KR100671157B1

KR100671157B1 - 공정 대역폭 재분배 기반 레질런트 패킷링 공정성 제어방식

Info

Publication number: KR100671157B1
Application number: KR1020050098593A
Authority: KR
Inventors: 김태준
Original assignee: 김태준
Priority date: 2005-10-19
Filing date: 2005-10-19
Publication date: 2007-01-17

Abstract

국제 표준화 기구인 IEEE 802.17 작업반에서 표준화한 레질런트 패킷링의 공정성 제어방식은 비대칭 과부하에서 병목링크의 대역폭이 손실되고 링 트래픽의 간헐성 특성이 나쁜 문제점을 안고 있다. 본 발명은 이러한 문제를 해결할 수 있는 공정 대역폭 재분배 기반의 공정성 제어방식에 관한 것으로서, 체증노드가 활성 상단노드의 트래픽 전송을 통제한 후 병목링크의 가용속도를 측정하고 속도부족 활성 상단노드 수를 추정하여 최적 공정속도를 산정한 다음 산정된 최적 공정속도를 상단노드로 통보하는 형태로 병목링크의 가용속도를 보다 정확하고 공평하게 재 분배하는데, 병목링크의 가용속도가 목표치 이하가 될 때까지 이러한 재분배 과정을 반복한다.

레질런트 패킷링, 메트로이더넷, 공정성 제어

Description

공정 대역폭 재분배 기반 레질런트 패킷링 공정성 제어 방식{A Fairness Control Method based on a Fair Bandwidth Redistribution for Resilient Packet Ring}

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 레질런트 패킷링 구성도

도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 공정성 제어 개념도

도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 최적 공정속도 산정 방법도

도 4는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 공정성 패킷내 최적계수값 수용도

IEEE 802.17 작업반에 의해 표준화된 레질런트 패킷링(Resilient Packet Ring)은 근거리망에서 널리 사용되고 있는 이더넷 기술과 도시망에 적합한 링 토폴로지를 결합한 것으로 향후 도시망과 원거리망에서 뛰어난 신뢰성과 효율성을 갖는 광 이더넷 서비스를 제공할 수 있게 될 것으로 기대된다. 레질런트 패킷링은 링이나 노드의 장애시 50mS이내의 복구시간을 보장하는 레질런시(resiliency)를 추구하고, 링의 특성인 공간적 대역폭 재사용으로 우수한 트래픽 처리 능력을 제공하며, 우선순위 서비스를 지원함은 물론 링 대역폭 사용에 있어 공평성을 보장하도록 설계되었다.

레질런트 패킷링은 도 1과 같이 신호전달 방향이 서로 반대인 링-A와 링-B의 이중 링으로 구성되며, 패킷의 전달 거리가 짧은 링을 사용하여 데이터 패킷을 전달한다. 링-A와 링-B가 동일한 형태를 갖고 동일한 방식으로 동작하므로 링-A를 기준으로 설명한다. 각 노드는 자신이 발생시킨 트래픽(이하 노드 트래픽)을 보관하는 전송버퍼와 상단노드들의 노드 트래픽을 중계하기 위해 잠시 보관하는 중계버퍼를 갖는다. 전송버퍼는 높은 우선순위의 패킷을 보관하는 것과 중간 및 낮은 우선순위의 패킷을 보관하는 것으로 분리 구성되고, 중계버퍼 역시 높은 우선순위의 패킷을 보관하는 첫째 중계버퍼와 낮은 우선순위의 패킷을 보관하는 둘째 중계버퍼 (이하 STQ(Secondary Transit Queue))로 분리 구성된다. 중간 및 낮은 우선순위의 패킷을 보관하는 전송버퍼(이하 전송버퍼) 트래픽과 STQ 트래픽의 경우 과부하시 링 자원 사용에 있어 노드들 사이에 공평하지 못한 문제가 발생하므로 공정성 제어가 필요하다. 이러한 공정성 제어가 필요한 트래픽을 FE(Fairness Eligible) 트래픽이라 한다. 본 발명은 공정성 제어에 관한 것이므로 본 명세서에서 언급되는 트래픽 흐름(이하 흐름)은 FE 트래픽 흐름을 의미함을 밝혀둔다.

