KR101060190B1 - Optical Gigabit Ethernet Switch that provides IPMP functionality for HCP network IPTV services - Google Patents

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Abstract

본 발명은 HFC망 IPTV서비스를 위한 IGMP 기능을 제공하는 옵티컬 기가비트 이더넷 스위치에 관한 것으로 기가비트 이더넷에 접속하여 패킷을 송수신하는 네트워크 송수신부, 상기 네트워크 송수신부를 통해 수신하는 패킷에서 음성 패킷, 영상 패킷 및 데이터 패킷을 구별하여 해당 패킷에 적합한 QoS를 제공하는 QoS 로직부, 및 상기 QoS 로직부에서 처리되는 데이터 또는 패킷을 임시로 저장하는 메모리부를 포함하며, 상기 QoS 로직부는 패킷의 헤더를 참조하여 소정의 기준에 따라 분류하는 패킷 분류부, 상기 분류된 패킷의 헤더에 미리 약속된 데이터 태그로 마킹하는 패킷 마커부, 상기 패킷이 수신되는 양을 측정하여 미리 설정된 대역폭 이상으로 내보내지 않도록 트래픽의 속도를 제어하는 폴리서, 및 상기 혼잡 발생시 마킹된 패킷을 소정의 규칙에 따라 상기 메모리부에 임시로 저장하는 큐스케쥴러를 포함한다.The present invention relates to an optical gigabit Ethernet switch providing an IGMP function for an HFC network IPTV service. The present invention relates to a network transceiver for transmitting and receiving a packet by accessing Gigabit Ethernet, and to a voice packet, an image packet, and data in a packet received through the network transceiver. A QoS logic section for distinguishing packets and providing a QoS suitable for the packet, and a memory section for temporarily storing data or packets processed by the QoS logic section, wherein the QoS logic section refers to a predetermined reference by referring to a header of the packet. Packet classifier to classify according to, the packet marker to mark with a data tag promised in advance in the header of the classified packet, to control the rate of traffic so that the packet is not sent out over a preset bandwidth by measuring the amount received A policy and a packet marked when the congestion occurs according to a predetermined rule. And a queue scheduler temporarily storing the memory unit.

기가비트 이더넷 스위치, QoS, 패킷 Gigabit Ethernet Switch, QoS, Packet

Description

HFC망 IPTV서비스를 위한 IGMP 기능을 제공하는 옵티컬 기가비트 이더넷 스위치{Optical gigabit ethernet switch which provides Internet Group Management protocol function for HFC network IPTV service}Optical gigabit ethernet switch which provides Internet Group Management protocol function for HFC network IPTV service}

본 발명은 HFC망 IPTV서비스를 위한 IGMP 기능을 제공하는 옵티컬 기가비트 이더넷 스위치에 관한 발명으로, HFC망에서 음성, 영상, 데이터의 TPS(Triple Play Service)를 가능하게 하는 옵티컬 기가비트 이더넷 스위치(Optical Gigabit Ethernet L2 Switch)의 개발과 관련된 분야이다.The present invention relates to an optical gigabit Ethernet switch providing an IGMP function for an HFC network IPTV service, and an optical gigabit ethernet switch for enabling triple play service (TPS) of voice, video, and data in an HFC network. L2 Switch).

혼합 광동축 케이블(HFC, Optical Network) 네트워크는 1995년 종합유선방송의 출범과 함께 차세대 네트워크 인프라의 유력한 매체로 검토되어 1997년에 국내 최초의 양방향 케이블 모뎀 시범 서비스를 시작으로 오늘날에 이르기까지 초고속인터넷 사업의 주력으로 자리 매김 해온 오랜 역사를 가지고 있는 네트워크이다. 광(光)망은 2002년 4월말 기준으로 우리나라 초고속인터넷가입자 850만명 중 약 35%인 300만명 이상이 사용하고 있는 인터넷 망으로 ADSL, VDSL과 함께 우리나라가 초 고속인터넷 보급률 세계 1위를 달성케 한 일등공신임에도 불구하고 그 동안 DSL의 대대적인 홍보에 밀려 그 인지도가 뒤떨어졌었다. 일반국민들은 ADSL, VDSL에 대해서는 잘 알고 있지만 광(光)망에 대해서는 잘 알고 있지 못한 것이 현실이다. 실제 외국에서는 xDSL보다 광(光)망을 이용한 초고속인터넷 가입자가 월등히 많은 실정으로 미국의 경우만 보더라도 광(光)망 사용자가 DSL 사용자의 2배가 넘는 것을 볼 수 있다. 그리고, 최근에는 PON(Passive Optical Network)의 등장으로 FTTH (Fiber To The Home)가 현실화되는 시점에 이름에 따라 차세대 네트워크의 주류는 광(光)이다라는 예견이 힘을 받고 있는 실정이어서 광(光)망에서의 인터넷 접속 서비스에 대한 관심은 뒷전에 있었다.Hybrid optical coaxial cable (HFC) network was considered as a powerful medium for next-generation network infrastructure with the launch of comprehensive cable broadcasting in 1995, and started the first two-way cable modem pilot service in Korea in 1997 It is a network with a long history of establishing itself as a business flagship. As of the end of April 2002, the optical network is the Internet network used by more than 3 million people, about 35% of the 8.5 million high-speed Internet subscribers in Korea, along with ADSL and VDSL, making Korea the world's No. 1 in broadband distribution. Despite his reputation as a top celebrity, his reputation has been undermined by the publicity of DSL. The general public is familiar with ADSL and VDSL but not with optical network. In fact, the number of high-speed Internet subscribers using optical networks rather than xDSL is significantly higher in foreign countries, and even in the United States, optical users are more than double DSL users. Recently, as the name of FTTH (Fiber To The Home) becomes a reality due to the emergence of Passive Optical Network (PON), the prediction that the mainstream of the next generation network is optical is gaining strength. Interest in Internet access services on the network was behind.

그러나, 국내외의 최근의 동향을 살펴보면 xDSL이 차지하고 있던 위치는 PON에 점차 자리를 내어주고 있음과 동시에 케이블 모뎀의 보급율이 다시 증가하는 추세에 있음을 알 수 있다. 국내의 경우 2005년 9월부터 초고속 인터넷 시장에 진입하기 시작한 파워콤은 초기부터 xDSL을 사업에서 제외시키고 100Mbps급 아파트랜 방식의 엑스피드 광랜을 주력상품으로 마케팅을 집중하여, 가입자들에 자사의 속도경쟁력을 강조함으로써 가입자 몰이의 원동력으로 사용했다. 하지만 2006년 초에 조사된 바에 따르면 파워콤의 가입자중 100Mbps급 엑스피드 광랜 가입자는 5만8787명에 불과한 반면, 10Mbps급 케이블모뎀방식 엑스피드 프라임 가입자는 12만3609명에 이르고 있다. 이는 파워콤이 100Mbps급 광랜에 마케팅을 집중, 시장에서 고객들에게 `속도가 빠르다'는 인식을 심어주면서 이에 따른 수요를 실질적으로는 회선임대업체로서 기존에 확보하고 있던 케이블망을 통해 서비스를 제공하는 엑스피드 프 라임으로 수용하고 있기 때문으로 알려지고 있다. 또한 하나로 텔레콤의 경우에는 핀란드의 통신 장비 업체인 텔레스트의 HFC망을 이용한 100Mbps급의 광랜서비스를 2006년 말에 마련하여 서비스를 개시하고 있다. 하나로 텔레콤의 100M급 광랜 서비스는 국사 내에 마스터(Master) 장비를 설치하고 100M 이더넷(Ethernet) 신호를 변조하여 광(光)망에 전송하고 가입자 측에는 슬레이브(Slave) 장비를 설치하고 여기에 고객 LAN 카드를 UTP 케이블로 직접 연결하여 이더넷 신호를 복조해 양방향 대칭의 100M급 서비스를 제공하는 기술로서 케이블모뎀이 필요 없는 장점을 가지고 있다. 일본의 경우 야노 경제연구소가 2007년 11월 22일에 발표한 2007년도 일본의 브로드밴드 시장에 관한 조사에 따르면 일본 브로드밴드 계약수는 전년 대비 389만이 증가한 약 3,033만 건으로, 회선 종별로는 FTTH가 전년대비 433만 증가한 약 1,313만으로 큰 폭으로 증가했지만, DSL은 전년대비 72만이 감소한 약 1,329만으로 조사되었다. CATV 액세스가 전년대비 29만이 증가한 약 390만, FWA가 전년대비 0.8만 감소한 약 0.4만으로 조사되었다. 향후, 2012년 회선 종류별 계약수로는 FTTH가 3,023만, xDSL이 약 754만, CATV 액세스가 약 484만으로 예측되고 있다.However, looking at the recent trends at home and abroad, it can be seen that the position occupied by xDSL is gradually giving way to PON, and the penetration rate of cable modem is increasing again. In Korea, Powercomm started to enter the high-speed Internet market in September 2005. It excluded xDSL from business and focused marketing as a flagship product of 100Mbps apartment LAN-based Xspeed LAN. Emphasis was placed on driving the subscribers' driving force. However, according to the survey in early 2006, only 5,8787 100Mbps X-Speed optical LAN subscribers of Powercomm's subscribers are compared to 12,3609 subscribers of 10Mbps cable modem X-speed prime subscribers. This is because Powercom concentrates its marketing on 100Mbps optical LAN, giving customers the recognition that it is 'fast' in the market, and provides the service through the cable network that was secured by the existing network lease. It is known because it is accommodated as a fruit. In the case of Hanaro Telecom, a 100Mbps optical LAN service was launched at the end of 2006 using the HFC network of Telest, a Finnish telecommunications equipment company. Hanaro Telecom's 100M-class optical LAN service installs master equipment in the company, modulates 100M Ethernet signals to transmit them to the optical network, and installs slave equipment on the subscriber's side. Is a technology that provides 100M service of bi-directional symmetry by demodulating Ethernet signal by directly connecting with UTP cable. In Japan, the Yano Institute of Economics released a survey on Japan's broadband market in November 2007, on November 22, 2007. The number of broadband contracts in Japan was 3,030,000, an increase of 3.89 million from the previous year. The number of DSLs increased by 4.33 million to about 13.13 million, but the DSL was about 13.33 million, down 720,000 from the previous year. CATV access rose 290,000 year-over-year to about 3.9 million, and FWA fell 0.80,000 year-on-year to about 0.4 million. The number of contracts by line type in 2012 is estimated to be 32.03 million FTTH, approximately 7.75 million xDSL, and approximately 484 million CATV access.

FTTH 시장과 함께 케이블 모뎀 시장이 이와 같이 증가 추세로 돌아선 주요한 원인은 고주파를 이용하는 xDSL이 기술적 한계에 이름으로써 그 안정성에서 ETTH(Ethernet-To-The-Home)나 PON을 이용한 FTTH, 그리고 HFC망을 이용한 케이블 모뎀에게 그 자리를 점차로 다시 내어 주고 있기 때문으로 분석된다. 가장 광범위하게 네트워크 인프라를 갖추고 있는 PSTN망을 변경 없이 그대로 이용한다는 장점 을 충분히 활용하여 과거 4-5년 동안 통신 사업자들은 ADSL, 10Mbps급 VDSL, 50Mbps급 VDSL로 서비스를 공급해 왔지만 그 이상의 속도 경쟁에서는 그 솔루션 자체의 안정성에 대한 문제가 커지고 있고 이에 대한 해결은 요원하기만 하다. DSLAM을 개발하여 공급하는 업체들의 현실적인 우려는 더 이상의 해결이 사실상 어렵다는 것인데, 이는 가장 저 품질의 매체(PSTN)를 통해서 가장 높은 속도의 서비스를 공급할 기술력을 이끌어 가기에는 주어진 환경이 너무나 열악하다는 것이다. 무한 속도 경쟁을 계속해 왔던 한국과 일본의 통신 사업자들은 그 속도의 한계와 안정성의 문제로 인하여 VDSL을 경쟁력 있는 매체로 인정하기 어려운 시점이 되었고, 이를 대체할 주요한 매체로 PON을 이용한 FTTH를 선호하게 되었다. 그러나, 이 것은 광(光)선로를 충분히 확보하고 있는 통신 사업자의 영역이고 그렇지 못한 경우에는 광(光)망을 이용한 케이블 모뎀이 또 다른 대안으로 각광받고 있다. 이는 케이블 모뎀이 그 동안 xDSL에게 자리를 내어 줄 수 밖에 없었던 속도의 한계를 해결한 솔루션을 들고 나오고 있기 때문인데, 100Mbps이상의 서비스가 가능한 DOCSIS 3.0과 그에 준하는 비표준 방식의 케이블 모뎀 기술이 시장에 선 보이고 있다. 한국이든 일본이든 FTTH가입자 수가 가장 큰 폭으로 증가하고 케이블 모뎀 가입자가 증가 추세로 돌아서고, xDSL 가입자 수는 감소 추세로 들어선 것은 이러한 xDSL의 기술적 한계를 반증 하는 것이고 새로운 매체로의 네트워크 인프라의 천이가 시작되었다는 증거가 된다. 따라서, 이러한 네트워크 환경에 알맞은 장치의 개발이 필요하다. Along with the FTTH market, the main reason for the cable modem market to rebound is due to the fact that xDSL using high frequency is a technical limitation, and in terms of stability, FTTH using ETTH (Ethernet-To-The-Home) or PON, and HFC network It is analyzed that it is gradually giving the seat back to the used cable modem. Taking full advantage of the unmodified PSTN network, which has the most extensive network infrastructure, carriers have been providing services in ADSL, 10 Mbps VDSL, and 50 Mbps VDSL for the past four to five years. The problem with the stability of the solution itself is growing, and the solution to this is far from a long list. The real concern for vendors developing and supplying DSLAM is that it is virtually difficult to resolve, which means that the given environment is too poor to lead the technology to deliver the highest speed services through the lowest quality media (PSTN). Korean and Japanese carriers, which have continued to compete indefinitely, have found it difficult to recognize VDSL as a competitive medium due to the limitations of speed and stability, and they have preferred FTTH using PON as a major medium to replace it. . However, this is the area of the telecommunications carrier that has sufficient optical lines. Otherwise, a cable modem using an optical network is in the spotlight as another alternative. This is because cable modems have come up with solutions that solve the speed limitations that had previously been available to xDSL. DOCSIS 3.0, which can service more than 100Mbps, and its corresponding non-standard cable modem technology, are emerging on the market. have. The largest increase in the number of FTTH subscribers, cable modem subscribers, and decreasing number of xDSL subscribers, both in Korea and Japan, are a testament to the technical limitations of xDSL and the transition of network infrastructure to new media. It is evidence that it has begun. Therefore, it is necessary to develop a device suitable for such a network environment.

본 발명은 HFC망(Hybrid Fiber Cable network)에서 음성, 영상, 데이터의 TPS (Triple Play Service)를 가능하게 하는 기가비트 이더넷 스위치(Gigabit Ethernet Switch)를 개발하는 것으로서 보다 상세하게는, 현재 光망에서 DOCSIS1.0/2.0을 기준으로 적용되고 있는 CMTS(Cable Modem Termination System)의 패킷 스위칭(Packet switching)기술에 TPS를 위해 필요한 QoS(Quality of Service) 기능을 탑재하여 안정화된 패킷망 솔루션을 제공하여 DOCSIS3.0의 CMTS에 대응하는 네트워크 장비를 제공하고자 한다.The present invention is to develop a Gigabit Ethernet Switch (Tigabit Ethernet Switch) to enable a triple play service (TPS) of voice, video, and data in a hybrid fiber cable network (HFC network), more specifically, DOCSIS1 in an optical network DOCSIS 3.0 provides a stabilized packet network solution by installing the QoS (Quality of Service) function required for TPS in the packet switching technology of CMTS (Cable Modem Termination System), which is applied on the basis of .0 / 2.0. To provide a network equipment corresponding to the CMTS.

