This dissertation is concerned with network reliability and minimization of network redundancy in Internet using MPLS technology for its backbone networks. Multiprotocol label switching (MPLS) is expected to support QoS guarantees and traffic engineering in Internet backbone networks. Spare bandwidth reduction is important in MPLS networks where a preplanned network fault protection is required for fast restoration. In this dissertation, a distributed label switched path (D-LSP) scheme utilizing multiple parallel disjoint routes between a node pair is proposed to reduce spare bandwidth and total network cost.
First, the D-LSP scheme is proposed. LSP partitioning which is a main mechanism of D-LSP scheme, is defined and analyzed in a specific MPLS network. In the proposed D-LSP scheme, demand traffic is partitioned and distributed over a set of sub-LSPs each of which is established on the disjoint routes. A demand traffic partitioning and distribution algorithm is derived from a specific MPLS network model. The partitioning of demand traffic in the D-LSP scheme yields a degradation in statistical multiplexing gain and thus, a trade-off between spare bandwidth reduction and increase in effective bandwidth required by each sub-LSP is investigated. The capability to reduce the network cost of the proposed D-LSP scheme is numerically analyzed and compared with the conventional LSP (C-LSP) scheme in which demand traffic is carried by a single LSP established between a end node pair.
Second, the cost minimization problem in establishment of a D-LSP is formulated mathematically and the optimum solution is found in terms of the number of sub-LSPs and bandwidth distribution vector through a series of mathematical manipulation. The degradateion of statistical multiplexing gain is involved as a constraint of the cost minimization problem. Mathematical analysis of the proposed D-LSP scheme results in an algorithm finding the optimum number of sub-LSPs and bandwidth distribution with small computational complexity. The numerical evaluation shows that the proposed D-LSP scheme reduces greately spare bandwidth compared to the C-LSP scheme in various test networks.
Finally, a reliability model of networks is proposed and the reliability of the networks is analyzed in a generalized form. Using the proposed reliability model, we show that networks can have more capability of statistically sharing spare bandwidth, and this statistical spare bandwidth sharing scheme can be used for improve the spare bandwidth sharing of the D-LSP scheme. The proposed D-LSP scheme using multiple parallel paths may lose a part of the capability of spare bandwidth sharing due to more possibilities of overlapping with other D-LSPs and may be vulnerable to link failures due to including a larger number of links. However, it is shown that the proposed D-LSP scheme can maintain a reasonable reliability with a less amount of spare bandwidth by using the statistical spare bandwidth sharing scheme.
MPLS 기술을 백본 네트워크에 적용한 인터넷에서 네트워크의 신뢰성을 유지하는데 필요한 예비대역폭 (Spare bandwidth)등의 중복자원 (Redundancy)을 줄이는 것이 최근 중요한 문제가 되었다.
본 학위논문은 예비대역폭과 네트워크 전체의 비용을 줄이고자 하는 목적으로 다중경로 (Multiple paths)를 이용하는 분산 레이블 교환 경로 (Distributed label switched path : D-LSP) 방식을 제안하였다.
D-LSP의 구조는 IP패킷흐름 (IP packet flow)을 MPLS 도메인으로 받아들이는 관문이 되는 입구레이블종단라우터 (Ingress label end router : LER)와 IP 패킷 흐름을 MPLS 도메인 외부로 내보내는 출구레이블종단라우터 (Egress LER), 이들 사이를 연결하는 서로 분리되어 있는 경로들의 집합인 다중경로 (Multiple disjoint paths)로 구성된다. D-LSP의 주요 기능은 입구종단라우터에서 MPLS 도메인으로 입력되는 IP패킷흐름을 다수의 부속LSP (Sub-LSPs)로 분할하고 각각의 부속LSP를 서로 분리된 경로에 할당하는 트래픽 분할 및 분배 기능이다.
