KR100457869B1 - 파장분할다중 링 네트워크에 적용되는 멀티 홉 임베딩방식의 노드간 패킷 전송방법 - Google Patents

파장분할다중 링 네트워크에 적용되는 멀티 홉 임베딩방식의 노드간 패킷 전송방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 링 형태의 파장 라우팅 네트워크 구조를 갖는 WDM 링 네트워크에서 노드간 패킷 전송의 공평성을 보장함은 물론 불균일 네트워크에서도 트래픽 처리율을 향상시킬 수 있도록 된 WDM 링 네트워크에 적용되는 멀티 홉 임베딩 방식의 노드간 패킷 전송방법에 대한 것으로서, 이는 WDM 링 네트워크에 적용되는 노드간 패킷 전송방법에 있어서, 소스 노드로부터 목적지 노드로 싱글 홉 방식에 의한 패킷 전송을 수행하는 싱글 홉 전송단계와, 상기 목적지 노드의 홈 채널을 다른 노드가 사용하는 경우 상기 소스 노드의 전송대상 패킷을 소정 중간 노드를 경유하여 상기 목적지 노드로 전송하는 멀티 홉 전송단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

Description

파장분할다중 링 네트워크에 적용되는 멀티 홉 임베딩 방식의 노드간 패킷 전송방법{Method for transmitting packets amongst nodes of wavelength division multiplexing ring network}
본 발명은 파장분할다중(WDM : Wavelength Division Multiplexing) 네트워크의 데이터 통신방법에 대한 것으로서, 특히 링 형태의 파장 라우팅 네트워크 구조를 갖는 WDM 링 네트워크에서 노드간 패킷 전송의 공평성을 보장함은 물론 트래픽이 불균일한 네트워크에서도 트래픽 처리율을 향상시킬 수 있도록 된 WDM 링 네트워크에 적용되는 멀티 홉 임베딩(Multi-hop embedding) 방식의 노드간 패킷 전송방법에 대한 것이다.
인터넷 이용자의 증가와 광대역 멀티미디어 서비스의 증가에 따라 네트워크에서는 더욱 많은 대역폭을 요구하고 있다. 이는 통신 트래픽의 대부분을 차지하는 영상 데이터 트래픽의 증가에 기인하고 있으며, 이에 따라 현재 네트워크에서는 처리되어야 하는 트래픽 처리율(throughput)이 초당 테라 비트 정도에 이르고 있다.
따라서 현재 네트워크에서는 대역폭이 50THz에 이르는 광섬유를 전달매체로 이용하고, 전체 대역을 각기 다른 파장을 중심으로 하는 다수의 채널로 분리하여 광신호를 다중 전송하는 WDM 네트워크가 트래픽 처리율 향상의 대안으로 떠오르고 있다.
이러한 WDM 네트워크는 네크워크 구조, 노드간 연결 방식 및 물리적 토폴로지에 따라 다음과 같이 구분된다. 첫 번째 네트워크 구조에 따라서 LAN(Local Area Network) 환경에 적합한 방송 선택 네트워크(Broadcast and Select Network)와, WAN(Wide Area Network) 환경에 적합한 파장 라우팅 네트워크(Wavelength Routing Network)로 구분된다.
그리고 두 번째 노드간 연결 방식에 따라 각 노드(Node)가 고유의 파장을 가지며 모든 파장에 동조하여 노드간 연결이 형성되는 싱글 홉(Single-hop) 네트워크와, 소스 노드->중간 노드->목적지 노드와 같이 중간 노드를 매개하여 노드간 연결이 형성되는 멀티 홉(Multi-hop) 네트워크로 구분되고, 세 번째로 물리적 토폴로지에 따라 성(Star)형, 버스(Bus)형, 링(Ring)형 등으로 구분된다.
현재 WDM 네트워크의 운영상 주요 이슈는 어떤 광경로(Lihgtpath)로 데이터를 전송할 지를 결정하는 경로 설정과, 각 경로를 통한 데이터 전송시 어떤 파장을사용할 지를 결정하는 파장 할당(RWA : Routing and Wavelength Assignment) 문제로서, 상기 RWA 문제의 처리 방법에 따라 네트워크의 트래픽 처리율이 달라지게 된다.
즉 WDM 네트워크에서 적어도 두 개 이상의 경로를 동시에 설정하는 경우 링크가 겹치는 경로는 서로 다른 파장을 사용해야 하기 때문에 링크 겹침이 최소화되도록 경로 설정을 최적화하게 되면, 네트워크에 할당되는 파장 수를 줄일 수 있으며, 이에 따라 네트워크의 트래픽 처리율은 향상되게 된다.
