フロー制御（データ）

データ通信において、フロー制御とは、高速な送信者が低速な受信者に過大な負荷をかけないように、2つのノード間のデータ伝送速度を管理するプロセスです。フロー制御は、実際に輻輳が発生したときにデータの流れを制御するために使用される輻輳制御とは区別する必要があります。 ^[1]フロー制御メカニズムは、受信ノードが送信ノードにフィードバックを送信するかどうかによって分類できます。

フロー制御が重要なのは、送信側コンピュータが宛先コンピュータが受信して処理できる速度よりも速い速度で情報を送信する可能性があるためです。これは、受信側コンピュータのトラフィック負荷が送信側コンピュータに比べて重い場合、または受信側コンピュータの処理能力が送信側コンピュータよりも低い場合に発生する可能性があります。

ストップ アンド ウェイト フロー制御は、最も単純なフロー制御形式です。この方法では、メッセージは複数のフレームに分割され、受信側はデータ フレームを受信する準備ができていることを示します。送信側は、指定された時間 (タイムアウトと呼ばれる) ごとに、各フレームの受信確認 (ACK) を待機します。受信側は ACK を送信して、データ フレームが正しく受信されたことを送信側に知らせます。送信側は、ACK の後でのみ次のフレームを送信します。

1. 送信者:一度に 1 つのフレームを送信します。
2. 送信者はタイムアウト内に ACK を受信するのを待ちます。
3. 受信機:フレームを受信すると確認応答 (ACK) を送信します。
4. ACK を受信するか、タイムアウトが発生した場合は、手順 1 に進みます。

送信中にフレームまたは ACK が失われた場合、フレームは再送信されます。この再送信プロセスは ARQ (自動再送信要求) と呼ばれます。

ストップ アンド ウェイトの問題は、一度に 1 つのフレームしか送信できないことです。送信側は ACK を受信するまで新しいパケットを送信できないため、非効率的な送信になることがよくあります。この間、送信側とチャネルの両方が未使用になります。

長所

このフロー制御方法の唯一の利点は、その単純さです。

短所

送信者はフレームを送信するたびにACKを待つ必要がある。これは非効率の原因であり、伝播遅延が伝送遅延よりもはるかに長い場合は特に問題となる。^[2]

停止して待機すると、長い送信を行うときに非効率になることもあります。^[3]長い送信を行うと、このプロトコルではエラーが発生する可能性が高くなります。メッセージが短いと、エラーが早期に検出される可能性が高くなります。単一のメッセージが別々のフレームに分割されると、送信が長くなるため、さらに非効率になります。^[4]

フロー制御の方法の1つで、受信側が送信側にウィンドウがいっぱいになるまでデータを送信する許可を与える。ウィンドウがいっぱいになると、受信側がより大きなウィンドウを通知するまで送信側は送信を停止しなければならない。^[5]

スライディング ウィンドウ フロー制御は、バッファ サイズが制限され、事前に確立されている場合に最も有効に活用されます。送信者と受信者の間の一般的な通信中、受信者はnフレーム ( nはフレーム単位のバッファ サイズ) 用のバッファ スペースを割り当てます。送信者は n フレームを送信でき、受信者は確認応答を待たずにnフレームを受け取ることができます。確認応答を受信したフレームを追跡できるように、フレームにはシーケンス番号が割り当てられます。受信者は、次に予想されるフレームのシーケンス番号を含む確認応答を送信することで、フレームに確認応答します。この確認応答は、指定された番号から始まる n フレームを受信する準備ができていることを受信者に通知します。送信者と受信者の両方が、ウィンドウと呼ばれるものを維持します。ウィンドウのサイズは、バッファ サイズ以下です。

スライディング ウィンドウ フロー制御は、ストップ アンド ウェイト フロー制御よりもはるかに優れたパフォーマンスを発揮します。たとえば、ワイヤレス環境でデータ レートが低く、ノイズ レベルが非常に高い場合、転送されるすべてのパケットの確認応答を待つことはあまり現実的ではありません。したがって、データを一括転送すると、スループットの向上という点で優れたパフォーマンスが得られます。

