DE60037660T2

DE60037660T2 - Auf-anfrage überlagerungsrouting für rechnerbasierte communicationsnetzwerke

Info

Publication number: DE60037660T2
Application number: DE60037660T
Authority: DE
Inventors: Livio Los Gatos RICCIULLI
Original assignee: Level 3 CDN International Inc
Current assignee: Level 3 CDN International Inc
Priority date: 1999-06-18
Filing date: 2000-06-16
Publication date: 2008-11-06
Anticipated expiration: 2020-06-17
Also published as: ATE383013T1; JP4677155B2; WO2000079730A3; US20020018449A1; US20010037409A1; US20110228678A1; JP2003502941A; EP1188280B1; US8599697B2; US6778502B2; EP1898571A2; US7953888B2; AU5620900A; CA2374621A1; EP1188280A2; US6473405B2; US6275470B1; WO2000079730A2; US20040022194A1; DE60037660D1

Description

Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft Computernetzwerke und im Besonderen einen Mechanismus zum Auffinden verbesserter Kommunikationspfade durch ein heterogenes Computernetzwerk mit Hilfe eines Overlay-Netzwerks.
Hintergrund und Stand der Technik
Das Internet besteht heute aus einer Sammlung von miteinander verbundenen administrativen Domänen. Jede Domäne steht unter der Kontrolle eines oder mehrerer Administratoren, die entscheiden, welche Hardware-Ausrüstung eingesetzt und welche Steuersoftware ausgeführt werden soll. Diese lokalisierte Steuerung der administrativen Domänen erfordert die Koexistenz einer Anzahl von ungleichartigen, heterogenen Systemen. Das grundlegende Kommunikationsprotokoll, über das die verschiedenen Domänen kommunizieren, ist das IP (Internet Protokoll). Jede Internet-Datenkommunikation wird in die Ausgabe einer Sequenz von IP Protokollpaketen mit unterschiedlicher Größe umgesetzt, die über eine oder mehrere administrative Domänen wandern, bis sie den Zielort erreichen.
Im IP spezifiziert der Sender der Daten nur die Zieladresse, während das Netzwerk (die Kollektion von Hardware- und Softwaresystemen, die über verschiedene administrative Domänen verteilt sind) einen Weiterleitungspfad auswählt, über den die IP Pakete geleitet werden sollen. Routing-Protokolle arbeiten zwischen unterschiedlichen administrativen Domänen zusammen und über eine Vielzahl unterschiedlicher Software- und Hardwaretechniken, um das Vorhandensein und/oder den Zustand von Verbindungen im Internet zu überwachen. Aufgrund des großen Umfangs und der heterogenen Natur des Internets und der Komplexi tät der Routing-Aufgabe sind diese Routing-Protokolle typischerweise minimalistisch aufgebaut und tendieren dazu, den Fokus auf die Garantie der Verbindung und die kleinste Anzahl von Routing-Schritten (Routing-hops) zu legen und nicht auf die Optimierung der Leistung. Als Ergebnis stellt sich neben anderen Problemen die bekannte und frustrierende Erfahrung der Nutzer ein, dass ausgedehnte Verzögerungen auftreten, wenn zu Information über das World Wide Web zugegriffen werden soll, insbesondere während Zeiten starker Belastung.
Es existieren viele Vorschläge zur Verbesserung der Nutzbarkeit des Internets, die eine große Vielfalt von Verfeinerungen und/oder Antwortzeiten bei der Änderung von Weiterleitungspfaden enthalten, um so die beste Routing-Leistung zu erhalten. In der Praxis werden diese Vorschläge aber kaum genutzt, da sie sehr schwierig bei ihrer Einführung in das Internet zu koordinieren sind. Das Zusammenwirken zwischen unterschiedlichen administrativen Domänen ist der kritische Faktor und jede Änderung der Protokolle, die Weiterleitungspfade beeinflussen, können die Verfügbarkeit von Verbindungen in starkem Maß beeinflussen. Als Ergebnis werden in der Praxis die Weiterleitungspfade zwischen Endpunkten unter Verwendung sehr einfacher Funktionen von Kosten (Aufwand) und/oder heuristischer und/oder manueller Eingriffe bestimmt. Mit diesem Schema werden die Netzwerke in starker Maße unter ihrer Leistungsfähigkeit benutzt. Abhängig von lokalen Konfigurationen werden beim Auftreten von Fehlern voreingestellte Weiterleitungspfade, auf denen eine Unterbrechung auftritt, während mehrerer Minuten oder Stunden weiterverwendet, bis der Fehler behoben oder irgendwelche manuelle Rekonfiguration der Weiterleitungspfade erfolgt. Mehrere Unternehmen, beispielsweise Inktomi (Traffic Server product, http:www.inktomi.com) und Akamai (FreeFlow product, http: und//www.akamai.com) bieten gegenwärtig Technologien zur Verbesserung der Internet-Kommunikationsgeschwindigkeit an und/oder entwickeln diese, und zwar mit Mechanismen, die im Wesentlichen häufig angesprochene Internet-Inhalte replizieren oder Cache-Kopien erstellen und derartige Kopien strategisch "näher" an Endkunden verteilen, die diese Information benötigen. Derartige Ansätze sind wertvoll, aber oft beschränkt oder ineffektiv in Bezug auf dynamisch erzeugte Inhalte (wie beispielsweise Web-Seiten mit cgi-Skripten). Außerdem führen diese Ansätze im Allgemeinen zu beträchtlichen Kosten für Computer-Server mit großer Kapazität, um extra Kopien von massiven Datenvolumen physikalisch zu speichern und eine Synchronisation zwischen den verschiedenen Ablageorten von Inhalten mit häufiger Aktualisierung aufrechtzuerhalten.
"QOS Routing-Mechanism and OSPF Extensions" Guerin et al, Global Telecommunications Conferences US, New York, IEEE, 3. November 1997, Seiten 1903–1908, XP-000737848 beschreibt ein Verfahren zur Auswahl eines Pfades durch ein Netzwerk, in dem in die Kosten (Aufwand) eines voreingestellten (Default-)Pfades gemessen werden und mit den Kosten eines alternativen Pfades durch das gleiche Netzwerk verglichen werden, um einen optimaleren Pfad zu bestimmen. Die Bestimmung kann dabei auf Anforderung erfolgen (on demand).
Benötigt wird ein Mechanismus, der die Auswahl von optimierten Netzwerk-Pfaden für die Übertragung von Daten ermöglicht, einschließlich dynamisch erzeugter Daten, ohne irgendwelche Änderungen an fest etablierten Kommunikationsprotokollen, wie beispielsweise IP, zu erfordern. Außerdem sollte der Mechanismus vorzugsweise im Wesentlichen transparent sein für die Nutzer des Netzwerks.
Die vorliegende Erfindung stellt ein anforderungsbezogenes (on-demand) Verfahren und System zum Auffinden optimierter Pfade für die Übertragung von Daten zwischen Quell- und Zielpunkten in einem heterogenen, computerbasierten Kommunikationsnetzwerk zur Verfügung.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Verfügung gestellt, um einen optimierten Pfad zur Übertragung einer Nachricht von einer Quelle zu einem Ziel innerhalb eines paketvermittelten, computerbasierten Kommunikationsnetzwerks anzugeben, wobei das Verfahren die folgenden Schritte enthält:

a) Übermittlung einer Nachricht als Antwort auf eine Anforderung, Messen eines Aufwands (Kosten) von der Quelle zum Ziel längst eines voreingestellten (Default-)Pfades, wobei der voreingestellte Pfad mittels eines oder mehrerer existierender Routing-Mechanismen des Kommunikationsnetzwerks hergeleitet wird;
b) Messen eines alternativen Aufwandes des Übermittelns der Nachricht von der Quelle zum Ziel entlang wenigstens eines alternativen Pfades;
c) Bestimmen des optimierten Pfades, indem der voreingestellte Aufwand und der alternative Aufwand miteinander verglichen werden, und dadurch charakterisiert, dass der alternative Pfad durch einen oder mehrere Zwischenknoten führt, die nicht auf dem voreingestellten Pfad liegen und wobei die Zwischenknoten eine dem computerbasierten Kommunikationsnetzwerk übergeordnete virtuelle Netzwerktopologie definieren.

