KR101693016B1 - 큐 관리 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 큐 관리 장치 및 방법을 위한 것이다.
이를 위해서, 본 발명은 적어도 하나 이상의 패킷을 수신하는 단계; 상기 수신된 적어도 하나 이상의 패킷의 도착시간 값을 측정하는 단계; 상기 수신된 적어도 하나 이상의 패킷의 도착시간 평균값과 각 패킷의 도착시간 값을 비교하는 단계; 및 비교 결과, 상기 도착시간 평균값보다 작은 도착시간 값을 갖는 패킷을 상기 큐의 앞쪽에 할당하고, 상기 평균 도착시간 평균값보다 큰 도착시간 값을 갖는 패킷을 상기 큐 뒤쪽에 할당하여 전송하는 단계; 를 포함한다.

Description

큐 관리 장치 및 방법{APPARATUS FOR MANAGING QUEUE AND METHOD FOR MANAGING QUEUE}

본 발명은 형평성을 고려한 큐 관리 장치 및 방법에 관한 것이다.

초고속 네트워크의 발전과 모바일, PC등 네트워크를 사용하는 기기가 증가함에 따라서 유선과 무선에서 네트워크의 혼잡 상황은 다양하게 발생하게 되었다. 한정된 네트워크 대역폭을 사용하는 곳에서 QoS등의 방법을 통해서 사용량을 차등하여 서비스할 수도 있지만 대역폭이 어느 정도 크더라도 사용자가 많으면 병목구간이 생길 수 있다. 특히 고대역 네트워크에서 혼잡이 발생할 경우에 속도가 느린 플로우와 빠른 플로우 역시 패킷 손실이 많이 발생하게 된다. 네트워크의 대역폭을 효율적으로 사용하기 위한 종래의 기술로는 다음과 같다.

TCP 프로토콜의 성능 평가 비교와 고대역폭에서의 공평성 향상과 손실률 개선을 위한 병렬 TCP 연구, 리눅스에서 많이 사용하고 있는 Cubic TCP를 사용하여 서로 다른 지연 시간에 공평성을 평가하고 RTT 공평성을 고려한 새로운 방법을 제안한 연구, 초고속 TCP와 전통적인 TCP가 같은 대역폭 연결을 공유함으로써 네트워크 활용의 저하를 해결하기 위해 향상된 초고속 TCP 혼잡 제어를 제안한 연구 등이 있다.

하지만 전술한 종래의 기술을 활용하더라도 처음 네트워크에 합류한 플로우의 처리량과 나중에 네트워크에 합류한 처리량을 비교해 보면 나중에 합류한 플로우의 처리량이 낮음을 확인할 수 있다. 처음 중간 대역폭을 점유하고 있는 플로우는 나중에 대역폭을 사용하는 플로우보다 더 많은 대역폭을 사용하게 되기 때문에 네트워크의 불균형을 초래하고 사용률을 저하시키는 요인이 된다. 이는 현재의 네트워크의 큐 구조는 단일 구조로 되어 있기 때문에 혼잡이 발생할 경우에 속도가 빠른 플로우와 느린 플로우가 중간 큐에 섞여서 형평성의 불규칙을 유발하기 때문이다. 이를 해결하기 위해서는 중간 병목 구간 큐에 쌓여진 패킷의 구조 변경이 필요하다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로 형평성을 고려한 큐 관리 장치 및 방법을 제공하는 그 목적이 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 큐 관리 방법은 적어도 하나 이상의 패킷을 수신하는 단계; 상기 수신된 적어도 하나 이상의 패킷의 도착시간 값을 측정하는 단계;및 상기 수신된 적어도 하나 이상의 패킷의 도착시간 평균 값과 각 패킷의 도착시간 값을 비교하는 단계; 및 비교 결과, 상기 도착시간 평균 값보다 작은 도착시간 값을 갖는 패킷을 상기 큐의 앞쪽에 할당하고, 상기 평균 도착시간 평균 값보다 큰 도착시간 값을 갖는 패킷을 상기 큐 뒤쪽에 할당하여 전송하는 단계; 를 포함하다.

