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Bandwidth allocation algorithm in a QoS enabled internet environment = 서비스 품질 가능한 인터넷 환경에서의 대역할당 알고리즘
서명 / 저자 Bandwidth allocation algorithm in a QoS enabled internet environment = 서비스 품질 가능한 인터넷 환경에서의 대역할당 알고리즘 / Ju-Yong Lee.
저자명 Lee, Ju-Yong ; 이주용
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2003].
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초록정보

Today's Internet provides only best-effort services. However, future Internet is required to support various quality of services (QoSs). Many technologies such as Differentiated Services (Diff-Serv) and Multi-protocol Label Switching (MPLS) have been proposed to meet various QoS requirements. Different classes of traffic can be controled using different Label Switched Paths (LSPs), and therefore various types of traffic engineering is possible. In order to estimate QoS's for the allocated resources, it is crucial to adopt an appropriate traffic model which represents the patterns of real Internet traffic. It is important to investigate the relation between the required QoS and allocated resources. Many authors have demonstrated the presence of long-range dependence in the traffic of Wide Area Network (WAN), Local Area Network (LAN), World Wide Web (WWW). It has been shown that these traffic patterns are well modeled using self-similar processes. Several specific traffic models have been proposed to characterize these traffic patterns, such as fractional Gaussian noise (fGn), fractional ARIMA and multi-fractal wavelet model. However, it is difficult to predict the performance when input traffic shows self-similar characteristics and multiple classes of traffic are served in various scheduling environments. We propose fluid simulation for reducing simulation times instead of packet-level simulation with First-In First-Out (FIFO) discipline and Generalized Processor Sharing (GPS) scheduling. Many scheduling policies are based on GPS to fairly determine the order of packet transmission. A number of service disciplines have been introduced to reduce computational complexity and to guarantee fairness of different queues for packet-level fair queueing. Fluid simulation algorithms in scheduling systems are proposed and the complexity of the algorithm is analyzed. Compared to packet-level simulation, the proposed fluid simulation is simpler and more tractable because it considers only the traffic amount during a unit time interval. The simulation time can thus be reduced within an allowable margin of performance error by increasing the unit time length. The proposed fluid simulation technique with adequate internet traffic models in FIFO scheduling and GPS scheduling systems can be used to predict performance in a real Internet traffic environment. We propose a bandwidth allocation mechanism for FIFO discipline, satisfying performance requirements such as average delay, delay jitter and loss probability. First, we extract traffic parameters to construct the adequate traffic model, which is used to approximate the real traffic trace. After constructing the adequate traffic model, we obtain the performance according to the allocated bandwidth through fluid simulation. Using the relation between the bandwidth and performance, we propose a bandwidth allocation method to determine the minimum guaranteed bandwidth such that all performance requirements are satisfied. In numerical results, we investigate how well the optimized bandwidth meets the performance requirements using real Internet traces. We propose a bandwidth allocation mechanism for GPS scheduling with performance constraints. There exist multiple bandwidths to be allocated in the GPS scheduling, and this problem becomes nonlinear optimization problem with multiple variables. Since the performance with allocated bandwidth vector may not be convex, we