KR101330503B1 - 홉 수를 이용한 전송 대역 할당 장치 및 그 방법 - Google Patents

Abstract

대역폭 할당 장치 및 그 방법이 개시된다. 본 발명은 네트워크상에서 송신장치로부터 복수의 수신장치로 데이터를 전송할 때 송신장치에서 상기 복수의 수신장치의 각각에 대한 전송 대역폭을 할당하는 방법에 있어서, 하나 이상의 라우터를 포함하고 송신장치로부터 각 수신장치까지 데이터 패킷이 전송되는 각 전송 플로우에 대해, 각 전송 플로우 상의 각 라우터마다의 패킷 손실률을 계산하는 단계; 상기 패킷 손실률에 기초하여 각 전송 플로우에 대한 대역폭을 할당하는 단계;를 포함한다.

Description

홉 수를 이용한 전송 대역 할당 장치 및 그 방법{Method and Apparatus of fairness based on hop count}

본 발명은 전송 대역폭 할당 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 송신장치에서 수신장치까지의 데이터 전송 경로(전송 플로우(flow))의 홉(hop) 수를 기반으로 전송 대역폭을 할당할 수 있는 전송 대역폭 할당 장치 및 방법에 관한 것이다.

최근 장거리/고대역폭 네트워크에서의 데이터 전송이 빈번해지고 있다. 산업현장에서 해외 사업장간의 도면 전송이나 영화 촬영지에서 스튜디오까지의 대용량 데이터 전송 사례 등은 쉽게 접할 수 있는 장거리 통신 예시라고 할 수 있겠다. 이러한 원거리 통신에서는 여러 라우터를 거치기 마련인데, 유선 통신에서의 데이터 손실은 대부분 라우터에서 발생한다. 다시 말해, 물리적인 전송 매체에 의한 패킷 에러보다 중간 지점인 라우터에서의 버퍼 오버플로우에 의한 데이터 손실이 대부분이라는 의미이다. 즉 손실 지점(라우터)을 많이 포함하는 전송 경로일수록 데이터 손실 확률은 높아지기 마련이므로 데이터가 전송되는 경로의 라우터 수(홉(hop) 수)를 고려하여 경로의 효율성(전송 성공률)을 판단하고, 이에 따라 데이터 전송을 제어하는 방법에 대한 고민이 필요하다.

한편 여러 트래픽이 공유하는 네트워크에서 상호 트래픽 간 공정성(fairness)을 유지하면서 혼잡현상을 방지하는 기술에 대한 많은 연구가 되어 왔다. 이러한 연구들은 크게 두 가지로 분류할 수 있는데, (1) 서로 다른 프로토콜을 사용하는 플로우간 공정성(Inter-protocol fairness)을 유지하는 방법과 (2) 동일한 프로토콜을 사용하는 플로우간 공정성(Intra-protocol fairness)을 위한 제어 기법이다. 상이한 프로토콜을 사용하는 플로우간의 공정성 제어 방법에는 대표적으로 TCP와 UDP 트래픽 간의 균형을 맞추기 위한 제어 기법을 들 수 있는데, 보통 TCP의 스루풋 방정식(throughput equation)을 이용하거나 전체 가용 네트워크 대역폭 대비 최대 사용 비율을 제한함으로써 UDP 방식의 네트워크 장악을 막는 방법을 주로 사용한다.

동일 프로토콜을 사용하는 플로우간의 공정성 제어는 동일 전송제어기법으로 운영되는 트래픽 전송 간의 우선순위를 결정하는 방식에 따라 운영방식이 달라진다. 그 중 모든 트래픽을 동일한 수준으로 다루어 대역폭을 분배하는 방식(Uniform fairness: 균등 공정)과 높은 성능을 내는 플로우에 우선권을 부여하고 그에 따라 대역폭을 분배하는 방식(Proportional fairness: 비례 공정)이 대표적인데, 통상적으로 비례공정 방식이 전체 운영 시스템의 효율성을 높여준다고 알려져 있다.

그런데 데이터가 전송되는 각 플로우의 성능을 판단하는 종래 기술들의 대부분은 RTT(Round Trip Time), 큐잉 딜레이(Queuing delay)와 같은 시간과 관련한 요소들로 가용 대역폭을 예측하거나, 패킷 손실 발생 여부, 패킷 손실률, 패킷 수신율과 같이 패킷 손실과 관련한 요소들로 네트워크 상황을 판단한다.

송신자로부터 수신자까지의 데이터 도달 시간을 나타내는 RTT나 전송 과정에서 발생하는 큐잉 딜레이 등과 같은 시간과 관련한 요소들은 가용 대역폭을 예측할 수 있는 가장 중요한 요소이지만, 응용단의 처리 속도가 실시간에 가까울 정도로 빨라야 하며 시간 측정의 정확도가 매우 높아야 사용이 가능하다. 예를 들면 자바와 같이 가상 머신 위에서 동작하는 언어로 작성된 응용이나 모바일 디바이스에서 동작하는 응용에서는 정확한 추정이 안 될 수가 있다. 또한 패킷 손실과 관련한 요소들은 종단간 손실률(End to End Loss Rate)을 구하는 방식이 대부분이다. 즉, 송신장치에서 전송된 패킷 대비 수신장치에서 수신한 패킷의 비율을 이용하여 전송 효율성을 측정하는데, 이는 데이터 손실이 발생하는 위치 및 그 확률 등에 대한 분석을 배제하고 있다.

따라서 손실 발생 지점의 위치와 그 지점에서의 손실 확률을 고려하여 보다 정확한 전송 제어를 행하는 방법이 요구된다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 응용계층에서의 데이터 전송 기법에 있어서, 데이터 전송 경로의 효율성을 판단할 수 있는 방법을 제시하고 이를 이용한 전송 대역폭을 할당하는 장치 및 방법을 제안한다.

