KR100580864B1

KR100580864B1 - 에이티엠망에서 실시간 트래픽의 셀지연편이와 공평성을보장하기 위한 스케줄링 방법

Info

Publication number: KR100580864B1
Application number: KR1020000001577A
Authority: KR
Inventors: 박지수; 김영일
Original assignee: 한국전자통신연구원
Priority date: 2000-01-13
Filing date: 2000-01-13
Publication date: 2006-05-17
Also published as: KR20010073311A

Abstract

ATM(Asynchronous Transfer Mode) 망은 각 가상연결(VC: Virtual Connection)에 대하여 요구되는 서비스 품질(QoS: Quality of Service)에 따라 실시간 및 비실시간성의 다양한 품질을 갖는 통신서비스들을 효율적으로 제공할 수 있어야 한다. 이를 위한 ATM 망에서의 교환기 시스템이나 다중송신장치의 버퍼관리는 시간과 버퍼공간의 두 차원에 대하여 셀 스케줄링과 셀 폐기방식으로 언급된다. 본 발명은 이와 같은 ATM 망에서의 실시간 트래픽 제어에 관한 것으로서, 상세하게는 가상연결별 출력버퍼를 갖는 ATM망에서 서비스 등급의 CBR(Constant Bit Rate)이나 rt-VBR(Real Time-Variable Bit Rate)등의 실시간 트래픽에 대해 개선된 셀지연편이(CDV: Cell Delay Variation)를 제공하고, 스케줄러에 의해 서비스된 셀에 대해 대역에 따라 공평성(Fairness)을 보장하여 시스템 자원을 효율적으로 사용하기 위한 새로운 스케줄링 방법에 관한 것이다. 본 발명은 ATM망에서의 교환기나 다중전송장치 내에서 가장 큰 대역폭으로 각각의 사용자 연결경로에 대한 대역폭을 정규화 한 임계 치를 기준으로 동적인 스케줄링을 수행함으로써 셀 지연 편이의 중심에 따라 각 가상연결의 형태인 가상연결별 셀지연편이를 향상시키고, 대역폭에 따른 각각의 가상연결별 서비스에 대한 셀 전송량의 공평성을 극대화 할 수 있다.

Description

에이티엠망에서 실시간 트래픽의 셀지연편이와 공평성을 보장하기 위한 스케줄링 방법 {A scheduling method for guarantee of CDV and fairness of real- time traffic in ATM networks}

도 1은 본 발명에 이용되는 시간차원 버퍼관리 스케줄링 블럭의 구조도,

도 2는 본 발명에 따른 셀지연편이를 시간에 따라 도식화한 분포도,

도 3은 본 발명의 스케줄링방법을 정리한 가상코드,

도 4는 도 1에서 ATM 교환기나 다중전송장치에서 사용되는 출력 버퍼형 스케줄링 블록에서 출력결과를 나타낸 도면,

도 5는 임의의 정규화된 셀지연편이 구간이 증가함에 따른 CDV의 누적분포에 대한 CDV 공평성 지수를 본 발명의 실시예 결과에 따라 나타낸 지수분포도,

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 결과에 대하여 시간이 경과함에 따라 서비스된 양에 대하여 공평을 구한 서비스 공평 지수분포도,

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 CDV의 분포를 FCFS와 비교하여 향상된 결과를 각 실시간 서비스의 대역에 따라 나타낸 도면.

본 발명은 ATM(Asynchonous Transfer Mode)망에서의 실시간 트래픽 제어에 관한 것으로서, 상세하게는 실시간 서비스에 대해 향상된 셀지연편이(CDV: Cell Delay Variation)를 제공하고, 이 때 스케줄되어 서비스된 셀에 대해 각 가상연결(VC: Virtual Connection)의 대역에 따라 공평성(Fairness)이 보장된 셀지연편이와 서비스를 제공하기 위한 ATM 교환기(Switch)나 다중전송장치(Multiplexer) 등에서 사용되는 스케줄링 방법에 관한 것이다.

