KR100411447B1 - 티씨피 혼잡 제어 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 ATM(Asynchronous Transfer Mode)상의 TCP(Transmission Control Protocol) 통신망 환경에서 ATM 망과 Non-ATM 망간의 접속 구간에서 ECN(Explicit Congestion Notification) 알고리즘을 역방향으로 적용하여 망의 혼잡을 제거하도록 한 TCP 혼잡 제어 방법에 관한 것이다.

본 발명은 ATM 망에서 ABR 트래픽 관리를 사용하고 TCP 망에서 ECN 알고리즘을 사용하는 경우에 ATM 망과 Non-ATM 망간의 접속구간에서 역방향 ECN 알고리즘을 적용하여 망의 혼잡을 제거함으로써, 망에서의 지연과 처리 지연에 따른 혼잡의 지속 시간을 감소시켜 주며, 망에서의 트래픽의 혼잡에 빠르게 대처할 수 있어 망의 안정화를 가져올 수 있을 뿐만 아니라, 망의 혼잡에 빠르게 대처할 수 있으므로 오랜 지연 시간 동안 트래픽을 저장할 큰 용량의 버퍼가 필요하지 않으며, ATM 망에서의 사용 가능한 대역폭을 최대한 사용할 수 있다.

Description

티씨피 혼잡 제어 방법 {Method of Controlling TCP Congestion}

본 발명은 TCP 혼잡 제어 방법에 관한 것으로, 특히 ATM상의 TCP 통신망 환경에서 ATM 망과 Non-ATM 망간의 접속 구간에서 ECN 알고리즘을 역방향으로 적용하여 망의 혼잡을 제거하도록 한 TCP 혼잡 제어 방법에 관한 것이다.

도 1은 일반적인 ATM상의 TCP 통신망 환경을 나타낸 도면인데, LAN(Local Area Network), TCP/IP 망과 같은 Non-ATM 망(11, 13)과, ATM 망(12)으로 이루어져 있다.

여기서, 상기 Non-ATM 망(11, 13)과 ATM 망(12)간의 접속 구간은 ER(Explicit Cell Rate) 값에 의해 상기 ATM 망(12)으로의 트래픽 입력 제한을 받는 구간이며, 해당 ER은 BRM(Backward Resource Management) 셀(Cell)에 포함된 트래픽 전송 정보로, 해당 ATM 망(12)으로의 전송 가능한 트래픽의 양을 표시한다.

그리고, 상기 Non-ATM 망(11, 13)과 ATM 망(12)의 접속 구간은 도 2에 도시된 바와 같은데, 상기 ATM 망(12)의 에지 디바이스(14)와 사용자 단말인 TCP 소스 사이에는 보통 Non-ATM 구간이 존재함을 보여 주고 있다. 여기서, 상기 에지 디바이스(14)는 IP 패킷을 ATM 셀로 변환하거나 해당 ATM 셀을 IP 패킷으로 변환시켜 주는 역할을 수행한다.

상기 ATM 망(12)에서는 CBR(Constant Bit Rate), UBR(Unspecified Bit Rate), VBR(Variable Bit Rate), ABR(Available Bit rate) 등과 같은 트래픽 관리 서비스를 제공해 주며, UPC(Usage Parameter Control)와 같은 혼잡 제어 알고리즘을 사용하여 망의 혼잡을 제어한다.

그리고, 상기 ATM 망(12)에서 사용되는 ABR 트래픽 관리는 BRM 셀을 통해서 상기 에지 디바이스가 전송할 수 있는 데이터의 ER 값을 알려주게 되며, 이에 상기 에지 디바이스는 해당 ER 값보다 큰 값으로 데이터를 전송할 수 없게 된다. 여기서, 해당 ER 값은 상기 ATM 망(12)의 상황에 따라서 변화되는 값이며, Non-ATM 망(11, 13)의 TCP 소스에게는 전송되지 않으며, 이때 Non-ATM 망(11, 13)에서 전송되는 데이터는 상기 ATM 망(12)에서 전송할 수 있는 ER 값을 초과할 수 없으므로, 해당 ER 값보다 큰 값으로 데이터가 상기 ATM 망(12)으로 입력될 경우에 혼잡이 발생하여 패킷의 폐기 또는 마킹이 발생한다.

