットを均一な時間間隔で前記受信側装置に送信する送信部(120)と、を含むことを特徴とする。
本発明のパケット処理装置では、パケット処理装置から受信側装置へ送信するパケットの送信レートが、サイズ決定部で決定されたデータのサイズ及び往復遅延時間推定部で推定された往復遅延時間に応じて更新され、その更新された送信レートでパケットが均一な時間間隔で受信側装置に送信される。
更新された送信レートで、パケットが均一な時間間隔で受信側装置に送信されるため、送信データの輻輳が回避され、パケット廃棄等の発生する確率が抑制され、バケットの再送により送信レートが低下することが抑制される。
本発明によれば、データ通信の効率の低下を防ぐパケット処理方法及びパケット処理装置を提供できる。
本発明の実施の形態のパケット処理装置とサーバ及びクライアントとを示す図である。 本発明の実施の形態のパケット処理装置を示すブロック図である。 パケット処理方法を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態のパケット処理装置の作用を説明する図である。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
先ず、構成を説明する。パケット処理装置100は、図1に示すように、送信データをパケット化して送信する送信側装置としてのサーバ10に接続されるとともに、WAN(Wide Area Network)20を介して、受信側装置としてのクライアント30に接続されている。
サーバ10は、伝送制御プロトコルとしてのTCP(Transmission Control Protocol)/IP(Internet Protocol)に従い、送信データにヘッダを付けてパケットとし、そのパケットをクライアント30へ向けて送信する。送信データに付されるヘッダには、発信元ポート番号、発信先ポート番号、発信元IPアドレス、発信先IPアドレス、シーケンス番号等の制御情報が含まれる。
クライアント30は、TCP/IPのプロトコルに従い、パケット化された送信データを受信し、それに対応する確認応答(アクノリッジメント)をサーバ10に向けて送信するとともに、受信した送信データに対して所定の処理を行う。クライアント30がサーバ10に向けて送信する確認応答には、クライアント30が受信可能なデータのサイズの情報等が含まれるとともに、発信元ポート番号、発信先ポート番号、発信元IPアドレス、発信先IPアドレス、確認応答番号等の制御情報が含まれる。
パケット処理装置100は、サーバ10の送信するパケットとクライアント30が送信する確認応答を中継する。
サーバ10は、輻輳制御アルゴリズムを用いる。サーバ10で用いる輻輳制御アルゴリズムとしては、例えばCUBICを用いてもよい。
輻輳制御アルゴリズムは、クライアント30からの確認応答を待たずにサーバ10が連続して送信できるデータのサイズを求める。サーバ10は、輻輳制御アルゴリズムで求めた連続して送信できるデータのサイズを、クライアント30へ連続して送信できるデータのサイズとして設定する。なお、サーバ10は、輻輳制御アルゴリズムで求めたデータのサイズとクライアント30が受信可能なデータのサイズとを比較し、小さい方をクライアント30へ連続して送信できるデータのサイズとして設定してもよい。
パケット処理装置100は、図2に示すように、送信パケット受取部110と、パケット送信部120と、応答受取部130と、応答送信部140と、往復遅延時間推定部150と、サイズ決定部160と、送信レート更新部170と、を備えている。送信パケット受取部110、応答受取部130、応答送信部140、往復遅延時間推定部150、サイズ決定部160、及び送信レート更新部170は、CPU(Central Processing Unit)及びメモリで構成することも可能である。
送信パケット受取部110は、サーバ10に接続され、サーバ10からクライアント30へ送るパケットをサーバ10から順次受け取るとともに、受け取ったパケットをパケット送信部120に出力する。
パケット送信部120は、パケットキュー121と、スケジューラ122とを備える。パケットキュー121は、送信パケット受取部110から逐次与えられるパケットを、パケットキューの最後尾に格納する。スケジューラ122は、パケットキュー送信レートに基づいて、パケットの送信レートが均一になるようにパケットを送出する時刻を決定し、その時刻まで時間が経過したとき、パケットキューの先頭からパケットを取り出し、クライアント30へパケットを送信する。また、パケット送信部120は、クライアント30へ送信したパケットのヘッダに示された制御情報を往復遅延時間推定部150及びサイズ決定部160に与える。