본 발명의 다른 대안적인 실시예에 따르면, 전송경로의 효율성을 판단할 수 있는 전송 효율성 판단 방법을 제안한다.

본 발명의 다른 대안적인 실시예에 따르면, 복수의 전송경로들 중에서 최적의 전송 효율성을 가진 전송경로를 선택할 수 있는 방법을 제안한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 네트워크상에서 송신장치로부터 복수의 수신장치로 데이터를 전송할 때 송신장치에서 상기 복수의 수신장치의 각각에 대한 전송 대역폭을 할당하는 방법에 있어서, 하나 이상의 라우터를 포함하고 송신장치로부터 각 수신장치까지 데이터 패킷이 전송되는 각 전송 플로우에 대해, 각 전송 플로우 상의 각 라우터마다의 패킷 손실률을 계산하는 단계; 상기 패킷 손실률에 기초하여 각 전송 플로우의 예상 손실률을 계산하는 단계; 및 상기 각 전송 플로우의 예상 손실률에 기초하여 각 전송 플로우에 대한 대역폭을 할당하는 단계;를 포함하는 대역폭 할당 방법을 제시한다.

본 발명의 대안적인 실시예에서 따르면, 상기 대역폭 할당 방법을 컴퓨터에서 실행하기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 제시한다.

본 발명의 다른 대안적인 실시예에 따르면, 네트워크상에서 송신장치로부터 복수의 수신장치로 데이터를 전송할 때 상기 복수의 수신장치의 각각에 대한 전송 대역폭을 할당하는 대역폭 할당 장치에 있어서, 송신장치로부터 각 수신장치까지 데이터 패킷이 전송되는 각 전송 플로우에 대해, 각 전송 플로우 상의 각 라우터마다의 패킷 손실률을 계산하고; 상기 패킷 손실률에 기초하여 각 전송 플로우에 대한 홉 수에 의한 손실률을 계산하고; 상기 홉 수에 의한 손실률에 기초하여 각 전송 플로우의 예상 손실률을 계산하고; 그리고 상기 각 전송 플로우의 예상 손실률에 기초하여 각 전송 플로우에 대해 대역폭을 할당하는 대역폭 할당장치를 제시한다.

본 발명의 다른 대안적인 실시예에 따르면, 네트워크상에서 송신장치로부터 수신장치로 데이터를 전송할 때 사용하는 전송경로의 전송 효율성을 판단함에 있어서, 상기 전송경로에 포함된 라우터들 각각에 대한 패킷 손실율을 계산하는 단계; 및 상기 패킷 손실율에 기초하여, 상기 전송경로가 효율적인지 여부를 판단하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전송 효율성 판단 방법을 제시한다.

본 발명의 다른 대안적인 실시예에 따르면, 송신장치에서 복수의 수신장치에 데이터를 전송할 때 사용되는 각각의 전송경로들 중에서 최적 효율성을 가진 전송경로를 결정하는 방법에 있어서, 상기 송신 장치로부터 상기 수신장치들까지의 각각의 전송경로에 포함된 라우터들 에 대한 패킷 손실율을 계산하는 단계; 및 상기 계산된 패킷 손실율에 기초하여, 상기 전송경로들 중에서 최적 효율성을 가진 전송경로를 결정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 최적 효율성을 가진 전송경로 결정 방법을 제시한다.

본 발명의 실시예에 따르면 원거리 통신에서의 홉 수를 고려하는 보다 섬세한 데이터 전송 제어 기법을 제안함으로써 많은 사용자가 네트워크를 원활하게 공유할 수 있는 환경을 제공한다. 특히, 전송 경로의 홉 수를 반영한 경로의 성능 평가 척도와 그 척도를 활용한 간단하면서도 실현 가능한 알고리즘을 통해, 네트워크 서비스 제공자 및 데이터 전송 서비스 이용자들에게 네트워크 혼잡상황을 예방하는 동시에 전송 자원 사용의 효율성을 높일 수 있는 가이드를 제공할 수 있다.

도1은 송신장치와 수신장치가 네트워크를 통해 연결된 모습을 나타내는 전체 네트워크 구성도.
도2는 전송 플로우상의 각 라우터에서의 패킷 손실률을 구하는 방법을 나타내는 것으로, 도2a는 라우터1의 패킷 손실률을 구하는 방법, 도2b는 라우터2의 패킷 손실률을 구하는 방법을 각각 나타내는 도면.
도3은 하나의 송신장치에서 다수의 수신장치로 데이터를 전송할 경우를 나타내는 도면.
도4는 각 전송 플로우에 대해 대역폭을 할당하는 방법을 나타내는 흐름도.

이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시 예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시 예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다' 또는 '포함하는'은 언급된 구성요소 외에 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하도록 한다. 아래의 특정 실시 예들을 기술하는데 있어서, 여러 가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 독자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있다. 어떤 경우에는, 발명을 기술하는 데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는 데 있어 별 이유 없이 혼돈이 오는 것을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.

도1은 본 발명의 일 실시예에 따라 송신장치와 수신장치가 네트워크를 통해 연결된 모습을 나타내는 전체 네트워크 구성도이다. 송신장치(20)는 네트워크(10)를 통해 수신장치(30)와 연결되어 소정 데이터를 데이터 패킷의 형식으로 전송한다. 일 실시예에서 네트워크(10)는 인터넷을 의미하지만 이에 한정되지 않고 송수신장치를 연결하는 임의의 유무선 네트워크가 될 수 있다. 또한 본 발명의 일 실시예에서 네트워크는 다수의 라우터를 포함하고 있고 송신장치는 이들 라우터를 통해 수신장치까지 데이터를 전송한다.

