KR19980013823A - 적응우선순위방식을 이용한 다중화방법 - Google Patents

Abstract

ATM망의 통신로 연결장치에서 단말기에 여러개의 통신로를 연결 특성에 따라 우선순위를 할당하여 다중화하는 기술이다.

트랙픽 특성이 급격히 변화할 때 셀 지연시간이 길어지고, 이러한 특성은 시간지연에 민감한 멀티미디어 데이터의 경우 치명적인 악영향을 미칠수 있는 문제를 해결하기 위해 트랙픽 특성에 따라 각각의 셀에 대한 초기 우선순위값을 적응적으로 변화시켜 다중화를 수행한다.

Description

적응우선순위방식을 이용한 다중화방법

제1도는 본 발명의 실시 예에 적용되는 우선 순위 기반 셰이퍼/다중화기의 구성을 나타낸 도면

*도면의 주요 분에 대한 부호의 설명*

10 : MMN12 : UDM

15 : 선택기16 : 셀 생성기

18 : MAR20 : 중재기

22 : MDR

24 : 멀티미디어 데이타 인터페이스

26 : 사용자 데이타 인터페이스

본 발명은 비동기 전송모드(Asyncchronous Transfer Mode : ATM)망의 단말기에 사용되는 다중화방법에 관한 것으로, 특히 ATM망에 하나의 단말기에 여러개의 통신로를 연결 특성에 따라 우선순위를 할당하여 다중화하는 적응 우선순위 방식을 이용한 다중화방법에 관한 것이다.

통상적으로 셰이퍼는 ATM망에서 이루어지는 트래픽 제어 기술중 한 방식으로 사용자 단말에서 행해지는 트래픽 제어기술이다. 셰이퍼는 두가지 기능을 가지는데 하나는 복잡한 특성을 가지고 있어 트래픽 특성을 기술하기 어려운 멀티미디어 데이터의 트래픽의 특성을 단순화하여 ATM망의 다중화기에서 다중화 작업을 효과적으로 수행할 수 있도록 한다. 또 한가지 기능은 연결 설정(Connection Estblishment)시에 망과 형의된 트래픽을 어기는 셀(Cell)에 대해 적절한 조치를 취함으로서 트래픽 협약을 준수하도록 만드는 기능이다. 그리고 다중화기(Multiplexer)는 주로 ATM망내부에서의 스위칭이 행해지는 다중화 방식에 대한 것이 주류를 이룬다. 이러한 알고리듬은 여러개의 연결을 가지는 ATM 단말에도 적용 가능하다. 다중화기 알고리듬은 크게 나누어 rate기반 알고리듬과 우선 순위 기반 알고리듬이 있다.

그런데 일반적인 동적 다중화방식에서는 트래픽 특성이 급격히 변화할때 셀 지연시간이 길어지고, 이러한 특성은 시간지연에 민감한 멀티미디어 데이터의 경우 치명적인 악영향을 미칠수 있다.

본 발명의 목적은 ATM망의 단말기에서 다중화할 시 멀티미디어 데이터가 가지는 시간지연의 변이를 감소시키는 적응 우선순위 방식을 이용한 다중화 방법을 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 트래픽 특성에 따라 각각의 셀에 대한 초기 우선순위값을 적응적으로 변화시켜 상기 변환시킨 적응우선순위에 따라 다중화를 수행함을 특징으로 한다.

이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.

제1도는 본 발명의 실시예에 적용되는 우선 순위 기반 셰이퍼/다중화기의 구성을 나타낸 도면이다.

