SE524967C2 - Anordning för adaptiv hastighetsstyrning i ett paketförmedlingsnät - Google Patents

Description

30 k) buffertering och stockning och paketförluster kan orsakas exempelvis av bitfel på åtkomstlänkar eller överfulla buffertar i routrar.

Sändaren kan sända flera klasser av tillämpningsdata till mottagaren.

Dessa dataklasser kan vara till exempel video, ljud och textdata i en me- diaströmtillämpning eller olika skikt av skiktad video codec i en skalbar videokonferenstillämpning. I ett fleranvändarspel kan databeskrivningar av olika objekts egenskaper i spelet vara olika dataklasser.

Användarna kan vilja kommunicera olika tillämpningsdataklasser med olika priori- teter i fall med begränsad bandbredd, fördröjning eller stockning i kanalen. I en me- diaströmtillämpning kan användarna vilja ge ljud företräde framför bild. I en skalbar videokonferenstillämpning kan användarna vilja ge baslagret högre prioritet än tilläggslagren. I ett fleranvändarspel kan användare önska att prioritera fokusobjekt högre än perifera objekt.

För att minimera effekten av begränsad bandbredd, stockning, latens och paketför- luster på slutanvändarens upplevelse av tillämpningen är det fördelaktigt att tillämpa hastighetsstyrning som är anpassad till varje tillämpnings krav eller prioriteter. Has- tighetsstyming innebär att sändaren skickar data i prioritetsordning och reglerar has- tigheten så att den tillgängliga bandbredden används utan att man skickar för myck- et. Sändning av mer data än kanalen kan hantera orsakar hög latens eller många tap- pade paket. Hastighetsstymingen bör anpassas till variationer i kanalens egenskaper, såsom variationer i den tillgängliga bandbredden. Sådan hastighetsstyming som re- spekterar tillämpningens prioritering och anpassar sig till variationer i kanalens egenskaper kallas här adaptiv hastighetsstyrning (Adaptive Rate Control - ARC).

TCP och Differentiated Services tillhandahåller några av dessa funktioner men inte alla. Till exempel prioriterar inte TCP mellan olika klasser av tillämpningsdata. Dif- ferentiated Services anpassar sig inte till variationer i kanalens kapacitet. 10 15 20 25 30 :ai on? fr. ,= kl I 3 Det är svårt att specificera en enskild algoritm eller metod för ARC som fungerar bra i alla kommunikationssystem. Olika kanaler uppför sig på olika sätt. Ett exempel är hur kommunikationslatens beror på datahastigheten. I vissa kanaler (t.ex. en van- lig telefonmodemlänk med stockning) reduceras latensen om datahastigheten redu- ceras. I en annan kanal (tex. en GPRS-länk) kan latensen reduceras i vissa fall om datahastigheten ökar. Vidare skiljer GPRS-prestanda mellan olika implementeringar och versioner. Olika tillämpningar kan också ha olika krav. T.ex. accepterar en vi- deoströmtillämpning latens men kräver hög genomströmning medan ett realtids fler- användarspel kan acceptera låg genomströmning med kräver låg latens åtminstone för de viktigaste objekten. Ökning av antalet nät, åtkomstlänkar, tillämpningar och användarpreferenser gör det praktiskt taget omöjligt att utveckla en enskild ARC-metod som fiingerar optimalt under alla förhållanden. En lösning skulle vara att realisera en lösning för varje kombination av kanal och tillämpning. Detta skulle vara en arbetskrävande och dyr lösning som skulle öka kostnaden för utveckling av tillämpningar och kommunika- tionssystem.

Uppfinningens syfte Det är ett syfte med uppfinningen att möjliggöra ARC i ett paketförmedlingsnät varvid ARC även är anpassad till en viss tillämpnings krav.

Sammanfattning av uppfinningen Detta syfte uppnås enligt uppfinningen genom en anordning för adaptiv styrning av när paket sänds i en förbindelse mellan en sändare och en mottagare i ett paketför- medlingsnät, vilken anordning innefattar generiska styrorgan anordnade i sändaren och mottagaren, för att utföra adaptiv hastighetsstyming enligt en generisk algoritm, och åtminstone ett tilläinpningsspecifikt styrorgan för att styra funktionen av det ge- neriska styrorganet i beroende av tillämpningens kännetecken, kännetecknad av att det åtminstone ena tillämpningsspecifika styrorganet finns i anslutning till mottaga- 10 15 20 25 30 ren för att möjliggöra tillämpningsspecifik styrning av kommunikationen från mot- tagaren.