한편 상기 RWA 문제에 있어서, 높은 효율을 보장하는 WDM 네트워크로는 링 형태의 물리적 토폴로지를 가지고, 소스 노드와 목적지 노드 간에 싱글 홉(Single-hop) 방식으로 패킷을 전송하는 파장 라우팅 네트워크(이하, "WDM 링 네트워크"라 칭함)가 있다.
상기 WDM 링 네트워크는 신호 전송 방향에 따라 시계 방향의 단방향 전송만 이루어지는 단방향 WDM 링 네트워크와 양 방향 전송이 가능한 양방향 WDM 링 네트워크로 구분되며, 이하에서는 설명의 편의상 상기 단방향 WDM 링 네트워크를 기준으로 네트워크 구조와 종래 프로토콜 및 각 프로토콜의 문제점에 대해 서술하기로 한다.
도 1은 일반적인 단방향 WDM 링 네트워크에 적용되는 노드의 구조를 간략히 나타낸 블록구성도이다.
도 1의 노드는 동조가능한(Tunable) 송신기(11)와, 고정된 수신기(12) 및, 상기 송신기(11) 및 수신기(12)와 광섬유(OF) 사이에 접속되어 파장별 광신호를 송수신하는 수동 다중화기(ADM : Add Drop Multiplexer)(13)를 구비하여 구성된다.
도 1에서 상기 수동 다중화기(13)는 광섬유(OF)의 각 채널을 통해 전송되는 광신호중 해당 노드의 고유 채널로 전송되는 파장 신호를 추출하여 수신기(12)로 전송하고, 송신기(11)로부터 인가되는 파장 신호를 광섬유(OF)의 해당 채널로 전송하게 된다.
도 2는 일반적인 단방향 WDM 링 네트워크의 일예를 나타낸 것으로서, 이는 예컨대 4개의 노드(21~24)와 4 개의 채널(ch1~ch4)로 이루어진 네트워크를 나타낸 것이다.
도 2에 도시된 제1 내지 제4 노드(21~24)는 도 1의 노드와 동일한 구성을 가지며, 각각 고유 파장의 채널(이하, "홈 채널")이 할당되고, 각 노드(21~24)의 수신기(12)는 해당 홈 채널의 파장에 동조되며, 제1 내지 제4 노드(21~24)의 수신 방향으로 화살표가 표시된 제1 내지 제4 채널(ch1~ch4)은 각각 대응되는 번호를 가지는 노드의 홈 채널로 설정된다.
도 2의 WDM 링 네트워크에 의하면, 각 노드에 홈 채널을 미리 할당하고, 할당된 홈 채널의 파장을 목적지 노드의 파장으로 설정함에 따라 파장 할당 문제가 생기지 않음은 물론 노드간 신호 전송 경로로 단일의 경로만이 존재하여(Single-hop 네트워크) 경로 설정의 문제도 생기지 않게 된다.
따라서 소스 노드의 송신기(11)를 목적지 노드의 홈 채널에 패킷 단위로 동조시키게 되면, 해당 패킷은 소스 노드에서 목적지 노드로 한 홉(Hop)에 전송된다. 그리고 다수의 소스 노드가 하나의 목적지 노드의 채널로 동시에 접근하는 경우 각소스 노드는 미리 정해진 우선순위(Priority)와 TDMA(Time Division Multiple Access) 방식으로 할당된 타임 슬롯(Slot)에 따라 목적지 노드에 패킷을 전송하게 된다.
한편 다중 채널을 사용하는 WDM 링 네크워크에 이용되는 프로토콜은 크게 단일 채널의 네트워크에서 사용되던 Slotted Aloha 프로토콜을 다중 채널 환경으로 변환한 임의 접근(Random Access) 방식과, 단일 채널의 네트워크에서 사용되는 TDMA 방식을 다중 채널 환경으로 변환한 고정 할당(Fixed Allocation) 방식으로 구분된다.
그리고 상기 우선순위와 타임 슬롯의 할당을 정하는 종래 WDM 링 네트워크의 프로토콜로는 임의 접근 방식의 FIFO MAC(First Input First Output Media Access Conrtol), MSD(Minium Slot Distance)와, 고정 할당 방식의 I(Interleaved)-TDMA와 같은 프로토콜이 있다.