멀이미디어 데이타 메모리(MMM) 10과 사용자 데이타 메모리(UDM) 12는 데이타 버퍼에 해당하는 부분으로 시간에 대한 제약이 많은 멀티미디어데이타와 일반 사용자 데이타를 구분하여 처리할 수 있도록 하였다. 멀티 미디어 데이타 메모리 10은 물리적으로 두 개의 메모리로 구성되어 이중 구조 버퍼를 형성하여 시간적으로 연속된 특ㅈ성을 가지는 멀리미디어 데이타를 취급할 수 있도록 구성하였다. 사용자 데이타 메모리 12는 하나의 메모리를 공유 메모리로 구성하였다. 사용자 프로세스와 ATM망으로 부터 접근이 용이 하도록 구성하였다. 멀티미디어 데이타 인터페이스 24는 멀티미디어 데이타를 전송 및 수신하는 역할을 담당한다. 사용자 데이타 인터페이스 26은 프로토콜 관련데이타와 일반 사용자 데이타를 망과 시스템 프로세서 사이에서 복사, 참조하는 역할을 담당한다. 선택기(Selector) 14는 트래픽 특성에 따라 멀티 미디어 데이타 메모리 10과 사용자 데이타 메모리 12의 데이타를 다중화하여 출력한다. 이때 사용자 데이타 메모리 12의 데이타가 출력된다면 어느 프로세스에 할당된 데이타를 출력할 것인지를 구분하여 해당 데이타를 48바이트씩 셀 생성기(Cell-maker)16으로 전송한다. 셀 생성기 16에서는 전송되어온 48바이트의 셀 데이타 부분에 대하여 셀 해더를 추가하는 역할을 수행한다. 셀 해더의 상당 부분은 사용자에 의해 미리 정해진 파라미터에 따라 결정된다. 중재기 20은 우선 순위 기반 셰이퍼의 핵심이 되는 부분으로 어느 데이타가 어느 시점에 출력될 것인지를 결정하여 선택기 14에 알리는 역할을 한다. 전송 데이타는 그 성격에 따라 두 가지 종류로 구분할 수 있다. 마스터 CPU가 관여하지 않고 데이타가 전송될 수 있는 대부분의 멀티미디어 데이타와 사용자에 의해 응용 프로그램에서 발생되거나 파일의 형태로 존재하는 정보를 전송하는 사용자 데이타가 있다. 멀티미디어 데이타는 멀티 미디어 메모리 10을 통하여 버퍼링되고 사용자 데이타는 사용자 데이타 메모리 12를 통하여 버퍼링된다. 사용자 데이타는 사용자가 여러개의 프로세스를 실행시키고 있을 경우 물리적으로는 하나의 메모리이지만 논리적으로는 이를 여러개의 메모리로 구분하여 버퍼로 사용 하여야 한다. 또한 선택기 14에 의해 전송할 셀 데이터 부분의 위치를 쉽게 구분할 수 있게 구성되어야 한다. 그리고 사용자 데이타 메모리 12는 상기 멀티 미디어 메모리 10과 같이 양방향 인터페이스를 가진다. 마스터 CPU측에서 바라보면 UDM 12는 하나의 물리적 메모리로 볼 수 있다. 논리적으로는 운영체계 계층 혹은 디바이스 드리이버(Device Driver)에서 프로세스마다 서로 다른 물리적 어드레스를 할당하고 이를 응용 계층에 논리적 어드레스로 제공하여야 한다. 사용자는 응용 계층에서 자신이 사용할 버퍼의 크기를 지정한다. 버퍼의 크기는 평균 전송률과 최고 전송률을 고려하여 결정하여야 하는 피라미터로 전송하고자 하는 데이타의 성격에 따라 서로 다를 수 있다. 사용자가 정한 버퍼의 크기를 디바이스 드라이버에서는 물리적인 어드레스 매핑(mapping)하는데, 이때 물리 어드레스는 상위 몇 비트만을 변화하여 서로 다른 위치에 접근할 수 있게 구성된다. 이는 셀 생성기 16측에서 바라보았을 때 각 프로세스에 할당된 물리 어드레스를 쉽게 접근 할 수 있도록 하기 위함이다.

상기 선택기 14에서는 각각의 연결에 대한 우선 순위를 할당함에 있어 두 가지 방법을 함께 사용한다. 초기 우선 순위 할당과 각각의 셀이 경험하는 큐 내부에서의 대기 시간에 따른 동적 우선 순위 할당 방식이다. 초기 우선 순위는 정해진 짧은 시간 영역에서의 트래픽의 트래픽의 평균 전송률에 바탕을 둔 각각의 셀의 예측 도착 시간에 대하여 셀이 얼마나 빨리 큐에 도착 하였는가에 바탕을 두고 정해진다. 즉 정해진 짧은 시간 영역에서의 요구 대역폭에 비하여 높은 대역폭으로 셀이 발생되면 요구 대역폭 이상의 셀은 그만큼의 불리함을 가지고 우선 순위를 할당받게 된다. 초기 우선 수뉘 값의 할당 방식을 설명하기 위하여 Ⅰ번째 연결에 대하여 다음과 같은 기호를 정의한다.