도 1에서 임의 노드 n의 출력링크인 링크 n을 지나가는 흐름들의 전송속도 합이 FE 트래픽에 할당된 링크 속도(대역폭) (이하 C로 표기함)를 일정시간 초과하면 링크 n은 병목링크가 되고, 노드 n은 체증상태에 돌입한다. 이때 링크 n을 지나가는 흐름을 체증흐름이라 부르고, 요구 전송속도가 0인 체증흐름을 발생시키는 상단노드를 비활성 상단노드, 요구 전송속도가 0이 아닌 체증흐름을 발생시키는 상단노드를 활성 상단노드라 부른다. 참고로 본 명세서에서 사용되는 두 가지 용어인 속도와 대역폭은 같은 의미를 가지며, 모두 bps(bit per second)의 단위를 갖는다. 공정성 제어를 위해 사용되는 제어 패킷을 공정성 패킷이라 하는데, 링-A로 전달되는 트래픽에 대한 공정성 패킷은 링-B를 통해서 상단노드로 전달하고 반대로 링-B로 전달되는 트래픽에 대한 공정성 패킷은 링-A를 통해서 상단노드로 전달한다.

노드 n의 활성 상단노드의 과부하에 의해 노드 n에 체증이 발생하는 경우 활성 상단노드의 체증흐름 전송을 통제하고, 체증이 해소되면 전송통제를 해제하는 공정성 제어가 요구된다. 종래 공정성 제어 방식은 표준안 문서인 "IEEE Standard 802.17: Resilient Packet Ring (Draft Version 1.0)" (http://ieee802.org/17, Aug. 2002) 에 상세히 기술되어 있다. 임의 노드 n는 fwd_rate와 add_rate의 두 바이트 카운터로 STQ와 전송버퍼의 서비스 속도를 측정하여 매 관측구간 마다 다음과 같은 조건이 만족되면 체증이 발생한 것으로 판정한다; (노드 n의 STQ에 대기중인 트래픽 량(이하 X로 표기함)) > (체증발생 여부를 판단하는 임계값(이하 L_H로 표기함)) 또는 (fwd_rate+ add_rate) > C.

체증발생을 검출한 노드(이하 체증노드)는 공정성 패킷을 사용하여 자신의 전송버퍼 서비스 속도, 즉 add_rate (이하 최소 공정속도라 함)를 상단노드에게 통보하고, 상단노드는 통보받은 최소 공정속도로 체증흐름의 전송 허용속도를 설정한다. 참고로 활성 상단노드에서 체증흐름의 서비스 속도, 즉 전송 속도는 그 흐름의 요구 전송속도와 전송 허용속도 중 작은 값이 된다. 체증노드는 매 관측구간(decay interval) 마다 체증해소 여부를 조사하는데, 체증발생 조건이 만족되지 않으면 체증이 해소된 것으로 판정하고, 널(null)값의 공정속도를 상단노드로 통보한다. 널값을 통보받은 상단노드는 매 관측구간 마다 다음의 공식 (이하 속도증가 함수)에 의해 체증흐름의 전송 허용속도를 증가시킨다; a_k=(C-a_k _-1)/계수, 여기서 a_k는 k번째 관측구간에서의 허용속도, a₀는 공정속도, 그리고 계수는 64의 기본값을 갖는다.

