-
Technischer
Hintergrund der Erfindung
-
Die
Erfindung betrifft die Bandbreitensteuerung über ein Telekommunikationsnetzwerk.
Insbesondere betrifft die Erfindung die Bandbreitensteuerung für das Steuern
des Kommunikationsflusses bei einer Verbindung zu einer Netzwerkstation,
beispielsweise für
das Steuern des TCP/IP Verkehrs an einer Internetverbindung.
-
Das
Internet stellt begrifflich drei Sätze von Diensten zur Verfügung. Auf
niedrigsten Niveau stellt ein verbindungsloses Zustellungssystem
ein Fundament bereit, auf dem alles aufbaut. Auf dem nächsten Niveau
stellt ein zuverlässiger
Transportdienst eine Highlevel-Plattform zur Verfügung. Auf
dem dritten Niveau werden Anwendungsdienste zur Verfügung gestellt,
die auf dem zuverlässigen
Transportdienst angewiesen sind.
-
Ein
fundamentaler Internetdienst besteht aus einem nicht zuverlässigem,
verbindungsloses "Best-effort" (so gut wie möglich) Paketzuführungssystem.
Der Dienst wird als "unzuverlässig" beschrieben, da
die Zustellung nicht garantiert ist. Ein Paket kann verloren gehen,
dupliziert werden oder beschädigt
zugestellt werden, das Internet wird jedoch solche Zustände nicht
erfassen, noch wird des den Sender oder Empfänger informieren. Der Dienst
wird als "verbindungslos" beschrieben, da
jedes Paket unabhängig
von allen anderen behandelt wird. Eine Sequenz von Paketen, die
er von einer Maschine zu einer anderen gesendet wird, kann über unterschiedliche
Pfade verschickt werden oder es können einige verloren gehen,
während
andere zugestellt werden. Der Dienst kann als "Best-effort" beschrieben werden, da das Internet
darauf ausgerichtet ist, Pakete zuzustellen.
-
Das
Protokoll, das den unzuverlässigen,
verbindungslosen Zustellmechanismus festlegt, wird das "Internetprotokoll" genannt und wird üblicherweise
durch dessen Initialen IP bezeichnet. IP legt die formale Spezifikation
der Datenformate fest, und zwar einschließlich eine Basiseinheit der
Basisübertragung
und den exakten Format aller Daten, die über das Internet verteilt werden.
IP beinhaltet ebenso Regeln, die spezifizieren, wie Pakete verarbeitet
werden sollten und wie Fehler gehandhabt werden sollten. Insbesondere
verkörpert
IP die Idee der unzuverlässigen
Lieferung der Paketweiterleitung.
-
Oberhalb
des IP-Layers bzw. der IP-Schicht der Internetprotokollstruktur
gibt es einen Dienst, der als zuverlässiger Transportdienst bereitgestellt
wird, der typischerweise der "zuverlässige Stromtransportservice" genannt wird, festgelegt
durch das Übertragungssteuerprotokoll
(TCP).
-
Die
Kombination des TCP-Protokolls und des darunter liegenden Internet-Protokolls
(IP) wird oft bezeichnet als TCP/IP.
-
Der
zuverlässige
Stromlieferdienst, der von dem TCP bereitgestellt werden, kann sich
deutlich von dem unzuverlässigen
Datagrammprotokoll (UDP), das ebenso über das Internet bereitgestellt wird,
unterscheiden. Das UDP stellt einen unzuverlässigen Lieferdienst bereit,
da die Auslieferung nicht garantiert wird. Beispielsweise können Pakete
verloren gehen oder beschädigt
werden, wenn Übertragungsfehler
Daten beeinflussen, wenn die Netzwerkhardware versagt oder wenn
Netzwerke zu stark belastet werden, um die präsentierte Last zu bedienen.
-
Das
TCP hat andererseits eine komplexe Struktur, die die Auslieferung
mittels eines Bitstroms, der in 8 Bitbytes unterteilt ist, bereitstellt.
Das TCP spezifiziert das Datenformat und die Bestätigungen, die
zwei Computer auszutauschen haben, um einen zuverlässigen Transfer
zu erzielen sowie die Prozedur, um sicherzustellen, daß die Daten
korrekt angekommen sind.
-
Weitere
Details und Aspekte des Internet- und TCP/IP-Protokolls können beispielsweise
in den folgenden US-Patenten gefunden werden: 5,293,379; 5,307,347;
5,307,413; 5,309,437; 5,351,237 und 5,535,199.
-
Wie
oben erwähnt,
sei das zugrundelegende Internetprotokoll unzuverlässig, dann
arbeiten die TCP-Übertragungen
gemäß einer
Technik, die als positive Bestätigung
durch Rückübertragung
bekannt ist. Die Technik erfordert es, daß ein Empfänger mit der Quelle kommuniziert,
und zwar eine Bestätigungsnachricht
zurückschickt,
jedes Mal, wenn er Daten empfängt.
Der Sender behält
einen Eintrag für jedes
Paket, das er sendet und wartet auf eine Bestätigung, bevor er das nächste Paket
sendet. Der Sender startet ebenso einen Timer, wenn er ein Paket sendet
und sendet das Paket erneut, wenn der Timer abläuft, bevor die Bestätigung ankommt.
-
Die
Zeitperiode zwischen der Übertragung einer
Nachricht und dem Empfang einer Bestätigung (sagen wir A1) wird
als die Round Trip Time oder Umlaufzeit (RTT) bezeichnet. Die RTT
variiert mit der Zeit abhängig
von vielen Faktoren, wie zum Beispiel Netzwerkauslastung (zum Beispiel
Verzögerungen an
Zwischenknoten in dem System) und Auslastung des Empfängers. Ein
wichtiger Faktor bei der Bestimmung der RTT ist die verfügbare Bandbreite,
wo somit mehrere Clients Zugriff auf einen gemeinsamen Server haben,
ist es, beispielsweise, um die Dienstqualität zwischen den Clients auszugleichen,
wünschenswert,
die Bandbreite, die den einzelnen Clients zugewiesen wird, zu steuern.
