KR20090007330A

KR20090007330A - 가중화된 공평 폴리싱을 위한 효율적 방법 및 시스템

Info

Publication number: KR20090007330A
Application number: KR1020087025364A
Authority: KR
Inventors: 루벤 제이탁
Original assignee: 알까뗄 루슨트
Priority date: 2006-04-20
Filing date: 2007-04-05
Publication date: 2009-01-16
Also published as: US20070248101A1; EP1848161B1; ATE398878T1; CN101060484A; DE602006001512D1; WO2007122091A1; EP1848161A1; JP2009534885A; CN101060484B

Abstract

효율적 폴리서(policer) 기반의 가중화된 공평성 대역폭 분배 시스템이 개시된다. 시스템은 복수의 폴리서들 및 단일 큐(queue)에 기초한다. 공평성을 달성하기 위해서, 패킷들을 큐하기 위한 레이트(rate)가 적응형으로 제어된다. 구체적으로, 먼저 큐 점유율이 결정되고 이어서 이것은 감쇠(Attn) 값을 계산하는데 사용된다. 이 값은 시행될 새로운 초과 정보 레이트(EIR)를 얻기 위해 각 폴리서의 EIR에 의해 곱해진다.

가중화된 공평 폴리싱, 큐, 초과 정보 레이트(EIR), 폴리서, 인정 정보 레이트

Description

가중화된 공평 폴리싱을 위한 효율적 방법 및 시스템{EFFICIENT METHOD AND SYSTEM FOR WEIGHTED FAIR POLICING}

본 발명은 일반적으로 통신 네트워크들에 관한 것으로, 특히 통신 네트워크들에서 데이터 트래픽(traffic)을 큐잉(queuing)하기 위한 기술들에 관한 것이다.

무선 네트워크들에의 액세스(access) 및 이의 사용은 비즈니스, 사회적, 및 오락적(recreational) 목적들을 위해 점점 더 중요해지고 있으며 널리 보급되고 있다. 무선 네트워크들의 사용자들은 이제 음성 및 데이터 통신들 모두를 위해 이들에 의존한다. 게다가, 점점 더 증가하는 수의 사용자들은 인터넷 서핑(surfing)과 같은 활동들을 위한 더 큰 대역폭뿐만 아니라 증가하는 한 어레이(array)의 서비스들 및 능력들을 모두 요구한다. 새로운 서비스들 및 보다 큰 대역폭에 대한 요구들을 해결 및 충족시키기 위해서, 무선 통신 산업은 서비스들의 수 및 이들의 무선 네트워크들의 수율을 향상시키기 위해서 끊임없이 노력하고 있다. 부가적인 서비스들 및 더 큰 대역폭을 제공하는데 필요한 기반구조를 확장 및 개선하는 것은 비용이 많이 들고 인력 집약적인 일이다. 또한, 고 대역폭 데이터 스트림들(streams)은 실질적으로 실시간 오디오-비주얼 다운로드들(real-time audio-visual downloads) 그리고 2인 이상의 사람들간에 라이브 오디오-비주얼 통신(live audio-visual communication)과 같은 특징들을 지원하기 위해 고객들에 의해 요구될 것이다. 장 래에, 그러므로 기존 시스템(들)을 업그레이드(upgrade)하려고 시도하는 대신에 차세대 무선 시스템(들)을 도입하는 것이 필요하고 및/또는 비용면에서 더 효율적일 것이다.

이를 위해서, 무선 통신 산업은 이것이 의존하고 차세대 시스템(들)을 배치함으로써 고객들이 사용할 수 있게 할 기술의 능력들을 계속하여 개선시키려고 한다. 무선 고객들의 발전하는 요구들을 충족시키도록 설계되는 차세대 표준을 위한 프로토콜들은 3세대 파트너쉽 프로젝트(the 3rd Generation Partnership Project; 3GPP)에 의해 표준화되고 있다. 한 세트의 프로토콜들이 총괄하여 유니버설 이동 전기통신 시스템(Universal Mobile Telecommunications System; UMTS)으로서 알려져 있다.

인터넷의 현 상태에서, 보증된 대역폭 공평성과 복수 레벨들의 레이턴시(latency)에 대한 지원의 문제들이 점점 더 중요해지고 있다.

