KR102176176B1 - METHOD AND APPARATUS FOR CONTROLLING CONGESTION IN A WIRELESS NETWORK USING Transmission Control Protocol - Google Patents

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Abstract

본 발명은 TCP를 이용하는 무선 네트워크에서 혼잡 제어 방법 및 장치에 대한 것으로서, 본 발명의 혼잡 제어 방법은, 수신된 데이터로부터 전송률과 왕복지연시간을 각각 추정하는 과정과, 상기 추정된 전송률과 상기 추정된 왕복지연시간을 이용하여 혼잡 제어 정보를 획득하는 과정과, 상기 혼잡 제어 정보와 현재 왕복지연시간을 이용하여 수신 윈도우의 사이즈를 결정하는 과정을 포함한다.The present invention relates to a congestion control method and apparatus in a wireless network using TCP. The congestion control method of the present invention includes a process of estimating a transmission rate and a round trip delay time from received data, respectively, the estimated transmission rate and the estimated And a process of acquiring congestion control information using a round trip delay time, and a process of determining a size of a reception window using the congestion control information and a current round trip delay time.

Description

전송 제어 프로토콜을 이용하는 무선 네트워크에서 혼잡 제어 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR CONTROLLING CONGESTION IN A WIRELESS NETWORK USING Transmission Control Protocol}Congestion control method and apparatus in a wireless network using a transmission control protocol {METHOD AND APPARATUS FOR CONTROLLING CONGESTION IN A WIRELESS NETWORK USING Transmission Control Protocol}

본 발명은 무선 네트워크에서 혼잡 제어 방법 및 장치에 대한 것으로서, TCP 기반의 무선 네트워크에서 혼잡 제어 방법 및 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a congestion control method and apparatus in a wireless network, and to a congestion control method and apparatus in a TCP-based wireless network.

인터넷 기반의 유무선 네트워크에서 데이터 전송을 제어하는 프로토콜로서, 인터넷 표준화 단체인 IETF(Internet Engineering Task Force)에 의해 제안한 RFC(Request For Comments) 793은 전송 제어 프로토콜(Transmission Control Protocol : TCP)을 규정하고 있다. 상기 TCP는 인터넷에 접속된 노드들 간에 송수신되는 데이터를 패킷의 형태로 전송하기 위해 사용된다. 상기 TCP는 네트워크 계층의 인터넷 프로토콜(Internet Protocol : IP)에 대해 트랜스포트 계층(Transport Layer)의 프로토콜로서 동작하며, 통상적으로 TCP/IP로 칭해진다.As a protocol for controlling data transmission in an Internet-based wired/wireless network, RFC (Request For Comments) 793 proposed by the Internet Engineering Task Force (IETF), an Internet standardization organization, stipulates Transmission Control Protocol (TCP). . The TCP is used to transmit data transmitted and received between nodes connected to the Internet in the form of packets. The TCP operates as a transport layer protocol with respect to the network layer Internet Protocol (IP), and is generally referred to as TCP/IP.

상기 TCP는 네트워크의 혼잡(Congestion) 상태를 고려하여 데이터 전송률을 조절하는 프로토콜로서, 상기 TCP는 수신기(receiver)로부터 송신기(sender)로 데이터 수신 확인을 위해 전달되는 애크(Acknowledge : ACK), 수신기가 송신기로 알려주는 윈도우(Window) 및 타임아웃 기능 등을 이용하여 혼잡 제어(Congestion Control) 알고리즘을 구현할 수 있다. 예를 들어 상기 TCP는 CUBIC, Reno, Vegas, HTCP(Hypertext Caching Protocol) 등의 버전이 사용되고 있으며, TCP 통신에서 수신기는 송신기로부터 데이터 세그먼트(Data Segment)를 수신하면, 그 데이터 세그먼트와 동일한 시퀀스 번호를 가지는 ACK를 전송한다. 그리고 송신기가 수신기로 데이터를 전송한 후, 수신기로부터 ACK를 수신하기 까지 걸리는 지연 시간을 왕복 지연 시간(Round Trip Time : RTT)이라 하며, 통상적으로 네트워크가 혼잡 상태로 되면, 상기 RTT는 증가된다. 상기 송신기와 수신기는 송신 노드와 수신 노드, 송신단과 수신단, 서버와 클라이언트 등의 다양한 명칭으로 칭해질 수 있으며, 본 명세서에서는 편의상 송신기와 수신기의 명칭을 사용하기로 한다.The TCP is a protocol that adjusts the data rate in consideration of network congestion, and the TCP is an acknowledgment (ACK) transmitted to confirm data reception from a receiver to a sender. A congestion control algorithm can be implemented using a window and a timeout function notified to the transmitter. For example, the version of the TCP is CUBIC, Reno, Vegas, HTCP (Hypertext Caching Protocol), etc., and in TCP communication, when a receiver receives a data segment from a transmitter, the same sequence number as the data segment is sent. Branches transmit ACK. In addition, after the transmitter transmits data to the receiver, the delay time required to receive an ACK from the receiver is called a round trip delay time (RTT). In general, when the network becomes congested, the RTT increases. The transmitter and receiver may be referred to by various names such as a transmitting node and a receiving node, a transmitting and receiving end, a server and a client, and the names of the transmitter and the receiver are used herein for convenience.