Es ist zu beachten, dass in diesem Patent die Begriffe "optimierte" und "optimale" Pfade nur Pfade bedeuten sollen, die bezüglich ausgewählter Kosten/Leistungs-Kriterien und bezüglich einer Menge von identifizierten alternativen Pfaden als bevorzugt angesehen werden. Es wird nicht über eine globale optimale Lösung geredet.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine architekturbezogene Übersicht eines Overlay-Netzwerks nach einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, das mit einem heterogenen Client-Server-Netzwerk integriert ist, wie beispielsweise dem Internet.
2 stellt die grundlegenden Schrittfolgen dar, die in einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung durchgeführt werden, um einen verbesserten Weiterleitungspfad für die Datenübertragung durch einen oder mehreren Overlay-Knoten zu finden, und um die Daten zu ihrem gewünschten Ziel über den verbesserten Pfad zu übertragen.
3a stellt grafisch ein Beispiel einer Overlay-Netzwerktopologie dar, mit voller Maschen-Konnektivität.
3b stellt grafisch ein Beispiel einer Overlay-Netzwerktopologie dar, nachdem diese gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausgedünnt wurde.
4a stellt grafisch das Auffinden eines optimierten Pfades durch Overlay-Knoten zur Übertragung von Netzwerkdaten von einer Quelle zu einem Ziel dar.
4b stellt grafisch die Zuordnung von Kosten (Aufwand) zu einem optimierten Pfad durch Overlay-Knoten dar, um Netzwerkdaten von einer Quelle zu einem Ziel zu übertragen.
5 stellt die Schritte dar, die in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung durchlaufen werden, um Daten längst eines optimierten Weiterleitungspfades durch einen oder mehrere Knoten des Overlay-Netzwerks zu übertragen, ohne die bestehenden Netzwerk-Routing-Protokolle zu verändern.
A. Übersicht
Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung stellt einen Mechanismus zum Auffinden und Nutzen optimierter Pfade für die Übertragung von Daten zwischen Quell- und Zielpunkten in einem Computernetzwerk, wie beispielsweise dem Internet, zur Verfügung, ohne irgendwelche Modifikationen an existierenden Kommunikationsprotokollen zu erfordern. Vorzugsweise kombiniert der Mechanismus einen Overlay-Routing-Mechanismus mit einem anforderungsbezogenen (on demand) Routing-Mechanismus, der kurz wie folgt zusammengefasst werden kann:

1) Ein Overlay-Netzwerk (Überlagerungsnetzwerk) eines alternativen Routing-Mechanismus wird oberhalb des existierenden Internet-Routing-Mechanismus eingerichtet, um verfügbare Ressourcen zu finden und auszunutzen. Der Overlay-Routing-Mechanismus ist vollständig transparent und getrennt von den Internet- Routing-Protokollen und wird vorzugsweise durch irgendwelche kleine, aber in weitem Umfang eingebaute Teile des Internets als eine verteilte Nutzerapplikation eingerichtet. 1 zeigt ein Beispiel für dieses Konzept. Knoten 100 und 160 sind Quell- bzw. Zielknoten für eine beabsichtige Kommunikation auf einem Netzwerk, wie beispielsweise dem Internet. Diese Knoten sind mit dem darunter liegenden Netzwerk über Übertragungsverbindungen 110 beziehungsweise 170 verbunden. Die Knoten 140a–n (die mit dem darunter liegenden Netzwerk über Verbindungen 145a–n verbunden sind) stellen andere Netzwerkknoten dar und können potenziell Knoten sein, die in einem voreingestellten Kommunikationspfad zwischen den Knoten 100 und Knoten 160 verwendet werden, abhängig von dem Routing-Mechanismus des Netzwerks. Overlay-Netzwerkknoten 130a–n verwenden bestehende Netzwerk-Übertragungsleitungen und Infrastruktur über die Netzwerkverbindungen 135a–n, um eine virtuelle Topologie zu erzeugen. Das Overlay-Netzwerk enthält vorzugsweise eine Anzahl von Geräten mit Rechenfähigkeit, beispielsweise Knoten 130a–n, die zusammenarbeiten, um Weiterleitungspfade zur Verfügung zu stellen, die über ein darunter liegendes Netzwerk gelegt sind. Overlay-Knoten kommunizieren vorzugsweise unter Verwendung bestehender, etablierter Internetprotokolle und erfordern somit keinerlei Modifikationen an bestehenden Standards. Jeder Overlay-Knoten 130 enthält vorzugsweise ein Overlay-Pfadmodul 150 und in ähnlicher Weise enthält entweder der Quell- oder der Zielknoten ein Overlay-Pfadmodul 120; diese Komponenten sind so programmiert, dass sie betrieben werden können, um verfügbare IP Protokolle zu kombinieren, um zusätzliche Funktionalität zur Verfügung zu stellen, mit der Overlay-Routing eingesetzt werden kann, wenn dies vorteilhaft ist, wie im Folgenden im Einzelnen beschrieben wird.

In der bevorzugten Ausführungsform enthält das Overlay-Netzwerk eine Menge gewöhnlicher Computersysteme (z. B. Pentium-basierte PCs), die an der gleichen Stelle wie Internetsites aufgestellt werden, beispielsweise in den größeren ISP Standorten. Jeder dieser PCs enthält Overlay-Pfadmodule 150 in Form zusätzlicher kundenspezifischer Softwaremodule für die Zwecke der vorliegenden Erfin dung, mit denen Information über Verbindungskosten und optimale Weiterleitungspfade gemessen und aufgezeichnet werden kann, wie es genauer im Folgenden beschrieben wird. Das Overlay-Netzwerk ist ein virtuelles Netzwerk; mit anderen Worten, obwohl es neue und zusätzliche Hardware verwendet (die an den gleichen Internetsites vorgesehenen Boxen), nutzt es vorzugsweise für alle Kommunikationen die existierende Netzwerk- und Kabelinfrastruktur. Dieses Overlay-Netzwerk stellt effektiv eine große Menge alternativer Pfade mit messbaren Kommunikationskosten innerhalb des Internets zur Verfügung. Klienten können diese alternativen Pfade verwenden, wenn festgestellt wird, dass diese einen besseren Service zu den gewünschten Zielorten bieten als ein voreingestellter Pfad.

2) Alternative, verbesserte Weiterleitungspfade durch die Knoten des Overlay-Netzwerks werden bedarfsweise (on demand) festgestellt. Das Verfahren ist im Flussdiagramm von 2 grob dargestellt. Im Schritt 200 wird der entsprechende Prozess initiiert, wenn ein Nutzer, der mit einer Quelle "A" verbunden ist (d. h. Knoten 100 von 1) (entweder direkt oder indirekt, wie beispielsweise über ein Netzwerk-Gateway) die Kommunikation einer Nachricht zu einem Ziel B anfordert. Wird als Antwort auf Schritt 210 der Schwellwert für die Kosten des voreingestellten Pfades für die angeforderte Kommunikation überschritten, so schickt in den Schritten 220 bis 225 (wie später noch im Einzelnen beschrieben wird) das Overlay-Pfadmodul 120 Anfragen aus, die von einem oder mehreren Overlay-Knoten 130a–n empfangen und verarbeitet werden; Overlay-Pfadmodule 150 kooperieren, um alternative Pfade durch in die Overlay-Knoten 130 festzustellen und die Kosten derartiger alternativer Pfade zu messen. Das Messen der Kosten der Datenübertragung längs eines gegebenen Pfades (mit den Schritten 210, 220) erfolgt im Allgemeinen unter Verwendung konventioneller Techniken, abhängig von der zu messenden Kosten-Metrik. Beispielsweise können Verzögerungs- oder Laufzeiten der Verbindungen leicht dadurch gemessen werden, dass das interessierende Ziel von der interessierenden Quelle angesprochen wird ("pinging"). Bei den Schritten 230–235 werden diese alternativen Pfade mit der existierenden Internet-Route oder vorher ausgewählten Overlay-Routen verglichen.