보증된 대역폭 공평성은 전형적으로, 소위 "공평 큐잉(Fair Queuing)" 알고리즘들을 사용하여 제공된다. 이들 알고리즘은 어떤 링크(link)(또는 가상 링크)의 대역폭이 이의 다양한 흐름들간에 공평하게 배분됨을 보증한다. 공평 큐잉 알고리즘들은 공평 큐잉(또는 대역폭) 스케쥴러들(schedulers)을 사용하여 네트워크 시스템들에 탑재된다. 이들 스케쥴러들은 부적절하게 행동하는 소스들이 존재해도 혼잡을 제어하려고 하며, 따라서 충분히 높은 속도로 게이트웨이(gateway)에 패킷들(packets)을 보내는 단일 소스는 아웃고잉 라인(outgoing line)의 대역폭의 임의로 큰 부분을 잡을 수 없다. 대역폭 보증들을 제공하는 것이 중요하나, 레이턴시에 결정적인 트래픽(traffic) 흐름들(음성 패킷망 및 비디오와 같은)이 가능한 한 낮은 레이턴시를 경험하는 것도 중요하다. 레이턴시에 결정적인 트래픽 흐름들이 낮은 레이턴시를 경험하도록 트래픽 흐름들을 우선순위화하는 것이, 현재 우선순위(또는 레이턴시) 스케쥴러들에 의해 제공된다.

종래의 네트워크 해결책들은 공평 큐잉 및 우선순위 스케쥴링 모두를 해결하려고 시도하였으며, 두 사안들간에 본질적인 긴장에도 불구하고, 네트워크 시스템들에 두 특징들을 탑재하는데 다소 성공적이었다.

가중화된 공평 큐잉(WFQ)은 예를 들면 미국특허 6810426 또는 미국특허 6850540에 개시된 바와 같이 공지된 흐름-기반의 큐잉 기술이다. WFQ는 응답시간을 줄이기 위해 대화형 트래픽을 큐 앞으로 동시에 스케쥴하며 남은 대역폭을 고 대역폭 흐름들간에 공평하게 분배한다. 도 1은 종래 기술에서 N개의 큐들(110-1 내지 110-N)을 포함하는 통상의 WFQ 시스템(100)을 도시한 것이다. 각각의 큐(110)는 단일 소스(또는 접속)에 서비스하며 각각의 가중치가 할당된다. 패킷의 각각의 큐(110)를 떠나는 각각의 패킷은 직접 출력 채널(120)에 보내진다. WFQ 시스템(100)에 구현되는 스케쥴링 방법은 큐들(110) 내 패킷들의 대기 시간이 언제나 큐의 가중치들에 비례하는 것을 확실히 한다.

예를 들면, WFQ 시스템은 3개의 큐들(Q1, Q2, 및 Q3)를 갖고 있고 각각 가중치들 W₁=5, W₂=2, 및 W₃=3이 할당된다. 출력 채널의 최대 허용가능한 레이 트(rate)는 10MB/Sec이다. 이 예시적인 시스템에서, 모든 큐들이 대기하는 패킷들을 갖고 있다면, Q2 및 Q3는 2 및 3MB/Sec의 각각 보증된 대역폭을 수신하며, Q1은 5MB/Sec의 보증된 대역폭을 수신한다. Q1이 대기하는 어떤 패킷들도 갖고 있지 않다면, 초과 대역폭은 5MBS/second와 같다. WFQ 시스템에서, 이 초과 대역폭은 대기하는 패킷들을 갖는 큐들의 연관된 가중치들에 비례하여 재분배된다. 즉, 큐(Q1)이 대기하는 큐들을 갖고 있지 않을 때, 초과 대역폭은 큐들(Q2 및 Q3)에 비례하여 분배되므로 이들은 이제 각각 4 및 6 MB/Sec의 대역폭을 수신한다.

WFQ 기술의 하나의 장점은 단 대 단(end-to-end) 지연 보증들이다. 즉, 각 패킷은 스트림에서 각 패킷 흐름에 대한 어떤 레이트가 보증된다. 다른 장점은 흐름이 특히 버스트성 유휴 시간(bursty idle time)일 때, 용량을 충분히 이용하지 않는 것이다. 이러한 경우에 WFQ 기술은 작업-보존 특성을 유지하기 위해서 미사용 대역폭의 재분배를 용이하게 한다.