상기 TCP를 이용하는 유무선 네트워크에서 송신기는 상기 CUBIC, Reno, Vegas, HTCP 등의 알고리즘을 이용하여 혼잡 제어를 수행할 수 있다. 송신기는 혼잡 제어를 위해 혼잡 윈도우(congestion window : cwnd)의 사이즈(size)를 증가/감소시킬 수 있다. 상기 혼잡 윈도우(cwnd)는 상기 송신기가 전송할 수 있는 데이터 양을 나타낼 수 있다. 그리고 수신기는 또한 혼잡 제어를 위해 수신 윈도우(receiver window : rwnd)의 사이즈를 증가/감소시킬 수 있다. 상기 수신 윈도우(rwnd)는 상기 수신기가 수신할 수 있는 데이터 양 또는 공간의 양을 의미한다. 상기 수신 윈도우(rwnd)의 사이즈를 조절하여 혼잡 제어를 수행하는 방식은, 송신기에서 혼잡 윈도우(cwnd)의 사이즈를 조절하는 방식만으로는 급증하는 유무선 네트워크의 트래픽을 효율적으로 처리하는데 한계에 직면하였기 때문이다.In the wired/wireless network using the TCP, the transmitter may perform congestion control using an algorithm such as CUBIC, Reno, Vegas, and HTCP. The transmitter may increase/decrease the size of a congestion window (cwnd) for congestion control. The congestion window cwnd may indicate an amount of data that can be transmitted by the transmitter. In addition, the receiver can also increase/decrease the size of a receiver window (rwnd) for congestion control. The reception window rwnd refers to an amount of data or space that can be received by the receiver. The method of performing congestion control by adjusting the size of the reception window rwnd is because the method of efficiently handling the rapidly increasing wired/wireless network traffic by only adjusting the size of the congestion window cwnd in the transmitter faces a limitation. .

상기 혼잡 제어와 관련하여 수신 윈도우(rwnd)의 사이즈를 결정하는 종래 방식의 예들로는 Auto-tuning 방식과, DRWA(Dynamic Receive Window Adjustment) 방식 등이 있다. 상기 Auto-tuning 방식을 설명하면, Auto-tuning 방식에서는 예컨대, 아래 <수학식 1>과 같이, 수신 윈도우 (rwnd)의 사이즈를 수신기가 추정한 송신기의 혼잡 윈도우(cwndest)의 사이즈 중 가장 큰 사이즈의 두 배로 결정한다.Examples of conventional methods for determining the size of the reception window rwnd in connection with the congestion control include an auto-tuning method and a dynamic receive window adjustment (DRWA) method. Explaining the auto-tuning method, in the auto-tuning method, for example, as shown in Equation 1 below, the size of the reception window rwnd is the largest among the sizes of the congestion window (cwnd est ) of the transmitter estimated by the receiver. Determined by twice the size.

Figure 112014041849971-pat00001
Figure 112014041849971-pat00001

(여기서 t는 현재 시간)(Where t is the current time)

따라서 상기 Auto-tuning 방식에서는 수신기의 버퍼 사이즈 부족으로 인해 송신기에서 TCP 흐름 제어(flow control)가 필요한 상태는 발생되지 않으며, 혼잡 제어는 송신기의 혼잡 제어 기법에 의해 수행될 수 있다.Therefore, in the auto-tuning scheme, a state requiring TCP flow control in the transmitter does not occur due to insufficient buffer size of the receiver, and congestion control may be performed by a congestion control scheme of the transmitter.

그러나 상기 Auto-tuning 방식의 경우, 수신 윈도우(rwnd)의 사이즈가 송신 윈도우(cwnd)의 최대 사이즈의 2 배로 설정되기 때문에 송신기가 불필요하게 많은 양의 데이터를 전송할 경우가 발생된다. 이러한 동작은, 송신기와 수신기 간의 데이터 전송 경로 상에 존재하는 큰 버퍼를 가진 라우터 또는 기지국(예컨대, 셀룰러 네트워크의 기지국 혹은 WiFi AP(Access Point))에서 과도한 버퍼링을 발생시키며, 결과적으로 중간 노드인 라우터에서 큐잉으로 인한 RTT 증가를 초래하게 된다.(즉 중간 노드에서 버퍼 부풀림(bufferbloat) 현상이 발생됨) 또한 수신기에서 버퍼 사이즈는 시스템 변수에 의해 제한되기 때문에 버퍼 사이즈를 적절하게 설정하지 못할 경우, LFN(Long Fat Network)와 같이 대역폭 지연 곱(Bandwidth Delay Product : BDP)가 매우 큰 네트워크의 경우 처리량(throughput) 저하를 피할 수 없게 된다. 상기 BDP는 데이터 전송 경로의 최대 처리량이며, 주어진 시간에 데이터 경로 상에 존재하는 최대 데이터 량을 의미한다.However, in the case of the auto-tuning method, since the size of the reception window rwnd is set to be twice the maximum size of the transmission window cwnd, the transmitter may unnecessarily transmit a large amount of data. This operation causes excessive buffering in a router or base station (e.g., a base station of a cellular network or a WiFi AP (Access Point)) with a large buffer existing on the data transmission path between the transmitter and the receiver, and as a result, the router, which is an intermediate node. In addition, since the buffer size is limited by the system variable in the receiver, if the buffer size is not properly set, LFN ( In the case of a network with a very large bandwidth delay product (BDP) such as Long Fat Network), it is inevitable to decrease the throughput. The BDP is the maximum throughput of the data transmission path and means the maximum amount of data existing on the data path at a given time.

또한 상기 DRWA 방식을 설명하면, 상기 DRWA 방식에서는 아래 <수학식 2>과 같이 수신윈도우(rwnd)의 사이즈가 수신기가 추정한 송신기의 혼잡 윈도우(cwndest) 사이즈에 비례하고, 또한 수신기가 예측한 RTT 값에 반비례하도록 결정된다.In addition, describing the DRWA scheme, in the DRWA scheme, the size of the reception window (rwnd) is proportional to the size of the transmitter congestion window (cwnd est ) estimated by the receiver as shown in Equation 2 below, and It is determined to be inversely proportional to the RTT value.

Figure 112014041849971-pat00002
Figure 112014041849971-pat00002

여기서,

Figure 112014041849971-pat00003
는 상수이고, RTTmin는 큐잉 지연이 없을 경우 RTT의 최소 값이다.here,
Figure 112014041849971-pat00003
Is a constant, and RTT min is the minimum value of RTT when there is no queuing delay.