본 발명의 일 실시예에 의한 HFC망 IPTV서비스를 위한 IGMP 기능을 제공하는 옵티컬 기가비트 이더넷 스위치에 관한 것으로 기가비트 이더넷에 접속하여 패킷을 송수신하는 네트워크 송수신부, 상기 네트워크 송수신부를 통해 수신하는 패킷에서 음성 패킷, 영상 패킷 및 데이터 패킷을 구별하여 해당 패킷에 적합한 QoS를 제공하는 QoS 로직부, 및 상기 QoS 로직부에서 처리되는 데이터 또는 패킷을 임시로 저장하는 메모리부를 포함하며, 상기 QoS 로직부는 패킷의 헤더를 참조하여 소정의 기준에 따라 분류하는 패킷 분류부, 상기 분류된 패킷의 헤더에 미리 약속된 데이터 태그로 마킹하는 패킷 마커부, 상기 패킷이 수신되는 양을 측정하여 미리 설정된 대역폭 이상으로 내보내지 않도록 트래픽의 속도를 제어하는 폴리서, 및 상기 혼잡 발생시 마킹된 패킷을 소정의 규칙에 따라 상기 메모리부에 임시로 저장하는 큐스케쥴러를 포함한다.An optical gigabit Ethernet switch providing an IGMP function for an HFC network IPTV service according to an embodiment of the present invention. A QoS logic section for distinguishing an image packet and a data packet and providing a QoS suitable for the packet, and a memory section for temporarily storing data or packets processed by the QoS logic section, wherein the QoS logic section includes a header of the packet. A packet classifying unit classifying the packet according to a predetermined criterion, a packet marker unit marking a data tag previously promised in the header of the classified packet, and measuring the received amount of the packet so that the traffic is not sent out over a preset bandwidth A policy for controlling the speed of the packet, and a packet marked when the congestion occurs In accordance with a predetermined rule includes a scheduler queue to temporarily store in the memory unit.

본 발명의 일 실시예에 따른 패킷망 솔루션은 광(光)망에서의 패킷 프로세서(packet processor)로 CMTS를 제공할 수 있으며, TPS가능한 패킷 스위칭(packet switching) 기술의 구현으로 음성/영상 서비스 신규 사업 모델을 제공할 수 있다.A packet network solution according to an embodiment of the present invention can provide a CMTS as a packet processor in an optical network, and a new voice / video service business by implementing a TPS-capable packet switching technology. A model can be provided.

신규 사업 모델의 활성화는 지역 케이블 사업자의 초고속 인터넷 사업을 활성화시키고 광범위하게 이미 설치되어 있는 광(光)망을 이용하여 가입자에게 다양한 서비스를 제공할 수 있다. 또한, 케이블 네트워크에서의 VoIP 실현으로 신규 사업 모델을 창출 할 수 있다. 또한, 높은 성능의 CMTS를 제공하여 국내 시장과 해외 시장 진출을 가능하게 한다.The activation of the new business model can activate local cable operators' high-speed Internet business and provide various services to subscribers using the widespread already installed optical network. In addition, new business models can be created by realizing VoIP over cable networks. In addition, it provides a high performance CMTS, enabling the domestic and overseas markets.

이하 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용에 대해 설명하고자 한다. 본 명세서에서 설명하는 내용은 본 발명의 권리범위를 한정하지 않으며, 예시적으로 설명하고 있다. 따라서, 본 명세서에서 설명하는 내용은 당업자에 의해 변형되어 적용 가능하며, 이러한 적용 역시 본 발명의 청구 범위에 포함된다. 본 발명에서 설명하는 프로세스 또는 유닛 등은 하나의 칩 또는 보드를 통해서도 제공될 수 있으며 다수의 칩, 보드의 결합을 통해서도 구성될 수 있다. 즉, 본 발명에서 설명하는 프로세스 또는 유닛은 본 발명을 구현함에 있어 필요한 논리적 단위이며, 물리적 단위로 한정되는 것이 아니다. Hereinafter will be described in detail for the practice of the present invention. The contents described herein do not limit the scope of the present invention, but are described by way of example. Accordingly, the content described herein may be modified and applied by those skilled in the art, and such applications are also included in the claims of the present invention. The process or unit described in the present invention may be provided through one chip or board, or may be configured through a combination of multiple chips and boards. That is, the process or unit described in the present invention is a logical unit necessary for implementing the present invention, and is not limited to the physical unit.

도 1은 본 발명의 이더넷 스위치가 동작하는 HFC망의 서비스 개요를 보여주는 도면이다. 1 is a view showing a service overview of the HFC network in which the Ethernet switch of the present invention operates.

광(光)망에서 패킷 스위칭(packet switching)의 가장 주요한 요소는 CMTS(Cable Modem Termination System)인데 이는 각 케이블 모뎀들이 상위 네트워크로 접속할 수 있도록 하는 장치이다. 현재의 DOCSIS1.0에 의한 저속의 인터넷 서비스에서는 크게 무리 없이 사용해 왔지만, 보다 고속의 DOCSIS3.0에서는 보다 강화된 QoS와 네트워크 보안성(Network security)이 필요할 수 있다. 현재는 DOCSIS3.0을 구현하기 위해 필요한 주요 반도체 칩들이 연구되고 있는 실정이다. The most important element of packet switching in the optical network is the Cable Modem Termination System (CMTS), which allows each cable modem to connect to the upper network. Although it has been largely used for low speed internet service by current DOCSIS 1.0, higher speed DOCSIS 3.0 may require enhanced QoS and network security. Currently, the major semiconductor chips needed to implement DOCSIS 3.0 are being studied.

지역적으로 광범위하게 이미 구축이 되어 있는 광(光)망의 활용 방안은 앞서 기술한 바와 같이 FTTH와 어깨를 나란히 하는 또 하나의 트랜드이지만, 과거 xDSL과 케이블 모뎀이 속도 경쟁을 했었던 때의 데이터 네트워크와 현재의 데이터 네트워크와는 상당히 다른 점이 있다. 즉, 과거와 같이 속도가 높으면 승리한다는 사업 전략은 지금의 현실에는 전혀 맞지 않는 것이다. IP-TV가 유럽에서 활성화되면서 그 전후로 하여 TPS (Triple Play Service)라는 용어가 생겨났는데, 음성, 영상, 데이터를 하나의 매체에서 서비스하는 형태를 가리키는 TPS는 각각의 트래픽 클래스(Traffic Class)에 따라 대역폭 제어(Bandwidth control)을 통해서 그 특성에 맞는 네트워크 서비스가 요구되는 것이다. 즉, 음성은 데이터 양이 가장 적지만 인터 액티브 서비스(interactive service)이므로 네트워크 지터(network jitter)나 딜레이(delay, 지연)에 민감하므로 적정한 대역폭이 할당되어 보장(guarantee)되어야 하는 특성이 있는 반면에, VoD나 IP-TV와 같은 브로드캐스팅 서비스(broadcasting service)는 엔드노드(end-node)의 자체 버퍼링 기능을 이용하므로 지터(jitter)나 딜레이(delay)에는 덜 민감하다. 한편, 데이터 양이 상당히 많으나, 데이터 서비스는 이들에 비해서 고품질을 요구하지는 않는다. 현재의 광(光)망에서 HD급 고화질 방송 서비스가 가능하므로 (물론 SO 케이블 전송장비의 변화는 있겠으나) 향후에도 TV를 시청하는 데에는 별 무리가 없고, 데이터 서비스는 이와 별개의 주파수 대역을 통해서 케이블 모뎀과 CMTS간에 통신을 통해서 이루어지므로 서비스 방법을 바꿀 필요는 없다. 따라서, 광(光)망에서 IP-TV는 그다지 필요하지 않을 수도 있으나 IP-TV 자체가 가지는 인터액티브 서비스(interactive service) 특성을 고려한다면 광(光)망에서도 CMTS와 케이블 모뎀을 통해서 케이블 방송을 서비스하는 사업이 가능하다. 즉, IP-TV를 케이블 방송국에서 서비스하지 않는다면 사용자가 집에서 TV를 통해서 TV 리모콘을 이용해서 홈쇼핑을 한다거나 어떤 요금 결재를 하는 등의 서비스는 불가능할 것이다.The widespread use of optical networks already in place in the region is yet another trend along the shoulders of FTTH, as described above, but with data networks in the past when xDSL and cable modems competed for speed. This is quite different from the current data network. In other words, the business strategy of winning at a high speed as in the past does not fit the present reality at all. As IP-TV became active in Europe, the term TPS (Triple Play Service) was created before and after. TPS, which refers to the type of service that provides voice, video, and data in one medium, is based on each traffic class. Through bandwidth control, network service that meets its characteristics is required. That is, voice has the smallest amount of data, but is an interactive service, so it is sensitive to network jitter or delay, so that an appropriate bandwidth should be allocated and guaranteed. For example, broadcasting services such as VoD and IP-TV use end-node's own buffering, which makes them less susceptible to jitter or delay. On the other hand, although the amount of data is quite large, data services do not require high quality. HD-quality high-definition broadcasting service is possible in the current optical network (although there will be a change in SO cable transmission equipment), so there is no problem in watching TV in the future, and data service is provided through a separate frequency band. The communication between the cable modem and the CMTS is through communication, so there is no need to change the service method. Therefore, IP-TV may not be necessary in the optical network, but considering the interactive service characteristics of the IP-TV itself, the cable network may be broadcast through the CMTS and the cable modem in the optical network. Service business is possible. In other words, if the IP-TV service is not provided by the cable broadcasting station, the user will not be able to do home shopping or pay any fees through the TV remote control at home.

본 발명의 일 실시예인 패킷 스위칭 플랫폼(Packet switching platform)은 이러한 TPS를 가능하게 할 QoS 기능을 수용하고, 케이블상에 시리얼(serial) 방식으로 연결되어 있는 가입자를 구분해서 관리하는 것이다. 기존의 광(光)LAN에서는 AON(Active Optical Network) switch를 사용해서 가입자를 port별로 구분할 수 있 지만, cable modem의 경우는 동축 케이블에 bridge tap을 내서 연결해 주므로 그 와 같은 방법으로는 관리 할 수 없다. 지역의 SO들이 데이터 서비스를 완성하기 위해서는 과금, 장애 조치 등을 위해서 가입자 관리가 필수적인 사항이다.A packet switching platform, which is an embodiment of the present invention, accommodates QoS functions to enable such TPS and manages subscribers connected in a serial manner on a cable. In conventional optical LAN, AON (Active Optical Network) switch can be used to distinguish subscribers by port.However, cable modem can be connected by coaxial cable with bridge tap. none. Subscriber management is essential for billing and failover for local SOs to complete data services.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 기가비트 이더넷 스위치의 구성을 보여주는 도면이다. 2 is a diagram illustrating a configuration of a gigabit Ethernet switch according to an embodiment of the present invention.

기가비트 이더넷 스위치(200)는 MAN(Metro Access Network)에서 집선 스위치로서의 역할을 제공할 수 있다. 기가비티 이더넷 스위치(200)는 다음의 요소를 포함한다. 기가비트 이더넷 포트(220)는 설치시 포트의 밀도(port density)를 높이기 위해서 19 인치 랙 설치식(Rack mountable)의 1RU 사이즈로 구성할 수 있다. 또한 기가비트 이더넷 포트(Gigabit Ethernet Fiber port)를 24개 이상 갖추어 다수의 기기와 접속할 수 있으며, 광(光) 인터페이스는 운용자가 원하는 광(光)모듈을 장착해서 사용할 수 있도록 할 수 있다(SFP cage).The gigabit Ethernet switch 200 may serve as an aggregation switch in a ME (Metro Access Network). Gigabit Ethernet switch 200 includes the following elements. The gigabit Ethernet port 220 may be configured in a 1RU size of 19 inches rack mountable in order to increase the port density of the port. In addition, more than 24 Gigabit Ethernet Fiber ports can be connected to multiple devices, and the optical interface allows the operator to mount and use the desired optical module (SFP cage). .

L2 기가비트 이더넷 스위치(Gigabit Ethernet Switch)로서의 역할을 충분히 제공할 수 있도록 최고의 속도(Full Wire Speed)를 제공할 수 있다.It can provide full wire speeds to fully serve as an L2 Gigabit Ethernet Switch.

TPS(Triple Play Service)를 위해서 L2/L3/L4 영역(field)에 의한 분류(classification), 레이트 컨트롤(rate control), 필터(filter) 등의 QoS 기능을 갖추어야 한다. 본 발명의 구현예인 기가비티 이더넷 스위치가 제공하는 QoS 각각에 대해서는 후술하고자 한다. 유니캐스트/멀티캐스트 라우팅 프로토콜(Unicast/Multicast Routing Protocol) 기능을 개발하여 탑재할 수 있도록 메모 리 용량을 충분히 고려하여야 한다. HFC망에서 CMTS로서의 역할을 하기 위해서 MAC 주소(address)별로 DHCP 서버(server), 릴레이(relay), 스누핑(snooping)기능을 지원할 수 있다.For the Triple Play Service (TPS), QoS functions such as classification, rate control, and filter by the L2 / L3 / L4 field must be provided. Each QoS provided by the Gigabit Ethernet switch, which is an embodiment of the present invention, will be described later. The capacity of memory should be sufficiently considered to develop and mount the unicast / multicast routing protocol function. In order to act as a CMTS in the HFC network, a DHCP server, relay, and snooping function may be supported for each MAC address.

도 3은 본 발명의 실시예에 의해 구현되는 기가비트 이더넷 스위치의 QoS 모델의 구성을 보여주는 도면이다.3 is a diagram illustrating a configuration of a QoS model of a gigabit Ethernet switch implemented by an embodiment of the present invention.

도 2의 기가비트 이더넷 스위치(200)에서 고속의 DOCSIS3.0을 구현하기 위해서는 수신한 패킷을 프로세싱하기 위한 QoS(Quality of Service) 에서는 다양한 기능을 제공하여야 한다. In order to implement high-speed DOCSIS 3.0 in the gigabit Ethernet switch 200 of FIG. 2, various functions must be provided in a quality of service (QoS) for processing a received packet.

분류기(Classifier, 310)는 수신된 패킷의 헤더를 참조하여 QoS 등급을 정한다. 마커(Traffic Marker, Packet Marker, 320)는 패킷 헤더(802.1p, MPLS EXP, IP TOS/DSCP/IP-Prec)에 QoS 등급을 표시한다. Classifier 310 determines the QoS class by referring to the header of the received packet. The markers (Traffic Marker, Packet Marker, 320) indicates the QoS level in the packet header (802.1p, MPLS EXP, IP TOS / DSCP / IP- Prec).

