There are two major drivers for network services with QoS guarantees. One comes from applications with stringent QoS requirements. Two possible examples of such applications are IP telephony, video-on-demand, IP TV over the Internet. The other major driver for network QoS is the need for service differentiation due to competitive nature of the marketplace. In recent years the highlighted Differentiated Services (DiffServ), aggregate class-based traffic management and control have been used to mitigate scalability issues of Integrated Services (IntServ) in backbone networks. Fair Queueing schedulers can provide service isolation and guarantee QoS to all aggregate classes by reserving certain ratio of service-to-arrival rates. Although the GPS variants provide the network operator with a set of class differentiation parameters (i.e. the proportional bandwidth share of each class), the actual queueing delays at a bandwidth allocation server depend on the bandwidth share, and the input load and traffic burstiness of each class. Consequently, although the bandwidth differentiation is controllable, the short term delay guarantee is not. It is widely assumed that attempting to provide deterministic QoS guarantees for the aggregate traffic classes is difficult due to the unpredictable temporal and spatial variations in the aggregate traffic.
First contribution of this dissertation is to guarantee absolute delay constraint in aggregate network. Although Fair Queueing can control the bandwidth differentiation, it can not guarantee absolute delay constraint because the forwarding resources allocated to each class do not follow the actual class load variations. We propose Absolute Delay Guaranteed Round Robin (ADRR) to support hard delay constraint by following the actual class load variations.
Second contribution of this dissertation is to guarantee the short term delay while being able to attain long term fairness in aggregate QoS network. It is important to maintain short term QoS for real time applications and relatively little work has been done on maintaining short term QoS in a bandwidth efficient manner. We propose Delay Guaranteed Round Robin (DGRR) to support both short-term QoS and long-term fairness in aggregate network. We also raise the question 'Can the set of methods such as traffic shaping, admission control, and fair queueing guarantee short-term QoS?' and answer it by evaluating the effect of the measurement based admission control and the token bucket filter on the delay performance provided bythe fair queueing scheduling under non-stationary long-range dependence traffic. We will show that the set of methods fails to support short-term QoS and results in yielding low level of utilization. And we show our solution provides end-to-end delay guarantee as well as per-node delay constraint with no losing long-term fairness in aggregate QoS network.
Third contribution of this dissertation is to reduce end-to-end delay and increase bandwidth utilization in non-QoS aggregate network. It is also important to take non-QoS traffic treatment into consideration when it comes to QoS because non-QoS centric applications - such as WWW, file transfer, e-mail, and so on-still play a key role in recent network traffic environments. Internet community has proved small utilization can not guarantee the low bound of worst case delay in FCFS network. To cope with this problem, we propose a simple and scalable scheduler, Elapsing Time based Priority (ETP) scheduler, for aggregate non-QoS network. We will show the proposed our solution yield significantly better performance when offered load increases. A compensation scheme for large delay, the main function of our solution, leads to the lower worst-case delay. It also reduces the standard deviation over all individual delays.
The dissertation raise an issue of short-term QoS by taking into account QoS control mechanisms that the network operators have in mind, propose unique solutions ADRR and DGRR, and prove the proposed solutions outperform existing schedulers to guarantee short-term QoS for delay in aggregate networks. Also the dissertation proposes ETP scheduler to reduce high end-to-end delay caused by FIFO based non-QoS network and show significant improvement of utilization in non-QoS network. The proposed ADRR and DGRR is applicable to delay sensitive application such as voice traffic in either core network or edge network wherever the delay sensitive traffic has merged. ETP can be widely used in stead of FIFO based aggregate network such as Virtual Private Network (VPN), Expedited Forwarding in Differential Service (Diffserv), control channel in Optical Burst Switching (OBS), and Multiprotocol Label Switching (MPLS).
네트워크에서 QoS 를 보장해야 하는 필요성에는 두 가지의 큰 요인이 있다. 첫번째, 엄격한 QoS 요구사항을 만족해야 만 하는 응용 서비스들이 도래하고 있기 때문이다. 예를 들면, IP Telephony, 주문형 Video 서비스, IP 기반의 TV 등이 이러한 예가 된다. 두번째, 네트워크는 공유될 수 밖에 없는 구조를 갖고 있기 때문에 응용 서비스별 차별화가 필요하다. 다시 말해, 여러 종류의 서비스들이 경쟁적으로 제한된 자원을 사용해야 하기 때문에 응용 서비스별 차별화에 대한 필요성이 필수적으로 제기 된다. 최근 네트워크 연구에서 가장 주목받은 분야는 Differential Service (DiffServ)로써, 이는 집합 트래픽을 Class 로 구분해서 처리하는 방식을 사용한다. Class 기반의 집합 트래픽 처리 방식은 Integrated Service (IntServ)가 가진 확장성 문제를 효과적으로 해결 할 수 있는 대안으로 여겨지고 있다. Class 기반의 집합 트래픽 처리 서비스의 구성 요소들 가운데 가장 중요한 역할을 하는 요소는 스케줄러 이며, Fair Queueing 방식이 가장 널리 사용되고 있다. Fair Queueing의 가장 큰 장점은 서비스들간의 공평성 있는 Bandwidth Sharing이 가능 하다는 것이며 도착 트래픽 양 대비 서비스 트래픽 양의 비율을 조정함으로써 집합 트래픽 Class 들 간의 QoS 를 제공할 수 있다. 이 같은 Generalized Processor Sharing (GPS)방식의 Scheduler 는 Class 별 Bandwidth 할당을 통해 네트워크 운영자에게 차별화 서비스를 제공해 줄 수 있지만, QoS 의 핵심 요소인 Queueing delay 결과는 유입되는 Input traffic 에 결정적 영향을 받게 된다. 결과적으로, Bandwidth 할당에 대한 조절은 가능하지만 정작 사용자에게 중요한 Queueing delay 는 조절이 불가능한 상태가 된다. 이와 같은 이유로 인해 집합 트래픽에 대한 Deterministic (absolute) QoS 보장이란 이슈는 예측하기 힘든 집합 트래픽의 유입 형태로 인해 네트워크 연구 학계에서 아주 어려운 숙제로 남아 있다.
