[논문]패킷 전송망에서의 플로우 기반 QoS 관리 방안 연구

최창호; 김환우

[국내논문] 패킷 전송망에서의 플로우 기반 QoS 관리 방안 연구
A Study of Flow-based QoS Management in Packet Transport Network 원문보기

電子工學會論文誌. Journal of the Institute of Electronics Engineers of Korea. TC, 통신, v.48 no.11 = no.413, 2011년, pp.73 - 82

초록
AI-Helper

무선 인터넷 사용자의 증가, IPTV 확산, 개인 멀티미디어 플랫폼의 다양화 등으로 IP 기반의 패킷 서비스에 대한 요구가 증가함에 따라 TDM 기술을 사용하는 회선 기반의 전송방식에서 이더넷 기반의 패킷 전송방식으로 기술이 진화하고 있다. 본 논문에서는 PBB-TE 기술 및 MPLS-TP 기술을 적용한 패킷 전송망에 대해 소개하고, 패킷 전송망에서 사용자의 다양한 요구조건에 만족하는 서비스 품질 관리 방안을 제시한다. 제안된 플로우 기반의 QoS 관리 방안에서는 입력 프레임을 플로우 별로 구분하여 PTL 터널에 매핑하고 각 플로우 및 PTL 터널 별 대역관리를 수행함으로써 대역충돌 상황에서도 설정된 서비스 품질을 완벽히 보장해 줄 수 있다. 제안된 방안의 성능분석을 위해 각 입력 프레임 별 플로우 및 PTL 터널을 정의하고 각 플로우 및 PTL 터널 별 QoS 파라메터를 설정하였으며 OPNET modeler를 사용하여 모의시험을 수행 하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

As a demand of IP based packet service is increasing, transport network is evolving from circuit based transport technology using TDM to Ethernet based packet transport technology. In this paper we introduce packet transport network based on PBB-TE and MPLS-TP and propose a quality of service(QoS) management scheme to satisfy various user requirements in packet transport network. The proposed flow-based QoS management scheme guarantees that per-flow bandwidth control satisfies the predefined QoS requirement perfectly under bandwidth congestion condition by using perflow and per-PTL tunnel management. In order to evaluate the proposed scheme we defined flow and PTL tunnel per input frame and configured QoS parameters for each flow and PTL tunnel respectively. Simulation was done by using OPNET modeler 16.0 version.

Keyword

AI 본문요약
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문제 정의

이러한 문제점을 해결하고 패킷 전송망에서 전용선 수준의 QoS를 보장하기 위해 본 논문에서는 플로우 별 QoS 관리기술의 장점을 수용함과 동시에 동일 경로로 설정된 PTL 터널 별 큐를 관리함으로써 프리미엄 서비스의 QoS를 완벽하게 보장하면서 Best effort 서비스를 동시에 제공해 줄 수 있는 플로우 기반의 QoS 관리 방안을 제안한다.
본 논문에서는 최근 활발히 연구되어지고 있는 패킷 전송 기술에 대해 소개하고, 패킷 전송망에서 요구되는 단대단 서비스 품질 보장을 위해 플로우 기반의 QoS관리 방안을 제시하였다.

가설 설정

본 논문에서는 최근 활발히 연구되어지고 있는 패킷 전송 기술에 대해 소개하고, 패킷 전송망에서 요구되는 단대단 서비스 품질 보장을 위해 플로우 기반의 QoS관리 방안을 제시하였다. 제안된 방식의 성능을 분석하기 위해 플로우 및 PTL 터널을 정의 하였으며 각 플로우 별 및 PTL 터널 별 QoS 파라메터를 설정한 후 대역충돌 상황을 가정하여 모의시험을 수행하였다.