スライディング ウィンドウ フロー制御は、現在のデータ転送が完了するまで他のエンティティが通信を試みないことを前提とするポイント ツー ポイント プロトコルです。送信者が維持するウィンドウは、送信できるフレームを示します。送信者はウィンドウ内のすべてのフレームを送信し、確認応答を待ちます (フレームごとに確認応答するのではなく)。次に、送信者はウィンドウを対応するシーケンス番号にシフトし、現在のシーケンス番号から始まるウィンドウ内のフレームを送信できることを示します。

自動再送要求 (ARQ) アルゴリズム。エラー訂正に使用され、否定応答 (NACK) によって、エラーのあるワードと次の N-1 ワードが再送信されます。N の値は通常、N ワードの送信にかかる時間が送信機から受信機への往復遅延よりも短くなるように選択されます。したがって、受信機にバッファは必要ありません。

正規化された伝播遅延 (a) =伝播時間 (Tp) ⁄伝送時間 (Tt)であり、Tp = 長さ (L) ÷ 伝播速度 (V)、Tt = ビットレート (r) ÷ フレームレート (F) です。つまり、a = LF ⁄ Vrとなります。

利用率を得るには、ウィンドウサイズ（N）を定義する必要があります。Nが2a + 1以上の場合、伝送チャネルの利用率は1（フル利用）になります。2a + 1未満の場合は、N ⁄ 1+2aという式を使用して利用率を計算する必要があります。^[6]

選択的繰り返しは、送信側と受信側の両方にシーケンス番号のウィンドウがある接続指向のプロトコルです。プロトコルには、確認応答なしで送信できるメッセージの最大数があります。このウィンドウがいっぱいになると、プロトコルは、最初の未処理メッセージの確認応答を受信するまでブロックされます。この時点で、送信側はより多くのメッセージを送信できます。^[7]

このセクションでは、stop-and-wait、スライディング ウィンドウを、go back Nおよびselective repeatのサブセットと比較する方法について説明します。

エラーなし: . ^{[引用が必要]}${\displaystyle {\frac {1}{2a+1}}}$

エラーあり: . ^{[引用が必要]}${\displaystyle {\frac {1-P}{2a+1}}}$

スループット T は、送信されたブロックごとに通信されるブロックの平均数として定義されます。ブロックを通信するために必要な平均送信数 (0 で示す量) を計算し、式から T を決定する方が便利です。^{[引用が必要]}${\displaystyle T={\frac {1}{b}}}$

送信フロー制御が発生する場合があります:

• データ端末装置（DTE）と交換センターの間、データ回線終端装置（DCE）を介して、反対のタイプが直接相互接続され、
• または、クロスオーバー ケーブルで相互接続された同じタイプの 2 つのデバイス (2 つの DTE、または 2 つの DCE) 間。

伝送速度は、ネットワークまたはDTEの要件により制御される場合があります。伝送フロー制御は、データ転送の2つの方向で独立して発生するため、一方の方向の伝送速度がもう一方の方向の伝送速度と異なる可能性があります。伝送フロー制御は、

• 停止して待つか、
• または、スライディングウィンドウを使用します。

フロー制御を実行できる

• データ通信インターフェースの制御信号線（シリアルポートおよびRS-232を参照）によって、
• または、フローの開始と停止を通知するためのインバンド制御文字を予約します ( XON/XOFFのASCIIコードなど)。

一般的な RS-232 には、通常ハードウェア フロー制御と呼ばれる制御ラインのペアがあります。

• RTS（送信要求）とCTS（送信許可）は、RTSフロー制御で使用されます。
• DTRフロー制御で使用されるDTR（データ端末レディ）とDSR（データセットレディ）

ハードウェア フロー制御は、通常、DTE または「マスター エンド」によって処理されます。これは、まず、相手側にコマンドを送るためにラインを上げるかアサートするためです。

• RTS 制御フローの場合、DTE は RTS を設定し、反対側の端 (DCE などのスレーブ端) にデータ入力ラインの監視を開始するよう信号を送ります。データの準備ができると、スレーブ端は補完ライン (この例では CTS) を上げ、マスターにデータの送信を開始するよう信号を送り、マスターにスレーブのデータ出力ラインの監視を開始するよう信号を送ります。どちらかの端でデータを停止する必要がある場合は、それぞれの「データ準備」ラインを下げます。
• PC からモデムへのリンクや同様のリンクでは、DTR フロー制御の場合、モデム セッション全体にわたって DTR/DSR が発生します (たとえば、ダイヤルアップ インターネット通話では、モデムにダイヤルするように信号を送るために DTR が発生し、接続が完了するとモデムによって DSR が発生します)。また、データのブロックごとに RTS/CTS が発生します。