Uppfinningen möjliggör således tillämpningsspecifik styrning utan behovet att till- handahålla ett komplett styrorgan för varje tillämpning. I stället tillhandahålls ett generiskt styrorgan som kan styras av olika tillämpningsspecifika styrorgan för att anpassa sig till olika tillämpningars behov.

Syftet uppnås också med en datorprogramprodukt avsedd att anordnas i en mottaga- re av kommunikation i ett paketbaserat datanät, för adaptiv styrning från en motta- gande tillämpning av när paket sänds i ett paketförrnedlingsnät, innefattande dator- läsbar kod som, när den körs på en dator, får datorn att tillhandahålla åtminstone en konfigurationsparameter till ett generiskt styrprogram för adaptiv styrning av när paket sänds, för att styra styrningen av när paket sänds som utförs av det generiska styrorganet.

Denna datorprogramprodukt finns i det ovan nämnda generiska styrorganet.

Syftet uppnås också med en datorprogramprodukt avsedd att anordnas i en mottaga- re av kommunikation i ett paketbaserat datanät, för adaptiv styrning från en motta- gande tillämpning av när paket sänds i ett paketförmedlingsnät, innefattande dator- läsbar kod som, när den körs på en dator, är anordnad att mottaga från ett tillämp- ningsspecifikt styrorgan anordnat hos en tillämpning, åtminstone en konfigurations- parameter för att styra funktionen hos datorprogramprodukten avseende sändning av data som skall mottas i tillämpningen. för adaptiv hastighetsstyming i ett paketdatanät, vilken produkt innefattar datorläs- bar kod som, när den körs på en dator, får datom att tillhandahålla åtminstone en konfigurationsparameter till ett generiskt styrorgan för adaptiv hastighetsstyming, för att styra den adaptiva hastighetsstyrningen som utförs av det generiska styrorga- net. 10 15 20 25 (Fl i” O .flm NC) Q; “- *ål Denna datorprogramprodukt finns i det ovan nänmda tillämpningsspecifika styror- ganet.

Företrädesvis styrs det generiska styrorganet av åtminstone en konfigurationspara- meter och det tillämpningsspecifika styrorganet är anordnat att tillhandahålla den åtminstone ena konfigurationsparametem till det generiska styrorganet för att styra det generiska styrorganets fimktion.

Det generiska styrorganet kan också vara anordnat att övervaka kvaliteten på hastig- hetsstymingen och mata ut en uppsättning kvalitetsdata avseende denna kvalitet.

Uppsättningen av kvalitetsdata innefattar typiskt sett mätningar av latens och paket- förluster. Uppsättningen av kvalitetsdata tillhandahålls företrädesvis till det tillämp- ningsspecifika styrorganet och används av det tillämpningsspecifika styrorganet for att sätta den åtminstone ena konfigurationsparametem.

I en föredragen utföringsfonn är det generiska styrorganet realiserat i åtminstone en nätserver och i lågnivå klientmjukvara, och det tillämpningsspecifika styrorganet är realiserat såsom en mjukvarumodul på tillämpningsnivå.

Det tillämpningsspecifika styrorganet kan göras beroende av typen av kanal som an- vänds för förbindelsen.

Anordningen enligt uppfinningen möjliggör att den adaptiva hastighetsstymingen sätts individuellt för varje tillämpning. Den kan också anpassas till typen av kanal som används. Den löser därmed problemet att tillhandahålla en generisk implemen- tation i nätservrar och i lågnivå-klientmjukvara och samtidigt möjliggöra anpassning till alla olika kanaltyper och tillämpningar med mycket olika beteenden och krav.

Uppflnningen är baserad på erkännandet att åtminstone en del av den adaptiva has- 10 15 20 25 30 tighetsstymingen måste realieras i lågnivåmjukvara såsom kommunikationsproto- kollstack.