제안 방법

[1～2, 4] 제안된 플로우 기반의 QoS관리 기술들은 입력된 패킷을 동일 특성을 가진 플로우로 구분하고 각 플로우 별 큐 관리를 수행 함으로써 보다 세밀한 QoS를 제공한다. 그러나 사용자의 트래픽이 증가하고 단일 노드에서 관리해야하는 플로우 수가 증가하면서 플로우 별 큐 관리에 제약이 발생하게 된다.
컬러 결정을 위해서 TB(Token Bucket) 방식을 사용하며 패킷의 입력시간을 tj, 패킷의 크기를 lj, 패킷의 허용 전송율을 CIR(Committed Information Rate), 패킷의 허용 버스트 크기를 CBS(Committed Burst Size), 패킷의 초과 전송율을 EIR(Excess Information Rate), 패킷의 초과 버스트 크기를 EBS(Excess Burst Size), 패킷이 입력된 시간 tj에서의 허용 또는 초과 토큰 버켓 크기를 각각 Bc(tj) 및 Be(tj)라 하고 식 (1)과 식(2)의해 계산될 때 입력 패킷의 컬러는 그림 5와 같이 결정 된다.
PTL 터널은 물리적인 인터페이스에 단일 또는 복수 설정이 가능하며 동일 경로로 설정된 하나 이상의 플로우를 PTL 터널에 설정할 수 있다. 제안된 패킷 전송망에서의 충돌 회피(Congestion avoidance), 출력 큐 관리는 PTL 터널 별로 수행된다.
표 1에서 PTS1과 PTS2 사이에 설정된 PTL 터널 1과 PTL 터널 2는 동일한 물리적인 인터페이스(IF5)를 사용하지만 각기 다른 특성을 가진 논리적 터널로 구분된다. 즉, 하나의 물리적인 인터페이스(IF5)에 두 개의 논리적인 PTL 터널을 설정하고 PTL터널 1은 대역폭을 6.5Mbps로, PTL 터널 2는 대역폭을 3Mbps로 제한하도록 설정하였다. PTS1과 PTS3 사이에 설정된 PTL 터널 3은 물리적인 인터페이스(IF8)에 단일 PTL 터널이 설정된 경우이며 이때의 대역은 9.
본 시험에서 Red 컬러 패킷은 큐에 입력됨과 동시에 폐기되도록 설정되었으며 WRED 프로파일에 따라 Yellow 컬러 패킷은 15와 30사이에서 또는 20과 40사이에서, Green 컬러 패킷은 30과 64사이에서 또는 40과 64사이에서 랜덤하게 폐기되도록 설정되었다. 충돌관리(Congestion Management)를 위해 WFQ(Weighted Fair Queuing) 스케쥴링을 사용하였고 물리적인 인터페이스 대역폭별로 설정된 PTL 터널의 대역폭에 비례하도록 각 큐별 가중치를 설정하였다.
본 시험에서는 DIP, SIP 및 DSCP 필드를 사용하여 플로우를 구분하였다.
플로우 별 대역 보장 시험을 위해 표 4와 같이 4개의 독립적인 플로우를 설정하고 각 플로우 별 TB 프로파일, WRED 프로파일 및 PTL 터널 ID를 표 5와 같이 설정하였다. 각각의 플로우는 일반적인 5-tuple로 정의되거나 추가로 L2 MAC 주소, VLAN ID, 인터페이스 포트 번호 등을 사용하여 구분한다. 본 시험에서는 DIP, SIP 및 DSCP 필드를 사용하여 플로우를 구분하였다.
각 플로우는 동일 클래스에 속한 비디오 스트리밍 트랙픽으로 본 시험에서는 DIP, SIP 및 DSCP로 각각의 플로우를 구분하도록 설정하였다.
플로우 별 대역 보장 시험을 위해 표 4와 같이 4개의 독립적인 플로우를 설정하고 각 플로우 별 TB 프로파일, WRED 프로파일 및 PTL 터널 ID를 표 5와 같이 설정하였다.
동일 클래스내에서 플로우 별 QoS 관리 시험을 위해 표 6과 같이 10개의 플로우를 설정하고 각 플로우 별 TB 프로파일, WRED 프로파일 및 PTL 터널 ID를 표7과 같이 설정한다.

대상 데이터

제안된 플로우 기반 QoS 관리 방안은 현재 개발 중인 패킷-광 통합 시스템에 적용하여 구현 중에 있으며 PBB-TE기반의 PTS 모듈에 일차적으로 구현하여 시험 및 검증을 완료하였다. 실제 구현된 시스템에서 라인카드 당 설정된 플로우는 30만 플로우이며 4K개의 PTL 터널에 매핑된다. 또한 MPLS-TP 기반의 PTS모듈에 동일한 방식으로 구현하여 시험 중에 있으며 향후 자체 검증 및 현장 시험을 통해 수정 보완과정이 완료되면 패킷 전송망 구축에 주요 시스템으로 사용될 수 있을 것이라 기대된다.