ri : Ⅰ번째 연결에 할당된 통신 용량

S_i: Ⅰ번째 연결의 k번째 패킷의 예상 도착 시간

L_i(k) : Ⅰ번째 연결의 k번째 패킷의 정규화된 패킷 길이, k번째 패킷의 길이가 P_i(K)라면 L_i(k)는 L_i(k)=P_i(k)/ri

I_i(k) : Ⅰ번째 연결에서 k번째 패킷과 k+1번째 패킷 사이의 도착 시간차이

T_i(k) : Ⅰ번째 연결에서 k번째 패킷의 도착 시간

연결이 설정되면 첫 번째 패킷은 즉시 도착한다고 가정하고 모든 패킷의 도착시간은 다음과 같이 예측할 수 있다.

S_i(1) = 0

S_i(k+1) = max[T_i(k), S_i(k)] + L_i(k)

여기서 S_i(k)와 T_i(k)의 차 Δ_i(k) = S_i(k) - T_i(k)는 k번째 패킷이 예측된 시간에 디하여 얼마나 일찍 도착하였는지를 나타낸다. 이를 위반 시간이라 한다.

위 식으로 부터 위반 시간은 다음과 같이 계산될 수 있다.

Δ_i= 0

Δ_i(k+1) = [Δ_i(k) - I_i(k) + L_i(k)]⁺

여기서 [X]⁺= max(x, 0)을 의미한다. 이 식에서 위반 시간은 큐에서의 가상대기 시간이 된다. 이를 가상 대기 시간과 해당 패킷의 큐에서의 처리 시간의 합으로 나타내면,

Δ_i(1) = L_i(1)

Δ_i(k+1) = [Δ_i(k) - I_i(k)]⁺+ L_i(k+1)

이와 같은 위반 시간 프로세스는 가장 큐에 대한 분석으로 귀착된다. 가상큐의 비지(busy)구간은 Δ_i(j-1) = 0이고 L_i(j-1) - I_i(j-1) 〉0인 패킷 J의 도착에서 시작된다. 또한 위반 시간 값은 L_i(k) - I_i(k)의 값이 0보다 클때 증가함을 알 수 있다. 가상 큐의 비지(busy) 구간은 J+m번째 패킷이 다음과 같은 조건을 만족할 때 끝나게 된다.

어떤 주어진 정보원으로부터 발생하는 트래픽에 대하여 위반 시간 값은 데이터 집중도가 높을 때 증가하게 되므로 위반 시간 값은 정보원의 데이터 집중도를 나타내는 척도이기도 하다. 상기와 같이 가상 큐의 안정조건은 I_i(k)와 L_i(k)가 iid. 프로세스라할 때 E[I_i]〉E[L_i]이다. 다시 말해서 장기적으로 보았을 때 정보원은 망에 할당된 대역폭보다 작은 대역폭으로 정보를 전송하여야 확률적으로 1인 안정화 상태를 얻을 수 있다. 하지만 항상 이런 조건을 만족할 수는 없으며, 또한 이런 조건을 항상 만족시키는 것이 필요한 것도 아니다. 따라서 효과적인 스케쥴링을 위하여 다음과 같은 변수를 정의하고 제한 집중도로 한다.

O_i= E[I_i] / [E[L_i] - 1

상술한 안정화 조건을 만족시키기 위해서는 제한 집중도는 0보다 커야한다. 제한 집중도의 결정은 큐의 분석을 통해 얻을 수 있으며, 제한 집중도를 얻으면 다음과 같은 식을 통하여 할당 대역폭을 얻을 수 있다.

r_i= (1+o_i) E[P_i] / E[I_i]

