Resources of communication networks are restricted by economical or technical reasons. Unbalance between user requirements and insufficient network resources makes a serious problem, it congestion. Generally, there are three approaches to treat the congestion problem: management, avoidance, and recovery. In the information era of the future, since the communication networks will have very heavy traffic due to increments of users and transmitting data size, congestion will be more serious. Broadband integrated service digital network (B-ISDN) was introduced to provide various services in the communication network of the next generation. The asynchronous transfer mode (ATM) network was recommended to support the B-ISDN service by ITU-T, which had received considerable attention as an alternative network. In this dissertation, we consider the congestion avoidance and recovery approaches on ATM network systematically.
The ATM networks provide various service categories with priority. In the sense of congestion avoidance, we present a priority scheduling algorithm to allocate the outgoing link capacity to the service categories, which guarantees the QoS of each category. In the proposed algorithm, the service rate of each category is adjusted periodically, based on two proposed control schemes: robust with respect to the real allocated time and pole placement. Also, we show how the algorithm can be used for the call admission control (CAC) for the available bit rate (ABR) service category.
In the sense of congestion avoidance and recovery, the ABR service category in ATM networks allows the feedback flow control mechanism to dynamically allocate idle bandwidth of the network to users fairly and to control the network congestion rapidly. Although each user has different sending capacity, the widely used max-min fairness criterion does not consider the differences. We suggest a new fairness criterion to provide fair service rates to all active ABR users, which are proportional to their sending capacities. The proposed criterion covers the max-min criterion when all users have the same sending capacity.
The explicit rate (ER) indication based feedback flow control for the ABR service is more effective but more complex than binary congestion indication based scheme. In addition, most of the proposed algorithms can not confirm the robust stability with respect to unknown round trip delay. In this dissertation, we suggest a robust flow control scheme similar to the ER indication, which support fair bandwidth allocation by the proposed criterion and is more simple to implement than the ER indication scheme.
Congestion may take place not only at a single node but also at several nodes simultaneously. We establish a deterministic fluid-flow model for the congested network and analyze it in discrete time domain. First, we consider a single congested ATM network with only unicast connections and design a simple robust controller in the viewpoint of stability and confirm the model and the proposed control scheme by the stochastic analysis. Then we extend the scheme to the multiple congested network which has more complexity. In the multiple congested case, we show that locally designed controllers confirm the global network stability. Also, we investigate the contested ATM network with non-responding connections and propose a robust controller for the environment.
In the future, the network should provide several multipoint communication functions to coincide with the various requirements of users. We consider the single and multiple congested ATM networks with multicast (point-to-multipoint) ABR connections as well as unicast ones. The branch point of a multicast connection copies information to several branches and consolidates feedback information from them. In general, since consolidation algorithm selects the minimum feedback information to prevent severe congestion at all branches, it makes the non-minimum branches be under-utilized. Finally, we present control schemes for each congested case, which utilize the non-minimum branches maximally and confirm the stability of the global network in the case of slow changing of the minimum branch.
통신망의 자원은 경제적 및 기술적인 이유로 한정되어 있으나, 사용자의 요구는 언제 어떻게 폭주할지 알 수 없다. 이러한 수요·공급의 불균형은 통신망에 서 심각한 문제 중의 하나인 혼잡을 야기한다. 혼잡을 해소하기 위한 혼잡제어 기법은 그 정도에 따라 미소한 영역에서는 혼잡회피 기법이, 심한 영역에서는 혼잡복구 기법이 사용되어져 왔다. 미래의 정보화 사회에서는 사용자들의 요구가 날로 증가해갈 것이므로 통신망에서의 혼잡은 더욱 심각한 문제가 될 것이며, 이러한 요구를 충족시키기 위해 차세대 멀티미디어 서비스를 제공하기 위한 통신망으로 B-ISDN이 각광받고 있고 이를 지원할 전송망으로 ATM망이 ITU-T에 의해 권고되어졌다. 본 논문에서는 ATM망에서의 혼잡회피 및 복구 기법의 개발에 관해 다룬다. 또한, 혼잡제어에서는 주어진 자원을 사용자에게 공평하게 분배하는 것이 중요한 문제로 대두되고 있으며, max-min 공평성 원칙이 널리 사용되어져 왔다. 그러나, 이 방식에서는 사용자의 전송능력을 고려하지 않으므로 상대적으로 높은 전송 능력을 가진 사용자에게 불이익을 주는 결과를 낳아왔다. 본 논문에서는 사용자의 전송 능력에 상응하여 가용대역을 할당하는 비례공평성을 정의하고 이러한 공평성을 보장하도록 혼잡제어기를 개발하였다.