본 학위논문은 우선 단순하게 정형화된 네트워크 모델 상에서 D-LSP의 구조와 기능을 설명하고 D-LSP 방식이 예비대역폭과 전체 네트워크의 비용을 줄이는 과정을 설명하였다. 이어서 일반적인 네트워크 모델에서 D-LSP의 트래픽 분할 및 분배 기능을 수식으로 정의하고 예비대역폭과 전체 네트워크 비용을 가장 많이 줄일 수 있는 최적 IP패킷흐름 분할 및 분배 문제를 수식으로써 해결하였다.
D-LSP 방식이 예비대역폭을 줄이고자 하는 목적으로 IP패킷흐름을 분할하는 과정에서 통계적다중화이득이 감소하는 부작용이 나타난다. IP패킷흐름을 더 많은 수의 부속LSP로 분할할 수록 더 많은 예비대역폭을 줄일 수 있는 반면 통계적다중화이득은 더 떨어지므로 이 둘 사이에는 하나의 절충점 (Trade-off)이 존재한다.
본 학위논문에서는 우선 정형화된 네트워크 모델에서 예비대역폭 절감과 통계적다중화이득 감소 간의 절충점이 존재함을 보이고, 일반적인 네트워크 모델에서 통계적다중화이득의 감소를 고려한 IP패킷흐름의 최적 분할 및 분배 문제를 수학적으로 해결하였다. D-LSP 방식은 IP패킷흐름을 분할 및 배분함으로써 예비대역폭과 전체 네트워크 비용을 줄이는 것이다. 예비대역폭을 줄이는 기존의 방법으로서 대표적인 것이 예비대역폭공유 (Spare bandwidth sharing)이다. 임의 시각에 네트워크에는 하나의 링크 고장만 일어날 수 있다고 가정할 때 보호대상경로들 (Protected paths or primary paths)이 물리적으로 분리 (Disjoint)되어 있으면 그들의 백업경로들 (Backup paths)은 링크에 확보되어 있는 예비대역폭을 공유할 수 있다는 것이 기존의 예비대역폭 공유 조건이다. 그러나, 실제 네트워크에서 두 개 이상의 링크가 동시에 고장날 가능성을 완전히 배제할 수 없고, 보호대상 경로들이 서로 분리되도록 경로설정하는 것도 쉬운 문제는 아니어서 기존의 예비대역폭 공유 방식은 실제 네트워크에서 충분한 효과를 내기 힘들다.
본 학위논문에서는 N개의 백업경로들의 보호대상경로들이 서로 연합하여 (Jointly) 고장날 확률분포 (Joint path failure probability distribution)을 구하고 일정 시간 동안 특정 수 K개 (K < N)이상의 보호대상경로가 연합하여 고장나지 않음이 통계적으로 보장될 때 그 시간 동안은 $K$개의 보호대상경로들의 대역폭요구량의 합만큼의 에비대역폭을 확보하여 두고 $N$개의 백업경로들이 공유하는 통계적예비대역폭공유 (Statisitical spare bandwidth sharing) 방식을 제안하였다. 제안된 통계적예비대역폭공유 방식을 D-LSP 방식에 적용하였을 때 기존 예비대역폭 공유방식에 비해 예비대역폭 감소 효과가 우수함을 시뮬레이션에 의한 실험을 통해 보였다. 결론으로서, 제안된 D-LSP 방식은 예비대역폭과 전체 네트워크 비용을 줄이는 방법이고 그 기능이 수학적으로 해석되었으며 수치해석 결과는 노드연결도 (Node degree)가 4.0 이상인 네트워크에서 30% 이상임을 보인다. 새로 제안된 통계적예비대역폭 공유방식을 제안된 D-LSP 방식에 적용하였을 때 기존 예비대역폭공유방식보다 네트워크 비용 감소 효과가 우수함을 보였다. 향후 연구과제로는 제안된 D-LSP 방식과 통계적예비대역폭 공유방식을 확장함으로써 다양한 신뢰성 및 가용성 요구가 있는 네트워크 환경에서 예비대역폭과 전체 네트워크 비용을 효과적으로 줄일 수 있도록 하는 것이다.