송신장치(20)는 하나 이상의 수신장치(30)로 데이터를 전송하는 장치를 의미하고 일 실시예에서 웹서버가 될 수 있다. 수신장치(30)는 송신장치(20)로부터 데이터를 받는 장치를 의미하며 일 실시예에서 클라이언트 컴퓨터가 될 수 있다. 도면에서 수신장치(30)를 하나만 도시하였으나 본 발명은 하나의 송신장치(20)가 다수의 수신장치(30)에 데이터를 전송하는 경우를 포함한다. 이 때 각 수신장치(30)로 전송되는 데이터 패킷은 도면에 도시된 하나의 경로, 즉 "라우터1 -> 라우터2 -> ... -> 라우터n"을 거치는 것이 아니라 각자 다른 경로를 따라 각 수신장치로 전송된다. 이하에서는 송신장치에서 하나의 수신장치로 데이터 패킷이 전송되는 경로를 '전송 경로' 또는 '전송 플로우'라고 칭하기로 한다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기와 같은 네트워크상에서 송신장치로부터 복수의 수신장치로 데이터를 전송할 때, 송신장치에서 상기 복수의 수신장치의 각각에 대한 전송 대역폭을 할당하는 방법 및 장치를 제시하며, 그 구체적 구성으로서, 각 전송 플로우에 대해 종단간 손실률과 홉 수에 의한 손실률을 고려한 예상 손실률을 계산하고, 이렇게 계산된 각 전송 플로우의 예상 손실률을 정렬하여 전송 플로우의 경로 효율성에 따라 차등적으로 대역폭을 할당하는 방법 및 대역폭 할당장치를 제시한다.

이를 위해 도1에 도시된 본 발명의 일 실시예에서 송신장치(20)는 대역폭 할당부(21)를 포함한다. 대역폭 할당부(21)는 상기 설명한 바와 같이 각 전송 플로우에 대해 예상 손실률을 구하고 이 예상 손실률을 정렬하여 전송 플로우의 경로 효율성에 따라 각 전송 플로우마다 차등적으로 대역폭을 할당하는 역할을 담당한다.

도1 및 이하에 설명하는 실시예에서는 대역폭 할당부(21)가 송신장치(20) 내에 있는 것으로 설명하고 있지만, 이는 하나의 실시예에 불과하고, 예컨대 대역폭 할당부(21)가 송신장치(20)와 별개의 장치로서 송신장치(20) 외부에 개별적으로 존재할 수도 있다. 이 경우 송신장치(20)는 대역폭 할당에 필요한 데이터를 대역폭 할당부(21)에 전송하고 대역폭 할당부(21)는 이 데이터에 기초하여 전송 플로우의 예상 손실률을 계산하고 각 전송 플로우별로 할당될 대역폭을 산출하여 송신장치(20)에 알려주고, 송신장치(20)는 이에 기초하여 각 전송 플로우별로 대역폭을 설정하여 데이터를 송신하게 된다.

1. 예상손실률( Expected Loss Rate ) 및 경로 효율성(( path efficiency )

본 발명의 일 실시예에 따라, 각 전송 플로우의 경로 효율성을 산출할 때 종단간 손실률(End-to-End(E2E) loss rate) 및 경로의 홉 수에 의한 손실률을 동시에 고려하는 방안을 제시한다.

우선 아래 수식1과 같이 경로 효율성을 정의하기 위해 예상 손실률(Expected Loss Rate)이라는 개념을 이용한다. 임의의 전송 경로의 경로 효율성은 1에서 해당 전송 경로의 예상 손실률을 뺀 값으로 정의되고, 예상 손실률은 종단간 손실률(E2E Loss Rate: 송신장치로부터 전송된 패킷이 최종 수신장치에 도달하지 못하는 확률)과 함께 경로의 홉 수에 의한 손실률(전송 경로의 홉 수를 고려함으로써 경로에 포함되는 라우터의 개수에 따른 패킷의 손실 확률)을 더한 값으로 정의한다.

(1) 종단간 손실률(E2E Loss Rate): L

종단간 손실률(L)은 해당 전송 경로상에 존재하는 모든 라우터에서의 패킷 손실 확률이 고려된 값으로서, L = (수신장치의 수신 패킷 수)/(송신장치의 전송 패킷 수) 로 계산된다. 즉 일정 시간 동안 송신장치에서 전송한 패킷의 수와 그와 동일 시간동안 수신장치에서 수신한 패킷의 수를 카운트함으로써 쉽게 얻어질 수 있다.

일반적으로 데이터 패킷이 송신장치에서 수신장치까지 전송되는 동안 라우터에서의 패킷 손실뿐만 아니라 물리적 전송매체에 의한 손실, 송수신측에서의 패킷 처리과정에서 발생하는 손실 등 여러 다양한 원인에 의해 패킷이 손실될 수 있는데, 상기 종단간 손실률(L)은 양 종단(송신장치와 수신장치)에서의 송/수신 패킷량을 카운트하여 산출되는 값이므로 이러한 다양한 손실 원인에 의한 패킷 손실까지도 모두 포함하는 개념이다.

(2) 홉 수에 의한 손실률

상기와 같이 종단간 손실률은 전송 경로의 중간에 데이터 손실이 발생하는 위치(개별 라우터들) 및 그곳에서의 손실 확률을 고려하지 못하는 단점이 있다. 이에 본 발명의 일 실시예에서는 '홉 수에 의한 손실률' 이라는 개념을 도입하여 각 전송 경로 중의 각 라우터마다의 패킷 손실 확률을 고려하는 방안을 제시한다.