3) Wenn bei den Schritten 230 und 235 ein neuer Pfad durch die Knoten des Overlay-Netzwerks gefunden wurde, der eine bessere Leistung als der voreingestellte Pfad aufweist, dann wird bei Schritt 240 vorzugsweise Information, die den verbesserten Pfad beschreibt, an jeden der Overlay-Netzwerkknoten 130 gesandt, die in dem neuen Pfad beteiligt sein werden. Bei Schritt 250 verwendet eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung einen Mechanismus, um Pakete durch den neuen Pfad auf transparente Weise und ohne Modifikationen irgendeines der voreingestellten Internet-Kommunikationsmechanismen zu leiten. Vorzugsweise wird eine Form der IP Verkapselung verwendet, wie es im Folgenden genauer beschrieben wird. Der voreingestellte Pfad wird vorzugsweise im Schritt 260 in denjenigen Fällen verwendet, wenn kein neuer Pfad durch die Knoten des Overlay-Netzwerks gefunden wird, der eine bessere Leistung als der voreingestellte Pfad aufweist.

Die verschiedenen Prozesse und Strukturen in einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden nun einzeln genauer beschrieben.
B. Bedarfsweise Ermittlung verbesserter Overlay-Weiterleitungspfade.
1. Überwachung (Monitoring)
Die Erfindung stellt vorzugsweise ein bedarfsweises (on demand) Routing zur Verfügung, bei dem nützliche Weiterleitungspfade durch das Overlay-Netzwerk nur im Bedarfsfall bestimmt und hinzugefügt werden. Damit wird vermieden, dass im Voraus alle möglichen Weiterleitungspfade berechnet und aufgezeichnet werden müssen, und es wird in vorteilhafter Weise von voreingestellten Internet-Routing-Mechanismen Gebrauch gemacht, um Initialisierungs-(bootstrapping) und voreingestellte Operationen durchzuführen. Im Besonderen erzeugt die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung einen neuen Weiterleitungspfad von Endpunkt A zu Endpunkt B nur wenn: (1) eine End-zu-End-Kommunikation zwi schen A und B angefordert wird (durch Schritt 200 in 2) und (2) ein Pfad durch das Overlay-Routing-Netzwerk festgestellt wird, der bessere Leistung als die voreingestellte Internet-Route liefert (in Schritten 210–215 von 2).
Das Auffinden eines Overlay-Weiterleitungspfades beginnt daher vorteilhaft mit der Überwachung einer oder mehrerer Kosten/Leistungs-Metriken, die für die Datenkommunikation von Interesse sind, die auf dem voreingestellten Internet Routing-Pfad durchgeführt werden. Eine derartige Überwachung wird im Allgemeinen typischerweise bei einem Gateway-Router oder Endpunkt an der Quelle durchgeführt, Knoten 100. Modul 110 verwendet eine vorbestimmte Kostenfunktion, in der die überwachten Metriken kombiniert werden und erkennt End-zu-End-Kommunikationen, die nicht spezifischen, vorbestimmten Anforderungen genügen. Für derartige Kommunikationen extrahiert der Erkennungsprozess aus den Überwachungsoperationen (1) die Quelladresse A, (2) die Zieladresse B und (3) die Kosten der Datenkommunikation von A nach B. Die Berechnung der Kosteninformation wird im Folgenden diskutiert. Diese Information wird dann in dem Verfahren zum Auffinden des "on demand"-Weiterleitungspfads verwendet, wie im Folgenden beschrieben wird.
2. Auffinden eines verbesserten Pfades
Der Quellknoten 100 (ebenso wie irgendeiner der Router auf dem voreingestellten Internet-Weiterleitungspfad) kann potenziell End-zu-End-Kommunikationen feststellen, die nicht spezifischen Anforderungen genügen. Um die Schritte 220–225 zu initiieren, sendet in diesem Fall Modul 120 eine Anfrage an die Overlay-Netzwerkknoten 130, um festzustellen, ob das Overlay-Netzwerk in der Lage ist, einen besseren Weiterleitungspfad anzubieten. Die Anfrage wird vorzugsweise an eine spezifizierte Anzahl ("q") der Overlay-Netzwerk-Router 130 geschickt, abhängig von der Konfiguration. In einer relativ einfachen Ausführungsform enthält jede der q Anfragenachrichten für den Weiterleitungspfad: (1) eine Zieladresse B, (2) eine Quelladresse A und (3) einen Identifizierer für eine vorbestimmte Kosten funktion F. In dem Beispiel von 1 ist die Quelle A der Knoten 100 und das Ziel B der Knoten 160. Die Kostenfunktion F wird vorzugsweise aus einer Menge von Leistungs-Metriken für die Netzwerkkommunikation abgeleitet, beispielsweise Verzögerung (Laufzeit), Durchsatz, Fluktuationen (jitter) oder Verluste entsprechend den Prioritäten und Erfordernissen des Praktikers.
Wenn jeder der q Overlay-Netzwerk Knoten 130i eine Weiterleitungspfad-Anfrage erhält, führt er Schritt 220 aus und misst die zugeordnete Kostenfunktion F bezüglich der Kommunikationen, die vom Overlay-Knoten an die Zieladresse B übertragen werden, um so den Wert F(B, i) zu erhalten. Der Wert F(B, i) wird für einen voreingestellten Netzwerkpfad von dem i-ten Overlay-Knoten bis zum Ziel B gemessen. In dieser einfachen Ausführungsform empfängt Modul 120 des anfragenden Knotens eine einzige Antwort von jedem der befragten q Overlay-Netzwerkrouter. Zu jeder Zeit während des Empfangs der Antworten kann der anfragende Knoten entscheiden, einen bestimmten Weiterleitungspfad zu wählen und alle zusätzlichen Antworten auf die Anfrage zu ignorieren. Um einen optimierten Weiterleitungspfad auszuwählen, kombiniert Modul 120 des anfragenden Knotens vorzugsweise den F(B) Wert in jeder Antwort mit der Kostenfunktion F(i, A), die die Kosten der Kommunikation vom anfragenden Knoten zum Overlay-Knoten 130i misst, noch einmal längs des voreingestellte Netzwerkpfades. Der Fachmann wird erkennen, dass es beim Kombinieren von Kostenfunktionen erforderlich sein kann, Werte hinzuzufügen (beispielsweise, wenn die Kostenmetrik die Verzögerung ist) oder den minimalen Wert zu berechnen (beispielsweise bei der Bandbreite) oder im Allgemeinen eine komplexe parametrisierte Kombination von Kostenfunktionen einzusetzen. In jedem Fall verwendet Modul 120 bei den Schritten 230–233 vorzugsweise die berechneten gesamten Kosten für die alternativen Overlay-Pfade und für den voreingestellten Pfad, um einen optimierten Pfad für die Kommunikation zwischen Quellknoten 100 (A) und Zielknoten 160 (B) auszuwählen.