먼저 상기 FIFO MAC 프로토콜에 의하면, 노드 마다 하나의 FIFO 큐(Queue)가 존재하고, 각 노드는 자신이 전송하고자 하는 채널에 대한 채널감시를 수행하게 된다. 따라서 각 노드는 채널감시를 통해 목적지 노드의 채널이 사용중이 아닌 경우에만 패킷을 전송하게 되어 충돌없는 데이터 전송이 가능하고, 이를 통해 트래픽 처리율을 향상시킬 수 있게 된다.
그러나 FIFO MAC 프로토콜은 소스 노드와 목적지 노드의 거리에 비례하여 각 노드의 우선순위를 배정함에 따라 노드간 우선순위에 따른 공평성(Fairness) 문제가 발생되며, 특히 불균일한 트래픽 상황에서 우선순위가 높은 노드가 채널을 독점하는 경우 다른 노드들이 데이터를 전송하지 못하는 문제점이 있었다.
예컨대 도 2의 WDM 링 네트워크에서 슬롯 타임 1에 제1 노드(21)로부터 제4 노드(24)로 채널(ch4)을 이용한 패킷 전송이 있는 경우 제2 및 제3 노드(22, 23)는 슬롯 타임 2, 3에 자신을 경유하여 전송되는 패킷이 해당 채널(ch4)을 점유함에 따라 그 채널(ch4)로 패킷을 전송하지 못하게 되며, 이는 제1 노드(21)의 채널 점유가 종료될 때 까지 지속된다.
이에 상기한 FIFO MAC 프로토콜의 기본 골격을 유지하면서 공평성 문제를 해결하고자 제안된 것으로 예컨대 ARR(Asynchronous Round Robin), SRR(Synchronous Round Robin), MSD(Minimum Slot Distance) 프로토콜이 있다.
상기 ARR과 SRR 프로토콜에 의하면, 패킷을 전송하는 노드는 패킷 전송 방향의 반대 방향으로 소정 토큰(Token)을 전송한 후, 그 토근을 다시 받을 때 까지만 우선순위를 부여받게 된다 그러나 상기 ARR과 SRR 프로토콜은 구조가 너무 복잡하며, 각 노드가 토근 송수신 시간에 해당하는 데이터 전송량을 매번 계산해야 하는 문제점이 있다.
상기 MSD 프로토콜은 도 3에 도시된 것처럼 소스 노드가 하나의 패킷(P1)을 목적지 노드로 전송한 후, 다시 그 전송 채널로 다음 패킷(P2)을 전송할 수 있는 최소 슬롯 거리(L1)를 일정하게 유지하도록 되어 있으며, 이는 특정 노드의 채널점유를 방지함으로써 향상된 공평성을 보장하게 된다. 그러나 상기 MSD 프로토콜은 불균일 트래픽 네크워크에서는 낮은 트래픽 처리율을 보이는 문제점이 있다.
한편 WDM 링 네트워크에서는 임의의 소스 노드와 목적지 노드 간의 전송지연이 노드의 위치에 따라 다르기 때문에 일반적인 TDMA 방식은 적용되기 어려우나, 이러한 제한을 극복하고 WDM 링 네트워크에 시분할 방식을 적용한 것이 후술할 I-TDMA 프로토콜이다.
상기 I-TDMA 프로토콜은 WDM 링 네트워크에 속하는 각 노드에 다른 노드로의 패킷 전송을 위한 큐를 미리 할당하고, 각 노드의 타임 슬롯에 다른 노드의 채널을 미리 할당함으로써 최소의 슬롯 타임으로 모든 노드들이 모든 채널에 패킷을 전송할 수 있도록 된 것으로서, 이는 각 노드에 패킷 전송 권한을 동등하게 할당함으로써 FIFO MAC 프로토콜에 비해 보다 향상된 공평성을 보장하게 된다.
도 4는 I-TDMA 프로토콜에 의한 각 노드의 타임 슬롯(S1~SN-1)별 채널 할당표를 나타낸 것이다. 그러나 도 4의 채널 할당 방식은 항상 고정되어 있기 때문에 노드의 임의 타임 슬롯에 큐가 비어 있는 경우 해당 노드는 패킷 전송을 수행하지 않고, 다음 타임 슬롯까지 대기하게 되므로 트래픽이 분균일한 네트워크에서는 트래픽 처리율이 상당히 저하되는 문제점이 있다.
