KR20140003956A - 백 프레셔 스케줄링 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 시분할 멀티 액세스(TDMA, Time Division Multiple Access) 방식이 아닌 무선네트워크에서 백 프레셔 스케줄링(Back Pressure Scheduling)을 이용하여 수행하는 스케줄링의 성능을 향상시키기 위한 백 프레셔 스케줄링 방법 및 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 백 프레셔 스케줄링 방법은, CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) 방식의 무선 네트워크에서 백 프레셔 스케줄링(Back Pressure Scheduling)을 하는 방법에 있어서, 백 프레셔 스케줄링의 상태에 관한 정보를 획득하는 모니터링단계; 및 상기 수집된 정보를 이용하여 상기 백 프레셔 스케줄링을 제어하는 컨트롤단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

백 프레셔 스케줄링 방법 및 장치{Method and Appratus of Back Pressure Scheduilng}
본 발명은 백 프레셔 스케줄링 방법 및 장치에 관한 것이다. 보다 상세하게, 본 발명은 시분할 멀티 액세스(TDMA, Time Division Multiple Access) 방식이 아닌 무선네트워크에서 백 프레셔 스케줄링(Back Pressure Scheduling)을 이용하여 수행하는 스케줄링의 성능을 향상시키기 위한 백 프레셔 스케줄링 방법 및 장치에 관한 것이다.
IEEE 802.11은 비면허 대역에서 근거리(수백미터 이내) 무선통신을 위한 표준 기술이다. IEEE 802.11s는 기존 IEEE 802.11 무선랜 표준을 확장하여 무선 단말간 멀티 홉 통신을 위한 중·소규모 메쉬 네트워크 구성을 목표로 한다. 메쉬 네트워크는 메쉬 포인트(MP, Mesh Point)라는 구성요소를 통하여 단말로써의 역할 뿐만 아니라 릴레이 기능을 수행함으로써 멀티 홉에 걸쳐 데이터 교환이 가능하다.
메쉬 포인트 자체는 주변에 위치한 단말을 묶어 서로 통신할 수 있게 하는 기능인 액세스 포인트(AP, Access Point) 기능이 없다. 액세스 포인트 기능을 하는 노드는 메쉬 액세스 포인트(MAP, Mesh Access Point)이다.
메쉬 포탈(MPP, Mesh Portal)은 다른 망과의 연동 기능을 제공하는 역할을 한다.
무선 메쉬 네트워크의 성능에서 중요한 요소기술 중 하나가 스케줄링(Scheduling)이다.
기존의 백 프레셔 스케줄링은 이론적으로 TDMA(Time Division Multiple Access) MAC (Medium Access Control) 계층을 사용하는 무선네트워크 환경에서 최적의 네트워크 처리량(Network Throughput)을 달성하는 것이 수학적으로 증명된 스케줄링 방법이다.
기존의 백프레셔 스케줄링 방식은 각 노드(Node)들 간의 큐(Queue) 차이에 따라서 링크에 우선 순위를 부여하여 채널 점유 순서를 정한다.
기존의 백프레셔 스케줄링 방식으로는, 액세스 포인트가 2이상 있는 경우, 충돌이 발생할 수 있는 문제가 있다. 또한, 기존의 백프레셔 스케줄링 방식으로는 Hidden Terminal Problem과 같은 문제로 네트워크 처리량(Network Throughput)이 낭비되는 문제가 발생할 수 있다.
따라서, 액세스 포인트가 2이상이 있는 경우, 충돌 발생을 방지하는 방법이 필요하다.
또한, 이론적 기존의 백 프레셔 스케줄링은 TDMA를 가정하는데, 이는 CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance)방식을 사용하는 IEEE 802.11과 맞지 않다. 이로 인하여, 기존 백 프레셔 스케쥴링을 IEEE 802.11에 적용될 경우, 이론적으로 증명된 최적의 네트워크 처리량을 얻을 수 없다. 그것은 CSMA/CA가 갖는 근본적인 한계점인 사용자가 원하는 시간에 정확하게 패킷을 보낼 수 없는 제어의 부정확도와 주변 노드와의 링크상태, 주변 노드의 큐 정보, 전송상태의 신속 정확한 판단 불가에 따른 정보의 부정확도에 기인한다.