또한, 상기 ATM 망(12)에서 사용되는 ABR 트래픽 관리 및 UPC 알고리즘으로 인해서 혼잡이 크게 발생하지 않는다하더라도 TCP 망을 사용하는 Non-ATM 망(11, 13)과 ATM 망(12)간의 접속 구간에서의 혼잡은 필연적이라고 할 수 있으며, 특히 ATM 망(12)에서 ABR 서비스를 사용하고 있는 경우에 ATM 망(12)에서의 혼잡은RM(Resource Management) 셀을 통해 제어될 수 있지만, 해당 RM 셀의 정보는 상기TCP 소스에 전달될 수 없기 때문에 ATM 망(12)에서의 혼잡 제어가 접속 구간의 혼잡을 더욱더 가중시키는 결과를 초래하게 된다.

상기 Non-ATM 망(11, 13)의 TCP 망에서는 종단간(End-to-end) 흐름 제어를 수행하며, 혼잡 제어 방식으로는 RED와 ECN 방식이 있는데, 도 2에 도시된 바와 같은 ATM 망(12)과 Non-ATM 망(11, 13)의 접속 구간에서 사용될 수 있다.

즉, 상기 Non-ATM 망(11, 13)의 TCP 망은 RED 및 ECN와 같은 혼잡 제어 알고리즘을 사용하여 망의 혼잡을 제어하게 된다. 이때, 하나의 TCP 소스로부터 전송되는 패킷은 ATM 망(12)의 하나의 VC(Virtual Channel) 커넥션(Connection)에 매핑(Mapping)되어진다.

상기 RED 및 ECN 알고리즘은 도 3에 도시된 바와 같이, 망의 접속 구간에 사용되는 버퍼(15)에 두 개의 임계치(Threshold)(THmax, THmin)를 정해 놓으며, 해당 버퍼(15)에 패킷이 도착할 때 평균 큐(Queue)의 크기를 계산하여 해당 평균 큐의 크기가 최소 임계치(THmin)를 넘어설 경우에 확률(Probability)에 따라서 패킷을 폐기하거나 마킹하며, 최대 임계치(THmax)를 넘어설 경우에 입력되는 모든 패킷을 폐기하도록 하는 방식이다.

상기 ECN 알고리즘의 흐름을 도 4를 참고하여 살펴보면 다음과 같다.

먼저, TCP 소스로부터 패킷이 입력될 때에 최대 임계치(THmax)와 최소 임계치(THmin) 사이에 평균 큐의 크기가 존재하는 경우, 확률에 따라서 폐기하기 않고 CE 비트를 세팅(Setting)하는데, 즉 도 5에 도시된 바와 같이, IP 헤더(즉,TOS(Type of Service) 필드(Field))에 CE(Congestion Experienced) 필드를 마킹해 준다.

여기서, 해당 IP 헤더는 3 비트의 프리시던스(Precedence)와, 지연 정상 여부를 나타내는 1 비트의 디(D)와, 스루아웃(Throughout) 정상 여부를 나타내는 1 비트의 티(T)와, 신뢰도(Reliability) 정상 여부를 나타내는 1 비트의 알(R)과, 2 비트의 여분(Reserved)으로 이루어져 있는데, 해당 여분의 2 비트는 ECT(ECN Capable Transport)와 CE를 마킹할 수 있다.

이에, 상기 패킷이 TCP 데스티네이션(Destination)에 도착하게 되면, 해당 TCP 데스티네이션에서는 응답 패킷의 ECN 에코 플래그(Echo Flag)를 세팅하여 상기 TCP 소스 측으로 전송하는데, 즉 상기 TCP 소스 측으로 전송할 응답 패킷에 망의 중간 노드에서 혼잡이 발생하였다는 정보를 표시해 준 후에 전송하여 상기 TCP 소스가 해당 사실을 알 수 있도록 해 준다.

