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JP3917615B2 - モバイルアドホックネットワーク環境で最適の転送率を探すための調節方法 - Google Patents

モバイルアドホックネットワーク環境で最適の転送率を探すための調節方法 Download PDF

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Description

本発明はモバイルアドホックネットワーク環境で最適の転送率を探すための調節方法に係り、より詳細には現在転送率(cur_bw)と以前転送率(base_bw)との差値(Diff)を計算し、以前転送率の標準偏差(basebw_var)を計算して上限臨界値および下限臨界値を設定した後、その差値とその上下限臨界値との大きさを比較した結果によって混雑ウィンドウ値(congestion window;以下、cwnd)を増加または減少させた後、以前転送率を現在転送率にアップデートすることによってアドホックネットワーク環境に最適の転送率調節技法を提供する。
従来の公開特許としては特許文献1があるが、これは混雑ウィンドウcwndの線形的な増減とともに指数的増減を共に考慮することによって転送制御プロトコルベガス(TCP−vegas)の収斂速度を改善してTCPの性能を向上させたTCP−Vegasの混雑制御方法に関する。
また、特許文献2はχ1、χ2をαおよびβに追加することによってネットワークの急激な混雑を減らしてネットワークを効率的に使用可能にしたTCP−Vegasを利用した転送制御プロトコルの混雑制御方法に関する。
そして、さらに特許文献3および4などがある。
モバイルアドホックネットワーク(Mobile ad hoc network、以下、MANET)環境とは、固定されたインフラ構造なしに必要により動的に形成されるネットワークが移動端末を中心に形成されるネットワーク環境をいうが、図1はアドホックネットワークシステムを示す概念図である。IEEE 802.11を使用するMANETでは通信チャンネルをあらゆるノードが共有するようになる。
したがって、同じ通信領域内にあるあらゆるノードは同じチャンネルを通じて通信するため、転送されたデータが互いに衝突したり遺失されやすくなり、無線ネットワークの特性上リンク階層の転送信頼度が大きく落ちてしまう。送信者は受信者にパケットを転送し、受信者は前記転送されたパケットに対するACK−応答パケットを送信者に転送する。この時、ACK−応答パケットには受信者が現在まで受信した連続的なパケットのシーケンス番号の最大値に関する情報が含まれているので一部のACK−応答パケットが遺失されても送信者が転送する量は減少しない。
TCPは、TCP/IPアーキテクチャのうち転送層に属するプロトコルであって、主にデータのフローおよびエラーの制御を担当している。特に、TCPはアプリケーションにより転送されるデータがバッファに保存されればウィンドウのサイズほどのみ転送される。この時、ウィンドウのサイズは宛先ホストまたはネットワーク混雑度により決定されて増加または減少する。特にTCPではスライディングウィンドウ方式を利用するが、このようなウィンドウ概念を利用することによって無線リンクの使用性を極大化できる。
従来技術としてTCP混雑制御アルゴリズムは、初期に転送率を単純に指数的に増加させることによって混雑状態が急激に発生し、その混雑状態で転送率を無条件半分に減らすことによってネットワークを効率的に使用できなかった。
一方、図2Aは従来技術によるTCP−Renoバージョンでの転送率変化を示す図面であり、図2Bは従来技術によるTCP−Vegasバージョンでの転送率変化を示す図面である。既存のTCPは転送量を調節する段階を2段階に大別する。
第1の段階は使用可能な帯域幅を探す段階であって遅い開始段階と呼ぶ(図2A参照)。使用可能な帯域幅を探すまで速い速度で転送量を増やしつつネットワーク状態を確認する。転送量を増やすうちにあらかじめ定義された遅い開始臨界値を超えれば、ネットワークの状態によって転送量を調節する段階に入る。この段階を混雑回避段階と呼ぶが、この段階では転送量を徐々に増加させる。