아래 수식2에서와 같이, 홉 수에 의한 손실률은 송신장치로부터 전송된 임의의 패킷이 i번째 라우터에서 손실될 확률의 가중치 합으로 정의된다.

위 식에서 n은 전송 경로에서의 홉 수로서 "(경로 내의 라우터의 개수)+1"과 동일한 값을 가지며, P _i 는 임의의 패킷이 송신장치로부터 i번째 라우터에서 손실될 확률이고, γ _i 는 송신장치로부터 i번째 라우터에서 패킷이 손실될 확률에 대한 가중치이다.

홉 수가 증가함에 따라(즉 n이 증가함에 따라) 수식 값도 증가하기 때문에 상기 수식에 의해 홉 수에 의한 패킷 손실 가능성을 반영할 수 있다.

위 식에서 P _i 는 각 라우터에서의 패킷 손실률로서, 종래에는 네트워크 전체 관점에서 각 라우터마다의 패킷 손실률을 알 수는 있었지만, 애플리케이션 계층, 즉 송신장치 측에서는 그 값을 알 수 없었다. 이에 대해 본 발명의 일 실시예에서는 송신장치가 전송하는 데이터 패킷의 TTL(Time To Live) 값을 소정 값으로 설정하고 그에 대한 ICMP 메시지를 각 라우터로부터 전송받음으로써 전송장치 측에서 각 라우터마다의 패킷 손실률(P _i )을 구할 수 있다. 이에 대해서는 아래에서 상술하기로 한다.

한편 γ _i 는 0이상 1이하의 값으로 송신장치에서 미리 설정할 수 있으며, 그 설정에 따라 패킷이 손실되는 지점(라우터)의 중요도를 정의할 수 있다. 예를 들어, 송신장치로부터 가까운 라우터일 수록 그 지점에서의 패킷 손실은 수신장치까지의 패킷 전달에 더 중요한 역할을 한다고 판단될 때 그 가중치의 값을 크게 할 수 있다. 또한 이 가중치를 이용해 공정성(fairness) 알고리즘에서 활용할 수 있다.

(3) 예상 손실률(Expected Loss Rate)

예상 손실률은 상기 종단간 손실률(L)과 홉 수에 의한 손실률의 가중치의 합으로 표현되며, 수식3으로 나타내듯이 (예상 손실률) = α*(종단간 손실률) +(1-α)*(홉 수에 의한 손실률)로서 정의된다.

각 요소의 가중치를 결정하는 α는 0이상 1이하의 값으로 전송 경로상의 손실률을 정의하는데 있어서 종단간 손실률과 홉 수에 의한 손실률 사이의 중요도를 결정하는 시스템 파라미터 이며 송신장치에서 임의로 설정할 수 있는 값이다. 예를 들어 α가 1인 경우는 홉 수에 의한 손실 영향을 배제하고 온전히 종단간 손실률만을 고려하는 것이고, α가 0인 경우는 종단간 손실률을 배제하고 홉 수에 의한 손실률만을 예상 손실률로서 고려하는 것이다.

(4) 경로 효율성

경로 효율성은 패킷의 전달 성공률을 의미하며, 수식1에서 나타내었듯이 1에서 예상 손실률을 뺀 값으로 정의되며 수식으로는 아래 수식4와 같이 표현된다.

2. 라우터의 패킷손실률( P _i ) 계산

수식2로 표현하였듯이 홉 수에 의한 손실률을 구하기 위해서는 전송 경로 상의 모든 라우터의 각각에 대해 패킷 손실률(P _i )을 우선 구해야 한다. 본 발명의 일 실시예에서 패킷 손실률(P _i )은 패킷 헤더에 입력되는 TTL(Time To Live) 값을 활용해서 실험적으로 구할 수 있다. 송신장치에서 설정한 TTL은 패킷이 네트워크에 존재할 수 있는 시간을 한정하는 목적으로 사용되는데, 원래는 시간의 개념이지만 통상적으로 홉의 개념으로도 사용된다.

패킷 전달 경로의 라우터는 수신한 패킷을 다음 라우터로 전달할 때마다 TTL값을 1씩 줄인 후 전송하는데, TTL=0이 되는 경우에는 패킷을 버리면서 송신장치에게 ICMP 메시지를 보내어 패킷이 버려졌음을 알린다. 본 발명의 일 실시예에서는 이 원리를 활용하여 송신장치로부터 전송된 임의의 패킷이 i번째 라우터까지 성공적으로 전달될 확률을 구할 수 있으며, 송신자로부터 가장 가까운 라우터에서의 패킷 손실률 값을 구하기 시작해서 점차 먼 지점의 라우터에서의 패킷 손실률 값을 구해낼 수 있다.

도2는 이러한 방법으로 라우터의 패킷 손실률(P _i )을 구하는 구체적 방법을 나타내고 있는데, 도2a는 전송경로 상에서 송신장치에 바로 인접하는 라우터(라우터1)에서의 패킷 손실률을 구하는 방법, 도2b는 그 다음 라우터(라우터2)에서의 패킷 손실률을 구하는 방법을 각각 나타내는 도면이다.

도2a를 참조하면, 송신장치로부터 첫번째 라우터(라우터1)의 패킷 손실률, 즉 P ₁을 구하기 위해 우선 TTL 값을 1로 설정하여 S₁개의 패킷을 해당 전송 경로로 전송한다. TTL 값이 1인 S₁개의 패킷 중 R₁개의 패킷이 라우터1에 도착했다면 TTL 값은 0이 되어 그 패킷은 버려지고 라우터1은 이에 대한 ICMP 메시지를 송신장치에게 전송한다.

