KR100560970B1 - 가변 비트 레이트 서비스를 위한 적응적 스케쥴링 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가변 비트 레이트(variable bit rate:VBR) 서비스를 위한 적응적 스케쥴링 방법에 관한 것이다. 본발명은 데이터를 송신하는 비동기 전송모드 (Asynchronous Transfer Mode:ATM) 망에 있어서, 데이터가 패킷 메모리(packet memory)에 임시 저장되어 머물 수 있는 시간의 최대 인덱스 값을 구하는 단계, 데이터가 패킷 메모리에 임시 저장되어 넘치지 않을 수 있는 용량의 최대 인덱스 값을 구하는 단계, 데이터가 패킷 메모리에서 고갈되지 않고 전송될 수 있는 용량의 인덱스 값을 구하는 단계, 패킷 메모리에 저장되어 있는 데이터에 대한 최적 전송률을 구하는 단계, 패킷 메모리에서 데이터가 넘치지 않기 위한 최소 전송률과 또한 데이터가 고갈되지 않기 위한 최대 전송률을 비교하는 단계, 및 상기 비교 결과에 따라 향후 발생할 시간 구간 동안에 일정한 전송률을 구하는 단계를 포함한다.

VBR, 적응적 스케쥴링, 트래픽, 셀 슬롯

Description

가변 비트 레이트 서비스를 위한 적응적 스케쥴링 방법{Adaptive Scheduling Method for variable bit rate Service}

도 1은 적응적 스케쥴링을 실행한 셀 슬롯 할당에 대한 도면이고,

도 2는 패킷 메모리에 저장된 특정 접속의 셀에 대한 전송 대기 구조를 나타낸 도면이다.

비동기 전송모드 (Asynchronous Transfer Mode) 망에 있어서 단말 장치 (Terminal Equipment: TE) 또는 단말 장치 어댑터 (Terminal Adapter: TA) 등을 설계하고자 할 때 고려하여야 할 점은, 송신자가 트래픽을 발생시킬 경우, 수신자가 요구하는 품질을 만족시킬 수 있는 수준의 트래픽을 발생시켜야 한다는 점과, 전송 망의 기능을 최대한 활용할 수 있도록 해야 한다는 점이다. 비동기 전송모드 망에서 가변 비트 레이트(Variable Bit Rate: VBR) 트래픽은 피크 셀 레이트(Peak Cell Rate: PCR), 맥시멈 버스트 사이즈(Maximum Burst Size: MBS), 및 서스테인 가능한 셀 레이트(Sustainable Cell Rate: SCR) 등으로 정의되는 트래픽 파라미터 기술자 (Traffic Descriptor)를 사용하며, 단말 장치(TE) 또는 단말 장치 어댑터(TA)는 망 관리자와 트래픽 사용에 관하여 정보를 주고 받는다. 따라서, 사전에 정의되어 있는 트래픽의 용량 한도 내에서 망 자원을 효과적으로 이용할 수 있도록 트래픽 전송 방법을 개발해야 한다.

실제적으로 단말 장치 어댑터를 설계하는 경우, 사용되는 버퍼(패킷 메모리)의 크기와 버퍼 내에서 데이터가 머무르는 체류 시간은 유한하다. 또한, 단말 장치 어댑터를 통하여 접속이 허용되는 가변 비트 레이트는, 트래픽 크기가 균일하지 않고 순간적으로 증감 폭이 심해지는 특성 즉, 매우 버스트한 특성을 나타내므로, 스케쥴링(scheduling) 방법을 효과적으로 적용해야 한다.

버스트한 특성을 측정하기 위한 버스티니스(burstiness)는 burstiness = peak_rate / mean_rate로 정의한다. 즉, 평균률에 대한 첨두율의 비로서 정의되며 이것을 사용하여 발생 트래픽에 대한 버스트 정도를 측정한다. 일반적으로 이 값이 커질수록 망 내부에서 트래픽을 제어하기가 어려워지며, 이에 따라 망 내에서의 자원(resource) 할당을 증가시켜야 한다.

한편, 스케쥴링은, 단일 비동기 전송모드(ATM) 셀이 전송되어야 하는 구간에 여러 종류의 데이터가 동시에 전송되거나 또는 단일 서비스의 데이터가 특정 시간의 간격 동안에 임의의 시간 간격을 두고 집중적인 전송이 이루어지는 것을 막고, 사전에 협상된 트래픽 파라미터를 준수하도록 데이터의 흐름을 제어하는 것을 말한다. 즉, 셀 단위의 전송 시간에 대한 전송 일정을 정하는 것을 스케쥴링이라 한다.

종래의 스케쥴링 방법들은 송수신하는 트래픽 양을 시간에 따라 평균화시켜 전송하지 못하는 문제점을 가지고 있는데, 종래 기술로는 크게 다음의 두가지를 들 수 있다.