ハードウェア フロー制御の例としては、半二重無線モデムとコンピュータ間のインターフェイスがあります。この場合、モデムとコンピュータの制御ソフトウェアは、受信無線信号を優先するように記述され、モデムが受信を検出した場合に CTS を下げてコンピュータからの送信データを一時停止します。

• 極性：
  • RS-232 レベル信号はドライバ IC によって反転されるため、ライン極性は TxD-、RxD-、CTS+、RTS+ (HI の場合は送信可能、データ 1 は LO) になります。
  • マイクロプロセッサ ピンの場合、信号は TxD+、RxD+、CTS-、RTS- (LO の場合は送信可能、データ 1 は HI) です。

逆に、XON/XOFF は通常、ソフトウェア フロー制御と呼ばれます。

オープンループ フロー制御メカニズムは、受信側と送信側の間にフィードバックがないという特徴があります。この単純な制御手段は広く使用されています。リソースの割り当ては、「事前予約」または「ホップツーホップ」タイプである必要があります。

オープンループフロー制御には、ネットワークリソースを最大限に活用するという固有の問題があります。リソースの割り当ては、接続のセットアップ時に CAC (接続許可制御) を使用して行われますが、この割り当ては、接続の存続期間中にすでに「古い情報」となっている情報を使用して行われます。多くの場合、リソースの割り当てが過剰になり、予約されているが使用されていない容量が無駄になります。オープンループフロー制御は、ATM の CBR、VBR、および UBR サービスで使用されます(トラフィック契約と輻輳制御を参照) 。 [ 1 ^]

オープンループ フロー制御には、コントローラとレギュレータの 2 つの制御が組み込まれています。レギュレータは、コントローラからの信号に応じて入力変数を変更できます。オープンループ システムにはフィードバックやフィード フォワードのメカニズムがないため、入力信号と出力信号は直接関連しておらず、トラフィックの変動性が増大します。また、このようなシステムでは到着率が低く、損失率が高くなります。オープン制御システムでは、コントローラはレギュレータを一定の間隔で操作できますが、出力変数を目的のレベルに維持できるという保証はありません。このモデルを使用するとコストが安くなるかもしれませんが、オープンループ モデルは不安定になる可能性があります。

閉ループフロー制御メカニズムは、ネットワークが保留中のネットワーク輻輳を送信機に報告する機能によって特徴付けられます。この情報は、送信機によってさまざまな方法で使用され、既存のネットワーク状況に合わせてアクティビティを調整します。閉ループフロー制御は、ABRによって使用されます（トラフィック契約と輻輳制御を参照）。^[1]上記の送信フロー制御は、閉ループフロー制御の一種です。

このシステムには、センサー、トランスミッター、コントローラー、レギュレーターなどの基本的な制御要素がすべて組み込まれています。センサーはプロセス変数を捕捉するために使用されます。プロセス変数はトランスミッターに送信され、トランスミッターは変数をコントローラーに変換します。コントローラーは、目的の値に関する情報を調べ、必要に応じて修正アクションを開始します。次に、コントローラーは、出力変数値が目的の値と一致するようにするために必要なアクションをレギュレーターに伝えます。したがって、出力変数を目的のレベルに維持できることが確実に保証されます。閉ループ制御システムは、フィードバック システムまたはフィード フォワード システムになります。

フィードバック閉ループ システムには、入力信号と出力信号を直接関連付けるフィードバック メカニズムがあります。フィードバック メカニズムは出力変数を監視し、追加の修正が必要かどうかを判断します。フィードバックされる出力変数値は、レギュレータで修正アクションを開始するために使用されます。業界のほとんどの制御ループはフィードバック タイプです。

フィードフォワード閉ループ システムでは、測定されたプロセス変数は入力変数です。測定された信号は、フィードバック システムと同じ方法で使用されます。

クローズドループ モデルでは、損失率とキューイング遅延が低くなり、輻輳に応答するトラフィックが実現します。クローズドループ モデルは、アクティブ ローの数が制限されているため、常に安定しています。

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• [1] 最終アクセス日2012年11月27日。

• RS-232 フロー制御とハンドシェイク