이 때 TTL=1로 설정되어 전송된 패킷의 수(S₁) 대비 정상적으로 라우터1로부터 ICMP 메시지가 도착한 패킷의 수(R₁)의 비율을 계산하면 패킷이 라우터1까지 성공적으로 도달할 확률을 얻을 수 있다. 이를 수식으로 표현하면 아래 수식5와 같다.

다음 도2b를 참조하면, 송신장치로부터 2번째 라우터(라우터2)의 패킷 손실률(P ₂)을 구하기 위해 TTL 값을 2로 설정하여 S₂개의 패킷을 전송한다. 패킷은 라우터1을 거치면서 TTL 값이 1이 되고, 라우터2가 해당 패킷을 수신하면 TTL 값은 0이 되고 라우터2는 이 패킷을 버리면서 ICMP 메시지를 송신장치에 전송한다. 따라서 TTL=2로 설정되어 전송된 패킷의 수(S₂) 대비 정상적으로 라우터2로부터 ICMP 메시지가 도착한 패킷의 수(R₂)의 비율을 계산하면 패킷이 라우터2까지 성공적으로 도달할 확률을 얻을 수 있다. 이를 수식으로 표현하면 아래 수식 6과 같다.

그리고 위 수식6에 수식5를 대입하면 아래 수식7이 얻어진다.

즉 라우터2에서의 패킷 손실률(P ₂)은 라우터1의 패킷 성공률 계산을 위해 사용한 변수(S₁, R₁) 및 라우터2의 패킷 성공률 계산을 위해 사용한 변수(S₂, R₂)로부터 구할 수 있다.

마찬가지로 라우터3에서의 패킷 손실률은 수식8과 같고,

여기에 수식6을 대입하면,

이고, 위 수식9를 일반화하면, i번째 라우터에서의 패킷 손실률(P _i)은 다음과 같이 표현된다.

이 때 S_i은 송신장치에서 TTL=i 로 설정하여 전송한 패킷 수, R_i는 이 패킷 중에서 송신장치가 TTL=0 임을 나타내는 ICMP 메시지를 수신받은 패킷 수이고, 그리고 S_{i -1}은 송신장치에서 TTL=(i-1) 로 설정하여 전송한 패킷 수, R_{i - 1}는 이 패킷 중에서 송신장치가 TTL=0 임을 나타내는 ICMP 메시지를 수신받은 패킷 수이다.

이상과 같은 방법을 통해 송신장치에서 가장 가까운 라우터1에서의 패킷 손실률부터 구하기 시작해서 반복적인 풀이방법(recursive method)을 사용하여 점차 먼 지점의 라우터에서의 패킷 손실률(P _i)을 구할 수 있다.

3. 예상손실률을 이용한 전송 플로우간 대역폭 할당 알고리즘

이하에서는 위에서 구한 각 전송 경로(전송 플로우)의 예상 손실률 및 그에 따른 경로 효율성을 대역폭 할당 알고리즘에 이용하는 방법을 설명하기로 한다.

본 발명에서 제안하는 전송 플로우별 공정성 유지 알고리즘은 동일 프로토콜 이용하는 플로우간 공정성(Intra-protocol fairness)에 관한 것으로, 하나의 송신장치에서 여러 수신장치로 데이터를 전송하는 경우에, 송신장치의 정해진 가용 대역폭을 각 전송 플로우에 나누어 할당해야 할 때 각 플로우 간 할당된 대역폭의 비율에 있어서의 공정성을 의미한다. 여기서 공정성(fairness)이라는 것은 항상 동일한 비율로 대역폭을 할당하는 것(Uniform Fairness)이 아니라 사용자의 경로의 성능에 따라 차등 할당하는 방식(Proportional fairness)을 이용한다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 여러 수신장치에 전송 서비스를 할 때 수신장치 당 플로우 간 공정성을 유지하는 알고리즘 설계에 다음의 개념을 사용한다.

- 각 전송 플로우의 예상 손실률(Expected Loss Rate)을 이용한다.

- 각 전송 플로우별 예상 손실률의 값에 따라 차등적으로 대역폭을 할당한다. 즉 예상 손실률이 작을수록 (즉, 경로 효율성이 클수록) 더 많은 대역폭을 할당 받는데, 이것은 제한된 대역폭 사용량의 사용 효율성을 높이는 효과를 준다.

이제 도3 및 도4를 참조하여 상기 알고리즘을 설명한다. 도3은 하나의 송신장치에서 K개의 수신장치로 데이터를 전송하는 경우를 나타내는 도면이다. 도3에 도시되었듯이 하나의 송신장치가 다수의 수신장치와 각각의 전송 플로우로 연결되어 데이터를 전송하는 경우를 가정한다. 각 전송 플로우별 예상 손실률 및 할당되는 대역폭은 임의의 플로우를 나타내는 인덱스 k를 이용하여 (l _k , b _k )로 표현되어 있다. 여기에서 l _k 는 임의의 전송 플로우에 대한 예상 손실률이고, b _k 는 이 전송 플로우에 할당되는 대역폭, 그리고 B는 송신장치가 사용할 수 있는 전체 대역폭이다.

도4는 각 전송 플로우에 대해 대역폭을 할당하는 방법을 나타내는 흐름도로서, 우선 단계(S111)에서 각 전송 플로우마다 예상 손실률(l _k )을 구한다. 예상 손실률은 종단간 손실률과 홉 수에 의한 손실률의 가중치의 합으로 구성되고, 각각의 손실률은 위에서 이미 설명한 방법에 의해 구할 수 있다.