따라서, IEEE 802.11과 같이 TDMA를 가정하지 않는 시스템에서 기존의 이론적인 백 프레셔 스케줄링을 보완하기 위한 방안이 필요하다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 노드별로 백 프레셔 스케줄링 수행 빈도수를 제어하고, 플로우별로 패킷 전송 대기 시간을 제어하여 기존의 백 프레셔 스케줄링을 보완한 백 프레셔 스케줄링 방법 및 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 백 프레셔 스케줄링 방법은, CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) 방식의 무선 네트워크에서 백 프레셔 스케줄링(Back Pressure Scheduling)을 하는 방법에 있어서, 백 프레셔 스케줄링의 상태에 관한 정보를 획득하는 모니터링단계; 및 상기 수집된 정보를 이용하여 상기 백 프레셔 스케줄링을 제어하는 컨트롤단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 모니터링단계에서 획득하는 상기 백 프레셔 스케줄링의 상태에 관한 정보는, 충돌(Collision) 또는 안정성(Stability)에 관한 정보 중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 모니터링단계에서, 상기 충돌에 관한 정보를 획득하는 것은, 각 노드(Node)별로 패킷을 재전송한 횟수를 수집하고, 상기 수집한 재전송 횟수를 이용하여 상기 충돌에 관한 정보를 획득하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 모니터링단계에서, 상기 안정성에 관한 정보를 획득하는 것은, 각 플로우(Flow)별로 큐 오버플로우(Queue Overflow) 횟수에 관한 정보를 수집하고, 상기 수집한 큐 오버플로우 횟수를 이용하여 상기 안정성에 관한 정보를 획득하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 컨트롤단계는, 상기 재전송 횟수가 미리 설정된 수준 이상으로 발생한 노드에서는, 패킷 스케줄링이 수행되는 빈도를 증가시켜 백 프레셔 스케줄링을 제어하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 컨트롤단계는, 상기 재전송 횟수가 미리 설정된 수준 미만으로 발생한 노드에서는, 패킷 스케줄링이 수행빈도를 감소시켜 백 프레셔 스케줄링을 제어하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 컨트롤단계는, 상기 큐 오버플로우가 미리 설정된 수준 이상으로 발생한 플로우에서는, 패킷 전송의 대기 시간(Waiting Time)을 증가시켜 백 프레셔 스케줄링을 제어하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 컨트롤단계는, 상기 큐 오버플로우가 미리 설정된 수준 미만으로 발생한 플로우에서는, 패킷 전송의 대기 시간을 감소시켜 백 프레셔 스케줄링을 제어하는 것을 특징으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 백 프레셔 스케줄링 장치는, CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) 방식의 무선 네트워크에서 백 프레셔 스케줄링(Back Pressure Scheduling)을 하는 장치에 있어서, 백 프레셔 스케줄링의 상태에 관한 정보를 획득하는 모니터링부; 및 상기 수집된 정보를 이용하여 상기 백 프레셔 스케줄링을 제어하는 컨트롤부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 모니터링부가 획득하는 상기 백프레셔 스케줄링의 상태에 관한 정보는, 충돌(Collision) 또는 안정성(Stability)에 관한 정보 중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 모니터링부는, 각 노드(Node)별로 패킷을 재전송한 횟수를 수집하고, 상기 수집한 재전송 횟수를 이용하여 상기 충돌에 관한 정보를 획득하는 충돌정보 수집부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 모니터링부는, 각 플로우(Flow)별로 큐 오버플로우(Queue Overflow) 횟수에 관한 정보를 수집하고, 상기 수집한 큐 오버플로우 횟수를 이용하여 상기 안정성에 관한 정보를 획득하는 안정성정보 수집부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 컨트롤부는, 상기 재전송 횟수가 미리 설정된 수준 이상으로 발생한 노드에서는, 패킷 스케줄링이 수행되는 빈도를 증가시켜 백 프레셔 스케줄링을 제어하는 스케줄링간격 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 컨트롤부는, 상기 재전송 횟수가 미리 설정된 수준 미만으로 발생한 노드에서는, 패킷 스케줄링이 수행빈도를 감소시켜 백 프레셔 스케줄링을 제어하는 스케줄링간격 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 컨트롤부는, 상기 큐 오버플로우가 미리 설정된 수준 이상으로 발생한 플로우에서는, 패킷 전송의 대기 시간(Waiting Time)을 증가시켜 백 프레셔 스케줄링을 제어하는 전송대기시간 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 컨트롤부는, 상기 큐 오버플로우가 미리 설정된 수준 미만으로 발생한 플로우에서는, 패킷 전송의 대기 시간을 감소시켜 백 프레셔 스케줄링을 제어하는 전송대기시간 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 CSMA/CA 방식의 무선 네트워크에서 기존의 백 프레셔 스케줄링의 성능을 향상 시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 백 프레셔 스케줄링 장치에 관한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 백 프레셔 스케줄링 방법의 흐름도이다.
도 3은 본 발명에 따른 백 프레셔 스케줄링 방법을 이용하여 테스트하기 위한 테스트베드를 나타내는 도면이다.
도 4는 Heavy-Traffic 상태일 때 각각의 방법의 처리률을 비교한 그래프이다.
도 5는 Light-Traffic 상태일 때 각각의 방법의 처리률을 비교한 그래프이다.