또한 본 발명의 다른 실시예에 따른 큐 관리 장치는 적어도 하나의 이상의 패킷을 수신하는 수신모듈; 상기 수신된 적어도 하나의 이상의 패킷의 도착시간 값을 측정하는 측정모듈;및 상기 수신된 적어도 하나 이상의 패킷의 도착시간 평균 값과 각 패킷의 도착시간 값을 비교하는 비교모듈; 및 비교 결과, 상기 도착시간 평균 값보다 작은 도착시간 값을 갖는 패킷을 상기 큐의 앞쪽에 할당하고, 상기 평균 도착시간 평균 값보다 큰 도착시간 값을 갖는 패킷을 상기 큐 뒤쪽에 할당하여 전송하는 전송모듈을 포함하다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면 큐 관리 장치 및 방법을 제공함으로써 네트워크의 혼잡상황에서 속도가 서로 다른 플로우 간의 형평성 문제를 해소할 수 있다.

또한 본 발명에 의하면 큐 관리 장치 및 방법을 제공함으로써 특히 고대역 네트워크에서 혼잡이 발생할 경우에 속도가 서로 다른 플로우 간의 불균형에 기한 패킷 손실을 방지할 수 있다.

또한 본 발명에 의하면 큐 관리 장치 및 방법을 제공함으로써 네트워크의 대역폭을 효율적으로 사용할 수 있다.

또한 본 발명에 의하면 큐 관리 장치 및 방법을 제공함으로써 처음 네트워크에 합류한 플로우의 처리량과 나중에 네트워크에 합류한 처리량을 일정 수준으로 유지할 수 있다.

또한 본 발명에 의하면 큐 관리 장치 및 방법을 제공함으로써 플로우 처리량을 증가시킬 수 있다.

도 1은 큐 관리 장치의 모듈 구성도이다.
도 2는 본 발명의 알고리즘을 설명하는 도면이다.
도 3은 본 발명에 의한 큐의 구조도를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 큐 관리 방법의 실험을 위한 토폴로지를 설명하는 도면이다.
도 5는 종래기술인 RED 방식에 기한 플로우 처리량과 본 발명에 기한 플로우 처리량을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 큐 관리 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.

본 발명의 일 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.

도 1은 큐 관리장치의 모듈 구성도이다.

도 1을 참조하면, 큐 관리 장치는 수신모듈(100), 측정모듈(110), 비교모듈(120), 전송모듈(130)을 포함할 수 있다. 수신모듈은 외부 노드 또는 외부 네트워크로부터 패킷을 수신할 수 있다. 측정모듈은 수신된 적어도 하나의 패킷의 도착시간 값을 측정할 수 있다. 비교모듈은 수신된 적어도 하나 이상의 패킷의 도착시간 평균값과 각 패킷의 도착시간 값을 비교할 수 있다. 전송모듈은 도착시간 평균 값보다 작은 도착시간 값을 갖는 패킷을 큐의 앞쪽에 할당하고, 평균 도착시간 평균값보다 큰 도착시간 값을 갖는 패킷을 큐 뒤쪽에 할당하여 전송할 수 있다. 전송모듈은 계산된 큐의 평균 크기가 큐 크기의 최소 임계치 값과 큐 크기의 최대 임계치 값 사이에 있을 경우, 큐 앞쪽에 할당된 패킷과 큐 뒤쪽에 할당된 패킷을 기설정된 전송비율로 순차적으로 전송할 수 있다. 전술한 전송모듈의 전송비율은 1:1일 수 있다. 전송모듈은 계산된 큐의 평균 크기가 큐 크기의 최대 임계치 값보다 클 경우, 수신된 적어도 하나의 패킷을 폐기할 수 있다.

도 2는 본 발명의 알고리즘을 설명하는 도면이다.

