The main objective of this dissertation work is to investigate the performances of traffic control schemes for an asynchronous transfer mode (ATM) multiplexer and a connectionless server (CLS) for high-speed integrated broadband networks.
Due to a flexible and dynamic nature of ATM and the heterogeneity of quality of services (QoSs) in a broadband integrated services digital network (B-ISDN) environment, an effective overall traffic control strategy in the ATM layer which will play a critical role in the ultimate success of B-ISDN should be defined. Thus, accurate traffic modeling and performance estimation of traffic control schemes should first be accomplished for network dimensioning, determination of control parameters, connection admission control (CAC) scheme, etc.
In this dissertation we first study an ATM multiplexer with selective cell discarding (SCD), and propose as a new traffic parameter the ratio of high and low priority cell streams when a cell stream multiplexed is classified by the cell loss priority (CLP) field in a cell header. By having loss priority control, it is possible to increase the multiplexing gain. For performance analysis we assume that an on-off bursty traffic is described with several traffic parameters and the proposed priority ratio, and is approximately modeled by a Markov-modulated deterministic process (MMDP). Assuming that several independent and homogeneous on-off bursty traffics with priority discrimination are multiplexed by an ATM multiplexer with one or two thresholds, we present an analytical procedure for the cell loss probability of each priority level in statistical cell multiplexing with the threshold renewal assumption, and use the performance results for CAC. Also, we consider the effect of the proposed priority ratio. Although loss priority control increases the statistical multiplexing gain, it is not appropriate for the on-off bursty traffic to change the value of the high-priority ratio in order to obtain a larger multiplexing gain, since the admissible load is determined by the loss probability of low priority traffic for most cases and the values of the ratio in a certain range slightly affect it.
Second, we investigate the cell loss performances of an ATM multiplexer with loss priority control, whose input consists of variable bit-rate (VBR) homogeneous bursty traffics. Among a variety of traffic models, we consider a high-low activity model, which are modeled by the MMDP with the parameter values obtained from those of a stepwise VBR video traffic model. Here, we present a procedure of approximating to the two-state MMDP a stepwise VBR traffic of the Markov process of non-birth-death process type having more than 2 states. For the cell loss performance, we use some approximations to make analysis tractable. Also, for loss priority control, we use the statistics of priority ratio as a traffic parameter, and consider two different methods of assigning cell priority for the high-low activity model. By numerical examples, we show that the performances of the on-off model are different from those of our high-low activity model, because the high-low activity model chosen here has less bursty characteristics resulted from the parameter values of the stepwise VBR video traffic model. Selective cell discarding by the partial buffer scheme increases the admissible load for the on-off model, while it increases or does not affect the admissible load for our approximated high-low activity model for different priority assignment methods and performance requirements.
Third, we study the performances of a burst-level bandwidth reservation scheme based on the fast reservation protocol with immediate transmission (FRP/IT) for connectionless services in ATM networks. Two approaches are considered. In the first approach we use an embedded Markov chain for the on-off model; and in the second one we obtain the burst blocking probability by the Erlang blocking formula with approximation of the burst interarrival time. In the latter approach the interarrival time of the aggregated requests for transmissions is approximated by an exponential distribution. Whereas the former shows accurate results, the latter is simple but gives good approximate results. By numerical examples, we discuss the dependence of system performances such as burst blocking probability and burst transfer delay on the parameters of burstiness and backoff time. Also, we show that the admissible load is little affected by a value of backoff time but largely by a burstiness value.
Finally, we propose two new burst admission control (BAC) schemes with cell multiplexing. One is the burst admission by threshold (BAT) scheme which exercises the BAC function by comparing a threshold value with the queue size on the epoch receiving a burst request. Another is the burst admission by prediction of cell losses (BAPCL) scheme, which is based on the fact that it is possible to calculate the queue sizes at the burst release times when there is a burst request. By a multi-level model with an MMDP/D/1/K queueing system, the performance and the effect of the two schemes are studied in view of burst and cell levels. Also, the performance of the peak bit-rate reservation (PBRR) scheme without cell buffering is considered with a backoff state. Since the queueing models for the BAT and the BAPCL schemes have a very large number of system states due the backoff state, it takes much time to calculate the steady-state probabilities. Hence, in order to reduce the computation time, we introduce a state reduction method by combining a backoff state and an idle state into one. This is possible by the fact that the blocking factor by the requests from the backoff state is small enough to be negligible in an acceptable load range. By numerical examples, we discuss the dependence of system performances on the traffic and the system parameters. In order to show the increase of multiplexing gain by the BAC schemes with cell multiplexing, we compare the admissible loads of the BAT and the BAPCL schemes with those of the PBRR and the pure cell multiplexing schemes. It will be shown that the BAT scheme has almost the same performance as the BAPCL scheme though the latter is superior to the former for most cases, especially for the stringent cell-loss sensitive case.
