KR100641093B1 - 패킷 스케줄링 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 패킷 스케줄링 장치 및 방법에 관한 것으로, 종래에는 고정된 밴드폭을 갖는 패킷이 입력될 때, 서비스하는 네트웍에서 밴드폭이 가변되는 경우 출력 패킷이 일정비율로 모두 가변됨에 따라 지속적인 비율로 서비스할 수 없는 문제점이 있다. 특히 음성(voice)을 패킷으로 서비스하는 경우 음성의 성능을 그대로 유지할 수 없는 문제점이 있다. 따라서 본 발명은 패킷을 받아 서비스하는 네트웍에서 밴드폭이 가변되는 경우, 입력되는 플로우 패킷을 AC,WC,BC의 클래스로 분류하고, 이 분류된 클래스중 AC 플로우에 WC 플로우보다 제한적인 우선순위를 제공하여 할당된 밴드폭을 보장한 이후에 AC 플로우와 WC 플로우에 대해 동등한 조건으로 서비스하도록 하여 항상 공정하게 밴드폭을 할당하여 서비스를 제공할 수 있도록 한 것이다.

Description

패킷 스케줄링 장치 및 방법{PACKET SCHEDULLING APPARATUS AND METHOD}

도 1은 종래의 고정된 밴드폭을 갖는 플로우 패킷 입력과 가변되는 밴드폭을 갖는 패킷 출력을 보여주는 설명도.

도 2는 본 발명 패킷 스케줄링 장치에 대한 블럭 구성도.

도 3은 본 발명 패킷 스케줄링 방법에 대한 동작 흐름도.

도 4는 본 발명에 의한 고정된 밴드폭을 갖는 플로우 패킷 입력과 가변되는 밴드폭을 갖는 패킷 출력을 보여주는 설명도.

도 5는 도 3에서, 초기값을 세팅할 때 사용하는 membership period의 한 예를 보여주는 예시도.

도 6은 본 발명 패킷 스케줄링 장치가 적용된 패킷 스위치의 한 예를 보여주는 구성도.

***** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *****

10 : 할당부 20 : 메인 큐

30 : 스페어 큐 40 : 스위치부

본 발명은 양질의 서비스를 제공하기 위한 패킷 스케줄링 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 패킷을 받아 서비스하는 네트웍에서 밴드폭이 가변될때도 특정 클래스에 제한적인 우선순위를 부여하여 특정 클래스의 플로우(flow)에 대해서는 고정적인 밴드폭을 보장하고, 같은 클래스내의 플로우에 대해서는 항상 서로에게 동일한 서비스를 제공할 수 있도록 한 패킷 스케줄링 장치 및 방법에 관한 것이다.

패킷 네트웍의 스위치들은 각 플로우에서 입력되는 패킷을 스위칭할 때 FCFS(First Come First Service)방식의 큐를 사용하여 스위칭하는데, 네트웍의 노드가 혼잡할 경우 나중에 도착하는 패킷은 플로우에 상관없이 버려짐으로써 패킷의 손실을 초래한다.

이런 경우 각 플로우에 대해 양질의 서비스(QoS:Quality of Service)를 보장할 수 없는 문제점이 생긴다.

이러한 문제점을 보완하기 위하여 Demers에 의해 제안된 페어 큐잉(Fair Queuing)방법과 Parekh에 의해 제안된 GPS방법을 제공한다.

먼저, 페어 큐잉 방법은 모든 플로우에게 동일한 밴드폭을 제공하기 위한 것으로서, 비트를 기초로한 라운드 로빈(bit-based round robin) 서비스 규율을 사용하여 모든 플로우에 공평하게 밴드폭을 나누어준다.

그러나 상기에서와 같은 방식으로 밴드폭을 나누어주는 경우 패킷 사이즈가 다른 플로우 간에는 공평하지 않게 되므로, 이를 방지하기 위하여 아래에서와 같은

를 사용한다.

여기서, α는 플로우(flow) 숫자, i는 플로우에서의 패킷 순서, P는 패킷 크기, R(t)는 라운드 로빈 서비스에서 t시점까지 행해진 라운드의 숫자이다.

