This thesis is concerned with applying robust design and analytic methodologies for optimizing Internet traffic quality of service (QoS). For the first part of research, a state-of-the-art review on the use of DOE in the field of communication research is presented, and the need for introducing a systematic robust design methodology to simulations (or testbed experiments) is identified in ensuring robust behaviors of a communication network against uncontrollable sources of variation. More specifically, the response surface methodology (RSM) and Taguchi robust design methodology are utilized for the robust design of communication systems or control algorithms. The experimental data for the two methodologies are collected using the well-known ns-2 simulator.
First, the RSM, a well-known DOE technique, is used for determining the settings of control parameters of the BLUE active queue management (AQM) scheme such that its performance characteristics become robust against uncontrollable noise variables. In this problem, link utilization and packet loss rate are considered as performance characteristics; operating parameters of BLUE (e.g., freeze time, incremental amount of packet dropping probability, and threshold queue size) as control parameters; and the number of connections and packet size as noise variables. The mean and variance of each response are estimated, and a compromised optimal condition is identified using the dual response approach. Second, the Taguchi robust design methodology is applied for optimizing the Expedited Forwarding (EF) of voice traffic in a Differentiated Services network, and its step-by-step procedures are described in detail. The SN ratio, a robustness measure, is analyzed to determine an optimal design condition for each performance characteristic. The analysis results show that "type of queue scheduling schemes" is a major control factor for ensuring robust behaviors of one-way delay and jitter while "EF queue size" is for throughput and loss rate. A compromised optimal design condition is identified using the desirability function approach adapted to multi-characteristic robust design problems.
Service differentiation is another key issue in the current Internet. The second part of this thesis focuses on a recent proposal for proportional loss rate differentiation which employs a single FIFO queue, and consists of an AQM algorithm for computing the packet drop probability and of a counter-based packet dropping routine for achieving the intended proportional loss rate differentiation among classes. It is first shown that, when the target dropping probability of a class is large, the counter-based packet dropping routine may yield a significant amount of error between the target and measured drop probabilities for the class, and subsequently, fails to maintain the loss rate ratios between classes as intended. To avoid this problem, a new compensatory packet dropping routine is developed in this thesis. Then, a series of simulation experiments are conducted using the ns-2 simulator to assess the performances of the two dropping routines under various congestion conditions and quality spacings between classes. The simulation results show that, unlike the counter-based dropping routine, the proposed compensatory dropping routine is effective in keeping the loss rate ratios between classes closely on target regardless of the degree of congestion and quality spacing between classes.
본 논문에서는, 인터넷 트래픽 QoS(Quality of Service) 최적화를 위한 강건설계 방법과 수리적 방법의 적용에 관하여 다루었다. 본 연구의 첫번째 부분에서는, 통신 네트워크 분야에 적용된 실험계획법을 다룬 최신 논문을 조사하였고, 네트워크 시뮬레이션과 테스트베드 실험에 체계적인 강건설계 방법을 적용하여 통제 불가능한 변동의 원인에 대해 강건하게 대응하도록 네트워크를 설계해야만 하는 필요성을 규명하였다. 특히, 반응표면분석과 다구치 강건설계방법을 통신시스템과 제어 알고리즘에 적용하였다. 두 기법을 통해 각각 설계된 실험 계획에 따라 ns-2 시뮬레이션을 실시하였고, 이를 통해 수집된 실험 데이터를 이용하여 통계적 분석을 실시하였다.
먼저, 실험계획법 중 널리 알려진 방법인 반응표면분석법을 BLUE의 파라미터 설정에 적용하여 통제 불가능한 잡음 변수의 변동에 성능 특성치가 강건하도록 파라미터 설정치를 결정하였다. 본 문제에서는 링크 활용도와 패킷 손실률을 성능특성치로, 패킷 드롭 확률 변경 억제 시간, 패킷 드롭 확률 증가량과 임계 큐 크기를 제어인자로, 연결된 회선의 수와 패킷 사이즈를 잡음 변수로 고려하였다. 각 특성치에 대한 평균과 분산을 추정하고 이중 반응표면 분석법을 사용하여 최적 조건을 절충하였다.
다음으로, 차별적 서비스 네트워크에서 음성 트래픽의 급속 전달 방법을 최적화하는 문제에 다구치 강건설계방법을 적용하고, 단계 별로 자세하게 소개하였다. 각 성능 특성치의 최적 조건을 결정하기 위해 강건성의 정도를 나타내는 신호대 잡음비를 각 성능특성치마다 계산하고 분석하였다. 분석 결과를 통해, "큐스케줄링 기법의 종류"는 단방향 지연과 지연변동의 강건설계를 위한 주요 제어인자인 반면에 "급속 전달을 위한 큐의 크기"는 전송량과 손실률의 강건설계를 위한 주요 제어인자임을 알 수 있었다. 다특성 강건 설계 문제를 위해 호감도 함수 기법을 이용하여 최적 설계 조건을 절충하였다.
서비스 차별화는 현재 인터넷에서 중요하게 다루어지고 있는 또 하나의 중요한 문제이다. 본 연구의 두 번째 부분에서, 단일 FIFO 큐를 이용하는 비례적 손실률 차별화를 다룬 최근 문헌에 초점을 맞추었고, 패킷 탈락 확률을 계산하기 위한 AQM 알고리즘과 사전에 의도한 비율대로 패킷 손실을 차별화하기 위한 계수기반 패킷 탈락 방법을 소개하였다. 먼저, 한 클래스의 패킷 탈락 확률의 목표치가 큰 경우에, 계수기반 패킷 탈락 방법을 통해 실제 패킷 탈락 확률과 목표치 사이에 유의한 오차가 발생될 수 있고, 결과적으로, 의도했던 클래스 간 손실률의 비율을 유지할 수 없게 된다. 이러한 문제를 방지하기 위해, 본 논문에서 새로운 보정형 패킷 탈락 방법을 개발하였다. 다음으로, 다양한 혼잡 조건과 클래스 간 품질 차이 하에서 두 패킷 탈락 방법의 성능을 비교하기 위해 ns-2 시뮬레이터를 사용한 일련의 시뮬레이션을 실시하였다. 시뮬레이션 결과를 통해, 본 논문에서 개발된 방법을 사용하면 계수기반 방법을 사용할 때와 달리 혼잡 정도와 클래스 간 품질 차이에 상관없이 클래스 간 손실률의 비율을 효과적으로 유지할 수 있다는 사실을 확인하였다.