Med anordningen och datorprogrammen enligt uppfinningen är det möjligt att an- passa till olika användarpreferenser, tillämpningstyper och olika kanalers beteende utan att ändra kommunikationsprotokoll, funktioner på serversidan eller lågnivå pro- tokollfunktioner på klientsidan. Alla specifika anpassningar sker i högnivåmjukvara, företrädesvis på klientsidan.

Kortfattad beskrivning av ritningarna Uppfinningen kommer i det följande att beskrivas i mer detalj, med hänvisning till ritningama, på vilka: Figur 1 visar sammanhanget i vilket uppfinningen används, Figur 2 visar den uppfinningsenliga uppdelningen av styrfunktionema i en generisk och en specifik del, Figur 3 visar en utföringsform av den uppfinningsenliga anordningen för adaptiv hastighetsstyrning.

Detaljerad beskrivning av utföringsformer Figur 1 visar, starkt förenklat, uppfinningens tekniska omgivning. En sändare, ex- empelvis en klienttenninal 1, skickar data till en mottagare 3 över en kanal 5. Mot- tagaren kan vara t.ex. en nätserver. Kanalen 5 utgör åtkomstlänkarna och nätet som möjliggör för sändaren l att skicka data till mottagaren. Typiskt sett kopplar varje ARC sändar-/mottagarpar upp en kommunikationslänk som fiingerar såsom backka- nal 7 för ARC-sändar-/mottagarparet som utgör kommunikationslänken i den mot- satta riktningen. Accesslänkama och nätet som möjliggör för mottagaren att skicka data, såsom kvittens på mottagna data, till sändaren kallas en backkanal 7.

Figur 2 ger en logisk vy av uppfinningen som visar de logiska enhetema och utbytet av styrdata. De logiska funktionerna Tillämpning, G-ARC och S-ARC kan vara dis- 10 15 20 25 30 Clïí Ii 5 .fin \ O \_\ 'f w 7 tribuerade mellan sändar- och mottagarenheterna på många olika sätt. Anordning for adaptiv hastighetsstyming innefattar en generisk del G-ARC och en tillämpnings- specifik del S-ARC. Den generiska delen G-ARC styr kanalens 5 funktion. G-ARC utfor hastighetsstyming enligt en genetisk algoritm. Den generiska algoritmen kan vara baserad på vilken som helst algoritm for adaptiv hastighetsstyming, exempelvis leaky bucket-algoritmen. Den generiska algoritmens beteende styrs av en uppsätt- ning ARC-konfigurationsparametrar. S-ARC styr G-ARC genom att sätta ARC- konfigurationsparametrama. Denna styralgoritm kan vara specifik for användarpre- ferenserna, tillämpningstypen och kanalen.

Den tillärnpningsspecifika delen S-ARC kan också kommunicera med en tillämp- ning l1 och en hanteringsenhet 13. Tillämpningen tillhandahåller instruktioner till den tillämpningsspecifika delen S-ARC, och styr på så sätt indirekt fimktionen av den adaptiva hastighetsstymingen. Även om figur 1 endast visar en, kan flera tillämpningsspecifika delar S-ARC finnas på samma nivå, vardera anpassad for, och styrd av, en eller flera tillämpningar. Sän- daralgoritmen och mottagaralgoritmen styrs av ARC-konfigurationsparanietrarna, som kan innefatta, exempelvis, den rekommenderade bandbredden for utströmmen av datagram från sändarsidan.

Typiskt sett mottager det generiska styrorganet G-ARC ARC- konfigurationspararnetrar från ett av de tillämpningsspecifika styrorganen. Alterna- tivt kan det generiska styrorganet innefatta inbyggda standardvärden for ARC- konfigurationspararnetraina. Det kan också mottaga standardvärden for ARC- konfigurationsparametrarna från hanteringsenheten 13 innan kommunikationsses- sionen startar.

G-ARC övervakar kvaliteten på hastighetsstymingen och matar ut en uppsättning data som visar hur väl hastigheten styrs. Denna uppsättning data kallas ARC- 10 15 20 25 'l _) -Fx V) t; W “N statistik och kan innefatta, t.ex. mätningar av latens och förlorade paket. Den till- lämpningsspecifika delen S-ARC mottager ARC-statistik från G-ARC. Den gene- riska delen G-ARC kan också utföra kvalitetsanalys avseende funktionen av den ad- aptiva hastighetsstymingen. Resultatet av denna analys kan sändas till den tillämp- ningsspecifika delen såsom kvalitetsdata. Dessa kvalitetsdata, dvs. ARG-statistik, kan sändas till den tillämpningsspecifika delen, vilket i detta fall bestämmer hur has- tighetskontrollen bör påverkas.