본 논문의 첫 번째 공헌은 집합 네트워크에서 Deterministic delay 제약 조건을 보장하기 위한 스케줄러를 제안한 것이다. Fair Queueing 방식이 대역폭 할당 차별화를 조절할 수는 있지만 absolute delay 제약 조건을 보장하지는 못한다. 가장 큰 이유는 실제 유입되는 트래픽에 대해 동적으로 반응 할 수 없는 구조를 갖고 있기 때문이다. 본 논문에서 제안된 Absolute Delay Guaranteed Round Robin (ADRR)은 실제 유입되는 트래픽의 변화에 따라 대역폭 할당을 조절해 줌으로써 absolute delay 제약 조건을 보장해 준다.
본 논문의 두번째 공헌은 집합 QoS 네트워크에서 Long-term fairness와 Short-term QoS 를 동시에 만족하는 스케줄러를 제안 한 것이다. 현실 네트워크에서 사용자에게 가장 중요한 QoS요소는 Short-term delay에 대한 성능이지만 이에 대한 연구는 그 동안 활발하지 못했다. 본 논문에서 제안된 Delay Guaranteed Round Robin (DGRR)은 집합 네트워크 환경에서 short-term delay 제약 조건을 보장해 줌과 동시에 class 간 안정적 서비스 차별화를 위해 꼭 필요한 long-term fairness 를 보장해 주는 것을 목적으로 개발 되었다. 이 같은 목적 자체가 적합한 연구의 방향인가를 증명하기 위해 네트워크 운영자들이 사용하는 QoS 지원 Tool들인 Traffic Shaping, Admission Control, Fair Queueing scheduler 들이 협동하는 네트워크에서의 short-term delay 제약 조건 성능 실험을 수행했다. 본 논문은 위와 같은 실험을 통해 기존에 존재하는 QoS 제어 기술들이 모두 적용된 상황에서도 short-term QoS 를 제공하기 위해서는 아주 낮은 수준의 utilization 을 유지해야 한다는 사실을 입증했다. 이에 반해 DGRR 은 높은 수준의 utilization 에서도 short-term QoS 보장과 동시에 long-term fairness 를 보장하고 있음을 다양하고 많은 실험을 통해서 입증하였다.
본 논문의 세 번째 공헌은 QoS 제약 조건이 없는 집합 네트워크 채널에서 종단간 지연 특성을 개선하여 궁극적으로는 대역폭 활용도를 높일 수 있는 스케줄러를 제안했다. 네트워크에서 QoS 를 고려할 때 항상 염두 해 둬야 하는 중요한 요소는 QoS 제약 조건이 없는 응용 서비스에 대한 고려이다. 현재 인터넷 망에서 WWW, 파일 전송, E-mail 과 같은 응용 서비스는 사용 빈도가 아주 높은 응용 서비스이며 QoS 제약 조건이 설정 되지 않은 네트워크를 통해서 서비스가 이루어 지고 있다. 이들 Non-QoS 응용 서비스들은 대체로 First Come First Service (FCFS)기반의 Scheduler 에 의해 전송 되며 네트워크 망 장비 증설을 통해 네트워크 Utilization 을 조절한다. 하지만 인터넷 연구 학계에서는 지극히 낮은 Utilization 수치를 유지할 때 만 종단간 Delay 제약 조건을 보장 할 수 있다는 사실을 오래 전부터 지적해 오고 있다. 이 문제를 해결하기 위해 Elapsing Time based Priority (ETP) 스케줄러를 제안했으며 유입 되는 트래픽의 양이 증가 할 때에도 우수한 Delay 성능을 제공할 수 있음을 실험을 통해 입증하였다.
본 논문에서는 네트워크 운영자가 사용 할 수 QoS 제어 기술들에 대한 검증을 통해 Short-term QoS 의 문제를 제기 하였으며, 이 문제를 해결하기 위해 ADRR 과 DGRR 이란 두 종류의 스케줄러를 제안하였고 이들 스케줄러가 기존 QoS 집합 네트워크에서 사용되고 있는 QoS 스케줄러들에 비해 우수한 성능을 제공 한다는 사실을 다양한 실험을 통해 입증하였다. 또한 Non-QoS 집합 네트워크에서 보다 우수한 Delay 성능을 제공하고 동시에 보다 높은 Utilization 을 제공할 수 있는 ETP 스케줄러를 제안 하였고 기존 스케줄러와의 비교 실험을 통해 그 우수성을 입증하였다. 제안된 ADRR 과 DGRR 은 지연 특성이 예민한 음성 및 영상 트래픽 전송을 위해 Edge 망과 Core 망 구분 없이 사용 될 수 있다. 예를 들면 IP Telephony, 주문형 Video 서비스, IP 기반의 TV 와 같은 서비스에 적용 될 수 있다. ETP 스케줄러는 FIFO 기반의 집합 스케줄러를 대체 할 수 있는 기술로써 Virtual Private Network (VPN), Differential Service (DiffServ)의 전용선 서비스, Optical Burst Switching(OBS)의 Control 채널, Multiprotocol Label Switching (MPLS)에 사용 될 수 있다.
