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パケット損失は、コンピュータネットワークを通過する1つ以上のデータパケットが宛先に到達できなかった場合に発生します。パケット損失は、通常、ワイヤレスネットワークを介したデータ送信のエラー[1] [2]またはネットワークの輻輳[3]によって 引き起こされます。パケット損失は、送信されたパケットに対する失われたパケットの割合として測定されます。
伝送制御プロトコル( TCP) はパケット損失を検出し、再送信を実行して信頼性の高いメッセージングを保証します。TCP 接続でのパケット損失は輻輳を回避するためにも使用され、接続の スループットを意図的に低下させます。
ストリーミング メディアやオンライン ゲームなどのリアルタイム アプリケーションでは、パケット損失がユーザーのエクスペリエンス品質(QoE) に影響を及ぼす可能性があります。
原因
インターネットプロトコル(IP) は、エンドツーエンドの原則に従ってベストエフォート配信サービスとして設計されており、ルータが実装しなければならないロジックを可能な限りシンプルにすることを意図しています。ネットワークが独自に信頼性の高い配信保証を行うと、ストア アンド フォワードインフラストラクチャが必要になります。このインフラストラクチャでは、各ルータが、次のノードがパケットを適切に受信したことを確認するまで待機する間、大量のストレージ スペースをパケットに割り当てます。信頼性の高いネットワークは、ルータに障害が発生した場合に配信保証を維持できません。信頼性は、すべてのアプリケーションに必要なわけではありません。たとえば、ライブストリーミング メディアでは、古いパケットが最終的に配信されることを保証するよりも、最新のパケットを迅速に配信することが重要です。アプリケーションまたはユーザーが、時間のかかる操作を再試行することを決定する場合もあります。その場合、元のセットを配信する負荷に別のパケット セットが追加されます。このようなネットワークでは、輻輳管理用のコマンド アンド コントロールプロトコルも必要になる可能性があり、さらに複雑になります。
これらの問題をすべて回避するために、インターネット プロトコルでは、ルーターまたはネットワーク セグメントがビジー状態にあり、データをタイムリーに配信できない場合、ルーターがパケットをドロップするだけを許可しています。これは、データの高速で効率的な送信には理想的ではなく、輻輳のないネットワークでは発生しないことが予想されます。[4]パケットのドロップは、ネットワークが輻輳していることを示す暗黙のシグナルとして機能し、送信側が消費する帯域幅の量を減らしたり、別のパスを見つけようとしたりする可能性があります。たとえば、輻輳を検出するためのフィードバックとして認識されたパケット損失を使用して、伝送制御プロトコル(TCP) は、過度のパケット損失によって送信側が速度を下げ、ボトルネック ポイントにデータがあふれないようにするように設計されています。[3] : 282–283
IPv4 ヘッダー チェックサムまたはイーサネットフレーム チェック シーケンスによってパケットが破損していることが示された場合も、パケットがドロップされる可能性があります。パケット損失は、パケット ドロップ攻撃によっても発生する可能性があります。
ワイヤレスネットワーク
無線ネットワークは、無線周波数干渉（RFI）[1] 、距離やマルチパスフェージングによる無線信号の弱さ、ネットワークハードウェアの障害、ネットワークドライバーの障害など、 送信中にパケットが破損したり失われたりする可能性を持つさまざまな要因の影響を受けます。
Wi-Fiは本質的に信頼性が低く、2つの同一のWi-Fi受信機を互いに近接して配置した場合でも、予想されるような同様のパケット損失パターンは示されません。 [1]
携帯電話ネットワークでは、「高いビットエラー率(BER)、不安定なチャネル特性、およびユーザーのモビリティ」が原因でパケット損失が発生する可能性があります。[5] TCP の意図的なスロットリング動作により、ワイヤレスネットワークは理論上の潜在的な転送速度に近いパフォーマンスを発揮できなくなります。これは、変更されていない TCP が、ドロップされたすべてのパケットをネットワークの輻輳によって発生したものとして扱うため、実際には輻輳していない場合でもワイヤレスネットワークをスロットリングする可能性があるためです。 [5]
ネットワークの混雑
ネットワークの輻輳は、あらゆるタイプのネットワークに影響を与えるパケット損失の原因です。特定のルーターまたはネットワークセグメントに、送信可能な速度を超える速度でコンテンツが一定期間にわたって到着すると、パケットをドロップする以外に選択肢はありません。[3] : 36 単一のルーターまたはリンクが、移動パス全体またはネットワーク移動全体の容量を制限している場合、それはボトルネックとして知られています。場合によっては、ルーティングルーチンによってパケットが意図的にドロップされるか、[6]運用管理の目的でネットワークの抑止技術によってドロップされます。[7]