3. Auffinden verbesserter Pfade durch multiple Overlay-Knoten
Für ein Overlay-Netzwerk mit multiplen Overlay-Knoten kann es im Allgemeinen nützlich sein, alternative Overlay-Pfade zu berücksichtigen, die durch mehr als einem Overlay-Knoten verlaufen ("multi-hop" Pfade). Dieser Abschnitt beschreibt eine alternative bevorzugte Ausführungsform, in der das Auffinden von Multi-hop-Pfaden enthalten ist.
Im Prinzip ist ein Overlay-Netzwerk in der Lage, eine logische komplette Konnektivität durch die darunter liegenden, voreingestellten Internet Routing-Mechanismen herzustellen (mit anderen Worten ein Overlay-Knoten kann mit irgend einem anderen Knoten kommunizieren). Für die Zwecke des Erkennens von Multi-hop-Pfaden lohnt es sich jedoch aus Sicht der Berechnung im Allgemeinen nicht, zu versuchen, die Menge aller möglichen Multi-hop-Pfade ausgiebig zu bewerten. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird daher eine togologische Darstellung der Overlay-Netzwerk-Konnektivität ausgedünnt, um so die Anzahl der möglichen Weiterleitungspfade zu anderen Overlay-Knoten von einem gegebenen Overlay-Knoten auf eine feste, relativ kleine Anzahl ("N") zu reduzieren. Beispielsweise stellt 3a eine anfängliche togologische Darstellung eines Overlay-Netzwerks dar, das aus acht Knoten mit vollständiger Konnektivität besteht, während 3b eine ausgedünnte Topologie desselben Overlay-Netzwerks darstellt, diesmal jedoch mit N = 2.
In dieser alternativen bevorzugten Ausführungsform misst jedes Modul 150 des Overlay-Knotens die Kosten der Kommunikation (über die voreingestellten Kommunikationspfade des darunter liegenden Netzwerks) zu allen anderen Overlay-Routerknoten. Für jeden Nachbarn eines gegebenen Knotens 130i werden die Kostenfunktionen L(j, i) zur Ausdünnung und anschließend zur Bestimmung der Route verwendet, wobei die Kostenfunktionen L(j, i) die Kosten der voreingestellte Kommunikation vom Overlay-Knoten 130i zum benachbarten Overlay-Knoten messen. In dem Ausdünnungsprozess beginnt jeder Overlay-Netzwerkknoten 130i mit dem vollen Konnektivitäts-Gitter zu allen anderen Overlay-Netzwerk-Knoten und einer Menge von Kosten L(j, i), die den Verbindungen zu jedem anderen Overlay-Knoten 130j zugeordnet sind. Die Ausdünnungsoperation besteht vorzugsweise aus zwei Phasen. In der ersten Phase werden direkte Verbindungen gelöscht, die teurer sind als indirekte Verbindungen. Wenn danach immer noch mehr als N direkte Verbindungen von irgendeinem gegebenen Overlay-Knoten vorhanden sind, werden in einer zweiten Phase zusätzliche direkte Verbindungen mit den schlechtesten Kostenfunktionen eliminiert. Am Ende dieser beiden Phasen weist jeder Overlay-Netzwerk-Router ⇐N direkte Linkverbindungen auf und erfüllt so die bevorzugte Randbedingung und die resultierende gesamte Topologie des Overlay-Netzwerks kann, braucht aber nicht, voll verbunden zu sein. Die resultierende Topologie wird dann in dem folgenden Verfahren des Auffindens alternativer Pfade verwendet.
Der Aufbau der anfänglichen Topologie und die Bestimmung der finalen logischen Topologie mit zugehörigen Verbindungskosten erfolgen vorzugsweise unter Verwendung der voreingestellten Internet-Kommunikationsmechanismen. Sind die Overlay-Knoten untereinander durch spezialisierte oder verbesserte Kommunikationsmechanismen verbunden – was keineswegs erforderlich ist – so werden die Overlay-Verbindungskosten L(j, i) auf dieser Grundlage berechnet.
Schritt 225 zusammen mit Schritt 220 von 2 entsprechen dem Bestimmungsprozess in einem Multi-hop-Ausführungsbeispiel. In dieser Ausführungsform werden Pfadanfragen an das Overlay-Netzwerk in der früher für die vereinfachte Ausführungsform beschriebenen Weise geschickt, doch enthalten diese Anfragen vorzugsweise zusätzlich ein Feld „Lebensdauer" (time-to-live TTL), dessen Wert jedes Mal vermindert wird, wenn ein Knoten eine Anfrage nach einem Weiterleitungspfad empfingt. Wie im Fall der vereinfachten Ausführungsform berechnet jeder Overlay-Knoten, der eine Pfadanfrage empfängt, bei Schritt 220 einen Wert F(B, i). Steht das TTL-Feld jedoch nicht auf Null, so vermindert jeder Overlay-Knoten, der eine derartige Anfrage erhält, das TTL-Feld und leitet die Anfrage an alle seine Nachbarn in der ausgedünnten Darstellung der logischen Topologie des Overlay-Netzwerks weiter (vorzugsweise höchstens N Nachbarn, wie oben beschrieben). Jeder derartige Overlay-Knoten antwortet dann dem anfragenden Knoten mit seiner eigenen gemessenen F(B, i) und der Menge der Kosten L(i, j) für Verbindungen zu jedem seiner topologischen Nachbarn.
Um die relevanten Gesamtkosten für jeden der möglichen Overlay-Weiterleitungspfade bei den Schritten 230–235 in diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel für den Multi-hop-Fall zu berechnen und zu vergleichen, kombiniert Modul 110 des anfragenden Knoten alle infrage kommenden Kostenfunktionen. So verläuft im Beispiel von 4a der ultimative interessierende Kommunikationspfad zwischen dem Gateway-Knoten G (durch den der Quellknoten A zum Netzwerk zugreift) und dem Zielknoten B. Die Kosten des voreingestellten Netzwerkpfades von G nach B werden abstrakt durch Knoten R dargestellt und weisen, wie angezeigt, die gesamten Kosten C(A, B) auf. 4a zeigt auch eine ausgedünnte Darstellung der Topologie des Overlay-Netzwerks 400, wie in 3b mit acht Overlay-Knoten und einer Konnektivität von N = 2. Entsprechend der Darstellung von 4a sendet in diesem Beispiel der Gateway-Knoten G eine einzige Pfadanfrage an den Overlay-Knoten O1 und empfängt insgesamt drei Antworten für alternative Overlay-Pfade. In 4b ist ein derartiger alternativer Overlay-Pfad der Multi-hop-Weiterleitungspfad, der vom Gateway G zum Overlay-Knoten O1 zum Overlay-Knoten O2 und schließlich zum Ziel B verläuft. In diesem Beispiel werden die relevanten Gesamtkosten für den alternativen Overlay-Pfad durch Kombinieren von F(O1, G), L(O2, O1) und F(B, O2) erhalten.
C. Aufbau und Verwendung von Overlay-Weiterleitungspfaden
Für den Fall, dass ein Overlay-Weiterleitungspfad in den Schritten 230–235 als optimierter Pfad für das Aussenden der vom Nutzer angeforderten Kommunikation ausgewählt ist, kombiniert eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung bestehende Internetprotokolle in einer Art und Weise, dass dynamisch Weiterleitungspfade durch das Overlay-Netzwerk aufgebaut werden.