-
Ein
Bandbreitensteuermechanismus wurde vorgeschlagen, der auf der Messung
der RTT, wie man sie auf einer gegebenen Verbindung erfährt, und auf
der angekündigten
TCP-Fenstergröße des Empfängers basiert,
die in dem WINDOW-Feld eines TCP-Headers bzw. einer TCP-Kopfzeile
entnommen werden kann. Die RTT kann festgelegt werden als die Zeit
zwischen dem Senden eines Bytes mit einer bestimmten Sequenznummer
und dem Empfangen einer Bestätigung,
die diese Sequenznummer abdeckt.
-
Mit
solch einer Anordnung hängt
die Maximalgröße der Bandbreite,
die von einer bestimmten Verbindung seit einer willkürlichen
Zeit t(i – 1)
verwendet wurde, von dem Wert von beiden Parametern ab, entsprechend
dem Ausdruck, der als das "Bandbreiten-Verzögerungsprodukt" bekannt ist: Verwendete Bandbreite seit
t(i – 1)
bps = Empfänger-Fenstergröße seit
t(i – 1)/RTT(S) (1)
-
Dieser
Ausdruck stellt einen direkten Weg des Modifizierens der Bandbreitenverwendung
eines bestimmten Flusses dar. Mit anderen Worten, wenn wir die RTT
des Flusses kennen, können
wir auf den Fenstergrößenwert
einwirken, um die gewünschte Bandbreite
zu erhalten.
-
Die
oben beschriebene Berechnung hat jedoch Grenzen. Als erstes gibt
es das Problem des Bestimmens des Werts der RTT mit ausreichender Präzision.
Die Berechnung der RTT ist keine leichte Aufgabe, da sie die Ankunft
von Paketen in zwei Richtungen zwischen zwei zu berücksichtigenden Stationen
erfordert. Darüber
hinaus ist die RTT nicht dieselbe für jedes Paket (zum Beispiel
kann eine TCP-Bestätigung
den Empfang von verschiedenen Paketen bestätigen). Darüber hinaus muß eine Durchschnitts-(nicht-momentane)
Berechnung angepaßt
werden. Weitere Information über
das sogenannte Bandbreitenverzogerungsprodukt kann erhalten werden
aus beispielsweise TCP/IP Illustrated, Volume 1: The Protocols W.
Richard Stevens, Addison-Wesley, Oktober 1995.
-
Obgleich
TCP über
das Internet bereitgestellt wird, ist es tatsächlich ein unabhängiges Universalprotokoll,
was ebenso mit anderen Verteilsystemen verwendet werden kann. TCP
macht sehr wenig Annahmen in Bezug auf das darunter liegende Netzwerk
und es kann ebenso über
ein Einzelnetzwerk wie Ethernet, sowie über ein komplexes Internet
oder Intranet verwendet werden. Obgleich verschiedene Implementierungen
der Erfindungen in dem Kontext des TCP/IP-Verkehrs über das
Internet beschrieben werden, ist tatsächlich die Erfindung nicht
hierauf beschränkt.
-
Folglich
achtet die vorliegende Erfindung darauf, eine Lösung für die Bandbreitensteuerung ohne
die Nachteile des oben beschriebenen Ansatzes bereitzustellen.
-
Die
EP-A-0458033 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung für das dynamische
Einstellen der Fenstergröße in einer
Session in einem Sender und einem Empfänger über eine Verbindung eines Paketübertragungsnetzwerks.
Ebenso beschrieben ist ein Verfahren zum gemeinsamen Nutzen von
Pacing Credits in einer Anzahl von Sessions, während deren Pakete über ein
Paketübertragungsnetzwerk übertragen
werden.
-
Zusammenfassung
der Erfindung
-
Bestimmte
und bevorzugte Aspekte der Erfindung werden in den begleitenden
unabhängigen und
abhängigen
Ansprüchen
ausgeführt.
-
In Übereinstimmung
mit einem Aspekt der Erfindung wird ein computerimplementiertes
Verfahren zum Steuern der Netzwerkbandbreite durch dynamisches Bestimmen
einer gegenwärtigen
Fenstergröße für einen
Zielpuffer als ein Bandbreitensteuerparameter für einen Kommunikationsfluss
bereitgestellt. Das Verfahren weist auf:
- a)
Bestimmen einer ersten Fenstergröße für den Zielpuffer
bei einer ersten Zeit, und
- b) Bestimmen einer gegenwärtigen
Fenstergröße zu einer
zweiten Zeit als eine Funktion der ersten Fenstergröße eines
gewünschten
Bandbreitenwertes und einer Bandbreite, die verwendet wird, zwischen
der ersten Zeit und der zweiten Zeit.
-
Somit
stellt ein Verfahren entsprechend der Erfindung eine Lösung zu
dem Problem des Erzielens einer gewünschten Bandbreite für eine bestimmte
Verbindung zur Verfügung,
und zwar ohne die Probleme, die mit RTT-Berechnungen, wie in der
Einführung
beschrieben, verknüpft
sind. Eine Ausführungsform
der Erfindung ermöglicht
eine "gewünschte Bandbreiten" Grenze, die einer
speziellen Verbindung, beispielsweise einer TCP-Verbindung, zugewiesen
wird und für
die adaptive Bestimmung einer Fenstergröße für einen Kommunikationsfluß ohne die
Notwendigkeit absolute RTT-Berechnungen durchzuführen. Mit anderen Worten, während der
Ansatz, der in der Einleitung beschrieben wurde, die Steuerung der
Bandbreite in Antwort auf die Berechnung eines absoluten RTT-Werts
beinhaltet, verwendet eine Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung einen relativen oder differentiellen
Ansatz, der sukzessive Neuberechnung eines gegenwärtigen Fenstergrößenwerts
basierend auf einem vorherigen Fenstergrößenwert bereitstellt.