각 패킷은 time stamp가 빠른 것부터 서비스를 시작하면, 모든 플로우는 패킷 크기까지 고려한 동등한 밴드폭을 서비스 받게 된다.

그러나, 상기 페어 큐잉 방법은 모든 플로우에게 동등한 밴드폭을 제공하지만 플로우마다 다른 서비스율(service rate)을 갖는데, 각 플로우마다 서로 다른 서비스율을 제공하지 못하는 문제점이 있다.

따라서 Parekh는 각 플로우에 할당된 서비스율을 항상 보장하는 GPS[2]방법을 제공한다.

상기 GPS[2]방법은 임의의 플로우 i가 (τ,t]간격에서 계속해서 처리되고 있을 때, 플로우 i가 (τ,t]간격에서 받는 서비스의 양을 Wi(τ,t)라고 하면 플로우 i가 받는 서비스의 양은 다음과 같이 정의된다.

여기서, J는 GPS에 의해 서비스 받는 플로우의 집합이고,

은 플로우 j에 할당된 서비스 몫이다.

B(,t)를 (,t]간격에서 항상 처리되고 있는 플로우의 집합이라고 하고, 모든 플로우 j에 대해 합을 취하면

는 항상 다음과 같이 표시될 수 있다.

그러면 임의의 시간 t에 대해서 플로우 i는 다음과 같은 서비스율을 보장받는다.

상기 GPS방법은 여러 플로우를 동시에 서비스할 수 있거나 또는 패킷을 무한히 잘게 쪼개서 서비스할 수 있는 네트워크인 플루이드-플로우 모델 패킷 네트워크(fluid-flow modeled packet)에서 서비스율을 보장하나, 이 네트워크는 이상적인 네트워크 모델로 실질적이지 못한 문제점이 있다.

따라서 Parekh는 GPS와 가장 가까운 방법으로, 패킷의 출발순서를 계산하여 이 순서대로 서비스하는 알고리즘을 제안하였다.

는 i번째 플로우의 k번째 패킷의 도착시간, 패킷길이라고 할 때, 패킷의 서비스 시작시간

과 서비스 종료시간

는 다음과 같이 구한다.

여기서,

는 플로우 i의 할당율이고,

은 비지 기간(busy period)의 시작점으로 부터 패킷들의 도착과 출발시간들의 시퀀스이고,

은 간격

사이에서 계속적으로 처리되는 플로우들의 집합이고, m은 서버가 비어있을 때 0이 된다.

따라서 시간 τ시점에서 패킷을 보낼 준비가 됐을 때, 큐잉된 패킷중에서

값이 가장 적은 패킷을 골라 서비스를 시작한다. 그러면 이상적인 네트워크 모델인 GPS에서 서비스되는 패킷의 순서와 최대한 같게 된다.

그러나, 상기에서와 같은 종래기술에서, 도 1의 (a)에서와 같이 일정한 밴드폭을 갖는 패킷이 입력될 때, 서비스하는 네트웍에서 밴드폭이 가변되는 경우 도 1의 (b)에서와 같이 일정비율로 밴드폭을 가변시켜 서비스를 실시하므로 지속적인 비율로 서비스할 수 없는 문제점이 있다. 특히 음성(voice)을 패킷으로 서비스하는 경우 음성의 성능을 그대로 유지할 수 없는 문제점이 있다.