폴리서(Policer, 330)은 패킷의 유입율(bps)을 측정하여, 미리 약속된 대역폭 이상을 내 보내지 않도록 하며, 버퍼 매니저(Buffer Manger, 340)는 혼잡(Congestion) 발생시에 어떤 패킷을 어떻게 버릴 것인지 판단한다. 큐 스케쥴러(Queue Scheduler, 350)은 혼잡(Congestion) 발생시에 어떤 패킷을 우선적으로 보내 줄 것인지 결정한다.The Polymer 330 measures the packet inflow rate (bps) so that it does not send more than the predetermined bandwidth, and the Buffer Manager (340) determines how and what packets to discard when congestion occurs. To judge. The queue scheduler 350 decides which packets to send preferentially when congestion occurs.

QoS가 적용되지 않았던 기존의 최선 작용(Best Effort) 네트워크에서 QoS를 제공하는 방식은 네트워크의 대역폭을 증가시키는 방법과 복잡한 QoS기술들을 사용하는 방식으로 나누어 생각해 볼 수 있다. 전자를 빅파이프(Big Pipe) 접근 방법 혹은 최대 대역폭(Big Bandwidth) 접근 방법이라 하며, 후자를 제어 대역폭(Controlled Bandwidth) 접근 방법이라고 한다. 최대 대역폭(Big Bandwidth) 방법은 네트워크의 대역폭을 증가시킴으로써 QoS의 문제를 해결하는 방법이다. 링크의 수를 늘리고 저속 장비를 고속 장비로 대체함으로써 간단히 해결할 수 있으나, 비용이 많이 들 수 있다. 또한, 무한하게 대역폭을 증가시키지 않는 한 혼잡(congestion)을 비롯한 QoS 문제는 언제라도 발생할 수 있다. 따라서, QoS 문제를 해결하기 위해서는 반드시 필요하지만 궁극적인 해결 방법이라고는 할 수 없다. In the existing best effort network where QoS has not been applied, the method of providing QoS can be divided into a method of increasing network bandwidth and using complex QoS techniques. The former is called the Big Pipe approach or the Big Bandwidth approach, and the latter is called the Controlled Bandwidth approach. The Big Bandwidth method solves the QoS problem by increasing the bandwidth of the network. Increasing the number of links and replacing low-speed equipment with high-speed equipment is a simple solution, but can be expensive. In addition, QoS issues, including congestion, can occur at any time unless the bandwidth is increased indefinitely. Therefore, it is necessary to solve the QoS problem, but it is not the ultimate solution.

제어 대역폭(Controlled Bandwidth) 방법은 다양한 QoS 기술들을 사용해서 합리적인 수준의 대역폭을 제공하는 것과 동시에 트래픽을 적절하게 조절하는 방법이다. 이를 위해서는 DiffServ, IntServ, MPLS, IEEE 802.1p/Q와 같은 다양한 QoS 관련 프로토콜이나 표준 및 이들을 구체화 해주는 QoS 구현 기술들을 사용할 수 있다. QoS구현 기술(enabling technology)로는 패킷 분류(packet classification), 매핑(mapping), 메터링(metering), 마킹/리마킹(marking & remarking), 레이트 리밋(rate limiting), 쉐이핑(shaping), 플로우(flow) 혹은 혼잡 제어(congestion control) 등과 같은 것들이 있다. 그러나, 이 접근 방법 역시 효용성의 관점에서는 한계가 있다. 따라서, 현실적인 수준에서의 대역폭 증가와 효율적이고 효과적인 QoS 구현 기술들을 동시에 고려하는 것이 필요하다.The controlled bandwidth method is a method of appropriately controlling traffic while providing a reasonable level of bandwidth using various QoS techniques. To this end, various QoS-related protocols and standards such as DiffServ, IntServ, MPLS, and IEEE 802.1p / Q, and QoS implementation techniques that specify them can be used. QoS enabling technologies include packet classification, mapping, metering, marking / remarking, rate limiting, shaping, and flow. ) Or congestion control. However, this approach also has limitations in terms of utility. Therefore, there is a need to consider both bandwidth increase at a realistic level and efficient and effective QoS implementation techniques simultaneously.

도 4는 본 발명의 본 발명의 실시예에 의해 구현되는 기가비트 이더넷 스위치에서 구현되는 엣지 노드에서의 QoS의 구조를 보여주는 도면이다.FIG. 4 is a diagram illustrating the structure of QoS in an edge node implemented in a gigabit Ethernet switch implemented by an embodiment of the present invention.

도 4의 QoS의 적용은 최선 작용(Best Effort)의 단일 서비스 모델을 멀티 서비스 모델로 전환하는 것을 전제로 한다. 이렇게 구분된 여러 서비스 모델은 각각 서로 다른 트래픽 클래스와 연결되며, 이들은 서로 다른 QoS 프로파일을 가지고 처리 된다. 일반적으로, 최선 작용(Best Effort)의 단일 서비스 모델은 엣지(edge) 혹은 경계(boundary) 노드에서 여러 개의 서비스 클래스로 구분이 되며, 에지 노드 및 코어(core) 노드에서 각각의 클래스에 상응하는 QoS 프로파일을 가지고 처리된다. The application of QoS of FIG. 4 is premised on switching from a single service model of best effort to a multi-service model. These different service models are associated with different traffic classes, and they are handled with different QoS profiles. In general, the single service model of Best Effort is divided into multiple service classes at the edge or boundary nodes, and QoS corresponding to each class at the edge node and core node. It is processed with a profile.

도 5는 본 발명의 실시예에 의해 구현되는 기가비트 이더넷 스위치 에서 구현되는 코어 노드에서의 QoS의 구조를 보여주는 도면이다.5 is a diagram illustrating the structure of QoS in a core node implemented in a gigabit Ethernet switch implemented by an embodiment of the present invention.

최선 작용(Best Effort) 네트워크에서 QoS를 지원하기 위해서는 그 네트워크를 구성하는 모든 노드가 QoS 기능을 가지고 있어야 한다. 만약, 중간의 어느 노드가 QoS를 지원하지 않고 오직 최선 작용(Best Effort) 서비스만 한다면, 그 노드를 통과하는 트래픽들에 대해서는 어떠한 QoS 특성도 보장해 줄 수 없게 된다. 이런 관점에서, 사용자의 장비들도 QoS를 인식할 수 있는 것이어야 한다. 그러나, 현재 대부분의 사용자 장비는 최선 작용(Best Effort) 방식으로 트래픽을 전송하고 에지 노드에서 이들 트래픽을 구분해 주고 있어서, 엄밀한 의미에서 엔드투엔드(end-to-end)로 QoS를 보장하는 것이 어려울 수 있다. 또한, 모든 장비들은 동일한 QoS 적용 구조를 가지고 있어야 일관된 QoS를 제공할 수 있다. 만약, 서로 다른 QoS 적용 구조를 가지고 있다면, 일관된 QoS 보장이 불가능해 진다. 이런 경우, 서로 다른 QoS 적용 구조를 가진 네트워크 장비 혹은 서비스 도메인 사이에서 서로 다르게 정의되는 트래픽 클래스를 유기적으로 연결시켜주는 것이 필요하다. 이러한 기능은 후술할 매핑(mapping) 기능을 통해 이루어진다. 도 4의 엣지 노드 구현 방식과 구별되는 코어 노드 구현 방식은 도 5와 같다. To support QoS in a best effort network, all nodes that make up the network must have QoS. If a node in the middle does not support QoS and only the best effort service, no QoS characteristic can be guaranteed for the traffic passing through that node. In this regard, the user equipments must also be able to recognize QoS. However, at present, most user equipment transmits traffic in a best effort manner and separates these traffic at edge nodes, so it is strictly guaranteed to end-to-end QoS. It can be difficult. In addition, all devices must have the same QoS application structure to provide consistent QoS. If there are different QoS application structures, consistent QoS guarantees are not possible. In this case, it is necessary to organically connect traffic classes defined differently between network equipment or service domains having different QoS application structures. This function is achieved through a mapping function to be described later. The core node implementation method distinguished from the edge node implementation method of FIG. 4 is the same as that of FIG. 5.

앞서 도면에서 살펴본 분류기는 패킷을 분류하는 패킷 분류(Packet Classification)를 수행한다. The classifier described in the preceding drawings performs packet classification to classify packets.

패킷 분류(패킷 클래시피케이션)는 말 그대로 입력된 패킷을 어떤 기준에 따라 여러 개의 클래스로 구분을 하는 기능을 가리킨다. 동일하거나 유사한 특성을 갖는 패킷들을 함께 처리함으로써 QoS 구조를 단순하게 하는 것이 패킷 분류의 주요 기능이다. 즉, 다양한 QoS 특성을 갖는 트래픽들을 각각 처리해 주게 된다면 수없이 많이 종류의 패킷 처리 기준이 존재해야 한다. 이것은 현실적으로 불가능하며, 가능하다 할지라도 노드에 커다란 부하를 가하게 된다. 따라서, 제한된 클래스로 패킷을 나누어 처리하는 것이다. 에지 노드와 코어 노드에서 수행되는 패킷 분류의 기능에는 다소 차이가 있다. 에지 노드에서는 여러 기준에 의해 패킷들을 제한된 수의 클래스로 분류를 하게 된다. 제한된 수의 클래스로 분류한다는 것은 입력된 트래픽이 저장될 큐를 결정한다는 것을 의미한다. 그러나, 실제로 큐에 저장되기 전까지는 액세스 컨트롤 리스트에서 정의된 플로우 단위(per-flow)로 모든 처리가 이루어진다. 반면에 코어 노드에서는 에지 노드에서 분류된 결과를 이용하거나, 다른 QoS 처리 과정에서 패킷의 클래스가 변경된 것을 반영하게 된다. 즉, 에 지 노드에서는 다양한 종류의 플로우를 몇 개의 트래픽 클래스로 분류를 하게 되며, 만약 에지 노드와 동일한 QoS 적용 구조를 가지고 있다면 코어 노드에서는 에지 노드에서 분류된 적은 수의 클래스를 그대로 유지하게 되는 것이다. 따라서, 에지 노드에서 수행되는 패킷 분류(classification)가 코어 노드에서 수행되는 것보다 훨씬 복잡하고 노드에 많은 부하를 주게 된다.Packet classification (packet classification) literally refers to the function of classifying input packets into several classes according to some criteria. Simplifying the QoS structure by processing packets with the same or similar characteristics together is the main function of packet classification. In other words, if each of the traffic having a variety of QoS characteristics are handled separately, there must be a number of packet processing criteria. This is practically impossible and, if possible, places a heavy load on the node. Therefore, the packet is divided into limited classes. There are some differences in the function of packet classification performed at the edge and core nodes. At the edge node, packets are classified into a limited number of classes by various criteria. Categorizing into a limited number of classes means determining which queue the incoming traffic will be stored on. However, all processing is done in per-flows defined in the access control list until it is actually queued. On the other hand, the core node uses the result classified at the edge node or reflects the change of the class of the packet during other QoS processing. That is, at the edge node, various types of flows are classified into several traffic classes. If the edge node has the same QoS application structure as the edge node, the core node maintains a small number of classes classified at the edge node. . Therefore, packet classification performed at the edge node is much more complicated than that performed at the core node and puts a heavy load on the node.

패킷의 구분은 여러 가지 기준을 사용해서 수행할 수 있다. 패킷이 입력된 장비의 포트 또는 인터페이스를 기준으로 패킷을 구분할 수도 있으며, MAC이나 IP 같은 주소 정보를 사용할 수도 있으며, 프로토콜에서 정의된 패킷 헤더의 필드 값들을 사용할 수도 있다. 이들 중 어느 하나만을 이용해서 패킷을 분류할 수도 있으며, 여러 필드들의 조합을 통해 패킷을 분류할 수도 있다. 후자의 경우처럼 패킷 헤더의 여러 필드 정보를 이용해서 패킷을 분류하는 것을 다중영역 패킷분류(Multi-Field Packet Classification, MFPC or MFC) 라고 한다. 또한, 사용자가 가입한 서비스 종류나 사용자의 소속 등과 같은 사용자 정보를 바탕으로 패킷을 분류할 수도 있다. 일반적으로, 사용자 정보를 사용해서 패킷을 분류하는 경우는 사용자 인증 절차를 필요로 한다. 그러나, 사용자 정보를 이용하거나 어플리케이션 레이어에서 수행되는 것은 소프트웨어로 다양하게 구현 가능하다. OSI 7 계층 중에서 L2에서 L4 사이의 정보를 사용해서 패킷을 분류하는 것에 대해서 살펴보기 위해서는 L2에서 L4 사이의 정보를 이용해야 하는데, 일반적으로 많이 사용되는 L2~L4의 프레임 혹은 패킷들의 헤더 구조를 적용할 수 있다.The classification of packets can be performed using several criteria. Packets can be classified based on the port or interface of the device where the packet is input, address information such as MAC or IP can be used, and field values of the packet header defined in the protocol can be used. Any one of these may be used to classify the packet, or a packet may be classified through a combination of several fields. As in the latter case, classifying packets using various field information of the packet header is called multi-field packet classification (MFPC or MFC). In addition, the packet may be classified based on user information such as the type of service subscribed to by the user or the affiliation of the user. In general, classifying packets using user information requires a user authentication procedure. However, using the user information or performed in the application layer can be variously implemented in software. In order to examine the classification of packets using the information between L2 and L4 among the OSI 7 layers, information between L2 and L4 should be used, and the header structure of frames or packets of L2 to L4, which are commonly used, is applied. can do.

도 6은 본 발명의 본 발명의 실시예에 의해 구현되는 기가비트 이더넷 스위치에서 송수신하는 L2 프레임 구조를 보여주는 도면이다. FIG. 6 is a diagram illustrating an L2 frame structure transmitted and received by a gigabit Ethernet switch implemented by an embodiment of the present invention.

610 프레임은 일반적으로 사용되는 이더넷(Ethernet) 프레임의 구조이며, 620 프레임은 IEEE 802.1p/Q 프레임 구조에 해당한다. 그리고, 630 프레임 구조는 MPLS over Ethernet의 프레임 구조를 보여주고 있다. 먼저 610 프레임 구조을 살펴보면, 패킷을 구분할 수 있는 정보를 담고 있는 필드는 처음 세 개의 필드, 즉 DA MAC(Destination MAC Address) 필드와 SA MAC(Source MAC Address)필드, 그리고 타입(Type) 필드다. DA MAC 필드와 SA MAC 필드는 장비의 고유한 값에 해당하며, Type 필드는 그림에서 IP 데이터그램(Datagram)이라 표시된 페이로드(Payload) 필드에 포함되는 패킷의 류(프로토콜)를 나타낸다. 이들 정보를 사용해서 패킷들을 분류하는 방법은 다양하다. 먼저 특정한 호스트에서 들어오는 프레임들을 따로 분류하기 위해서 SA MAC 정보를 사용할 수 있다. 마찬가지로 특정한 호스트로 향하는 프레임들을 따로 분류하기 위해 DA MAC 정보를 사용할 수 있다. 특정한 프로토콜을 사용하는 패킷들을 따로 분류하기 위해서 타입(Type) 필드의 정보를 사용할 수도 있다. 특정한 SA MAC에서 특정한 DA MAC으로 향하는 특정한 프로토콜에 속한 패킷을 따로 분류하기 위해서 세 개의 필드를 조합해서 한꺼번에 사용할 수도 있다.The 610 frame is a structure of a commonly used Ethernet frame, the 620 frame corresponds to the IEEE 802.1p / Q frame structure. In addition, the 630 frame structure shows the frame structure of MPLS over Ethernet. First, referring to the 610 frame structure, fields containing information for identifying a packet are the first three fields, that is, a DA MAC (Destination MAC Address) field, an SA MAC (Source MAC Address) field, and a Type field. The DA MAC field and the SA MAC field correspond to unique values of the device, and the Type field indicates the type of packet (protocol) included in the payload field indicated as IP datagram in the figure. There are various ways to classify packets using this information. First, SA MAC information can be used to separately classify frames coming from a specific host. Likewise, DA MAC information can be used to classify frames destined for a particular host. Information in the Type field may be used to separately classify packets using a specific protocol. In order to classify packets belonging to a specific protocol destined for a specific SA MAC to a specific DA MAC, three fields may be combined at a time.

