KR20090004999A - 통신네트워크에서 대역폭을 예약하는 방법 및 통신시스템 - Google Patents

통신네트워크에서 대역폭을 예약하는 방법 및 통신시스템 Download PDF

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Abstract

시간 민감형 데이터 패킷(예컨대 VoIP 통화)을 위한 경로를 유지하기 위해 데이터 패킷의 더미 플로우가 홈 허브 라우터(20)와 IP 네트워크에 대한 첫 번째 게이트웨이인 브로드밴드 리모트 액세스 서버(25) 사이에 설정된다. 전화기(23)로부터 통화가 시작되면, 상기 더미 플로우는 통화 시간 동안 VoIP를 위해 생성된 패킷에 의해 대체된다. 상기 더미 플로우는 허용할 수 있는 지연을 갖는 최소의 대역폭이 가용하도록 보장하기 위해 전송되는 데이터 패킷의 수를 증가 또는 감소시킴으로써 조정된다. 상기 더미 플로우는 시간에 민감하지 않은 (즉, P2P 데이터 패킷 플로우)를 지연시킴으로써 동작하며 네트워크에 포함된 라우터 등에 대한 변경은 필요하지 않다.

Description

통신네트워크에서 대역폭을 예약하는 방법 및 통신시스템{Communications Networks}
본 발명은 비연결형 통신 네트워크에 관한 것이며 보다 구체적으로는 대역폭이 사용자들 사이에 공유되는 그런 네트워크에 관한 것이다.
IP 네트워크(IP 패킷 네트워크)의 사용자들에게 가장 큰 영향을 미치는 문제들 중 하나는 보장된 QoS(Quality of Service)의 부족이며, 그리하여 예컨대 VoIP 통화를 하는 것이 가능하지만, 패킷 지연은 통화의 품질을 나쁘게 할 수 있다.
추가적인 문제는 피어 투 피어(peer-to-peer) 파일 공유 네트워크는 상대적으로 낮은 우선순위에도 불구하고 파일 전송을 고속화하기 위해 모든 가용한 대역폭을 사용하므로 파일 공유는 VoIP 통화의 초기 설정에 지연을 초래할 수 있다는 점이다.
이와 같이 지연 또는 손실된 패킷은 약 300 msec(음성)의 시간 이용 윈도우만을 갖기 때문에 재송신 될 수 없으므로 네트워크상의 정체는 양방향 VoIP 또는 비디오 통화에 대해 특히 상당한 어려움이 된다. 결과적으로 백본 또는 엠-본(M-bone)의 네트워크 이용도가 증가하고 로컬형 무선 네트워크가 홈 라우터에 "피기백(piggy-back)"을 계획하면서, 높은 우선순위 또는 시간 민감형 전송은 보호될 필요가 있다.
시간 민감형 전송을 보호하려는 시도가 있어 왔지만 이를 실행하기 위해서는 대부분이 라우터와 다른 네트워크 공통 장비의 복잡한 수정을 수반한다. 이것의 한 가지 예를 EP0706297에서 찾을 수 있으며, 여기에는 ATM 교환기에서 정체를 제어하는 방법이 기술되어 있다. 이 명세서에 기술된 방법을 위해서 네트워크의 각 라우터는 수정이 필요하다. 상기 방법은 견고한 정체 제어 스킴을 제공하며, 이 방법은 UDP:TCP 트래픽 비율에 실제로 영향이 없고 단지 피어 투 피어 트래픽이 높은 곳에서 최대 정체 상태가 될 것이다.
다른 알려진 스킴은 US2004/0172464에 개시되어 있다. 이것은 두 장소, 실제상으로는 아마도 2개의 링크된 영업소 사이에 2개의 QoS 등급 설정을 고려한다. 상기 스킴은 2개의 장소 사이의 파이프의 양 종단에 승인 제어 알고리즘(admission control algorithm)을 가짐으로써 구현되며, 이것은 실시간 트래픽 전송을 위해 파이프(실제로는 가상 전용선)의 일부를 효과적으로 예약한다. 엄격한 QoS 할당의 부여에 대한 요구가 있을 수 있고 양 종단점에서 게이트웨이 또는 라우터 수정이 필요할 것이다.