첫째, 사용 파라미터 제어 (Usage Parameter Control: UPC)에서 맥시멈 버스트 사이즈(MBS)가 허용하는 수치 내에서 피크 셀 레이트(PCR)로 셀들을 스케쥴링하고 맥시멈 버스트 사이즈를 초과할 경우에는 서스테인 가능한 셀 레이트(SCR)로 스케쥴링하는 방법이다. 이 방법은 개개의 트래픽에 대해 맥시멈 버스트 사이즈 범위 내에서 인위적인 트래픽 정형화(traffic shaping)를 하지 않고서 내보내기 때문에 버스트한 특성을 망에 그대로 유입시키는 결과를 초래하게 되고, 맥시멈 버스트 사이즈를 초과하는 범위일 경우에는 서스테인 가능한 셀 레이트(SCR)로 셀률을 조절하기 때문에 원하지 않는 데이터의 지연 현상 또는 지연의 변이가 야기될 수 있다.

둘째, 두번째 방법은 상기 첫번째 방법을 어느 정도 극복하기 위하여 패킷 메모리에 셀들을 버퍼링을 하고 버퍼 내에 있는 패킷들의 평균 트래픽 크기를 망에 유입시키도록 스케쥴링 하는 방법이다. 이 방법을 사용할 경우 지연이 균일하지 못하게 되는 문제점이 있다.

본 발명은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 망의 이용률과 스케쥴링의 효율화를 향상시키는데 있다.

상기한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 가변 비트 레이트 서비스를 위한 적응적 스케쥴링 방법은,

데이터를 송신하는 비동기 전송모드(Asynchronous Transfer Mode:ATM) 망에 있어서,

데이터가 패킷 메모리(packet memory)에 임시 저장되어 머물 수 있는 시간의 최대 인덱스 값을 구하는 단계;

데이터가 패킷 메모리에 임시 저장되어 넘치지 않을 수 있는 용량의 최대 인덱스 값을 구하는 단계;

데이터가 패킷 메모리에서 고갈되지 않고 전송될 수 있는 용량의 인덱스 값을 구하는 단계;

패킷 메모리에 저장되어 있는 데이터에 대한 최적 전송률을 구하는 단계;

패킷 메모리에서 데이터가 넘치지 않기 위한 최소 전송률과 또한 데이터가 고갈되지 않기 위한 최대 전송률을 비교하는 단계; 및

상기 비교 결과에 따라 향후 발생할 시간 구간 동안에 일정한 전송률을 구하는 단계를 포함한다.

상기 송수신되는 데이터의 크기는 전송 지연값에 따라 결정되는 것이 바람직하다.

상기 향후 발생할 시간 구간 동안의 데이터는 패킷 메모리의 유한한 용량에 영향을 주지 않는 것이 바람직하다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다. 그러나 하기한 실시예는 본 발명의 한 실시예일 뿐 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.

비동기 전송모드 망(ATM network)에서 데이터를 전송하는 경우 53 바이트의 ATM 셀을 전송 단위로 사용한다. 따라서, 채널의 최대 전송 속도를 53 바이트로 나 누면 ATM 셀의 단위 시간 당 전송 갯수가 계산된다. 이 때, 한 개의 ATM 셀이 차지하는 시간 구간을 셀 슬롯(cell slot)이라 한다. 예를 들어, 155 Mbps의 SONET/SDH 채널의 경우, 53 바이트 / 155 Mbps = 2.735 usec에 따라 2.735usec가 단일 셀 슬롯이 차지하는 시간 구간이 된다. 평균률(mean rate)이 77.5 Mbps인 데이터를 발생시킬 경우에는 2.735 usec 단위로 발생하는 두 개의 셀 슬롯 중에서 하나의 셀 슬롯만을 사용하여 데이터를 전송한다.

도 1 은 적응적 스케쥴링을 실행한 셀 슬롯 할당에 대한 도면을 나타낸다.

데이터는 가변 비트 레이트(VBR)에 따라 발생한다. 따라서 가변적으로 발생하는 데이터의 양과 유효 버퍼의 크기 및 지연에 따라 적응적으로 데이터의 전송률을 결정해야 한다. 도 1 에 있는 원주를 임의의 시간 구간이라 둘 때, 이 기간 동안에 망에 접속된 링크의 셀 전송률에 해당하는 셀 슬롯이 발생한다. 도 1에서, 각각의 작은 원들은 라인 속도(line speed) 즉, 채널의 전송 속도에 의하여 결정되는 셀 레이트에 따라 발생하는 셀 슬롯의 시작점을 나타내며, 그 중, 흰 원은 할당되지 않은 셀 슬롯을, 그리고 회색 원은 할당된 셀 슬롯을 각각 나타낸다.