効果
パケット損失は、送信されたデータの一部が受信されず、スループットとしてカウントされないため、特定の送信者のスループットを直接的に低下させます。一部のトランスポート層プロトコルは損失を輻輳の兆候と解釈し、輻輳による崩壊を回避するために送信速度を調整するため、パケット損失は間接的にスループットを低下させます。
信頼性の高い配信が必要な場合、パケット損失により、再送に必要な時間が増えるため、レイテンシが増加します。 [a]再送がないと仮定すると、最も遅延が大きいパケットは優先的にドロップされる可能性があり（使用されるキューイング規則によって異なります）、その結果、全体的なレイテンシが低下します。
測定
パケットロスは、ネットワークによって転送されるべきであったが転送されなかったフレームの割合として定義されるフレームロス率として測定される。 [8] : 4
許容可能なパケット損失
パケット損失は、サービス品質の考慮と密接に関係しています。許容できるパケット損失の量は、送信されるデータの種類によって異なります。たとえば、VoIPトラフィックの場合、あるコメンテーターは「時々 1 つまたは 2 つのパケットが失われても、会話の品質には影響しません。パケット ストリーム全体の 5% から 10% の損失は、品質に重大な影響を及ぼします」と見積もっています。[9]別のコメンテーターは、ストリーミング オーディオまたはビデオの場合、パケット損失が 1% 未満であれば「良好」、1% から 2.5% であれば「許容範囲」であると述べています。[10]
診断
パケット損失は、TCP などの信頼性の高いプロトコルによって検出されます。信頼性の高いプロトコルはパケット損失に自動的に反応するため、ネットワーク管理者などの人がパケット損失を検出して診断する必要がある場合、通常はネットワーク機器または専用のツールからのステータス情報を使用します。
インターネット制御メッセージプロトコルは、常に応答を生成する特別なパケットが送信されるエコー機能を提供します。ping 、traceroute、MTR、PathPingなどのツールは、このプロトコルを使用して、パケットがたどるパスを視覚的に表示し、各ホップでのパケット損失を測定します。[b]
多くのルーターにはステータス ページまたはログがあり、所有者は特定の期間にドロップされたパケットの数または割合を確認できます。
信頼性の高い配信のためのパケット回復
エンドツーエンドの原則に従い、インターネット プロトコルは、ドロップされたパケットの再送信によるパケット回復の責任をエンドポイント (データを送受信するコンピューター) に委ねます。データを送信するアプリケーションは、メッセージ全体または一部の再送信が最適かどうか、メッセージを送信する必要がなくなったかどうか、輻輳を考慮して消費される帯域幅の量を制御する方法などを認識している必要があるため、エンドポイントは再送信が必要かどうかを判断するのに最適な立場にあります。
TCP などのネットワーク トランスポート プロトコルは、エンドポイントにパケットの信頼性の高い配信を確実にする簡単な方法を提供するため、個々のアプリケーションでこのためのロジックを独自に実装する必要がありません。パケット損失が発生した場合、受信側が再送信を要求するか、送信側が確認応答されていないセグメントを自動的に再送信します。[3] : 242 TCP はパケット損失から回復できますが、失われたパケットを再送信すると、受信側が再送信を待機し、追加の帯域幅が消費されるため、接続のスループットが低下します。TCP の特定のバリアントでは、送信されたパケットが失われた場合、それ以降に送信されたすべてのパケットとともに再送信されます。
ユーザー データグラム プロトコル(UDP)などのプロトコルでは、失われたパケットを回復することはできません。UDP を使用するアプリケーションでは、必要に応じてパケット損失を処理するための独自のメカニズムを実装する必要があります。
待ち行列規律の影響
どのパケットをドロップするかを決定するために使用されるキューイング規則は多数あります。ほとんどの基本的なネットワーク機器は、ボトルネックを通過するのを待っているパケットにFIFOキューイングを使用し、パケットを受信した時点でキューがいっぱいであればパケットをドロップします。このタイプのパケットドロップはテールドロップと呼ばれます。その他のフルキューメカニズムには、ランダム早期検出と重み付けランダム早期検出があります。パケットのドロップは、パケットが失われるか再送が必要になり、リアルタイムスループットに影響を与える可能性があるため望ましくありません。ただし、バッファサイズを増やすとバッファブロートが発生し、輻輳時のレイテンシとジッタに独自の影響を 与える可能性があります。
