トラフィックシェーピング

トラフィックシェーピングは、コンピュータネットワークで使用される帯域幅管理技術であり、一部またはすべてのデータグラムを遅延させて、目的のトラフィックプロファイルに準拠させます。^[1]^[2]トラフィックシェーピングは、パフォーマンスを最適化または保証し、遅延を改善し、または他の種類のパケットを遅延させることにより、特定の種類のパケットの使用可能な帯域幅を増やすために使用されます。これは、パケットドロップとパケットマーキングという別個ではあるが関連する手法であるトラフィックポリシングと混同されることがよくあります。^[3]

最も一般的なタイプのトラフィックシェーピングは、アプリケーションベースのトラフィックシェーピングです。^[4]^{[検証失敗]}アプリケーションベースのトラフィックシェーピングでは、まずフィンガープリンティングツールを使用して対象のアプリケーションを識別し、次にシェーピングポリシーの対象にします。アプリケーションベースのトラフィックシェーピングの議論の多いケースとしては、ピアツーピアのファイル共有トラフィックの帯域幅調整があります。多くのアプリケーションプロトコルは、暗号化を使用してアプリケーションベースのトラフィックシェーピングを回避します。

トラフィックシェーピングのもう1つのタイプは、ルートベースのトラフィックシェーピングです。ルートベースのトラフィックシェーピングは、前のホップまたは次のホップの情報に基づいて実行されます。^[5]

機能性

リンクが混雑レベルが著しく高くなるまで使用されると、遅延が大幅に増加する可能性があります。トラフィックシェーピングを使用すると、このような状況の発生を防ぎ、遅延を抑えることができます。トラフィックシェーピングは、指定された期間にネットワークに送信されるトラフィックの量 (帯域幅スロットリング)、トラフィックが送信される最大レート (レート制限)、または汎用セルレートアルゴリズムなどのより複雑な基準を制御する手段を提供します。この制御はさまざまな方法と理由で実現できますが、トラフィックシェーピングは常にパケットを遅延させることによって実現されます。

トラフィックシェーピングは、ネットワークに入るトラフィックを制御するためにネットワークエッジで一般的に適用されますが、トラフィックソース（たとえば、コンピュータやネットワークカード^[6]）またはネットワーク内の要素によって適用されることもできます。

用途

トラフィックシェーピングは、トラフィックソースによって、送信するトラフィックが、トラフィックポリシングによってネットワーク内で強制される可能性のある契約に準拠していることを確認するために適用されることがあります。

シェーピングはテレトラフィックエンジニアリングに広く使用されており、国内ISPのネットワークではインターネットトラフィック管理プラクティス（ITMP）の1つとして使用されています。^[7] 一部のISPは、BitTorrentなどのピアツーピアファイル共有ネットワークで消費されるリソースを制限するためにトラフィックシェーピングを使用する場合があります。^[8]

データセンターでは、さまざまなアプリケーションやホストされている多数のテナントが同じ物理ネットワークを共有しているため、トラフィックシェーピングを使用してサービスレベルアグリーメントを維持します。^[9]

オーディオビデオブリッジングには、 IEEE 802.1Qav で定義されている統合トラフィックシェーピング規定が含まれています。

容量がいっぱいのリンクに送信する前にパケットをバッファリングする IP ネットワーク内のノードは、意図しないトラフィックシェーピング効果を生み出します。これは、たとえば、低帯域幅リンク、特に高価な WAN リンク、または衛星ホップで発生する可能性があります。

実装

トラフィックシェーパーは、各パケットが関連するトラフィックコントラクトに準拠するように、計測されたトラフィックを遅延させることによって機能します。計測は、たとえば、リーキーバケットアルゴリズムまたはトークンバケットアルゴリズムを使用して実装できます (前者はATMで一般的に使用され、後者はIP ネットワークで使用されます)。計測されたパケットまたはセルは、関連付けられたトラフィックコントラクトに準拠して送信できるようになるまで、個別にシェーピングされたクラスごとに 1 つずつFIFO バッファーに格納されます。送信は、シェーパーに到着するトラフィックがすでに準拠している場合、すぐに実行される場合、少し遅れて実行される場合 (スケジュールされたリリース時間までバッファー内で待機する場合)、またはまったく実行されない場合があります (パケット損失の場合)。