Im Folgenden wird wieder auf 2 Bezug genommen; wenn in den Schritten 230 und 235 ein verbesserter Overlay-Weiterleitungspfad festgestellt wurde, wird bei Schritt 240 Information gespeichert, die den verbesserten Weiterleitungspfad beschreibt, und zwar vom Erzeuger der Pfadanfrage (z. B. typischerweise dem Modul 110 des Quellknotens 100) sowie von jedem der Overlay-Knoten, die an dem verbesserten Pfad beteiligt sind. Die Pfadinformation wird vorzugsweise in jedem Overlay-Knoten 130 in einer Tabelle oder ähnlichem gespeichert, so dass ein Overlay-Knoten auf dem Weiterleitungspfad die Adresse des nächsten Knotens auf dem nicht voreingestellten Pfad entnehmen kann, an den die Nachricht weitergeleitet worden soll, wenn ein spezifizierter Zielpunkt vorgegeben ist. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann diese Information durch die Overlay-Knoten gelöscht werden, wenn länger als eine vorbestimmte Zeitspanne keine End-zu-End-Kommunikation zwischen A und B erfolgt, oder wenn angenommen wird, dass die Leistung des Overlay-Weiterleitungspfades schlechter wird als die des voreingestellten Internetpfades – oder einfach, nachdem einen bestimmte Zeitspanne vergangen ist, so dass spätere Kommunikationsanforderungen zum Auffinden und Messen von Overlay-Pfaden auf der Grundlage eines neuen aktuellen Zustands des Netzwerks führen.
5 zeigt ein genaueres Bild des Verfahrens, das zur Übertragung von Nachrichtendaten durch einen nicht voreingestellten (non-default) Overlay-Pfad (Schritt 250 von 2) in einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung durchgeführt wird. Es ist hier zu erinnern, dass Nachrichtenpakete gemäß Protokollen, wie beispielsweise dem IP Protokoll, im Allgemeinen Felder "Quellen" und "Ziel" enthalten. Das Zielfeld wird von dem Routing-Mechanismus in dem Knoten des darunter liegenden Kommunikations-Netzwerks (z. B. des Internets) verwendet, um Pakete an das gewünschte Ziel weiterzuleiten. In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine als "Verkapselung" bezeichnete Technik ein hauptsächlicher Mechanismus, mit dem das System gemäß der Erfindung effektiv die voreingestellten Internet-Routing- Pfade umgeht und optimierte alternative Weiterleitungspfade durch Overlay-Knoten verwendet. Die Verkapselung ersetzt eine ursprüngliche Ziel IP Adresse durch eine unterschiedliche Ziel IP Adresse und speichert die ursprüngliche Zieladresse in einer codierten Kapsel.
Zur Erläuterung beginnen wir mit einem einfachen Beispiel, in dem die Nachricht nur in einer Richtung gesandt wird (ohne Antwort) und der alternative Overlay-Pfad ein Ein-hop-Pfad ist (d. h., er verläuft durch einen einzigen Overlay-Knoten). In diesem Beispiel will der Client bei Knoten 100 (oder ein Client, der über den Gateway-Knoten 100 mit dem Netzwerk verbunden ist) eine Nachricht auf einem Netzwerk, wie beispielsweise dem Internet, zu einem Zielknoten 160 schicken. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden zuerst die Schritte 210–42 durchgeführt, um einen optimierten Overlay-Pfad zur Kommunikation mit 160 zu ermitteln. Es wird angenommen, dass dieser Prozess zum gegenwärtigen Zeitpunkt feststellt, dass ein optimierter Pfad zum Senden einer Nachricht zu 160 (in jedem Fall besser als der voreingestellte Netzwerkpfad) darin besteht, Pakete von 100 zum Overlay-Knoten 130a zu schicken und sie dann von 130a zu 160 weiter zu schicken. Mit anderen Worten, die gewünschte Pfadstrategie besteht darin, Pakete von 100 zu 130a zu schicken, unter Verwendung des voreingestellte Pfades für 100 > 130a, und dann diese Pakete von 130a zu 160 unter Verwendung des voreingestellte Netzwerkpfades 130a > 160 weiter zu schicken. Bei Schritt 250 wird diese Übertragung tatsächlich ausgeführt, wie es 5 im Einzelnen zeigt. Bei Schritt 500 adressiert Overlay-Software 120 im Knoten 100 die Pakete zu 130a statt 160, "verkapselt" (codiert) aber auch die Adresse von 160 in einem vorbestimmten Format, das in der Nachricht eingebaut ist. Die Nachricht wird dann bei Schritt 510 zum Overlay-Knoten 130a geschickt, vorzugsweise unter Verwendung des voreingestellten Netzwerk-Routing-Mechanismus. Wenn 130a die Pakete empfängt, decodiert (entkapselt) die Overlay-Software 150a die verkapselten Daten und findet die codierte "160" Adresse. Bei Schritt 520 prüft Modul 150a des Knotens 130a die Overlay-Pfad-Information, die früher bei Schritt 240 gespeichert wurde, um den nächsten Kno ten auf dem Overlay-Weiterleitungspfad zu identifizieren. Da in diesem Beispiel keine weiteren Overlay-Knoten auf dem Weiterleitungspfad liegen, geht Software 150a zu Schritt 530 über und stellt die ursprüngliche Nachricht mit ihrer auf Knoten 160 zurückgesetzten Adresse wieder her. Da in diesem Beispiel keine Antwortnachricht erfolgt, geht die Software 150a zu Schritt 580 über und leitet einfach die Pakete zu ihrem Endziel im Knoten 160 weiter. Auf diese Weise gelangt die ursprüngliche Nachricht vom Client (oder Gateway) 100 zum Zielknoten 160 längs eines optimierten nicht voreingestellte Pfades, der durch Overlay-Knoten 130a verläuft. Dies wird erreicht, ohne dass es notwendig ist, die etablierten Kommunikationsprotokolle des darunter liegenden Netzwerks (z. B. IP) in irgendwelcher Weise zu verändern und ohne irgendwelche Modifikation (oder auch nur Kenntnis) des Zielknotens 160.
Im Folgenden wird ein weiteres Beispiel beschrieben, in dem Overlay-Pfade mit Multi-hops verwendet werden; auch dieses Beispiel betrifft wieder eine Einweg-Kommunikation. In diesem Beispiel wird angenommen, dass das Verfahren der Schritte 210–240 einen optimierten Pfad zur Übertragung von Nachrichten von 100 zu 160 erkennt, der die Overlay-Knoten 130a und 130b durchläuft. Mit anderen Worten besteht hier die gewünschte Pfadstrategie darin, Pakete von 100 nach 130a zu schicken, wobei der voreingestellte Netzwerkpfad für 100 > 130a verwendet wird, dann diese Pakete von 130a zu 130b unter Verwendung des voreingestellte Netzwerkpfads für 130a > 130b weiterzuleiten und schließlich diese Pakete von 130b zu 160 unter Verwendung des Netzwerkpfads für 130b > 160 weiterzuleiten. Bei Schritt 500 adressiert die Overlay-Software 120 im Knoten 100 wieder in die Pakete zu 130a und verkapselt die Adresse von 160. Die Nachricht wird dann bei Schritt 510 zum Overlay-Knoten 130a geschickt. Wenn 130a die Pakete empfängt, findet die Overlay-Software 150a die codierte "160" Adresse und die Software 150a des Knoten 130a prüft im Schritt 520 die Overlay-Pfad-Information, die früher bei Schritt 240 gespeichert wurde und identifiziert den Overlay-Knoten 130b als nächsten Knoten auf dem Overlay-Weiterleitungspfad. Weiter im Fluss von 5 kehrt Modul 150a zu Schritt 510 zurück und leitet die Nachricht zum Overlay-Knoten 130b, wo Modul 150b eine ähnliche Funktionalität durchführt. Zu dieser Zeit bestimmt bei Schritt 520 Modul 150b, dass keine weiteren Overlay-Knoten auf dem Weiterleitungspfad liegen und stellt darauf (bei Schritt 530) die ursprüngliche Nachricht mit ihrer auf Knoten 160 zurückgesetzten Zieladresse wieder her. Da in diesem Beispiel wiederum keine Antwortnachricht verwendet wird, geht die Software 150b zu Schritt 580 über und leitet die Pakete zu ihrem endgültigen Ziel bei Knoten 160. Auf diese Weise gelangt die ursprüngliche Nachricht vom Client (oder Gateway) 100 zum Zielknoten 160 längs eines optimierten nicht-voreingestellten Pfades, der durch die Overlay-Knoten 130a und 130b verläuft; dies wird wiederum erreicht ohne irgendeine Notwendigkeit, die etablierten Kommunikationsprotokolle des darunter liegenden Netzwerks zu verändern.