본 발명의 셀 슬롯 발생은 물리적 매질에 의존하지 않고 알고리즘에 의존하기 때문에 셀 발생 방식과는 무관하다. 따라서, 상기에서 언급하였듯이, 53 바이트/라인 속도가 개념적으로 보는 셀 슬롯의 발생 간격이 된다.

적응적 전송률의 상한값들과 하한값들을 구하여 그 상한값과 하한값 사이에 있는 최적의 값들을 찾는 과정을 통하여 특정 접속에 대한 적응적 셀 전송률을 구하고, 그 적응적 셀 전송률의 역수를 구하면 데이터 크기에 대한 시간 간격을 구할 수 있고, 상기 셀 전송률의 역수에 해당하는 간격의 접속에 대하여 셀 전송 권한을 할당할 수 있다. 본 발명에 있어서, 셀 전송률의 스케쥴 결정 방법, 최적화된 전송률의 결정 방법, 또는 셀의 전송 권한 할당 방법 등은 동일한 의미로 사용된다.

도 2 는 패킷 메모리에 저장된 특정 접속의 셀에 대한 전송 대기 구조를 나타낸다. 즉, 개개의 셀 슬롯 구간 동안에 발생하여 패킷 메모리에 저장되는 가변 비트 레이트(VBR) 접속에 대한 데이터의 대기 구조를 나타낸다. ΔT를 단위 셀 슬롯 기간에 해당하는 전송 링크의 역수에 대한 시간이라 하고, 그에 따르는 인덱스를 j라 하면, ((j-1)ΔT, jΔT) 기간에 해당하는 시간 동안에 발생하는 데이터의 크기를 s(j), 전송되는 데이터의 크기를 r(j)로 나타낼 수 있다. 또한, 접속 메모리에 저장되어 있는 최대 지연값을 D라 두고, 패킷 메모리의 크기를 B라 두면, 각 셀에 발생한 슬롯에 대한 인덱스 값은 다음과 같다.

이 때, s(j-J)는 전송되기 위하여 대기하고 있는 데이터의 크기를 나타내고, cs(j-J)는 s(j-J)의 데이터 중에서 ΔT 시간 동안 전송되고 남은 데이터의 크기를 각각 나타낸다. 상기 전송되는 데이터의 크기 r(j)는 전송 지연값 (D)에 따라 하한값의 전송률이 결정된다.

이 때, 1≤p≤J-1.

수학식 2는, 수학식 1의 결과값을 최대로 평활화하게 하는 조건에 따라 구한 패킷 메모리에 저장된 데이터의 전송률의 하한값들, 즉, 기설정된 변수 jΔT 시점에서 패킷 메모리에 저장된 p번째 위치한 데이터까지의 전송률에 대한 하한값을 나타낸다.

수학식 1과 2를 통하여 패킷 메모리에 임시 저장되어 있는 데이터에 대한 하한 전송률을 구할 수 있다.

일반적으로 버퍼의 용량은 유한하다. 데이터가 버퍼의 용량을 초과하여 유입되면 버퍼의 넘침 현상이 발생하여 데이터의 유실이 생기고 그로 인하여 서비스의 품질 저하가 초래될 수 있다. 따라서, 이와 같이 유한한 크기의 버퍼에서 넘침 현상이 발생하는 것을 방지하기 위하여, 수학식 3은 jΔT 시간 이후에 버퍼에 입력되는 데이터가 넘치지 않기 위한 값을 구하는 것을 나타낸다.

이 때, 1≤h.

이 때, PCR은 주어진 가변 비트 레이트(VBR) 접속에 대하여 협상된 값을 나타내고, B는 버퍼의 크기를 나타낸다.

상기 수학식 3과는 달리 버퍼 내의 데이터가 고갈된다면 이는 데이터가 버스트하게 망으로 유입된다는 것을 의미한다. 따라서, 버스트한 데이터의 유입은 망 자원의 이용이 비효율적으로 되고 또한 망 자원의 제어가 어려워지게 된다.

수학식 4를 통하여 패킷 메모리에서 jΔT 시간 이후에 도착할 데이터가 버퍼의 데이터 고갈 현상을 일으키지 않으면서 최대로 원활하게 전송될 수 있는 조건을 구할 수 있다.

이 때, 1≤h.

상기 수학식 1, 2, 3, 4는 셀 점유율을 최적화하기 위한 값들을 구하는 식들로써, 버퍼에 저장되는 데이터 양이 넘치지 않게 하는 것과 데이터가 버퍼에서 너무 오래 지연되지 않게 하는 인덱스 값을 구하기 위한 것이다. 수학식 1 은 초기값을, 수학식 2 는 지연될 수 있는 최대값, 즉, 이 값보다는 더 지연 시킬 수 없는 값을, 수학식 3 은 버퍼에서 데이터가 넘치기 직전의 값을, 그리고 수학식 4 는 다른 사용자가 데이터를 전송할 경우에 그의 전송 과정에 영향을 주기 않기 위한 최적화 값을 나타낸다. 즉, 상기 식들을 통해 버퍼 내의 데이터가 적절한 양으로 머무르게 하고 또한 적절한 시간 만큼만 버퍼에 머무르게 하는 근사화된 최적값 r(j)를 구할 수 있다.