パケット送信部120のスケジューラ122が参照するパケットキュー送信レートは、送信レート更新部170が、逐次、更新する。
応答受取部130は、クライアント30がサーバ10に向けて送信する確認応答を受け取り、応答送信部140へ出力する。また、応答受取部130は、クライアント30から受け取った確認応答のヘッダに示されている制御情報を往復遅延時間推定部150及び送信レート更新部170に与えるとともに、確認応答をサイズ決定部160に与える。
応答送信部140は、サーバ10と接続され、応答受取部130から受信した確認応答をサーバ10に送信する。
往復遅延時間推定部150は、内部に図示しないタイマを有し、パケット処理装置100がクライアント30にパケットを送信し、そのパケットに対応する確認応答がクライアント30から戻ってくるまでの時間を測定し、その時間をパケットの往復遅延時間(Round-Trip Time)として推定する。
なお、往復遅延時間推定部150は、パケットに記録された時刻情報を使用して往復遅延時間を推定してもよい。また、往復遅延時間は、1回の測定結果に限らず、最大値、平均値、最小値などの複数の測定結果から推定した値を使用してもよい。
サイズ決定部160は、輻輳制御アルゴリズムを用い、応答受取部130で受け取った確認応答に基づいて、サーバ10が確認応答の受信をしなくても連続してクライアント30に送信できるデータのサイズを決定する。なお、サイズ決定部160とサーバ10が使用する輻輳制御アルゴリズムは同一でなくともよい。
送信レート更新部170は、パケット処理装置100からクライアント30に向けて送信する送信パケットの送信レートの設定と更新を行うブロックであり、サイズ決定部160で求めた連続してクライアント30に送信できるデータのサイズを、往復遅延時間推定部150で求めた往復遅延時間で割った商に比例する値を求め、その値をパケット送信部120のスケジューラ122が出力するパケットの送信レートとして設定する。
送信レート更新部170は、応答受取部130がクライアント30から確認応答パケットを受信したとき、スケジューラ122のパケットキュー送信レートを更新する。なお、送信レート更新部170は、一定の時間間隔など、別のタイミングでパケットキュー送信レートを更新してもよい。また、送信レート更新部170は、コネクションを接続した直後において、輻輳制御アルゴリズムの初期値に基づいてパケットキュー送信レートの初期値を計算し、スケジューラ122に設定する。
送信レート更新部170は、パケット送信部120に対し、TCP/IPのコネクションごとに特定のパケットキューを指定する。なお、送信レート更新部170は、複数のTCP/IPコネクションごとに1つのパケットキューを指定してもよい。この場合、送信レート更新部170は、複数のコネクションの送信レートの合計値をパケットキュー送信レートとして設定する。
次に、パケット処理装置100が行うパケット処理方法を、図3を参照して説明する。
サーバ10は、クライアント30との間にコネクションを確立する場合、通信許可申請用のパケットをクライアント30に向けて送信する。
通信許可申請用のパケットのヘッダには、発信元ポート番号、発信先ポート番号、発信元IPアドレス、発信先IPアドレス、シーケンス番号等の制御情報が示される。パケット処理装置100は、通信許可申請用のパケットを受信したとき、コネクション確立処理(ステップS10)を行う。
ステップS10において、パケット処理装置100は、通信許可申請用のパケットを送信パケット受取部110で受け取り、パケット送信部120に転送する。パケット送信部120は、通信許可申請用のパケットから制御情報を抽出し、送信レート更新部170に通知する。送信レート更新部170は、コネクションごとにパケットを格納するパケットキューとパケットキュー送信レートの初期値をパケット送信部120に通知する。
パケット送信部120のパケットキュー121は、送信レート更新部170から通知されたパケットキューの最後尾に通信許可申請用のパケットを格納する。