미국특허 6192032 Bl은 비디오 프레임 패킷 전송 레이트들을 조절하기 위한 트래픽 스무더(traffic smoother), 네트워크에 비디오 프레임 패킷 입력을 제어하기 위한 트래픽 폴리싱 디바이스(traffic policing device) 및 트래픽 스무더에 결부하여 동작하기 위한 폴리싱 디바이스를 위한 메커니즘을 제공하는 전송 레이트 감쇠기를 구비한 비디오 프레임 전송기를 기술한다. 전형적으로, 폴리싱 디바이스 및 트래픽 스무더는 패킷 우선순위 낮춤들을 독립적으로 야기하게 동작한다. 미국특허 6192032 Bl에 교시된 바에 따라, 비디오 프레임의 전송 레이트를 감소시킴으로써, 폴리싱 디바이스는 비디오 프레임 내 모든 패킷들이 어떠한 우선순위 낮춤도 없이 전송되도록 더 많은 토큰들(tokens)을 생성할 수 있게 한다.

WFQ 기술의 단점은 이의 구현에서 물려받는다. 종래의 WFQ 시스템들은 복수의 큐들에 기초하며, 이 구성은 비용이 많이 들고 복잡하다. 게다가, 큐 기반의 시스템은 각 패킷의 상태를 유지할 것을 요구한다. 이 요구는 대부분의 통신 네트워크들에 맞지 않는다. 그러므로 효율적인 가중화된 공평성 대역폭 분배 시스템을 제공하는 것이 이득이 될 것이다.

이들 및 이하 나타나는 또 다른 목적들은 청구항 1에 따른 공평 폴리싱 방법에 의해서 그리고 청구항 5에 따른 가중화된 공평 폴리싱 (WFQ) 시스템에 의해 달성된다. 이로운 개선들은 종속 청구항들에 기술된다.

도 1은 종래의 WFQ 시스템(종래 기술)을 도시하는 도면.

도 2는 본 발명의 일 실시예를 개시하는 효율적 가중화된 공평성 시스템의 비제한적 그리고 예시적인 블록도.

도 3은 감쇠 함수의 비제한적 그리고 예시적인 그래프.

도 4는 개시된 가중화된 공평성 시스템의 동작의 일례를 도시하는 도면.

도 5는 본 발명의 일 실시예를 개시하는 가중화된 공평 폴리싱을 수행하기 위한 방법을 기술하는 비제한적 흐름도.

도 6은 본 발명의 일 실시예를 개시하는 우선순위화된 큐들을 갖는 효율적 가중화된 공평 폴리싱의 비제한적 그리고 예시적인 도면.

본 발명은 가중화된 공평성 대역폭 분배가 가능한 효율적인 가중화된 공평 폴링싱 (WFP) 시스템을 개시한다. 시스템은 복수의 폴리서들(policers) 및 단일 큐에 기초한다. 공평성을 달성하기 위해서, 폴리싱된 패킷들의 레이트는 적응적으로 제어된다.

도 2는 본 발명의 일 실시예를 개시하는 WFP 시스템(200)의 비제한적이고 예시적인 블록도이다. WFP 시스템(200)은 단일 큐(220)에 접속된 M 폴리서들(210-1 내지 210-M), 대역폭 조절 모듈(230), 및 출력 채널(240)을 포함한다. 각 폴리서(210)는 입력 레이트(InRate) 및 최대 초과 정보 레이트(EIR_max)에 의해 파라미터화된다. 폴리서는 어떤 기정의된 임계 레이트 이상인 순간 레이트로 폴리서에 도달하는 데이터를 거절하는 레이트 제한 디바이스이다. 구체적으로, 각 폴리서(210)는 단일 데이터 흐름을 취급하고 시행될 새로운 EIR를 계산할 수 있다. 즉, 각각의 데이터 흐름의 패킷들은 이들의 순간 레이트가 새로이 계산된 EIR과 동일한 레이트를 초과하지 않는다면 폴리서(210)로부터 큐(220)에 전송된다. 새로운 EIR은 다음 식에 따라 계산된다.