따라서 상기에서와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 서비스하는 네트웍에서 밴드폭이 가변적일 때에도 특정 클래스에 제한적인 우선권을 제공하여 특정 클래스의 플로우에 대해서는 고정적인 밴드폭을 보장해주도록 한 패킷 스케줄링 장치 및 방법을 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 입력되는 N개의 플로우 패킷을 AC(Absolute Class), WC(Weighted Class), BC(Best-effort Class)로 분류하는 제1단 계와, 상기 제1단계에서 분류된 클래스중 AC에 소정의 할당율로 할당하는 제2단계와, 상기 제2단계에서 할당된 할당율만큼 AC를 우선적으로 할당하여 서비스한 이후에 AC와 WC에 대해 각각 패킷 알고리즘에 의해 동등한 조건에서 밴드폭을 할당하여 서비스하는 제3단계로 이루어진 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부한 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명의 패킷 스케줄링 장치에 대한 블록 구성도로서, 이에 도시한 바와 같이, 입력되는 N개의 플로우를 AC(Absolute Class),WC(Weighted Class),BC(Best-effort Class)중의 한 클래스로 할당하고, 아울러 AC에 소정의 할당율을 할당해주는 할당부(10)와, 상기에서 할당된 클래스 중 AC와 WC를 받아 소정의 할당율과 스케쥴링 알고리즘에 의해 패킷을 서비스하는 메인 큐(20)와, 상기 할당부(10)에서 할당된 BC를 받아 FIFO(First In First Out)방법에 의해 패킷을 서비스하는 스페어 큐(30)와, 상기 메인 큐(20)에 큐잉된 패킷중 AC에 할당된 할당율만큼 WC에 대해 우선 순위를 제공하여 서비스하고, 상기 메인 큐(20)에 큐잉된 클래스가 없는 경우 스페어 큐(30)의 패킷을 출력링크로 연결하여 서비스하는 스위치부(40)로 구성한다.

그리고, 본 발명 패킷 스케줄링 방법은, 입력되는 N개의 플로우 패킷을 AC(Absolute Class), WC(Weighted Class), BC(Best-effort Class)로 분류하는 제1단계와, 상기 제1단계에서 분류된 클래스중 AC에 소정의 할당율로 할당하는 제2단계와, 상기 제2단계에서 할당된 할당율만큼 AC를 우선적으로 할당하여 서비스한 이후에 AC와 WC에 대해 각각 패킷 알고리즘에 의해 동등한 조건에서 밴드폭을 할당하여 서비스하는 제3단계로 이루어진다.

상기에서 패킷 알고리즘은, 도 3에 도시한 바와 같이, 새로운 패킷이 도착하는 시점에서 AC(Absolute Class)와 WC(Weighted Class)의 서비스되는 양을 나타내는 값과 이 값과 현재 서비스되는 양과의 차이를 나타내는 값을 각각 업데이트하는 제1단계와, 상기에서 업데이트 후 도착되는 패킷의 서비스 종료시간을 계산하는 제2단계와, 상기에서 계산된 서비스 종료시간을 기준으로 AC와 WC들끼리 서비스 종료시간이 가장 큰 것에서 가장 작은 순서로 정렬하는 제3단계와, 현재의 패킷 서비스 종료시 다시 AC와 WC의 서비스되는 양을 나타내는 값과 이 값과 현재 서비스되는 양과의 차이를 나타내는 값을 각각 업데이트한 후 제3단계에서 정렬한 클래스중 가장 작은 서비스 종료시간을 가진 클래스의 기준값을 계산하는 제4단계와, 상기에서 기준값이 가장 작은 AC 또는 WC의 패킷을 골라 서비스하는 제5단계로 이루어진다.

이와 같이 구성된 본 발명의 동작 및 작용 효과를 본 발명의 일실시예를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

N개의 플로우(flow) 패킷이 입력되면, 스케쥴링 장치의 할당부(10)는 그 입력 플로우를 AC(Absolute Class),WC(Weighted Class),BC(Best-effort Class)중에서 어느 클래스에 해당하는지를 알아내어 그중 한 클래스로 할당한다.

그리고 상기 할당부(10)는 할당한 클래스중 AC와 WC인 경우 할당율(share rate)도 할당해준다.

이렇게 해당 클래스와 할당율을 각각 할당한 할당부(10)는 AC와 WC 플로우 패킷은 메인 큐(20)에 큐잉되도록 전송하고, BC 플로우 패킷은 스페어 큐(30)에 큐잉 되도록 전송한다.

그러면 상기 메인 큐(20)에서는 AC에 속하는 플로우는 AC에게 할당된 할당율만큼은 WC플로우에 대해서 항상 우선적으로 서비스를 받도록 하고, AC 플로우의 할당율보다 넘는 부분에 대해서는 AC 플로우와 WC 플로우는 동등한 조건에서 서비스를 받도록 한다.

