Flow Management for Voice/Data Transport over UDP/TCP Based Networks

국문 초록 (Abstract)

음성 및 데이터 통합망은 망과 그 운영측면에서의 비용절감, 망 자원 이용률의 증가, 대역폭이용의 융통성 등 여러 가지 장점을 제공한다. 따라서 서비스 제공업체에서는 ATM(Asynchronous Transfer Mode) 기술 또는 IP(Internet Protocol) 기술에 기초한 단일 통합 교환 및 수송망에서의 음성 및 데이터 통합 서비스 제공에 관심을 기울이고 있다. ATM과 IP 기술은 음성 및 데이터가 전송되는 방법에 있어서 서로 다른 점을 보인다. 본 논문의 목적은 ATM 및 IP 통신망에서의 음성 및 데이터 전송과 관련된 주요 이슈를 제시하고 해결방안을 제안한다.
ATM은 IP 기술에 비해 서비스 품질 (Quality of Service) 제공에 있어 우수하며 음성전송을 위해 필요한 서비스 품질지원에 적합한 것으로 인식되어 왔다. ATM을 이용한 음성 전송과 관련된 주요 이슈 중의 하나는 ATM 망에서의 음성전송 능력에 대한 성능평가 및 향후 존속가능성의 평가이다.
IP 기술과 관련된 주요 이슈 중의 하나로는 고품질 음성전송을 위한 서비스 품질보장을 들 수 있다. IP 통신망에서는, 음성 트래픽이 UDP(User Datagram Protocol)를 이용하여 수송된다. 이러한 UDP 기반 음성 응용의 성능에 관한 요구사항을 실현하기 위하여 망 폭주현상 발생시 음성 응용의 성능이 심하게 저하되지 않도록 적절한 대역폭을 지속적으로 제공하는 것이 필요하다. UDP flow는 대개 망 폭주현상 발생시 전송율을 줄이지 않는 특성이 있어 비응답형 flow라고 불리우기도 한다. 따라서 TCP(Transmission Control Protocol) flow와 같이 망 폭주 현상시 전송율을 줄이는 응답형 flow보다 더 많은 대역폭을 사용하게 되며, 궁극적으로는 'Internet Meltdown' 현상을 초래할 수 있다. 따라서 UDP flow에게 적절한 대역폭을 할당하는 것 뿐만 아니라 응답형 TCP flow를 보호함으로써 모든 flow에게 적절한 서비스 품질을 제공하는 것이 필요하다.
본 연구에서는, 먼저 음성전송을 위한 ATM 통신망의 성능 및 존속가능성을 평가한다. 평가항목에는 Trunking 효율, 서비스품질 변수, 망 존속가능성 변수평가가 포함된다. 아울러 IP 통신망에서의 flow관리를 위한 프레임워크를 제안하고, 제안된 프레임워크에 기초한 일련의 라우터 기반 서비스 품질 제공 메커니즘을 제안한다. 제안된 메커니즘에는 큐관리, 자원예약, 미터링 등이 포함되며, 이들은 UDP flow에 적절한 대역폭의 할당, TCP flow 보호, TCP flow 간의 대역폭 공정성 등을 제공한다.

목차 (Table of Contents)

• ACKNOWLEDGEMENTS = ⅲ
• CONTENTS = ⅴ
• LIST OF FIGURES = ⅷ
• LIST OF TABLES = ⅹⅰ
• ABBREVIATIONS = ⅹⅱ
• SUMMARY = ⅹⅳ
• CHAPTER 1: INTRODUCTION = 1
• 1.1 Motivation = 1
• 1.2 Thesis Outline = 3
• CHAPTER 2: BACKGROUND = 6
• 2.1 Voice Transport over ATM Networks = 6
• 2.1.1 ATM Adaptation Layer 1 = 8
• 2.1.2 ATM Adaptation Layer 2 = 11
• 2.2 Integrated Services and Differentiated Services = 13
• 2.2.1 Integrated Services = 13
• 2.2.2 Differentiated Services = 18
• 2.3 Multiprotocol Label Switching for Traffic Engineering and QoS Support = 23
• 2.4 Router-Based QoS Mechanisms = 27
• 2.4.1 Drop Tail = 28
• 2.4.2 Random Early Detection = 30
• 2.4.3 Variants of RED = 30
• 2.4.3.1 RED with Penalty Box = 30
• 2.4.3.2 Flow Random Early Detection = 31
• 2.4.3.3 RED with per-flow Queueing = 32
• 2.4.3.4 Stabilized RED = 32
• 2.4.4 Core-Stateless Fair Queueing = 33
• 2.4.5 Corelite = 35
• CHAPTER 3: PERFORMANCE AND SURVIVABILITY ANALYSIS OF VOICE-OVER-ATM SYSTEMS = 38
• 3.1 Trunking Efficiency = 38
• 3.1.1 Typical Behavior of a Voice Source = 38
• 3.1.2 Trunking Efficiency-Average Analysis = 40
• 3.1.3 Trunking Efficiency-Unifonn Arrival/Service Model = 45
• 3.2 Quality of Service = 54
• 3.2.1 Service Classes = 54
• 3.2.2 Quality-of-Service Parameters = 55
• 3.3 Network Survivability = 61
• 3.3.1 Number of Affected Users = 61
• 3.3.2 Restoration from Network Failure = 62
• 3.3.3 Detection and Recovery of Lost/Misinserted/Errored Cells or Packets = 63
• CHAPTER 4: INTEGRATION OF INTSERV/RSVP AND DIFFSERV:A TESTBED APPROACH = 66
• 4.1 Service Definitions and Mapping = 67
• 4.2 Physical Testbed for Intserv/RSVP and Diffserv Integration = 69
• 4.2.1 Intserv and Diffserv Regions = 71
• 4.2.2 Hosts within the Intserv Regions = 71
• 4.2.3 Edge Routers = 73
• 4.2.4 Border Routers = 73
• 4.2.4.1 Packet Classification Based on DSCP = 75
• 4.2.4.2 Packet Scheduling = 75
• 4.2.4.3 Queue Management = 76
• 4.2.5 ATM Switch = 76
• 4.3 Experimental Results = 77
• CHAPTER 5: A NEW FRAMEWORK FOR FLOW MANAGEMENT = 87
• 5.1 Architectural Framework = 87
• 5.2 Service Definitions = 89
• 5.3 Router-Based QoS Mechanisms for UDP and TCP Traffic = 90
• 5.3.1 Queue Policy = 90
• 5.3.1.1 Traffic Classification = 90
• 5.3.1.2 QoS Provisioning for UDP Traffic and TCP Traffic = 91
• 5.3.1.3 Bandwidth Fairness Control for TCP Flows = 93
• 5.3.2 Resource Reservation = 96
• 5.3.3 Enforcement of Traffic Profiles = 98
• 5.3.4 Computational Overhead = 100
• 5.3.5 Operations = 101
• 5.3.6 MPLS in the Diffserv Region = 102
• 5.4 Performance Evaluation and Comparison = 105
• CHAPTER 6: CONCLUSIONS AND FUTURE RESEARCH = 116
• 6.1 Summary of Results = 116
• 6.1.1 Performance and Survivability Analysis of Voice-over-ATM Systems = 116
• 6.1.2 The Integration of Intserv/RSVP and Diffserv: A Testbed Approach = 117
• 6.1.3 A New QoS Framework and Router-Based QoS Mechanisms = 118
• 6.2 Suggestions for Future Research = 120
• APPENDIX A: MODELING AND SIMULATION OF IP SWITCHING = 122
• REFERENCES = 134
• VITA = 140