遅い開始段階ではデータ往復転送にかかる時間値(Round Trip Time、以下、RTT)当り以前のcwndを2倍ずつ増加させる。一方、混雑回避段階ではRTT当り1パケットをさらに送るようにcwndを増加させる。これを示す図面が図2Aである。
TCP−VegasバージョンではRTTを基準に可用帯域幅および現在使用中の帯域幅を計算する。現在使用中の帯域幅が可用帯域幅より非常に小さな場合には転送率を高めて可用帯域幅を最大にし、現在使用中の帯域幅が最大帯域幅に近接な場合には転送率を減らしてネットワークになるべく少ないパケットが保持されるように努力する。これを示す図面が図2Bである。
しかし、このような従来の転送方式は、ネットワークに転送可能な量以上のデータを転送して損失を発生させて初めて転送率を調節できるため、大きい負担がある。特に、アドホックネットワークの特性上、転送可能なデータの量は有線ネットワークとは違って状況により大きく変わる。リンク階層では衝突を回避するための技法だけでなく再転送メカニズムも持っているために、パケット損失が発生するまで転送率を持続的に増加させることは全体ネットワークに大きい負荷を与え、かつTCPの連続するタイムアウトを引き起こす。このような動作は結局ネットワーク資源の使用効率を大きく落とす結果を招く。
一方、図3は従来技術によるTCP−RenoバージョンおよびTCP−Vegasバージョンでの転送失敗パケットの数を比較した図表である。TCP−Vegasバージョンのような転送率調節方式はアドホックネットワークで大きい長所を持つが、与えられた統計資料からみれば(図3参照)、TCP−Vegasもネットワークで捨てられるパケットの数においてはあまり差がないことが確認できる。
パケット転送の失敗回数が多くなるほどネットワーク資源は効率的に使用されなくなり、パケット転送の失敗は他のセッションの転送までも妨害する問題をもたらす。アドホックネットワークでバックグラウンドトラフィックが存在する場合に前記の問題はさらに深刻になる。また、Vegasバージョンの場合、ACKパケットが到着するまでの時間をRTTで測定するが、ACKパケットの発生は既存の有線網での水準を維持するために無線ネットワークの資源使用(リンク使用)が必要以上に過度になる問題があった。さらにそれを基づいて転送量調節をするためにそれを直すことは合理的でない。
大韓民国特許公開第2001−058119号公報 大韓民国特許公開第2003−044465号公報 米国特許公開第2002−0154602号公報 日本特開平11−177618号公報
本発明は前記問題点を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、従来のTCP転送量調節技法を修正してTCPのネットワーク資源使用量を最大化し、かつ衝突を減らす技法を受け入れることによってMANET環境で最適の転送率を探すための調節方法を提供するところにある。
前述した目的を達成するための本発明の一実施例によるMANET環境で最適の転送率を探すための調節方法は、cur_bwとbase_bwとのDiffを計算する第1段階と、前記basebw_varを計算して上限臨界値および下限臨界値を設定する第2段階と、前記差値と前記上下限臨界値との大きさを比較した結果によって前記以前転送率を現在転送率にアップデートする第3段階と、を含むことを特徴とする。
また、前記以前転送率は数式(7)によって算出され、前記現在転送率は数式(8)により算出され、前記差値は数式(9)により算出され、前記cwndは混雑ウィンドウ値、前記baseRTTは以前時間に測定されたデータ往復転送にかかる時間値、そして、前記curRTTは現在のデータ往復転送にかかる時間値であることを特徴とする。
Figure 0003917615
また、前記以前転送率の標準偏差は、数式(10)により算出され、前記αは加重値平均のパラメータであり、数式(11)は以前時間値での標準偏差であることを特徴とする。
Figure 0003917615