그리고 스페어 큐(30)는 메인 큐(20)가 비어있을 경우에만 BC 플로우가 서비스 받도록 한다.

여기서 메인 큐(20)는 도 3에 도시한 패킷 알고리즘에 의해 패킷을 서비스하고, 스페어 큐(30)는 FIFO방법에 의해 패킷을 서비스한다.

이때 메인 큐(20)에서 AC 플로우와 WC 플로우가 받게되는 서비스의 양을 다음과 같이 정의할 수 있다.

출력링크(output link)의 속도를 C(t)라 하고, A를 AC 플로우들의 집합, W를 WC 플로우들의 집합이라고 하자.

r_i를 플로우 i를

에 할당된 서비스율(비트율)이라고 하고, u_i(t)를 플로우 i,

의 서비스된 비율(served rate)이라고 하면 플로우 i에,

의 기간 (t1,t2]동안 총 서비스된 트래픽의 양 W_i(t1,t2)를 다음과 같이 정의한다.

그러면 임의의 구간

)에서 AC와 WC가 받은 서비스는 다음과 같은 2가지 경우에 따라 서로 다른 관계를 만족한다.

첫째, C(t)가 할당된 총 비율보다 작을 때 즉,

일 때는 다음 관계를 만족한다.

둘째, C(t)가 할당된 총 비율보다 크거나 같을 때 즉

일 때는 다음 관계를 만족한다.

그리고, 메인 큐(20)는 먼저 AC 플로우에 할당된 할당율만큼 AC 플로우 패킷을 스위치(40)를 통해 출력링크로 서비스한다.

이후에 AC 플로우에 할당된 할당율보다 많은 AC 플로우에 대해 메인 큐(20)는 WC와 동등한 조건에서 서비스를 받도록 하는데 이에 대하여 도 3에 의거하여 살펴보면 다음과 같다.

도 3에서, 새로운 패킷이 도착하면 패킷의 값을 하나 증가(m = m+1)시키고(S32), AC 플로우들에게 서비스되는 양을 나타내는 값 V_a(t_m)과 WC 플로우들에게 서비스되는 양을 나타내는 값인 V_w(t_m)과, 이 값들과 현재 서비스되고 있는 양의 차이값인 δ(t_m), ζ(t_m)을 각각 구하여 업 데이트(update)한다.(S33)

이렇게 업데이트한 후 새로 도착하는 AC 플로우 패킷 또는 WC 플로우 패킷

에 대한 서비스 종료시간

을 계산한다.(S34)

여기서 서비스 종료시간

은 다음과 같다.

이후에 서비스 종료시간

을 기준으로 AC 플로우 패킷은 AC 플로우 패킷들끼리 서비스 종료시간이 가장 큰 것에서 가장 적은 순서로 정렬하고, WC 플로우 패킷은 WC 플로우 패킷들끼리 서비스 종료시간이 가장 큰 것에서 가장 적은 순서로 정렬해둔다.

이상에서와 같이 새로 도착하는 패킷에 대하여 서비스 종료시간을 기준으로 AC 플로우 패킷과 WC 플로우 패킷을 정렬해둔 다음 다시 새로운 패킷이 도착하였는지를 체크하여 새로 도착하지 않았으면 현재의 패킷 서비스가 끝났는지를 판단한다.(S36)

체크 결과, 큐가 비어있지 않으면 AC 플로우들에게 서비스되는 양을 나타내는 값인 V_a(t_m)과 WC 플로우들에게 서비스되는 양을 나타내는 값인 V_w(t_m)과, 이 값들과 현재 서비스되고 있는 양의 차이값인 δ(t_m), ζ(t_m)을 각각 구하여 업 데이트(update)한다.(S38)

상기 업데이트한 이후에 S35단계에서 정렬시켜 둔 패킷들중 AC 플로우 패킷들 중에서 가장 작은 서비스 종료시간값을 가진 패킷과 WC 플로우 패킷들 중에서 가장 작은 서비스 종료시간을 가진 패킷에 대해서 기준시간