본 발명에서는 S_i(k)값을 시간에 따라 동적으로 할당하여 위의 계산을 수행한다. S_i(k)값을 할당하는 기준은 트래픽의 특성을 관찰하여 정한다. 이런 할당 방식은 특히 MPEG과 같은 프레임의 주기성을 가지는 트래픽에 대하여 특히 우수한 성능을 가진다. 예를 들어 IBBPBB의 주기성을 가지는 MPEG 데이터 트래픽이 있다고 가정한다. 이때 전체 데이터 트래픽의 평균 대역폭은 (|I|+|P|+2|B|)/4와 같이 나타낼 수 있다. 단, 이 때 |0|은 해당 프레임의 데이타량을 나타낸다. 이 평균값에 따라 통신망에서의 데이터 대역폭을 할당 받으면 특히 Ⅰ프레임의 큐내부에서 시간 지연이 많이 발생한다. 그리고 I, B, P 각각의 프레임 내부의 셀들이 겪게되는 셀 지연 시간이 크게 차이가 나게 되고 이는 QoS 파라미터의 하나인 셀 전송지연 시간 변이를 증가시키는 요인이 된다. 따라서 본 발명에서는 전송하고자하는 MPEG 데이터의 프레임 패턴에 따라 일정한 시간 간격으로 주기적으로 S_i(k)값을 변화시키도록 한다. 즉 Ⅰ프레임이 발생할 시점에서는 ri값을 |Ⅰ| 값에 따라 할당받고 B프레임에서는 |B|값에 따라 할당 받는다. 이런 적응 우선 순위 할당 방식을 통하여 시간 지연에 민감한 트래픽에 대하여 큐에서의 시간 지연을 보다 낮출 수 있다.

또한 우선 순위 동적 할당방식에 의해 다중화하는 동작을 보면 다음과 같다. Ⅰ번째 연결에 대하여 T순간에 도착한 패킷이 위반 시간 y를 가질 때 다음과 같은 선형 우선 순위 함수(linear priority function)을 정의할 수 있다.

qi(k) = y - γ_i(t-T)γ_i≤ 0

이 함수의 값에 따라 큐의 서비스 순서가 결정된다. 즉 망으로의 패킷전송이 가능할 때는 이 우선 순위 값이 낮은 순으로 망으로 전송되고, 큐가 꽉차있을 때 패킷이 큐로 전송 되어오면 상기 선형우선순위함수의 값이 높은 패킷 부터 폐기된다. 상기 함수는 크게 두 부분으로 구성되어 있다. 처음 큐에 도착 했을 때 가지게 되는 초기 우선 순위값 위반 시간 y와 시간이 지남에 따라 가지게 되는 우선 순위 값의 변화 γ_i(t-T)로 구성된다. 시간이 지남에 따라 가지게 되는 우선 순위 값을 변화 시킴으로써 많은 변화를 얻을 수 있다. 예를 들어 γ_i(t-T) 값을 0에 가깝게 두면 패킷이 도착한 후 시간이 경과되어도 우선 순위 값에 변화를 얻지 못하게 되어 우선 순위의 정적 할당의 경우와 동일하게 동작한다. 따라서 큐가 가득 찼을 때는 위반 시간 값이 큰 패킷이 먼저 버려진다. 만약 γ_i(t-T) 값이 무한대에 가까우면 위반 시간 값은 무시되어 중재기 20내부의 FIFO와 같은 방식으로 동작한다. 즉, 모든 패킷은 먼저 도착한 순서대로 서비스된다.

이상과 같은 동적 우선 순위 할당 방식에서 버퍼의 할당과 서비스 우선 순위는 각각 제한 집중도와 시간에 따른 우선 순위 값 조절에 의해 조절된다. 즉 제한 집중도가 작고 γ_i(t-T)가 크면 시간 지연에 민감하고 손실에 민감하지 않은 연결에 대하여 적합한 특성을 가진다.

상술한 바와 같이 우선 순위 할당 시 트래픽 소스의 특성을 고려하여 초기 우선 순위를 할당함으로서 각각의 셀이 가지는 우선 순위 값을 보다 현실적으로 할당할 수 있으며, 또한 멀티미디어 데이터가 가지는 시간 지연의 변이를 감소시킬 수 있는 이점이 있다.

Claims (2)

1. ATM단말기에 사용되는 다중화방법에 있어서.

   트래픽 특성에 따라 각각의 셀에 대한 초기 우선순위값을 적응적으로 변화시켜 변환시킨 적응우선순위에 따라 다중화를 수행함을 특징으로 하는 적응우선순위 방식을 이용한 다중화방법.
2. ATM단말기에 사용되는 다중화방법에 있어서.

   입력된 트래픽 특성에 따라 압축된 비디오의 경우 프레임의 종류와 적응할 초기 우선 순위 값을 계산하는 과정과,

   상기 계산된 초기 우선 순위값을 다음 셀의 예측 도착 시간에 따라 할당하여 다중화를 수행하는 과정으로 이루어짐을 특징으로 하는 적응 우선순위 방식을 이용한 다중화방법.