ATM망은 각 가상연결에 대하여 요구되는 서비스 품질(QoS: Quality of Service)에 따라 실시간 및 비실시간성의 다양한 품질을 갖는 통신 서비스들을 효율적으로 제공할 수 있어야 한다.

ATM망에서 실시간 트래픽에 대해 적절히 관리하지 않을 경우 ATM의 사용자 요구조건을 만족시킬 수 없을 뿐만 아니라 ATM 서비스의 사용 가격도 급격히 증가할 우려가 있으므로 트래픽의 다양한 서비스 품질을 보장하고 자원을 효율적으로 사용하기 위하여 종래의 많은 스케줄링방식들이 연구 및 고안되었다.

스케줄링은 서비스순서를 결정하고 서비스요구에 맞는 큐를 관리하며, 가상연결(VC: Virtual Connection)에 따라 서로 다른 사용자에게 서로 다른 서비스 품질을 제공하기 위한 대역을 할당하고 지연시간, 손실 및 지연편차를 조절하는 것이 다. 또한 망 내에서 각 가상연결 및 클래스별로 얼마나 공평한가를 결정하는 것이다. 따라서, 스케줄링의 목적은 각 가상연결별 혹은 비슷한 트래픽을 그룹화한 클래스별 대역을 공유하고, 대역의 공평성을 유지하며 다중레벨이 존재한다면 손실과 지연에 대한 보장을 하고, 또한 지연편차를 줄이는 등 다양하다.

스케줄링방식은 FCFS(First-Come-First-Service), Round Robin, Priority Queueing, Priority Queueing with Windows, GPS(Generalized Processor Sharing), Virtual Clock, WFQ(Weighted Fair Queueing), QLWFQ(Queue Length based Weighted Fair Queueing), SCFQ(Self-Clocked Fair Queueing) 등등 다양하다.

선행연구된 종래의 스케줄링 방법은 비실시간 트래픽에 대한 연구가 주류를 이루었으며, 실시간 트래픽에 대한 스케줄링과 관련된 종래 기술로는 대한민국 특허 제0150077호[명칭 : "비동기 전송모드망에서 씨비알 트래픽의 셀지연변이 제한을 위한 다중화장치 및 다중화 방법"]가 있다. 이 특허는 ATM망에서 CBR(Constant Bit Rate) 트래픽 다중화될 때 셀지연변이를 그 연결의 주기로 한정시켜 셀지연변이를 줄이는 것을 특징으로 한다. 따라서 VBR(Variable Bit Rate)과 같은 비주기 트래픽에 대해서는 셀지연변이가 고려되지 않았고, 또한 각 연결별 트래픽의 공평성이 고려되지 않았다.

다른 관련기술로는 대한민국 특허출원 제1997-070577호[명칭 : "비동기전달모드 스위치에서 트래픽 스케줄링 방법"]이 있다. 이 특허출원의 발명은 다중 토큰을 갖는 라운드-로빈 방식을 근간으로 다양한 트래픽을 갖는 가변의 데이터 서비스를 통계적으로 다중화하여 지원하기 적합한 동적 스케줄링 방법에 관한 것이다. 이 발명은 연결 요청에 따라 할당 및 유휴 윈도우 수를 비교하여 유휴 수가 할당된 수보다 적거나 종료 패킷이면 연결 해지하여 큐 및 윈도우 수를 제거하고, 많으면 유휴 윈도우 공간에 윈도우를 할당하며, 대기 상태에서 발생된 패킷을 큐에 저장하고 할당된 윈도우에 표시하여 패킷을 스케줄링한 후, 다시 대기한다. 따라서 가변비트율 트래픽들에 대해 예약된 대역을 보장해 주며 패킷의 긴급도에 따라 처리 순서를 결정하여 실시간 서비스 지원이 가능하다. 이 발명은 대역별 공평성은 제공될 수 있으나 셀지연편이가 제공되지 않는다.