도 6은 본 발명에 따른 백 프레셔 스케줄링 방법과 DiffQ 방법을 각각 이용한 경우에 재전송과 큐 오버플로우의 히스토그램(Histogram)을 비교한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 백 프레셔 스케줄링 방법을 플로우 개수가 3개일 때 적용한 경우 네트워크 처리량의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 백 프레셔 스케줄링 방법을 플로우 개수가 3개일 때 적용한 경우 큐 오버플로우의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 백 프레셔 스케줄링 방법을 플로우 개수가 3개일 때 적용한 경우 맥 계층의 충돌 변화량의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 10은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 백 프레셔 스케줄링 방법을 플로우 개수가 4개일 때 적용한 경우 네트워크 처리량의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 11은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 백 프레셔 스케줄링 방법을 플로우 개수가 4개일 때 적용한 경우 큐 오버플로우의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 12는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 백 프레셔 스케줄링 방법을 플로우 개수가 4개일 때 적용한 경우 맥 계층의 충돌 변화량의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 13은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 백 프레셔 스케줄링 방법을 플로우 개수가 4개일 때 적용한 경우 네트워크 처리량의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 14는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 백 프레셔 스케줄링 방법을 플로우 개수가 4개일 때 적용한 경우 큐 오버플로우의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 15는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 백 프레셔 스케줄링 방법을 플로우 개수가 4개일 때 적용한 경우 맥 계층의 충돌 변화량의 변화를 나타낸 그래프이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 이하의 설명 및 첨부된 도면들에서 실질적으로 동일한 구성요소들은 각각 동일한 부호들로 나타냄으로써 중복 설명을 생략하기로 한다. 또한 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 “연결되어”있다거나 “접속되어”있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 “직접 연결되어”있다거나 “직접 접속되어”있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 백 프레셔 스케줄링 장치는 플로우별 패킷 전송 대기시간과 백 프레셔 스케줄링 수행빈도를 제어하여 백 프레셔 스케줄링(Back Pressure Scheduling)을 직·간적접으로 제어한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 백 프레셔 스케줄링 장치에 관한 블록도이다.
도 1을 참조하면, 백 프레셔 스케줄링 장치는 백프레셔 스케줄링부, 모니터링부 및 컨트롤부를 포함한다.
백프레셔 스케줄링부는 무선 네트워크의 스케줄링을 기존의 백프레셔 스케줄링 방법을 이용하여 수행한다.
기존의 백프레셔 스케줄링 방법 또는 장치는 공지된 기술에 의한 백프레셔 스케줄링 방법 또는 장치를 의미하며, 본 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용에서 기술되는 백프레셔 스케줄링 방법 또는 장치는 기존의 백프레셔 스케줄링 방법 또는 장치의 문제점을 해결하고 성능을 향상시킨 수정된 백프레셔 스케줄링 방법 또는 장치를 의미한다.
여기서 무선 네트워크는 IEEE 802.11일 수 있으며, IEEE 802.11 표준에서 MAC Layer에 해당하는 부분을 수정하여, 무선랜에서의 QoS 기능 기원에 관한 내용을 담고 있는 IEEE 802.11e일 수도 있다. 다만, 해당 발명이 응용되는 무선 네트워크는 IEEE 802.11에만 제한되는 것은 아니며, CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Aeecess with Collision Avoidance) 방식을 이용하는 무선 네트워크 또는 TDMA 방식을 사용하지 않는 무선 네트워크에 이용될 수 있다.
기존의 백프레셔 스케줄링 방법은 종래 기술이나, 본 발명에 따른 백 프레셔 스케줄링 장치 및 방법의 이해를 돕기 위하여 간단하게 설명하면, 백프레셔 스케줄링부는 BP값 산출부, 패킷선택 전송부 및 링크스케줄링부를 포함한다.
백프레셔 스케줄링부는 네트워크의 각각의 노드별로 스케줄링을 수행한다. 하나의 노드에 다수의 플로우를 처리해야 하며, 따라서, 플로우별로 패킷을 저장할 수 있는 큐(Queue)가 존재한다.
BP값 산출부는 각 플로우별로 큐 길이와 해당 플로우가 진행하는 다음 노드의 큐 길이의 차이 값을 산출한다. 산출된 값을 백프레셔 값(Back pressure Value)이라 한다. BP값 산출부가 백프레셔 값을 산출하면 해당 노드를 통과하는 모든 플로우들의 백프레셔 값을 획득할 수 있다.
패킷선택 전송부는 각 노드별로 노드를 통과하는 모든 플로우들 중에서 가장 높은 백프레셔 값을 가지는 플로우를 파악하고, 파악한 플로우의 큐에서 하나의 패킷을 선택하여 링크스케줄링부로 전송한다.
링크스케줄링부는 패킷선택 전송부로부터 수신한 패킷을 IEEE 802.11e 계층으로 전송하여, 해당 플로우를 다음 노드로 전송할 수 있도록 한다. 여기서 반드시 IEEE 802.11e 계층으로 전송할 필요는 없으며, 이용가능한 표준 규격이나 무선랜을 이용할 수 있다.