체증발생시 모든 활성 성단노드의 체증흐름 전송 허용속도를 최소 공정속도로 강력하게 통제하므로 병목링크에 가해지는 부하는 C보다 작아져 X는 감소하게 된다. 참고로 C와 병목링크 부하의 차이값이 바로 병목링크의 가용속도가 된다. X가 줄어들어 0이 되면 과부하임에도 불구하고 중계버퍼에 대기중인 패킷이 없어 병목링크를 사용하지 못하는 대역폭 손실현상이 발생하므로 체증해소 검출 즉시 상단노드의 체증흐름 전송 허용속도를 높이도록 해야 한다. 종래 방식은 각 상단노드가 자신의 체증흐름 전송 허용속도를 높임에 있어 병목링크의 가용속도가 얼마이던, 전송 허용속도보다 요구 전송속도가 더 높은, 즉 속도가 부족한 활성 상단노드가 몇 개이던 상관없이 미리 정해진 속도증가 함수에 의해 전송 허용속도를 높이는 방법을 사용하고 있다. 이 결과 각 상단노드의 체증흐름 전송 허용속도는 최소 공정속도에서 체증노드가 또 다시 체증상태에 돌입하게 되는 어떤 속도까지 증가하는 과정이 반복된다. 이로 인해 링 트래픽의 간헐성 특성이 나빠져 지연지터가 증가하고 병목링크의 대역폭이 손실되는 문제가 발생한다. 이러한 레질런트 패킷링의 공정성 제어방식의 문제점은 "Design, Analysis, and Implementation of DVSR: A Fair, High Performance Protocol for Packet Rings" (V. Gambiroza, P. Yuan, L. Balzano, Y. Liu, S. Sheafor 및 E. Knightly 공저, IEEE/ACM Trans. Networking, vol.12, no.1, Jan. 2004에 게제) 논문에서 상세히 분석되었다. 이 논문 따르면 링의 속도가 622Mbps인 레질런트 패킷링에서 병목링크의 대역폭 손실율은 체증노드의 노드 트래픽의 요구 전송속도에 따라 달라지는데, 50Mbps의 경우26%, 5Mbps의 경우 15.7%로 분석되어 있다.

본 발명은 상기한 종래 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 체증노드가 활성 상단노드의 트래픽 전송을 통제한 후 발생되는 병목링크의 가용속도를 속도가 더 필요한 활성 상단노드들에게 보다 정확하고 공평하게 재 분배하는데 그 기술적 과제가 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 도 2는 본 발명에 따른 공정성 제어의 동작을 보여주는 그림이다. 구체적으로 살펴보면, 체증발생을 검출하고 최소 공정속도를 상단노드로 통보하는 체증발생 검출기능(201); 통보받은 공정속도로 자신의 체증흐름의 전송 허용속도를 설정하는 공정속도 설정기능(202); 병목링크의 가용속도를 재분배하기 위해 최적 공정속도를 산정하여 상단노드에게 통보하는 대역폭 재분배기능(203), 대역폭 재분배가 성공하지 못할 때 가동되는 속도증가요청 기능(204); 및 널값의 공정속도를 통보받을 때 같이 실려 온 최적계수 값을 사용하여 자신의 체증흐름의 전송허용속도를 증가시키는 최적계수기반 속도증가 기능(205)으로 구성된다.

각 노드는 체증발생 검출기능(201)으로 자신의 체증발생을 검출하고, 체증이 검출되면 최소 공정속도를 계산하여 유형 1의 공정성 패킷의 제어 값 영역에 담고, 자신의 주소를 발신노드 주소 영역에 담아서 상단노드로 통보하는데, 이는 종래방식과 동일하다.

상단노드는 공정속도 설정기능(202)에 의해 체증흐름의 전송 허용속도를 체증발생통보 패킷에 실려온 공정속도로 설정하는데, 이는 종래방식과 동일하다.