パケット送信部120のスケジューラ122は、パケットキュー送信レートに基づいて、パケットキューからの送信レートが均一になるようにパケットを送出する時刻を決定し、その時刻まで時間が経過したとき、パケットキュー121の先頭からパケットを取り出し、パケットをクライアント30へ送出する。
通信許可申請用のパケットを受信したクライアント30は、通信許可申請用のパケットに対応し、通信許可申請用のパケットを受信したことを示す確認応答をサーバ10に向けて送信する。
パケット処理装置100は、その通信許可申請用のパケットに対応する確認応答を応答受取部130で受信して応答送信部140を介してサーバ10へ送信する。通信許可申請用のパケットに対応する確認応答を受信したサーバ10は、クライアント30からの確認応答に対応する確認応答をクライアント30へ向けて送信する。
パケット処理装置100は、サーバ10が送信した確認応答を送信パケット受取部110で受け取り、パケット送信部120のパケットキュー121で保持し、スケジューラ122が送信すべき時刻まで遅延させてから、クライアント30へ送信させる。
以上の処理により、サーバ10とクライアント30との間のコネクションが確立するとともに、パケット送信部120にコネクションごとの特定のパケットキューが準備され、そのパケットキューには、パケット送信レートの初期値が設定される。
コネクションが確立したのち、サーバ10は、クライアント30との間のコネクションを切断しようとする場合、コネクション解放用のパケットをクライアント30へ向けて送信する。
コネクション解放用の送信パケットには、発信元ポート番号、発信先ポート番号、発信元IPアドレス、発信先IPアドレス、シーケンス番号等の制御情報が示されるとともに、コネクションを切断することを示すフラグが設定される。パケット処理装置100は、コネクション解放用のパケットを受信したとき(ステップS20:YES)、コネクション切断処理(ステップS25)を行う。
コネクション切断処理(ステップS25)において、パケット処理装置100は、サーバ10が送信したコネクション解放用のパケットを送信パケット受取部110で受け取り、パケット送信部120に転送する。
パケット送信部120は、当該パケットをパケットキュー121のパケットキューの最後尾に保持する。スケジューラ122は、パケットキュー121にパケットが保持されているとき、パケットキュー送信レートに基づくタイミングでパケットキューの先頭からパケットを取り出し、クライアント30に送信する。
コネクション解放用のパケットをクライアント30が受信したとき、クライアント30は、確認応答のパケットをサーバ10に向かって送信する。
パケット処理装置100は、クライアント30からの確認応答のパケットを、応答受取部130で受信し、応答送信部140を介して、サーバ10に送信する。応答受取部130は、クライアント30からの確認応答のパケットのヘッダから制御情報を抽出し、送信レート更新部170に通知する。送信レート更新部170は、コネクションごとにパケットを格納するパケットキューとパケットキュー送信レートを初期化する。これによって、コネクションが切断される。
一方で、サーバ10は、送信データをクライアント30へ送信する場合、送信データをパケットにしてクライアント30へ向けて順次送信する。以下、サーバ10が送信するパケットを送信パケットという。
パケット処理装置100は、サーバ10が順次送信した送信パケットを送信パケット受取部110で受信したとき(ステップS30:YES)、受信した送信パケットをパケット送信部120のパケットキューの最後尾に順次格納する(ステップS40)。
ここで、パケット送信部120は、複数のコネクションの送信パケットを特定の1つのパケットキューに保持してもよい。この場合、送信レート更新部170は、複数のコネクションの合計の送信レートを、パケットキュー送信レートとしてパケット送信部120に伝える。
パケット送信部120のスケジューラ122は、パケットキュー121に送信パケットが格納されている場合(ステップS90:YES)、パケットキューからの送信レートが均一になるように送信パケットを送出する時刻を計算し、送信パケットを送出する時刻が経過したとき、パケットキューの先頭から送信パケットを取り出し、送信パケットをクライアント30に送信するパケット送信処理(ステップS100)を行う。