また、前記第3段階は、差値が正数である場合には前記差値を上限臨界値とその大きさを比較し、差値が負数である場合には前記差値を下限臨界値とその大きさを比較した後、前記以前転送率を前記現在転送率にアップデートする段階であることを特徴とする。
また、前記第3段階は、前記差値が正数でありかつ前記上限臨界値より大きい場合にはcwndを増加させた後に前記以前転送率を前記現在転送率にアップデートし、前記差値が負数でありつつ前記下限臨界値より大きい場合にはcwndを変動させずに前記以前転送率を前記現在転送率にアップデートする段階であることを特徴とする。
また、前記第2段階は、前記上限臨界値及び下限臨界値を数式(12)に設定する段階であり、前記第3段階は、前記差値が正数でありかつ前記上限臨界値より大きい場合にはcwndを増加させた後に前記以前転送率を前記現在転送率にアップデートし、前記差値が負数でありつつ前記下限臨界値より小さな場合にはcwndを減少させた後に前記以前転送率を前記現在転送率にアップデートする段階である。
Figure 0003917615
この場合、前記第3段階は、前記cwndが遅い開始臨界値より小さい場合には前記cwndを遅い開始臨界値に調節する段階を含むことが望ましい。
本発明によれば、現在状態での最適の転送量を探すための方式を提案して図4のようにネットワーク状態による最適の転送量を追跡できるネットワーク転送量予測をし、これに基づいて転送率を調節してアドホックネットワークの転送量を増加させ、無線LANを利用することによるアドホックネットワークの性能低下現象を防止する効果がある。
また、ネットワークのパケット遺失はさらに少なくなり、スループットは高い状態を維持するため、既存の方法よりネットワークの資源使用がさらに効率的であり、特にバックグラウンドトラフィックが増加する時も同じ効果を奏する。
以下、本発明によるMANET環境で最適の転送率を探すための調節方法に対して図面を参照して詳細に説明する。
図4は、現在スループットと最大スループットとを比較したグラフである。図4に図示されたように、アドホックネットワークでは経時的に最大スループット40が大きく変化することが分かり、現在スループット42との比較を通じてネットワーク状態変化を予測することによってTCP送信側で転送率を調節できる。したがって、現在スループット42を調節する技法が非常に重要であることが分かる。
図5は、本発明の一実施例によるMANET環境で最適の転送率を探すための調節方法を示すフローチャートであり、図6は本発明のまた他の一実施例によるMANET環境で最適の転送率を探すための調節方法を示すフローチャートである。
TCPの送信者はデータを1回に1パケットずつ転送せずにネットワークが耐えられるほどの量だけ転送するが、これはcwndによって調節される。
転送は2段階に分けられて実行される。転送初期には遅い開始段階が始まる。この時には適切なネットワークの帯域幅を探すことを目的とする。RTT当り転送量があらかじめ定義された値(ssthresh)以上になれば、ネットワークの状態によって混雑を少なく発生させうる状態を探すために混雑ウィンドウを調節する混雑回避段階に入る。初期の遅い開始段階の過程を説明するものが図5であり、混雑回避段階の過程を説明するものが図6である。
新しいACKを受けたTCP送信者は現在転送率を数式(14)に決定する(curRTTは現在のデータ往復転送にかかる時間値である)。最初のパケット交換時期には使用可能な帯域幅の初期値である以前転送率を数式(15)(baseRTTは以前時間に測定されたデータ往復転送にかかる時間値)に計算し、初期base_bw値が設定された以後にはcur_bwは持続的にアップデートされ、base_bwの値はbase_bwのアップデートが必要な場合に限ってcur_bw値により定める。その後、cur_bwとbase_bwとの差であるDiff値を計算する(S500、S600)。Diff値はcur_bwからbase_bwを引いた値であって、現在ネットワークの状態を把握するために使用する。Diff値の計算は毎パケットの交換時になされるが、実際RTT値が変化しない場合が多く、Diff値が実際変化する時点はRTTがアップデートされる時点である。
Figure 0003917615