620의 IEEE 802.1p/Q 프레임의 경우, DA MAC, SA MAC, 타입(Type) 필드 외에 TPID나 PRI, CFI, VLAN ID 필드가 존재함을 알 수 있다. Priority 필드는 3비트로 패킷 우선순위를 8 개의 레벨로 분류할 수 있도록 해 준다. 즉, 이 필드의 값에 따라 L2 프레임을 차별화해서 처리해 줄 수 있음을 의미한다. VLAN ID 필드는 이름 그대로 VLAN ID 값이다. 즉, 프레임이 어떤 VLAN에 속해 있는지를 구분 짓는데 사용된다. 이는 VLAN의 종류에 따라 패킷들을 달리 처리할 수 있음을 의미한다. Priority필드와 VLAN ID 필드의 값들은 DA MAC, SA MAC, 그리고 타입(Type) 필드의 값들과 조합해서 프레임들을 상세하게 분류할 수도 있다.In the case of the IEEE 802.1p / Q frame of 620, it can be seen that the TPID, PRI, CFI, and VLAN ID fields exist in addition to the DA MAC, SA MAC, and Type fields. The Priority field allows three bits to classify the packet priority into eight levels. That is, it means that L2 frame can be processed differently according to the value of this field. The VLAN ID field is a VLAN ID value as it is. That is, it is used to distinguish which VLAN a frame belongs to. This means that packets can be processed differently according to the type of VLAN. The values of the Priority field and the VLAN ID field may be combined with the values of the DA MAC, SA MAC, and Type fields to further classify the frames.

630은 MPLS over Ethernet 프레임 구조를 보여준다. 이 프레임 구조 역시 기본적으로 Ethernet 프레임에 사용되는 필드와 더불어, 20 비트의 Label 필드 그리고 3 비트의 익스페리먼탈(Experimental) 필드를 가지고 있다. IEEE 802.1p/Q 프레임 구조(620)와 비교할 때, Label 필드는 VLAN ID 필드에 상응하며 익스페리먼탈(Experimental) 필드는 Priority 필드에 상응한다. 즉, Label은 MPLS에서 사용되는 커넥션의 패스(path)를 구분 지어주며 익스페리먼탈(Experimental) 필드는 프레임의 우선순위를 나타내는데 사용된다. 이들 역시, 다른 이더넷(Ethernet)에 사용되는 필드 값들과 조합해서 사용될 수 있다.630 shows the MPLS over Ethernet frame structure. This frame structure also basically has a 20-bit Label field and a 3-bit Experimental field, in addition to the fields used for Ethernet frames. Compared to the IEEE 802.1p / Q frame structure 620, the Label field corresponds to the VLAN ID field and the Experimental field corresponds to the Priority field. That is, the Label identifies the path of the connection used in MPLS, and the Experimental field is used to indicate the priority of the frame. These may also be used in combination with field values used for other Ethernet.

도 6의 610 프레임 구조와 620 그리고 630 프레임 구조를 비교했을 때 가장 커다란 차이는 620 및 630 프레임 구조에서는 프레임의 우선순위를 나타낼 수 있는 필드를 가지고 있다는 것이다. 실제적으로 이 필드의 값들로 인해 순수한 이더넷(Ethernet)프레임에 대해서도 차등화 된 서비스를 제공할 수 있게 되는 것이다. 이 값들은 L3 IP 패킷과의 우선순위 매핑(mapping)에도 사용된다.When comparing the 610 frame structure of FIG. 6 with the 620 and 630 frame structures, the biggest difference is that the 620 and 630 frame structures have fields for indicating the priority of the frames. In practice, the values in this field allow for the provision of differentiated services for pure Ethernet frames. These values are also used for priority mapping with L3 IP packets.

도 7은 본 발명의 본 발명의 실시예에 의해 구현되는 기가비트 이더넷 스위치에서 송수신하는 L3 프레임 구조를 보여주는 도면이다. 도 6의 L2 MAC 프레임처럼 Source IP Address와 Destination IP Address가 패킷을 구분하는데 사용될 수 있다. 또한 ToS(Type of Service) 필드와 프로토콜(Protocol) 필드가 패킷을 구분하는데 사용된다. ToS 필드는 8비트로 이중 처음의 3 비트에 해당하는 IP Precedence 필드는 패킷의 우선순위를 나타내는데 사용된다. 따라서, L2 프레임의 Priority 필드나 Experimental 필드와 1대 1로 매핑해서 사용할 수 있다. 프로토콜(Protocol) 필드는 Data 필드에 사용되는 L4 프로토콜의 종류를 나타내는데 사용된다.FIG. 7 is a diagram illustrating an L3 frame structure transmitted and received by a Gigabit Ethernet switch implemented by an embodiment of the present invention. Like the L2 MAC frame of FIG. 6, a source IP address and a destination IP address may be used to distinguish a packet. In addition, a type of service (ToS) field and a protocol field are used to distinguish packets. The ToS field is 8 bits, and the IP Precedence field corresponding to the first 3 bits is used to indicate the priority of the packet. Therefore, it can be used by mapping one-to-one with the Priority field or Experimental field of the L2 frame. The Protocol field is used to indicate the type of L4 protocol used for the Data field.

도 8은 본 발명의 본 발명의 실시예에 의해 구현되는 기가비트 이더넷 스위치에서 송수신하는 IP 패킷 헤더의 ToS 필드의 구조와 DiffServ의 DS 필드를 보여주는 도면이다. 8비트의 ToS 필드(810)는 820의 3 비트의 IP Precedence 필드와 DTRC의 라우팅에 사용되는 정보 필드를 가지고 있다. 이 필드는 DiffServ(830)에서 DS 필드로 다시 정의 되었는데, DS 필드는 6비트의 DSCP (DiffServ Code Point) 필드와 사용되지 않는 CU (Currently Unused) 필드로 되어 있다. DSCP 필드의 처음 3 비트는 클래스를 나타내는데 사용되며 다음의 두 비트는 드랍 선행성(Drop Precedence)를 나타내는데 사용된다. 처음 3비트는 IP ToS 필드의 IP Precedence와 호환된다. 따라서, L2 프레임과 L3 패킷들 사이에는 우선순위를 일관되게 유지할 수 있다. L4에 사용되는 패킷 중에는 TCP와 UDP 패킷들이 대부분이다. 이들은 패킷 헤더에 소스 포트 번호(Source Port Number)와 목적지 포트 번호(Destination Port Number)필드를 가지고 있어 패킷들을 분류하는데 사용될 수 있다. 다른 L4 프로토콜 패킷들도 각각 독특한 패킷 구조를 취하고 있으며, 특정한 필드 값을 사용해서 동일한 프로토콜에 속한 서로 다른 패킷들을 구분하게 된다. 일반적으로, L4 정보는 L3의 Protocol 정보와 함께 사용된다.FIG. 8 is a diagram showing the structure of a ToS field of an IP packet header transmitted and received in a Gigabit Ethernet switch and a DS field of DiffServ according to an embodiment of the present invention. The 8-bit ToS field 810 has a 3-bit IP Precedence field of 820 and an information field used for routing of DTRC. This field has been redefined as a DS field in the DiffServ 830. The DS field is composed of a 6-bit DiffServ Code Point (DSCP) field and an unused CU (Currently Unused) field. The first three bits of the DSCP field are used to indicate the class, and the next two bits are used to indicate Drop Precedence. The first three bits are compatible with IP Precedence in the IP ToS field. Thus, priority can be maintained consistent between L2 frames and L3 packets. Most of the packets used in L4 are TCP and UDP packets. They have a Source Port Number and Destination Port Number fields in the packet header and can be used to classify packets. Different L4 protocol packets each have a unique packet structure, and specific field values are used to distinguish different packets belonging to the same protocol. In general, L4 information is used together with L3 protocol information.

도 9는 본 발명의 본 발명의 실시예에 의해 구현되는 기가비트 이더넷 스위치에서 구현되는 트래픽 컨디셔너의 구성을 보여주는 도면이다.9 is a diagram showing the configuration of a traffic conditioner implemented in a gigabit Ethernet switch implemented by an embodiment of the present invention.

트래픽 컨디셔닝(traffic conditioning)은 에지 라우터에서 입력되는 트래픽이 사전에 정의된 사용자의 트래픽 프로파일을 따르는지의 여부를 확인하고, 순응 여부에 따라 기본적인 QoS 처리를 해 주거나 다른 QoS처리를 해 주는 근거를 마련해 주는 프로세스를 말한다. 여기에서 말하는 기본적인 QoS 처리는 패킷의 우선순위를 변경하는 마킹(marking)이나 레잇 리미팅(rate limiting)을 통한 패킷 드롭(packet drop)과 같은 것이 될 수 있다. 다른 QoS 처리는 트래픽 컨디셔닝의 결과가 흐름 제어나 패킷 스케줄링 과정에서 영향을 받을 수 있음을 의미한다. 이들에 대해서는 후술하고자 한다. 트래픽 컨디셔닝을 구현하는 기능 모듈을 트래픽 컨디셔너(traffic conditioner)라 하며, 이는 트래픽 컨디셔닝을 어떤 범위에서 정의 하느냐에 따라 그 구성이 달라진다. 트래픽 컨디셔닝을 광범위한 측면에서 정의하면, 트래픽 컨디셔너는 패킷 분류기(packet classifier), 미터(meter), 마커(marker), 그리고 드라퍼(dropper)나 쉐이퍼(shaper)로 구성된다. 그러나, 좁은 의미에서 트래픽 컨디셔너는 미터와 마커로만 구성되며, 트래픽을 측정하고 그 결과에 따라 순응 여부를 패킷에 표시하는 기능만을 포함하게 된다.Traffic conditioning checks whether the traffic coming from the edge router follows the user's predefined traffic profile, and provides the basis for basic QoS processing or other QoS processing depending on compliance. Say process. The basic QoS processing referred to here may be such as marking a packet that changes the priority of the packet or packet drop through rate limiting. Other QoS processing means that the results of traffic conditioning can be affected during flow control or packet scheduling. These will be described later. A functional module that implements traffic conditioning is called a traffic conditioner, and its configuration depends on the scope of defining the traffic conditioning. When defining traffic conditioning in a broad sense, a traffic conditioner consists of a packet classifier, a meter, a marker, and a dropper or shaper. In a narrow sense, however, a traffic conditioner consists only of meters and markers, and includes only the ability to measure traffic and indicate compliance in the packet accordingly.

도 9는 미터와 마커로만 구성된 트래픽 컨디셔너를 보여주고 있다. 미터와 마커는 도 9에 보이는 것처럼 기능적인 측면에서는 구분되지만, 일반적으로 함께 존재한다. 이러한 이유 때문에, 좁은 의미에서 트래픽 컨디셔너를 구성하게 된다. 미터는 장비로 입력되어 패킷 분류된 트래픽 플로우를 측정한다. 일반적으로 트래픽 플로우의 입력 속도를 통해 대역폭을 측정하거나 버스트 정도를 측정하게 된다. 미터는 미리 약속된/정의된 트래픽 프로파일과 입력된 플로우의 트래픽 프로파일을 비교함으로써 순응 여부를 결정하게 되며, 그 결과에 따라 마커는 필요한 마킹 처리를 하게 된다. 일반적으로, 미리 약속된 트래픽 프로파일을 만족하는 경우, 일정한 범위 내에서 초과하는 경우, 일정한 범위를 넘어서는 경우의 세 가지로 구분을 하며, DiffServ에서는 각 경우에 대해 패킷을 Green, Yellow, 그리고 Red로 표시를 한다. Cisco 장비의 경우는 Committed, Excess, 그리고 Violated 라는 용어를 사용해서 각 경우를 나타내기도 한다. DiffServ의 경우 single-rate three-color marker (sr-TCM)과 two-rate three-color marker (tr-TCM)이 대표적인 마커 혹은 트래픽 컨디셔너로 사용되고 있다. RFC 2697 및 2698에 각각 기술되어 있는 sr-TCM과 tr-TCM은 기본적으로 이중 토큰 버킷 구조를 사용하고 있다. sr-TCM이 토큰의 업데이트 속도로 CIR (committed information rate)만 사용하는 반면, tr-TCM은 토큰 업데이트 속도로 CIR과 PIR (peak information rate) 두 가지를 사용한다.9 shows a traffic conditioner consisting only of meters and markers. Meters and markers are distinguished in functional terms, as shown in FIG. 9, but are generally present together. For this reason, a traffic conditioner is configured in a narrow sense. The meter enters the device to measure packet-sorted traffic flow. Typically, the input rate of a traffic flow measures bandwidth or bursts. The meter determines compliance by comparing the traffic profile of the input flow with the pre-appointed / defined traffic profile, and accordingly, the marker performs the necessary marking processing. In general, if a predetermined traffic profile is satisfied, a predetermined range is exceeded, and a predetermined range is exceeded, DiffServ marks packets as Green, Yellow, and Red in each case. Do In the case of Cisco equipment, the terms Committed, Excess, and Violated are used to refer to each case. In the case of DiffServ, single-rate three-color marker (sr-TCM) and two-rate three-color marker (tr-TCM) are used as representative markers or traffic conditioners. The sr-TCM and tr-TCM described in RFC 2697 and 2698 respectively use a double token bucket structure by default. While sr-TCM uses only the committed information rate (CIR) as the token update rate, tr-TCM uses both CIR and peak information rate (PIR) as the token update rate.

도 10은 본 발명의 본 발명의 실시예에 의해 구현되는 기가비트 이더넷 스위치에서 구현되는 sr-TCM의 동작 방식을 보여주는 도면이다.FIG. 10 is a diagram illustrating an operation method of sr-TCM implemented in a gigabit Ethernet switch implemented by an embodiment of the present invention.

입력된 패킷의 크기 B가 토큰 카운터 Tc보다 작으면 그린(Green) 패킷으로 마크되며, Tc보다 크지만 Te보다 적은 경우 옐로우(Yellow) 패킷으로 마크되고 Te보다도 큰 경우에는 레드(Red) 패킷으로 마크되는 과정을 보여주고 있다.If the size B of the input packet is smaller than the token counter Tc, it is marked as a green packet.If it is larger than Tc but less than Te, it is marked as a yellow packet, and if it is larger than Te, it is marked as a red packet. It shows the process of becoming.

레잇 리미팅(rate limiting)과 쉐이핑(shaping)은 트래픽의 대역폭을 제어(bandwidth control)하는 두 가지의 대표적인 기술이다. 레잇 리미팅과 쉐이핑 모두 리키 버킷이나 토큰 버킷을 사용해서 구현된다. 단지 차이가 있다면, 레잇 리미팅은 버퍼링을 사용하지 않고 쉐이핑은 버퍼링을 사용한다는 것이다.Rate limiting and shaping are two representative techniques for controlling the bandwidth of traffic. Both rate limiting and shaping are implemented using Ricky buckets or token buckets. The only difference is that rate limiting does not use buffering and shaping uses buffering.