(1)

여기서 "Attn" 파라미터는 이하에 보다 상세히 기술된 바와 같이 감쇠 함수에 의해 결정된다. EIR_max는 폴리서가 전송할 수 있는 최대 대역폭이다. 사실, EIR_max는 WFP 알고리즘의 가중치들을 결정하는 미리 구성된 값들이다. 폴리서를 통해 흐 르는 데이터 패킷들은 InRate를 초과할 수 없다. 폴리서(210)에 대한 예는 본 양수인에 양도되고 포함하는 모든 것에 대해 참조로 여기 통합시키는 "A Policer and Method for Resource Bundling" 라고 명명된 Zeitak에 의한 PCT 출원번호 PCT/112004/00781에서 발견될 수 있다.

출력 채널(240)의 출력 레이트는 최대 허용가능 레이트(이하 "RATE_max") 파라미터에 의해 결정된다. 혼잡은 폴리서들(210)이 허용하는 총 레이트가 RATE_max를 초과할 때마다 일어난다. 대역폭 조절 모듈(230)은 큐 점유율 및 큐 진입 레이트(이하 "Qocc")을 모니터하고 감쇠 함수를 이용하여 Attn 값을 계산한다. 도 3은 감쇠 함수(310)의 비제한적이고 예시적인 그래프를 도시한 것이다. 보인 바와 같이, Attn 값은 0 과 1 사이의 범위이고, 여기서 1 값은 큐(220)가 비어있을 때이고 0 값은 큐(220)가 충만했을 때이다. Attn 값은 폴리서들(210) 각각에 보내지고, 여기서 각 폴리서는 시행될 EIR_new를 계산한다. 감쇠 함수(AT)의 예시적인 실시예는 다음과 같을 것이다.

(2)

여기서, Th2는 큐의 최대 점유율(바이트들로)를 결정하는 정규화 인자이고 Th1은 α*Th2와 동일한 임계값이다. 파라미터 α는 구성가능하며 예시적인 실시예 는 0.6으로 설정된다.

폴리서들은 대역폭에 기초하며 따라서 이들은 가중 공평 큐잉을 에뮬레이트(emulate)할 수 없음을 당업자는 알아야 할 것이다. 그러나, 각 폴리서의 대역폭을 적응형으로 및 직접적으로 제어하기 위해 큐 점유율을 이용함으로써, 최대 허용가능 레이트에 관하여 공평성을 보장한다. 즉, 폴리서의 대역폭을 제어함으로써, 자신의 EIR_max보다 낮은 레이트로 전송하는 소스는 분배되지 않은 트래픽을 계속하여 전달할 수 있고, 그렇지 않다면 EIR_max는 감소된다.

도 4는 본 발명의 일 실시예를 개시하는 가중화된 공평 큐잉을 수행하기 위한 방법을 기술하는 비제한적 흐름도(400)를 도시한 것이다. 방법은 혼잡이 검출될 때만 적용한다. S410에서, 큐(220)의 Qocc 값이 결정된다. 일 실시예에서 Qocc는 큐의 평균 깊이로서 그리고 시간에 걸쳐 계산된다. 이것은 한 패킷이 큐에 삽입되거나 제거될 때마다 큐 내 저장된 바이트들의 수를 측정함으로써 수행된다. 큐 깊이를 평균화하는 것은 Qocc의 안정된 값을 제공한다. S420에서, Attn 값은 감쇠 함수에 기초하여 Qocc를 이용하여 계산된다. Attn 값은 식(2)를 이용하여 계산될 수도 있다. 발명자는 Attn 값이 이것이 평형점에 이를 때까지 약간 변화될 수도 있다는 사실에 주목한다. 이 점은 다음 식이 만족될 때 달성된다.

(3)

대안적으로, 혼잡이 없는 경우에 평형점은 다음 식이 만족될 때이다.

(4)

S430에서, Attn 값은 폴리서들(210) 각각에 전송된다. Attn 값은 S440에 도시된 바와 같이 인커밍(incoming) 패킷들에 EIR_new를 계산하여 시행하기 위해 사용된다. EIR_new은 식(1)을 이용하여 계산될 수도 있다.