이에 따라, 상기 TCP 소스는 상기 응답 패킷을 수신하는 경우에 망에 혼잡이 발생한 것으로 간주하여 송신 윈도우 사이즈를 감소시켜 혼잡 회피 동작을 시작하게 된다.

결국, 상기 RED 및 ECN 알고리즘 모두는 망의 혼잡 정보가 TCP 데스티네이션을 거쳐서 TCP 소스에 알려지게 된다.

다시 말해서, 상기 TCP 망에서 사용하는 RED와 ECN 알고리즘은 종단간 흐름 제어 방식으로, 망의 중간에서 발생한 혼잡 정보를 TCP 데스티네이션까지 전송했다가 다시 해당 TCP 데스티네이션을 경유해 TCP 소스로 알려주게 된다.

이 때, 상기 TCP 소스에서는 혼잡 제어를 위해 윈도우 사이즈를 감소시켜 혼잡을 회피하는 동작을 수행하기 시작하나, 접속 구간에서의 혼잡 정보가 상기 TCP 소스에게 알려지기까지는 상기 TCP 데스티네이션간에 전송 지연(Propagation Delay)과 처리 지연(Processing Delay)이 두 배에 달하는 시간이 필요로 하며, 이에 해당 지연 시간 동안 해당 망의 접속 구간에서의 혼잡이 지속되므로, 해당 망의 접속 구간에서의 혼잡에 신속하게 대응할 수 없다.

또한, 해당 지연 시간이 커짐에 따라 접속 구간에서 폐기되거나 마킹(Marking)되는 패킷의 수는 증가하게 되는데, 즉 해당 지연 시간만큼 폐기되거나 마킹되는 패킷의 수가 증가되며, 이에 상기 TCP 소스는 폐기된 패킷에 대한 재전송하거나, 또한 마킹되는 패킷의 수가 증가됨으로 인해 많은 TCP 소스들이 혼잡 회피를 수행하게 되어 망의 성능을 저하시키게 된다.

상술한 바와 같이, ATM 망과 Non-ATM 망간의 접속 구간에서 발생하는 혼잡은 ATM 망 내에서 전송할 수 있는 데이터 양의 변화로 인하여 발생하는 것으로, 해당 데이터 양의 변화에 따라서 ATM 망으로 전송될 수 있는 데이터 양이 급격히 증가하거나 감소하게 되는데, 해당 전송될 수 있는 데이터의 양이 급격히 감소하는 경우 접속 구간에서 혼잡은 짧은 시간 안에 심화되고 많은 패킷이 폐기되거나 마킹되어진다. 이때, 종래 TCP의 종단간 흐름 제어 방식을 사용할 경우, TCP 소스에서 혼잡 발생을 감지하여 회피하는 동작까지 전송 지연과 패킷 처리 지연 시간만큼 지연이 발생하여 접속 구간에서 발생한 혼잡에 빠르게 반응할 수 없는 문제점이 있었다.

그리고, 혼잡에 빠르게 반응하지 못하기 때문에 많은 패킷에 대해서 혼잡 정보가 표시되거나 폐기되어 많은 TCP 소스가 동시에 혼잡 제어를 수행하게 되므로, ATM 구간에서 사용할 수 있는 대역폭을 충분히 사용하지 못하는 경우가 발생하게 되는 문제점이 있었다. 또한, 이런 문제점이 ER 값에 따라서 수시로 발생하게 되어 전체적인 망의 성능을 저하시키는 문제를 초래하게 된다.

즉, ABR 트래픽 관리를 사용하는 ATM 망과 TCP를 사용하는 Non-ATM 망이 접속할 때에 접속 구간에서 ATM망으로의 입력 트래픽의 제한으로 인해 혼잡이 발생하게 되는데, ATM 망에서 사용하는 BRM 셀의 정보가 단지 ATM 소스(즉, 에지 디바이스)에만 전달되고 TCP 소스에는 전달되지 못하기 때문에 망에서의 지연과 프로세싱 지연만큼 망의 혼잡에 대처하지 못하여 망의 성능을 저하시키는 문제점이 있었다.