상술한 바와 같이 WDM 링 네트워크에 적용되는 종래 FIFO MAC 프로토콜은 공평성을 보장하기 어려우며, ARR, SRR 프로토콜은 프로토콜의 구조가 복잡하여 네트워크 구성이 어려우며, MSD 프로토콜과 I-TDMA 프로토콜은 공평성은 보장되나 불균일 트래픽이 빈번하게 발생되는 네트워크에서는 트래픽 처리율이 상당히 저하되는 문제점이 있게 된다.
이에 본 발명은 상기한 문제점을 해결하도록 창출된 것으로서, WDM 링 네트워크의 소스 노드와 목적지 노드 간의 패킷 전송시 싱글 홉 방식 기반에 멀티 홉 방식을 병용하도록 함으로써 패킷 전송의 공평성을 보장함과 아울러 불균일 네트워크에서도 트래픽 처리율을 향상시킬 수 있도록 된 WDM 링 네트워크에 적용되는 멀티 홉 임베딩 방식의 노드간 패킷 전송 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
도 1은 일반적인 단방향 WDM 링 네트워크에 적용되는 노드의 구조를 간략히 나타낸 블록구성도.
도 2는 일반적인 단방향 WDM 링 네트워크의 일예를 나타낸 도면.
도 3은 종래 MSD 프로토콜을 설명하기 위한 도면.
도 4는 종래 I-TDMA 프로토콜의 각 노드별 채널 할당 방식을 설명하기 위한 도면.
도 5는 본 발명에 따른 심도1의 ME-SA 프로토콜이 형성하는 WDM 링 네트워크의 광경로를 나타낸 도면.
도 6은 본 발명에 따른 심도2의 ME-SA 프로토콜이 형성하는 WDM 링 네트워크의 광경로를 나타낸 도면.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 WDM 링 네트워크에 적용되는 멀티 홉 임베딩 방식의 노드간 패킷 전송 방법의 동작을 설명하기 위한 플로우챠트.
도 8 내지 도 12은 본 발명의 일실시예에 따른 ME-SA 프로토콜과 종래 프로토콜를 비교한 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면.
도 13 및 도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따른 WDM 링 네트워크에 적용되는 멀티 홉 임베딩 방식의 노드간 패킷 전송 방법을 설명하기 위한 도면.
도 15 내지 도 19는 본 발명의 다른 실시예에 따른 ME-TDMA 프로토콜과 종래 프로토콜을 비교한 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면.
*** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ***
11 : 송신기, 12 : 수신기,
13 : 수동 다중화기(ADM) 21~24 : 노드,
OF : 광섬유, ch1~ch12 : 채널,
P1~P8 : 패킷, L1 : 최소 슬롯 거리,
S1~SN-1: 타임 슬롯.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 WDM 링 네트워크에 적용되는 멀티 홉 임베딩 방식의 노드간 패킷 전송 방법은 WDM 링 네트워크에 적용되는 노드간 패킷 전송방법에 있어서, 소스 노드로부터 목적지 노드로 싱글 홉 방식에 의한 패킷 전송을 수행하는 싱글 홉 전송단계와, 상기 목적지 노드의 홈 채널을 다른 노드가 사용하는 경우 상기 소스 노드의 전송대상 패킷을 소정 중간 노드를 경유하여 상기 목적지 노드로 전송하는 멀티 홉 전송단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에서 상기 싱글 홉 전송단계가 Slotted Aloha 프로토콜에 따라 수행되는 경우 상기 멀티 홉 전송단계는 노드간 논리적 경로거리를 결정하는 소정 심도를 지정하는 제1 단계와, 상기 심도에 따라 경로설정된 노드를 상기 중간 노드로 하여 상기 소스 노드의 패킷을 전송하는 제2 단계와, 상기 중간 노드가 수신된 패킷을 상기 목적지 노드로 전송하는 제3 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에서 상기 싱글 홉 전송단계가 Slotted Aloha 프로토콜에 따라수행되는 경우 상기 소스 노드는 상기 목적지 노드의 채널과 상기 중간 노드의 채널에 대한 채널감시를 수행하여 싱글 홉 전송과 멀티 홉 전송을 선택적으로 수행하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에서 상기 싱글 홉 전송단계가 I-TDMA 프로토콜에 따라 수행되는 경우 상기 멀티 홉 전송단계는 상기 목적지 노드의 채널이 할당되고 큐가 비어 있는 적어도 하나의 노드를 상기 중간 노드로 지정하는 제1 단계와, 상기 소스 노드의 연속된 큐로부터 임의적으로 선택된 적어도 하나의 패킷을 독출하는 제2 단계와, 독출된 패킷을 상기 중간 노드로 멀티 홉 전송하는 제3 단계와, 상기 중간 노드가 수신된 패킷을 상기 목적지 노드로 전송하는 제4 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에서 상기 싱글 홉 전송단계가 I-TDMA 프로토콜에 따라 수행되는 경우 상기 멀티 홉 전송단계는 상기 목적지 노드의 채널이 할당되고 큐가 비어 있는 적어도 하나의 노드를 상기 중간 노드로 지정하는 제1 단계와, 상기 소스 노드의 연속된 큐로부터 최장 큐의 패킷을 독출하는 제2 단계와, 독출된 패킷을 상기 중간 노드로 멀티 홉 전송하는 제3 단계와, 상기 중간 노드가 수신된 패킷을 상기 목적지 노드로 전송하는 제4 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
상기한 구성에 의하면, WDM 링 네트워크의 노드간 패킷 전송시 공평성을 보장하면서도 트래픽 처리율을 향상시킬 수 있게 된다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하기로 한다.