現在ネットワークの状態に関する情報を得てその資料に基づいて遅い開始段階および混雑回避段階でそれぞれ次のような行動をとることによってネットワークの負荷を減らしつつも最大の帯域幅を使用できる構造を得る。遅い開始段階および混雑回避段階での状態変化を判断するための2つの臨界値を設定するが、base_bwの標準偏差を計算して正の標準偏差値を上限臨界値として設定し、負の標準偏差値を下限臨界値として設定する(S502、S602)。
もともと標準偏差を求めるには資料が多く要求される。また資料となる現在転送率が持続的に変化する場合には毎パケットに対して新しく標準偏差を計算せねばならないが、このために標準偏差を計算するに当ってオーバーヘッドがあまりにも大きくなる。したがって標準偏差を実際に求めるよりは数式(16)のような近似値をとる。ここではαは加重値平均のパラメータであり、数式(17)は以前時間値での標準偏差に該当する。これは、既存のTCP−Vegasバージョンでのαおよびβ値が状況により調節する必要がある基準の曖昧な値であるという問題点を乗り越えるためである。
Figure 0003917615
一方、遅い開始段階に関する過程をまず説明すれば、上下限臨界値を設定した後でDiff値が正数であるかどうかを判断する(S504)。もし、正数である場合には(S504で「はい」)、上限臨界値とその大きさを比較する(S506)。Diff値が上限臨界値より大きい場合には(S506で「はい」)、現在の転送状態が良好であるということを意味するため、cwndを増加させた後(S508)、base_bwをcur_bwにアップデートする(S510)。Diff値が上限臨界値より大きくない場合には(S506で「いいえ」)、cwndを変化させずに直ちにbase_bwをcur_bwにアップデートする(S510)。
そして、Diff値が正数ではない場合には(S504で「いいえ」)、負数であるかを判断して(S512)、負数である場合には(S512で「はい」)、現在の転送状態が直前の転送状態に比べて良好でないということを意味するため、下限臨界値とその大きさを比較する(S514)。Diff値が下限臨界値より大きい場合には(S514で「はい」)、cwndを変化させずに直ちにbase_bwをcur_bwにアップデートする(S510)。Diff値が下限臨界値より大きくないか、またはDiff値がゼロである時は(S514で「いいえ」)、転送率をアップデートせずに転送を終了するかどうかを判断する(S516)。転送し続ける必要があれば(S518で「いいえ」)、一応現在の転送率を維持する(S518)。その後、再び最初のS500段階に戻ってDiff値を計算する(S500)。
base_bwをcur_bwにアップデートすることが重要な理由は、遅い開始段階は適切なbase_bwを探す過程であるため、遅い開始段階で設定したbase_bw値が混雑回避段階ではネットワークの混雑状態を判断する基準となるからである。
すなわち、遅い開始段階では現在のDiff値が上下限臨界値内の範囲で動けばcwndを変化させずにbase_bw値をアップデートする。特にDiffが正数でありかつ上限臨界値を超える場合のみネットワーク資源の可用性を高めるためにcwndを増加させた後、base_bw値をアップデートすることである。
遅い開始段階では上限臨界値を+basebw_var、下限臨界値を−basebw_varと定めたが、混雑回避段階である時はk倍の値、すなわち、±k*basebw_var(kは1以上の定数)を上下限臨界値とすることによって転送量の増減幅を減らす。図6の実施例ではk値が1である場合を示している。
次に、混雑回避段階の場合を説明すれば、遅い開始段階と同様にDiff値を計算した後(S600)、上下限臨界値を設定する(S602)。
そして、Diff値が正数であるかどうかを判断した後(S604)、正数である場合は(S604で「はい」)、上限臨界値とその大きさを比較する(S606)。上限臨界値より大きい場合は(S606で「はい」)、現在の転送状態が良好であるということを意味するため、cwndを増加させた後(S608)、base_bwをcur_bwにアップデートする(S610)。Diff値が上限臨界値より大きくない場合には(S606で「いいえ」)、cwndを変化させずに直ちにbase_bwをcur_bwにアップデートする(S610)。