상기 DRWA 방식의 경우, 상기 Auto-tuning 방식에 비해 수신 윈도우(rwnd)의 사이즈를 동적으로 제어할 수 있지만, 다른 flow와 경쟁하는 경우 수신기에서 처리량 저하가 발생될 수 있다. 도 1을 참조하여 DRWA 방식을 구체적으로 설명하면, 도 1은 유선 네트워크의 서버(송신기)(110)로부터 전송된 데이터가 중간 노드들인 라우터(130), 기지국(150)을 경유하여 무선 네트워크의 단말(수신기)(170)로 전달되는 네트워크 구성 예를 나타낸 것이다. 도 1에서 수신기(170)가 Auto-tuning 방식을 이용하면, RTT에 반비례하도록 수신기(170)의 수신 윈도우(rwnd)의 사이즈가 결정되므로 중간 노드인 라우터(130) or 기지국(150)에서 큐잉으로 인한 RTT 증가가 발생된 경우, 수신기(170)는 수신 윈도우(rwnd)의 사이즈를 감소시켜 중간 노드에서 버퍼 부풀림(bufferbloat) 현상을 해결할 수 있다. 그러나 상기 Auto-tuning 방식의 경우, 기지국(150)과 연결된 다른 단말들(수신기들)(도시되지 않음)의 데이터 흐름과 수신기(170)의 데이터 흐름 간에 경쟁이 발생되어 RTT가 증가된 경우에도 수신기(170)의 수신윈도우(rwnd)의 사이즈는 감소되며, 이로 인한 과도한 TCP 흐름 제어로 인해 처리량 저하를 초래하게 된다.In the case of the DRWA method, compared to the auto-tuning method, the size of the reception window rwnd can be dynamically controlled. However, when competing with other flows, throughput reduction may occur in the receiver. When the DRWA method is described in detail with reference to FIG. 1, FIG. 1 is a terminal of a wireless network via a router 130 and a base station 150, which are intermediate nodes in which data transmitted from a server (transmitter) 110 of a wired network is An example of a network configuration transmitted to the (receiver) 170 is shown. In FIG. 1, when the receiver 170 uses the auto-tuning method, the size of the reception window rwnd of the receiver 170 is determined to be inversely proportional to the RTT, so that the intermediate node, router 130 or base station 150, performs queuing. When the RTT increase due to occurs, the receiver 170 decreases the size of the reception window rwnd to cause a buffer inflation at the intermediate node. The phenomenon can be solved. However, in the case of the auto-tuning method, even if the RTT is increased due to competition between the data flow of other terminals (receivers) (not shown) connected to the base station 150 and the data flow of the receiver 170 The size of the receive window (rwnd) of (170) is reduced, resulting in a decrease in throughput due to excessive TCP flow control.

상기와 같이 네트워크에서 RTT가 증가되는 원인은 송신기가 대량의 데이터를 전송하여 중간 노드에서 큐잉에 의한 지연이 발생되는 경우와, 다른 수신기의 경쟁 흐름으로 인해 중간 노드에서 지연이 발생되는 경우의 두 가지 경우가 있다. 그러나 상기한 종래 혼잡 제어 방식의 경우, 다른 수신기의 경쟁 흐름으로 인한 지연 발생 시에도 수신 윈도우(rwnd)의 사이즈는 감소되어 처리량 저하를 발생시킨다.As described above, there are two reasons for the increase in RTT in the network: a case where a delay occurs due to queuing at an intermediate node due to a transmitter transmitting a large amount of data, and a delay occurs at an intermediate node due to a contention flow of another receiver. There are cases. However, in the case of the conventional congestion control method described above, even when a delay occurs due to a contention flow of another receiver, the size of the reception window rwnd is reduced, resulting in a decrease in throughput.

따라서 중간 노드에 의한, RTT 증가를 해결하면서 또한 상기한 처리량 저하를 해결할 수 있는 방안이 요구된다.
Therefore, there is a need for a method capable of solving the increase in RTT by the intermediate node and also solving the aforementioned decrease in throughput.

본 발명은 TCP를 이용하는 무선 네트워크에서 수신 윈도우를 효율적으로 제어하는 혼잡 제어 방법 및 장치를 제공한다.The present invention provides a congestion control method and apparatus for efficiently controlling a reception window in a wireless network using TCP.

또한 본 발명은 TCP를 이용하는 무선 네트워크에서 RTT 증가를 해결하면서 경쟁 흐름으로 인한 처리량 저하를 방지할 수 있는 혼합 제어 방법 및 장치를 제공한다.In addition, the present invention provides a hybrid control method and apparatus capable of preventing a decrease in throughput due to a contention flow while solving an increase in RTT in a wireless network using TCP.

본 발명의 실시 예에 따른, TCP를 이용하는 무선 네트워크에서 혼잡 제어 방법은, 수신된 데이터로부터 전송률과 현재 왕복지연시간을 각각 추정하는 과정과, 상기 추정된 전송률과 상기 추정된 현재 왕복지연시간을 이용하여 혼잡 제어 정보를 획득하는 과정과, 상기 혼잡 제어 정보와 상기 현재 왕복지연시간을 이용하여 수신 윈도우의 사이즈를 결정하는 과정을 포함한다.Congestion control method in a wireless network using TCP according to an embodiment of the present invention includes a process of estimating a transmission rate and a current round trip delay time from received data, respectively, and using the estimated transmission rate and the estimated current round trip delay time. Thus, a process of acquiring congestion control information, and a process of determining a size of a reception window using the congestion control information and the current round trip delay time.

또한 본 발명의 실시 예에 따른, 전송 제어 프로토콜(TCP)를 이용하는 무선 네트워크에서 혼잡 제어 장치는, 수신된 데이터로부터 전송률을 추정하는 전송률 추정부와, 상기 수신된 데이터로부터 현재 왕복지연시간을 추정하는 왕복지연시간 추정부와, 상기 추정된 전송률과 상기 추정된 현재 왕복지연시간을 이용하여 혼잡 제어 정보를 획득하고, 상기 혼잡 제어 정보와 상기 현재 왕복지연시간을 이용하여 수신 윈도우의 사이즈를 결정하는 동작을 제어하는 제어부를 포함한다.
In addition, a congestion control apparatus in a wireless network using a transmission control protocol (TCP) according to an embodiment of the present invention includes a transmission rate estimating unit for estimating a transmission rate from received data, and a current round trip delay time estimating from the received data. An operation of acquiring congestion control information using a round trip delay time estimating unit and the estimated transmission rate and the estimated current round trip delay time, and determining the size of a reception window using the congestion control information and the current round trip delay time It includes a control unit for controlling.