Diskussionerna av de olika delarna i figur 2 gäller även för figur 3 och omvänt.

Figur 3 visar ett system enligt uppfinningen varvid en sändare kommunicerar med en mottagare över en kanal, såsom visat i figur 1. Klienten innefattar både en ARC- sändare och en ARC-mottagare. Nätservern innefattar både en ARC-sändare och en ARC-mottagare. Varje ARC-sändare och ARG-mottagare innefattar en generisk del och kan även innefatta en tillämpningsspecifik del. Varje ARG-sändare kommunice- rar med den motsvarande ARC-mottagaren över kanalen. Typiskt sett kopplar varje ARC-sändar/mottagarpar upp en kommunikationslänk som fungerar såsom en back- kanal (ej visad i figur 3) for ARC-sändar/mottagarparet som utgör kommunikations- länken i den motsatta riktningen. Backkanalen används fór kommunikation av data såsom kvittenser och kvalitetsdata. Figur 3 visar endast ett sändar-lmottagarpar.

Figur 3 visar den detaljerade strukturen hos ett ARC-sändar/mottagarpar. I denna figur sänder en sändande tillämning 21 data till en mottagande tillämpning 23 ge- nom en kanal 25. Det antas att sändarsidan har ett generiskt styrorgan 27 och ett till- lämpningsspecifikt styrorgan 29, medan mottagarsidan har ett generiskt styrorgan 31. Sändarens generiska styrorgan 27 utför den generiska delen av ARC-algoritmen på sändarsidan och mottagarens generiska styrorgan 31 utför den generiska delen av ARC-algoritmen på mottagarsidan. 10 15 20 25 30 (TI PJ ..[.\.. \ f; ~ 9 I figur 3 är det tillämpningsspecifika styrorganet 29 anordnat på sändarsidan, men följande íyra konfigurationer är möjliga: Sändarsidan har ett tillämpningsspecifikt styrorgan som styr båda de generiska styr- organen 27, 31. Mottagarsidan har inget tillämpningsspecifikt styrorgan.

Mottagarsidan har ett tillämpningsspecifikt styrorgan som styr båda de generiska styrorganen 27, 31. Sändarsidan har inget tillämpningsspecifikt styrorgan.

Sändar- och mottagarsidan har varsitt tillämpningsspeciñkt styrorgan som delar på styrningen av båda de generiska styrorganen 27, 31. i Ingen tillämpningsspecifik del finns varken i sändar- eller mottagarsidan. Detta är ett specialfall där ingen tillämpningsspecifik styming används. Detta är fallet, ex- empelvis för TCP-kommunikation.

På sändarsidan mottager det generiska styrorganet 27 en inkommande ström av da- tagram från tillämpningen som använder den adaptiva hastighetsstymingen. Varje datagram kan ha ett märke som visar hur det skall hanteras. Märket kan innefatta en prioritetsnivå och/eller en indikator som visar om datagrarmnet skall skickas på ett tillförlitligt eller icke tillförlitligt sätt.

Sändarens generiska styrorgan 27 behandlar strömmen av datagram enligt algorit- men som tillhandahållits för det generiska sändarstyrorganet 27 och matar ut en ut- gående ström av datagram som sänds till mottagarens generiska styrorgan 31. Den utgående strömmen av datagram är anpassad för kanalens möjligheter, varje data- grams prioritet och tillförlitlig/icketillförlitlig status för varje datagram. Kommuni- kationsprotokollstack innefattar ofta konstruktioner där datagram som tillhör en läg- ra protokollnivå sänds såsom nyttolast i datagram tillhörande en högre protokollni- vå. Sändning av flera datagram såsom nyttolast i ett datagram på högre nivå kallas aggregering av datagram. Aggregering av många datagram i ett stort datagram ger en hög genomströmning men också hög latens. G-ARC-sändaren kan eventuellt sty- ra aggregering för att hitta den rätta balansen mellan genomströmning och latens. 10 15 20 25 30 10 Om den inkommande strömmen av datagram är för snabb kommer sändarens gene- riska styrorgan att släppa de icke tillförlitliga datagrammen som har lägst prioritet och mata ut en ström av datagram som kan kommuniceras över kanalen utan att or- saka stockning. Ordningen i den inkommande strömmen för datagram kan också ändras så att datagram med hög prioritet sänds före datagram med låg prioritet. Till- törlitliga datagram kan sändas igen om de tappas.