다음은 본 발명에 의해 수행되는 가중화된 공평 큐잉을 기술하는 비제한적 예이다. 도 5는 큐(520)에 연결된 3개의 폴리서들(510-1, 510-2, 및 510-3)을 포함하는 예시적인 WFP 시스템(500)을 도시한 것이다. 폴리서들(510-1, 510-2, 및 510-3) 각각은 예를 들면 30MB/Sec와 동일한 EIR_max 값으로 구성된다. 소스 A는 예를 들면 10MB/Sec와 동일한 레이트로 폴리서(510-1)를 통해 패킷들을 전송하며; 소스 B는 예를 들면 20MB/Sec와 동일한 레이트로 폴리서(510-2)를 통해 패킷들을 전송하며; 소스 C의 출력 레이트는 예를 들면 30MB/Sec이다. 출력 채널(540)의 RATE_max는 예를 들면 30MB/Sec이다. 이러한 예시적인 구성에서 혼잡이 일어나는 것은 명백하다.

입력 소스들의 패킷들을 공평하게 스케쥴하기 위해서, Attn 값이 계산된다. 위의 예에서 평형점은 Attn 값이 1/3일 때 달성된다. 이 값은 EIR_new 값들을 계산하는 폴리서들(510-1, 510-2, 및 510-3)에 전송된다. 모든 폴리서들(510-1, 510-2, 및 510-3)의 계산된 EIR_new 값은 10MB/Sec와 같다. 폴리서들(510)은 계산된 EIR_new를 초과하는 레이트로 패킷들을 전송할 수 없고 따라서 폴리서들은 함께, RATE_max 이상인 레이트로 패킷들을 전달할 수 없다.

Attn은 입력 소스들의 트래픽 레이트들에 따라 적응적으로 변경됨에 유의해야 한다. 예를 들면, 소스 A가 패킷들을 전송하기를 중지한다면 큐(520)의 깊이는 감소하고 따라서 새로운 Attn 값이 발생된다. 여기에서 평형은 Attn 값이 1/2과 동일할 때 달성된다. 따라서, 폴리서들(510-1, 510-2)의 EIR_new 값들은 10MB/Sec로 설정된다.

본 발명의 다른 실시예에서 여기 개시된 WFP 기술의 원리들은 복수의 큐들을 갖는 시스템들에서 이용될 수 있고, 여기서 각 큐는 그 자신의 우선순위를 갖는다. 도 6은 큐들(620-1, 620-2, 및 620-3)에 연결된 N 폴리서들(610-1 내지 610-N)을 포함하는 예시적인 시스템(600)을 도시한 것이다. 큐들(620-1, 620-2, 및 620-3)에 할당된 우선순위들은 각각 고, 저, 및 중간이다. 우선순위는 큐 내에서 패킷들의 대기 시간을 결정하는데, 즉 고 우선순위 큐 내 패킷들은 저 우선순위 큐 내 패킷들보다 상대적으로 적은 시간동안 큐된다. 이 실시예에서, 다른 감쇠 함수가 각 큐에 연관된다. 저 우선순위 큐(620-3)(AT_L)의 Attn 함수는 이 큐의 Qocc에 기초하는데, 즉 AT_L = F[Qocc_L]이다. 중간 우선순위 큐(620-2)(AT_M)의 Attn 함수는 이 큐의 Qocc(Qocc_M)에 그리고 저 우선순위 큐(620-3) 내 CIR 바이트 QoccLC의 점유율에 기초하는데, 즉 AT_M = F[Qocc_M, QoccLC]이다. 고 우선순위 큐(620-1)(AT_M)의 Attn 함 수는 저 우선순위 큐(620-3) 내 CIR 바이트들의 점유율 QoccLC 및 중간 우선순위 큐(620-3) 내 CIR 바이트들의 점유율 QoccLC 뿐만 아니라 큐(620-1)의 Qocc에 기초하는데, 즉 AT_M = F[Qocc_M, QoccMC, QoccLC]이다. 더 높은 우선순위 큐들의 값을 설정하기 위해 더 낮은 우선순위 큐들의 CIR 점유율 값들의 사용은 더 낮은 우선순위 큐들로부터 인정 정보 레이트(committed information rate; CIR)를 갖는 패킷들을 전달하기 위해 수행된다. 사실, 저 및 중간 우선순위 큐들의 Qocc_C은 각각의 큐에서 CIR 바이트들의 수의 함수이다.