도 11은 본 발명의 본 발명의 실시예에 의해 구현되는 기가비트 이더넷 스위치에서 구현되는 레이트 리밋 동작을 보여주는 도면이다.FIG. 11 illustrates a rate limit operation implemented in a gigabit Ethernet switch implemented by an embodiment of the present invention.

폴리싱(policing)이라고도 불리는 레잇 리미팅은 말 그대로 어떤 트래픽의 속도(대역폭)를 제한하는 기술이다. 속도를 제한하기 위해서는 기본적으로 입력되는 트래픽의 속도를 알 수 있어야 하므로 미터(meter) 및 마커(marker)와 함께 사용된다. 레잇 리미팅의 동작은 도 11에 나타난 바와 같아 목표로 한 속도(target traffic rate) 이상으로 들어오는 트래픽은 모두 버리는 것이다(1110->1120). 즉, 과도한 트래픽을 버퍼링 하지 않고 그대로 드롭시키는것이다. Also known as policing, rate limiting is a technique that literally limits the speed (bandwidth) of certain traffic. In order to limit the speed, it is basically used with a meter and a marker because the speed of the incoming traffic must be known. As shown in FIG. 11, the operation of the rate limiting discards all traffic coming in at or above the target traffic rate (1110-> 1120). In other words, drop excessive traffic without buffering.

레잇 리미터(rate limiter)는 장비의 입력 부분, 즉 스위칭 패브릭의 앞쪽에 위치한다고 알려져 있으나, 스위치 패브릭의 뒤쪽인 출력 모듈에 존재할 수도 있고 입출력 모듈 모두에 존재할 수 있다. 그러나, 후술할 쉐이퍼가 주로 출력 모듈에 존재하기 때문에 레잇 리미터는 쉐이퍼와의 중복을 피해 버퍼를 사용하지 않는 입력 모듈에 위치하게 되는 것이다. 레잇 리미팅은 몇 가지 기준에 의해 구분할 수 있다. 먼저 레잇 리미팅이 적용되는 대상을 기준으로 플로우 기반 레잇 리미팅(flow-based rate limiting)과 포트 기반 레잇 리미팅(port-based rate limiting)으로 구분할 수 있다. 즉, 플로우 기반 레잇 리미팅은 각 어플리케이션 플로우에 대해 트래픽의 속도/대역폭을 제한하는 것이며, 포트 기반 레잇 리미팅은 포트나 인터페이스 단위로 트래픽의 속도/대역폭을 제한하는 것이다. The rate limiter is known to be located at the input portion of the device, i.e., in front of the switching fabric, but may be present in the output module at the back of the switch fabric or in both the input and output modules. However, since the shaper to be described later is mainly present in the output module, the limiter is located in an input module that does not use a buffer to avoid duplication with the shaper. Right limiting can be distinguished by several criteria. First, flow-based rate limiting and port-based rate limiting can be classified based on the target to which the rate limiting is applied. In other words, flow-based rate limiting limits the speed / bandwidth of traffic for each application flow, and port-based rate limiting limits the speed / bandwidth of traffic on a per port or interface basis.

레잇 리미팅의 적용 방식에 따라 소프트 레잇 리미팅(soft rate limiting)과 하드 레잇 리미팅(hard rate limiting)으로 구분할 수도 있다. 하드 레잇 리미팅은 지금까지 설명한 레잇 리미팅 방법으로, 입력된 트래픽이 약속된 트래픽 프로파일을 따르지 않으면, 즉 약속된 대역폭 이상으로 들어오면 무조건 버리는 방식이다. 소프트 레잇 리미팅은 장비가 혼잡 상태에 있지 않은 경우 약속된 트래픽 프로파일을 일정 범위 내에서 초과해서 입력된 트래픽에 대해 낮은 우선순위로 마크다운(mark down) 한 후 다음 프로세스로 넘기는 것이다. 낮은 우선순위로 마크 된 패킷들은 출력 쪽에서 다른 트래픽들과 경쟁 하는 도중 버려질 수 있다. 소프트 레잇 리미팅은 서비스 제공업자가 서비스 차원에서 제공할 수 있다.Depending on how the rate limiting is applied, it may be divided into soft rate limiting and hard rate limiting. Hard rate limiting is a rate limiting method described so far, in which the incoming traffic does not follow the promised traffic profile, i.e., if it comes in above the promised bandwidth, it is discarded unconditionally. Soft-Rate Limiting is when the equipment is not in a congested state, exceeding the promised traffic profile within a certain range, marking down the low priority for the incoming traffic and then passing on to the next process. Packets marked with low priority may be discarded while competing with other traffic on the output side. Soft rate limiting can be provided by the service provider at the service level.

도 12은 본 발명의 실시예에 의한 기가비트 이더넷 스위치에서 구현되는 쉐 이핑 동작을 보여주는 도면이다. 쉐이핑도 레잇 리미팅과 마찬가지로 어떤 트래픽의 속도/대역폭을 제한하는 기술이다. 레잇 리미팅과의 차이가 있다면, 버퍼링을 사용한다는 것이다.12 is a diagram illustrating a shaping operation implemented in a gigabit Ethernet switch according to an embodiment of the present invention. Shaping, like rate limiting, is a technique that limits the speed / bandwidth of any traffic. The difference from rate limiting is that it uses buffering.

버퍼링을 사용함으로써 목표 속도 이상으로 들어오는 트래픽을 잠시 저장했다가 나중에 서비스를 해 주게 된다(1210->1220). 이러한 쉐이핑의 동작 특성이 도 12에 잘 설명되고 있다. 이러한 쉐이핑의 특성은 어느 정도 버스트 트래픽을 수용할 수 있다는 점과, 레잇 리미팅에 비해 패킷 손실률을 줄이고 전체적인 쓰루풋을 향상시킬 수 있다는 장점을 가지고 있다. 그러나, 버퍼링으로 인해 추가적인 딜레이가 더해질 수 있으므로 커다란 버퍼를 사용하는 경우 실시간 어플리케이션 트래픽에 영향을 미칠 수 있다. 쉐이핑은 버퍼링을 사용하기 때문에 버퍼가 존재하는 곳에서 구현된다. 입력 및 출력 쪽에서 모두 구현될 수 있지만, 주로 버퍼가 위치하는 출력 쪽에서 구현되는 것이 일반적이다. 이는 버퍼가 없는 입력 쪽에서 쉐이핑과 같은 기능을 수행하는 레잇 리미팅이 구현되는 것과의 중복을 피한다는 점에서도 이해될 수 있다.By using buffering, traffic coming in above the target rate is temporarily stored and serviced later (1210-> 1220). The operating characteristics of this shaping are well described in FIG. This shaping has the advantage of being able to accommodate burst traffic to some extent and reducing packet loss rate and improving overall throughput compared to rate limiting. However, buffering can add additional delay, so using large buffers can affect real-time application traffic. Because shaping uses buffering, it is implemented where the buffer exists. It can be implemented on both the input and output sides, but is typically implemented on the output side where the buffer is located. This can also be understood as avoiding duplication with the implementation of rate limiting, which performs functions such as shaping on the non-buffered side.

본 발명의 일 실시예에서는 흐름 제어(flow control)와 혼잡 제어(congestion control)을 가능하게 한다. One embodiment of the present invention enables flow control and congestion control.

혼잡 제어(congestion control)는 네트웍 장비가 처리할 수 있는 능력 이상으로 입력된 트래픽 혹은 특정한 포트에 집중된 트래픽으로 인해 발생하는 혼잡 현 상, 즉 장비가 계속해서 과부하 상태에 있는 것을 해결하는 기술을 말한다. 혼잡 현상을 해결하기 위한 방법에는 액세스 제어와 스케줄링 방식, 그리고 흐름 제어 방법이 사용될 수 있다. 액세스 제어는 장비로 입력되는 트래픽의 양을 제한하는 방법이며, 스케줄링은 장비에 입력된 트래픽을 효율적으로 서비스하는 방법이다. 흐름 제어(flow control)는 데이터 소스가 자신의 전송 속도를 네트웍과 수신기에서 현재 가용한 속도에 맞출 수 있도록 하는 일련의 기술들을 가리킨다.Congestion control is a technique for solving congestion caused by input traffic or traffic concentrating on a specific port beyond the network equipment's ability to handle, i.e., the device continues to be overloaded. As a method for solving congestion, an access control, a scheduling method, and a flow control method may be used. Access control is a method of limiting the amount of traffic input to the equipment, and scheduling is a method of efficiently serving the traffic input to the equipment. Flow control refers to a set of techniques that allow a data source to match its transmission rate to those currently available in the network and receiver.

흐름 제어(Flow Control)는 데이터 소스가 혹은 데이터 소스로 하여금 전송 속도를 줄이도록 함으로써 혼잡 문제를 해결하는 방식이다. 흐름 제어가 적용되는 방식에는, 혼잡이 발생할 것을 예측하고 혼잡이 발생하기 이전에 흐름 제어가 수행되도록 하는 방법과, 혼잡이 발생한 것을 확인한 후 흐름 제어가 수행되도록 하는 방식으로 구분할 수도 있다. 이 경우, 전자를 순행(Proactive) 방식이라 하며, 후자를 응답(Responsive) 혹은 반응(Reactive) 방식이라고 한다. 어느 방식이든, 기본적으로 데이터 소스가 전송 속도를 조절할 수 있는 능력을 가지고 있어야 한다. 인터넷에서 전달되는 트래픽의 상당 부분은 TCP 트래픽이며, TCP 서버는 이처럼 전송 속도를 조절할 수 있는 능력을 가지고 있어서 흐름 제어를 할 수 있다. 따라서, 이곳에서는 TCP의 동작을 먼저 살펴 본 후, TCP의 동작 특성을 이용한 흐름 제어 기법인 RED와 WRED에 대해서 살펴볼 것이다. TCP의 동작은 슬로우 스타트(slow start)와 혼잡 회피(congestion avoidance)의 두 부분으로 동작한다. 슬로우 스타트는 TCP 센더(sender)의 윈도우 사이즈(CWND)가 임계치(threshold)보다 적은 경 우, 전송한 패킷에 대해 타임아웃(time out)이 발생하기 전에 자신이 보냈던 패킷에 대한 ACK를 받을 때마다 TCP 센더가 자신의 전송 속도를 두 배로 증가시키는 것을 말하며, 혼잡 회피는 TCP 센더의 윈도우 사이즈가 임계치보다 큰 경우 1 MSS (maximum segment size) 만큼씩 전송 속도를 증가시키는 것을 말한다. 만약, 타임아웃이 발생하게 되면, 쓰레시홀드는 현재 윈도우 사이즈의 1/2로 줄어들고 윈도우 사이즈는 1 MSS로 리셋 된다. Flow control solves congestion problems by allowing a data source or a data source to reduce its transmission rate. The flow control may be divided into a method of predicting congestion and allowing flow control to be performed before congestion occurs, and a method of performing flow control after confirming congestion has occurred. In this case, the former is called proactive, and the latter is called responsive or reactive. Either way, the data source should basically have the ability to adjust the transmission rate. Much of the traffic on the Internet is TCP traffic, and the TCP server has this ability to adjust its transmission rate, allowing flow control. Therefore, we will look at the operation of TCP first, and then we will look at the flow control techniques RED and WRED using TCP's operating characteristics. TCP's operation operates in two parts: slow start and congestion avoidance. When the TCP starter's window size (CWND) is less than the threshold, the slow start is sent every time an ACK is received for a packet that was sent before a timeout occurred for the transmitted packet. The TCP sender doubles its transmission rate. Congestion avoidance refers to increasing the transmission rate by 1 MSS (maximum segment size) when the window size of the TCP sender is larger than the threshold. If a timeout occurs, the threshold is reduced to half the current window size and the window size is reset to 1 MSS.

TCP 센더가 Timeout 이전에 ACK를 받을 때When the TCP sender receives an ACK before the timeout

if CWND ≤ Threshold -> CWND = 2 * CWNDif CWND ≤ Threshold-> CWND = 2 * CWND

if CWND > Threshold -> CWND = CWND + 1if CWND> Threshold-> CWND = CWND + 1

한편, TCP 센더가 Timeout 이전에 ACK를 받지 못할 때On the other hand, when the TCP sender does not receive an ACK before the timeout

Threshold = CWND / 2Threshold = CWND / 2

CWND = 1 MSSCWND = 1 MSS

도 13은 본 발명의 일 실시예에 의한 기가비트 이더넷 스위치에서 구현하는 TCP의 동작을 보여주고 있다. 1로 나타낸 구간은 슬로우 스타트에 해당하며, 2로 나타낸 구간은 혼잡 회피 구간이다. TCP 기반의 흐름 제어 시나리오를 살펴보기 위해서는 여러 개의 TCP 플로우가 하나의 버퍼를 사용할 수 있다. 이는 도 14에서 살펴보고자 한다.Figure 13 shows the operation of TCP implemented in a gigabit Ethernet switch according to an embodiment of the present invention. The section indicated by 1 corresponds to the slow start, and the section indicated by 2 is the congestion avoidance section. To examine the TCP-based flow control scenario, multiple TCP flows can use a buffer. This will be described in FIG. 14.

도 14는 본 발명의 일 실시예에 의한 기가비트 이더넷 스위치에서 구현하는 여러 개의 TCP 플로우가 하나의 버퍼를 사용하는 시나리오를 보여주는 도면이다.14 is a diagram illustrating a scenario in which multiple TCP flows implemented in a gigabit Ethernet switch using one buffer according to an embodiment of the present invention.

이런 경우 큐 사이즈는 빠른 속도로 증가하게 되며, 이내 버퍼 풀(buffer full)이 발생하고 오버플로우(overflow)가 발생하게 된다. 그러면, 모든 TCP 플로우들은 버퍼 풀 이후에 도착한 모든 패킷들을 잃게 되며, TCP 센더들은 timeout이 발생할 때까지 잃어버린 패킷들에 대한 ACK를 받지 못하게 된다. 결국, 모든 TCP 센더들은 자신의 전송 속도를 줄이게 되며 빠른 속도로 큐 사이즈는 줄어들게 된다. 그러나, 슬로우 스타트로 인해 큐 사이즈는 다시 증가하게 되고 오버플로우가 발생하며, 모든 TCP 플로우에 대해 동일한 과정이 반복되게 된다. 이러한 현상을 전동기화(Global Synchronization)이라 하는데, 트래픽 양의 급격한 출렁거림으로 인해 성능은 물론 네트웍 장비가 불안정해지는 원인이 된다. 이러한 전 동기화(Global Synchronization) 문제는 공정한 방법으로 임의의 TCP 플로우를 선택해서 전송 속도를 줄이도록 함으로써 해결할 수 있다. 그런 방법 중의 하나이며 가장 대표적인 방법이 바로 RED (random early detection/discard)에 의한 혼잡 제어 방법이다.In this case, the queue size increases rapidly, and a buffer full occurs and an overflow occurs. Then, all TCP flows will lose all packets arriving after the buffer pool, and TCP senders will not receive an ACK for the lost packets until a timeout occurs. As a result, all TCP senders will slow down their transmissions and reduce queue sizes at a high rate. However, slow start causes the queue size to increase again and overflow, and the same process is repeated for all TCP flows. This phenomenon is called Global Synchronization. As a result of the sudden fluctuation of the traffic volume, the network equipment becomes unstable as well as performance. This global synchronization problem can be solved by selecting an arbitrary TCP flow in a fair way to reduce the transmission speed. One such method and the most representative one is the congestion control method by random early detection / discard (RED).