성능/효과

표 3에 설정된 WRED 프로파일은 충돌회피(Congestion Avoidance)를 위해 사용되며 각 컬러별 임계치(Threshold) 설정에 의해 패킷의 전송 또는 폐기를 결정한다. 본 시험에서 Red 컬러 패킷은 큐에 입력됨과 동시에 폐기되도록 설정되었으며 WRED 프로파일에 따라 Yellow 컬러 패킷은 15와 30사이에서 또는 20과 40사이에서, Green 컬러 패킷은 30과 64사이에서 또는 40과 64사이에서 랜덤하게 폐기되도록 설정되었다. 충돌관리(Congestion Management)를 위해 WFQ(Weighted Fair Queuing) 스케쥴링을 사용하였고 물리적인 인터페이스 대역폭별로 설정된 PTL 터널의 대역폭에 비례하도록 각 큐별 가중치를 설정하였다.
더구나 플로우 3과 플로우 4가 추가되어 모든 플로우가 송신되는 시험시간 120초에서 200초 사이에서는 패킷 폐기율이 최대가 된다. 표 5에서 플로우 2는 TB 프로파일 3에 의해 CIR이 3 Mbps로 설정되어 있어 패킷 전송 시 3 Mbps의 대역폭을 보장하도록 요구되었으나 모의시험 결과 대역충돌이 가장 심하게 발생하는 시험시간 120초에서 200초 사이에서 설정된 CIR에 미치지 못하는 2.5 Mbps의 수신율을 보이고 있으며 플로우 3 및 플로우 4 또한 각각의 설정된 CIR에 못미치는 수신율을 보이고 있다. 또한 플로우 1은 CIR이 0.
따라서 플로우 별 대역관리가 수행되지 않은 그림 8의 결과를 보면 PTL 터널 1의 각 플로우들은 대역충돌이 발생할 경우 설정된 서비스의 품질이 보장될 수 없음을 확인할 수 있다.
5Mbps을 초과하지 않기 때문에 송신된 패킷이 모두 수심됨을 볼 수 있는 반면 시험시간 30초부터 새로운 비디오 서비스 트래픽(플로우 16 ～ 플로우 20)이 추가됨에 따라 PTL 터널 3에 설정된 대역폭을 초과하여 대역충돌이 발생하게 되고 이에 따라 비디오 서비스 트래픽의 수신율이 선형적으로 감소함을 볼 수 있다. 결국 플로우 16부터 플로우 20까지 5개의 추가적인 비디오 서비스 트래픽이 모두 PTL 터널 3에 추가되었을 경우 새롭게 추가된 비디오 서비스 트래픽(플로우 16 ～ 20)은 물론 기존에 서비스 되고 있던 비디오 서비스 트래픽(플로우 11 ～15)까지도 영향을 받아 수신율이 약 50%로 감소되었다. 이는 각각의 비디오 서비스 트래픽이 클래스 별로 QoS 관리가 수행되기 때문이며, 동일 클래스 내에서 대역충돌이 발생할 경우 플로우 별 대역 제한이 불가능하여 사용자가 요구하는 단대단 QoS를 보장할 수 없다.
모의시험을 통해 대역충돌이 발생할 경우 각 플로우 별로 설정된 QoS 파라메터에 따라 컬러를 결정하고 설정된 대역폭을 초과하는 경우 우선적으로 패킷을 폐기하여 사용자가 요구하는 대역폭을 완벽하게 보장해 줄수 있음을 확인하였다. 또한 동일 클래스로 서비스가 제공되는 환경에서 플로우 별 대역관리를 수행함으로써 기존에 서비스 중인 비디오 스트리밍 트래픽이 새롭게 추가되는 트래픽에 영향을 받지 않고 완벽한 서비스를 제공하는 것을 확인하였다.
모의시험을 통해 대역충돌이 발생할 경우 각 플로우 별로 설정된 QoS 파라메터에 따라 컬러를 결정하고 설정된 대역폭을 초과하는 경우 우선적으로 패킷을 폐기하여 사용자가 요구하는 대역폭을 완벽하게 보장해 줄수 있음을 확인하였다. 또한 동일 클래스로 서비스가 제공되는 환경에서 플로우 별 대역관리를 수행함으로써 기존에 서비스 중인 비디오 스트리밍 트래픽이 새롭게 추가되는 트래픽에 영향을 받지 않고 완벽한 서비스를 제공하는 것을 확인하였다.
제안된 플로우 기반 QoS 관리 방안은 현재 개발 중인 패킷-광 통합 시스템에 적용하여 구현 중에 있으며 PBB-TE기반의 PTS 모듈에 일차적으로 구현하여 시험 및 검증을 완료하였다. 실제 구현된 시스템에서 라인카드 당 설정된 플로우는 30만 플로우이며 4K개의 PTL 터널에 매핑된다.