Claims

가중화된 공평 폴리싱(weighted fair policing)을 수행함으로써 복수의 데이터 흐름들의 대역폭을 공평하게 분배하는 방법에 있어서,

복수의 소스들로부터 오는 복수의 데이터 패킷들을 큐(queue) 구조에서 수신하는 단계를 포함하고,

상기 큐 구조(200)는 하나의 데이터 큐(220)에 연결된 복수의 폴리서들(policers)(210)을 포함하고 상기 폴리서들 각각은 시행될 각각의 초과 정보 레이트(EIR)를 할당한 것을 특징으로 하며;

상기 방법은:

상기 큐(220)에 대한 감쇠(Attn) 값을 계산하는 단계로서, 상기 감쇠 값은 상기 큐(220)에 상기 폴리서들(210)에 대한 현재 혼잡들을 결정하는, 상기 큐에 대한 감쇠 값을 계산하는 단계; 및

상기 감쇠 값을 이용하여 상기 폴리서들(210)의 상기 초과 정보 레이트들(EIR)을 적응적으로 변경하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 복수의 데이터 흐름들의 대역폭 공평 분배방법.
제 1 항에 있어서,

상기 Attn 값을 계산하는 단계는,

큐의 점유율을 모니터링하는 단계; 및

상기 감쇠값을 결정하기 위해 상기 큐 점유율 및 감쇠 함수를 이용하는 단계를 더 포함하는, 복수의 데이터 흐름들의 대역폭 공평 분배방법.
제 2 항에 있어서,

상기 큐 점유율을 모니터링하는 단계는 상기 큐의 평균 깊이를 측정하는 단계를 포함하는, 복수의 데이터 흐름들의 대역폭 공평 분배방법.
제 1 항에 있어서,

상기 EIR을 적응적으로 변경하는 단계는,

상기 복수의 폴리서들(210)에서 상기 감쇠 값을 수신하는 단계; 및

상기 복수의 폴리서들 각각에 의해서, 시행될 새로운 EIR 값을 계산하는 단계를 더 포함하는, 복수의 데이터 흐름들의 대역폭 공평 분배방법.
통신 네트워크에서 복수의 데이터 흐름들의 대역폭을 공평하게 분배하기 위한 가중화된 공평 폴리싱 시스템에 있어서,

복수의 폴리서들(210)로서, 상기 폴리서들(210) 각각은 시행될 초과 정보 레이트를 적응적으로 변경할 수 있고, 상기 복수의 폴리서들(210)은 단일 큐(220)에 접속되는, 상기 복수의 폴리서들(210);

상기 복수의 폴리서들(210)은 상이한 소스들에 결합될 수 있고, 상기 복수의 소스들 각각은 상이한 우선순위가 할당되며;

상기 큐(220) 및 상기 복수의 폴리서들(210)에 결합된 대역폭 조절모듈(230)로서, 상기 대역폭 조절(230) 모듈은 상기 큐(220)에 상기 폴리서들(210)에 대한 현재 혼잡들을 결정하는 상기 큐(220)에 대한 감쇠(Attn) 값을 계산할 수 있는, 상기 대역폭 조절모듈(230)을 포함하고;

상기 폴리서들(210)은 상기 감쇠 값(Attn)을 이용하여 이들의 초과 정보 레이트들(EIR)을 적응적으로 변경하도록 구성되는, 가중화된 공평 폴리싱 시스템.
제 5 항에 있어서,

더 높은 우선순위 큐의 상기 Attn 값은 적어도, 더 낮은 우선순위 큐의 상기 Attn 값에 기초하는, 가중화된 공평 폴리싱 시스템.
제 5 항에 있어서,

상기 Attn 값은 각각의 큐 내 다수의 인정 정보 레이트(committed information rate; CIR) 패킷들의 함수인, 가중화된 공평 폴리싱 시스템.
제 5 항에 있어서,

상기 복수의 폴리서들의 각각의 상기 EIR은 상기 Attn 값에 선형적으로 비례하여 변경되는, 가중화된 공평 폴리싱 시스템.