을 계산한다.(S39)

상기에서 기준시간

이 계산되면, 그 기준시간이 계산된 AC 플로우 패킷과 WC 플로우 패킷중 기준시간이 작은 패킷을 골라 서비스를 시작한다.(S40)

결국, 패킷 데이터를 서비스하는 네트웍에서 밴드폭이 가변되는 경우에도 특정 클래스에 제한적인 우선 순위를 제공함으로써 특정 클래스에 대해서는 고정적인 밴드폭을 보장하고 같은 클래스 내에서는 항상 공정하게 밴드폭을 할당하여 서비스를 제공한다.

따라서 도 4의 (a)에서와 같이 일정한 밴드폭을 갖는 패킷이 입력되고, 네트 웍에서 밴드폭이 가변되는 경우 메인 큐(20)는 도 4의 (b)에서와 같이 높은 클래스인 AC 플로우에는 소정의 할당율(우선 순위)을 제공하여 AC 플로우는 고정적인 밴드폭을 보장하고, 할당율보다 많은 패킷 입력시 도 3에서 설명한 알고리즘에 의해 AC와 WC 플로우중 서비스받을 플로우를 찾아내어 서비스 받도록 한다.

따라서, 출력링크의 밴드폭을 줄이거나 가변되더라도 지속적으로 같은 밴드폭의 서비스를 받을 수 있다.

그리고, 현재의 패킷 서비스가 끝난 후 큐가 비어 있으면 패킷의 값을 m=0으로 둔다.

상기에서 m=0이 되었을 때 V_a(t_m)과 V_w(t_m)을 구하기 위해서는 아래에서와 같은 초기 조건값을 구하는 룰(rule)을 이용한다.

상기 초기 조건값을 구하는 룰(rule)에서 각 membership_step period의 이해를 돕기 위해 각 period가 혼재되어 있는 한 예를 도 5에 나타내었다.

그리고, 상기 큐가 비어있을 경우 스페어 큐(30)의 BC 플로우 패킷이 서비스된다.

스위치부(40)는 메인 큐(20)의 큐가 비기 전까지는 상기 메인 큐(20)에 연결하고, 메인 큐(20)가 비게 되면 스페어 큐(30)에 연결한다.

도 6은 밴드폭을 저장(reserve)할 수 있는 시그널링 프로토콜인 RSVP가 구현된 패킷 스위치의 예이다.

이런 패킷 스위치는 RSVP의 요구에 의해 각 플로우에 위임한 양질의 서비스를 보장하기 위하여 패킷 스케줄링 장치(CAWFQ)가 필요하다.

이때 도 2에 도시한 패킷 스케줄링 장치(CAWFQ)를 사용하면 좀더 다양한 서비스를 플로우들에게 보장해줄 수 있다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명은 입력되는 플로우를 AC,WC,BC의 클래스로 분류하고, 이 분류된 클래스중 AC 플로우에 WC 플로우보다 우선적으로 서비스를 받되 AC에 할당된 밴드폭 내에서만 우선권을 받아 서비스하고, 할당된 밴드폭 이상일 경우에는 AC와 WC가 동등한 조건으로 서비스하도록 함으로써, 출력 링크의 밴드폭이 가변적이거나 고정적인 패킷 스위치에 대해 극대화된 서비스를 제공하도록 한 효과가 있다.

Claims (6)

1. 출력단의 밴드폭이 가변적일 수도 있는 네트워크 시스템에 있어서,

   입력되는 N개의 플로우를 제1클래스, 제2클래스, 제3클래스 중의 어느 한 클래스로 할당하고, 아울러 출력단의 밴드폭이 가변되는 경우에도 상기 제1클래스에 고정된 밴드폭을 보장하기 위하여 상기 제1클래스에 제1밴드폭을 할당하는 할당부;