후속연구

실제 구현된 시스템에서 라인카드 당 설정된 플로우는 30만 플로우이며 4K개의 PTL 터널에 매핑된다. 또한 MPLS-TP 기반의 PTS모듈에 동일한 방식으로 구현하여 시험 중에 있으며 향후 자체 검증 및 현장 시험을 통해 수정 보완과정이 완료되면 패킷 전송망 구축에 주요 시스템으로 사용될 수 있을 것이라 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	기존의 IP 라우터와 개별 전송망으로 구성된 현재의 네트워크 문제점을 보완하기 위해 제안된 것은?	패킷 전송기술은 기존의 IP 라우터와 개별 전송망으로 구성된 현재의 네트워크 문제점을 보완하기 위해 제안되어왔으나 패킷망의 태생적인 QoS 관리의 한계점과 확장성에 대한 문제를 해결해야하는 과제를 가지고 있다. 현재 사용되고 있는 TCP/IP 프로토콜은 패킷 손실이 발생하는 환경 하에서 상당한 성능저하를 초래하고 종단간 경로상의 최적화 미비로 큰 용량을 가진 버스트 트래픽이 유입될 경우 네트워크에서 유연하게 대처할 수 있는 방안이 필요하다.
	패킷 망에서의 또다른 QoS 보장방안으로 제안된 플로우 기반의 QoS 관리기술의 장단점은?	패킷 망에서의 또다른 QoS 보장방안으로 플로우 기반의 QoS 관리기술이 제안되었다. [1～2, 4] 제안된 플로우 기반의 QoS관리 기술들은 입력된 패킷을 동일 특성을 가진 플로우로 구분하고 각 플로우 별 큐 관리를 수행 함으로써 보다 세밀한 QoS를 제공한다. 그러나 사용자의 트래픽이 증가하고 단일 노드에서 관리해야하는 플로우 수가 증가하면서 플로우 별 큐 관리에 제약이 발생하게 된다.
	QoS(Quality of Service), Fast Mobility, Premium VPN(Virtual Private Network)등의 서비스에 대한 경제적 제공에 구조적인 한계점으로 작용하는 것은?	통신분야의 급속한 성장으로 통신망은 기존의 TDM(Time-division Multiplexing) 회선 중심에 인터넷 서비스를 저가로 수용하는 다양한 방식의 네트워크가 혼재되어 운영유지 보수비용이 계속 증가하고 있으며, 액세스망의 복잡한 집선 구조는 QoS(Quality of Service), Fast Mobility, Premium VPN(Virtual Private Network)등의 서비스에 대한 경제적 제공에 구조적인 한계점으로 작용하고 있다. 또한 기존의 통신망은 지역 서버들이 집중국에 배치되어 있어 가입자-수용국-집중국의 계위를 거치는 액세스망 상에서 Live IPTV, Mobile IPTV, Multicast VPN등의 서비스를 안정적으로 제공하는데 구조적인 한계를 가지고 있다.

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IEEE Std 802.1Qay - 2009, IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks--Virtual Bridged Local Area Networks--Amendment: Provider Backbone Bridge Traffic Engineering, June 2009.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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