DPI(Deep Packet Inspection) 기법, 서비스 우선화, 종단간 정체 통지 스킴, 및 극단적으로 네트워크의 과잉 제공을 사용하여, IP 네트워크를 통한 시간 민감형패킷이 ATM 또는 MPLS 같은 기초 네트워크 베어러(network bearers)의 사용을 포함하는 우선순위를 갖는 것을 보장하는 문제에 대해 제안된 다른 솔루션들이 있다.
이들 솔루션 모두는 배치된 라우터에 대한 변경이나 프로토콜 수정을 요구하는 관련된 복잡성에 의한 상당한 비용을 가지므로, 상기 문제를 IP 레이어(9)로부터 이동시키고 이것은 차례로 IP를 사용하는 장점을 감소시키거나 트래픽 흐름이 증가할 때 비용이 증가한다. DPI 방법은 패킷이 암호화될 때 작동하지 못하는 추가적인 단점이 있다.
공중 IP 네트워크에서 QoS 문제의 대부분은 피어 투 피어 트래픽에서 발생하기 때문에, 트래픽 플로우가 가용한 대역폭에 관계없이 네트워크 용량을 채우면서, 운영자는 QoS 스킴을 도입하지 않고서 음성 및 비디오 서비스를 제공하는데 어려움에 직면하는데, 이는 피어 투 피어(P2P) 트래픽이 특별히 스스로 역효과를 받지 않으면서 이들 서비스에 역효과를 주기 때문이다.
본 발명에 의하면 공유 통신 네트워크에서 대역폭을 예약하는 방법이 제공되며, 상기 방법은:
상기 네트워크의 제 1 노드와 제 2 노드 사이에 소정의 전송율로 더미 데이터 패킷의 스트림을 전송하는 단계;
제 2 노드에 의해 제 1 노드로 전송된 더미 데이터 패킷의 대응 스트림을 수신하는 단계;
상기 두 노드 사이에 지연 및/또는 패킷 손실을 판정하는 단계;
상기 지연 및/또는 손실과 문턱값을 비교하는 단계; 및
서비스 품질(QoS)이 부적당한 경우, 상기 두 노드 사이에 더미 데이터 패킷의 전송율을 증가시키는 단계를 포함하고,
상기 QoS는 상기 문턱값 이하에서 후속의 시간 민감형 트래픽에 부적당한 것을 특징으로 한다.
상기 두 노드 사이의 더미 데이터 패킷의 전송은 더 심한 트래픽 정체가 예상되는 소정의 시간에 발생하고 및/또는 시간 민감형 트래픽이 두 노드 중 하나에서 시작될 것으로 예상되는 시간에 앞선 소정의 시간에 발생할 수 있다.
본 발명의 특징에 의하면 공유 통신 네트워크를 포함하는 통신 시스템이 제공되며, 상기 시스템의 한 노드의 제어 수단은 적어도 하나의 다른 노드에 더미 데이터 패킷의 스트림을 전송함으로써 시스템의 상기 적어도 하나의 다른 노드에 보장된 경로를 설정하고 상기 다른 노드로부터 더미 데이터 패킷의 대응 스트림을 수신하며, 상기 제어 수단은 상기 전송에서 지연 및/또는 패킷 손실을 판정하고 QoS가 시간 민감형 데이터 패킷의 만족스런 전송을 위한 소정의 문턱값 이하로 떨어지는 경우 더미 데이터 패킷의 전송율을 증가시키는 것을 특징으로 한다.
노드들 사이의 더미 데이터 패킷의 전송은 더 심한 트래픽 정체가 예상되는 소정의 시간에 발생하고 및/또는 시간 민감형 트래픽이 상기 노드들 중 하나에서 시작될 것으로 예상되는 시간에 앞선 소정의 시간에 발생할 수 있다.
상기 하나의 노드에서 시작되는 시간 민감형 데이터 트래픽의 개시의 검출시, 제어수단은 더미 데이터 패킷을 시간 민감형 패킷으로 대체시키고 상기 시간 민감형 데이터 스트림의 전송을 완료한 때, 더미 데이터 패킷의 전송을 다시 개시하도록 할 수 있다.
이제 본 발명의 특징을 갖고 본 발명의 방법을 사용하는 통신 네트워크가 첨부된 도면을 참조하여 단지 예로서 설명될 것이다.
도 1은 IP 네트워크에서 간략화된 실시 개념도이고,
도 2는 사용된 네트워크 레이어를 개략적으로 도시하며;
도 3은 DSL 또는 ADSL 통신 환경에서 본 발명의 사용을 보여주는 블록도이고;
도 4는 종래 기술 스킴의 블록도이다.