IEEE 802.11e 등 이용되는 무선랜에 선순위 큐(Priority Queue)라는 것이 존재하는 경우, 링크스케줄링부는 어떠한 선순위 큐에 어떤 패킷을 담아 전송할지를 선택한다. 선순위 큐는 다른 큐에 비하여 빨리 전송이 되는 큐를 말한다. 선순위가 높은 큐일수록 선순위가 낮은 큐에 비하여 빨리 전송이 되며, 반대로, 선순위가 낮은 큐일수록 느리게 전송된다.
링크스케줄링부가 어떠한 선순위 큐에 어떤 패킷을 담아 전송할지에 관한 선택은 기존에 존재하는 방법들을 이용할 수 있다. 예를 들어, 논문 [A. Warrier, S. Janakiraman, S. Ha, and I. Rhee, "DiffQ: Practical differential backlog congestion control for wireless networks," in Proc. of IEEE INFOCOM, Apr. 2009.]에 나오는 수학식 1을 이용할 수 있다.
Figure pat00001
수학식 1에서 Pf,n이 선순위 큐가 되고, bf,n은 패킷선택 전송부에서 파악된 플로우에서 선택된 패킷의 백프레셔 값이다. qmax는 몇개의 패킷을 넣을 수 있는지를 결정하는 플로우별 큐의 최대 높이이다. pmax는 선순위 큐에서의 최대 선순위 또는 총 선순위 큐의 개수이다.
링크스케줄링부에서 다음 노드로 패킷을 전송하면 플로우별 큐 길이가 변한다. 따라서 백플레셔 값도 변화하여 BP값 산출부에서 백프레셔 값 산출 및 패킷선택 전송부에서 패킷 선택을 다시 수행한다. 이러한 수행은 반복될 수 있다.
BP값 산출부에서 백프레셔 값을 산출할 때, 해당 플로우의 다음 노드의 플로우별 큐 길이를 알아야 한다. 이는, 다음 노드의 플로우별 큐 길이는 노드가 다음 노드로 패킷을 전송할 때, 전송되는 패킷의 네트워크 헤더에 플로우의 큐 길이 정보를 함께 전송하는 방식으로 해결할 수 있다. 무선신호는 기본적으로 브로드캐스팅이여서, 해당 노드의 다음 노드뿐만 아니라, 해당 노드의 이전노드도 해당 패킷을 수신할 수 있으며, 해당 패킷을 수신한 후에 피기배킹(Piggybacking)된 큐 길이를 기반으로 다음 노드의 플로우별 큐 길이를 알 수 있다.
모니터링부는 충돌(Collision) 또는 안정성(Stability)에 관한 정보를 획득한다. 이렇게 획득된 정보는 컨트롤부로 전송되어 백 프레셔 스케줄링을 제어하는데 이용된다.
구체적으로 모니터링부는 충돌정보 수집부 및 안정성정보 수집부를 포함한다.
충돌정보 수집부는 주기적 또는 비주기적으로 각각의 노드별로 패킷의 재전송 횟수에 관한 정보를 수집한다. 충돌정보 수집부에서 수집된 재전송 횟수는 충돌 횟수를 산출하는데 이용된다. 충돌 횟수를 정확하게 산출하는 것은 매우 어려운바, 재전송 횟수를 이용하여 근사적으로 충돌 횟수를 산출한다. 즉, 재전송 횟수가 많을수록 충돌 횟수가 많고, 재전송 횟수가 적을수록 충돌 횟수가 적은 것으로 충돌 횟수를 산출한다. 예를 들어, 재전송 횟수를 충돌 횟수와 동일하다고 가정하여 충돌 횟수를 산출할 수 있다.
안정성정보 수집부는 주기적 또는 비주기적으로 각각의 플로우별로 큐 오버플로우(Overflow) 횟수에 관한 정보를 수집한다. 큐 오버플로우는 큐(Queue)가 꽉 차서 패킷 손실이 일어나는 현상을 말한다.
안정성정보 수집부에서 수집된 큐 오버플로우 횟수가 많을수록 안정성이 낮다고 판단하고, 큐 오버플로우 횟수가 적을수록 안정성이 높다고 판단한다. 또는 안정성의 유무만을 판단할 수도 있다. 큐 오버플로우가 설정된 임계치 이상 발생한 경우, 안정성이 없다고 판단하고, 반대로 큐 오버플로우가 설정된 임계치 미만으로 발생한 경우 안정성이 있다고 판단할 수 있다. 설정된 임계치는 네트워크 환경이나 사용자의 필요성에 따라서 변경될 수 있다. 또한, 반드시 임계치 이상, 임계치 미만으로 구분되는 것은 아니며, 임계치 초과와 임계치 이하 등 임계치를 기준으로 구분을 나눌 수 있는 용어는 모두 포함된다.
모니터링부에서 수집 또는 산출된 정보는 컨트롤부로 전송된다.
컨트롤부는 모니터링부에서 전송된 정보를 수신하고, 수신된 정보를 이용하여 백 프레셔 스케줄링을 제어한다. 즉, 컨트롤부는 충돌정보 수집부에서 수집한 정보를 기반으로 노드별 백 프레셔 스케줄링을 수행하는 빈도와 플로우별 패킷 전송 대기 시간을 제어하여 백 프레셔 스케줄링을 제어한다.