도 2를 참조하면, T는 개별 패킷들의 도착시간을 의미한다. avgT는 개별 패킷의 평균도착시간을 의미한다. Lq는 큐 리스트를 의미한다. avg는 평균 큐 사이즈를 의미한다. Count는 직전 마크된 패캣들 이후의 패킷들의 수를 의미한다. Wq는 큐의 무게를 의미한다. minth은 큐 크기의 최소 임계값을 의미한다. maxth는 큐 크기의 최대 임계값을 의미한다. Maxp는 개별 패킷이 마킹될 확률 최대값을 의미한다.

적어도 하나 이상의 개별 패킷이 도착할 때마다 큐의 평균 크기를 측정 또는 계산한다. 전술한 개별 패킷들의 평균 도착시간 값과 개별 패킷의 도착시간 값을 비교하여 전술한 평균 도착시간 값보다 작으면 큐 앞쪽부터 할당할 수 있다. 만약 전술한 개별 패킷들의 평균 도착시간 값과 개별 패킷의 도착시간 값을 비교하여 전술한 평균 도착시간 값보다 크다면 큐 뒤쪽부터 할당할 수 있다. 만약 전술한 평균 큐의 크기가 큐 크기의 최소 임계치 값과 큐 크기의 최대 임계치 값 사이에 있을 경우 도착한 개별 패킷들은 Pa 확률 값으로 마크된다. 이와 같이 Pa 확률 값으로 마크하는 이유는 혼잡 환경에서 얼마나 많은 패킷이 마크되는지를 확인하기 위해서이다.

전술한 최소 임계치 값과 최대 임계치 값은 사용자가 기설정할 수 있다. 전술한 Pa 확률 값은 큐에 개별 패킷들이 차오르게 되면 증가한다. 전술한 Pa 확률 값은 Pb/(1-count Pb)로 구할 수 있다. 전술한 Pb확률 값은 Maxp x (avg-minth)/(maxth-minth)로 구할 수 있다. 전술한 avg값은 큐 크기의 최소 임계값(minth)과 큐 크기의 최대 임계값(maxth) 사이에서 움직이기 때문에 개별 패킷들이 마킹될 확률은 0부터 maxp까지 선형적(linear)일 수 있다. 평균 큐의 크기가 큐 크기의 최소 임계치 값과 큐 크기의 최대 임계치 값 사이에 있을 경우 혼잡한 경우이므로 빠른 플로우 패킷과 느린 플로우 패킷의 전송비율은 1:1일 수 있다. 평균 큐의 크기가 큐 크기의 최대 임계치 값 이상일 경우 도착된 패킷들을 폐기하고 마크할 수 있다.

도 3은 본 발명에 의한 큐의 구조도를 설명하기 위한 도면이다.

도 3을 참조하면, 특히 고대역폭의 병목구간의 큐에 수신된 패킷 플로우는 다음과 같이 순서가 없이 섞여 있어서 속도가 빠른 플로우의 패킷은 속도가 느린 플로우의 패킷에 영향을 받는다. 전술한 속도가 빠른 플로우의 패킷은 도착속도가 상대적으로 짧은 패킷을 의미하며 속도가 느린 플로우의 패킷은 도착시간이 상대적으로 걸리는 패킷을 의미한다. 속도가 빠른 플로우의 패킷은 단위시간당 병목구간의 큐에 저장되는 속도가 느린 플로우의 패킷보다 빠르기 때문에 속도가 빠른 플로우의 패킷과 속도가 느린 플로우의 패킷을 구분하여 전송하게 되면 중간 큐에서의 지연 시간을 어느 정도 해소하여 QoS에 기반한 전체 처리량을 향상시킬 수 있다. 큐에 패킷이 도착하게 되면 속도가 빠른 플로우(빠른 속도) 패킷인지 느린 플로우(느린 속도) 패킷인지를 판단하여 속도가 빠른 플로우의 패킷이면 큐의 앞쪽에 할당 또는 배치하고 속도가 느린 플로우의 패킷이면 큐의 뒤쪽에 할 당 또는 배치한다. 패킷이 집중적으로 큐에 들어오는 시간에는 패킷이 계속 쌓이게 되므로 패킷이 큐에서 빠져 나가는 시간에 할당 또는 배치하여 전송 비율을 따라서 전송한다. 전술한 전송 비율은 설계자에 의도에 따라 다양하게 설정할 수 있다. 큐의 평균 크기가 큐의 최소 임계값과 큐의 최대 임계값 사이에 존재하게 되면 큐의 사용률이 증가함을 인지하고 빠른 플로우의 패킷을 먼저 보낸다. 이렇게 함으로써 전송률이 빠른 플로우에 대한 패킷과 전송률이 느린 플로우에 대한 패킷의 형평성을 유지하여 패킷을 효율적으로 전송할 수 있다.