-
In Übereinstimmung
mit einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein Bandbreitensteuermechanismus
bereitgestellt für
das Steuern der Netzwerkbandbreite durch dynamisches Bestimmen einer gegenwärtigen Fenstergröße für einen
Zielpuffer als ein Bandbreitensteuerparameter für einen Kommunikationsfluß, wobei
der Mechanismus aufweist, eine Einrichtung für das Bestimmen einer ersten
Fenstergröße für den Zielpuffer
zu einem ersten Zeitpunkt und für
das Bestimmen einer gegenwärtigen
Fenstergröße als eine
Funktion der ersten Fenstergröße, eines
gewünschten
Bandbreitenwerts und einer Bandbreite, die verwendet wird zwischen
einem ersten Zeitpunkt und einem zweiten Zeitpunkt.
-
In Übereinstimmung
mit einer Ausführungsform
der Erfindung wird ein Bandbreitensteuermechanismus für eine Telekommunikationsnetzwerkstation
bereitgestellt. Der Bandbreitensteuermechanismus wird konfiguriert,
so daß er
betreibbar ist, um eine gegenwärtige
Fenstergröße für ein Zielpuffer
als ein Bandbreitensteuerparameter für einen Kommunikationsfluß festzulegen.
Der Bandbreitensteuermechanismus wird konfiguriert, so daß er auf
eine Fenstergröße, die
für den
Zielpuffer zu einem früheren Zeitpunkt
bestimmt wurde, einen gewünschten
Bandbreitenwert und einer Bandbreite, die zwischen dem vorherigen
Zeitpunkt und den gegenwärtigen
Zeitpunkt verwendet wurde für
das Bestimmen der gegenwärtigen
Fenstergröße reagiert.
-
Eine
Ausführungsform
eines Bandbreitensteuermechanismus gemäß der Erfindung berücksichtigt
die Realisierung, daß die
Bandbreitensteuerung ohne die Berechnung eines absoluten RTT-Werts erzielt werden
kann, jedoch statt dessen auf der Basis einer relativen oder differentiellen
Berechnung der gegenwärtigen
Fenstergröße basierend
auf einer vorherigen Berechnung der Fenstergröße.
-
Überraschenderweise
ermöglicht
der relative Berechnungsansatz eine Ausführungsform der Erfindung eine
genauere Steuerung der Bandbreite für eine Verbindung, als es mit
der absoluten Berechnung eines RTT-Werts möglich wäre. Typischerweise kann die
absolute RTT-Berechnung
nur mit geringer Genauigkeit erzielt werden. Da der RTT-Fehlerbereich
groß ist,
ist der Bandbreitenfehlerbereich ebenso groß. In einer Ausführungsform
der Erfindung kann der Fehlerbereich in der Bandbreitenberechnung
drastisch reduziert werden durch die Verwendung des adaptiven (delta)
Ansatzes (das heißt
ein relativer oder differentieller Ansatz) statt eines Ansatzes,
der auf der absoluten Berechnung von RTT-Werten beruht.
-
Da
eine Ausführungsform
der Erfindung die Bandbreitensteuerung ohne eine direkte Berechnung von
RTT-Werten bereitstellt, ergeben sich weitere Vorteile. Als erstes
ist der "Fehlerbereich" nicht kumulativ.
Ebenso während
direkte RTT-Berechnung zwei-Wege-Steuerung (Paketsendung + Bestätigungsempfang),
was zeitaufwendig und hohe Speicheranforderungen nach sich zieht,
erfordert, können die
Berechnungen in einer Ausführungsform
der Erfindung auf einer Einwegsteuerung (zum Beispiel die Erfassung
von TCP-Bestätigungen)
beruhen.
-
Der
Bandbreitensteuermechanismus kann als ein Software-Bandbreitensteuermechanismus
auf einem Trägermedium
(zum Beispiel ein computerlesbares Speichermedium, wie zum Beispiel
eine optische oder magnetische Platte oder ein Band, Festkörperspeicher
usw. oder Telekommunikationsmedium, wie zum Beispiel eine Telefonleitung,
eine Funkverbindung, usw., oder irgendein anderes geeignetes Trägermedium)
bereitgestellt werden.
-
Der
Bandbreitensteuermechanismus kann ebenso als eine Qualität der Diensteinheit
für ein
Telekommunikationsnetzwerk oder eine Netzwerkstation implementiert
werden.
-
Die
Erfindung stellt ebenso eine Telekommunikationsnetzwerkstation bereit,
die einen Bandbreitencontroller aufweist.
-
Kurze Beschreibung
der Figuren
-
Beispielhafte
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden beschrieben, und
zwar lediglich beispielhaft unter Bezug auf die begleitenden Zeichnungen,
in denen gleiche Referenzzeichen gleiche Elemente betreffen und
in denen:
-
1 eine
schematische Darstellung einer Telekommunikationsumgebung einschließlich einer Mehrzahl
von Stationen, die über
ein Netzwerk miteinander verbunden sind, darstellt,
-
2 eine
schematische Darstellung einer möglichen
Implementierung einer Station darstellt,
-
3 eine
schematische Darstellung einer anderen möglichen Implementierung einer
Stationist,
-
4 eine
schematische Darstellung eines Datagrammformats für die Verwendung
auf dem Netzwerk ist,
-
5 eine
schematische Darstellung eines Segmentformats für die Verwendung auf dem Netzwerk
ist,
-
6 die Übertragung
von Paketen und Bestätigungen über das
Netzwerk veranschaulicht,
-
7 die
Variation einer Umlaufzeit über
der Zeit veranschaulicht,
-
8 ein
Flußdiagramm
ist, das den Betrieb einer Ausführungsform
der Erfindung repräsentiert,
-
9 ein
schematisches Blockdiagramm eines Bandbreitensteuermechanismus gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung ist.