ATM망은 우선순위를 가지를 다양한 서비스 계층을 지원하기 때문에, 혼잡을 미연 에 방지하기 위해 적절하게 각 서비스 계층에 대역을 분할해 주는 것이 필수적이다. 이러한 혼잡회피의 기법으로 우선순위 계획법을 제안하였다. 우선순위 계획법에서는 서비스 계층에 대해 안정적인 대역 분할을 목적으로, 서비스 전송률이 설정되는 시점에 관해 강인한 제어기를 설계하는 기법과 설정되는 시점을 정확히 알 경우에 원하는 시스템 운용을 보장하는 pole 위치 조절 기법에 바탕을 둔 제어기를 설계하는 기법을 개발하였다.
또한, ATM망은 다양한 서비스를 제공하고 있으며, 그 중에서 ABR 서비스는 망의 가용자원을 정확히 파악하여 동적으로 할당해주고 망의 혼잡에 대해 신속하게 대응하기 위해 혼잡 회피와 복구의 관점에서 되먹임 흐름제어를 허용하고 있다. ABR의 되먹임 흐름제어는 RM 셀의 CI 또는 NI 비트를 이용한 이진 신호에 의해 전송단의 전송률을 제어하는 이진 모드와 ER 필드를 이용하여 허용 전송률을 직접 전송하는 ER방식의 두 가지가 존재한다. 이진 모드에서 발생하는 네트웍의 진동상황을 개선하고자 ER방식이 제안되어졌으나, 여러 가지 ER을 계산하는 제안 된 방법에서도 진동 상황은 쉽게 개선되지 않았다. 게다가, ER을 이용한 방법에서는 ATM 스위치가 개별적인 호(또는 연결)에 대해 분배 대역을 각각 구해주어야 하는 단점이 있었다. 이에 대해 제안한 비례 공평성을 고려하고, 보다 간편한 구현을 위해 모든 활성 호가 동일한 되먹임 제어값을 받도록 제어비율(control ratio) 이라는 제어신호를 제안하였다. 제어비율은 가용대역에 대한 모든 사용자의 입력셀 전송률 총합의 비율로서 망의 혼잡 가능성을 나타내는 값이 되며, 각 호의 전송단을 전송되어진 제어비율을 이용하여 허용 전송율을 계산하게 된다.
되먹임 흐름제어에 있어서 진동현상은 제어신호에 대한 다양한 왕복지연(round trip delay)을 가지는 연결들의 존재와 항시 변화하는 망상황으로 인해 그 값을 정확히 알 수 없음에 기인한다. 이에 본 논문은 제어 비율을 이용하여 제안한 공평성과 제안된 값 내에서 변화하는 왕복지연에 대해 강인한 안정성을 보장하는 제어기의 설계에 대해 중점적으로 다루었으며, 확정(deterministic) 신호에 기반을 둔 유체 흐름 모델을 사용하였으나, 실제 랜덤한 입력에 대해서도 본 논문에서 사용한 근사 기법이 적절함을 보였다.
망에 형성되는 호는 사용자의 다양한 요구를 충족시키기 위해 일대일 연결인 유니케스트 연결과 일대다 연결인 멀티케스트가 공존하게 된다. 또한 하나의 노드에서만 혼잡이 발생한 경우와 여러 노드에서 동시에 혼잡이 발생하는 경우도 있다. 본 논문에서는 연구의 편의성을 위해 유니케스트 연결만 존재하는 단일 혼잡망에서 출발하여 멀티케스트 연결도 공존하는 다중 혼잡 망에까지 연구 결과를 확장시켰으며, 다중 혼잡 망에서 발생하는 무응답 문제에 대한 QoS 보장 기법과 멀티케스트 연결의 분기점에서 일어나는 되먹임 신호 취합(consolidation)에서 유발되는 망자원의 저 활용성 문제를 해결하는 제어 기법을 제안하고 이 모든 연구 결과를 모의 실험을 통하여 확인하였다.