구체적으로, 컨트롤부는 스케줄링간격 제어부 및 전송대기시간 제어부를 포함한다.
스케줄링간격 제어부는 전송정보 수집부에서 수집된 재전송 횟수에 관한 정보를 이용하여 노드 단위로 백 프레셔 스케줄링을 수행하는 빈도를 조절하여 백 프레셔 스케줄링을 제어한다.
구체적으로, 스케줄링간격 제어부는 재전송 횟수가 미리 설정된 수준 이상으로 발생한 노드가 있는 경우, 백 프레셔 스케줄링이 수행되는 시간 간격을 증가시켜 백 프레셔 스케줄링의 수행빈도를 낮춘다. 반대로 스케줄링 간격 제어부는 재전송 횟수가 미리 설정된 수준 미만으로 발생한 노드가 있는 경우, 백 프레셔 스케줄링이 수행되는 시간 간격을 감소시켜 백 프레셔 스케줄링의 수행빈도를 증가시킨다.
미리 설정된 수준은 네트워크 환경, 무선랜 종류 등에 따라서 변화될 수 있으며, 하나의 수치가 아닌, 특정 범위일 수 있다.
전송대기시간 제어부는 안정성정보 수집부로부터 획득된 정보를 이용하여 패킷 전송 대기 시간을 제어하여 각 플로우별로 패킷의 전송 속도를 제어한다. 즉, 전송대기시간 제어부는 플로우 단위로 제어를 수행한다.
구체적으로, 전송대기시간 제어부는 큐 오버플로우가 미리 설정된 수준 이상으로 발생한 플로우에서는, 해당 플로우의 패킷 전송의 대기 시간을 증가시킨다. 큐 오버플로우가 미리 설정된 수준 미만으로 발생한 플로우에서는, 해당 플로우의 패킷 전송의 대기 시간을 감소시킨다.
스케줄링간격 제어부와 마찬가지로, 미리 설정된 수준은 네트워크 환경, 무선랜 종류 등에 따라서 변화될 수 있으며, 하나의 수치가 아닌, 특정 범위일 수 있다.
또한, 스케줄링간격 제어부와 전송대기시간 제어부에서 표현한 미리 설정된 수준 이상, 미만은 각각 미리설정된 수준 초과와 이하로 표현될 수 있으며, 미리 설정된 수준이 특정 범위인 경우, 미리 설정된 수준 이상, 미만은 각각 미리 설정된 수준 초과, 미만 또는 미리 설정된 수준 이상, 이하 등으로 필요에 따라서 다양하게 표현될 수 있다.
패킷 전송 대기 시간은 수학식 2를 통하여 산출할 수 있다.
Figure pat00002
하나의 플로우는 특정 시간(wtf,n) 단위로 최대 하나의 패킷만 전송할 수 있다. 여기서 패킷 전송 대기시간 wtf,n은 f라는 플로우가 n이라는 노드에서의 최소 대기시간을 의미한다. bf,n은 백프레셔 값이다. bf,n과 sf,n은 수학식 3과 같은 관계를 가진다.
Figure pat00003
수학식 3을 참조하면, sf,n은 결정 파라미터(Decistion Parameter) 알파(α)와 플로우 큐의 길이(qf,n)의 곱으로 나타낼 수 있다.
즉, 전송대기시간 제어부는 큐 오버플로우에 대한 반응 강도를 높여서 앞의 노드의 플로우별 큐가 높으면 앞으 노드로 패킷을 천천히 전송하도록 제어하는 것이다.
표 1은 컨트롤부에서 스케줄링간격과 전송대기시간을 조절하여 백프레셔 스케줄링을 제어하는 과정을 알고리즘화 한 하나의 예시이다.
Figure pat00004
표 1의 vn은 백 프레셔 스케줄링 수행빈도이다. Tv는 vn을 증가시키고자 할 때, 한번에 얼만큼 증가/감소시키는지에 대한 단위이다. cln은 노드에서의 재전송 횟수이고 Tcl은 재전송 횟수 임계치(Threshold)이다. Vmax는 vn이 가질 수 있는 최대값이다. 최대값을 설정은 vn이 무한대로 증가하는 것을 방지한다.
sf,n은 플로우별(f) 패킷 전송 대기 시간이고, Tc는 플로우별 패킷 전송 대기시간의 증가 및 감소 단위이다. qlf,n은 플로우별 큐의 큐 오버플로우 개수이고 Tql은 플로우별 큐 오버플로우의 안정성을 판단하기 위한 임계치이다. Smax는 sf,n이 가질 수 있는 최대 값이다.
본 발명에 따른 백 프레셔 스케줄링 장치는 CSMA/CA 방식의 무선 네트워크에서 안정성과 정보의 부정확성으로 인하여 저하되는 백 프레셔 스케줄링의 성능을 향상 시킬 수 있다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 백 프레셔 스케줄링 방법의 흐름도이다.