도 1은 TCP를 이용하는 무선 네트워크에서 수신 윈도우를 제어하는 종래 혼잡 제어 방식을 설명하기 위한 도면,
도 2는 본 발명의 실시 예에 따라 수신 윈도우를 제어하는 혼잡 제어 장치의 구성을 나타낸 도면,
도 3은 본 발명의 실시 예에 따라 수신 윈도우를 제어하는 혼잡 제어 방법을 나타낸 순서도,
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 TCP를 이용하는 무선 네트워크에서 혼잡 제어 장치의 동작을 설명하기 위한 도면.1 is a diagram for explaining a conventional congestion control method for controlling a reception window in a wireless network using TCP;
2 is a diagram showing the configuration of a congestion control device for controlling a reception window according to an embodiment of the present invention;
3 is a flow chart showing a congestion control method for controlling a reception window according to an embodiment of the present invention;
4 is a diagram for explaining an operation of a congestion control apparatus in a wireless network using TCP according to an embodiment of the present invention.

하기에서 본 발명의 실시 예들을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.In the following description of embodiments of the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known function or configuration may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, a detailed description thereof will be omitted.

본 발명의 실시 예에 따라 TCP를 이용하는 네트워크에서 송신기는 공지된 혼잡 제어 방법(예컨대, CUBIC, Reno, Vegas, HTCP 등)에 의해 혼잡 제어를 수행할 수 있다. 그리고 상기 송신기로부터 실제 전송되는 데이터 양은 혼잡 윈도우(cwnd)의 사이즈와 수신 윈도우(rwnd)의 사이즈 중 작은 사이즈로 결정될 수 있다.(즉 송신기의 실제 전송량 = min(cwnd, rwnd)) 또한 상기 송신기로부터 전송된 데이터를 수신하는 수신기는 상기 송신기로부터 수신한 데이터로부터 대역폭(bandwidth)(즉 전송률)과 RTT을 추정하고, 본 실시 예의 혼잡 제어 방법에 따라 상기 추정된 전송률과 RTT를 이용하여 상기 수신 윈도우(rwnd)의 사이즈를 결정한다. 그리고 상기 결정된 수신 윈도우(rwnd)의 사이즈는 송신기로 전송되는 패킷의 TCP 헤더에 포함되어 송신기로 전달된다.According to an embodiment of the present invention, in a network using TCP, a transmitter may perform congestion control by a known congestion control method (eg, CUBIC, Reno, Vegas, HTCP, etc.). In addition, the amount of data actually transmitted from the transmitter may be determined as the smaller of the size of the congestion window cwnd and the size of the reception window rwnd (that is, the actual transmission amount of the transmitter = min(cwnd, rwnd)). The receiver that receives the transmitted data estimates the bandwidth (i.e., the transmission rate) and RTT from the data received from the transmitter, and uses the estimated transmission rate and RTT according to the congestion control method of the present embodiment to use the reception window ( rwnd) size. In addition, the determined size of the reception window rwnd is included in the TCP header of the packet transmitted to the transmitter and transmitted to the transmitter.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따라 수신 윈도우를 제어하는 혼잡 제어 장치의 구성을 나타낸 도면으로서, 도 2의 혼잡 제어 장치는 수신기에 구현되며, 상기 혼잡 제어 장치의 동작은 수신기의 동작으로 이해될 수 있다.FIG. 2 is a diagram showing the configuration of a congestion control device for controlling a reception window according to an embodiment of the present invention. The congestion control device of FIG. 2 is implemented in a receiver, and the operation of the congestion control device will be understood as an operation of the receiver. I can.

도 2를 참조하면, 혼잡 제어 장치는 RTT 추정부(210), 전송률 추정부(230), 그리고 제어부(250)를 포함한다. 상기 RTT 추정부(210)는 송신기가 전송한 데이터를 수신하고, 그 수신 데이터의 타임 스탬프(time stamp)를 근거로 RTT을 추정한다. 이하 상기 추정된 RTT를 RTTest라 칭한다. 상기 전송률 추정부(230)는 상기 수신 데이터의 전송률(rs)을 추정한다. 상기 전송률(rs)은 아래 <수학식 3>을 이용하여 추정할 수 있다. 상기 전송률 추정부(230)의 기능은 수신기에서 대역폭 추정부의 기능으로 이해될 수 있다.Referring to FIG. 2, the congestion control apparatus includes an RTT estimating unit 210, a transmission rate estimating unit 230, and a control unit 250. The RTT estimating unit 210 receives the data transmitted by the transmitter, and estimates the RTT based on a time stamp of the received data. Hereinafter, the estimated RTT is referred to as RTT est . The transmission rate estimating unit 230 estimates the transmission rate r s of the received data. The transmission rate (r s ) can be estimated using Equation 3 below. The function of the transmission rate estimation unit 230 may be understood as a function of the bandwidth estimation unit in the receiver.

Figure 112014041849971-pat00004
Figure 112014041849971-pat00004

상기 제어부(250)는 상기 추정된 전송률과 현재 추정된 RTTest을 이용하여 본 실시 예에 따른 혼잡 제어 정보를 획득하고, 상기 혼잡 제어 정보, 현재 추정된 RTTest와 현재까지 추정된 RTTest들 중에서 최소 RTTest인 RTTmin을 이용하여 수신 윈도우(rwnd)의 사이즈를 결정한다.The controller 250 acquires congestion control information according to the present embodiment by using the estimated transmission rate and the currently estimated RTT est , and among the congestion control information, the currently estimated RTT est and the RTT est estimated to date. The size of the reception window (rwnd) is determined using RTT min, which is the minimum RTT est .

이하 본 실시 예에서 상기 수신 윈도우(rwnd)의 사이즈를 결정하는 방식을 보다 구체적으로 설명하기로 한다.Hereinafter, a method of determining the size of the reception window rwnd in the present embodiment will be described in more detail.

본 실시 예에서 수신 윈도우(rwnd)의 사이즈를 결정하는 방식은 수신기에서 TCP-Friendly한 혼잡 제어 방법을 제안한 것이다. In the present embodiment, a method of determining the size of the reception window rwnd is a method of TCP-friendly congestion control in the receiver.