具体的には、パケットキューの先頭に格納されている送信パケットのパケット長を参照し、このパケット長をパケットキュー送信レートで割った値を、最後に送出した時刻に加算し、送出する予定時刻を算出する。なお、送信パケットを送出する時刻の計算方法は、パケットキューからの送信レートが均一になる方法であれば、別の方法で算出してもよい。
パケット処理装置100から送信パケットを受信したクライアント30は、受信した送信パケットをバッファで保持し、送信パケットに含まれる送信データに所定の処理を行い、送信パケットに対応する確認応答を順次サーバ10に向かって送信する。
パケット処理装置100の応答受取部130は、クライアント30からの確認応答を受信したとき(ステップS50:YES)、確認応答のヘッダに付された制御情報を往復遅延時間推定部150に与える。また、応答受取部130は、受信した確認応答をサイズ決定部160に与えるとともに、応答送信部140を介してサーバ10に送信する。
往復遅延時間推定部150は、応答受取部130で受信した確認応答について、パケット処理装置100がパケットを送信してから、そのパケットがクライアント30を経由して確認応答として戻ってくるまでの時間を、パケットの往復遅延時間として推定する(ステップS60)。
確認応答の識別は、確認応答の制御情報で行われる。パケットの往復遅延時間は、サーバ10とクライアント30の物理的な距離が遠い場合、パケットを中継する装置の数が多い場合、トラフィックが多くパケットを中継する装置でパケットが滞留している場合など、いくつかの条件で長くなる。往復遅延時間推定部150は、応答受取部130が確認応答を受信するごとに、往復遅延時間を推定する。
サイズ決定部160は、CUBICなどのTCP/IPプロトコルの輻輳制御アルゴリズムを利用する。サイズ決定部160は、サーバ10が確認応答の受信をしなくても連続してクライアント30に送信できるデータのサイズの初期情報を、輻輳アルゴリズムを利用し、各時点での、サーバ10が確認応答の受信をしなくても連続してクライアント30に送信できるデータのサイズを決定する。
往復遅延時間推定部150で推定された往復遅延時間と、サイズ決定部160で決定されたデータのサイズとが、送信レート更新部170に与えられる。送信レート更新部170は、往復遅延時間推定部150及びサイズ決定部160から与えられた往復遅延時間及びデータのサイズから、次式で新たに送信レートを計算する(ステップS70)。
R=cWnd×k/RTT (Byte/sec)
ただし、R:送信レート
cWnd:データのサイズ
RTT:往復遅延時間
k:一定の係数
送信レート更新部170は、新たに計算した送信レートで、それまで利用したスケジューラ122のパケットキュー送信レートを更新する(ステップS80)。
パケットキュー121に格納された送信パケットは、スケジューラ122によって、送信レートが均一になるタイミングで、逐次、パケットキューの先頭から取り出され、クライアント30に送信される。
パケット処理装置100は、ステップS20〜ステップS100の処理を繰り返し、サーバ10から与えられる送信パケットを順次クライアント30へ送信する。
サーバ10及びサイズ決定部160で用いる輻輳制御アルゴリズムでは、クライアント30からの確認応答の受取状況に応じて、サーバ10が確認応答の受信をしなくても連続してクライアント30に送信できるデータを増減させる。
具体的には、サーバ10及びサイズ決定部160で用いる輻輳制御アルゴリズムでは、クライアント30からの確認応答が得られるごとに、サーバ10が確認応答の受信をしなくても連続してクライアント30に送信できるデータのサイズが増加させる。よって、送信レートが増加する。
また、クライアント30からの確認応答が得られない場合や、同じ確認応答が所定回数以上続く場合等では、輻輳制御アルゴリズムでは、サーバ10とクライアント30との間のトラフィックが輻輳状態であるものと判断し、サーバ10が確認応答の受信をしなくても連続してクライアント30に送信できるデータのサイズを減少させる。その結果、送信レートが減少する。
以上のように、本実施の形態のパケット処理装置100は、パケットをクライアント30に送信してから、そのパケットに対応する確認応答を受け取るまでの時間をパケットの往復遅延時間として推定し、パケットに分けられて連続してクライアント30に送信されるデータのサイズを決定し、そのデータのサイズおよび往復遅延時間に応じて、クライアント30に送信するパケットの送信レートを更新するので、トラフィックの輻輳が抑制され、データ通信の効率の低下を防ぐことができる。