도 2를 참조하면, 백 프레셔 스케줄링 방법은 먼저 백프레셔 스케줄링부에서 백 프레셔 스케줄링(Back Pressure Sceduling) 방법으로 스케줄링을 수행한다.
백프레셔 스케줄링을 수행하는 것을 구체적으로 살펴보면, BP값 산출부가 백프레셔 값을 산출한다(S210 단계).
패킷선택 전송부가 각 노드별로 노드를 통과하는 모든 플로우들 중에서 가장 높은 백프레셔 값을 가지는 플로우를 파악하고, 파악한 플로우의 큐에서 하나의 패킷을 선택하여 링크스케줄링부로 전송한다(S220 단계).
링크스케줄링부가 패킷선택 전송부로부터 수신한 패킷을 IEEE 802.11e 계층으로 전송하여, 해당 플로우를 다음 노드로 전송할 수 있도록 한다. 여기서 반드시 IEEE 802.11e 계층으로 전송할 필요는 없으며, 이용가능한 표준 규격이나 무선랜을 이용할 수 있다. 또한, Ieee 802.11.e 등 이용되는 무선랜에 선순위 큐(Priority Queue)라는 것이 존재하는 경우, 링크스케줄링부는 어떠한 선순위 큐에 어떤 패킷을 담아 전송할지를 선택하며, 링크스케줄링(Link Scehduling)을 수행한다(S230 단계).
모니터링부가 패킷선택 전송부 및 링크스케줄링부로부터 정보를 수신하여, 충돌(Collision) 또는 안정성(Stability)에 관한 정보를 획득한다.
백프레셔값 제어부가 모니터링부에서 획득된 정보를 이용하여 각 노드별로 백 프레셔 스케줄링의 수행 빈도를 조절하고, 각 플로우별로 패킷 전송 대기 시간 등을 조절하여 백 프레셔 스케줄링을 제어한다(S250 단계).
S210 단계부터 S250 단계는 패킷 전송이 존재하는 동안은 주기적 또는 비주기적으로 반복될 수 있으며, 패킷 전송이 중단되면 각 단계의 수행이 종료될 수 있다.
본 발명에 따른 백 프레셔 스케줄링 장치는 CSMA/CA 방식의 무선 네트워크에서 안정성과 정보의 부정확성으로 인하여 저하되는 백 프레셔 스케줄링의 성능을 향상 시킬 수 있다.
이러한 본 발명에 따른 문제 해소 결과를 구체적으로 살펴본다.
본 발명에 따른 백 프레셔 스케줄링 방법을 이용하여 테스트를 진행한 결과 재전송과 큐 오버플로우가 감소하였고, 처리률이 향상되었다.
도 3은 본 발명에 따른 백 프레셔 스케줄링 방법을 이용하여 테스트하기 위한 테스트베드를 나타내는 도면이다.
구체적으로 본 발명에 따른 백 프레셔 스케줄링 방법을 이용한 테스트를 도 3를 참조하여 설명한다.
도 3를 참조하면, 무선 메쉬 네트워크(WMNs, Wireless Mesh Networks) 테스트베드(Testbed)는 20개의 무선 노드로 구성된다. 또한, 테스트베드는 Eden 1.0 Ghz CPU와 두개의 Atheros IEEE 082.11e 지원 인터페이스를 포함한다. 테스트베드의 운용을 위하여, 커널(Kernel) 버전 2.6.26의 리눅스 Voyage distribution을 사용하였다.
실험 결과는 스케줄링이 없을 때의 처리률(Throughputs), Horizon, DiffQ 및 SBS 방법을 이용한 것과 비교하였다. Horizon 방법은 [B. Radunovic, C. Gkantsidis, D. Gunawardena, and P. Key, "Horizon:Balancing TCP over multiple paths in wireless mesh network," in Proc.of ACM MobiCom, Sep. 2008.]에 기재된 방법이다.
DiffQ 방법은 [A. Warrier, S. Janakiraman, S. Ha, and I. Rhee, "DiffQ: ractical differential backlog congestion control for wireless networks," in Proc.of IEEE INFOCOM, Apr. 2009.]에 기재된 방법이다.
SBS 방법은 [J. Ryu, V. Bhargava, N. Paine, and S. Shakkottai, "Back-pressure routing and rate control for ICNs," in Proc. of MobiCom, Sep. 2010.]에 기재된 방법이다.
도 4는 Heavy-Traffic 상태일 때 각각의 방법의 처리률을 비교한 그래프이다.
도 5는 Light-Traffic 상태일 때 각각의 방법의 처리률을 비교한 그래프이다.
도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 백 프레셔 스케줄링 방법은 Heavy-Traffic 상태일때, 다른 스케줄링 방법에 비하여 우수한 처리률을 보이는 것을 알 수 있다. 특히, DiffQ방식보다 5배 정보의 높은 처리률을 보여주며, SBS에 비하여 2배정도 높은 처리률을 보여준다.