도 15는 본 발명의 일 실시예에 의한 기가비트 이더넷 스위치에서 구현하는 RED를 적용하여 혼잡을 제어하는 과정을 보여주는 도면이다. FIG. 15 is a view illustrating a process of controlling congestion by applying RED implemented in a gigabit Ethernet switch according to an embodiment of the present invention.

랜덤 초기 감지(Random Early Detection) 혹은 랜덤 초기 폐기(Random Early Discard)라고도 불리는 RED는 TCP 동작 특성을 이용한 대표적인 혼잡 제어 기법이 다. 이름이 암시하는 것처럼, 혼잡이 발생하기 이전에 미리 랜덤한 방식으로 패킷을 버림으로써 특정한 TCP 플로우로 하여금 전송 속도를 줄이게 하는 방법이다. 기본적인 동작은 큐에 두 개의 임계값(threshold) TH_min과 TH_max를 두고 세 구간에 서로 다른 드롭 확률을 적용하는 것이다. 이러한 과정이 도 15에 표시되어 있다. 즉, 평균 큐 사이즈가 TH_min보다 작은 경우(1510)에는 어떤 패킷도 버리지 않고 모두 받아들인다. 큐 사이즈가 TH_min보다는 크지만 TH_max보다는 작은 경우(1520) 큐사이즈에 따라 특정한 확률값을 가지고 패킷을 버린다. 큐 사이즈가 TH_max보다 큰 경우(1530)는 입력되는 모든 패킷을 버린다. 즉, 혼잡의 정도가 심해질수록 많은 패킷을 버림으로써 입력되는 트래픽의 양을 줄이려는 방법이다.RED, also called Random Early Detection or Random Early Discard, is a representative congestion control technique using TCP behavior. As the name suggests, it is a way to cause certain TCP flows to reduce transmission speed by dropping packets in a random way before congestion occurs. The basic operation is to apply two different drop probabilities to the three intervals with two thresholds TH_min and TH_max in the queue. This process is shown in FIG. That is, if the average queue size is smaller than TH_min (1510), no packets are discarded and all are accepted. If the queue size is larger than TH_min but smaller than TH_max (1520), the packet is discarded with a certain probability according to the queue size. If the queue size is larger than TH_max (1530), all incoming packets are discarded. In other words, as the degree of congestion increases, it is a method of reducing the amount of incoming traffic by discarding many packets.

1510은 큐의 길이가 TH_min보다 작을 때 도착한 패킷들은 모두 받아들이는 경우를 보여주고 있다. 1520은 큐의 길이가 TH_min와 TH_max 사이에 있을 때에는 확률적으로 받아들이는 경우를 보여주고 있다. 1530는 큐의 길이가 TH_max보다 클 때 도착한 패킷들은 모두 버리게 된다. 1520과 1530의 경우 버려지는 패킷에 대한 ACK가 소스에 도착하지 않게 되므로 소스는 전송 속도를 줄이게 되며, 흐름/혼잡 제어의 목적을 달성하게 된다.1510 shows a case where all packets arriving when the queue length is smaller than TH_min are accepted. 1520 shows a case where the length of the queue is between TH_min and TH_max. The 1530 discards all packets arriving when the length of the queue is greater than TH_max. In the case of 1520 and 1530, the ACK for the discarded packet does not arrive at the source, thereby reducing the transmission speed and achieving the purpose of flow / congestion control.

TH_min과 TH_max에 의해 구분되는 각 구간에서 패킷을 버리는 확률은 확률 함수(Drop Probability Function) 혹은 확률 테이블로 작성이 되며, 가능한 큐 사이즈에 대해 드롭 확률 값들을 정리해 놓고 있다.The probability of dropping a packet in each section divided by TH_min and TH_max is created as a Drop Probability Function or a probability table, and the drop probability values are summarized for the possible queue sizes.

도 16은 도 15에서 사용된 RED 패킷 드롭 확률 함수의 일례를 보여주고 있다. K 는 최대 큐 사이즈이며 Pmax는 TH_min과 TH_max 사이의 기울기를 결정하는 값이 된다. 일반적으로, TH_max 값이 너무 작으면 패킷 드롭이 빈번히 발생해서 전체 성능에 심각한 영향을 줄 수도 있으며, TH_max 이상에서 모든 입력되는 패킷을 버리는 동작이 버퍼 오버플로우에 의한 결과와 동일하기 때문에 TH_max를 큐의 최대 크기인 K 와 같거나 가까운 값으로 설정을 하게 된다. 또한, Pmax값이 너무 작으면 패킷이 드랍 되는 빈도가 낮아져 혼잡 제어 효과가 제대로 나타나지 않을 수도 있다. 따라서, RED를 사용할 때는 TH_min, TH_max, 그리고 Pmax값을 적절하게 설정해 주는 것이 중요하다.FIG. 16 shows an example of the RED packet drop probability function used in FIG. 15. K is the maximum cue size and Pmax is the value that determines the slope between TH_min and TH_max. In general, if the value of TH_max is too small, packet drops may occur frequently and seriously affect the overall performance.Throwing all incoming packets above TH_max is the same as the result of the buffer overflow. It will be set to the same value as or close to the maximum size K. In addition, if the Pmax value is too small, the frequency of dropping packets may be low, and congestion control effects may not be properly exhibited. Therefore, when using RED, it is important to set the TH_min, TH_max, and Pmax values appropriately.

도 17은 본 발명의 실시예에 의한 기가비트 이더넷 스위치에서 구현되는 WRED 패킷 드랍 확률 함수의 일례를 보여주고 있다. Weighted RED는 하나 혹은 여러 개의 서로 다른 클래스 트래픽에 서로 다른 특성(profile or weight)를 갖는 RED 함수를 적용함으로써 혼잡 제어를 하는 것을 말한다. 서로 다른 특성을 갖는 RED 함수라는 것은 TH_min, TH_max, 그리고 max p 값이 서로 다른 RED 패킷 드랍 확률 함수를 말한다. 동일한 클래스 트래픽에 WRED를 적용하는 경우는, 같은 클래스에 속한 서로 다른 우선순위의 패킷들에 서로 다른 RED 함수를 적용하게 된다. 예를 들면, DiffServ의 AFx 클래스의 경우 동일한 클래스에 3 개의 서로 다른 드랍 우위(drop precedence)가 존재하는데, 각각의 드랍 우위(drop precedence)에 대해 서로 다른 RED 함수를 적용할 수 있다. 도 17의 그래프는 이러한 WRED 패킷 드랍 확률 함수의 일례를 보여주고 있다. 이 그래프는 DiffServ의 어떤 클래스 트래픽에 대해 그린(green), 옐로우(yellow), 그리고 레드(red)로 마크된 패킷들에 대해 서로 다른 RED 함수를 적용할 수 있음을 보여주고 있다. 그림에서 보이는 것처럼 낮은 우선순위의 패킷 혹은 클래스에 대해서는 더욱 공격적인 패킷 드랍 확률 함수를 적용하게 되며, 우선순위가 높은 패킷 혹은 클래스에 대해서는 보수적인 패킷 드랍 확률 함수를 적용하게 된다. 그림에서는 우선순위가 낮은 C1에 대한 TH_max가 C2에 대한 TH_min보다 크게 설정된 경우를 보여주고 있으나, C1에 대한 TH_max가 C2에 대한 TH_min보다 반드시 작거나 같아야 하는 조건을 줄 수도 있다.17 shows an example of a WRED packet drop probability function implemented in a gigabit Ethernet switch according to an embodiment of the present invention. Weighted RED refers to congestion control by applying a RED function with different characteristics (profile or weight) to one or several different class traffics. The RED function having different characteristics is a RED packet drop probability function having different TH_min, TH_max, and max p values. When WRED is applied to the same class traffic, different RED functions are applied to packets of different priority belonging to the same class. For example, in the AFx class of DiffServ, three different drop precedences exist in the same class, and different RED functions may be applied to each drop precedence. The graph of FIG. 17 shows an example of such a WRED packet drop probability function. This graph shows that different RED functions can be applied to packets marked green, yellow, and red for certain class traffic of DiffServ. As shown in the figure, the more aggressive packet drop probability function is applied to low priority packets or classes, and the conservative packet drop probability function is applied to high priority packets or classes. The figure shows the case where TH_max for C1 with low priority is set larger than TH_min for C2, but it may give the condition that TH_max for C1 must be less than or equal to TH_min for C2.

도 18은 본 발명의 실시예에 의한 기가비트 이더넷 스위치에서 구현되는 단일 큐를 사용하는 하나의 클래스에 WRED를 적용하는 예를 보여주고 있다. 비록 같은 클래스에 속한 패킷들이지만, 드랍 우선순위가 다르며, 서로 다른 RED 드랍 확률 함수가 적용된다. 도 18에서는 패킷이 TH_max,yellow 바로 아래까지 차 있으며, 새로 들어오는 yellow 패킷은 TH_max,yellow 임계값(threshold)를 넘어서게 되기 때문에 무조건 버려지게 된다. 만약, yellow 패킷 대신 green 패킷이 도착한다면, 이 패킷은 TH_min,green과 TH_max,green 사이에 존재하기 때문에 특정한 확률을 가지고 버려지게 될 것이다.18 shows an example of applying WRED to one class using a single queue implemented in a gigabit Ethernet switch according to an embodiment of the present invention. Although packets belonging to the same class have different drop priorities, different RED drop probability functions apply. In FIG. 18, the packet is filled up to just below TH_max, yellow, and the new yellow packet is discarded unconditionally because it exceeds the TH_max, yellow threshold. If a green packet arrives instead of a yellow packet, it will be discarded with a certain probability since it is between TH_min, green and TH_max, green.

도 19는 본 발명의 실시예에 의한 기가비트 이더넷 스위치에서 구현되는 큐잉의 동작을 보여주는 도면이다.19 is a diagram illustrating the operation of queuing implemented in a gigabit Ethernet switch according to an embodiment of the present invention.

큐잉(queueing)은 어떤 네트웍 장비가 처리(서비스)할 수 있는 것 이상으로 패킷이 도착하거나, 동시에 동일한 목적지로 향하는 패킷들이 존재할 때 발생하게 된다. 즉, 한꺼번에 처리할 수 없는 패킷들을 잠시 동안 버퍼에 저장을 해 두었다가 나중에 서비스를 하는 것을 큐잉이라고 한다. 스케줄링은 이렇게 버퍼에 저장된 패킷들을 서비스 하는 방식을 총칭하는 용어이다. 스케줄링 알고리즘은 간단하면서도 효율적이어야 하며 공정해야 한다. 큐잉과 스케줄링은 따로 떼어서 생각할 수도 있으나, 일반적으로 큐잉 방식에 의해 스케줄링 방식이 결정되게 된다. 이곳에서는 특정한 출력 포트에서 단일 FIFO 큐를 사용하거나 여러 개의 FIFO 큐를 사용하는 경우로 나누어서 생각할 것이다. 단일 혹은 여러 개의 FIFO 큐를 가정할지라도, 실제로 도착한 패킷들은 도착 순서에 상관없이 공유 메모리(Shared Memory)에 저장되며, 패킷이 저장되어 있는 메모리 정보만이 FIFO 방식의 가상 큐(virtual queue)로 저장되어 관리된다. 이곳에서 다룰 큐잉 및 스케줄링 방식은, FIFO 큐잉, Priority 큐잉, Fair Queueing, 그리고 Weighted Fair Queueing으로 제한할 것이다.Queuing occurs when a packet arrives beyond what a network device can handle (service), or when there are packets destined for the same destination at the same time. In other words, queuing is the process of storing packets that cannot be processed at one time in a buffer for later service. Scheduling is a general term for the manner of serving the packets stored in the buffer. Scheduling algorithms must be simple, efficient and fair. Queuing and scheduling may be considered separately, but in general, the scheduling method is determined by the queuing method. Here we will consider splitting the case for using a single FIFO queue on a particular output port or using multiple FIFO queues. Even if a single or multiple FIFO queues are assumed, the packets actually arrived are stored in shared memory regardless of the arrival order, and only the memory information where the packets are stored is stored as a FIFO-type virtual queue. Are managed. The queuing and scheduling schemes discussed here will be limited to FIFO queuing, priority queuing, fair queuing, and weighted fair queuing.

FIFO 큐잉(queueing)은 단일 FIFO 큐를 사용하는 것을 말한다. 일반적으로 하나의 큐에 하나 이상의 클래스가 매핑 되는 것과는 달리, FIFO 큐잉은 하나의 큐에 모든 클래스의 트래픽을 저장하게 된다. FIFO 큐잉에 사용되는 스케줄링 방식은 패킷의 클래스나 우선순위에 상관없이 먼저 입력된 패킷을 먼저 서비스하는 방식(First Come First Serve)이다. 베스트 에포트 서비스 모델만을 가지고 있는 전통적인 인터넷 망에 사용되는 큐잉 및 스케줄링 구조에 해당한다. 트래픽의 구분이 존재하지 않기 때문에, FIFO 큐잉을 사용하는 장비에서는 패킷 분류(classification)나 마킹처럼 클래스와 관련된 기능은 필요 없게 된다.FIFO queuing refers to using a single FIFO queue. Unlike general mapping of more than one class to a single queue, FIFO queuing stores all classes of traffic in a single queue. The scheduling method used for FIFO queuing is a method of first-serving a first packet, regardless of the class or priority of the packet. Corresponds to the queuing and scheduling structure used in traditional Internet networks with only the best effort service model. Because there is no segmentation of traffic, equipment that uses FIFO queuing does not require class-specific features such as packet classification or marking.

FIFO 큐잉의 장점은 구현이 간단하며 FIFO 큐의 동작이 예측 가능하다는 것이다. 즉, 패킷들의 순서가 유지되며, 패킷의 최대 딜레이는 큐의 최대 크기에 의해 결정된다. FIFO 큐잉의 단점으로는 클래스의 구분이 없기 때문에 차등화된 서비스를 제공하는 것이 불가능하다. 또한, 버스트 트래픽 서비스에 부적합 하며, 혼잡이 발생하는 경우 TCP보다 UDP 트래픽에 유리하다는 것이다. 즉, TCP와 UDP 트래픽이 혼재하는 경우 혼잡이The advantage of FIFO queuing is that it is simple to implement and the behavior of the FIFO queue is predictable. That is, the order of the packets is maintained, and the maximum delay of the packets is determined by the maximum size of the queue. The disadvantage of FIFO queuing is that it is impossible to provide a differentiated service because there is no class distinction. It is also unsuitable for burst traffic services, and is advantageous for UDP traffic over TCP when congestion occurs. In other words, congestion when TCP and UDP traffic is mixed

발생하면, TCP 센더는 흐름 제어 알고리즘에 의해 전송 속도를 줄이게 되지만, UDP 센더는 계속해서 트래픽을 보내게 되며 TCP의 흐름 제어에 의해 발생한 대역폭을 차지하게 되어 결국에는 TCP 트래픽의 서비스가 어렵게 된다.If this occurs, the TCP sender will reduce the transmission rate by the flow control algorithm, but the UDP sender will continue to send traffic, taking up the bandwidth generated by TCP's flow control, and eventually the TCP traffic will be difficult to service.