본 실시 예에서는 먼저 특정 시점에서 최적의 전송률을 알아야 하며, 상기 최적의 전송률은 " F. Kelly, "Charging and rate control for elastic traffic," European Transactions on Telecommunications, vol. 8, pp. 33-37, 1997."(이하, 인용문헌1)에서 제안된 최적화 문제의 솔루션을 이용하여 알 수 있다. 상기 최적화 문제의 솔루션은 현재 사용되고 있는 TCP 혼잡 제어 기법(Reno, Vegas 등)을 이용할 수 있다. 아래 <수학식 4>는 상기 인용문헌1에서 제안된 최적화 문제의 전송률 조건식이다.In this embodiment, the optimum transmission rate must first be known at a specific point in time, and the optimum transmission rate is "F. Kelly, "Charging and rate control for elastic traffic," European Transactions on Telecommunications, vol. 8, pp. 33-37, It can be seen by using the solution of the optimization problem proposed in 1997." As a solution to the optimization problem, a currently used TCP congestion control technique (Reno, Vegas, etc.) can be used. Equation 4 below is a rate conditional expression for the optimization problem proposed in Citation 1.

Figure 112014041849971-pat00005
Figure 112014041849971-pat00005

상기 <수학식 4>에서 qs는 흐름 s가 지나가는 모든 경로에서의 혼잡 제어 정보(패킷손실률 혹은 지연시간)의 합을 의미하며, TCP 흐름 s의 효용 함수

Figure 112014041849971-pat00006
를 미분하여 구해진다. 그리고 효용 함수
Figure 112014041849971-pat00007
에서
Figure 112014041849971-pat00008
는 흐름 s의 전송률을 의미한다. 상기 효용 함수는 TCP-Reno의 효용 함수를 이용할 수 있으며, 상기 TCP-Reno의 효용 함수는 "S. H. Low, "A Duality Model of TCP and Queue Management Algorithms," IEEE/ACM Transactions on Networking, vol. 11, no. 4, August, 2003"를 참조할 수 있다. 그리고 상기 <수학식 4>와 TCP 흐름에서 상기 효용 함수를 이용하여 최적의 전송률을 다음 <수학식 5>와 같이 계산할 수 있다.In Equation 4, q s means the sum of congestion control information (packet loss rate or delay time) in all paths through which flow s passes, and the utility function of TCP flow s
Figure 112014041849971-pat00006
It is obtained by differentiating And the utility function
Figure 112014041849971-pat00007
in
Figure 112014041849971-pat00008
Means the transmission rate of flow s. The utility function can use the utility function of TCP-Reno, and the utility function of TCP-Reno is "SH Low, "A Duality Model of TCP and Queue Management Algorithms," IEEE/ACM Transactions on Networking, vol. 11, no. 4, August, 2003". And using the utility function in Equation 4 and TCP flow, the optimal transmission rate can be calculated as shown in Equation 5 below.

Figure 112014041849971-pat00009
Figure 112014041849971-pat00009

상기 <수학식 5>에서 RTTmin은 큐잉 지연이 없을 경우

Figure 112014041849971-pat00010
, 즉 현재까지 추정된 RTTest들 중에서 최소 RTTest를 의미하며, a는 상기 효용 함수의 상수 값을 의미한다. 한편 상기 <수학식 3>을 참조하면, TCP에서 전송률은
Figure 112014041849971-pat00011
의 관계를 가짐을 가정할 수 있다. 본 실시 예에서는 상기 <수학식 5>의 양 변에 RTT를 곱함으로써 최적의 수신 윈도우 사이즈를 아래 <수학식 6>과 같이 결정할 수 있다.In the above <Equation 5>, RTT min is when there is no queuing delay
Figure 112014041849971-pat00010
That is, it means the minimum RTT est among RTT est estimated so far, and a means a constant value of the utility function. Meanwhile, referring to Equation 3 above, the transmission rate in TCP is
Figure 112014041849971-pat00011
It can be assumed to have a relationship of. In this embodiment, by multiplying both sides of Equation 5 by RTT, the optimal reception window size may be determined as shown in Equation 6 below.

Figure 112014041849971-pat00012
Figure 112014041849971-pat00012

그리고 상기 <수학식 6>에 따라 수신 윈도우의 사이즈를 결정하기 위해서는 TCP 흐름이 지나는 모든 경로에서의 혼잡 제어 정보인 qs를 구해야 하며, 본 실시 예에서 상기 혼잡 제어 정보(qs)는 아래 <수학식 7>을 이용하여 수신기에서 추정할 수 있다.And in order to determine the size of the reception window according to Equation 6, it is necessary to obtain the congestion control information q s in all paths through which the TCP flow passes. In this embodiment, the congestion control information (q s ) is It can be estimated by the receiver using Equation 7>.

Figure 112014041849971-pat00013
Figure 112014041849971-pat00013

상기 <수학식 7>에서 Qs는 수신기에서 추정한 백로그(backlog) 패킷의 개수이다. 상기 백로그 패킷은 라우터 또는 기지국과 같은 중간 노드의 버퍼에서 대기하는 대기 패킷을 의미한다. 그리고 K는 상기 백로그 패킷에 대한 가중치이며, 적어도 하나의 백로그 패킷이 존재함을 가정한다. 상기 혼잡 제어 정보인 qs가 Qs에 대한 증가함수 형태로 표현되는 것은 자명하며, 본 실시 예에서는 설명의 편의상 상기 <수학식 7>과 같이 Qs에 대한 일차함수를 가정한다. 상기 백로그 패킷의 개수인 Qs는 TCP-Vegas 방식과 유사하게 아래 <수학식 8>을 이용하여 수신기에서 추정할 수 있다.In Equation 7 above, Q s is the number of backlog packets estimated by the receiver. The backlog packet refers to a standby packet waiting in a buffer of an intermediate node such as a router or a base station. In addition, K is a weight for the backlog packet, and it is assumed that at least one backlog packet exists. It is obvious that the congestion control information q s is expressed in the form of an increase function for Q s , and in this embodiment, a linear function for Q s is assumed as shown in Equation 7 above for convenience of description. Q s, which is the number of backlog packets, can be estimated by the receiver using Equation 8 below, similar to the TCP-Vegas method.