도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 백 프레셔 스케줄링 방법은 Light-Traffic 상태일 때, DiffQ 등 다른 방법의 처리률과 크게 다르지 않는 처리률을 보여준다. 즉, 본 발명에 따른 백 프레셔 스케줄링 방법은, Light-Traffic 상태일 때도 우수한 처리률을 보여줌과 동시에, Heavy-Traffic 상태일때는 다른 방법에 비하여 매우 우수한 처리률을 보여준다.
도 6은 본 발명에 따른 백 프레셔 스케줄링 방법과 DiffQ 방법을 각각 이용한 경우에 재전송과 큐 오버플로우의 히스토그램(Histogram)을 비교한 그래프이다.
도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 백 프레셔 스케줄링 방법이 Light-Traffic 상태인 경우, DiffQ 방법에 비하여 큐 오버플로우가 약간 증가한 것을 볼 수 있으나, Heary-Traffic 상태일 경우, DiffQ 방법에 비하여 큐 오버플로우가 매우 감소한 것을 볼 수 있다. 또한, Light-Traffic과 Heavy-Traffic 두 상태에서 모두 DiffQ 방법에 비하여 본 발명에 따른 백 프레셔 스케줄링 방법이 재전송이 적게 일어났음을 알 수 있다.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 백 프레셔 스케줄링 방법을 플로우 개수가 3개일 때 적용한 경우 네트워크 처리량의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 백 프레셔 스케줄링 방법을 플로우 개수가 3개일 때 적용한 경우 큐 오버플로우의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 백 프레셔 스케줄링 방법을 플로우 개수가 3개일 때 적용한 경우 맥 계층의 충돌 변화량의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 7 내지 도 9에서 VSS는 스케줄링간격 제어부에서 제어하는 백 프레셔 수행 빈도이고, BST는 전송대기시간 제어부에서 제어하는 플로우별 패킷 전송 대기 시간을 나타낸다.
도 10은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 백 프레셔 스케줄링 방법을 플로우 개수가 4개일 때 적용한 경우 네트워크 처리량의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 11은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 백 프레셔 스케줄링 방법을 플로우 개수가 4개일 때 적용한 경우 큐 오버플로우의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 12는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 백 프레셔 스케줄링 방법을 플로우 개수가 4개일 때 적용한 경우 맥 계층의 충돌 변화량의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 13은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 백 프레셔 스케줄링 방법을 플로우 개수가 4개일 때 적용한 경우 네트워크 처리량의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 14는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 백 프레셔 스케줄링 방법을 플로우 개수가 4개일 때 적용한 경우 큐 오버플로우의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 15는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 백 프레셔 스케줄링 방법을 플로우 개수가 4개일 때 적용한 경우 맥 계층의 충돌 변화량의 변화를 나타낸 그래프이다.
표 1에서 제시한 알고리즘은 본 발명에 따른 백 프레셔 스케줄링 장치 및 방법에 이용될 수 있는 알고리즘의 일 예에 불가한 것이며, 이에 한정되는 것이 아니다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 백 프레셔 스케줄링 방법의 블록도는 발명의 원리를 구체화하는 예시적인 개념적 관점을 나타내는 것으로 이해되어야 한다. 이와 유사하게, 모든 흐름도, 상태 변환도, 의사 코드 등은 컴퓨터가 판독 가능한 매체에 실질적으로 나타낼 수 있고 컴퓨터 또는 프로세서가 명백히 도시되었는지 여부를 불문하고 컴퓨터 또는 프로세서에 의해 수행되는 다양한 프로세스를 나타내는 것으로 이해되어야 한다.
프로세서 또는 이와 유사한 개념으로 표시된 기능 블록을 포함하는 도면에 도시된 다양한 소자의 기능은 전용 하드웨어뿐만 아니라 적절한 소프트웨어와 관련하여 소프트웨어를 실행할 능력을 가진 하드웨어의 사용으로 제공될 수 있다. 프로세서에 의해 제공될 때, 상기 기능은 단일 전용 프로세서, 단일 공유 프로세서 또는 복수의 개별적 프로세서에 의해 제공될 수 있고, 이들 중 일부는 공유될 수 있다.
