The main objective of this dissertation is to investigate the stabilities, fairnesses, and delay-throughput performances of the unslotted CSMA-CD protocol and its variants for the fiber optic bus and ring networks with a finite number of stations, each of which has an infinite storage buffer. The unidirectional transmission property of an optical fiber leads to remove the negative effect of the propagation delay on the performance of the conventional CSMA-CD systems and to give the preference of accessing the channel to upstream stations, and therefore each network can be treated as an M/G/1 priority queueing system. In this work we investigate the performances in five different aspects.
First, we analyze the unslotted 1-persistent CSMA-CD (CSMA-CD/U/1) protocol for both the networks. The preferential-access property leads to treat each network as an M/G/1 priority queueing system with the preemptive-repeat-identical retransmission strategy. We analyze this queueing system by using the busy-period analysis method. From the numerical and simulation results, we show that CSMA-CD/U/1 is better than the unslotted non-persistent CSMA/CD protocol, but it makes the ring network unstable due to the channel saturation effect.
Second, we consider a method to make CSMA-CD/U/1 more efficient by reducing the number of incomplete packets generated by preemptions. For this purpose, as a protocol with an improved retransmission strategy, we present an unslotted 1-persistent CSMA-CD protocol with a combined preemptive-repeat-identical/preemptive-resume retransmission strategy (CSMA-CDC/U/1) for both the networks. Under this protocol, if the information field being transmitted is preempted, its remaining portion is retransmitted with the same header. However, when the header field is preempted, it is retransmitted from its beginning. Treating each network as an M/G/1 priority queueing system with the combined retransmission strategy, we analyze this protocol by using the busy-period analysis method. We show that the packet delay for CSMA-CDC/U/1 is shorter than that for CSMA-CD/U/1 and that CSMA-CDC/U/1 makes the ring network stable. We also show that the delay performance is robust in the packet-length distributions.
Third, as a remedy for the unfair service problem of the unslotted CSMA-CD protocols in the bus network, in which the most-upstream station experiences the shortest delay, whereas the most-downstream station suffers the opposite, we present an unslotted $p_i$-persistent CSMA-CD(CSMA-CD/U/P) protocol and an unslotted $p_i$-persistent CSMA-CDC (CSMA-CDC/U/P) protocol. Under these protocols, the first packet arriving at empty station i is forced to enter the backoff procedure with the persistent probability of (1-$p_i$). After backoffs, transmission begins until the station becomes empty. Using the delayed busy period concept, we determine the persistent probabilities $p_i$ satisfying the fairness of equal delays among stations. By showing that the average number of retransmissions under CSMA-CD/U/P increases as the throughput increases from zero to intermediate values of throughput, and then decreases, we prove that the delay under CSMA-CD/U/P is shorter than that under CSMA-CD/U/1.
Fourth, we solve the long delay problem of the unslotted 1-persistent CSMA-CD protocols at high loads by combining an implicit multiple token access protocol with the unslotted CSMA-CD protocols. WE numerically determine the thresholds for switching the protocols and show that this hybrid assignment protocol gives a good delay performance compared with Expressnet and further solves the instability problem of CSMA-CD/U/1 in the ring network.
Finally, we present a protocol for integrating data with voice in the bus network. In a frame duration, voice packets are transmitted under an implicit multiple token access protocol without collisions, and data packets are done under the CSMA-CD/U/P protocols. For voice stations, which can handle two types of calls and can store prioritized calls (PCs), we propose and analyze two prioritized queueing disciplines for reducing the voice call blocking probability. One discipline is a prioritized queueing discipline with a penalty on ordinary calls (OCs). The other discipline is a prioritized pushout queueing discipline without GCs to increase the total blocking probability of PCs and OCs by reducing the blocking probability of OCs without a severe penalty on PCs. We show that the discipline without GCs is advantageous in the blocking probability and in the average waiting time of calls when the fraction of PCs between the two types of calls is small. For the performance of data stations, we treat the bus network as a quasi-stationary queueing system by assuming that voice traffic varies slowly relative to a frame duration. Using this model, we obtain the persistent probability $p_i$ and the delay-throughput performance of data traffic for given voice traffic loads.