-
Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsformen
-
Bestimmte
Ausführungsformen
der Erfindung werden nun beschrieben, die ein adaptives TCP-Fenstergröße-Berechnungsverfahren
in dem Kontext einer Internetanwendung einsetzen. Es versteht sich
jedoch, daß die
Erfindung nicht hierauf beschränkt
ist und daß die
Erfindung Anwendung bei jeder Kommunikationsnetzwerk Anwendung findet,
wo die verfügbare
Bandbreite eine Funktion von Umlaufzeitfaktoren und umgekehrt ist.
-
1 der
begleitenden Zeichnungen ist eine schematische Darstellung einer
Instanz eines Computernetzwerks, wo eine Anzahl von Stationen 10 über ein
Netzwerk 12 kommunizieren. Das Netzwerk könnte ein
Nahbereichsnetzwerk (LAN) oder ein Weitbereichsnetzwerk (WAN) und
ein Intra- oder Internetzwerk sein. Jede der Stationen 10 könnte durch einen
einzelnen Computer oder durch ein Netzwerk von Computern, beispielsweise
ein LAN oder WAN gebildet sein. Ebenso versteht es sich, daß obgleich nur
vier Stationen 10 gezeigt sind, daß ein typisches Computernetzwerk
viel mehr Stationen, die in einer komplexen Zwischenverbindungsstruktur
angeordnet sind, aufweist. Die Zwischenverbindungsstruktur könnte auf
einem logischen Level sein oder könnte zumindest teilweise eine
hierarchische Struktur einsetzen. Die einzelnen Stationen 10 können variable Anforderungen
an das System stellen, jeweils relativ zueinander und über die
Zeit. In einer typischen Situation wird eine relativ kleine Anzahl
der Stationen 10 Serverstationen bilden und eine relativ
größere Anzahl
der Stationen 10 wird kleine Stationen bilden. Einige können sowohl
als Client- als auch als Serverstationen in verschiedenen Aspekten
ihres Betriebes dienen.
-
2 der
begleitenden Zeichnungen ist eine schematische Darstellung einer
möglichen
Konfiguration für
ein Computersystem, das eine der Stationen 10 bilden könnte. Diese
Stationen können
implementiert werden unter Verwendung irgendeiner geeigneten Technologie.
Wie jedoch in 2 dargestellt ist, wird die
Station 10 durch einen Servercomputer 20 implementiert,
der eine Systemeinheit 22, optional mit eine Anzeige 38,
einer Tastatur 40 und anderen Eingabevorrichtungen 42 aufweist.
Es versteht sich, daß die
Station 10 keine Tastatur, Anzeige usw. benötigt. 2a der
begleitenden Zeichnungen ist eine schematische Blockdarstellung
von Aspekten der Inhalte der Systemeinheit 22. Wie in 2a dargestellt
ist, beinhaltet die Systemeinheit einen Prozessor 28, einen
Speicher 30, Festplattenlaufwerke 24 und 26 und
einen Kommunikationsadapter 32 für die Verbindung zu einer oder
mehreren Telekommunikationsleitungen 34 für die Verbindung
zu dem Telekommunikationsnetzwerk 12. Wie in 2a darge stellt
ist, werden die Komponenten der Systemeinheit über eine Busanordnung 36 verbunden.
Es versteht sich, daß die 2/2a eine
generelle schematische Darstellung einer möglichen Konfiguration für einen
Servercomputer für
das Bilden eines Routers oder eines Senders oder einer Zielstation
ist und daß viele
alternative Konfigurationen bereitgestellt werden könnten.
-
3 stellt
ein anderes Beispiel einer möglichen
Implementierung von einer der Stationen 10 dar. In diesem
Fall bildet die Station 10 einen Dienstqualitätscontroller 37 (QoS)
für ein
Nahbereichsnetzwerk 38, an das eine Mehrzahl von Computern 39 angeschlossen
sind. Der Dienstqualitätscontroller 37 steuert
den Zugriff aufs Nahbereichnetzwerk zu und/oder von dem externen
Netzwerk 12 und kann ebenso andere Zugriffs- und Dienstfunktionen
innerhalb des Nahbereichsnetzwerks steuern.
-
Bestimmte
Ausführungsformen
der Erfindung, die im Folgenden beschrieben werden, betreffen die
Bandbreitensteuerung in einer TCP/IP-Internetumgebung, obgleich,
wie oben erwähnt,
es sich versteht, daß die
Erfindung nicht hierauf beschränkt ist.
-
Wie
oben erwähnt,
wird die Basiseinheit des Datentransfers über das Internet als ein "Internet-Datagramm" oder alternativ "IP-Datagramm" oder einfach "Datagramm" genannt. Ein Datagramm
weist Kopfzeilen- und Datenbereiche und Quell- und Zieladressen
auf. Es gibt keine feste Größe für ein Datagramm.
Merkt man sich dies und ebenso die physikalischen Beschränkungen
der zu Grunde liegenden Hardwaredienste, auf dem das Internet basiert,
ist es notwendig, das Datagramm in Abschnitte zu unterteilen, die "Fragmente" genannt werden.
-
4 stellt
das Format eines Internet-Datagramms dar. Dasselbe Format wird für ein Fragment eines
Datagramms verwendet.