Als drittes Beispiel wird nun der Fall einer Nachricht betrachtet, die eine Rückantwort anfordert (wie beispielsweise eine http-Anforderung für eine Datei), und zwar wieder im Kontext des Multi-hop-Weiterleitungspfades durch in die Overlay-Knoten 130a und 130b wie im vorigen Beispiel. In diesem Szenario arbeitet die bevorzugte Ausführungsform in der gleichen Weise wie das vorige Beispiel, bis Modul 150b den Schritt 535 erreicht und feststellt, dass die Nachricht tatsächlich eine Rückantwort vom Zielknoten 160 verlangt. Im Fluss von 5 "maskiert" Modul 150b bei Schritt 540 die Quellinformation für die Pakete. In der bevorzugten Ausführungsform führt der letzte Overlay-Knoten auf dem Weiterleitungspfad diese Aufgabe des Maskierens durch, um eine bidirektionale Verwendung des Overlay-Weiterleitungspfades zu ermöglichen. Ohne Maskierung würde die vom Knoten 160 zum Knoten 100 geschickte Antwort normalerweise einem Rückkehrpfad folgen, der das voreingestellte Netzwerk-Routing verwendet. Im Allgemeinen ersetzt die Maskierung die Quelladresse von IP-Paketen durch die Adresse des Knotens, der die Maskierung durchführt, und speichert genug Information, um in der Lage zu sein, die ursprüngliche Quelladresse wiederherzustellen, sofern und wenn ein Antwort-IP-Paket zurückgeschickt wird. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel und im Kontext eines Netzwerks wie des Internets speichert Modul 150 eines Maskierungsknotens lokal die ursprüngliche Quelladresse und den Port, von dem das Paket gesendet wurde (ein Port identifiziert eindeutig, welche Verbindungen ein Knoten mit irgend einem anderen Netzwerkknoten hat). Bei Schritt 550 sendet Overlay-Knoten 135b die maskierte Nachricht zum Zielknoten 160. Sofern und wenn Antwortpakete vom Knoten 160 gesandt werden, werden sie zum Overlay-Knoten 135b adressiert, und zwar aufgrund der maskierten Quellinformation. Wenn die Antwort auf dem entsprechenden Port des Knotens 135b zurückkommt, entnimmt Modul 150b bei Schritt 570 die ursprüngliche Quelladresse für Knoten 100, die vorher bei Schritt 540 gespeichert wurde – welche das wahre gewünschte Ziel der gerade bearbeiteten Antwortnachricht darstellt – und erzeugt eine Antwortnachricht, die die gewünschte Zieladresse des Knotens 100 verkapselt. Nach der Rückkehr zu Schritt 510 leitet Modul 150b die verkapselte Nachricht zum nächsten Overlay-Knoten auf einen optimierten Pfad zum Knoten 100, wobei zu Pfadinformation zugegriffen wird, die vorher bei Schritt 240 gespeichert wurde (in diesem Fall ist die Pfadinformation natürlich genau das Inverse des optimierten Overlay-Pfades für Kommunikationen, die von der Quelle 100 zum Ziel 160 geschickt werden).
Auf diese Weise werden Steuerungs- und Datenpakete, die zwischen Quell- und Zielendpunkten auf einem Netzwerk ausgetauscht werden, in vorteilhafter Weise durch ein Overlay-Netzwerk umgeleitet, ohne irgendwelche Modifikationen der Quell- oder Zielknoten zu erfordern (außer dem Hinzufügen von Modul 110 zur Quelle) und ohne irgendwelche Modifikationen der etablierten Kommunikationsprotokolle für das darunter liegende Netzwerk. Diese Transparenz ist ein wertvoller Vorteil, der durch die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erzeugt wird, da damit die Anwendbarkeit dieses Ansatzes als eine praktische Lösung für überkommene (legacy) netzwerkbasierte Anwendungen vergrößert wird.
D Kostenmetriken, Anwendungen
Es bestehen viele potenzielle Anwendungen dieser Erfindung zu praktischen Problemen, die für Unternehmen, Einzelpersonen und andere Einheiten von Interesse sind. Kosten/Leistungs-Metriken können frei gewählt werden, wie es für die gewünschten Anwendungen vorteilhaft ist. Beispielsweise können bevorzugte Metriken umfassen: Verzögerungen, Durchsatz, Fluktuationen (jitter) und Verluste. Einige Beispielanwendungen werden nun beschrieben.
1. Zuverlässigkeit
Online-Handel ist eine Internetanwendung, die in der heutigen globalen Wirtschaft eine sehr wichtige Rolle einnimmt. Das Handeln in Echtzeit erfordert einen ununterbrochenen Zugang zu den Verkaufspunkten. Eine Verzögerung von einigen wenigen Minuten beim Durchführen eines Auftrags kann einen Online-Händler große Geldsummen kosten. Man kann sogar behaupten, dass der Händler mit dem besten und verlässlichsten Internetservice einen klaren Vorteil gegenüber anderen haben wird. Für diese Anwendung unserer Erfindung wird nun erläutert, wie ein dynamisches "on demand"-Overlay-Routing es ermöglichen kann, eine Umleitung um einen Fehlerpunkt einzurichten, der sonst dazu führen würde, dass Aktien weder verkauft noch gekauft werden können.
Gegenwärtig weisen alle Internet-Routing-Protokolle einen eingebauten Mechanismus auf, um Routing-Pfade wieder neu aufzubauen und erlauben so schließlich die Feststellung und Reaktion auf einen Netzwerk-Fehler in geeigneter Weise. Im voreingestellten Fall hängt die Fähigkeit eines Börsenhändlers, Aufträge bei Vorhandensein eines Verbindungsfehlers auszuführen, von der Re-Routing-Fähigkeit seines ISP ab und kann große Unterschiede aufweisen. Heutige Routing-Praktiken erfordern typischerweise eine Zeitspanne irgendwo zwischen einem Minimum vom 45 Sekunden für eine lokalisierte ad hoc Lösung, bis zu einem Maximum von mehreren Stunden, abhängig vom betreffenden ISP. Die schnelle und ohne großen Aufwand zu implementierende "on demand"-Routing-Fähigkeit, die durch die vorliegende Erfindung ermöglicht wird, kann potenziell die für ein geeignetes Re-Routing erforderliche Zeit auf weniger als ein paar Sekunden reduzieren. Wenn in einer bevorzugten Ausführungsform ein Börsenhändler einen Knopf zur Eingabe eines Handelsvorganges drückt, wird die TCP-Verbindungsverzögerung passiv von einem Re-Routing-Dämon gemessen, der auf dem internen Netzwerk des Händlers abläuft. Diese Messung wird in einer auf 1 Sekunde begrenzten Zeit durchgeführt. Im Fall eines Verbindungsverlustes würde die TCP-Verbindungsmessung nicht in der zur Verfügung stehenden Zeit abgeschlossen. Unmittelbar nach dieser Messung sendet der Re-Routing-Dämon der Erfindung eine Anfrage an das Overlay-Netzwerk und gibt dabei seine gemessene Verbindungszeit an (1 Sekunde im Fall eines Verbindungsfehlers). Wenn das Overlay-Netzwerk in der Lage ist, eine alternative Route zum Ziel zu finden, gibt es die neue Route innerhalb weniger Millisekunden an den Re-Routing-Dämon zurück. Die neue Route wird unmittelbar auf dem lokalen Netzwerk des Börsenhändlers installiert und alle späteren Anforderungen nach TCP Verbindungen werden durch die neu ermittelte Route weitergeleitet und nicht über die fehlerhafte Route. Dieser Re-Routing-Mechanismus hat zwei wesentliche Vorteile für den Börsenhändler: (1) die Reaktion zum Auffinden einer neuen Route wird von Minuten auf weniger als 2 Sekunden reduziert und (2) der Re-Routing-Mechanismus ist vollständig von seiner/ihrer ISP Konfiguration entkoppelt und kann unabhängig davon verwaltet werden.