그 후 단계(S113)에서 각 플로우의 예상 손실률(l _k )의 값에 따라 전송 플로우들을 오름차순으로 정렬한다. 이에 따라 결과적으로 l ₁ < l ₂ ... < l _k , < ... l _{K -1} < l _K 가 된다. 즉 전송 플로우 K의 예상 손실률(l _K )이 가장 높고, 이 최소 경로 효율성을 갖는 전송 플로우를 기준 플로우로서 선택한다(단계 S115).

K개의 수신장치는 송신장치가 가진 전체 대역폭B를 할당 받는데, 할당 비율은 각 플로우별 패킷 전달 성공률, 즉 경로 효율성을 기반으로 하며, 경로 효율성이 높을수록 많은 대역폭을 할당 받는다. 구체적으로, 패킷 전달 성공률이 가장 낮은 K번째 수신장치의 경로 효율성 (1-l _K ) 대비 각 전송 플로우의 경로 효율성 (1-l _k )의 비율을 구한다(단계 S117). 이 내용을 수식으로 표현하면 다음과 같다.

이 때 상기 수식11은 아래 수식13과 같이 나타낼 수 있는데,

수식13으로부터 성공률이 가장 낮은 수신장치(k=K인 수신장치)가 할당받는 대역폭(b _K )(즉 가장 적은 대역폭)을 구할 수 있고, 이 값을 수식12에 대입하여 각 전송 플로우에 할당되는 대역폭(b _k )을 구하게 된다(단계 S119).

한편 대안적인 실시예에서, 패킷 전달 성공률이 가장 낮은 수신장치를 기준으로 삼는 대신, 패킷 전달 성공률이 가장 높은 수신장치(k=1인 수신장치)의 경로 효율성 (1-l ₁ ) 대비 각 전송 플로우의 경로 효율성 (1-l _k )의 비율을 구할 수도 있다. 이 경우 수식 11은 동일하고 수식12와 수식13은 각각 다음과 같이 바뀐다.

수식15로부터 성공률이 가장 높은 수신장치(k=1인 수신장치)가 할당받는 대역폭(b ₁ )(즉 가장 많은 대역폭)을 구할 수 있고, 이 값을 수식14에 대입하여 각 전송 플로우에 할당되는 대역폭(b _k )을 구할 수 있다.

또한 마찬가지 방법으로 임의의 수신장치를 기준으로 삼아 이 수신장치의 대역폭을 먼저 구한 다음 이와 대비하여 다른 수신장치의 대역폭의 비율을 구하여 대역폭을 할당하는 방법도 가능하다.

한편, 상술한 대역폭 할당 장치 및 방법에 사용된 패킷 손실율을 계산하는 기술은, 네트워크상에서 송신장치로부터 송신장치로 전송할 때 사용하는 전송경로의 전송 효율성을 판단하는 방법으로도 사용될 수 있다. 예를 들면, 전송 효율성을 판단하고자 하는 대상이 되는 전송경로에 포함된 라우터들 각각에 대한 패킷 손실율을 계산하고, 이 패킷 손실율에 기초하여 전송경로가 효율적인지 여부를 판단할 수 있다. 한편, 전송 경로가 효율적인지 여부를 판단할 때, 상기 계산된 패킷 손실율에 기초하여 상기 전송경로의 예상 손실율을 먼저 계산을 하고, 계산된 예상 손실율에 기초하여 전송경로가 효율적인지 여부를 판단할 수 있다. 전송경로가 효율적인지 여부의 판단은, 예를 들면, 기설정된 기준 손실율과, 상기 계산된 예상 손실율을 비교하여 상기 예상 손실율이 기준 손실율보다 적은 경우 상기 전송경로가 효률적이라고 판단할 수 있을 것이다. 여기서, 패킷 손실율과 예상 손실율을 구하는 방법은 위 실시예들에서 설명한 방법들을 사용할 수 있다.

또한, 상술한 대역폭 할당 장치 및 방법에 사용된 패킷 손실율을 계산하는 기술은, 송신장치에서 복수의 수신장치에 데이터를 전송할 때 사용되는 각각의 전송경로들 중에서 최적 효율성을 가진 전송경로를 결정하는 방법으로도 사용될 수 있다. 예를 들면, 송신장치에서 복수의 수신장치에 데이터를 전송할 때 사용되는 각각의 전송경로들 중에서 최적 효율성을 가진 전송경로를 결정할 때, 먼저 송신 장치로부터 수신장치들까지의 각각의 전송경로에 포함된 라우터들에 대한 패킷 손실율을 계산하고, 이 계산된 패킷 손실율에 기초하여, 전송경로들 중에서 최적 효율성을 가진 전송경로를 결정할 수 있다. 한편, 전송 경로를 결정할 때, 상기 계산된 패킷 손실율에 기초하여 상기 전송경로의 예상 손실율을 먼저 계산을 하고, 계산된 예상 손실율들 중 가장 낮은 예상 손실율을 가진 전송경로를 최적 효율성을 가진 전송경로로서 결정할 수 있다. 마찬가지로, 패킷 손실율과 예상 손실율을 구하는 방법은 위 실시예들에서 설명한 방법들을 사용할 수 있다.

이상과 같이 본 발명은 원거리 통신에서의 홉 수를 고려하는 보다 섬세한 데이터 전송 제어 기법을 제안함으로써 많은 사용자가 네트워크를 원활하게 공유할 수 있는 환경을 제공한다. 특히, 전송 경로의 홉 수를 반영한 경로의 성능 평가 척도와 그 척도를 활용한 간단하면서도 실현 가능한 알고리즘을 통해, 네트워크 서비스 제공자 및 데이터 전송 서비스 이용자들에게 네트워크 혼잡상황을 예방하는 동시에 전송 자원 사용의 효율성을 높일 수 있는 가이드를 제공할 수 있다.