-
Das
4 Bit-Versionsfeld (VERS) spezifiziert die IP-Protokollversion und
wird verwendet, um sicherzustellen, daß alle Knoten entlang des Pfades des
Datagramms mit dem Format übereinstimmen.
-
Das
LEN-Feld gibt die Länge
des Datagrammkopfzeilenteils gemessen in 32 Bit Worten an. Das TOTAL
LENGTH-Feld gibt die Länge
des IP-Datagramms an, gemessen in Bytes zu 8 Bit einschließlich der
Länge der
Kopfzeile und der Daten.
-
Das
SERVICE TYPE-Feld enthält
Handhabungsdetails für
das Datagramm.
-
Drei
Felder der Datagrammkopfzeile, IDENT, FLAGS und FRAGMENT OFFSET
steuern die Fragmentierung und die Wiederzusammenfügung der
Datagramme. Das Feld IDENT enthält
einen eindeutigen Identifizierer, der das Datagramm identifiziert.
-
In
dem FLAGS-Feld spezifiziert ein erstes Bit, ob das Datagramm fragmentiert
sein kann und ein zweites Bit zeigt an, ob dies das letzte Fragment in
dem Datagramm ist. Das FRAGMENT OFFSET-Feld spezifiziert den Offset
dieses Fragments in dem ursprünglichen
Datagramm, gemessen in Einheiten von 8 Byte zu je 8 Bit, beginnend
mit dem Offset 0.
-
Da
jedes Fragment dasselbe grundlegende Kopfzeilenformat, wie ein vollständiges Datagramm hat,
wird die Kombination der FLAGS- und FRAGMENT OFFSET-Felder verwendet,
um anzuzeigen, daß die
Kopfzeilen Fragmente betreffen, und die Position des Fragments innerhalb
des ursprünglichen Datagramms
anzuzeigen. Das FRAGMENT OFFSET-Feld identifiziert die Position
innerhalb des Datagramms, und das zweite der FLAGS-Bits, die oben erwähnt wurden
(die manchmal auch als MORE FRAGMENTS-Anzeige bezeichnet wird) wird
verwendet, um anzuzeigen, ob es weitere Fragmente in dem Datengramm
gibt oder ob statt dessen das betreffende Fragment das letzte Fragment
des Datengramms ist.
-
Das
Feld PROTO ist eine Form eines Schriftfeldes. Die HEADER CHECK SUM
Größe stellt
die Integrität
der Kopfzeilenwerte sicher.
-
SOURCE
IP ADDRESS und DESTINATION IP ADDRESS enthalten 32 Bit Internetadressen
des Senders des Datagramms und des beabsichtigten Empfängers. Das
OPTIONS-Feld und das PADDING-Feld sind in dem Datagramm optional.
Das Feld, welches mit DATA bezeichnet ist, stellt den Beginn des
Datenfeldes dar.
-
5 stellt
das Format eines Segments dar, das verwendet wird, um zwischen zwei
Knoten unter dem TCP zu kommunizieren. Jedes Segment ist in zwei
Teile unterteilt, eine Kopfzeile gefolgt von den Daten. Die Kopfzeile
weist SOURCE PORT- und DESTINATION PORT-Felder auf, die die TCP PORT-Zahlen
enthalten, die die Anwendungsprogramme am Ende der Verbindung identifizieren.
Die SEQENCE NO. identifiziert die Position der Daten in dem Segment
in dem Bytestrom des Senders. Das ACKNOWLEDGEMENT NO.-Feld identifiziert
die Position des höchsten
Byte, das die Quelle empfangen hat. Die SEQUENCE NO. bezieht sich
auf den Strom, der in dieselbe Richtung wie das Segment fließt, während die
ACKNOWLEDGEMENT NO. sich auf den Strom bezieht, der in die umgekehrte
Richtung stattfindet. Das OFF-Feld enthält eine ganze Zahl, die den
Offset des Datenabschnitts des Segments spezifiziert. Dies wird
benötigt,
da das OPTIONS-Feld in der Länge
variiert. Das Feld RES wird reserviert für die zu künftige Benutzung. Segmente können verwendet
werden, um eine Bestätigung oder
Daten oder Anfragen zu tragen, um eine Verbindung zu errichten oder
zu schließen.
Das CODE-Feld wird verwendet, um den Zweck und den Inhalt des Segments
zu bestimmen. Das WINDOW-Feld
spezifiziert die Puffergröße, die
das Ziel bereit ist, zu akzeptieren, jedes Mal, wenn es ein Segment
sendet. Das CHECK SUM-Feld beinhaltet eine TCP-Kopfzeile-Prüfsumme.
Das URGENT POINTER-Feld wird verwendet für das Identifizieren von eiligen
Daten.
-
Das
OPTIONS-Feld wird verwendet, um Information dem Ziel zu übermitteln.
Beispielsweise kann das OPTIONS-Feld verwendet werden, um eine maximale
Segmentgröße zu spezifizieren.
Die DATA-Anzeige stellt den Start des Datenfeldes des Segments dar.
-
Wenn
das TCP-Daten- und Segmente mit variabler Länge sendet, beziehen sich Bestätigungen notwendigerweise
auf eine Position in dem Strom und nicht auf Pakete oder Segmente.
Jede Bestätigung
spezifiziert eine Position, die um Eins größer als die höchste Byte-Position
ist, die empfangen wurde. Folglich spezifizieren die Bestätigungen
die Nummer des nächsten
Bytes, das der Empfänger
zu empfangen erwartet.
-
6 ist
eine schematische Darstellung der Übertragung und des Empfangs
von Paketen und Bestätigungen.
Die linke Seite von 6 stellt Ereignisse an einer
Senderseite 50 dar, die rechte Seite stellt Ereignisse
an einer Empfängerseite 52 dar
und der mittlere Abschnitt stellt Netzwerknachrichten dar, die von
dem Sender und von dem Empfänger
ausgetauscht werden.