도 20은 본 발명의 실시예에 의한 기가비트 이더넷 스위치에서 구현되는 우선권 큐잉의 동작을 보여주는 도면이다.20 is a diagram illustrating operation of priority queuing implemented in a gigabit Ethernet switch according to an embodiment of the present invention.

순수 우선권 (Strict Priority) 큐잉이라고도 불리는 우선권(Priority) 큐잉은 여러 개의 FIFO 큐를 사용하는 방식이다. 여러 개의 FIFO 큐를 사용하므로, 각각의 큐가 서로 다른 트래픽 클래스에 매핑이 된다. Priority 큐잉을 사용하는 경우 스케줄링 방식은 아주 단순하다. 즉, 낮은 우선순위 큐에 저장되어 있는 패킷들은 높은 우선순위 큐에 저장되어 있는 패킷들이 모두 서비스 된 이후에나 서비스가 된다. 만약, 낮은 우선순위 큐에 저장되어 있는 패킷이 서비스 되는 도중 높은 우 선순위 큐에 패킷이 입력되면, 낮은 우선순위 큐는 서비스를 잠시 멈추고 높은 우선 순위 큐에 새로 도착한 패킷을 먼저 서비스 해 주게 된다. Priority 큐잉 방식의 장점은 간단한 방법으로 차등화된 서비스를 제공할 수 있다는 것이다. 따라서, 실시간 어플리케이션을 지원할 수 있게 된다. 그러나, 높은 우선순위 큐에 패킷이 계속해서 입력되는 경우에는 낮은 우선순위 큐에 저장된 패킷이 서비스가 되지 못하는 스타베이션(starvation, 기근) 현상이 발생하는 문제점을 가지고 있다. 이러한 문제점은 뒤에서 설명될 WFQ을 사용해서 해결 할 수 있다. 또한, 여러 트래픽이 하나의 동일한 큐에 저장되는 경우, 버스트 하게 입력되는 트래픽이 다른 플로우들을 압도하게 되는 문제가 발생한다.Priority queuing, also known as strict priority queuing, uses multiple FIFO queues. Since multiple FIFO queues are used, each queue is mapped to a different traffic class. Scheduling is very simple when using priority queuing. That is, packets stored in the low priority queue become service after all the packets stored in the high priority queue are serviced. If a packet is entered in the high priority queue while the packet stored in the low priority queue is being serviced, the low priority queue stops the service for a while and newly serves the newly arrived packet in the high priority queue. The advantage of the priority queuing method is that it can provide differentiated services in a simple way. Thus, it is possible to support real-time applications. However, when a packet is continuously input to a high priority queue, there is a problem that starvation (famine) phenomenon that a packet stored in a low priority queue is not served. This problem can be solved using WFQ, which will be explained later. In addition, when several traffics are stored in one and the same queue, a problem arises in that bursting traffic overwhelms other flows.

도 21은 본 발명의 실시예에 의한 기가비트 이더넷 스위치에서 구현되는 공정 큐잉의 동작을 보여주는 도면이다.21 is a diagram illustrating operation of process queuing implemented in a gigabit Ethernet switch according to an embodiment of the present invention.

공정(Fair) 큐잉은 우선권(Priority) 큐잉처럼 여러 개의 FIFO 큐를 사용하는 방식으로 각각의 큐는 하나 혹은 그 이상의 트래픽 클래스와 매핑이 된다. 우선권(Priority) 큐잉에서는 높은 우선순위 큐가 패킷을 가지고 있는 한 낮은 우선순위 큐에 대해 절대적인 서비스 우선순위를 갖기 때문에 낮은 우선순위 큐가 스타베이션 현상을 경험하게 되지만, 공정(Fair) 큐잉에서는 모든 큐가 동일한 우선순위를 갖기 때문에 스타베이션 현상은 발생하지 않게 된다. 그러나, 이 방식은 트래픽의 특성을 고려치 않고 서비스 차원에서의 공정성만을 감안하고 있기 때문에, 스케줄링 차원에서 차등화된 서비스를 제공하는 것은 불가능하게 된다.Fair queuing uses multiple FIFO queues, such as priority queuing, so that each queue is mapped to one or more traffic classes. In priority queuing, low priority queues experience starvation because high priority queues have absolute service priority for low priority queues as long as they have packets, but in fair queuing all queues Because of the same priority, no stabilization occurs. However, since this scheme considers only fairness at the service level without considering the characteristics of traffic, it is impossible to provide a differentiated service at the scheduling level.

도 22a, 22b, 22c, 22d는 본 발명의 실시예에 의한 기가비트 이더넷 스위치에서 구현되는 W 공정(Fair) 큐잉의 동작을 보여주는 도면이다.22A, 22B, 22C, and 22D illustrate operations of W fair queuing implemented in a gigabit Ethernet switch according to an embodiment of the present invention.

WFQ(Weight Fair Queueing)은 Priority 큐잉 방식에서의 스타베이션 현상을 해결함과 동시에 공정(Fair) 큐잉 방식에서 차등화된 서비스를 제공하지 못하는 현상을 해소하기 위해 개발된 것이다. 이를 위해 각 큐는 웨이트(weight)를 할당 받게 되며, 할당 받은 웨이트(weight)에 비례하도록 스케줄링이 이루어진다. 도 22a, 22b, 22c, 22d는 세 종류의 큐에 WFQ을 적용하는 예를 보여주고 있다. 고위 순위(High Priority) 큐에 50%, 중간 순위(Medium) 및 하위 순위(Low Priority) 큐에 각각 25%의 웨이트를 할당한 경우를 살펴본다. 도 22b와 도 22c에서는 모든 큐에 패킷이 존재하므로 웨이트 값에 비례하여 50:25:25의 비율로 서비스가 되는 것을 알 수 있다. 그러나, 도 22d에서는 고위 순위(High Priority) 큐에 패킷이 존재하지 않으므로 고위 순위(High Priority) 큐에 할당된 웨이트가 나머지 큐에 균등하게 혹은 각 큐에 할당된 웨이트 값에 비례하도록 할당되어 0:50:50의 비율로 서비스가 되는 것을 보여주고 있다. WFQ은 Priority 큐잉에서 발생하는 스타베이션 현상을 해결하려는 목적을 가지고 있기 때문에, 단순히 웨이트 값만을 할당하기 보다는 반드시 보장되어야 하는 대역폭을 설정해 줄 수도 있다. Weight Fair Queuing (WFQ) was developed to solve the phenomenon of stabilization in priority queuing and at the same time, to solve the phenomenon of failing to provide differentiated services in fair queuing. To this end, each queue is assigned a weight, and scheduling is performed to be proportional to the assigned weight. 22A, 22B, 22C, and 22D show examples of applying WFQ to three types of queues. The case of assigning a weight of 50% to the High Priority queue, 25% to the Medium and Low Priority queues, respectively. 22B and 22C, since packets exist in all queues, it can be seen that the service is performed at a ratio of 50:25:25 in proportion to the weight value. However, in FIG. 22D, since no packet exists in the high priority queue, the weight assigned to the high priority queue is allocated equally to the remaining queues or proportional to the weight value assigned to each queue. It shows the service at 50:50 ratio. Because WFQ aims to solve the stabilization that occurs in Priority queuing, it can set bandwidth that must be guaranteed rather than simply assigning weight values.

고위 순위(High Priority) 큐에 대해서는 전체 대역폭의 25%를, 중간 순위(Medium) 큐에 대해서는 전체 대역폭의 15%를 반드시 보장해 줄 필요가 있는 경 우를 살펴보면 다음과 같다. 이런 경우는 상기의 대역폭을 각 큐에 우선적으로 할당해 주고, 나머지 60%에 해당하는 대역폭을 웨이트 값에 따라 각 큐에 할당해주게 된다. 웨이트가 각각 50:25:25의 비율로 할당이 되었다면, High 큐는 나머지 대역폭의 50%에 해당하는 30만큼을, 중간 순위(Medium) 큐와 하위 순위(Low Priority) 큐는 나머지 대역폭의 25%에 해당하는 15만큼을 할당받게 된다. 결국, 고위 순위(High Priority) 큐는 반드시 보장되는 25%와 웨이트에 따라 할당받은 30% 만큼, 즉 전체 대역폭의 55%만큼 서비스를 받게 된다. 중간 순위(Medium) 큐는 15%를 보장받았고 웨이트에 의해 15%를 할당 받았으므로 전체 대역폭의 30%를 서비스 받게 된다. 하위 순위(Low) 큐는 웨이트에 의해 할당받은 15%만을 서비스 받게 된다. 즉, 네트웍 자원을 최대로 활용하는 방향으로 WFQ의 웨이트 값들이 적용된다.If it is necessary to guarantee 25% of the total bandwidth for the high priority queue and 15% of the total bandwidth for the medium priority queue, the following is the case. In this case, the above bandwidth is allocated to each queue first, and the remaining 60% of the bandwidth is allocated to each queue according to the weight value. If the weights are allocated at a ratio of 50:25:25, respectively, the High queue is 30, which is 50% of the remaining bandwidth, and the Medium and Low Priority queues are 25% of the remaining bandwidth. You will be assigned 15 for. As a result, the High Priority queue will be served by 25% guaranteed and 30% allocated according to the weight, that is, 55% of the total bandwidth. Medium queues are guaranteed 15% and allocated 15% by weight, so they receive 30% of the total bandwidth. Low queues are serviced only by 15% allocated by weight. That is, the weight values of the WFQ are applied to maximize the network resources.

본 발명의 일 실시예에 의해 구현되는 패킷 스위칭 플랫폼(packet switching platform)으로서의 기가비트 이더넷 스위치는 光망에서 TPS가 가능하며 CMTS의 관리 기능을 탑재하여 100Mbps급의 케이블 모뎀 네트워크에서 서비스를 제공하는 플랫폼으로 활용할 수 있다. 이를 위하여 앞서 살펴본 여러가지 QoS기능과 같이 음성과 데이터 트래픽을 분류하여 마킹과 큐잉, 스케쥴링 기법을 사용하여 궁극적으로 TPS 네트워크 솔루션을 제공하고자 한다.A gigabit Ethernet switch as a packet switching platform implemented by an embodiment of the present invention is a platform capable of providing TPS in an optical network and providing a service in a 100 Mbps cable modem network with a management function of CMTS. It can be utilized. To this end, we will classify voice and data traffic like the QoS features described above, and finally provide a TPS network solution using marking, queuing, and scheduling techniques.

한편 케이블 모뎀을 관리하는 기능을 제공하기 위해, 케이블 모뎀에 대한 설정 다운로드(configuration download)기능으로 DHCP 벤더 옵션(vendor option) 및 부트 파일(boot file)을 저장할 수 있다. 또한 자체 자체의 DHCP 서버 를 이용하여 모뎀의 IP 주소(address)를 자동 할당하고 ARP 테이블을 관리하는 기능을 제공할 수 있다.In order to provide a function of managing a cable modem, a DHCP vendor option and a boot file may be stored as a configuration download function for the cable modem. You can also use your own DHCP server to automatically assign the modem's IP address and manage the ARP table.

본 발명의 일 실시예에 의해 구현되는 기가비트 이더넷 스위치는 광(光)망에서 TPS (Triple Play service)가 가능한 패킷 스위칭(packet switching) 장비로, 음성 프로토콜(SIP, H.323)을 스누핑(snooping)하여 동적인 QoS 룰 테이블(Dynamic QoS Rule table)을 생성할 수 있도록 한다. .The Gigabit Ethernet switch implemented by an embodiment of the present invention is a packet switching equipment capable of triple play service (TPS) in an optical network, and snooping voice protocols (SIP, H.323). This allows you to create a dynamic QoS Rule table. .

또한, 현재의 CMTS의 DHCP relay등의 관리 기능을 제공하여 서비스 생성 플랫폼으로 동작할 수 있도록 한다. In addition, it provides management functions such as DHCP relay of the current CMTS to operate as a service generation platform.

주요 구성 요소는 도 2에서 살펴본 바와 같이 QoS 모델에 따른 분류기(Classifier), 마커(Marker), 폴리서(Policer), 버퍼 매니저(Buffer manager), 큐 스케쥴러(Queue scheduler)가 있으며, 이들에 대해서는 앞서 상세하게 살펴보았다. 특히 TPS를 통해 트래픽별로 차별화된 서비스 모델을 검증할 수 있다. As shown in FIG. 2, the main components include a classifier, a marker, a polymer, a buffer manager, and a queue scheduler according to the QoS model. We looked in detail. In particular, TPS can verify differentiated service models by traffic.

본 발명의 일 실시예에 의해 구현되는 기가비트 이더넷 스위치는 네트워크 기능으로 다양한 기능을 제공한다. 각 포트에서 라인 속도(line speed)의 트래픽을 L2 브릿징(bridging)을 통해서 동시에 처리하도록 스위칭 커패시티(Switching capacity)를 제공한다. 트랜스패런트 랜(Transparent LAN)은 8K이상의 MAC 주소 테이블(address table)을 제공한다.The gigabit Ethernet switch implemented by one embodiment of the present invention provides various functions as a network function. Switching capacity is provided to simultaneously handle line speed traffic at each port through L2 bridging. Transparent LAN provides more than 8K MAC address table.

2K이상의 ARP 테이블과 8K이상의 라우팅 테이블(routing table)을 사용하여 정적 라우팅(Static Routing)을 제공할 수 있다. 또한 1개 이상의 디폴트 게이트웨 이(Default gateway)를 지원할 수 있다.Static routing can be provided using more than 2K ARP tables and more than 8K routing tables. It can also support one or more default gateways.

한편 IEEE 802.1q VLAN을 통해 24개 이상의 포트 기반 VLAN(Port based VLAN)과 4K개 이상의 태깅된(Tagged) VLAN (TID=1~4094)이 동시에 액티브하도록 구현할 수 있다. 그리고 IEEE 802.1w RSTP는 단일 포트 루프 디텍션(loop detection) 기능을 제공한다. 그리고 IGMP snoop을 통해 IP-TV를 위한 멀티캐스팅 제어 기능. 재핑 타임(Zapping time)을 줄이기 위한 패스트리브(fast-leave) 기능을 구현할 수 있다.Meanwhile, over IEEE 802.1q VLAN, more than 24 port based VLANs and more than 4K tagged VLANs (TID = 1 to 4094) can be implemented simultaneously. IEEE 802.1w RSTP provides single port loop detection. And multicasting control for IP-TV via IGMP snoop. A fast-leave function can be implemented to reduce the zapping time.

DHCP 서버는 Bootp 기능을 제공하며 DHCP 릴레이는 MAC 주소별로 IP 풀(pool)을 선택적으로 릴레이시킬 수 있다. 또한 브로드캐스트 패킷의 유입량을 조절하며(Broadcast Storm control), 가입자의 불법적인 VOD 서버를 방지하도록 멀티캐스팅 필터링(Multicast Filtering)을 제공한다. 그리고 MAC 카운트 리밋을 설정하여 인터넷 동시 접속 수 제한 기능을 제공한다. COS 마킹을 통해 Port별, VLAN별 COS 마킹 레벨(marking level)을 조절할 수 있으며, COS-DSCP 리마킹(remarking)을 통해 COS와 DSCP(또는 TOS)간에 상호 리마킹이 가능하도록 한다.DHCP server provides bootp function and DHCP relay can selectively relay IP pool by MAC address. It also controls the inflow of broadcast packets (Broadcast Storm control), and provides multicast filtering to prevent illegal VOD servers of subscribers. The MAC count limit is set to limit the number of simultaneous Internet connections. COS marking level can be controlled by COS marking and VLAN, and COS-DSCP remarking enables mutual remarking between COS and DSCP (or TOS).