Figure 112014041849971-pat00014
Figure 112014041849971-pat00014

상기 <수학식 8>에서 rs는 수신기에서 추정한 전송률을 의미하며, 상기 <수학식 3>을 이용하여 추정할 수 있다.In Equation 8, r s denotes a transmission rate estimated by the receiver, and can be estimated using Equation 3 above.

상기 <수학식 7>에서 상기 백로그 패킷에 대한 가중치 K는 송신기와 수신기 사이의 상기 대역폭 지연 곱(BDP)과 관련되며, 본 실시 예에서는 TCP의 톱니 모양의 동작 방법에 기인하여, 안정적인 동작 지점에서 수신 윈도우의 사이즈가 BDP의

Figure 112014041849971-pat00015
배 (i.e.,
Figure 112014041849971-pat00016
) 만큼 결정되도록 상기 가중치 K를 결정한다. 이러한 조건을 상기 <수학식 6>에 적용하면, 본 실시 예에서 상기 백로그 패킷에 대한 가중치 K 값은 아래 <수학식 9>와 같이 결정할 수 있다.In Equation 7 above, the weight K for the backlog packet is related to the bandwidth delay product (BDP) between the transmitter and the receiver. In this embodiment, due to the sawtooth operation method of TCP, a stable operation point The size of the receive window at BDP
Figure 112014041849971-pat00015
Pear (ie,
Figure 112014041849971-pat00016
The weight K is determined to be determined by ). When this condition is applied to Equation 6, the weight K value for the backlog packet can be determined as shown in Equation 9 below.

Figure 112014041849971-pat00017
Figure 112014041849971-pat00017

상기 <수학식 9>에서

Figure 112014041849971-pat00018
는 본 출원인의 실험에 따르면, 1.35 ~ 1.42 사이의 상수값을 가지며. 이러한
Figure 112014041849971-pat00019
값의 설정을 통해 큐잉 지연이 없는 이상적인 환경에서 송신기가 평균적으로 BDP 만큼 데이터를 전송할 수 있다.In <Equation 9> above
Figure 112014041849971-pat00018
Has a constant value between 1.35 and 1.42, according to the applicant's experiment. Such
Figure 112014041849971-pat00019
By setting the value, the transmitter can transmit data as much as BDP on average in an ideal environment without queuing delay.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따라 수신 윈도우를 제어하는 혼잡 제어 방법을 나타낸 순서도로서, 도 3의 혼잡 제어 방법은 본 실시 예에서 정의된 상기 <수학식 3> 내지 <수학식 9>를 이용하여 수신 윈도우(rwnd)의 사이즈를 결정하는 과정을 나타낸 것이다.3 is a flow chart showing a congestion control method for controlling a reception window according to an embodiment of the present invention, and the congestion control method of FIG. 3 uses Equations 3 to 9 defined in the present embodiment. This shows the process of determining the size of the reception window rwnd.

도 3을 참조하면, 301 단계에서 무선 네트워크에 접속된 수신기는 송신기로부터 라우터, 기지국 등의 중간 노드를 경유하여 수신된 데이터로부터 전송률과 현재 추정된 왕복지연시간(RTTest)을 추정한다. 상기 현재 추정된 왕복지연시간(RTTest)은 예컨대, 상기 수신된 데이터의 타임 스탬프를 근거로 추정되며, 상기 전송률은 상기 <수학식 3>을 이용하여 추정된다.Referring to FIG. 3, in step 301, a receiver connected to a wireless network estimates a transmission rate and a currently estimated round trip delay time (RTT est ) from data received from a transmitter via an intermediate node such as a router or a base station. The currently estimated round trip delay time (RTT est ) is estimated based on, for example, a time stamp of the received data, and the transmission rate is estimated using Equation 3 above.

그리고 303 단계에서 수신기는 현재 추정된 전송률과 왕복지연시간(RTTest)을 이용하여 상기 <수학식 4>와 같이 정의되는 혼잡 제어 정보(qs)를 획득한다. 상기 혼잡 제어 정보(qs)는 수신기에서 추정한 백로그(backlog) 패킷의 개수(Qs)와 상기 백로그 패킷에 대한 가중치(K)를 이용하여 구해지며, 상기 백로그 패킷에 대한 가중치(K)는 상기 <수학식 9>를 이용하여 결정된다. 즉 상기 가중치(K)는 큐잉 지연이 없는 이상적인 환경에서 송신기가 평균적으로 BDP 만큼 데이터를 전송할 수 있도록

Figure 112014041849971-pat00020
값을 설정하여 결정된다. 이후 305 단계에서 수신기는 상기 <수학식 6>에 따라 혼잡 제어 정보(qs)와 현재 추정된 왕복지연시간(RTTest)을 이용하여 수신 윈도우(rwnd)의 사이즈를 결정한다.In step 303, the receiver acquires the congestion control information q s defined as in Equation 4 above by using the currently estimated transmission rate and the round trip delay time RTT est . The congestion control information (q s ) is obtained by using the number of backlog packets (Q s ) estimated by the receiver and a weight (K) for the backlog packet, and the weight ( K) is determined using the above <Equation 9>. That is, the weight (K) is so that the transmitter can transmit data as much as BDP on average in an ideal environment without queuing delay.
Figure 112014041849971-pat00020
It is determined by setting the value. Thereafter, in step 305, the receiver determines the size of the reception window rwnd using the congestion control information q s and the currently estimated round trip delay time RTT est according to Equation 6 above.