상기와 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

10: 네트워크
20: 송신장치
21: 대역폭 할당부
30: 수신장치

Claims (20)

1. 네트워크상에서 하나의 송신장치로부터 복수의 수신장치로 데이터를 전송할 때 상기 송신장치에서 상기 복수의 수신장치의 각각에 대한 전송 대역폭을 할당하는 방법에 있어서,
   상기 송신장치가, 하나 이상의 라우터를 포함하고 송신장치로부터 각 수신장치까지 데이터 패킷이 전송되는 각 전송 플로우에 대해, 각 전송 플로우 상의 각 라우터마다의 패킷 손실률을 계산하는 단계; 및
   상기 송신장치가, 상기 패킷 손실률에 기초하여 각 전송 플로우의 예상 손실률을 계산하고 각 전송 플로우에 대한 대역폭을 할당하는 단계;를 포함하고,
   상기 각 라우터마다의 패킷 손실률은, 패킷 헤더에 입력되는 TTL(Time To Live) 값을 송신장치에서부터 해당 라우터까지의 홉 수로 설정한 소정 개수의 패킷을 송신장치가 해당 라우터로 전송하고, 송신장치가 해당 라우터로부터 TTL=0 임을 나타내는 ICMP 메시지를 수신받은 개수를 카운트함으로써, 산출되는 것을 특징으로 하는 전송 대역폭 할당 방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 대역폭을 할당하는 단계는, 상기 각 전송 플로우의 예상 손실률에 기초하여 각 전송 플로우에 대한 대역폭을 할당하는 단계인 것을 특징으로 하는 전송 대역폭 할당 방법.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 각 라우터마다의 패킷 손실률을 계산하는 단계는, 각 라우터의 패킷 손실률에 대해 가중치(γ)를 부여하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전송 대역폭 할당 방법.
4. 제 2 항에 있어서, 상기 각 전송 플로우의 예상 손실률은, 송신장치와 수신장치간의 종단간 손실률 및 전송 플로우의 홉 수에 의한 손실률에 기초하여 결정되는 것을 특징으로 하는 전송 대역폭 할당 방법.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 각 전송 플로우의 예상 손실률은,
   (예상 손실률) = α*(종단간 손실률) + (1-α)*(홉 수에 의한 손실률)
   이고, 여기서 α는 가중치로서 0 이상 1 이하의 값을 갖는 것을 특징으로 하는 전송 대역폭 할당 방법.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 종단간 손실률은 소정 시간 동안 송신장치에서 전송한 패킷 수와 수신장치에서 수신한 패킷 수를 카운트하여 산출되는 것을 특징으로 하는 전송 대역폭 할당 방법.
7. 제 1 항에 있어서, 전송 플로우에 n개(n은 2 이상의 정수)의 라우터가 있을 때, 상기 각 라우터마다의 패킷 손실률을 계산하는 단계는,
   패킷의 TTL 값을 1로 설정함으로써 송신장치로부터 1번째 라우터의 패킷 손실률을 구하는 단계; 및
   송신장치로부터 i번째(i는 정수) 라우터에 대해, 패킷의 TTL 값을 i로 설정함으로써 송신장치로부터 i번째 라우터까지 경로의 성공률을 구하고 이로부터 송신장치로부터 i번째 라우터의 패킷 손실률을 구하는 것을, i=2 부터 i=n이 될 때까지 i를 1씩 증가시키면서 반복하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전송 대역폭 할당 방법.
8. 제 7 항에 있어서, i번째 라우터의 패킷 손실률(P_i)은
   

   

   이고,
   이 때, S_i은 송신장치에서 TTL=i로 설정하여 전송한 패킷 수이고 R_i는 이 패킷 중에서 송신장치가 TTL=0 임을 나타내는 ICMP 메시지를 수신받은 패킷 수, 그리고, S_{i -1}은 송신장치에서 TTL=(i-1)로 설정하여 전송한 패킷 수이고 R_{i - 1}는 이 패킷 중에서 송신장치가 TTL=0 임을 나타내는 ICMP 메시지를 수신받은 패킷 수인 것을 특징으로 하는 전송 대역폭 할당 방법.
9. 제 2 항에 있어서, K개(단 K는 1보다 큰 정수)의 전송 플로우가 있을 때, 상기 각 전송 플로우에 대한 대역폭을 할당하는 단계는,
   각각의 전송 플로우에 대한 예상 손실률을 해당 손실률 값의 크기 순서대로 정렬하는 단계;
   송신장치의 전체 대역폭(B) 및 전체 예상 손실률 값으로부터 임의의 전송 플로우의 대역폭을 기준으로 각 전송 플로우의 대역폭 할당 비율을 산출하는 단계; 및
   상기 할당 비율에 따라 각각의 전송 플로우에 대역폭(b _k )을 할당하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전송 대역폭 할당 방법.
10. 네트워크상에서 하나의 송신장치로부터 복수의 수신장치로 데이터를 전송할 때 상기 복수의 수신장치의 각각에 대한 전송 대역폭을 할당하는, 상기 송신장치 내의 대역폭 할당 장치에 있어서,
    상기 대역폭 할당 장치는, 송신장치로부터 각 수신장치까지 데이터 패킷이 전송되는 각 전송 플로우에 대해, 각 전송 플로우 상의 각 라우터마다의 패킷 손실률을 계산하고; 상기 패킷 손실률에 기초하여 각 전송 플로우에 대한 홉 수에 의한 손실률을 계산하고; 상기 홉 수에 의한 손실률에 기초하여 각 전송 플로우의 예상 손실률을 계산하고; 그리고 상기 각 전송 플로우의 예상 손실률에 기초하여 각 전송 플로우에 대해 대역폭을 할당하며,
    이 때 상기 각 라우터마다의 패킷 손실률은, 패킷 헤더에 입력되는 TTL(Time To Live) 값을 송신장치에서부터 해당 라우터까지의 홉 수로 설정한 소정 개수의 패킷을 송신장치가 해당 라우터로 전송하고, 송신장치가 해당 라우터로부터 TTL=0 임을 나타내는 ICMP 메시지를 수신받은 개수를 카운트함으로써, 산출되는 것을 특징으로 하는 대역폭 할당장치.
11. 제 10 항에 있어서, 각 라우터의 패킷 손실률에 대해 가중치(γ)를 부여하여 상기 각 라우터마다의 패킷 손실률을 계산하는 것을 특징으로 하는 대역폭 할당장치.
12. 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서, 송신장치와 수신장치간의 종단간 손실률 및 전송 플로우의 홉 수에 의한 손실률에 기초하여 상기 각 전송 플로우의 예상 손실률을 결정하는 것을 특징으로 하는 대역폭 할당장치.
13. 제 12 항에 있어서, 상기 각 전송 플로우의 예상 손실률은,
    (예상 손실률) = α*(종단간 손실률) + (1-α)*(홉 수에 의한 손실률)
    이고, 여기서 α는 가중치로서 0 이상 1 이하의 값을 갖는 것을 특징으로 하는 대역폭 할당장치.
14. 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서, 전송 플로우에 n개(n은 2 이상의 정수)의 라우터가 있을 때, 상기 각 라우터마다의 패킷 손실률을,
    패킷의 TTL 값을 1로 설정함으로써 송신장치로부터 1번째 라우터의 패킷 손실률을 구하는 단계; 및
    송신장치로부터 i번째(i는 정수) 라우터에 대해, 패킷의 TTL 값을 i로 설정함으로써 송신장치로부터 i번째 라우터까지 경로의 성공률을 구하고 이로부터 송신장치로부터 i번째 라우터의 패킷 손실률을 구하는 것을, i=2 부터 i=n이 될 때까지 i를 1씩 증가시키면서 반복하는 단계;를 실행함으로써 계산하는 것을 특징으로 하는 대역폭 할당장치.
15. 제 14 항에 있어서, i번째 라우터의 패킷 손실률(P_i)은
    