2. Bandbreite
Die Verbreitung von Multimediadaten durch das Internet wird wahrscheinlich eine sehr viel größere Rolle spielen, da die Bandbreiten zu den Häusern von Endkunden zunehmen. Die heutigen Bandbreiten reichen aus für die Übertragung von Audio und einigem Video geringer Qualität, in naher Zukunft wird aber die Zunahme der Bandbreiten die Übertragung von voll bewegten Videos erlauben. Ne ben der Zunahme der bloßen Bandbreite werden das so genannte Quality of Service (QoS) Routing und andere Protokolle mit der Zuweisung von Ressourcen (wie beispielsweise RSVP) es Endbenutzeranwendungen erlauben, einen vorher vereinbarten Betrag von Bandbreite zu erwerben, um ein angemessenes Maß an Service zu garantieren. Der Übergang des Internets zur Verwendung dieser neuen Protokolle wird wahrscheinlich mit Problemen behaftet sein und sich über mehrere Jahre erstrecken.
In diesem Bereich ermöglicht die vorliegende Erfindung, dass eine zusätzliche Steuerschicht über den QoS Service gelegt werden kann, der von den Internetstandards zur Verfügung gestellt wird. In dieser Anwendung besteht die Funktion des Overlay-Netzwerks darin, die resultierende Leistung des Systems und seiner Protokolle zu überwachen. In diesem Fall kann das Overlay-System gemäß der vorliegenden Erfindung als eine Rückfall-Position angesehen werden, wenn der voreingestellte Internetmechanismus die notwendige Servicequalität nicht liefert. Ein Overlay-Routing-System gemäß der vorliegenden Erfindung kann eingesetzt werden, um Pfade zu finden, die eine bessere Bandbreite als diejenigen bieten, die von den voreingestellten Internetprotokollen (entweder heutige oder zukünftige) zur Verfügung gestellt werden. In dieser Anwendung kann das Endsystem, das das Video empfangt, passiv die Qualität des gerade empfangenen Videos überwachen. Ein Re-Routing-Dämon, der auf dem lokalen Netzwerk des Nutzers läuft, stellt fest, dass die Videoqualität schlecht ist, indem er in die mittlere Bitrate misst, die beim Empfang des Videos verbraucht wird. Wenn die Bitrate unter einem bestimmten Schwellenwert absinkt, kann der Routing-Dämon das Overlay-Netzwerk nach einem besseren Pfad abfragen. Das Overlay-Netzwerk misst die verfügbar Bitraten, die durch alternative Pfade verfügbar sind und liefert den geeigneten Overlay-Weiterleitungspfad an den Nutzer zurück (sofern solche zur Verfügung stehen). Die Overlay-Knoten messen die verfügbare Bitrate von alternativen Pfaden, indem sie ein Video von der Videoquelle anfordern und die Qualität der Verbindung messen. Derartige Anforderungen werden unter Verwendung der voreingestellten Internetprotokolle durchgeführt und brauchen deshalb hier nicht beschrieben zu werden. Die Overlay-Knoten, die das Video anfordern, sollten so konfiguriert sein, dass sie dieselben Berechtigungen wie der Nutzer aufweisen, in dessen Interesse das Re-Routing versucht wird. Zusätzlich zur Messung des effektiven Durchsatzes von der Videoquelle messen die Overlay-Knoten auch an Hand der Übertragung von Testpaketen die Qualität von Overlay-Verbindungen zum Nutzer. Wenn ein Overlay-Weiterleitungspfad mit einer besseren gesamten Bandbreite gefunden wird, erhält der Routing-Dämon eine Nachricht und der Videoempfang wird über das Overlay-Netzwerk umgeleitet. Bei dieser Umleitung kann die Synchronisation verloren gehen und beim Nutzer kann eine Unterbrechung der Wiedergabe auftreten; dieser Nachteil muss in Betracht gezogen werden, wenn eine Umleitung nur dann zugelassen wird, wenn die Beeinträchtigung beim Nutzer durch das verschlechterte Signal aufgrund zu geringer Bandbreite als größer angesehen wird als durch die Diskontinuität bei der Resynchronisation.
3. Verzögerung
Der Hyperspace bringt Menschen in einer Art und Weise zusammen, wie es vor einigen wenigen Jahren nicht vorstellbar war. Das Paradigma der Kommunikation von vielen zu vielen, das durch das Internet ermöglicht wird, erzeugt eine Revolution in der Art, wie Menschen miteinander kommunizieren, Geschäfte miteinander machen und ihre Freizeit verbringen. Bei vielen dieser revolutionären Anwendungen erhält man die Illusion, mit einer Gemeinschaft von anderen Nutzern fast in Echtzeit zu interagieren. Als Beispiel, wie das System der Erfindung in diesem Kontext verwendet werden kann, wird eine Videospielanwendung beschrieben, bei der ein Nutzer an einem Videospiel über das Internet teilnimmt. Bei dieser Anwendung kann die Herabsetzung der Übertragungsverzögerung die Spielqualität verbessern. Wird das Spiel von mehreren Einzelpersonen gespielt, die sich an verschiedenen Orten im Internet befinden, kann eine geringere Verzögerung auch zusätzlich einen Vorteil beim Spielen des Spiels aufgrund der schnellen Antwortzeit bieten.
Eine bevorzuge Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann Overlay-Weiterleitungspfade auffinden, die die gesamte Übertragungsverzögerung verringern. Bei dieser Art von Anwendungen erfolgt eine aktive Messung der Qualität des voreingestellten Weiterleitungspfads von Endpunkt-zu-Endpunkt. Diese Art von Anwendungen wird mit großer Wahrscheinlichkeit über UDP abgewickelt, bei der Steuersignal-Nachrichten fehlen, die zur passiven Messung von Umlaufverzögerungen (round trip) verwendet werden könnten. Außerdem können, anders als bei Videostreaming-Anwendungen, keine vordefinierten Quality of Service Parameter verwendet werden, um die Qualität der Verbindung zu beurteilen.
Bei dieser Anwendung sendet der Routing-Dämon (der auf dem privaten Netzwerk des Nutzers untergebracht ist) Testpakete an das Ziel, die eine Antwort hervorrufen (zum Beispiel ein ICMP Echo Paket). Die Umlauf-Verzögerung wird daher vom Routing-Dämon iterativ gemessen, um die Verzögerung zum Ziel zu beurteilen. Wenn die Laufzeit als zu hoch festgestellt wird (über einem vorbestimmten Schwellenwert), fragt der Routing-Dämon das Overlay-Netzwerk ab, um festzustellen, ob eine Route mit geringerer Verzögerung ermittelt werden kann. Wenn eine Route mit einer geringeren Verzögerung gefunden ist, schaltet der Routing-Dämon die Route unmittelbar zum Overlay und verbessert somit die Übertragungsqualität. In diesem Fall kann der Nutzer, abhängig davon wie das Spiel implementiert ist, eine Diskontinuität im Spiel erfahren oder auch nicht.