そして、Diff値が正数ではない場合には(S604で「いいえ」)、負数であるかを判断して(S612)、負数である場合には(S612で「はい」)、現在の転送状態が直前の転送状態に比べて良好でないということを意味するため、下限臨界値とその大きさを比較する(S614)。Diff値が下限臨界値より小さな場合は(S614で「はい」)、現在の転送状態が非常に不良な状態であるため、cwndを減少させた後(S616)、転送率をアップデートする(S610)。しかし、下限臨界値より小さくない場合には(S614で「いいえ」)、cwndを変化させずに直ちにアップデートする(S610)。
アップデート段階を経た後にはcwndが遅い開始臨界値以下に落ちるかどうかを判断する(S618)。また、Diff値が正数でも負数でもないゼロとなる場合にも(S612で「いいえ」)、cwndが遅い開始臨界値以下に落ちるかどうかを判断する(S618)。
もし、cwndが遅い開始臨界値より小さな場合は(S618で「はい」)、パケットを送る空間が多く残っていることを意味するため、cwndを遅い開始臨界値に合わせた後(S620)、転送終了如何を判断する(S622)。cwndが遅い開始臨界値より小さくない場合にも(S618で「いいえ」)、転送終了如何を判断した後(S622)、転送し続ける必要がある場合は(S622で「いいえ」)、再びS600段階から始める。
すなわち、混雑回避段階では上限ないし下限の臨界値範囲を超過する場合にのみcwnd大きさを調節して転送量を調節することによって、ネットワークに過負荷を与えないように調節することである。
図7Aおよび図7Bは、本発明の一実施例によるスループット結果を従来のTCP−RenoバージョンおよびTCP−Vegasバージョンによるスループット結果と比較した図面である。図7Aは、バックグラウンドトラフィックがない場合の、図7Bはバックグラウンドトラフィックが存在する場合の比較結果である。本発明によるシミュレーション結果を見れば、バックグラウンドトラフィックの存否に関係なく従来のTCP−RenoやVegasよりスループットがさらに高く現れるということが分かる。
図8Aおよび図8Bは、本発明の一実施例による遺失されたパケットの数を従来のTCP−RenoバージョンおよびTCP−Vegasバージョンによる遺失されたパケットの数と比較した図面である。同様に、図8Aはバックグラウンドトラフィックが存在しない場合の、図8Bはバックグラウンドトラフィックが存在する場合の比較結果である。本発明によるシミュレーション結果を見れば、バックグラウンドトラフィックの存否に関係なく従来のTCP−RenoやVegasより遺失されたパケットの数がさらに少ないことが分かる。
本発明では転送率の増加または減少があったとして直ちにcwndを変化させることではなく、一般的に発生する偏差値の範囲内にDiff値が存在するならば、cwndを変化させずにbase_bwをcur_bwにアップデートしつつ転送状態を改善させる。
本発明は、従来のTCP転送量調節技法を修正してTCPのネットワーク資源使用量を最大化し、かつ衝突を減らす技法を受け入れたものであって、モバイルアドホックネットワーク環境に望ましく適用できる。
MANETシステムを示す概念図である。 従来技術によるTCP−Renoバージョンでの転送率変化を示す図面である。 Bは、従来技術によるTCP−Vegasバージョンでの転送率変化を示す図面である。 従来技術によるTCP−RenoバージョンおよびTCP−Vegasバージョンでの転送失敗パケットの数を比較した図表である。 現在スループットと最大スループットとを比較したグラフである。 本発明の一実施例によるMANET環境で最適の転送率を探すための調節方法を示すフローチャートである。 本発明のまた他の一実施例によるMANET環境で最適の転送率を探すための調節方法を示すフローチャートである。 本発明の一実施例によるスループットの結果を従来のTCP−RenoバージョンおよびTCP−Vegasバージョンによるスループット結果と比較した図面である。 本発明の一実施例によるスループットの結果を従来のTCP−RenoバージョンおよびTCP−Vegasバージョンによるスループット結果と比較した図面である。 本発明の一実施例による遺失されたパケットの数を従来のTCP−RenoバージョンおよびTCP−Vegasバージョンによる遺失されたパケットの数と比較した図面である。 本発明の一実施例による遺失されたパケットの数を従来のTCP−RenoバージョンおよびTCP−Vegasバージョンによる遺失されたパケットの数と比較した図面である。
