The focus of this dissertation is the congestion management in the interworking system between IP network and ATM network. We suggest a new interworking model using proxy signaling agent(PSA) and rate-based credit adaptation(RBCA) algorithm, validating its algorithm through various simulations. When IP network and ATM network are interworked together, it is impossible to control the congestion and flow through end-to-end terminals. End user uses the TCP/IP protocol, so window-based congestion control algorithms(slow-start, congestion avoidance, fast retransmission, and fast recovery) are worked, while core network is the part of ATM that controls the congestion by mean of various rate-based algorithms. Therefore, crucial mismatches between rate-based control and window-based control take place. For example, there exists the edge router as an access point from IP network to ATM network, and rate-based controlled ATM switches maintain their buffer usage at the moderate level, pushing the traffic mostly to the edge router. Consequently, periodic overflow and underflow in the buffer of edge router takes place, and link utilization cannot become optimal level, at all. ATM protocol manages the in-service traffic by mean of UPC(Usage Parameter Control), that is, violation traffic of any prior traffic contract is filtered, smoothed, and at last, discarded. This imposes signal to the TCP to retransmit the discarded packet, and this situation occurs again and again. We resolve this problem by receiver’s window modification at the edge router. The edge router, named interworking unit(IWU), can be interoperable from IP to ATM by mean of PSA. Proxy signaling is the method that non-ATM user can use ATM fully without any signaling overhead. One of the advantages of this method is that no need to modify the legacy protocols and network facilities. Moreover, it has very simple procedure in comparison with the conventional, overlay, and peer model. Our new interworking model using PSA and RBCA is validated through simulation considering various traffic scenarios. Main advantages are fairness for each connection, least number of overflow/underflow for buffer occupancy, optimized link utilization, and robustness.
본 논문에서는 IP-ATM 간 연동 모델에 관한 분석 및 새로운 연동기법에 대해 제안하고 시뮬레이션을 통한 성능 분석을 수행하였다. IP망고 ATM 망간의 연동을 고려함에 있어서 먼저 연동시스템을 설계한 다음, 연동 프로토콜 간의 통합적인 흐름/폭주 제어 기법을 제안하였다.
현재까지 연구되어진 IP/ATM간 연동모델은 크게 conventional, overlay, peer의 세 모델로 구분된다. Conventional 모델에서는 비효율적인 기술사용이라는 문제가 있고, overlay 모델은 연동프로토콜간 기능의 중복 및 확장성에서 문제가 크다. 최근 연구가 진행중인 peer 모델의 경우, 기존 망에 대한 변경사항이 너무 과다하고 복잡도가 크며, 통합시의 주체가 되는 프로토콜에 따라 편향성이 발생할 우려가 있다.
기존의 연동 모델의 이러한 제반 사항을 고려하여, 본 연구에서는 먼저 연동시스템의 설계에 대해 IP를 ATM의 SVC로 전송하기 위한 proxy signaling agent(PSA) 방법을 제안하였다. Proxy signalling이란 ATM의 signaling 부분에 대한 오버헤드 없이, 非 ATM 사용자에게 SVC를 서비스 해주는 신호 에뮬레이션 기능으로써 ATM-Forum UNI 4.0의 부가기능으로 출현하였다. 본 연구에서는 PSA에 기반한 일종의 내부 클라이언트-서버 구조를 설정하였다. 본 방법에 의해 패킷의 착/발신 주소 및 포트 번호를 유지하고 각 어플리케이션 별 QoS를 보장하고자 하였고, 이를 위해 IWU(Interworking Unit) 내부적으로 동작하는 클라이언트-서버 메커니즘과 이들간 프리미티브 교환을 위한 LWP(lightweight Protocol), FSM(Finite State Machine) 등을 정의하였다. 본 모델을 사용함으로써 가장 단순한 연동 절차를 통해, 기존 망의 프로토콜과 망 요소들에 대한 어떤 변경도 요구하지 않고 인터넷 어플리케이션별 차별화된 방법으로 ATM-SVC를 서비스해 줄 수 있게 된다. 본 모델은 기존 모델에 대해서, 보다 효율적으로 IP와 ATM을 연동시키는 최적화된 overlay 모델이라고 볼 수 있으며, 연동시스템에 의해 IP 라우터와 ATM 스위치를 동등하게 연결시킨다는 점에서 peer 모델의 제한된 경우이기도 하다.