도 2에서 체증발생 검출시 체증노드는 최소 공정속도를 상단노드로 통보하는데(201), 이 과정을 첫 번째 재분배 사이클, 즉 사이클 0으로 간주하며, 최소 공정속도를 사이클 0에 적용되는 공정속도, 즉 공정속도 0이라 한다. 사이클 0에서 활성 상단노드들의 체증흐름 전송속도는 최소 공정속도로 강력히 통제되므로 X가 줄어드는데, 이 결과 X<(대역폭 재분배 시작 임계값(이하 L_Q 로 표기함)) 의 조건이 성립하면 사이클 0이 끝나고 대역폭 재분배기능(203)이 동작한다. L_Q 는 L_H≥L_Q≥L_S 의 범위를 갖는데, 여기서 L_S 는 대역폭 재분배 중단 임계값이다. 대역폭 재분배기능(203)은 병목링크의 가용속도를 측정하는 가용속도 측정기능과 가용속도를 활성 상단노드에 분배하기 위한 공정속도 갱신기능으로 구성된다. 가용속도 측정기능은 현재의 재분배 사이클이 종료되기 직전 일정시간(△T) 동안 STQ의 감소분(△X)를 측정한 후 △X 를 △T 로 나눈 값을 현재 사이클에서 병목링크의 가용속도로 산정한다. 여기서 △T는 관측구간의 지속시간과 같은 값을 가지나 더 짧은 시간단위로 트래픽 세이핑(shaping)이 이루어질 경우 그 시간단위의 값을 가질 수도 있다. 참고로 사이클의 종료시점은 관측구간의 종료시점과 일치한다. 공정속도 갱신기능의 동작절차는 도 3에 도시되어 있다.

현재의 재분배 사이클이 종료되면(301), 측정된 병목링크의 가용속도를 목표치와 비교하여 목표치보다 낮으면 재분배 사이클을 종료하고, 아니면 다음과 같이 가용속도를 분배한다; 먼저 활성 상단노드들의 체증흐름 전송속도 합을 계산하는데 (303), 이는 C에서 측정된 병목링크 가용속도와 체증노드의 노드 트래픽 전송속도를 감한 값이 된다, 즉 (활성 상단노드들의 체증흐름 전송속도 합) = C (병목링크 가용속도) (체증노드의 노드 트래픽 전송속도). 다음으로 속도부족 활성 상단노드 수를 추정하는데(304), 이는 활성 상단노드들의 체증흐름 전송속도 합 증가분(현재 사이클에서의 체증흐름 전송속도 합에서 직전 사이클에서의 체증흐름 전송속도 합을 뺀 값)을 현재 사이클에 적용된 공정속도로 나눈 값이 된다. 여기서 현재 사이클이 사이클 0일 경우 직전 사이클에서의 체증흐름 전송속도의 합은 0의 값을 갖는다. 그리고 현재 사이클에서 측정된 병목링크의 가용속도를 추정된 속도부족 활성 상단노드 수로 나눈 값을 공정속도 증가분으로 계산(305)한다. 대역폭 재분배가 중단된 상태가 아닐 경우(307) 계산된 공정속도 증가분을 현재 사이클에 적용된 공정속도에 더한 값을 다음 사이클에 적용될 최적 공정속도로 계산하고, 최소 공정속도 대신 계산된 최적 공정속도를 담은 체증발생 통보 패킷을 상단노드로 통보한다(306). 그러면 다음 대역폭 재분배 사이클이 시작된다.