전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명은 ATM상의 TCP 통신망 환경에서 ATM 망과 Non-ATM 망간의 접속 구간에서 ECN 알고리즘을 역방향으로 적용하여 망의 혼잡을 제거하도록 하는데, 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 ATM 망에서 ABR 트래픽 관리를 사용하고 TCP 망에서 ECN 알고리즘을 사용하는 경우에 ATM 망과 Non-ATM 망간의 접속구간에서 역방향 ECN 알고리즘을 적용하여 망의 혼잡을 제거함으로써, TCP가 종단간 흐름 제어를 수행함으로 인해서 발생하는 망의 성능 저하를 방지하고 해당 접속 구간에서의 버퍼의 양을 감소시키는데, 그 목적이 있다.

도 1은 일반적인 ATM(Asynchronous Transfer Mode)상의 TCP(Transmission Control Protocol) 통신망 환경을 나타낸 도면.

도 2는 도 1에 있어 ATM 망과 Non-ATM 망간의 접속 구간을 나타낸 도면.

도 3은 도 2에 있어 TCP 망에서의 RED(Random Early Detection) 및 ECN(Explicit Congestion Notification) 알고리즘을 나타낸 도면.

도 4는 도 2에 있어 혼잡 발생 시에 보고 경로를 나타낸 도면.

도 5는 도 4에 있어 IP(Internet Protocol) 헤더(Header)의 TOS(Type of Service) 필드를 나타낸 도면.

도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 ATM상의 TCP 통신망 환경에서 ATM 망과 Non-ATM 망간의 접속 구간을 나타낸 도면.

도 7은 도 5에 있어 혼잡 발생 시에 보고 경로를 나타낸 도면.

도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 TCP 혼잡 제어 방법을 나타낸 순서도.

도 9는 도 8에 있어 TCP 헤더를 나타낸 도면.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

21, 22 : TCP 소스(Source)

31, 32 : 버퍼(Buffer)

41, 42 : 에지 디바이스(Edge Device)

상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 TCP 혼잡 제어 방법은 ATM(Asynchronous Transfer Mode)과 Non-ATM간의 접속 구간에서 혼잡이 발생하여 버퍼의 최소 임계치 및 최대 임계치 사이에 평균 큐의 크기가 존재할 경우에 해당 접속 구간에서 ECN(Explicit Congestion Notification) 알고리즘을 역방향으로 적용하여 해당 혼잡 발생을 TCP(Transmission Control Protocol) 소스가 바로 인식해 혼잡 회피 처리를 수행하도록 하는 것을 특징으로 한다.

다르게는, 상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 TCP 혼잡 제어 방법은 ATM과 Non-ATM간의 접속 구간에서의 버퍼에 패킷이 도착하는 경우에 평균 큐의 크기를 계산해 크기가 최소 임계치와 최대 임계치 사이에 존재하는지를 확인하는 과정과; 상기 계산된 평균 큐의 크기 및 가중치에 의해 결정되는 확률에 따라서 상기 도착한 패킷에 마킹해 TCP 소스에 전달될 응답 패킷을 생성하는 과정과; 상기 TCP 소스에서 상기 응답 패킷을 수신받아 혼잡 발생을 인식하여 송신 윈도우 사이즈를 감소시켜 혼잡 회피 처리를 수행하는 과정을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 응답 패킷 생성 과정은 상기 TCP 소스에 전송될 응답 신호가 있는지를 확인하는 단계와; 상기 응답 신호가 있는 경우에 TCP 헤더에 할당된 예비 필드의 ECN 에코 플래그를 세팅하는 단계와; 상기 세팅된 응답 패킷을 상기 TCP 소스에 전송하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다. 이하, 본 발명의 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 실시 예에 따른 ATM상의 TCP 통신망 환경에서 ATM 망과 Non-ATM 망간의 접속 구간은 도 6에 도시된 바와 같은데, ATM 망의 ABR 트래픽 관리 메커니즘에 따라서 ATM 망으로 전송할 수 있는 데이터 양의 급격한 변화로 인해 접속 구간에서 발생하는 혼잡에 효과적으로 반응하기 위해서, TCP의 종단간 흐름 제어 방식인 ECN 알고리즘을 해당 접속 구간에서 역방향으로 적용시켜 TCP 소스(21, 22)가 혼잡을 회피하는데 필요한 전송 지연과 처리 지연 시간을 제거하여 빠르게 혼잡 회피를 수행하도록 이루어진다.