propose a new methodology to overcome the conventional optimization algorithm for convex functions. In numerical results, we carry out the optimization algorithm and investigate the validity of the proposed algorithm with real traces. Finally, we propose the bandwidth control method in order to maintain performance requirements when small traffic variations occur. Also we investigate how to guarantee the end-to-end performance using previous performance guarantee with the optimized bandwidth allocation. We hope these results become one framework for network resource management.

본 논문에서는 인터넷 품질 제어를 위한 대역할당 메카니즘을 제안한다. 현재 인터넷망은 사용자의 요구에 따른 품질제어를 충분히 제공하지 못하고 있다. 이를 위해서 인터넷 품질제공을 위한 많은 기술들이 제안되고 있다. MPLS (Multi-Protocol Label Switching) 기술은 현재 인터넷망에서 망운영자가 LSP(Label Switched Path)의 관리를 통해서 트래픽 제어를 가능하게함으로써 망자원의 관리에대한 기반을 제공하고 있다. 또한 Diff-Serv (Differentiated Services) 기술은 패킷에 DSCP (Differentiated Service Code Point)를 다르게 할당함으로써 패킷별로 차별화된 서비스를 제공해주고 이를 통해서 망에서 품질제어를 가능하게 할수 있도록 한다. 한편 Int-Serv (Integrated Services) 기술은 흐름별로 제어를 수행함으로써 적절한 제약이 주어진다면 흐름별로 품질보장이 가능하다. 하지만 많은 흐름별로 제어를 수행해야하기 때문에 확장성이 떨어진다. 이와 비교해서 Diff-Serv 기술은 확장성은 뛰어나지만 정확한 품질보장이 어렵다는 단점이 있다. 예를 들어서 지연의 요구, 손실확률의 요구, 지연 변동의 요구가 주어졌을때 Diff-Serv 기술은 이에 대응하기에는 아직 한계가 있다. 하지만 MPLS 기술과 Diff-Serv 기술이 합쳐지고 트래픽 상황의 정확한 분석이 주어진다면 가능하리라고 본다. 이를 위해서는 클래스별 트래픽의 사용대역 파악이 품질요구에 기반해서 이루어지는 것이 필요하다. 본 논문에서는 다중화된 클래스별 트래픽의 트래픽 특성에 따라서 품질 요구가 주어질때의 필요한 대역에 대한 정보를 제공한다. 인터넷 트래픽의 특성은 자기유사성 (self-similarity)를 가지며 또한 장시간 의존성 (long-range dependence)를 갖는다. 이더넷 (Ethernet)을 포한한 근거리 통신망 (LAN), 원거리 통신망 (WAN), 웹트래픽 (WWW)등의 다양한 환경에서 이러한 특성을 갖고 있음이 보고되고 있다. 또한 비디오 트래픽의 분석에서도 동일한 결과를 보이고 있다. 전통적인 마코비안 모델링은 짧은 시간 의존성 (short-range dependence)을 가지기 때문에 이러한 트래픽의 모델링을 효과적으로 수행할수가 없었다. 장시간 의존성을 가지며 자기유사성을 갖는 트래픽의 모델링을 위해서 많은 연구가 있어왔으며 특히 fGn (fractional Gaussian model), f-ARIMA 그리고 multifractal wavelet 모델등이 대표적인 모델링으로 꼽히고 있다. 이러한 트래픽 모델은 복잡한 환경에서 수학적인 분석이 어렵기때문에 시뮬레이션에 의한 성능분석이 많이 이루어져왔다. 하지만 기존의 패킷별 시뮬레이션은 복잡하고 시간이 많이 걸릴뿐만 아니라 패킷 개수와 패킷의 크기등을 고려해야하는 어려움이 있다. 본 논문에서는 이를 극복하기 위해서 3장에서 유체 시뮬레이션(fluid simulation)을 제안하였다. 우리가 고려한 환경은 FIFO (First In First Out) 스케쥴링 환경과 GPS (Generalized Processor Sharing) 스케쥴링 환경이다. 많은 다중 클래스 트래픽 환경이 GPS 환경에 기반하고 있으며 이를 패킷망에 적용하기 위해서 WFQ (Weighted Fair Queueing), SCFQ (Self-Clocked Fair Queueing)과 같은 알고리즘들이 개발되었다. 본 논문에서 제안된 방식을 통해서 대역을 할당하면 이러한 방식을 적용해서 패킷망에 적용할수 있으리라 생각된다. 유체 시뮬레이션을 통해서 시뮬레이션 시간을 크게 단축시킬수가 있었으며 패킷별 시뮬레이션과 비교했을때 원하는 정확도를 얻을수 있음을 보였다. 4장에서는 FIFO 스케쥴링 환경에서 평균 지연, 지연 변동, 손실확률등의 다양한 품질 요구가 있을때 필요한 대역을 파악하는 방법을 제안하였다. 먼저 입력 트래픽을 적절한 트래픽 모델을 통해서 모델링을 한후에 유체 시뮬레이션을 거치면 할당된 대역에 따른 성능을 얻을수가 있고 이를 이용하여 비선형 최적화 문제를 제안하고 이를 푸는 알고리즘을 제안하였다. 또한 실제 인터넷 트래픽을 이용하여 이렇게 할당된 대역이 얼마나 정확하게 품질보장을 해줄 수 있는지를 검증하였다. 5장에서는 GPS 스케쥴링 환경에서 품질 요구가 있을때 최적의 대역을 할당할 수 있는 방법을 제안하였다. GPS 스케쥴링 환경에서는 여러개의 할당해야하는 대역이 존재하기 때문에 다변수 환경의 비선형 최적화 문제로 귀착이 되며 이를 풀기 위한 방법을 제안하였다. 유체 시뮬레이션을 통해서 얻어지는 성능은 할당된 대역에 대해서 볼록 (convex)형태의 함수가 되지않기 때문에 전통적인 볼록함수 최적화 문제로 풀기는 어려우며 이를 극복하기 위한 방법을 제안하였다. 4장에서와 같이 실제 인터넷 트래픽을 이용해서 할당된 대역의 타당성에 대한 검증을 수행하였다. 6장에서는 각 노드별로 할당된 대역을 이용해서 여러개의 노드를 거쳐가면서 성능을 보장하기 위한 방법을 제안하였다. 또한 인터넷 트래픽의 특성상 변동이 심하기 때문에 입력 트래픽 변수들의 변동에 따라서 대역 할당을 재조정 해줘야하는 필요성이 생기고, 새로운 트래픽이 유입될때 필요한 대역할당이 다시 이루어질 필요가 있다. 이를 위해서 민감도 분석을 통한 선형최적화 문제를 구성하였고 이에 대한 결과를 보였다. 본 논문에서 제안된 대역할당 방식은 인터넷에서 품질보장을 해주면서 망자원을 효율적으로 관리하기 위한 기본적인 자원관리방식으로 활용될수 있으리라 생각된다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {DEE 03036
형태사항 vi, 118 p. : 삽도 ; 26 cm
언어 영어
일반주기 Appendix : A, Proof of theorem 4.1. - B, Proof of theorem 5.1
저자명의 한글표기 : 이주용
지도교수의 영문표기 : Dan-Keun Sung
지도교수의 한글표기 : 성단근
수록잡지명 : "Fluid simulation for internet traffic in generalized processor sharing servers". IEEE communication letters
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 전기및전자공학전공,
서지주기 Reference : p. 103-118
주제 Internet
Quality of Service
Bandwidth Allocation
인터넷
서비스 품질
대역할당
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