도 4은 큐 관리 방법의 실험을 위한 토폴로지를 설명하는 도면이다.

도 4를 참조하면, 큐 관리 장치에 의한 큐 관리 방법은 성능 테스트를 위해서 NS-3를 사용하여 구성 토폴로지를 OS X10.9.5에서 구현하였으며, 패킷의 크기는 1040byte로 전송하고 중간 병목구간의 노드에 큐 크기는 100 패킷 개수로 설정하였다. 시뮬레이션 시간은 수신자는 0초에서 30초로 설정하였고, 송신자는 1초에서 15초로 설정하였다. 패킷의 양은 주어진 시간 안에서 랜덤하게 패킷을 송신하도록 설정하였다. 5개의 송신자 노드에서 중간 병목구간까지의 p2p 링크는 10Mbps로 설정하였으며, 지연시간은 1ms로 설정하였다. 중간 병목구간은 1Mbps와 50ms로 설정하였다. 송신자 노드 s1, s2, s3, s4, s5 노드는 TCP전송이 사용하였으며, 비교를 위해 측정된 플로우는 s1이다. s1과 s2의 전송률은 10Mbps이며, s3, s4, s5는 1Mbps로 설정하였다. 큐 관리 유형으로 대표적인 RED 방식과 같이 테스트하였다. RED방식의 최소 임계값은 50으로 설정하였고, 최대 임계값은 80으로 설정하였다.

도 5는 종래기술인 RED 방식에 기한 플로우 처리량과 본 발명에 기한 플로우 처리량을 설명하기 위한 도면이다.

도 5를 참조하면, 첫번째 도면의 경우 기존의 RED(Random Early Detection) 방식으로 했을 때의 중간 큐의 처리량을 나타낸 것이다. 시뮬레이션 시간이 지날수록 개별 패킷 플로우마다(1,2,3,4,5) 처리량이 다름을 확인할 수 있다. 두번째 도면의 경우 본 발명에 기한 플로우 처리량을 설명하기 위한 도면이다. 시뮬레이션 시간이 지날수록 개별 패킷 플로우들(1,2,3,4,5)의 처리량이 일정함을 확인할 수 있다.

도 6은 큐 관리 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.

도 6을 참조하면, 큐 관리방법은 적어도 하나 이상의 패킷을 수신하는 단계(S600), 수신된 적어도 하나 이상의 패킷의 도착시간 값을 측정하는 단계(S610), 수신된 적어도 하나 이상의 패킷의 도착시간 평균값과 각 패킷의 도착시간 값을 비교하는 단계(S620), 비교 결과, 도착시간 평균값보다 작은 도착시간 값을 갖는 패킷을 큐의 앞쪽에 할당하고, 평균 도착시간 평균값보다 큰 도착시간 값을 갖는 패킷을 큐 뒤쪽에 할당하여 전송하는 단계(S630)를 포함할 수 있다. 수신모듈은 패킷을 수신하는 단계를 수행할 수 있다. 이에 대한 설명은 도 1에서 전술한바 있다. 측정모듈은 수신된 적어도 하나 이상의 패킷의 도착시간 값을 측정하는 단계를 수행할 수 있다. 이에 대한 설명은 도 1에서 전술한 바 있다. 비교모듈은 수신된 적어도 하나 이상의 패킷의 도착시간 평균값과 각 패킷의 도착시간 값을 비교할 수 있다. 이에 대한 설명은 도 1에서 전술한 바 있다. 전송모듈은 도착시간 평균값보다 작은 도착시간 값을 갖는 패킷을 큐의 앞쪽에 할당하고, 평균 도착시간 평균값보다 큰 도착시간 값을 갖는 패킷을 큐 뒤쪽에 할당하여 전송하는 단계(S630)를 포함할 수 있다. 이에 대한 설명은 도 1에서 전술한 바 있다.