ATM 구간과 Non-ATM 구간에서 혼잡이 발생하여 버퍼(31, 32)의 최소 임계치 및 최대 임계치 사이에 평균 큐의 크기가 존재할 경우, 종래의 ECN 알고리즘은 입력된 패킷의 IP 헤더에 CE 비트를 세팅하여 TCP의 데스티네이션에 전송하고 해당 TCP 데스티네이션에서 CE 비트가 세팅된 IP 헤더를 수신하여 TCP 소스에 전송되는 TCP 응답 패킷의 헤더 중에 ECN 에코 플래그를 세팅하여 전송하게 되지만, 본 발명에서는 해당 접속 구간에서 ECN 알고리즘을 역방향으로 적용하는데, 도 7에 도시된 바와 같이, 해당 TCP 데스티네이션으로 전송되는 IP 헤더에 CE 비트를 세팅하지 않고 해당 TCP 소스에 전달되는 응답 패킷이 있는지를 대기하였다가 해당 응답 패킷이 있는 경우에 해당 응답 패킷의 TCP 헤더에 ECN 에코 플래그를 세팅하여 전송해 주며, 이에 TCP 소스에서 해당 응답 패킷을 수신받아 혼잡이 발생하였음을 인식하여 혼잡 회피 동작을 수행하도록 함으로써, 해당 접속 구간과 TCP 데스티네이션간에 전송 지연 시간과 처리 지연 시간을 제거하여 해당 접속 구간에서의 혼잡 정보가 빠르게 전달될 수 있어 해당 TCP 소스에서 빠르게 혼잡을 해소할 수 있도록 이루어진다.

본 발명의 실시 예에 따른 TCP 혼잡 제어 방법을 도 8의 순서도를 참고하여 설명하면 다음과 같다.

도 6에 도시된 바와 같이, TCP와 ATM의 접속 구간에는 최소 임계치와 최대 임계치를 적용한 버퍼(31)가 존재하는데, 해당 버퍼(31)에 패킷이 도착할 때 평균 큐의 크기를 계산해 준다(단계 S1).

이 때, 상기 계산된 평균 큐의 크기가 최소 임계치 이하인지를 확인하는데(단계 S2), 해당 제2단계(S2)에서 상기 계산된 평균 큐의 크기가 최소 임계치 이하이면 상기 도착한 패킷을 그대로 전송해 준다(단계 S3).

그리고, 상기 제2단계(S2)에서 상기 계산된 평균 큐의 크기가 최소 임계치 이하가 아닌 경우, 상기 계산된 평균 큐의 크기가 최대 임계치 이상인지를 확인하는데(단계 S4), 해당 제4단계(S4)에서 상기 계산된 평균 큐의 크기가 최대 임계치 이상이면 상기 도착한 패킷을 폐기시켜 준다(단계 S5).

반면에, 상기 제4단계(S4)에서 상기 계산된 평균 큐의 크기가 최대 임계치 이상이 아니면, 즉 상기 계산된 평균 큐의 크기가 최소 임계치와 최대 임계치 사이에 존재할 경우, 확률에 따라서 상기 도착한 패킷에 마킹하는 동작을 수행한다(단계 S6).