이와 같이 실시간 트래픽의 서비스에 대한 종래 스케줄링 방법들은 셀지연시간, 혹은 셀지연편이만 고려하거나 트래픽의 공평성만 고려하였다.

따라서, 영상 등 실시간 트래픽의 품질에 있어서 중요하게 고려되어야 하는 민감한 셀지연편이와, 셀지연편이에 있어서 모든 가상연결에 대해 공평하게 보장하여 각 가상연결별 서비스된 양에 대한 공평성을 모두 만족시키고 보장할 수 있는 스케줄링 방법에 대한 연구가 요구된다.

본 발명은 ATM교환기나 다중전송장치등의 출력버퍼 형태를 갖는 CBR 혹은 rt-VBR(Real Time-Variable Bit Rate)등의 가상연결별 실시간 트래픽에 대해 대역별로 정규화하여 셀지연편이 값들에 대한 차를 바탕으로 스케줄링된 가상연결별 모든 가상연결 대역에 대해 셀의 지연편이를 공평성을 갖추어 향상시키고, 각 가상연결별로 정규화된 임계치를 사용하여 셀지연편이를 한정하며, 각 사용자 연결경로에 대해서 스케줄링되어 출력링크로 전송되는 셀의 양에 대한 공평성을 높일 수 있는 스케줄링 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

ATM망은 연결지향(Connection-oriented)이므로, 각 셀 스트림은 먼저 ATM교환기를 통해 트래픽 파라미터들과 서비스품질(QoS: Quality of Service) 파라미터들을 구체화한 후, 연결을 설정한다. 이 때 교환기는 각 사용자별 연결경로상에서의 셀 스트림에 대한 대역을 예약 및 한정한다.

도 1은 본 발명에 적용되는 스케줄러의 블록 구성도이다.

도면에서 보듯이, N개의 가상연결큐(10)는 각 사용자별 연결경로에 대해 입력된 셀을 저장하기 위해 제공되는데, 셀들은 먼저 들어온 것이 먼저 나가는 형태, 즉 FIFO(First In First Out)로 저장된다. 그러므로 셀을 서비스하기 위한 스케줄링은 출력버퍼형태를 갖고 입력된 셀의 기대되는 성질이나 트래픽 특징에 따라 여러 가상연결큐(10)별로 나눔으로써 간단히 실현시킬 수 있다. 또한 가상연결큐(10)와 동수의 타임스탬퍼(Time Stamper : 11)를 구비하여 각 입력셀의 도착시간을 기록하고, 가상연결큐(10)에서 출력되는 셀의 출력시간을 기록하고 각 가상연결큐(10)에서 전송할 셀지연편이를 계산하며, 이를 각 가상연결큐별로 중재하는 아비터(Arbiter : 12)를 사용하여 스케줄러(13)를 통해 셀을 전송하는 구조를 갖는다.

여기서, 입력 셀의 도착시간을 a, 출력 셀의 출발시간을 d, 셀지연시간을 CD, 및 셀지연편이를 σ 라 할 경우 i번째 사용자 연결경로의 큐 내의 x번째 셀, 즉 x_i 셀에 있어서 셀지연시간은 다음과 같다.

여기서, 셀의 큐 내 도착시간(

)과 출발시간(

)은 i 번째 사용자 연결경로의 x 번째 셀의 도착시간과 출발시간에 대한 각각의 표기이다. 그리고 셀지연편이는 다음과 같다.

이 때 셀지연편이는 두 가지 상태가 존재하며, 그 값이 0보다 작으면 선행된 상태, 0보다 크면 지연된 상태라고 정의한다. 만일 0값과 같으면 해당되는 셀은 셀지연편이에 대해 완전히 보장되어있으며, 그렇지 않으면 해당 셀은 트래픽 폭주, 즉 트래픽 밀집상태(Congestion)에 있다고 말한다.

상기한 내용을 도 2에 나타내었으며, 이 경우 폭주상태를 겪은 임의의 셀은 스케줄링 시간이 연기되고, 서비스 시간이 지연되게 된다.