E. Zusammenfassung, Umfang der Erfindung
Der Leser wird erkennen, dass die bevorzugten Ausführungsformen des "on demand"-Overlay-Routings gemäß der vorliegenden Erfindung einen praktischen, mit geringem Aufwand zu implementierenden, wirtschaftlichen Mechanismus zur Verbesserung der Netzwerkleistung zur Verfügung stellen. Der Mechanismus ist außerdem in hohem Maße transparent und erfordert keine Änderungen in den Protokollen des darunter liegenden Netzwerks, wie beispielsweise IP, oder in den Anwendungsprogrammen der Kunden, die auf Netzwerkkommunikationen vertrauen.
Obwohl die obige Beschreibung viele spezifische Einzelheiten und Beispiele enthält, dürfen diese nicht als Beschränkung des Umfangs der Erfindung ausgelegt werden, sondern nur als Beispiele für deren bevorzugte Ausführungsformen. Zahlreiche andere Abänderungen sind möglich. Obwohl beispielsweise die vorstehenden Ausführungsbeispiele unter Bezug auf ein IP Netzwerk, wie beispielsweise das Internet, dargestellt wurden, ist die vorliegende Erfindung auch mit anderen als IP Netzwerkprotokollen anwendbar und in anderen Netzwerkschichten und Kommunikationsprotokollen, zu denen beispielsweise und ohne Beschränkung gehören: http, ftp, TCP und SSL. Die Erfindung ist ebenfalls in paketvermittelten Netzwerken außerhalb des Internets anwendbar und in anderen Netzwerken mit statischer Topologie (unabhängig, ob paketvermittelt oder verbindungsorientiert). Die gleichen Mechanismen können auch verwendet werden, wenn andere Netzwerk-Eigenschaften optimiert werden (beispielsweise Sicherheit) und sie können nur mit Software-Implementierungen realisiert werden, beispielsweise durch Verwendung von aktiver Netzwerk-Infrastruktur oder anderen verfügbaren Computer-Ressourcen.
Der Umfang der Erfindung sollte daher nicht durch die dargestellte Ausführungsformen bestimmt werden, sondern durch die beigefügten Ansprüche und ihre rechtlichen Äquivalente.

Claims

Verfahren zum Bestimmen eines optimierten Pfades zum Übertragen einer Nachricht von einer Quelle (100) zu einem Ziel (160) innerhalb eines paketvermittelten computerbasierten Kommunikationsnetzwerks, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: a) Übermitteln der Nachricht als Antwort auf eine Anforderung (200), Messen (210) eines Aufwandes von der Quelle (100) zum Ziel (160) entlang eines voreingestellten Pfades (145a, 145b, 145n), wobei der voreingestellte Pfad mittels eines oder mehrerer existierender Routing-Mechanismen des Kommunikationsnetzwerkes hergeleitet worden ist; b) Messen (220) eines alternativen Aufwandes des (Übermittelns der Nachricht von der Quelle an das Ziel entlang wenigstens eines alternativen Pfades; c) Bestimmen (230) des optimierten Pfades, indem der voreingestellte Aufwand und der alternative Aufwand miteinander verglichen werden, und dadurch gekennzeichnet ist, dass der alternative Pfad durch einen oder mehrere Zwischenknoten (130a, 130b, 130n) rührt, die nicht auf dem voreingestellten Pfad liegen, und wobei die Zwischenknoten eine dem computerbasierten Netzwerk übergeordnete virtuelle Netzwerktopologie (400) definieren.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Schritte des Verfahrens in Echtzeit als Antwort auf die Anforderung, die Nachricht zu übermitteln, und auf eine Weise, die keine explizite Interaktion mit einem menschlichen Benutzer erfordert, ausgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Nachricht als Antwort auf eine frühere, durch die Quelle von dem Ziel empfangene Anforderung dynamisch generiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei Schritt (b) nur in dem Fall ausgeführt wird, dass der voreingestellte Aufwand einen vorgegebenen Schwellenaufwand übersteigt.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner folgende Schritte umfassend: d) Übermitteln (510) der Nachricht von der Quelle an einen ersten des einen oder der mehreren Zwischenknoten und e) Übermitteln (550) der Nachricht von einem letzten des einen oder der mehreren Zwischenknoten an das Ziel, wobei die Nachricht von der Quelle zum Ziel über den optimierten Pfad übermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei der erste Zwischenknoten und der letzte Zwischenknoten miteinander identisch sind.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei der erste Zwischenknoten und der letzte Zwischenknoten nicht miteinander identisch sind.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei ein oder mehrere existierende Routing-Mechanismen des Kommunikationsnetzwerkes verwendet werden, um die Schritte (d) und (e) auszuführen.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei Schritt (d) weiterhin den Schritt des Abänderns der Nachricht umfasst, um die Nachricht an den ersten Zwischenknoten zu adressieren, und um eine Adresse des Ziels innerhalb der Nachricht einzukapseln (500).
Verfahren nach Anspruch 8, wobei Schritt (e) in dem Fall, dass die Nachricht eine Antwortnachricht anfordert, weiterhin den Schritt des Abänderns (540) der Quellenadressinformationen für die Nachricht beinhaltet, um eine Kennzeichnung der Quelle mit einer Kennzeichnung des letzten Zwischenknotens zu ersetzen.
Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin beinhaltend den Schritt des Abspeicherns (240) von Informationen über den optimierten Pfad in einem Speicher, der für den einen oder die mehreren Zwischenknoten zugänglich ist.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Schritt des Abspeicherns (240) von Informationen über den optimierten Pfad weiterhin für jeden des einen oder der mehreren Zwischenknoten entlang des optimierten Pfades das Abspeichern einer nächsten Adresse für das Weiterleiten der Nachricht beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei Schritt (b) das Messen (220) eines Satzes alternativer Aufwände für das Übermitteln der Nachricht von der Quelle zum Ziel beinhaltet, wobei jeder solcher alternative Aufwand einem einer Vielzahl von alternativen Pfaden zugeordnet ist und jeder solche alternative Pfad durch einen oder mehrere nicht auf dem voreingestellten Pfad liegende Zwischenknoten führt; und wobei Schritt (c) weiterhin das Vergleichen (230) des voreingestellten Aufwandes mit dem Satz alternativer Aufwände beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 13, weiterhin folgende Schritte beinhaltend: Bestimmten einer ausgedünnten Topologie, die potentiell optimierende Verbindungen zwischen den Zwischenknoten zur Verwendung in den alternativen Pfaden repräsentiert, und Benutzen der ausgedünnten Topologie, um die Vielzahl alternativer Pfade zu generieren.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Kommunikationsnetzwerk durch ein oder mehrere etablierte Kommunikationsprotokolle gekennzeichnet ist und wobei das Verfahren ausgeführt wird, ohne eine Veränderung der etablierten Kommunikationsprotokolle zu erfordern.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei die etablierten Kommunikationsprotokolle ein oder mehrere Protokolle beinhalten, die aus einer Gruppe gewählt sind, welche das Internet-Protokoll, http, ftp, SSL und TCP umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das paketvermittelte computerbasierte Kommunikationsnetzwerk eine statische Topologie aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das paketvermittelte computerbasierte Kommunikationsnetzwerk eine dynamische Topologie aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der voreingestellte Aufwand und der alternative Aufwand aus einer oder mehreren Metriken hergeleitet sind, die aus einer Gruppe gewählt sind, welche Verzögerung, Bandbreite, Jitter, Verlust und Sicherheit umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der eine oder die mehreren Zwischenknoten Computer-Hardware umfassen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der eine oder die mehreren Zwischenknoten Computer-Software umfassen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der eine oder die mehreren Zwischenknoten eingerichtet sind, Daten zu übermitteln und zu empfangen, die mit etablierten Kommunikationsprotokollen konform sind.
Verfahren nach Anspruch 22, wobei der eine oder die mehreren Zwischenknoten weiter eingerichtet sind, konform zu anderen als den etablierten Kommunikationsprotokollen zu senden und empfangen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das computerbasierte Kommunikationsnetzwerk verbindungsorientiert ist.