즉, 이제까지는 데이터가 송수신되고 있는 현 시점에서 데이터가 최적의 조건으로 전송되기 위한 조건을 구한 것이다.

하기에는 최적의 전송률을 구하는 방법에 대하여 설명한다.

데이터를 망에 송출할 경우 다른 망의 데이터와 전송 충돌이 발생하지 않으 면서도 지속적으로 데이터를 송출하는 것이 중요하다. 즉, 데이터 전송률을 항상 일정하게 가지는 것이 필요하다.

이에, 근사화된 최적값 r(j)를 구하는 절차는 다음과 같다.

패킷 메모리에 버퍼링 되어 있는 데이터들에 대한 전송률의 하한값들 중의 최대값이 버퍼링된 데이터들의 공통값이 되고, 이들 데이터에 대한 최적화된 전송률이 된다.

첫째, 수학식 5 의 rr 값을 구한다. 이 rr을 통해 패킷 메모리에 버퍼링된 데이터 값에 대한 최적의 전송률을 구할 수 있다.

상기 수학식 5는 이미 발생하여 패킷 메모리에 저장된 데이터에 대한 전송률을 구하는 것인데, 한편 향후 발생할 데이터가 패킷 메모리 유한한 용량에 영향을 주어서는 안된다. 따라서, 향후 발생할 데이터에 대한 정보가 반영되어야 최적의 전송률이 구해진다. 버퍼 내에서 데이터가 넘치지 않기 위한 최소 전송률과, 버퍼 내에서 데이터가 고갈되지 않기 위한 최대 전송률이 가능한한 오랜 시간 동안 일정하게 유지될 수 있는 영역을 구해야 한다.

따라서, 둘째, 위에서 구한 rr 값을 이용하여 하기 수학식 6 에서 보는 바와 같은 두 개의 값을 비교한다.

셋째, 상기 수학식 6 을 만족하는 h의 최대값을 구하여 그 값을 H라 두고, 다음의 수학식 7 을 구한다.

이와 같이 구한 r(j)의 역수는, 가변 비트 레이트(VBR) 접속에 대한 다음 전송 셀 슬롯에 할당한다.

수학식 5에서 결정된 값은 버퍼링된 값들을 이용하여 얻은 최적 전송률인 반면, 수학식 6을 만족시키는 h 값에 따라 구한 수학식 7은 향후 발생할 시간 구간인 hΔT 동안에 동일한 전송률을 얻을 수 있는 구간이다. 따라서, 이 기간이 동일한 전송률이 얻어지는 최적의 전송률이 되는 것이다.

본 발명은 버퍼 내에 머물러 있는 데이터에 대하여 버퍼의 크기, 지연 시간, 및 PCR 값을 사용하여 최적의 셀 전송률을 구하고, 이에 따라 데이터가 버퍼 내에서 일정한 양으로 지속적으로 송출되어, 안정적인 데이터 전송이 가능하다.

Claims (3)

1. 데이터를 송신하는 비동기 전송모드(Asynchronous Transfer Mode:ATM) 망에 있어서,

   데이터가 패킷 메모리(packet memory)에 임시 저장되어 머물 수 있는 시간의 최대 인덱스 값을 구하는 단계;

   데이터가 패킷 메모리에 임시 저장되어 넘치지 않을 수 있는 용량의 최대 인덱스 값을 구하는 단계;

   데이터가 패킷 메모리에서 고갈되지 않고 전송될 수 있는 용량의 인덱스 값을 구하는 단계;

   패킷 메모리에 저장되어 있는 데이터에 대한 최적 전송률을 구하는 단계;

   패킷 메모리에서 데이터가 넘치지 않기 위한 최소 전송률과 또한 데이터가 고갈되지 않기 위한 최대 전송률을 비교하는 단계; 및

   상기 비교 결과에 따라 향후 발생할 시간 구간 동안에 일정한 전송률을 구하는 단계를 포함하는 가변 비트 레이트 서비스를 위한 적응적 스케쥴링 방법..
2. 제 1 항에서,

   상기 송수신되는 데이터의 크기는 전송 지연값에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 가변 비트 레이트 서비스를 위한 적응적 스케쥴링 방법.
3. 제 2 항에서,

   상기 향후 발생할 시간 구간 동안의 데이터는 패킷 메모리의 유한한 용량에 영향을 주지 않는 것을 특징으로 하는 가변 비트 레이트 서비스를 위한 적응적 스케쥴링 방법.

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