출력버퍼 형태를 갖는 ATM교환기나 다중전송장치등의 출력링크에 대한 전체 대역폭 용량을 B라 하면, 다음을 얻는다.

여기서 최대 사용자 연결경로 개수가 N일 경우, β_i 는 i 번째 사용자 연결경로의 요구된 대역을 나타낸다. β_△ 는 모든 사용자 연결경로에 대한 대역에 있어서 가장 큰 대역, 즉 아래 식으로 놓을 수 있다.

또한 모든 사용자 연결경로에 대한 클리핑 임계치(Clipping Threshold)(20) τ_i 를 출력링크의 전체대역 B와 절대상수대역인 β_△ 로 가장 대역이 넓은 사용자 연결경로에 대해 1로 정규화(Normalization)하기 위해서 변이 경계치 상수

를 아래 수학식 5와 같이 정의한다.

이 때 임의의 상수 k 는 설계자에 의해 결정되는 상수 값인 정수를 나타내며, 도 2에 표기한 클리핑 임계치(20) τ_i 는 수학식 5로부터 아래 수학식 6과 같이 나타내며, β_i 가 β_△ 인 경우 클리핑 임계치(20) τ_i 는 k가 된다.

여기서 클리핑 임계치(20) τ_i 는 선행된 셀지연편이의 낮은 경계값을 결정하는데 사용되며, k가 음수인 경우 클리핑 임계치 τ_i 는 도 2에 나타내었듯이 선행편이영역(21)에 있음을 의미하고, 반대인 경우 지연편이영역(22)에 있음을 의미한다. 즉 k는 설계자로 하여금 스케줄러에 의해 서비스된 셀의 평균지연시간이 길어도 0값에 밀집된 셀지연편이를 부여할 것인지 혹은 셀지연편이가 0인 값에 밀집되어 있지 않아도 셀지연시간에 민감한 트래픽에 대해 평균 셀지연시간을 줄일 것인지에 따라 결정하게 된다.

클리핑 임계치(20) τ _i 에 대한 효과는 보다 더 향상된 셀지연편이의 특성을 얻는 결과를 가져다주고, 한정된 셀지연시간을 얻을 수 있는 경계값으로 주어진다. 또한 정규화된 임계치들에 대한 효과는 각 사용자 연결경로의 대역폭에 따라 서비스되는 양의 공평성을 기할 수 있다.

마지막으로 현재의 주어진 시간에서 모든 사용자 연결경로에 대해 수학식 7과 같이, 각 연결경로 i의 대역폭

과 해당 연결경로 i의 x번째 셀의 셀지연편이

의 곱을 계산하고, 그 계산 결과값 중 가장 큰 값을 지닌 사용자 연결경로에 해당하는 셀을 스케줄러(13)가 사용자 가상연결큐(10)에서 선택하여 출력링크로 전송한다. 이렇게 각 연결경로 i의 셀지연편이에 각 연결경로의 대역폭을 곱한 값 중 가장 큰 값을 P(t)로 선택하는 이유는, 전송된 셀에 있어서 모든 사용자 연결경로 i = 1, 2, ... N 에 대해 셀지연편이를 기준으로 스케줄러(13)에 의해 출력링크로 서비스되어 전송된 셀의 양에 대해 공평성을 향상시키고 셀지연편이 자체를 공평하게 하기 위해서이다. 즉, 각 연결경로 i의 셀지연편이에 각 연결경로의 대역폭을 가중하여 계산함으로써, 각 사용자 연결경로 상의 큐에 저장된 각 셀의 셀지연편이의 값에 대하여 대역폭에 비례한 공정한 P(t)를 얻을 수 있다.

