In the 1990s, significant advances in switching technology have precipitated the current explosion in the amount of research in future high-speed networks. The concept of an integrated communication system that can support a diversity of services with different requirements introduces the broadband integrated services digital network (B-ISDN). The network should be responsive to interactive traffic, providing high bandwidth for file transfer, high speed data, and video applications, and having a low delay for real time communications such as the packet voice. As the transport and switching mechanism for today's B-ISDN, asynchronous transfer mode (ATM) has been widely accepted and standardized as the basis for B-ISDN. Many researches in the area of ATM networks have been done such as quality of service (QOS) support, flow control, and packet switching systems. In particular, the packet switching systems have been focused as the main component of ATM network and a number of switch architectures have been proposed and analyzed.
The objective of this dissertation is to provide an integrated view on the packet switching systems for future ATM networks not only concerning on the design of switch architectures but also performance issues of the switching systems. In order to better understand the influence of the switch performance on the ATM network, we introduce a fundamental notion of the output traffic distribution, which is the packet arrival pattern on each output link connecting a given output module and the multipath switching network. We first study the relationship between the performance of output buffer and the different multipath switch architectures. For this, we develop an analytical model to evaluate the behaviour of the output buffer in output queueing ATM switches focusing on the output traffic distributions. We analyze quantitatively, through the analytical model, that the performances of the output buffer are differentiated according to the different switch architectures even if the offered input traffic is same.
In the second part of this dissertation, we also investigate analytically the relationship between the performance of the output buffer and the variant input traffic models. As a basis of this analysis, we propose an ideal multipath switch architecture which can attain the best performance of the output buffer by producing the most nonuniform output traffic distribution.
Finally, we consider the cell scheduling problem in the input queueing ATM switches. The proposed scheme based on the simple windowing rule can achieve a high performance, especially, under the bursty traffic.
1990년대에 들어와 급격히 증가한 멀티미디어 통신 서비스의 욕구와 함께, 이를 지원하기 위한 미래의 초고속 통신망의 요구조건과 기능에 대한 연구가 광범위하게 이루어졌다. B-ISDN은 이러한 요구조건들을 수용한 개념으로써 서로 다른 성질의 여러 데이타들을 공통의 단일 통신망상에서 전송 가능하도록 한다. ATM은 B-ISDN의 전송 및 교환 방식으로써 널리 인정되고 있으며 많은 연구와 함께 그 표준화 작업이 병행되고 있다. ATM 망은 고정된 크기의 셀들로 분할된 데이타들을 통계적 다중화방식에 따라 전송함으로써 고속 및 실시간 특성 등의 다양한 요구조건을 갖는 멀티미디어 통신 서비스들을 처리할 수 있다. 지난 10여년간 이와 같은 ATM 망의 실현을 위한 많은 연구들이 있었는데 그 중에서도 ATM 교환 시스템은 ATM 망을 구성하는 핵심요소로써 다양한 교환 구조의 제안 및 그의 성능분석에 관한 많은 연구들이 수행되었다.
본 논문의 목적은 ATM 망을 위한 교환 구조의 설계와 성능에 연관된 종합적인 관점을 제시하는 것이다. 특히, 대표적인 교환 구조인 다중 경로를 제공하는 출력 버퍼 교환 구조의 보다 정확한 성능 분석을 위한 새로운 분석 모델을 정립하고 기존에 발표된 대표적인 교환 구조들에 그 분석 모델을 적용하여 제안된 모델의 정당성을 보였다.
첫째로, 출력 버퍼 방식의 ATM 교환기에서는 교환기 자체에 주어진 입력 트래픽 분포와 교환기를 통과하여 출력 버퍼에 도달하는 출력 트래픽 분포는, 동일한 입력을 가정한다해도, 각각의 교환 구조의 특성에 따라서 달라진다는 관계를 제안하는 분석 모델을 통하여 입증하였다. 즉, 출력 버퍼에서의 셀 손실율 및 평균 지연시간등의 성능은 출력 트래픽 분포간의 편차가 클수록 개선된다. 또한, 교환 구조의 설계 방식에 따라 이러한 출력 트래픽 분포간의 편차를 달리할 수 있다. 둘째로는 제안된 분석 모델을 기반으로 출력 트래픽 분포간의 편차를 이론적으로 가장 크게 생성할 수 있는 이상적인 출력 버퍼 교환기라 할 수 있는 Multipath Crossbar 교환 구조를 제안하였다. 또한, 이를 바탕으로 다양한 입력 트래픽 모델에 대하여 성능 분석을 수행함으로써 출력 버퍼에서의 성능이 입력 트래픽 분포의 비균질 정도에 비례한다는 관계를 입증하였다.
본 연구의 기본적인 성과는 기존의 단순한 성능 분석 모델에서 발생하는 성능 분석의 오류를 제거하고 모든 출력 버퍼 방식의 교환 구조에 적용할 수 있는 일반적이고 보다 정확한 분석 모델을 제안한 것이라 할 수 있다. 이를 통하여, 새로운 교환 구조를 설계함에 있어 본 연구 결과를 통해 나타난 출력 트래픽 분포와 출력 버퍼의 성능 관계가 고려되어야 할 것이다.