-
In 54 sendet
der Sender 50 (zum Beispiel eine Client-Station 10)
ein Paket P1 zu einem Empfänger 52 (zum
Beispiel eine Serverstation 10) über das Netzwerk und startet
einen Timer für
die Nachricht P1. Wenn der Empfänger 52 das
Paket P1 empfängt 56,
dann sendet 58 der Empfänger
eine Bestätigung
A1. Wenn die Bestätigung
A1 an dem Sender 50 empfangen wird 60, kann der
Sender den Timer löschen
und das nächste
Paket P2 zu dem Empfänger 52 senden 62 und
dabei einen Timer für
die Nachricht P2 einstellen. Wenn der Empfänger 52 das Paket
P2 empfängt 64,
sendet 66 eher eine zweite Bestätigung A2 zu dem Sender 50.
Erneut kann der Sender den Timer löschen. Der Prozeß setzt
dann mit der Übertragung
von weiteren Paketen mit Empfang der zweiten Bestätigung A2
fort.
-
7 stellt
eine Variation der Umlaufzeit über
der Zeit dar. Da sich der RTT-Wert nur sehr graduell mit der Zeit
verändert,
sind die RTT-Werte bei zwei nahen Zeitpunkten t(i – 1) und
t(i) im wesentlichen gleich.
-
Wenn
somit die "verwendete
Bandbreite" des
Flusses über
eine Verbindung in zwei Abfragen nahe genug beieinander sind, sagen
wir zu den Zeiten t(i – 1)
und t(i), wird dann angenommen, daß die folgende Annahme durchgeführt werden
kann: RTT(t(i – 1)) =
RTT(t(i)) (2)
-
Diese
Annahme ist vernünftig,
da die RTT unter normalen Umständen
nicht stark variiert, wie in 7 dargestellt
ist. Wenn diese Annahme getroffen wird, kann man dann die "Fenstergröße seit
t(i)", die benötigt wird,
um ein "gewünschte Bandbreite
seit t(i)" zu berechnen
gemäß dem Wert
der alten "Fenstergröße seit
t(i – 1)" und der "tatsächlich verwendeten
Bandbreite seit t(i – 1)". Somit ist: WSt(i) = WSt(i – 1)·DUBt(i)/AUBt(i – 1), (3)wobei:
- WSt(i)
- = Fenstergröße seit
t(i)
- WST(i – 1)
- = Fenstergröße seit
t(i – 1)
- DUBt(i)
- = gewünschte verwendete
Bandbreite seit t(i)
- AUBt(i – 1)
- = tatsächlich verwendete
Bandbreite seit t(i – 1)
-
Diese
Berechnungen können
alle durchgeführt
werden ohne das Wissen des tatsächlichen Werts
von RTT. Es sei bemerkt, daß dies
die Tatsache berücksichtigt,
daß sich
RTT typischerweise graduell zwischen zwei "nahe genug liegenden" Abfragen zu den Zeitpunkten t(i – 1) und
t(i) entwickelt, und nicht auf einem Absolutwert von RTT bei t(i – 1) und t(i)
beruht. Die von einer Ausführungsform
der Erfindung eingesetzte Technik stellt somit die Lösung einer
Einvariablenfunktion (die RTT als eine Funktion der Zeit) bereit,
deren Absolutwerte nicht exakt bekannt sind, durch Verwendung deren
Ableitung. Dies ist möglich,
da die Ableitung der Funktion sehr klein ist und sich Null nähert.
-
Abgesehen
von der Fehlerbereichsverbesserung beruht ein anderer Vorteil in
der Tatsache, daß alle
benötigten
Berechnungen in einer Verkehrsfließrichtung durchgeführt werden
können:
in der speziell beschriebenen Ausführungsform die Bestätigungsrichtung.
-
8 ist
ein schematisches Flußdiagramm der
Operation des Bandbreitensteuermechanismus für Echtzeitberechnung in einer
adaptiven Art und Weise der Fenstergröße für eine gewünschte Bandbreite für jeden
Fluß,
für den
die Bandbreite gesteuert wird.
-
In
Schritt S1 wird zu jeder Abfragezeit t(i) ein Eintrag des zuletzt
empfangenen Übertragungseinheitsidentifizierer
(zum Beispiel eine Bestätigungsnummer)
vorgenommen. Dieser Eintrag wird zumindest bis zur nachfolgenden
Abfragezeit (t + 1) aufbewahrt.
-
In
Schritt S2 wird die verwendete Bandbreite seit t(i – 1) aus
der Differenz zwischen sowohl dem Übertragungseinheitidentifizierer
für die
gegenwärtige
Zeit t(i) und auch einem Eintrag des Identifizierers für die vorherige
Abfragezeit t(i – 1)
berechnet. Wo die Übertragungseinheitsidentifizierer
beispielsweise Bestätigungsnummern
sind, die in Folge für
nachfolgende Bestätigungen
zugewiesen sind, gibt die Differenz t(i) – t(i – 1) direkt eine Zahl eines
Ergebnisses, das eine Anzahl von Bytes repräsentiert, die zwischen beiden
Zeitpunkten bestätigt
wurden. Unter dem TCP/IP gibt die Differenz tatsächlich direkt die Anzahl von
Bytes an, da unter diesem Protokoll die Differenz zwischen zwei
aufeinander folgenden Bestätigungsnummern
die Anzahl von dazwischen übertragenen
Bytes darstellt.