さらに、パケット処理装置100は、往復遅延時間をデータのサイズで割って送信レートを求めるので、パケットを均一な時間間隔でクライアント30に送信することができ、パケット処理装置100は、より効果的にトラフィックの輻輳を抑制できる。
一度に送信できるデータの量だけを制御するトラフィック制御方法では、図4(A)のように、瞬間的なバーストが多数発生し、輻輳が発生しやすい。これに対し、パケット処理装置100の行う、パケット処理方法では、図4(B)のように、パケットを均一な時間間隔で送信するので、トラフィックの輻輳が抑制される。
なお、本発明は、上記の実施の形態に限定されるものではない。例えば、上記の実施の形態では、パケット処理装置100を、データを送信する側のサーバ10側に接続したが、双方向でデータ通信をする場合は、クライアント30側にも接続してよい。また、パケット処理装置100は、サーバ10と一体に構成してもよい。
また、往復遅延時間推定部150は、直近の複数の往復遅延時間を求め、その平均値や最小値または最大値を、パケットの往復遅延時間として推定してもよい。
10 サーバ
20 WAN
30 クライアント
100 パケット処理装置
110 送信パケット受取部
120 パケット送信部
121 パケットキュー
122 スケジューラ
130 応答受取部
140 応答送信部
150 往復遅延時間推定部
160 サイズ決定部
170 送信レート更新部

Claims (4)

  1. 送信側装置(10)からパケットを順次受け取り、該パケットを受信側装置(30)に送信するパケット処理装置(100)が行うパケット処理方法であって、
    前記受信側装置へ送信したパケットに対応して該受信側装置が送信する確認応答を受け取る応答受取処理(S60)と、
    前記受信側装置へ前記パケットを送信してから、該パケットに対応する前記確認応答を前記受信側装置から受け取るまでの時間をパケットの往復遅延時間として推定する往復遅延時間推定処理(S60)と、
    前記パケットに分けられて前記受信側装置に連続して送信されるデータのサイズを決定するサイズ決定処理(S70)と、
    前記サイズ決定処理で決定された前記データのサイズおよび前記往復遅延時間推定処理で推定された往復遅延時間に応じて、前記受信側装置に送信するパケットの送信レートを計算して更新する送信レート更新処理(S80)と、
    前記送信レート更新処理で更新された送信レートで前記パケットを均一な時間間隔で前記受信側装置に送信する送信処理(S90)と、
    を含むことを特徴とするパケット処理方法。
  2. 前記往復遅延時間推定処理は、前記受信側装置から前記パケット処理装置に前記確認応答が受け取られるたびに、行われることを特徴とする請求項1に記載のパケット処理方法。
  3. 前記サイズ決定処理は、前記応答受取処理で受信された前記確認応答の受取状況に応じて、前記データのサイズを増減させることを特徴とする請求項1または2に記載のパケット処理方法。
  4. 送信側装置(10)からパケットを順次受け取り、該パケットを受信側装置(30)に送信するパケット処理装置(100)であって、
    前記受信側装置へ送信したパケットに対応して該受信側装置が送信する確認応答を受け取る応答受取部(130)と、
    前記受信側装置へ前記パケットを送信してから、該パケットに対応する前記確認応答を前記受信側装置から受け取るまでの時間をパケットの往復遅延時間として推定する往復遅延時間推定部(150)と、
    前記パケットに分けられて前記受信側装置に連続して送信されるデータのサイズを決定するサイズ決定部(160)と、
    前記サイズ決定部で決定された前記データのサイズおよび前記往復遅延時間推定部で推定された往復遅延時間に応じて、前記受信側装置に送信するパケットの送信レートを計算して更新する送信レート更新部(170)と、
    前記送信レート更新部で更新された送信レートで前記パケットを均一な時間間隔で前記受信側装置に送信する送信部(120)と、
    を含むことを特徴とするパケット処理装置。
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