サービス品質によって接続のレートが制限されている場合(たとえば、リーキー バケットアルゴリズムを使用している場合)、特定のサービスの速度を落として、より重要度の高い他のサービスに使用可能な帯域幅を確保するため、パケットが意図的にドロップされることがあります。このため、パケット損失は必ずしも接続の信頼性が低いことや帯域幅のボトルネックの兆候を示すものではありません。
参照
注記
- ^ 一般的なネットワーク輻輳時には、ストリーム内のすべてのパケットがドロップされるわけではありません。つまり、ドロップされなかったパケットは、再送されたパケットに比べて、低いレイテンシで到着します。再送されたパケットは途中まで 2 回移動する必要があるだけでなく、送信者は、期待される順序で受信確認を受信できなかったり、パケットが単に遅延したのではなくドロップされたと想定するほど長い時間確認を受信できなかったりするまで、パケットがドロップされたことに気付きません。
- ^ 場合によっては、これらのツールは、少数のホップで終了するパケットのドロップを示し、宛先に到達するパケットのドロップを示しません。たとえば、ルーターはICMPパケットのエコーに低い優先度を与え、本物のデータにリソースを費やすことを優先してそれらをドロップする場合があります。これは通常、テストのアーティファクトと見なされ、エンドツーエンドの結果を優先して無視できます。[11]
参考文献
- ^ abc Salyers, David C.; Striegel, Aaron; Poellabauer, Christian. 「ワイヤレスの信頼性: 802.11 パケット損失の再考」(PDF) 。2019年 7 月 12 日のオリジナル(PDF)からアーカイブ。2018年 2 月 19 日に取得。
- ^ Tian, Ye; Xu, Kai; Ansari, Nirwan (2005 年 3 月). 「ワイヤレス環境における TCP: 問題と解決策」(PDF) . IEEE Radio Communications . 43 (3): S27–S32. doi :10.1109/MCOM.2005.1404595. S2CID 735922. 2017 年 8 月 9 日の オリジナル(PDF)からアーカイブ。2018年 2 月 19 日に取得。
- ^ abcd Kurose, JF & Ross, KW (2010).コンピュータネットワーキング: トップダウンアプローチニューヨーク: Addison-Wesley.
- ^ 黒瀬, JF; ロス, KW (2010).コンピュータネットワーキング: トップダウンアプローチニューヨーク: アディソンウェスレー。pp. 42–43。ISBN 9780136079675トラフィックの強度が増すにつれて、
パケット損失の割合が増加します。したがって、ノードでのパフォーマンスは、遅延だけでなくパケット損失の確率でも測定されることがよくあります。失われたパケットは、すべてのデータが最終的に送信元から送信先に転送されるように、エンドツーエンドで再送信されることがあります。
- ^ ab Ye Tian、Kai Xu、Nirwan Ansari (2005 年 3 月)。「ワイヤレス環境における TCP: 問題と解決策」( PDF)。IEEE Radio Communications。IEEE。2017年8 月 9 日のオリジナル(PDF)からアーカイブ。2018 年 2 月 19 日に取得。
- ^ Perkins, CE (2001).アドホックネットワーキングボストン: Addison-Wesley. p. 147.
- ^ 「ネットワーク特性の管理によるアプリケーションの制御」Vahab Pournaghshband、Leonard Kleinrock、Peter Reiher、Alexander Afanasyev ICC 2012
- ^ S. Bradner 編 (1991 年 7 月)。ネットワーク相互接続デバイスのベンチマーク用語。ネットワークワーキンググループ。doi : 10.17487 / RFC1242。RFC 1242 。 情報提供。
- ^ Mansfield, KC & Antonakos, JL (2010). LAN から WAN へのコンピュータ ネットワーク: ハードウェア、ソフトウェア、セキュリティ。ボストン: コース テクノロジー、Cengage Learning。p. 501。
- ^ 「ICTP-SDU: PingERについて」。2013年10月10日時点のオリジナルよりアーカイブ。2013年5月16日閲覧。
- ^ 「中間ホップでのパケット損失または遅延」。2007年 2 月 25 日閲覧。
外部リンク
- パケット損失テスト - インターネット接続のパケット損失をテストします