이 때, 상기 확률 값은 평균 큐의 크기와 큐의 가중치(Weight)에 의해서 결정되어진다. 또한, 상기 마킹된 패킷은 현재 버퍼(31)에 입력되는 패킷의 TCP 소스(21)에 전달될 응답 패킷이다.

도 9에 도시된 바와 같이, TCP 헤더에 할당된 예비 필드(Reserved Field)의 ECN 에코 플래그를 세팅하여 전송해 주는데, 이때 상기 TCP 소스(21)에 전송되는 응답 신호가 없는 경우에 응답 신호가 도착할 때까지 대기하였다가 해당 응답 신호가 있는 경우에 해당 응답 패킷의 TCP 헤더에 ECN 에코 플래그를 세팅하여 상기 TCP 소스(21)에 전송해 준다(단계 S7).

이에, 상기 TCP 소스(21)는 상기 TCP 헤더에 ECN 에코 플래그가 세팅된 응답 패킷을 수신받아 혼잡이 발생하였음을 인식하여 송신 윈도우 사이즈를 감소시켜 혼잡 회피 동작을 수행하도록 함으로써, 망에서의 전송 지연 시간과 처리 지연 시간을 제거하여 이에 다른 혼잡의 지속 시간을 감속시켜 주며, 망에서의 트래픽의 혼잡에 빠르게 대처할 수 있어 망의 안정화를 가져올 수 있다.

이상과 같이, 본 발명에 의해 ATM 망에서 ABR 트래픽 관리를 사용하고 TCP 망에서 ECN 알고리즘을 사용하는 경우에 ATM 망과 Non-ATM 망간의 접속구간에서 역방향 ECN 알고리즘을 적용하여 망의 혼잡을 제거함으로써, 망에서의 지연과 처리 지연에 따른 혼잡의 지속 시간을 감소시켜 주며, 망에서의 트래픽의 혼잡에 빠르게 대처할 수 있어 망의 안정화를 가져올 수 있다.

또한, 본 발명에 의해 망의 혼잡에 빠르게 대처할 수 있으므로, 오랜 지연시간 동안 트래픽을 저장할 큰 용량의 버퍼가 필요하지 않으며, ATM 망에서의 사용 가능한 대역폭을 최대한 사용할 수 있다.

Claims (3)

1. ATM(Asynchronous Transfer Mode)과 Non-ATM간의 접속 구간에서 혼잡이 발생하여 버퍼의 최소 임계치 및 최대 임계치 사이에 평균 큐의 크기가 존재할 경우에 해당 접속 구간에서 ECN(Explicit Congestion Notification) 알고리즘을 역방향으로 적용하여 해당 혼잡 발생을 TCP(Transmission Control Protocol) 소스가 바로 인식해 혼잡 회피 처리를 수행하도록 하는 것을 특징으로 하는 티씨피 혼잡 제어 방법.
2. ATM과 Non-ATM간의 접속 구간에서의 버퍼에 패킷이 도착하는 경우에 평균 큐의 크기를 계산해 크기가 최소 임계치와 최대 임계치 사이에 존재하는지를 확인하는 과정과;

   상기 계산된 평균 큐의 크기 및 가중치에 의해 결정되는 확률에 따라서 상기 도착한 패킷에 마킹해 TCP 소스에 전달될 응답 패킷을 생성하는 과정과;

   상기 TCP 소스에서 상기 응답 패킷을 수신받아 혼잡 발생을 인식하여 송신 윈도우 사이즈를 감소시켜 혼잡 회피 처리를 수행하는 과정을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 티씨피 혼잡 제어 방법.
3. 제2항에 있어서,

   상기 응답 패킷 생성 과정은 상기 TCP 소스에 전송될 응답 신호가 있는지를 확인하는 단계와;

   상기 응답 신호가 있는 경우에 TCP 헤더에 할당된 예비 필드의 ECN 에코 플래그를 세팅하는 단계와;

   상기 세팅된 응답 패킷을 상기 TCP 소스에 전송하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 티씨피 혼잡 제어 방법.