또한 프로세서, 제어 또는 이와 유사한 개념으로 제시되는 용어의 명확한 사용은 소프트웨어를 실행할 능력을 가진 하드웨어를 배타적으로 인용하여 해석되어서는 아니되고, 제한 없이 디지털 신호 프로세서(DSP) 하드웨어, 소프트웨어를 저장하기 위한 롬(ROM), 램(RAM) 및 비 휘발성 메모리를 암시적으로 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 주지관용의 다른 하드웨어도 포함될 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구 범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (16)

  1. CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) 방식의 무선 네트워크에서 백 프레셔 스케줄링(Back Pressure Scheduling)을 하는 방법에 있어서,
    백 프레셔 스케줄링의 상태에 관한 정보를 획득하는 모니터링단계; 및
    상기 수집된 정보를 이용하여 상기 백 프레셔 스케줄링을 제어하는 컨트롤단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 백 프레셔 스케줄링 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 모니터링단계에서 획득하는 상기 백 프레셔 스케줄링의 상태에 관한 정보는,
    충돌(Collision) 또는 안정성(Stability)에 관한 정보 중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 백 프레셔 스케줄링 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 모니터링단계에서, 상기 충돌에 관한 정보를 획득하는 것은,
    각 노드(Node)별로 패킷을 재전송한 횟수를 수집하고, 상기 수집한 재전송 횟수를 이용하여 상기 충돌에 관한 정보를 획득하는 것을 특징으로 하는 백 프레셔 스케줄링 방법.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 모니터링단계에서, 상기 안정성에 관한 정보를 획득하는 것은,
    각 플로우(Flow)별로 큐 오버플로우(Queue Overflow) 횟수에 관한 정보를 수집하고, 상기 수집한 큐 오버플로우 횟수를 이용하여 상기 안정성에 관한 정보를 획득하는 것을 특징으로 하는 백 프레셔 스케줄링 방법.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 컨트롤단계는,
    상기 재전송 횟수가 미리 설정된 수준 이상으로 발생한 노드에서는, 패킷 스케줄링이 수행되는 빈도를 증가시켜 백 프레셔 스케줄링을 제어하는 것을 특징으로 하는 백 프레셔 스케줄링 방법.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 컨트롤단계는,
    상기 재전송 횟수가 미리 설정된 수준 미만으로 발생한 노드에서는, 패킷 스케줄링이 수행빈도를 감소시켜 백 프레셔 스케줄링을 제어하는 것을 특징으로 하는 백 프레셔 스케줄링 방법.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 컨트롤단계는,
    상기 큐 오버플로우가 미리 설정된 수준 이상으로 발생한 플로우에서는, 패킷 전송의 대기 시간(Waiting Time)을 증가시켜 백 프레셔 스케줄링을 제어하는 것을 특징으로 하는 백 프레셔 스케줄링 방법.
  8. 제 4 항에 있어서,
    상기 컨트롤단계는,
    상기 큐 오버플로우가 미리 설정된 수준 미만으로 발생한 플로우에서는, 패킷 전송의 대기 시간을 감소시켜 백 프레셔 스케줄링을 제어하는 것을 특징으로 하는 백 프레셔 스케줄링 방법.
  9. CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) 방식의 무선 네트워크에서 백 프레셔 스케줄링(Back Pressure Scheduling)을 하는 장치에 있어서,
    백 프레셔 스케줄링의 상태에 관한 정보를 획득하는 모니터링부; 및
    상기 수집된 정보를 이용하여 상기 백 프레셔 스케줄링을 제어하는 컨트롤부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 백 프레셔 스케줄링 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 모니터링부가 획득하는 상기 백프레셔 스케줄링의 상태에 관한 정보는,
    충돌(Collision) 또는 안정성(Stability)에 관한 정보 중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 백 프레셔 스케줄링 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 모니터링부는,
    각 노드(Node)별로 패킷을 재전송한 횟수를 수집하고, 상기 수집한 재전송 횟수를 이용하여 상기 충돌에 관한 정보를 획득하는 충돌정보 수집부를 포함하는 것을 특징으로 하는 백 프레셔 스케줄링 장치.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 모니터링부는,
    각 플로우(Flow)별로 큐 오버플로우(Queue Overflow) 횟수에 관한 정보를 수집하고, 상기 수집한 큐 오버플로우 횟수를 이용하여 상기 안정성에 관한 정보를 획득하는 안정성정보 수집부를 포함하는 것을 특징으로 하는 백 프레셔 스케줄링 장치.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 컨트롤부는,
    상기 재전송 횟수가 미리 설정된 수준 이상으로 발생한 노드에서는, 패킷 스케줄링이 수행되는 빈도를 증가시켜 백 프레셔 스케줄링을 제어하는 스케줄링간격 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 백 프레셔 스케줄링 장치.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 컨트롤부는,
    상기 재전송 횟수가 미리 설정된 수준 미만으로 발생한 노드에서는, 패킷 스케줄링이 수행빈도를 감소시켜 백 프레셔 스케줄링을 제어하는 스케줄링간격 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 백 프레셔 스케줄링 장치.
  15. 제 12 항에 있어서,
    상기 컨트롤부는,
    상기 큐 오버플로우가 미리 설정된 수준 이상으로 발생한 플로우에서는, 패킷 전송의 대기 시간(Waiting Time)을 증가시켜 백 프레셔 스케줄링을 제어하는 전송대기시간 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 백 프레셔 스케줄링 장치.
  16. 제 12 항에 있어서,
    상기 컨트롤부는,
    상기 큐 오버플로우가 미리 설정된 수준 미만으로 발생한 플로우에서는, 패킷 전송의 대기 시간을 감소시켜 백 프레셔 스케줄링을 제어하는 전송대기시간 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 백 프레셔 스케줄링 장치.
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