본 논문은 ATM망에서의 ATM다중화기및 비연결성 서버에 대한 트랙픽 제어의 성능 분석에 관한 것이다. 광대역 정보통신망(B-ISDN)의 다양한 서비스 제공을 ？나 하부 기술인 ATM은 광대역 정보통신망 구축에 근간이 되는 기술이지만 아직도 해결하여야 할 문제점들이 남아있다. 이러한 문제점들 중 본 논문에서는 ATM망의 가장 기본 장비인 ATM 다중화기와 초기에 제공될 비연결성 서비스 구현을 위한 트래픽 제어 방법을 고찰하였다.
먼저, ATM셀 헤더의 cell loss priority(CLP)필드를 이용하여 우선순위를 고려한 셀 흐름의 traffic parameter로 RHT를 제안하고 selective cell discarding(SCD)기능을 갖춘 ATM다중화기에 이러한 셀 흐름이 다중화될 때의 각각의 높은 우선순위및 낮은 우선순위의 셀 손실을 구하였다. 한 소스에서의 입력 트랙픽을 on-off트래픽 패턴으로 가정하였으며 이를 MMDP모델로 근사화하였고 SCD기능 수행을 위해 하나의 임계값과 두 개의 임계값을 갖는 partial buffer sharing경우를 고찰하였다. 이를 위해 threshold renewal assumption을 고려하여 MMDP/D/1/K큐잉 분석 방법을 확장하였다.
두 번째로 광대역 서비스인 비디오 트래픽이 ATM다중화기에 입력될 때 다중화 효과를 고찰하였다. 이를 위하여 우선 Cosmas가 추출한 비디오 소스의 트래픽 파라메타를 이용하였다. Cosmas는 그의 연구에서 비디오 트래픽이 conditional replenishment(CR)codec을 통하여 발생하는 셀흐름을 고찰하여 MMDP모델의 파라메타 값을 3-상태, 5-상태, 그리고 8-상태로 제시하였다. 이를 ATM다중화기에 적용할 때 다중화된 입력 트래픽은 MMDP특성을 갖지만, 이를 기술할 수 있는 시스템 상태 수는 기하급수적으로 증가하고 이들 사이의 천이 확률도 기술하기 어렵다. 따라서 CR codec에서 발생하는 VBR트래픽을 2-상태로 근사하여 high-low activity모델의 파라메타를 구하였다. 그리고 화면 변화가 많은 상태에는 높은 우선순위를 할당하고 화면 변화가 적은 상태에는 낮은 우선순위를 할당하는 경우, 상태에 관계없이 일정한 비로 우선순위를 할당하는 경우와 우선순위를 나누지 않은 경우로 나누어 고려하였다. 여기서 얻은 결과를 ATM다중화기에 적용하여 허용 부하를 고려하였을 때에는 SCD기능이 첨가되더라도 다중화 이득이 없다는 것을 알 수 있었다. 따라서, SCD기능을 첨가하기전에 대상이 되는 트래픽의 특성과 성능 분석을 먼저 수행하여 그 효과를 고찰하여야 한다.
세 번째로 비연결성 서비스를 위한 버스트 수준의 트래픽 제어 방법에 대한 성능 분석을 하였다. ATM망에 비연결성 서비스를 구현하기 위하여 많은 프로토콜 제안들이 있었지만 대부분의 제안들은 FRP/IT프로토콜을 기초하고 있다. 이는 서비스 품질에 대한 요구사항만 다를 뿐 비연결성 서비슬를 담당하는 서버에 입력되는 트랙픽의 특성이 FRP/IT프로토콜이 대상으로 하였던 트래픽 특성과 비슷하기 때문이다. 따라서, 본 논문에서는 FRP/IT를 기초로 하는 비연결성 서비스를 위한 프로토콜의 정확한 분석을 위하여 embedded Markov chain을 사용하여 버스튼 수준의 버스트 블로킹 확률을 구하고 버스트 지연 시간의 확률 분포를 구하였다. 또한 여기서 도출된 결과를 근거로 M/M/s/s 큐잉분석 방벙을 이용한 근사방법을 소개하였다.
마지막으로, 비연결성 서버의 트래픽 제어 방법으로 버스트 수준과 셀 수준의 제어를 동시에 수행되는 방법 두 가지를 제안하고 이러한 방법들이 다중화 이득을 증가시키는 결과를 도출하였다. 셀 다중화 기능을 수행하면서 버스트 수준의 수락 제어 기능을 수행하는 트래픽 제어로 bust admission by threshold(BAT)와 burst admission by prediction of cell losses(BAPCL)를 제안하고 이들의 성능 분석을 위하여 multi-level 분석방법을 고찰하였다. 그리고 이 분석방법에서 정의되는 시스템 상태 술를 줄이기위한 state reduction방법도 소개하였다. 그리고 다중화 이득의 증가를 보이기 위하여 순수 버스트 수준제어 방식과 순수 셀 다중화 방식들과의 허용부하를 비교 분석하였다.