본 논문의 연구목적은 버스와 링 형태의 고속 광 통신망용 unslotted CSMACD 프로토콜들의 안정성, 서어비스의 공평성 및 전송지연시간 특성들을 분석하는 것이다. 유한개의 통신국이 각 통신망에 접속되어 있고, 각 통신국은 무한개의 패킷을 저장할 수 있는 하나의 버퍼를 가지고 있다고 가정하였다. 광 케이블의 단일방향 전송특성에 의하여 상위통신국이 전송선로 사용 우선권을 가진다는 점에 착안하여 각 통신망을 우선도가 있는 M/G/1 큐잉 시스템으로 모델링 하였다.
먼저, 각 통신망에서의 1-persistent CSMA-CD (CSMA-CD/U/1) 프로토콜의 동작을 preemptive-repeat-identical 재전송방식을 사용하는 M/G/1 큐잉시스템으로 모델링한 뒤 busy-period 분석기법을 사용하여 이 프로토콜의 성능을 분석하였다. 그 결과들로서, 이 프로토콜은 non-persistent CSMA-CD 프로토콜 보다 우수한 전송지연시간 특성을 가지지만, 링 형태의 통신망에서는 선로포화현상 때문에 비안정성을 가지게 됨을 보였다.
둘째로, preemption에 의한 불완전한 패킷의 발생을 감소시켜 CSMA-CD/U/1의 성능을 향상시키기 위하여 preemptive-repeat-identical 과 preemptive-resume 방식이 조합된 재전송방식을 사용하는 CSMA-CDC/U/1 프로토콜을 제안하고 busyperiod 분석기법을 사용하여 분석한 결과 CSMA-CD/U/1 보다 우수한 전송지연시간 특성을 가지고 있으며, 링 형태의 통신망에서도 안정함을 보였다. 또한 전송지연시간 특성이 패킷의 길이 분포에 거의 무관한 특징이 있음을 보였다.
세째로, 버스형태의 통신망에서 상위통신국보다 하위통신국이 겪는 전송지연시간이 크게 되는 불공평성을 해결하기 위하여 $p_i$-persistent CSMA-CD (CSMA-CD/U/P) 와 $p_i$-persistent CSMA-CDC (CSMA-CDC/U/P) 프로토콜들을 제안하였다. 우리는 delayed busy period 개념을 사용하여 각 통신국이 동일한 패킷전송지연시간을 겪도록 하는 확률 $p_i$들을 구하였다. 또한, CSMA-CD/U/P을 사용할 경우에는 preemption을 당하는 평균횟수가 throughput이 증가함에 따라 증가하다가 다시 감소하는 현상을 예로 보임으로써, CSMA-CD/U/1 보다 우수한 전송지연시간특성을 가지게 됨을 보였다.
네째로, 높은 트래픽 부하에서 unslotted CSMA-CD 프로토콜들의 성능이 저하되는 문제점을 해결하기 위하여 implicite multiple token 억세스 프로토콜을 CSMA-CD 프로토콜과 결합시킨 혼성 프로토콜을 제안하고, 이것이 Expressnet 보다 우수한 전송지연시간 특성을 가지며, 특히 링형태의 통신망에서 발생하는 CSMACD/U/1의 불안정성을 해결할 수 있음을 보였다.
마지막으로, 버스형태의 통신망용 음성/데이터 집적 프로토콜을 제안하였다. 한 프레임시간 동안에 음성과 데이타 패킷들은 각각 implicite multiple token 억세스 프로토콜과 CSMA-CD/U/P 프로토콜에 의하여 전송되게 하였다. 두 종류의 호 (일반호와 우선호) 를 처리할 수 있고 이들을 저장할 수 있는 음성국에 대하여 호의 blocking 확율을 감소시키는 두가지 큐잉방식을 제안 하였다. 한 방법은 우선호 전용회선을 두어, 우선호의 blocking 확률을 감소 시킬 수 있으나, 일반호의 blocking 확률을 증가시키는 단점이 있다. 다른 한 방법은 전용회선이 없는 pushout 큐잉방법으로서, 우선호의 발생율이 작을 때 blocking 확률과 평균대기 시간면에서 첫번째 방법 보다 우수함을 보였다. 데이타국에 대해서는 한 프레임시간 동안에 음성 트래픽의 변화가 작다고 가정하여 통신망을 quasi-stationary 큐잉 시스템으로 모델링한 뒤, 주어진 음성트래픽 부하에 따른 persistent 확율과 전송지연시간 특성을 구하였다.