먼저 우리는 IETF IntServ 시스템이라고 종종 불리우는 회로 에뮬레이션 스킴인 종래 기술 솔루션 하나를 살펴볼 것이다. 이 스킴은 패킷이 임의의 수의 상이한 루트를 통해 흘러야 한다는 일반적인 원칙과 대조적으로 패킷 플로우에 대한특정 경로를 설정한다. 그 다음 도 4를 참조하면, 데이터 경로(1)에 존재하는 각 라우터는 상기 플로우를 위해 특정 대역폭을 예약해야 한다. 상기 흐름 규격은 RSVP 프로토콜을 사용하여 네트워크를 통해 시그널링되고 각 라우터는 특정 소프트웨어를 실행하고(라우터가 수정되어야 할 필요가 있음) 추가 프로세싱과 라우터 메모리를 요구하는 다수의 큐(queue)를 설정할 필요가 있다. 상기 스킴은 대규모 네트워크에서 관리하기 어려우며 그리고 임의의 라우터가 대역폭이 부족하면 예약 시도는 실패할 것이다.
복잡한 대역폭 조정 시스템이 필요하고 예약 설정을 위한 지연이 매우 길어질 수 있으므로 예컨대 VoIP 통화 사용자에 대한 호접속 지연시간(PDD: Post Dialing Delay)이 발생한다. 상기 스킴을 더 큰 네트워크에 확장하려고 할 때 역시 심각한 문제가 있다.
이제 도 1을 참조하면, 본 발명은 최소의 패킷 지연의 보장에 대한 요구가 있는 경우에 사용자가 가용한 대역폭을 갖도록 보장하는 문제에 대한 간단한 솔루션을 제공한다. 이와 같이, 다수의 라우터(3)(편의상 2개만 도시됨)를 포함하는 IP 네트워크(2)는 예컨대 다른 네트워크 사용자(4,5)에 의해 야기된 P2P 트래픽으로 인해 정체되기 쉽다.
제 1 사용자 단말기(6)가 제 2 사용자 단말기(7)에 대한 보장된 경로가 필요하다고 가정하면 단말기(6)는 일련의 데이터 패킷의 전송을 개시한다. 시간에 있어서 이 데이터 패킷 흐름은 정체의 결과로서 하위의 우선순위(예컨대 P2P) 데이터 패킷을 지연시킨다. 이것은 발생하는데 시간이 걸릴 수 있으므로 보장된 흐름을 요구하기 전에 더미 데이터 패킷 플로우를 형성하는 것은 시간 민감형 패킷 전송을 요구하기에 앞서 단말기(6,7) 사이에 경로가 설정되는 것을 보장한다. 이와 같이 단말기(6)의 사용자가 보장된 흐름을 요구할 때, 시간 민감형 패킷은, 정체된 네트워크에서 필요할 때 시간 민감형 데이터 패킷을 위한 흐름을 설정하려는 것보다 훨씬 더 잘 동작하는 더미 데이터 패킷 흐름 대신에 사용된다.
이와 같이 더미 플로우는 제한하지 않으면 가용한 대역폭을 모두 소비하는 P2P 트래픽을 제한하기 때문에, P2P 트래픽을 지연시키는 동안 현저한 지연을 초래하지 않으면서 초기부터 음성 또는 비디오 통화를 설정하는 것이 가능하다.
도 1은 본 발명의 개념을 가장 간단한 형태로 도시하고 있으며 보통의 TCP/IP 스택 위에 위치하는 특별한 네트워크 소프트웨어를 실행하는 단말 노드(6,7)에 기초를 두기 때문에, 라우터 또는 다른 네트워크 요소들의 수정이 요구되지 않는다
이와 같이 도 2를 참조하면, 본 발명을 실시하기 위해 필요한 유일한 변경은 더미 플로우가 형성되는 종단점을 수정하는 것이다. 더미 플로우 애플리케이션(8)은 보통의 패킷 플로우에서와 같이 100 ms의 최대 지연을 위해 64 kbps 플로우를 모니터링하고 이 플로우가 유지되도록 패킷 전송을 조정하는 RCP/UDP를 사용하는 TCP/IP 스택 위에 배치된다. 이것은 보통의 실시간 플로우에서와 같이 RTCP 피드백을 사용하여 행해지며 RTP/RTCP 계층(9)의 동작의 수정은 필요하지 않다.