망 연동에 있어서는, IWU에서의 버퍼용량에 기초한 TCP의 수신자 윈도우 값을 변경시키는 이른바 rate-based credit adaptation(RBCA) 방법을 제시하였다. 현재의 ABR(Available Bit Rate)에 의한 rate 기반의 흐름제어 및 폭주제어 방식은 ATM이 아닌 이종망간 연동의 경우, 종단단말까지의 흐름/폭주 제어가 사실상 불가능하다. 무엇보다도 현재의 주도적인 망 구성 형태인, 코어에 ATM 백본이 자리잡고 사용자 단말은 모두 TCP/IP 프로토콜로 동작되는 환경하에서는 전자의 rate 기반 방식과 후자의 window 기반방식 간의 불일치가 발생한다. 즉, ATM 망 내에서만 rate 기반 제어가 허용되므로 ATM 망 내의 망 요소들, 예를 들어 스위치에 대한 버퍼 점유도는 적은 상태로 유지되는 반면, 망에 걸리는 트래픽을 양쪽 망간의 접점인 IP-ATM간 경계 라우터로 밀어내는 경향이 발생함으로써 종단간 데이터 전송 시에 경계 라우터에서의 주기적인 버퍼 오버플로우로 인한 TCP 측 재전송 및 slow-start 현상이 반복됨으로써 전체 망 성능 저하가 나타난다. 이러한 현상에 대해 보다 효과적으로 대처하기 위해서는 발신지 단말과 착신지 단말간에 걸쳐 통합적인 폭주제어 및 망 이용도의 최적화가 요구된다. 본 연구에서는 rate에 기반하여 window를 버퍼 점유도에 정합시키는 RBCA 방법을 통해, 링크 이용도의 최적화와 함께 TCP 제어상의 재전송률 및 버퍼에서의 패킷 폐기율을 최소화 하였으며 무엇보다도 경쟁하는 다중 커넥션간 공정성에 대한 보장을 추구하였다. RBCA 알고리즘의 개요는 다음과 같다.
- 연동시스템의 전체 버퍼 크기를 네트워크의 round-trip delay 와 bottleneck link의 대역을 곱한 값, 즉 bandwidth-delay product 값으로 설정한다.
- 버퍼 점유도에 대해 두개의 threshold 값을 설정한다.
- 연동 시스템이 처리할 수 있는 capacity를 초과하는, rate에서의 차이 값을 버퍼 점유도로부터 추론한다.
- 링크를 완전히 이용하도록 TCP를 폭주-회피 단계로 유지하기 위한 feedback 함수를 정의하고 weight를 주어서 일정 시간 구간마다 버퍼 점유도에 정합되도록 한다. Weight 정합시의 증감 기준은 다음과 같다.
- 高 버퍼 점유도 : 지수적인 감소
- 中 버퍼 점유도 : 확률에 따른, 지수적인 감소 또는 선형적인 증가
- 低 버퍼 점유도 : 선형적인 증가
- 연동시스템을 통과하는 ACK 패킷에 대해, 이용 가능한 버퍼 공간에 기반하여 정의된 결정 기준에 따라, feedback function 값으로 ACK 패킷의 rwnd(Receiver’s Advertised Window) 값을 치환한다.
이상과 같이 본 연구에서는 PSA+RBCA 의 새로운 IP-ATM 간 연동 모델을 제안하였으며, 다양한 종류의 상황을 고려하는 시뮬레이션을 통해 제안 방법이 Drop Tail, RED와 같은 기존의 지능적 버퍼 관리 방식에 비해 fairness, link utilization, buffer occupancy, robustness, parameter sensitivity 등의 각 성능 지표에 대해 다음과 같은 우월한 성능을 보임을 입증하였다.
- fairness : 경쟁하는 TCP 커넥션에 대해 단위시간당 동일한 데이터 증가를 보임으로써 커넥션간 공정성 보장
- link utilization : TCP가 폭주-회피 단계에 들어서면 바로 최적의 링크 이용도를 기록($\cong100%$)함으로써 최적화된 링크 이용도 보장
- buffer occupancy : 연동시스템의 버퍼 내 점유도에서 최소한의 overflow와 underflow 발생율을 보임으로써 안정성 보장
- robustness : 정확한 최적 윈도우 계산을 통해 패킷 폐기로 인한 TCP 재전송률을 최소화 함으로써 강건성 보장
- parameter sensitivity : 다양한 망 환경하에서도 전기한 fairness, link utilization, buffer occupancy, robustness 등의 성능 변동에 대한 안정성 보장
끝으로 본 연구에 있어서 추후보완사항으로는, 각 인터넷 어플리케이션 별 자원 할당,에 대한 표준화를 통해 최적화된 QoS Profiling이 필요하며, 제어 이론 등 보다 다양한 접근이론을 통해 연동 시스템에 대한 분석의 다양화가 요구된다.