이와 같은 대역폭 재분배 사이클은 병목링크 가용속도가 목표치보다 낮아질 때까지 반복된다(302). 재분배 사이클이 진행되는 동안 체증노드에서 체증 발생이 검출되면 다시 사이클 0이 시작된다. 그리고 재분배 사이클이 진행되는 동안 X<L_S 의 조건이 성립하면 대역폭 재분배에 의한 공정성 달성이 실패한 것으로 판단하고 재분배 과정을 중단한다. 재분배 과정 중단시 종래방식과 마찬가지로 널값의 공정속도를 상단노드에게 통보하여 상단노드가 속도증가 함수에 의해 체증흐름 전송 허용속도를 높이도록 하는데, 널값의 공정속도 통보 패킷에 최적 계수값을 같이 실어보내어 속도증가 함수내 64의 기본 계수값 대신 사용하도록 한다. 최적계수값의 계산방법은 다음과 같이 한다; 속도부족 활성 상단노드 수에 조정계수 α를 곱한 후 정수가 아닐 경우 소수점 이하를 절상한 결과 값을 최적계수로 산정하는데 최적계수값이 1보다 작으면 1의 값을, 255이상이면 255의 값을 갖도록 한다. 여기서 조정계수 α는 0보다 큰 값을 갖는데, α가 너무 작을 경우 갑작스런 체증이 발생할 수 있는 반면, 너무 클 경우 활성 상단노드의 체증 흐름의 전송 허용속도의 증가가 너무 느려서 병목링크의 대역폭이 손실될 가능성이 있다. α는 2의 기본값을 가지며 네트워크 관리자가 변경할 수 있다. 널값의 공정속도 통보 패킷내 최적계수값의 수용방법은 다음과 같다; 널값의 공정속도를 유형 1의 공정성 패킷의 제어값 영역에 담고 산정된 최적계수 값을 13비트의 예약영역 중 하위 8비트(401)영역에 담는다.

널값의 공정속도를 통보받은 상단노드에서 수행되는 최적계수기반 속도증가 기능(205)은 종래방식에서 사용되던 계수값 대신 함께 실려 온 최적계수 값을 사용하여 자신의 체증흐름 전송 허용속도를 증가시킨다.

본 발명은 체증노드에서 병목링크의 가용속도를 측정하고 속도 부족 활성 상단노드의 수를 추정한 후 이로부터 최적 공정속도를 산정하고, 산정된 최적 공정속도를 상단노드로 통보하여 병목링크의 가용속도를 정확하고 공평하게 재분배하는 공정 대역폭 재분배 기반의 레질런트 링 공정성 제어 방식으로서. 병목링크의 대역폭 손실을 최소화함은 물론 가용 링 트래픽의 간헐성 특성을 좋게 하는 효과가 기대된다.

Claims

IEEE 802.17 작업반에서 표준화한 레질런트 패킷링의 공정성 제어 방식에 있어서,

체증노드가 현재의 재분배 사이클이 종료되기 직전 일정시간(△T) 동안 STQ의 감소분(△X)를 측정한 후 △X 를 △T 로 나눈 값을 현재 사이클에서 병목링크의 가용속도로 산정하는 병목링크의 가용속도 측정 방법;

체증노드가 활성 상단노드들의 체증흐름 전송속도 합 증가분을 현재 사이클에 적용된 공정속도로 나눈 값으로 속도부족 활성 상단노드 수를 추정하는 방법(303,304);

체증발생 노드가 현재 사이클에서 측정된 병목링크의 가용속도를 추정된 속도부족 활성 상단노드 수로 나눈 값을 공정속도 증가분으로 계산하고(305), 대역폭 재분배가 중단되지 않았을 경우(307) 계산된 공정속도 증가분을 현재 사이클에 적용된 공정속도에 더한 값으로 최적 공정속도를 산정하여 최소 공정속도 대신 산정된 최적 공정속도를 담은 체증발생 통보 패킷을 상단노드로 통보하는 방법(306);

체증노드에서 측정된 병목링크의 가용속도가 목표치와 같거나 낮을 경우 대역폭 재분배를 중단하고 아니면 대역폭 재분배 과정을 반복하는 방법(302); 및

체증노드에서 중계버퍼에 대기중인 트래픽 량이 재분배 중단 임계값보다 작을 경우 대역폭 재분배를 중단시킨 후 최적 계수값을 담은 널값의 공정속도를 상단노드로 통보하는 방법으로 구성되는 공정 대역폭 재분배 기반의 공정성 제어 방법.