Mottagarens generiska styrorgan 31 mottager en ström av datagrarn från sändarens generiska styrorgan 27 genom kanalen 25. Mottagarens generiska styrorgan 3l be- handlar de mottagna datagrammen enligt algoritmen som tillhandahållits för denna funktion och skickar vidare korrekt mottagna datagram till tillämpningen. Mottaga- rens generiska styrorgan 31 kan begära åter-sändning av saknade tillförlitliga data- gram.

Det tillämpningsspecifika styrorganet 29 är anordnat att sätta vissa parametrar, kal- lade ARC-konfigurationsparainetrar i det generiska styrorganet 27, 31, och på så sätt bestämma hur de generiska styrorganen 27, 31 skall styra hastigheten i beroende av tillämpningens behov. Ett exempel på en ARC-konfigurationsparameter är den re- kommenderade bandbredden hos utströmmen av datagram från G-ARC-sändaren.

Det mottager även företrädesvis ARC-statistik från det generiska styrorganet. Det kan även mottaga ytterligare parametrar och inställningar från tillämningen. Exem- pelvis kan tillämpningen tillhandahålla tillämpningsinstruktioner för att prioritera hög genomströmning på bekostnad av hög latens, eller omvänt. Det tillämpnings- specifika styrorganet tillämpar en algoritm som bör baseras på en modell av kanalen och på förståelse av tillämpningens krav.

Algoritmen i det tillämpningsspecifika styrorganet som alstrar ARC- konfigurationsparametrama använder ARC-statistik som indata. ARC-statistik ger heltäckande eller partiell information om hur väl kommunikationen mellan sändaren och mottagaren går. Typiska element i ARC-statistiken år: 10 15 20 25 30 5911 ll Ett mått på paketförlust i kanalen för alla paket, eller eventuellt för varje tillämp- ningsdataklass.

Ett mått på latens i kanalen, eventuellt för varje tillämpningsdataklass.

Information om åtgärder som utförs av det generiska styrorganets algoritm, såsom delvis eller fullständig paketbortfall i vissa tillämpningsdataklasser.

För att visa fördelarna med uppfinningen beskrivs här en situation där en leverantör av en tillämpningstjänst önskar att leverera samma tjänst till kunder hos många olika GPRS-operatörer. Olika GPRS-nät har mycket olika egenskaper. Tj ånsteleverantö- ren levererar samma system innefattande tillämpningsservrar och klientmjukvara till alla GPRS-operatörer. Detta system innefattar det generiska hastighetsstyrorganet G-ARC. Olika versioner av det tillämpningsspecifika styrorganet S-ARC kan sedan laddas ner såsom J ava-program av slutanvändarna. Varje användare får en version av S-ARC som är lämplig för den lokala GPRS-tjänstens speciella egenskaper.

Vidare kan situationen där flera spelutvecklare levererar spel till en trådlös 3G- operatör. Olika spelgenrer kräver olika ARC-lösningar. Ett spel med många använ- dare som ändras en i taget kräver hög och tillförlitlig genomströmning medan ett krigsspel kräver låg latens. Operatören vill undvika att involveras i spelspecifika de- talj er. G-ARC är realiserat i operatörens nät och i den trådlösa terrninalen. Varje spelutvecklare skriver en S-ARC-modul som skräddarsyr ARC så att det presterar optimalt för det speciella spelet.

Ett tredje exempel skulle vara en populär multimedia-chattillämpning med miljarder av användare. Operatörer och mätutrustning vill skaffa sig konkurrensfördelar ge- nom att visa att chattillämpningen presterar bäst i deras nät. En operatör eller leve- rantör av nätutrustning kan utnyttja detaljerade kunskaper om hur nätet är uppbyggt för att skriva en S-ARC som optimerar chattillämpningens prestanda i deras specifi- ka nät. S-ARC skulle då kunna distribueras till operatörens kunder.

