Guaranteed frame rate (GFR) aims to provide minimum cell rate (MCR) guarantees for non-real-time traffic like TCP/IP traffic and allow traffic in excess of the MCR to fairly share residual bandwidth in ATM networks. For traffic controls in a frame level, the GFR requires ATM switches to be aware of frame boundaries so that the service can be based on AAL-5 PDUs (frames) that can be delineated at the ATM layer.
ATM switch implementation methods that accomplish the GFR service consist of a frame classification algorithm, called frame-based generic cell rate algorithm (F-GCRA), and a frame forwarding mechanism. Combination of the F-GCRA and a simple FIFO-based frame forwarding mechanism is a feasible implementation method because of a low cost in its implementation and operation. But, this method has failed to support guaranteed bandwidth to GFR virtual channels (VCs) with a relatively large MCR. Thus, complex buffer allocation schemes that can properly allot a buffer to each VC or rate-guarantee scheduling disciplines with per-VC queuing are necessary for satisfying GFR service requirements, but it is too complicated to implement them.
The objective of this thesis is to develop a feasible switch implementation method that can provide the GFR service guarantee for TCP/IP traffic in ATM networks. For this purpose, we enhance the simple FIFO-based frame forwarding mechanism to improve fairness in the use of residual bandwidth and propose a novel frame classification algorithm that enables the simple FIFO-based frame forwarding mechanism to support MCR guarantees.
First, we evaluate the performance of the simple FIFO-based frame forwarding mechanism for three TCP versions, Tahoe, New-Reno and SACK when the basic F-GCRA is applied to ATM switches. Through the performance evaluation, we find out that TCP traffic is not able to sufficiently utilize reserved bandwidth because of its bustness and the simple FIFO-based frame forwarding mechanism does not support fairness in the use of residual bandwidth. Thus, we introduce a random early detection (RED) scheme to the simple FIFO-based frame forwarding mechanism. The RED scheme improves fairness in the use of residual bandwidth by probabilistically discarding tagged frames that are identified to be ineligible for bandwidth guarantees by the basic F-GCRA. Then, we adopt a segment spacing scheme in TCP traffic sources in order to alleviate the burstness of TCP traffic. The segment spacing scheme increases bandwidth utilization of untagged frames that are eligible for bandwidth guarantees and thus reduces unfairness in the use of residual bandwidth by the tagged frames. Through extensive simulations under a variety of parameters, We confirm that these two schemes improve GFR performance when ATM switches employ the basic F-GCRA and the simple FIFO-based mechanism.
Then, we propose a novel frame classification algorithm, called adaptive F-GCRA, in order to exploit flexibility of bucket operations in the basic F-GCRA. The adaptive F-GCRA takes account of damage to re-served bandwidth that results from fluctuation of TCP traffic by its congestion control algorithms and thus compensates for the bandwidth loss of each GFR VC under accumulated credits. For this accumulation of credits, we define a maximum idle interval (MII) that is a maxi-mum inter-arrival time between two adjacent frames when a credit is allowed to be accumulated in the bucket. If an inter-arrival time of two adjacent frames is less than or equal to the value of the MII, the adaptive F-GCRA allows its bucket counter to decrease as much as the inter-arrival time. Hence, each GFR VC can sufficiently consume its reserved bandwidth in ATM switches with the simple FIFO-based frame forwarding mechanism. In addition, the adaptive F-GCRA virtu-ally distributes residual bandwidth to active GFR VCs and thus force them to fairly share residual bandwidth. This virtual allocation of residual bandwidth enables the simple FIFO-based mechanism to support a weighed fair share to GFR VCs in proportion to their weight value, as well as an equal fair share. We confirm via simulations that the adaptive F-GCRA enables the simple FIFO-based mechanism to support GFR service guarantees to GFR VCs carrying TCP/IP traffic.
GFR 서비스의 목적은 ATM망에서 TCP/IP 트래픽과 같은 비실시간 트래픽에게 최소 셀 전송율을 보장하고, 최소 셀 전송율을 초과하는 트래픽은 여분의 대역폭을 공정하게 사용할 수 있도록 하는 것이다. 프레임 단위의 트래픽 제어를 위해, GFR은 ATM 스위치가 프레임의 경계를 고려할 것을 요구한다. 그래서, 서비스는 ATM 계층에서 구분할 수 있는 AAL-5 PDU에 기반한다.