100 : 수신모듈
110 : 측정모듈
120 : 비교모듈
130 : 전송모듈

Claims (11)

1. 적어도 하나 이상의 패킷을 수신하는 단계;
   상기 수신된 적어도 하나 이상의 패킷의 도착시간 값을 측정하는 단계;
   상기 수신된 적어도 하나 이상의 패킷의 도착시간 평균값과 각 패킷의 도착시간 값을 비교하는 단계;
   비교 결과, 상기 도착시간 평균값보다 작은 도착시간 값을 갖는 패킷을 큐 앞쪽에 할당하고, 상기 도착시간 평균값보다 큰 도착시간 값을 갖는 패킷을 상기 큐 뒤쪽에 할당하여 전송하는 단계;및
   상기 적어도 하나 이상의 패킷을 수신할 때마다 상기 큐의 평균 크기를 계산하는 단계;를 포함하고,
   상기 계산된 큐의 평균 크기가 큐 크기의 최소 임계치 값과 큐 크기의 최대 임계치 값 사이에 있을 경우, 상기 큐 앞쪽에 할당된 패킷과 상기 큐 뒤쪽에 할당된 패킷을 기설정된 전송비율로 순차적으로 전송하는 것을 특징으로 하는 큐 관리 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 기설정된 전송비율은 1:1인 것을 특징으로 하는 큐 관리방법.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 계산된 큐의 평균 크기가 큐 크기의 최대 임계치 값보다 클 경우, 수신된 적어도 하나의 패킷을 폐기하는 것을 특징으로 하는 큐 관리 방법.
4. 적어도 하나의 이상의 패킷을 수신하는 수신모듈;
   상기 수신된 적어도 하나의 이상의 패킷의 도착시간 값을 측정하는 측정모듈;
   상기 수신된 적어도 하나 이상의 패킷의 도착시간 평균값과 각 패킷의 도착시간 값을 비교하는 비교모듈;
   비교 결과, 상기 도착시간 평균값보다 작은 도착시간 값을 갖는 패킷을 큐 앞쪽에 할당하고, 상기 도착시간 평균값보다 큰 도착시간 값을 갖는 패킷을 상기 큐 뒤쪽에 할당하여 전송하는 전송모듈;및
   상기 적어도 하나 이상의 패킷을 수신할 때마다 상기 큐의 평균 크기를 계산하는 계산모듈을 포함하고,
   상기 전송모듈은 상기 계산된 큐의 평균 크기가 큐 크기의 최소 임계치 값과 큐 크기의 최대 임계치 값 사이에 있을 경우, 상기 큐 앞쪽에 할당된 패킷과 상기 큐 뒤쪽에 할당된 패킷을 기설정된 전송비율로 순차적으로 전송하는 것을 특징으로 하는 큐 관리 장치.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 기설정된 전송비율은 1:1인 것을 특징으로 하는 큐 관리장치.
6. 제 4 항에 있어서, 상기 전송모듈은 상기 계산된 큐의 평균 크기가 큐 크기의 최대 임계치 값보다 클 경우, 수신된 적어도 하나의 패킷을 폐기하는 것을 특징으로 하는 큐 관리 장치.
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