オーバーフロー条件

すべてのトラフィックシェーパー実装には有限のバッファがあり、バッファがいっぱいになった場合に対処する必要があります。単純で一般的なアプローチは、バッファがいっぱいの間に到着したトラフィックをドロップすることです。これはテールドロップと呼ばれる戦略で、シェーピングだけでなくトラフィックポリシングも行われます。より洗練された実装では、ランダム早期検出などのドロップアルゴリズムを適用できます。

トラフィック分類

単純なトラフィックシェーピングスキームでは、すべてのトラフィックが均一にシェーピングされます。より高度なシェーピングでは、最初にトラフィックを分類します。 トラフィック分類では、トラフィックを分類します (たとえば、ポート番号またはプロトコルに基づいて)。その後、異なるクラスを個別にシェーピングして、目的の効果を得ることができます。

自己制限的な情報源

自己制限的なソースは、ある上限を決して超えないトラフィックを生成します。例えば、エンコードされたレートが許す速度よりも速く送信できないメディアソースなどです。^[10]自己制限的なソースは、生成するトラフィックを多かれ少なかれ形作ります。輻輳制御メカニズムも、ある種のトラフィックシェーピングに影響を与える可能性があります。例えば、TCPのウィンドウメカニズムは、帯域幅遅延積に関連する可変レート制約を実装します。

TCP Niceは、テキサス大学オースティン校の研究者によって開発されたTCPの修正版であり、アプリケーションは特定のTCP接続をオペレーティングシステムによってほぼゼロコストのバックグラウンド転送、つまりniceフローとして管理するように要求できます。このようなフローは、フォアグラウンド（niceではない）フローに最小限の干渉しか与えず、ネットワーク帯域幅の大部分を余分に利用します。^[11]

帯域幅管理との関係

トラフィックシェーピングは特定の技術であり、帯域幅管理を構成するいくつかの技術のうちの1つです。^[12]

ISPとトラフィック管理

トラフィックシェーピングは、特にインターネットサービスプロバイダー（ISP）にとって関心の高いものです。ISPにとって、高コストでトラフィック量の多いネットワークは主要な資産であり、ISPの関心の的となっています。ISPは、トラフィックシェーピングを使用してネットワークの使用を最適化したり、重要度に応じてトラフィックをシェーピングして特定のアプリケーションの使用を抑制したりすることがあります。^[13]

企業

リモートオフィスを持つ企業のほとんどは、現在、広域ネットワーク(WAN) 経由で接続されています。アプリケーションは本社で集中的にホストされる傾向があり、リモートオフィスは中央データベースとサーバーファームからデータを取得することが求められます。アプリケーションは帯域幅をより多く必要とし、専用回線の価格は世界のほとんどの地域で比較的高いため、企業は WAN 回線のサイズを増やすのではなく、回線を適切に管理してビジネス指向のトラフィックが他のトラフィックよりも優先されるようにする必要性を感じています。したがって、トラフィックシェーピングは、企業がこれらのリソースを適切に管理しながら追加の帯域幅の購入を避けるための優れた手段です。

この点におけるトラフィックシェーピングの代替手段は、アプリケーションアクセラレーションとWAN 最適化および圧縮ですが、これらはトラフィックシェーピングとは根本的に異なります。トラフィックシェーピングは帯域幅ルールを定義しますが、アプリケーションアクセラレーションは TCPパフォーマンス強化プロキシなどの複数の技術を使用します。一方、WAN 最適化は、データストリームを圧縮するか、ファイル更新の差分のみを送信します。後者は、 CIFSなどの通信量の多いプロトコルに非常に効果的です。