Claims (13)

10 15 20 25 30 C V1 P-J _12-, \ CA « : | u nu 12 Patentkrav

1. l. Anordning for adaptiv styrning av när paket sänds i en förbindelse mellan en sän- dare och en mottagare i ett paketforrnedlingsnät, vilken anordning innefattar gene- riska styrorgan (G-ARC; 27, 31) anordnade i sändaren och mottagaren, fór att utföra adaptiv hastighetsstyming enligt en generisk algoritm, och åtminstone ett tillämp- ningsspecifikt styrorgan (S-ARC; 29) for att styra funktionen av det generiska styr- organet i beroende av tillämpningens kännetecken, kännetecknad av att det åtmin- stone ena tillämpningsspecifika styrorganet (S-ARC; 29) finns i anslutning till mott- agaren för att möjliggöra tillämpningsspecifik styrning av kommunikationen från mottagaren.

2. Anordning enligt krav 1, varvid det generiska styrorganet (G-ARC; 27, 31) styrs av åtminstone en konfigurationsparameter och det tillämpningsspecifika styrorganet (S-ARC; 29) är anordnat att tillhandahålla den åtminstone ena konfigurationspara- metem till det generiska styrorganet för att styra det generiska styrorganets funktion.

3. Anordning enligt krav 1 eller 2, varvid det generiska styrorganet (G-ARC; 27, 31) är anordnat att övervaka kvaliteten på hastighetsstyrningen och mata ut en uppsätt- ning kvalitetsdata som representerar denna kvalitet.

4. Anordning enligt krav 3, varvid uppsättningen av kvalitetsdata innefattar mät- ningar av latens och eller paketförluster.

5. Anordning enligt något av föregående krav varvid uppsättningen av kvalitetsdata tillhandahålls till det tillämpningsspeciflka styrorganet (S-ARC; 29) och används av det tillämpningsspecifika styrorganet (S-ARC; 29) för att ställa in den åtminstone ena konfigurationsparametem. 10 15 20 25 C51 r 3 \ Ö »J f 7 Vi 41:.. - | | - s: 13

6. Anordning enligt något av föregående krav, varvid det generiska styrorganet (G- ARC; 27, 31) är realiserat i åtminstone en nätserver och i lågnivå klientmjukvara.

7. Anordning enligt något av föregående krav, varvid det tillämpningsspeciflka styr- organet (S-ARC; 29) är realiserat såsom en mjukvarumodul på tillämpningsnivå.

8. Anordning enligt något av föregående krav, varvid det tillämpningsspecifika styr- organet (S-ARC; 29) är beroende av typen av kanal som används för förbindelsen.

9. Datorprogramprodukt avsedd att anordnas i en mottagare av kommunikation i ett paketbaserat datanät, för adaptiv styrning från en mottagande tillämpning av när pa- ket sänds i ett paketförrnedlingsnät, innefattande datorläsbar kod som, när den körs på en dator, får datom att tillhandahålla åtminstone en konfigurationsparameter till ett generiskt styrprogram för adaptiv styrning av när paket sänds, för att styra styr- ningen av när paket sänds som utförs av det generiska styrorganet.

10. Datorprogramprodukt enligt krav 9, varvid anordnat att mottaga från det gene- riska styrprogrammet ARC-statistikdata innefattande mätningar av latens och/eller paketförluster.

11. l 1. Datorprogramprodukt avsedd att anordnas i en mottagare av kommunikation i ett paketbaserat datanät, för adaptiv styrning från en mottagande tillämpning av när pa- ket sänds i ett paketförmedlingsnät, innefattande datorläsbar kod som, när den körs på en dator, är anordnad att mottaga från ett tillämpningsspecifikt styrorgan anord- nat hos en tillämpning, åtminstone en konfigurationsparameter för att styra funktio- nen hos datorprogramprodukten avseende sändning av data som skall mottas i till- lämpningen. 524 9:37 ,, 14

12. Datorprogramprodukt enligt krav 11, vidare anordnat att övervaka kvaliteten av hastighetsstyrningen och mata ut en uppsättning kvalitetsdata som är representativ för denna kvalitet.

13. Datorprogramprodukt enligt krav 11 eller 12, vidare anordnat att sända nämnda kvalitetsdata till det tillämpningsspecifika styrorganet.