한편 웜 바이러스(worm virus)의 유입을 차단할 수 있도록 바이러스 방지 대책을 세우고, 음성(voice)/영상(video)/데이터(data)에 대한 차별화된 스케쥴링을 통해 TPS(Triple play service)를 제공할 수 있다.Meanwhile, anti-virus measures can be taken to block the influx of worm viruses and differentiated scheduling of voice, video, and data can be provided to provide TPS (Triple Play Service). have.

또한 관리 기능을 제공하기 위해, CLI(Command Line Interpreter) 기능을 지원하며 Telnet에 의한 원격 접속을 제공할 수 있다. 또한, 외부 관리(Outbound management)를 위해 RS-232C 컨솔을 지원하도록 컨솔 포트를 제공한다. 또한 장비의 설정 내용의 저장이 가능하고 전원이 꺼졌다가 켰을 때 설정 내용이 복원된다. 또한, 시스템에 발생한 사건을 기록할 수 있도록 8단계 로그 레벨의 시스템 로그를 제공한다. 부가적으로 CLI 접속시에 보안을 위해서 로그인 패스워드 기능과 원격 소프트웨어 업그레이드 기능을 제공할 수 있다.It also supports CLI (Command Line Interpreter) function to provide management function and can provide remote access by Telnet. It also provides a console port to support the RS-232C console for outbound management. In addition, the device's settings can be saved and restored when the power is turned off and on. In addition, it provides an 8-level log level system log to record the events that occurred in the system. In addition, it can provide login password function and remote software upgrade function for security when CLI access.

본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용에 대해 제시하였다. 이는 본 발명을 HFC망의 TPS를 제공하기 위한 기가비트 이더넷 스위치와 관련한 다양한 예시 및 구현예를 포함하고 있으나, 이로 인해 본 발명의 권리범위가 한정되어 해석되지 않는다. 본 발명의 권리범위는 특허청구범위에 의해서만 판단된다.The specific contents for the practice of the present invention have been presented. This includes the various examples and implementations related to the Gigabit Ethernet switch for providing the TPS of the HFC network, but the scope of the present invention is not limited to this because of this. The scope of the invention is determined only by the claims.

본 발명은 HFC망(Hybrid Fiber Cable network)에서 IPTV 서비스 및 VoIP 서비스를 제공할 수 있다. 보다 자세히 살펴보면, 음성, 영상, 데이터의 TPS (Triple Play Service)를 가능하게 하는 기가비트 이더넷 스위치(Gigabit Ethernet Switch)를 제공하여, 현재 光망에서 DOCSIS1.0/2.0을 기준으로 적용되고 있는 CMTS(Cable Modem Termination System)의 패킷 스위칭(Packet switching)기술에 TPS를 위해 필요한 QoS 기능을 탑재하여 안정화된 패킷망 솔루션을 제공할 수 있다.The present invention can provide an IPTV service and a VoIP service in a hybrid fiber cable network (HFC). Looking more closely, it provides Gigabit Ethernet Switch, which enables triple play service (TPS) of voice, video, and data, and CMTS (Cable) which is currently applied based on DOCSIS 1.0 / 2.0 in optical networks. Modem Termination System's packet switching technology can provide a stabilized packet network solution with the QoS function required for TPS.

도 1은 본 발명의 이더넷 스위치가 동작하는 HFC망의 서비스 개요를 보여주는 도면이다. 1 is a view showing a service overview of the HFC network in which the Ethernet switch of the present invention operates.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 기가비트 이더넷 스위치의 구성을 보여주는 도면이다. 2 is a diagram illustrating a configuration of a gigabit Ethernet switch according to an embodiment of the present invention.

도 3은 본 발명의 실시예에 의해 구현되는 기가비트 이더넷 스위치의 QoS 모델의 구성을 보여주는 도면이다.3 is a diagram illustrating a configuration of a QoS model of a gigabit Ethernet switch implemented by an embodiment of the present invention.

도 4는 본 발명의 본 발명의 실시예에 의해 구현되는 기가비트 이더넷 스위치에서 구현되는 엣지 노드에서의 QoS의 구조를 보여주는 도면이다.FIG. 4 is a diagram illustrating the structure of QoS in an edge node implemented in a gigabit Ethernet switch implemented by an embodiment of the present invention.

도 5는 본 발명의 실시예에 의해 구현되는 기가비트 이더넷 스위치 에서 구현되는 코어 노드에서의 QoS의 구조를 보여주는 도면이다.5 is a diagram illustrating the structure of QoS in a core node implemented in a gigabit Ethernet switch implemented by an embodiment of the present invention.

도 6은 본 발명의 본 발명의 실시예에 의해 구현되는 기가비트 이더넷 스위치에서 송수신하는 L2 프레임 구조를 보여주는 도면이다. FIG. 6 is a diagram illustrating an L2 frame structure transmitted and received by a gigabit Ethernet switch implemented by an embodiment of the present invention.

도 7은 본 발명의 본 발명의 실시예에 의해 구현되는 기가비트 이더넷 스위치에서 송수신하는 L3 프레임 구조를 보여주는 도면이다. FIG. 7 is a diagram illustrating an L3 frame structure transmitted and received by a Gigabit Ethernet switch implemented by an embodiment of the present invention.

도 8은 본 발명의 본 발명의 실시예에 의해 구현되는 기가비트 이더넷 스위치에서 송수신하는 IP 패킷 헤더의 ToS 필드의 구조와 DiffServ의 DS 필드를 보여주는 도면이다. FIG. 8 is a diagram showing the structure of a ToS field of an IP packet header transmitted and received in a Gigabit Ethernet switch and a DS field of DiffServ according to an embodiment of the present invention.

도 9는 본 발명의 본 발명의 실시예에 의해 구현되는 기가비트 이더넷 스위치에서 구현되는 트래픽 컨디셔너의 구성을 보여주는 도면이다.9 is a diagram showing the configuration of a traffic conditioner implemented in a gigabit Ethernet switch implemented by an embodiment of the present invention.

도 10은 본 발명의 본 발명의 실시예에 의해 구현되는 기가비트 이더넷 스위치에서 구현되는 sr-TCM의 동작 방식을 보여주는 도면이다.FIG. 10 is a diagram illustrating an operation method of sr-TCM implemented in a gigabit Ethernet switch implemented by an embodiment of the present invention.

도 11은 본 발명의 본 발명의 실시예에 의해 구현되는 기가비트 이더넷 스위치에서 구현되는 레이트 리밋 동작을 보여주는 도면이다.FIG. 11 illustrates a rate limit operation implemented in a gigabit Ethernet switch implemented by an embodiment of the present invention.

도 12은 본 발명의 실시예에 의한 기가비트 이더넷 스위치에서 구현되는 쉐이핑 동작을 보여주는 도면이다.12 is a diagram illustrating a shaping operation implemented in a gigabit Ethernet switch according to an exemplary embodiment of the present invention.

도 13은 본 발명의 일 실시예에 의한 기가비트 이더넷 스위치에서 구현하는 TCP의 동작을 보여주고 있다. Figure 13 shows the operation of TCP implemented in a gigabit Ethernet switch according to an embodiment of the present invention.

도 14는 본 발명의 일 실시예에 의한 기가비트 이더넷 스위치에서 구현하는 여러 개의 TCP 플로우가 하나의 버퍼를 사용하는 시나리오를 보여주는 도면이다.14 is a diagram illustrating a scenario in which multiple TCP flows implemented in a gigabit Ethernet switch using one buffer according to an embodiment of the present invention.

도 15는 본 발명의 일 실시예에 의한 기가비트 이더넷 스위치에서 구현하는 RED를 적용하여 혼잡을 제어하는 과정을 보여주는 도면이다. FIG. 15 is a view illustrating a process of controlling congestion by applying RED implemented in a gigabit Ethernet switch according to an embodiment of the present invention.

도 16은 도 15에서 사용된 RED 패킷 드롭 확률 함수의 일례를 보여주고 있다. FIG. 16 shows an example of the RED packet drop probability function used in FIG. 15.

도 17은 본 발명의 실시예에 의한 기가비트 이더넷 스위치에서 구현되는 WRED 패킷 드랍 확률 함수의 일례를 보여주고 있다. 17 shows an example of a WRED packet drop probability function implemented in a gigabit Ethernet switch according to an embodiment of the present invention.

도 18은 본 발명의 실시예에 의한 기가비트 이더넷 스위치에서 구현되는 단일 큐를 사용하는 하나의 클래스에 WRED를 적용하는 예를 보여주고 있다. 18 shows an example of applying WRED to one class using a single queue implemented in a gigabit Ethernet switch according to an embodiment of the present invention.

도 19는 본 발명의 실시예에 의한 기가비트 이더넷 스위치에서 구현되는 큐잉의 동작을 보여주는 도면이다.19 is a diagram illustrating the operation of queuing implemented in a gigabit Ethernet switch according to an embodiment of the present invention.

도 20은 본 발명의 실시예에 의한 기가비트 이더넷 스위치에서 구현되는 우선권 큐잉의 동작을 보여주는 도면이다. 20 is a diagram illustrating operation of priority queuing implemented in a gigabit Ethernet switch according to an embodiment of the present invention.

도 21은 본 발명의 실시예에 의한 기가비트 이더넷 스위치에서 구현되는 공정 큐잉의 동작을 보여주는 도면이다.21 is a diagram illustrating operation of process queuing implemented in a gigabit Ethernet switch according to an embodiment of the present invention.

도 22a, 22b, 22c, 22d는 본 발명의 실시예에 의한 기가비트 이더넷 스위치에서 구현되는 W 공정(Fair) 큐잉의 동작을 보여주는 도면이다.22A, 22B, 22C, and 22D illustrate operations of W fair queuing implemented in a gigabit Ethernet switch according to an embodiment of the present invention.

Claims (8)

기가비트 이더넷에 접속하여 패킷을 송수신하는 네트워크 송수신부;A network transceiver for transmitting and receiving a packet by accessing Gigabit Ethernet; 상기 네트워크 송수신부를 통해 수신하는 패킷에서 음성 패킷, 영상 패킷 및 데이터 패킷을 구별하여 해당 패킷에 적합한 QoS를 제공하는 QoS 로직부; 및A QoS logic unit for distinguishing a voice packet, an image packet, and a data packet from the packet received through the network transceiver to provide a QoS suitable for the packet; And 상기 QoS 로직부에서 처리되는 데이터 또는 패킷을 임시로 저장하는 메모리부를 포함하며; A memory unit for temporarily storing data or packets processed by the QoS logic unit; 상기 QoS 로직부는The QoS logic unit 상기 패킷과 관련하여 OSI 7 계층 중 2 계층(L2) 내지 4 계층(L4)의 정보를 이용하여 상기 패킷을 분류하는 패킷 분류부; A packet classifier configured to classify the packet by using information of two layers (L2) to four layers (L4) among OSI 7 layers; 상기 분류된 패킷의 헤더에 미리 약속된 데이터 태그로 마킹하는 패킷 마커부;A packet marker unit marking a header of the classified packet with a data tag previously promised; 상기 패킷이 수신되는 양을 측정하여 미리 설정된 대역폭 이상으로 내보내지 않도록 트래픽의 속도를 제어하는 폴리서; 및A polymerizer for controlling the speed of the traffic so as to measure an amount of the packet received so that the packet is not sent out over a preset bandwidth; And 혼잡 발생시 마킹된 패킷을 소정의 규칙에 따라 상기 메모리부에 임시로 저장하는 큐스케쥴러를 포함하고,A queue scheduler that temporarily stores the marked packets when the congestion occurs, according to a predetermined rule, 상기 QoS 로직부는The QoS logic unit 미리 설정된 속도 이상으로 들어오는 트래픽을 모두 버리는 레잇 리미팅 또는 미리 설정된 속도 이상으로 들어오는 트래픽을 임시 저장한 후 송신하는 쉐이핑 기능을 제공하고, 상기 패킷을 송신하는 제 1 단말의 송신 속도를 제어하는 흐름 제어(flow control) 기능을 제공하며, 소정 임계치 보다 많은 패킷이 유입되는 경우 랜덤한 방식으로 패킷을 버려서 혼잡 제어(congestion control) 기능을 제공하는, HFC망 IPTV서비스를 위한 IGMP 기능을 제공하는 옵티컬 기가비트 이더넷 스위치.Provides a rate limiting for discarding all incoming traffic over a preset rate or a shaping function for temporarily storing and transmitting the incoming traffic over a preset rate, and a flow control for controlling the transmission rate of the first terminal transmitting the packet ( Optical Gigabit Ethernet Switch provides IGMP function for HFC network IPTV service that provides flow control function and provides congestion control by dropping packets in a random way when more packets are introduced . 제 1항에 있어서The method of claim 1 상기 QoS 로직부는 수신된 패킷을 음성 패킷과 데이터 패킷으로 분류하여 각 각의 패킷을 별도로 트래픽 관리하는 것을 특징으로 하는, HFC망 IPTV서비스를 위한 IGMP 기능을 제공하는 옵티컬 기가비트 이더넷 스위치.And the QoS logic unit classifies the received packet into a voice packet and a data packet to manage traffic of each packet separately, and provides an IGMP function for an HFC network IPTV service. 제 1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 패킷 분류부는 패킷을 분류하는 기준으로 패킷이 입력된 장비의 식별 정보 또는 패킷을 송수신하는 장치의 MAC 또는 IP 주소 정보를 사용하는 것을 특징으로 하는 HFC망 IPTV서비스를 위한 IGMP 기능을 제공하는 옵티컬 기가비트 이더넷 스위치.The packet classifier uses optical identification information of a device to which a packet is input or MAC or IP address information of a device that transmits and receives a packet as a criterion for classifying a packet. Ethernet switch. 제 1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 패킷 분류부는 패킷을 분류하는 기준으로 패킷을 송수신하는 프로토콜에서 정의한 패킷 헤더의 필드 값을 사용하는 것을 특징으로 하는, HFC망 IPTV서비스를 위한 IGMP 기능을 제공하는 옵티컬 기가비트 이더넷 스위치.The packet classification unit uses a field value of a packet header defined in a protocol for transmitting and receiving a packet as a criterion for classifying a packet. An optical gigabit Ethernet switch providing an IGMP function for an IPTV service of an HFC network. 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제 1항에 있어서, The method of claim 1, QoS 로직부는 상기 음성 패킷을 최고 우선순위의 패킷으로, 상기 영상 패킷을 중간 우선 순위의 패킷으로, 그리고 상기 데이터 패킷을 하위 순위의 패킷으로 설정하여 각각의 순위에 따라 달리 큐잉하는 것을 특징으로 하는, HFC망 IPTV서비스를 위한 IGMP 기능을 제공하는 옵티컬 기가비트 이더넷 스위치.The QoS logic unit queues the voice packet differently according to each rank by setting the voice packet as the highest priority packet, the video packet as the middle priority packet, and the data packet as the lower priority packet. Optical Gigabit Ethernet Switch that provides IGMP functionality for HFC network IPTV services.
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