GFR 서비스를 위한 ATM 스위치 구현 방법은 F-GCRA 프레임 분류 알고리즘과 프레임 전송 메카니즘으로 이루어진다. F-GCRA와 기본 FIFO 기반 프레임 전송 메카니즘으로 이루어진 방법은 구현과 동작에서의 저렴한 비용으로 실현가능한 구현 방법이다. 그러나, 이 방법은 상대적으로 큰 MCR을 갖는 가상채널에게 대역폭을 보장하지 못한다. 그래서, GFR 서비스 요구를 만족시키기 위해서는 가상 채널마다 대기 큐를 갖는 전송율 보장 스케쥴링 기법이나 가상 채널에게 버퍼를 적절하게 할당할 수 있는 복잡한 버퍼 할당 기법 등이 필요하다. 그러나, 이같은 기법들을 구현하는 것은 매우 어려운 일이다.
이 논문의 목적은 ATM망에서 TCP/IP 트래픽에게 GFR 서비스를 보장할 수 있는 실현가능한 스위치 구현 방법을 개발하는 것이다. 이를 위해, 본 논문은 여분의 대역폭 사용에 있어서 공정성을 향상시키도록 기본 FIFO 기반 프레임 전송 메카니즘을 개선한다. 또한, 기본 FIFO 기반 프레임 전송 메카니즘으로 MCR 보장을 제공하기 위해 새로운 프레임 분류 알고리즘을 제안한다.
먼저, 본 논문은 ATM스위치에서 기본 F-GCRA를 사용할 때, Tahoe, New-Reno, SACK 이 세가지 TCP 버젼에 대해서 기본 FIFO 기반 프레임 전송 메카니즘의 성능을 평가한다. 성능 평가를 통해, TCP 트래픽은 그 버스트 특성 때문에 예약한 대역폭을 충분히 사용하지 못하고, 기본 FIFO 기반 프레임 전송 메카니즘은 여분의 대역폭 사용에 있어서 공정성 제공하지 못한다는 것을 밝힌다. 그래서, 본 논문은 기본 FIFO 기반 프레임 전송 메카니즘에 RED 기법을 도입한다. RED 기법은 기본 F-GCRA에 의해 대역폭 보장에 적합하지않은 것으로 식별되어 태그된 프레임을 확률적으로 제거함으로써 여분의 대역폭 사용에 있어서 공정성을 향상시킨다. 또한, TCP 트래픽의 버스트 특성을 완화하기 위해 TCP 트래픽 생성자에게 세그먼트 스페이싱 기법을 적용한다. 세그먼트 스페이싱 기법은 대역폭 보장에 적합한 프레임의 대역폭 사용율을 증가시켜서, 태그된 프레임에 의한 여분의 대역폭 사용으로 인한 불공정성을 줄인다. 다양한 조건하에서의 시뮬레이션을 통해, ATM 스위치가 기본 F-GCRA와 기본 FIFO 기반 메카니즘을 채택했을 때, 두 기법이 GFR 성능을 향상시킴을 확인한다.
또한, 본 논문은 기본 F-GCRA의 버킷 동작의 유연성을 개발하기 위해, 새로운 프레임 분류 알고리즘인 적응형 F-GCRA를 제안한다. 적응형 F-GCRA는 혼잡 제어 알고리즘으로 인한 TCP 트래픽의 변동에 기인한 예약한 대역폭에서의 손실을 고려하여, 축적된 크래딧 하에서 각 가상 채널의 대역폭 손실을 보상한다. 이 크래딧 축적을 위해, 최대 아이들 간격 MII을 정의한다. MII는 크래딧이버킷에 축적될 수 있는 연속해서 도착하는 두 프레임 사이의 최대 도착 간격이다. 연속해서 도착하는 두 프레임의 도착 간격이 MII보다 작거나 같으면, 적응형 F-GCRA는 버킷 계수기가 그 값만큼 작아지는 것을 허용한다. 그래서, 각 가상 채널이 기본 FIFO 기반 메카니즘에서 각자의 예약한 대역폭을 충분히 사용할 수 있다. 게다가, 적응형 F-GCRA는 여분의 대역폭을 가상 채널들에게 사실상 나누어 준다. 그래서, 가상 연결이 여분의 대역폭을 공평하게 사용하도록 한다. 이 사실상의 여분의 대역폭 할당은 기본 FIFO 기반 메카니즘이 균등 공정뿐만 아니라 가중치에 비례하여 가중 공정을 가상 연결에게 제공할 수 있도록 한다. 적응형 F-GCRA가 기본 FIFO 기반 메카니즘이 TCP/IP 트래픽을 나르는 가상 연결에게 GFR 서비스를 보장할 수 있도록 한다는 것을 시뮬레이션을 통해 확인한다.