   상기 제1클래스와 제2클래스를 입력받아, 상기 제1밴드폭 만큼 상기 제1클래스를 상기 제2클래스보다 우선하여 서비스하며, 상기 제1 밴드폭을 초과하는 부분에서는 제1클래스와 제2클래스를 소정의 패킷 알고리즘에 의해 동등한 조건에서 서비스하는 제1큐;

   상기 할당부에서 할당된 제3클래스를 입력받아 선입선출(FIFO) 방법에 의해 패킷을 서비스하는 제2큐; 및

   상기 제1큐에 큐잉된 패킷을 출력단으로 서비스하며 상기 제1큐에 큐잉된 패킷이 없는 경우 상기 제2큐의 패킷을 출력단으로 서비스하는 스위치부

   를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 패킷 스케줄링 장치.
2. 삭제
3. 출력단의 밴드폭이 가변적일 수도 있는 네트워크 시스템의 패킷 스케줄링 방법에 있어서,

   입력되는 N개의 플로우 패킷을 제1클래스, 제2클래스, 제3클래스로 분류하는 제1단계;

   상기 제1단계에서 분류된 클래스 중 제1클래스에 소정의 밴드폭을 할당하는 제2단계; 및

   상기 제2단계에서 할당된 밴드폭 만큼 제1클래스를 우선적으로 서비스한 이후에 제1클래스와 제2클래스에 대해 소정의 패킷 알고리즘에 의해 동등한 조건에서 밴드폭을 할당하여 서비스하는 제3단계

   를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 패킷 스케줄링 방법.
4. 제3항에 있어서, 서비스하고자 하는 제1클래스와 제2클래스가 없을 경우 제3클래스를 서비스하는 단계를 더 포함한 것을 특징으로 하는 패킷 스케줄링 방법.
5. 제3항에 있어서, 상기 패킷 알고리즘은,

   새로운 패킷이 도착하는 시점에서 제1클래스와 제2클래스의 서비스되는 양을 나타내는 제1값과 제1값과 현재 서비스되는 양과의 차이를 나타내는 제2값을 각각 업데이트하는 제1단계;

   상기에서 업데이트 후 도착되는 패킷의 서비스 종료시간을 계산하는 제2단계;

   상기에서 계산된 서비스 종료시간을 기준으로 제1클래스와 제2클래스들끼리 서비스 종료시간이 가장 큰 것에서 가장 작은 순서로 각각 정렬시키는 제3단계;

   현재의 패킷 서비스 종료시 다시 제1클래스와 제2클래스의 서비스되는 양을 나타내는 제1값과 상기 제1값과 현재 서비스되는 양과의 차이를 나타내는 제2값을 각각 업데이트한 후 제3단계에서 정렬한 클래스중 가장 작은 서비스 종료시간을 가진 클래스의 기준값을 계산하는 제4단계; 및

   상기에서 기준값이 가장 작은 제1클래스 또는 제2클래스의 패킷을 서비스하는 제5단계

   를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 패킷 스케줄링 방법.
6. 제1항에 있어서, 상기 패킷 알고리즘은,

   새로운 패킷이 도착하는 시점에서 제1클래스와 제2클래스의 서비스되는 양을 나타내는 제1값과 제1값과 현재 서비스되는 양과의 차이를 나타내는 제2값을 각각 업데이트하는 제1단계;

   상기에서 업데이트 후 도착되는 패킷의 서비스 종료시간을 계산하는 제2단계;

   상기에서 계산된 서비스 종료시간을 기준으로 제1클래스와 제2클래스들끼리 서비스 종료시간이 가장 큰 것에서 가장 작은 순서로 각각 정렬시키는 제3단계;

   현재의 패킷 서비스 종료시 다시 제1클래스와 제2클래스의 서비스되는 양을 나타내는 제1값과 상기 제1값과 현재 서비스되는 양과의 차이를 나타내는 제2값을 각각 업데이트한 후 제3단계에서 정렬한 클래스중 가장 작은 서비스 종료시간을 가진 클래스의 기준값을 계산하는 제4단계; 및

   상기에서 기준값이 가장 작은 제1클래스 또는 제2클래스의 패킷을 서비스하는 제5단계

   를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 패킷 스케줄링 장치.

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