    

    이고,
    이 때, S_i은 송신장치에서 TTL=i로 설정하여 전송한 패킷 수이고 R_i는 이 패킷 중에서 송신장치가 TTL=0 임을 나타내는 ICMP 메시지를 수신받은 패킷 수, 그리고, S_{i -1}은 송신장치에서 TTL=(i-1)로 설정하여 전송한 패킷 수이고 R_{i - 1}는 이 패킷 중에서 송신장치가 TTL=0 임을 나타내는 ICMP 메시지를 수신받은 패킷 수인 것을 특징으로 하는 대역폭 할당장치.
16. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항의 방법을 컴퓨터에서 실행하기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.
17. 네트워크상에서 하나의 송신장치로부터 수신장치로 데이터를 전송할 때 사용하는 전송경로의 전송 효율성을 상기 송신장치에서 판단하는 방법에 있어서,
    상기 송신장치가, 상기 전송경로에 포함된 라우터들 각각에 대한 패킷 손실률을 계산하는 단계; 및
    상기 송신장치가, 상기 패킷 손실률에 기초하여 각 전송 플로우의 예상 손실률을 계산하고 상기 전송경로가 효율적인지 여부를 판단하는 단계;를 포함하고,
    상기 각 라우터마다의 패킷 손실률은, 패킷 헤더에 입력되는 TTL(Time To Live) 값을 송신장치에서부터 해당 라우터까지의 홉 수로 설정한 소정 개수의 패킷을 송신장치가 해당 라우터로 전송하고, 송신장치가 해당 라우터로부터 TTL=0 임을 나타내는 ICMP 메시지를 수신받은 개수를 카운트함으로써, 산출되는 것을 특징으로 하는 전송 효율성 판단 방법.
18. 제 17 항에 있어서,
    상기 판단하는 단계는, 상기 각 전송 플로우의 예상 손실율이 낮을수록 상기 전송경로가 효율적인 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 전송 효율성 판단 방법.
19. 하나의 송신장치에서 복수의 수신장치에 데이터를 전송할 때 사용되는 각각의 전송경로들 중에서 최적 효율성을 가진 전송경로를 상기 송신장치에서 결정하는 방법에 있어서,
    상기 송신장치가, 상기 송신 장치로부터 상기 수신장치들까지의 각각의 전송경로에 포함된 라우터들에 대한 패킷 손실율을 계산하는 단계; 및
    상기 송신장치가, 상기 계산된 패킷 손실율에 기초하여 각 전송 플로우의 예상 손실률을 계산하고 상기 전송경로들 중에서 최적 효율성을 가진 전송경로를 결정하는 단계;를 포함하고,
    상기 각 라우터마다의 패킷 손실율은, 패킷 헤더에 입력되는 TTL(Time To Live) 값을 송신장치에서부터 해당 라우터까지의 홉 수로 설정한 소정 개수의 패킷을 송신장치가 해당 라우터로 전송하고, 송신장치가 해당 라우터로부터 TTL=0 임을 나타내는 ICMP 메시지를 수신받은 개수를 카운트함으로써, 산출되는 것을 특징으로 하는 최적 효율성을 가진 전송경로 결정 방법.
20. 제 19 항에 있어서,
    상기 전송 경로를 결정하는 단계는, 상기 예상 손실율들 중 가장 낮은 예상 손실율을 가진 전송경로를 최적 효율성을 가진 전송경로로서 결정하는 단계인 것을 특징으로 하는 최적 효율성을 가진 전송 경로 결정 방법.

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