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 TCP를 이용하는 무선 네트워크에서 혼잡 제어 장치의 동작을 설명하기 위한 도면이다. 도 3에서 설명한 혼잡 제어 방법에 따라 본 실시 예의 수신기는 결과적으로 RTTest 및

Figure 112014041849971-pat00021
값에 따라서 경쟁 플로우의 존재를 추정할 수 있으며, 그 기준값(c)은 RTTmin의 상수배로 설정될 수 있다.(i.e., c*RTTmin, c는 1 이상의 상수로써, 실험적으로 1.5 내지 2 사이의 값을 가질 수 있다.) 4 is a diagram illustrating an operation of a congestion control apparatus in a wireless network using TCP according to an embodiment of the present invention. According to the congestion control method described in FIG. 3, the receiver of this embodiment consequently RTT est and
Figure 112014041849971-pat00021
Depending on the value, the existence of the contention flow can be estimated, and the reference value (c) can be set as a constant multiple of RTT min . (ie, c*RTT min , c is a constant of 1 or more, experimentally between 1.5 and 2 It can have the value of.)

즉 도 4를 참조하면, 401 단계에서 TCP 세션이 시작된 후, 수신기는 403 단계에서

Figure 112014041849971-pat00022
의 조건을 만족하면, 405 단계에서 수신 윈도우의 사이즈를 증가시킨다. 이 경우는 다른 수신기(들)에 의한 경쟁 흐름에 의해 RTTest가 증가되는 경우로 간주되며, 수신 윈도우(rwnd)의 사이즈를 증가시킴에 따라 다른 수신기(들)에 의한 경쟁 흐름과 비교하였을 때, 유사한 처리량을 얻을 수 있다. 따라서 기존 방식과 같이 경쟁 흐름에 의한 처리량 저하를 방지할 수 있다. 한편 수신기는 상기 403 단계에서
Figure 112014041849971-pat00023
의 조건을 만족하지 않는 경우, 즉 RTTest가 증가하더라도 RTTest가
Figure 112014041849971-pat00024
에 도달하기 전까지는 수신 윈도우의 사이즈를 감소시킴으로써 송신기가 과도한 데이터를 전송하지 않게 제어한다. 이 경우 RTT가 증가되는 것을 방지할 수 있다. 그리고 상기 405 단계와 상기 407 단계에서 증가 또는 감소되는 수신 윈도우의 사이즈는 상기한 <수학식 6>에 의해 결정된다. 한편 상기 RTTest의 증가 또는 감소는 현재 추정된 RTTest와 직전에 추정된 RTTest의 비교를 통해 알 수 있다.That is, referring to FIG. 4, after a TCP session is started in step 401, the receiver
Figure 112014041849971-pat00022
If the condition of is satisfied, in step 405, the size of the reception window is increased. This case is regarded as a case in which RTT est increases due to contention flow by other receiver(s), and when compared with contention flow by other receiver(s) by increasing the size of the reception window (rwnd) Similar throughput can be achieved. Therefore, it is possible to prevent the decrease in throughput due to the flow of competition as in the conventional method. Meanwhile, in step 403, the receiver
Figure 112014041849971-pat00023
In case it does not satisfy the condition, that even if the RTT RTT increase est est the
Figure 112014041849971-pat00024
The transmitter is controlled not to transmit excessive data by reducing the size of the receive window until reaching is reached. In this case, it is possible to prevent the RTT from increasing. In addition, the size of the reception window that is increased or decreased in steps 405 and 407 is determined by Equation 6 above. The increase or decrease in the RTT est can be determined through a comparison of the RTT in the RTT estimation est est and just before the current estimate.

도 5 내지 도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 혼잡 제어 방법(이하, RTFC(Receiver Side TCP Friendly Congestion Control) 방식)의 성능을 배경 기술에서 기술한 기존 Auto-tuning 방식 및 DRWA 방식과 비교한 것으로서, 네트워크는 WiFi 와, LTE 시스템을 각각 가정한 것이다. 도 5 및 도 6은 다른 TCP 흐름과 경쟁하지 않는 네트워크 환경에서 Auto-tuning 방식(501, 601, 511, 611), DRWA 방식(503, 603, 513, 613), 및 RTFC 방식(505, 605, 515, 615)의 처리량과 RTT를 각각 비교하여 나타낸 것이다. RTFC 방식(505, 605, 515, 615)을 적용한 경우, Auto-tuning 방식(501, 601, 511, 611), DRWA 방식(503, 603, 513, 613)과 유사한 처리량을 나타내면서(즉 처리량은 감소되지 않으면서) 큐잉 지연이 보다 감소됨(즉 RTT는 낮게 유지됨)을 알 수 있다. 도 7은 다른 TCP 흐름과 경쟁하는 네트워크 환경에서 Auto-tuning 방식(701, 711), DRWA 방식(703, 713), 및 RTFC 방식(705, 715)의 처리량을 비교하여 나타낸 것이다. RTFC 방식(705, 715)을 적용한 경우, DRWA 방식(703, 713)과 비교하였을 때, 처리량의 저하를 방지하면서, Auto-tuning 방식(701, 711)가 동일한 수준의 처리량을 보임을 알 수 있다.5 to 7 are a comparison of the performance of the congestion control method (hereinafter, RTFC (Receiver Side TCP Friendly Congestion Control) method) according to an embodiment of the present invention with the existing auto-tuning method and the DRWA method described in the background. , The network assumes WiFi and LTE systems, respectively. 5 and 6 are auto-tuning schemes (501, 601, 511, 611), DRWA schemes (503, 603, 513, 613), and RTFC schemes (505, 605) in a network environment that does not compete with other TCP flows. 515, 615) compared to the throughput and RTT, respectively. When the RTFC method (505, 605, 515, 615) is applied, the throughput is similar to the auto-tuning method (501, 601, 511, 611) and the DRWA method (503, 603, 513, 613) (that is, the throughput is reduced). It can be seen that the queuing delay is further reduced (ie, the RTT is kept low). 7 shows a comparison of throughputs of the auto-tuning methods 701 and 711, the DRWA methods 703 and 713, and the RTFC methods 705 and 715 in a network environment competing with other TCP flows. When the RTFC method (705, 715) is applied, compared to the DRWA method (703, 713), it can be seen that the auto-tuning method (701, 711) shows the same level of throughput while preventing a decrease in throughput. .