符号の説明
40 最大スループット
42 現在スループット

Claims (7)

  1. 転送制御プロトコルで転送率を調節する方法において、
    現在転送率(cur_bw)と以前転送率(base_bw)との差値(Diff)を計算する第1段階と、
    前記以前転送率の標準偏差(basebw_var)を計算して上限臨界値および下限臨界値を設定する第2段階と、
    前記差値と前記上下限臨界値との大きさを比較した結果によって前記以前転送率を前記現在転送率にアップデートする第3段階と、を含むことを特徴とするモバイルアドホックネットワーク環境で最適の転送率を探すための調節方法。
  2. 前記以前転送率は数式(1)によって算出され、
    Figure 0003917615
    前記現在転送率は数式(2)により算出され、
    Figure 0003917615
    前記差値は数式(3)により算出され、
    Figure 0003917615
    前記cwndは混雑ウィンドウ値、前記baseRTTは以前時間に測定されたデータ往復転送にかかる時間値、そして、前記curRTTは現在のデータ往復転送にかかる時間値であることを特徴とする請求項1に記載のモバイルアドホックネットワーク環境で最適の転送率を探すための調節方法。
  3. 前記以前転送率の標準偏差は、
    数式(4)により算出され、
    Figure 0003917615
    前記αは加重値平均のパラメータであり、
    Figure 0003917615
    数式(5)は以前時間値での標準偏差であることを特徴とする請求項1に記載のモバイルアドホックネットワーク環境で最適の転送率を探すための調節方法。
  4. 前記第3段階は、差値が正数である場合には前記差値を前記上限臨界値とその大きさを比較し、差値が負数である場合には前記差値を前記下限臨界値とその大きさを比較した後、前記以前転送率を前記現在転送率にアップデートする段階であることを特徴とする請求項1ないし3のうちいずれか1項に記載のモバイルアドホックネットワーク環境で最適の転送率を探すための調節方法。
  5. 前記第3段階は、前記差値が正数でありかつ前記上限臨界値より大きい場合には混雑ウィンドウ値を増加させた後に前記以前転送率を前記現在転送率にアップデートし、前記差値が負数でありつつ前記下限臨界値より大きい場合には混雑ウィンドウ値を変動させずに前記以前転送率を前記現在転送率にアップデートする段階であることを特徴とする請求項4に記載のモバイルアドホックネットワーク環境で最適の転送率を探すための調節方法。
  6. 前記第2段階は、前記上限臨界値及び下限臨界値を数式(6)に設定する段階であり、
    Figure 0003917615
    前記第3段階は、前記差値が正数でありかつ前記上限臨界値より大きい場合には混雑ウィンドウ値を増加させた後に前記以前転送率を前記現在転送率にアップデートし、前記差値が負数でありつつ前記下限臨界値より小さな場合には混雑ウィンドウ値を減少させた後に前記以前転送率を前記現在転送率にアップデートする段階であることを特徴とする請求項1に記載のモバイルアドホックネットワーク環境で最適の転送率を探すための調節方法。
  7. 前記第3段階は、前記混雑ウィンドウ値が遅い開始臨界値より小さい場合には前記混雑ウィンドウ値を前記遅い開始臨界値に調節する段階を含むことを特徴とする請求項6に記載のモバイルアドホックネットワーク環境で最適の転送率を探すための調節方法。

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