각 사용자 연결경로에 대한 대역폭과 셀지연편이의 상태에 따라 P(t) 가 결정된 후, 셀지연편이가 클리핑 임계치(20)보다 크거나 같다면 스케줄러(13)는 해당 셀을 출력링크로 전송하며, 그렇지 않고 임계치(20)보다 작다면 현재 주어진 시간 t 에서 모든 연결에 대한 사용자 가상연결큐(10)내의 모든 셀은 출력링크로 서비스되지 않는다. 즉, 현재 주어진 시간 t 에서 각각의 사용자 연결에 해당하는 셀지연편이가 클리핑 임계치(20)보다 작은 조건을 만족하면, 셀지연편이가 임계치보다 큰 값을 만족하는 시간이 될 때까지 해당 셀을 홀딩(Holding)한다. 이 이유는 한정된 클리핑 임계치(20)를 기준으로 작은 셀지연시간을 갖더라도 정확하고, 셀지연편이가 거의 없는 효과를 얻기 위함이다. 만일 P(t) 값이 두 개 이상의 연결경로에 대해 같은 값이 존재하면, 임의의 값을 선택한다.

도 3에 상술한 발명의 스케줄링 방법을 정리하여 가상 코드(Pseudo Code)로 작성하여 나타내었다. 이를 설명하면, 먼저 초기화 과정에서 앞서 설명한 β _i , k, β _△ , α를 설정하고, 모든 연결에 대해 클리핑 임계치 τ _i 를 구한다.

그런 다음, 서비스를 위하여 모든 연결에 대해 셀지연편이 σ_i ^xi와 P(t)를 구하고, P(t)에 대한 연결 i에 대해 셀지연편이 σ_i ^xi 가 클리핑 임계치 τ_i 보다 크거나 같으면 연결 i의 해당 셀을 출력링크로 전송한다.

스케줄러에 의해 가상연결별로 서비스된 공평성에 대한 정의는 다음 수학식 8과같이 대역별로 서비스된 양의 표준편차(Standard Deviation)로 서비스 공평성 지수(Service Fairness Index) FI(X)로 나타낼 수 있다.

여기서, X_i(t₁, t₂)는 시간 간격 t₁ < t ≤ t₂ 동안 연결된 각각의 가상연결 i = 1, 2, ... , N 에 대한 서비스된 양을 나타내며, β_i 는 가상연결 i = 1, 2, ... , N 에 대한 각각의 대역(Bandwidth)이다. 또한 STD [ X ]의 의미는 X의 표준편차함수, 즉 표준편차는

의미한다. 이러한 정의는 잘 알려져 있는 표현이며 본 발명에서도 이 정의에 의한 표현을 바탕으로 하였다.

또한 본 발명에서는 시간 간격 t ₁ < t ≤ t ₂ 동안 스케줄러에 의해 가상연결 i = 1, 2, ... , N 에 대하여 서비스된 셀의 지연편차에 대한 누적확률의 표준편차로써 공평성에 대한 정의를 수학식 9와 같이 셀지연편이 공평성 지수(CDV Fairness Index) FI(CDV)로 정의한다.

이때 φ(i)는 Pr{|θ_i|≤ξ_i|(t1, t2]}을 나타내며, 이것은 가상연결 i = 1, 2, ... , N 에 대해 대역별로 정규화된 임의의 편이 구간 [ - ξ_i, ξ_i ] 안에서 셀지연편이 θ_i 에 대한 누적확률이다. 즉, 누적된 셀지연편이가 임의의 정규화된 편이구간안에 각 대역에 대해 VC별로 얼마나 공평화된 셀지연편이를 갖는가를 정의하는 것이다.

위의 수학식 8 및 수학식 9를 이용하여 본 발명의 서비스 공평성과 가상연결별 각 대역에 대해 정규화된 셀지연편이 공평성의 정도를 알 수 있으며, 셀지연편이의 개선정도는 셀지연편이의 분포로써 알 수 있다.