-
Die
Berechnung der verwendeten Bandbreite zwischen t(i – 1) und
t(i) kann durchgeführt
werden als: AUBt(i – 1) = (ANt(i) – ANt(i – 1))/(t(i) – t(i – 1)), (4)wobei:
- AUBt(i – 1)
- = tatsächlich verwendete
Bandbreite seit t(i – 1)
- ANt(i)
- = Bestätigungsnummer
zur Zeit (t(i)
- ANt(i – 1)
- = Bestätigungsnummer
zur Zeit t(I – 1)
- t(i)
- = Zeit t(i)
- t(i – 1)
- = Zeit t(i – 1)
-
In
Schritt S3 kann die "Fenstergröße zum Zeitpunkt
t(i)" (WSt(i)) Berechnung
(Gleichung 3) wie folgt durchgeführt
werden: WSt(i) =
WSt(i – 1)·DuBt(i)/AUBt(i – 1), (5)
-
Die "gewünschte verwendete
Bandbreite zum Zeitpunkt t(i)" (DUBt(i))
und "Fenstergröße zum Zeitpunkt
t(i – 1)" (WSt(i – 1)) sind
bekannte Werte. Insbesondere ist die gewünschte verwendete Bandbreite
zum Zeitpunkt t(i) die Bandbreite für den betreffenden Fluß, die erreicht
werden soll, und die Fenstergröße zum Zeitpunkt
t(i – 1)
ist aus dem vorherigen Durchlauf von Schritt S3 bekannt.
-
In
Schritt S4 kann der Fenstergröße zum Zeitpunkt
t(i) Wert in dem WINDOW SIZE-Feld einer ausgehenden Nachricht oder
ausgehenden Nachrichten (siehe beispielsweise 5)
eingestellt werden. Der Fenstergrößenwert wird dann in einer
konventionellen Art und Weise verwendet, um die Menge der Information
anzuzeigen, die der Empfänger
von seinem Eingangspuffer zum gegenwärtigen Zeitpunkt empfangen
kann. Dieser Wert wird sich mit der Zeit verändern, abhängig von dynamischen Faktoren,
die mit der Verbindung verknüpft
sind, welche die tatsächliche
Bandbreite bis zu einem folgenden Zeitpunkt, zu dem die Fenstergröße, wie
oben beschrieben, erneut berechnet wird, bestimmen wird.
-
Nach
einer neuen Abfrageverzögerung (Schritt
S5) wird die Steuerung zurück
zu Schritt S1 geführt.
-
Man
kann somit sehen, daß das
Verfahren, wie es in 8 dargestellt ist, die Steuerung
der Netzwerkbandbreiten für
eine Verbindung erlaubt durch dynamisches Bestimmen einer gegenwärtigen Fenstergröße für einen
Zielpuffer als ein Bandbreitensteuerparameter für einen Kommunikationsfluß. Das Verfahren
beinhaltet Schritte des Bestimmens einer ersten Fenstergröße für den Zielpuffer
an einem ersten Zeitpunkt an einem ersten Durchlauf der Verfahrensschritte
S1–S5.
Dann bei einem zweiten Durchlauf der Schritte S1–S5 zu einem zweiten Zeitpunkt,
beinhaltet das Verfahren das Bestimmen einer gegenwärtigen Fenstergröße zum zweiten
Zeitpunkt als eine Funktion der ersten Fenstergröße, einem gewünschten
Bandbreitenwert und einer Bandbreite, die zwischen dem ersten Zeitpunkt
und dem zweiten Zeitpunkt verwendet wurde. Die Schritte, die in 8 dargestellt
wurden, werden zu nachfolgenden Zeitpunkten wiederholt, um die adaptive
Bandbreitensteuerung bereitzustellen.
-
Die
verwendete Bandbreite wird bestimmt von einer ersten Übertragungseinheit
in einer ersten Richtung am ersten Zeitpunkt und einer zweiten Übertragungseinheit
in derselben Richtung an dem zweiten Zeitpunkt, wobei die Übertragungseinheit
ein Netzwerknachrichtenpaket oder ein Netzwerkbestätigungspaket
sein kann. Die verwendete Bandbreite wird aus einem Unterschied
zwischen den Übertragungseinheitnummern
zum ersten und zweiten Zeitpunkt bestimmt.
-
In
der speziell beschriebenen Ausführungsform
ist die Übertragungseinheitnummer
eine TCP-Paketsequenznummer.
-
Der
erste und der zweite Zeitpunkt können
in Antwort auf einen Takt oder alternativ in Antwort auf das Erfassen
des Empfangs von entsprechenden Netzwerknachrichten in einer gegebenen
Richtung über
eine Verbindung oder auf entsprechende Bestätigungen oder tatsächlich auf
irgendeinen anderen Impuls, so wie es gewünscht ist, bestimmt werden.
-
Das
Verfahren kann durch Software implementiert werden, die auf einem
Computer oder in einer DIN-Qualität-Einheit bei oder als eine
Station 10 arbeitet. Dies Software kann als eine Abfolge
von Befehle in einem Speicher des Computers (z. B. ein Speicher
einer Station, wie in 2 gezeigt ist) oder auf einem
transportierbaren Datenträger
für die
Verwendung mit solch einem Computer gespeichert sein. Sie könnte ebenso
zumindest teilweise durch geeignete Hardwarelogik, beispielsweise
in Form von einem oder mehreren anwendungsspezifischen Schaltkreisen
(ASICs) implementiert sein.
-
9 ist
eine schematische Darstellung der funktionalen Komponenten eines
Beispiels eines Bandbreitensteuermechanismus nach einer Ausführungsform
der Erfindung. Dieser Mechanismus kann ebenso durch Software implementiert
werden für
das Steuern des Betriebs von programmierbarer Computerhardware oder
zumindest teilweise durch Spezialhardware.