따라서 UDP 계층(10), IP 계층(11) 및 물리 계층은 실시에 의해 변경되지 않고, RTCP 응답의 모니터링은 P2P 트래픽이 상기 정체된 경로에서 지연되고 더미 플로우 계층(8)과 VoIP 애플리케이션(12) 같은 애플리케이션 계층 사이의 인터페이스가 트래픽 흐름을 중단시키는 다른 정체를 대기하지 않고 설정된 경로를 잠시 사용할 수 있도록 보장하기 위해 전송율을 64 kbps 이상으로 필요한 만큼 증가시킬 수 있도록 한다.
본 발명의 편익의 예를 고려하기 위해, 이제 다른 소위 브로드밴드 트래픽으로 공유되는 VoIP 네트워크의 일부를 도시하는 도 3을 참조한다. 라우터 또는 DSL 모뎀(종종 "홈 허브"라고 함)은 예컨대 다수의 컴퓨터(21, 22)와 가정용 전화기(23)에 의해 공유될 수 있다. 홈 비디오 리코더(도시되지 않음)와 같은 다른 장치 역시 시간에 민감하지 않은 다운로드에서 홈 허브를 사용할 수 있으며 응급 경 보와 같은 장치가 시간 민감형 통신 모드로 응급 서비스에 연결하기 위해 상기 홈 허브를 사용할 수 있다.
많은 DSL 브로드밴드 접속에서, 업링크 대역폭은 다운링크 대역폭보다 현저히 작으며, ADSL의 전형적인 예는 업링크가 256 kbps이고 다운링크가 2 Mbps이다. 따라서 가정의 임의의 사용자가 (예컨대 영화를 보기 위해 리코더에 다운로딩하는 경우) 시간에 민감하지 않은 통신을 위해 업링크나 다운링크의 전부를 사용하면 동일한 DSL 링크를 사용하여 전화기(23)를 통해 음성 통화를 하기 위한 시도는 실패할 것이다.
(실시에 의해 영향을 받지 않고, 발명의 실행을 위해 어떤 수정도 필요하지 않은) 디지털 가입자 회선 애플리케이션 멀티플렉서(DSLAM)(24)와 회선을 통해 브로드밴드 리모트 액세스 서버(B-RAS)(25)와 라우터 사이에 더미 플로우를 설정함으로써, 시간 민감형 패킷을 위한 보장된 경로가 가용하며 PSTN의 POTS 형태의 일부로서 받아들이게 된 일종의 "인스턴트 텔레포니(instant telephony)"가 전화통신과 브로드밴드 애플리케이션을 위한 상이한 회선의 필요없이 계속해서 제공될 수 있다.
가입자와 IP 네트워크 사이의 제 1 게이트웨이인, B-RAS(24)에 대한 경로가 보장되면서, 즉시 전화 또는 비디오 통화를 설정하기 위한 지연은 차단될 수 있기 때문에 전화기(23)와 전화기(26) 사이의 통화는 라우터(20)와 B-RAS(24) 사이의 다른 IP 트래픽에 의해 영향을 받지 않는다.
지금까지 더미 플로우 트래픽의 특정 값에 대해서 본 발명이 설명되었지만, 예상되는 트래픽의 종류에 따라서 더 높거나 더 낮은 보장된 트래픽 플로우가 제공될 것임을 인식할 것이다. 마찬가지로 보장된 패킷 플로우가 애플리케이션 계층(2)에 의해 인계되는 동시에, 첫 번째 플로우가 사용 중인 동안 추가적인 실시간 애플리케이션의 시작을 준비하기 위해 다른 시간에 민감하지 않은 패킷을 지연시키기 위해 새로운 더미 플로우가 시작될 수 있다.
더미 플로우 애플리케이션은 대량의 트래픽의 경우나, 홈 허브(20)가 정체될 것으로 예상되는 소정의 시간에만 실행될 수 있다. 이와 같이, 더미 플로우 애플리케이션(8)은 하루 중 어느 시간/일주일 중 어느 날과 같로 변경될 수 있는 소정의 시간 동안만 또는 홈 허브(20)에서 정체가 일어날 가능성이 있는 시간을 학습하여 실행될 수 있다.