도 4에서는 사용자 i = 1, 2, 4 인 연결경로에 대해서 τ ₁ = -4, τ ₂ = -2, τ ₄ = -1 이고, β ₁ = 1, β ₂ = 2, β ₄ = 4 인 경우에 있어서, ATM교환기나 다중전송장치에서 사용되는 출력 버퍼형 스케줄링 블록에서 출력결과를 나타낸 결과 트래픽을 실시간 트래픽에 대하여 나타낸 것이다.

도면에서, A는 각 사용자 연결경로에서 셀의 도착시간간격을 나타내며, D는 셀의 서비스 전송시 출발 시간간의 간격을 나타낸다. 폭주상태동안 사용자 연결경로 i = 1, 2, 4 에 대한 가상연결규(10)내 셀들이 출력링크로 전송되지 않고 모두 가상연결큐(10)내에 큐잉되어 비폭주상태에서 스케줄러에 의해 큐에 저장된 셀을 본 발명의 스케줄러로 서비스할 경우를 살펴보았다. (가)는 입력된 셀 스트림을 나타낸 것이고, (나)는 본 발명에 대한 출력결과를 나타낸 것이다.

또한 도 5와 도 6은 앞에서 정의한 공평성 지수를 바탕으로 표현한 공평성 정도를 서비스된 양과 셀지연편이에 대하여 상기한 예의 결과를 분포도로 나타낸 도면이다. 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 CDV의 분포를 FCFS와 비교하여 향상된 결과를 각 실시간 서비스(CBR, rt-VBR)의 대역에 따라 나타낸 도면.

상기한 바와 같이 본 발명에서 ATM망에서의 교환기나 다중전송장치 내에서 가장 큰 대역폭으로 각각의 사용자 연결경로에 대한 대역폭을 정규화한 임계치를 기준으로 동적인 스케줄링이 가능하며, 셀지연편이의 중심에 따라 각 가상연결의 형태인 가상연결별 셀지연편이를 향상시키고, 대역폭에 따른 각각의 가상연결별 서비스에 대한 셀 전송량의 공평성을 극대화 할 수 있는 효과가 있다.

이상에서 본 발명에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

Claims

ATM 망에서 실시간 트래픽의 셀지연편이와 공평성을 보장하기 위한 스케줄링 방법으로서,

각 연결경로의 대역폭 β_i (i = 1, 2, ..., N, N은 연결경로의 총 개수)와, 모든 연결경로의 대역폭 중 최대 대역폭 β_△ (
)와, 각 연결경로의 클리핑 임계치 τ_i (
, i = 1, 2, ..., N, k는 임의의 상수)를 설정하는 제 1 과정과,

모든 연결경로에 대해 각 연결경로의 대역폭(β_i )과 x번째 셀의 셀지연편이(σ_i ^xi)의 곱을 계산하고, 계산된 결과값 중 가장 큰 값을 P(t)로 선택하는 제 2 과정과,

상기 P(t)로 선택된 연결경로의 x번째 셀의 셀지연편이와 상기 선택된 연결경로의 클리핑 임계치를 비교하여 상기 선택된 연결경로의 x번째 셀의 출력링크로의 전송여부를 결정하는 제 3 과정을 포함하여,

연결경로별 셀지연편이를 향상시키고, 각 연결경로에 대해 출력링크로 전송되는 셀의 서비스된 양의 공평성을 보장하는 ATM망에서 실시간 트래픽의 셀지연편이와 공평성을 보장하기 위한 스케줄링 방법.
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제1항에 있어서,

상기 제 3 과정은 상기 P(t)로 선택된 연결경로의 x번째 셀의 셀지연편이가 상기 선택된 연결경로의 클리핑 임계치보다 크거나 같으면 상기 선택된 연결경로의 x번째 셀을 출력링크로 전송하고, 상기 선택된 연결경로의 x번째 셀의 셀지연편이가 상기 선택된 연결경로의 클리핑 임계치보다 작으면 상기 선택된 연결경로의 x번째 셀을 홀딩하는 것을 특징으로 하는 ATM망에서 실시간 트래픽의 셀지연편이와 공평성을 보장하기 위한 스케줄링 방법.