-
Wie
in 9 gezeigt ist, veranlaßt der Controller 80 des
Bandbreitencontrollers, daß eine
erste Übertragungseinheitnummer
(zum Beispiel eine Bestätigungsnummer – siehe 5)
aus einer Übertragungseinheit
(zum Beispiel ein TCP-Segment) extrahiert wird und in einem ersten
Register 82 zusammen mit einem Zeiteintrag der ersten Übertragungseinheit (falls
erforderlich) und/oder dem Eintrag der ersten Übertragungseinheitnummer gespeichert
wird.
-
Der
Controller 80 veranlasst ebenso, daß eine zweite Übertragungseinheitnummer
(zum Beispiel eine Bestätigungsnummer – siehe 5)
aus einer nachfolgenden Übertragungseinheit
(zum Beispiel einem TCP-Segment) extrahiert wird und in einem zweiten
Register 84 zusammen mit einem Eintrag der Zeit der zweiten Übertragungseinheit
(falls erforderlich) und/oder dem Eintrag der zweiten Übertragungseinheitnummer
gespeichert wird.
-
Der
Controller 80 veranlasst dann, daß ein Prozessor 86 einen
verwendeten Bandbreitenwert bestimmt durch Berechnen der Datenmenge,
die zwischen dem ersten und zweiten Zeitpunkt (zum Beispiel für aufeinander
folgende TCP-Segmente, die Anzahl von übertragenen Bytes durch Subtrahieren der
ersten Bestätigungsnummer
von der zweiten Bestätitungsnummer) übertragen
wurden. Wenn die Berechnung in regelmäßigen Intervallen durchgeführt wird,
ist es nicht notwendig, die Zeiten der Übertragungseinheiten oder die
Aufzeichnung der Übertragungseinheitnummern
aufzuzeichnen. Falls die Berechnung jedoch nicht in regelmäßigen Abständen durchgeführt werden,
könnten
die Zeitpunkte verwendet werden, um eine verwendete Bandbreite pro Einheitszeitintervalle
zu bestimmen.
-
Der
Controller veranlaßt
dann, daß ein
Prozessor 88 eine gegenwärtige Fenstergröße in Übereinstimmung
mit Gleichung (4) oben auf der Basis der verwendeten Bandbreitenwertausgabe
von dem Prozessor 86, dem gewünschten Bandbreitenwert von
einem gewünschten
Bandbreitenregister (DBR) 90 und einem vorherigen Fenstergrößenwert
von einem Fenstergrößenregister
(WSR) 92, der zum Zeitpunkt der ersten Zeit bestimmt wurde,
bestimmt. Der resultierende gegenwärtige Fenstergrößenwert
kann von dem Prozessor 88 zu der Nachrichtenerzeugungslogik
(MGL) 94 ausgegeben werden. Die berechnete gegenwärtige Fenstergröße ersetzt
dann den Wert in dem Fenstergrößenregister 92.
Die Nachrichtenerzeugungslogik 94 kann konventionell sein
und verwendet den berechneten gegenwärtigen Fenstergrößenwert
für das
WINDOW-Feld eines TCP-Segments.
-
Der
gewünschte
Bandbreitenwert in dem Register 90 kann für eine bestimmte
Verbindung vorbestimmt sein oder kann dynamisch durch irgendeine geeignete
Technik für
das Steuern der Verteilung der Bandbreite zwischen unterschiedlichen
Verbindungen berechnet werden. Die ursprüngliche Fenstergröße kann
im wesentlichen zufällig
gewählt
werden. Da das Verfahren ein adaptives ist, wird die Fenstergröße schnell
nach einer geringen Anzahl von Iterationen das Optimum erreichen.
-
Vorzugsweise
veranlaßt
der Controller, daß die
Register 82 und 84 in einer Tandem-Art und Weise
betrieben werden, so daß die
Register alternativ den gegenwärtigen
und den vorher aufgezeichneten Wert enthalten.
-
Obgleich
getrennte Prozessoren 86 und 88 in 9 aus
Gründen
der einfachen Erläuterung
gezeigt sind, können
diese als einzelner Prozessor oder als Verarbeitungslogik implementiert
sein.
-
In
einer bevorzugten Ausführungsform
kann der Bandbreitensteuermechanismus Teil eines Servers bilden
und kann auf den Empfang von Nachrichten an dem Server reagieren,
um Bestätigungsnummern
von empfangenen Nachrichten zu extrahieren. Der Server kann dann
die über
ein oder mehrere Verbindungen verfügbarer Bandbreite steuern.
-
Obgleich
aus Gründen
der Erläuterung
ein Bandbreitensteuermechanismus für eine einzelne Verbindung
beschrieben wurde, kann die Bandbreitensteuerung in der gleichen
Weise für
eine Mehrzahl von unterschiedlichen Verbindungen, beispielsweise zwischen
einem Server und einer Mehrzahl von Clients bewirkt werden. Algorithmen
können
eingesetzt werden, um die Verteilung der gewünschten Bandbreite zwischen
den unterschiedlichen Verbindungen in Überein stimmung mit irgendwelchen
geeigneten Parametern, wie zum Beispiel Bandbreitenprioritäten, bezahlte
Bandbreiten usw. bestimmen.
-
Der
Bandbreitensteuermechanismus kann als ein Software-Bandbreitensteuermechanismus
auf einem Trägermedium
(zum Beispiel ein computerlesbares Speichermedium, wie zum Beispiel
eine optische oder magnetische Platte oder Band, Festkörperspeicher,
usw., oder ein Telekommunikationsmedium, wie zum Beispiel eine Telefonleitung,
eine Funkverbindung, usw., oder irgendein anderes geeignetes Trägermedium)
bereitgestellt werden.
-
Es
versteht sich, daß obgleich
bestimmte Ausführungsformen
der Erfindung beschrieben wurden, viele Modifikationen/Hinzufügungen und/oder Ersetzungen
innerhalb des Schutzbereichs der vorliegenden Erfindung durchgeführt werden
können.