Claims (10)

전송 제어 프로토콜(TCP)를 이용하는 무선 네트워크에서 혼잡 제어 방법에 있어서,
수신된 데이터로부터 전송률과 현재 왕복지연시간을 각각 추정하는 과정;
상기 추정된 전송률과 상기 추정된 현재 왕복지연시간을 이용하여 혼잡 제어 정보를 획득하는 과정;
상기 혼잡 제어 정보와 상기 현재 왕복지연시간을 이용하여 수신 윈도우의 사이즈를 결정하는 과정; 및
상기 현재 왕복지연시간을 최소 왕복지연시간의 상수배와 비교하여 상기 현재 왕복지연시간이 상기 최소 왕복지연시간의 상수배 보다 큰 경우, 상기 수신 윈도우의 사이즈를 증가시키는 과정을 포함하는 혼잡 제어 방법.
In the congestion control method in a wireless network using a transmission control protocol (TCP),
Estimating a transmission rate and a current round trip delay time from the received data, respectively;
Acquiring congestion control information using the estimated transmission rate and the estimated current round trip delay time;
Determining a size of a reception window using the congestion control information and the current round trip delay time; And
And comparing the current round trip delay time with a constant multiple of the minimum round trip delay time, and increasing the size of the reception window when the current round trip delay time is greater than a constant multiple of the minimum round trip delay time.
 제 1 항에 있어서,
상기 혼잡 제어 정보는 추정된 백로그 패킷의 개수와 상기 추정된 백로그 패킷에 대한 가중치를 이용하여 획득되는 혼잡 제어 방법.
The method of claim 1,
The congestion control information is obtained by using the estimated number of backlog packets and weights for the estimated backlog packets.
 제 2 항에 있어서,
상기 백로그 패킷에 대한 상기 가중치는 아래 수학식에 의해 결정되며,
Figure 112014041849971-pat00025

여기서 BDP는 대역폭 지연 곱,
Figure 112014041849971-pat00026
는 큐잉 지연이 없는 이상적인 환경에서 송신기가 평균적으로 상기 BDP 만큼 데이터를 전송할 수 있도록 설정된 상수 값인 혼잡 제어 방법.
The method of claim 2,
The weight for the backlog packet is determined by the following equation,
Figure 112014041849971-pat00025

Where BDP is the bandwidth delay product,
Figure 112014041849971-pat00026
Is a congestion control method that is a constant value set so that the transmitter can transmit data as much as the BDP on average in an ideal environment without queuing delay.
 삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 현재 왕복지연시간을 상기 최소 왕복지연시간의 상수배와 비교하여 상기 현재 왕복지연시간이 상기 최소 왕복지연시간의 상수배 보다 작거나 같은 경우, 상기 수신 윈도우의 사이즈를 감소시키는 과정을 더 포함하는 혼잡 제어 방법.
The method of claim 1,
Comparing the current round trip delay time with a constant multiple of the minimum round trip delay time, and when the current round trip delay time is less than or equal to a constant multiple of the minimum round trip delay time, reducing the size of the reception window Congestion control method.
 전송 제어 프로토콜(TCP)를 이용하는 무선 네트워크에서 혼잡 제어 장치에 있어서,
수신된 데이터로부터 전송률을 추정하는 전송률 추정부;
상기 수신된 데이터로부터 현재 왕복지연시간을 추정하는 왕복지연시간 추정부; 및
상기 추정된 전송률과 상기 추정된 현재 왕복지연시간을 이용하여 혼잡 제어 정보를 획득하고, 상기 혼잡 제어 정보와 상기 현재 왕복지연시간을 이용하여 수신 윈도우의 사이즈를 결정하는 동작 및 상기 현재 왕복지연시간을 최소 왕복지연시간의 상수배와 비교하여 상기 현재 왕복지연시간이 상기 최소 왕복지연시간의 상수배 보다 큰 경우, 상기 수신 윈도우의 사이즈를 증가시키는 동작을 제어하는 제어부를 포함하는 혼잡 제어 장치.
In a congestion control apparatus in a wireless network using a transmission control protocol (TCP),
A transmission rate estimation unit that estimates a transmission rate from the received data;
A round trip delay time estimation unit for estimating a current round trip delay time from the received data; And
Acquiring congestion control information using the estimated transmission rate and the estimated current round trip delay time, determining the size of a reception window using the congestion control information and the current round trip delay time, and determining the current round trip delay time And a control unit for controlling an operation of increasing the size of the reception window when the current round trip delay time is greater than a constant multiple of the minimum round trip delay time compared with a constant multiple of the minimum round trip delay time.
 제 6 항에 있어서,
상기 제어부는 추정된 백로그 패킷의 개수와 상기 추정된 백로그 패킷에 대한 가중치를 이용하여 상기 혼잡 제어 정보를 획득하는 혼잡 제어 장치.
The method of claim 6,
The control unit obtains the congestion control information by using the estimated number of backlog packets and weights for the estimated backlog packets.
 제 7 항에 있어서,
상기 제어부는 상기 백로그 패킷에 대한 상기 가중치를 아래 수학식에 의해 결정하며,
Figure 112014041849971-pat00027

여기서 BDP는 대역폭 지연 곱,
Figure 112014041849971-pat00028
는 큐잉 지연이 없는 이상적인 환경에서 송신기가 평균적으로 상기 BDP 만큼 데이터를 전송할 수 있도록 설정된 상수 값인 혼잡 제어 장치.
The method of claim 7,
The control unit determines the weight for the backlog packet by the following equation,
Figure 112014041849971-pat00027

Where BDP is the bandwidth delay product,
Figure 112014041849971-pat00028
Is a congestion control device that is a constant value set so that the transmitter can transmit data as much as the BDP on average in an ideal environment without queuing delay.
 삭제delete 제 6 항에 있어서,
상기 제어부는 상기 현재 왕복지연시간을 상기 최소 왕복지연시간의 상수배와 비교하여 상기 현재 왕복지연시간이 상기 최소 왕복지연시간의 상수배 보다 작거나 같은 경우, 상기 수신 윈도우의 사이즈를 감소시키는 동작을 더 제어하는 혼잡 제어 장치.The method of claim 6,
The control unit compares the current round trip delay time with a constant multiple of the minimum round trip delay time and, when the current round trip delay time is less than or equal to a constant multiple of the minimum round trip delay time, reduces the size of the reception window. Congestion control device to further control.
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