This dissertation presents a traffic engineering scheme which explicitly controls net-work traffic and quality of service (QoS) in IP network core.
The current Internet is a TCP-controlled network, hence, the Internet congestion control relies mostly on TCP, and TCP with router mechanisms (such as queue management algorithms) significantly affects network performance on throughput, packet loss, delay, fairness, etc. Without any control for TCP traffic, the Internet does not provide any sort of guarantee. In this study, our key objective is to provide an effective tool with which Internet service providers (ISPs) explicitly control traffic and QoS in the Internet core.
First, a flow-controlled IP trunking scheme is proposed to control end-to-end TCP flows on a trunk basis without maintaining any per-trunk state in the IP network core and it achieves weighted max-min fairness with minimum rate guarantee among all source-destination pairs on a per-trunk basis in IP network core. In the proposed scheme, hierarchical flow control is achieved in that in the upper layer a weighted max-min flow control is implemented and acting on a per-trunk and edge-to-edge basis, and in the lower layer TCP flows belonging to each trunk share the per-trunk bandwidth allocated by the upper layer in their normal way. In addition, we present a distributed flow control algorithm which computes fair rate at each outgoing link in a weighted max-min fair sense and adjusts quickly the data transmission rate of each trunk depending on feedback rates delivered by a special control packet feeding back from the network.
Second, we also propose explicit TCP window control scheme to extend the flow-controlled IP trunking scheme to control individual TCP flows, in conjunction with buffer control, at the network edge. The proposed scheme controls explicitly TCP window size based on feedback control theory while regulating the buffer occupancy of each per-trunk queue at target value. The goal of this extension is not only to remove undesirable packet loss and jitter in the entire network, but also to distribute each per-trunk bandwidth fairly to TCP flows sharing it at network edge. As the result, it significantly enhances not only the overall network performance but also end-to-end TCP performance without any modification or replacement of present TCP protocol stack.
Finally, a deterministic packet marking scheme is proposed to eliminate control packet overhead introduced by the flow-controlled IP trunking to deliver feedback information from links to sources. The proposed marking scheme enables links to explicitly communicate sources using only 2-bit ECN field of data packets without the need for special labels or control packets. Under the proposed scheme, maximum link price (or minimum fair rate) on a communication path can be determined and delivered back to the source to support max-min flow control. The proposed scheme is simple and IP-compatible because it uses two-bit Explicit Congestion Notification (ECN) field and IP identification (IPid) field in the standard IP header for the estimation. Through simulations using real IP packet traces, we show that our scheme indeed works as designed with small estimation errors, and thus enables existing max-min flow control algorithms to serve their purpose without the need of separate out-of-band control packets to carry link prices.
본 논문은 IP 네트워크 코어에서 트래픽과 서비스 품질을 명시적으로 제어하기 위한 트래픽 엔지니어링 기법의 제안에 관한 것이다.
첫번째, IP 코어 네트워크에서 트렁크 기반으로 단-대-단 TCP 플로우들을 제어하기 위하여 흐름제어 IP 트렁킹 기법을 제안하였다. 그 기법은 트렁크별 상태를 관리하지 않고 IP 코어 네트워크에서 트렁크기반으로 모든 소스-도착지쌍들간 최소 대역폭 보장과 함께 가중 최대-최소 공평성을 달성한다. 제안된 기법에서 계층적 흐름제어를 달성한다. 상위계층에서는 가중 최대-최소 흐름제어가 구현되어 트렁크별 및 에지-대-에지 기반으로 동작하고, 하위계층에서는 각 트렁크에 속하는 TCP 플로우들이 상위계층에 의해 할당된 대역폭을 공유한다.
두번째, IP 트렁킹에 적용을 위하여 제어이론에 기반한 분산 흐름제어 알고리즘을 제안하였다. 제안된 분산 알고리즘은 IP 트렁크 기반의 공평 대역폭 할당을 달성하며 동시에 병목 링크의 큐길이를 정해진 목표값으로 유지시킨다. 제안된 알고리즘은 코어 네트워크에서 트렁크별 상태관리를 필요로 하지 않기 때문데 간단하면서도 확장성이 크다. 또한 기존의 라우터들의 소프트웨어를 최소한으로 수정함으로써 저렴한 비용으로 구현가능하다.
세번째, 네트워크 에지에서 버퍼 제어와 연계하여 개별 TCP 플로우들을 제어할 목적으로 흐름제어 IP 트렁킹 기법을 확장하기 위하여 명시적 TCP 윈도우 제어 기법을 개발하였다. 제안된 TCP 윈도우 제어 기법은 트렁크별 큐의 버퍼 점유치를 목표값으로 조정하면서 피드백 제어에 기반하여 명시적으로 TCP 윈도우 크기를 제어한다. 이러한 확장의 목표는 전체 네트웍크에서 패킷 손실과 지터를 제거할 뿐만아니라 각 트렁크별 대역폭을 그 트렁크에 속하는 TCP 플로우들에게 분산시킨다. 그 결과, 전체적인 네트워크 성능뿐만 아니라 현재의 TCP 프로토콜의 어떠한 수정이나 대체없이 단-대-단 TCP 플로우들의 성능을 크게 향상시킬 수 있다.
마지막으로, 링크로부터 소스로 피드백 정보를 전달하기 위하여 IP 트렁킹 기법에 의해 도입된 제어 패킷 오버헤드를 제거하기 위하여 결정적 패킷 마킹 기법이 제안되었다. 제안된 마팅 기법은 최대 링크 프라이스 (또는 최소 공평률)을 추정하기 위하여 표준 IP 헤더에 있는 ECN 필드를 사용하기 때문에 간단하면서도 IP 호환성이 있다. 그리하여 제안된 마킹 기법은 특별한 레이블이나 제어패킷 없이 데이터 패킷의 2-비트 ECN 필드만을 사용하여 링크들이 명시적으로 소스들과 통신할 수 있게 한다. 그 기법을 이용하면 경로를 따라 최대 혼잡값 또는 최소 혼잡값이 결정되고 소스로 전달되어져 최대-최소 공평성을 달성할 수 있게 한다. 제안된 기법의 적용은 대역내 시그널링이 최대 또는 최소 링크 메트릭을 찾는 오는데 유용한 다른 유형의 네트워킹 문제에도 일반적으로 적용 가능하다. 다양한 시뮬레이션을 통하여 제안한 마킹 알고리즘이 경로상의 최대 링크 프라이스 또는 최소 공평률을 추정하는데 효과적으로 잘 동작함을 에러확률 분석과 IP 트렁킹에 적용하여 그 성능을 검증하였다.