이 방법은 내부(홈 허브)의 애플리케이션에 적용될 수 있을 뿐만 아니라 어떤 종류의 LAN, 무선 네트워크 등에서도 동일하게 구현될 수 있다. 특히 무선 네트워크의 집단 공유가 이루어지는 경우 무선 라우터 소유자는 자신의 시간 민감형패킷 플로우를 위해 보장된 통신 플로우가 필요할 것이며 예컨대 업무시간 동안에 P2P 트래픽을 강제로 지연시킬 필요가 있을 것이다.

Claims (12)

  1. 공유 통신 네트워크에서 대역폭을 예약하는 방법에 있어서,
    상기 네트워크의 제 1 노드와 제 2 노드 사이에 소정의 전송율로 더미 데이터 패킷의 스트림을 전송하는 단계;
    제 2 노드에 의해 제 1 노드에 전송된 더미 데이터 패킷의 대응하는 스트림을 수신하는 단계;
    상기 2개 노드 사이의 지연 및/또는 패킷 손실을 판정하는 단계;
    상기 지연 및/또는 패킷 손실과 문턱값을 비교하는 단계; 및
    서비스 품질(QoS)이 부적당한 경우 상기 2개 노드 사이의 더미 데이터 패킷의 전송율을 증가시키는 단계를 포함하고,
    상기 서비스 품질은 상기 문턱값 이하에서는 후속의 시간 민감형 트래픽에 부적당한 것을 특징으로 하는 통신 네트워크에서 대역폭을 예약하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 2개 노드 사이의 상기 더미 데이터 패킷의 전송은 높은 트래픽 정체가 예상되는 소정의 시간에 일어나는 것을 특징으로 하는 통신 네트워크에서 대역폭을 예약하는 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 2개 노드 사이의 상기 더미 데이터 패킷의 전송은 시간 민감형 트래픽이 상기 2개의 노드 중 하나에서 시작될 것으로 예상되는 시간에 앞선 소정의 시간에 일어나는 것을 특징으로 하는 통신 네트워크에서 대역폭을 예약하는 방법.
  4. 공유 네트워크를 포함하는 통신시스템에 있어서,
    상기 통신시스템의 한 노드의 제어수단은 하나 이상의 다른 노드에 더미 데이터 패킷의 스트림을 전송함으로써 상기 통신시스템의 상기 하나 이상의 다른 노드에 보장된 경로를 형성하고, 상기 하나 이상의 다른 노드로부터 더미 데이터 패킷의 대응하는 스트림을 수신하며, 상기 전송에서 지연 및/또는 패킷 손실을 판정하고, 상기 서비스 품질(QoS)이 시간 민감형 데이터 패킷의 성공적인 전송을 위한 소정의 문턱값 아래로 떨어지는 경우 더미 데이터 패킷의 전송율을 증가시키는 것을 특징으로 하는 통신시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어수단은 상기 선택된 노드 사이에 정체가 심할 것으로 예상되는 소정의 시간에 상기 더미 데이터 패킷의 전송을 실행하는 것을 특징으로 하는 통신시스템.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 제어수단은 시간 민감형 트래픽이 상기 노드 중 하나에서 기원하는 것 으로 예상되는 시간에 앞선 소정의 시간에 상기 노드 사이에 더미 데이터 패킷의 전송을 실행하는 것을 특징으로 하는 통신시스템.
  7. 제 4 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어수단은, 상기 한 노드에서 발원하는 시간 민감형 데이터 패킷 스트림의 시작을 검출한 때, 상기 더미 데이어 패킷을 시간 민감형 패킷으로 대체하는 것을 특징으로 하는 통신시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제어수단은, 상기 시간 민감형 데이터 스트림의 전송 완료 시, 상기 더미 데이터 패킷의 전송을 재개하는 것을 특징으로 하는 통신시스템.
  9. 제 4 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 노드 중 하나는 공유된 내부 라우터이고,
    상기 제어수단은 상기 라우터에 부속된 단말기에 위치하는 것을 특징으로 하는 통신시스템.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 공유된 내부 라우터는 무선 허브(hub)인 것을 특징으로 하는 통신시스템.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 무선 허브는 VoIP 전화 통화를 전달하는 것을 특징으로 하는 통신시스템.
  12. 제 4 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 노드 중 하나는 브로드밴드 리모트 액세스 서버인 것을 특징으로 하는 통신시스템.
KR1020087025437A 2006-03-30 2007-02-28 통신네트워크에서 대역폭을 예약하는 방법 및 통신시스템 KR101508389B1 (ko)

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