먼저 본 발명이 제안하는 WDM 링 네트워크에 적용되는 멀티 홉 임베딩 방식의 노드간 패킷 전송 방법의 기본 개념을 설명하기로 한다. 본 발명의 기본 개념은 패킷 전송시 각 노드에서 채널 검사를 수행하는 임의 접근 방식의 프로토콜(예컨대, Slotted Aloha)과, 채널 검사를 수행하지 않는 고정 할당 방식의 프로토콜(예컨대, I-TDMA)에 각각 멀티 홉 방식을 병용하도록 한 것이다.
즉 각 노드에 도 1의 동조가능한 송신기(11)와 고정된 수신기(12)를 구비하는 WDM 링 네트워크는 싱글 홉 네트워크로 구성되기 때문에 본 발명의 경우 기본적으로 싱글 홉 방식으로 노드간 패킷을 전송하고, 다수의 소스 노드가 동일한 목적지 노드에 접근하는 경우와 같이 싱글 홉 방식을 이용하지 못하는 경우에만 멀티 홉 방식을 이용하여 노드간 패킷을 전송함으로써 공평성과 트래픽 처리율을 모두 향상시킬 수 있도록 한 것이다.
이하 도 5 내지 도 7을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 WDM 링 네트워크에 적용되는 멀티 홉 임베딩 방식의 노드간 패킷 전송 방법을 상세히 설명하기로 한다. 본 일실시예에서는 종래 임의 접근 방식의 Slotted Aloha 프로토콜에 멀티 홉 방식을 적용한 프로토콜(이하, "ME-SA(Multi-hop Embedded - Slotted Aloha) 프로토콜"이라 칭함)을 제안한다.
또한 상기 ME-SA 프로토콜은 싱글 홉 방식으로 동작되는 경우 도 2의 네트워크 구조에서 동작되는 FIFO-MAC 프로토콜과 동일한 동작을 수행하도록 구성된다.
그리고 다음은 상기 ME-SA 프로토콜의 동작을 위한 기본 조건이다.
첫째 네트워크의 각 노드에는 패킷을 저장하기 위한 버퍼가 하나씩 구비되어야 한다.
둘째 다른 노드로의 패킷 전송을 위한 논리적 FIFO 큐가 하나씩 존재해야 하며, 각 큐의 첫 번째 패킷 만이 전송에 고려된다.
셋째 전송중인 패킷은 전송 대기중인 패킷 보다 항상 높은 우선순위를 가지며, 우선순위가 낮은 패킷은 다음 타임 슬롯 까지 전송 대기된다.
넷째 각 노드의 패킷 전송은 싱글 홉을 기본으로 하고, 싱글 홉이 어려울 경우만 멀티 홉을 통해 수행된다.
다섯째 멀티 홉 수행은 낮은 심도(Depth)로부터 해당 중간 노드의 채널감시를 통해 수행되며, 소스 노드와 중간 노드간 거리는 그 심도에 따라 결정된다.
여섯째 각 노드는 전송 대상 패킷의 목적지 노드의 채널과 중간 노드의 채널에 대한 채널감시를 수행하여 싱글 또는 멀티 홉 전송을 선택적으로 수행한다.
도 5는 심도1의 ME-SA 프로토콜이 형성하는 WDM 링 네트워크의 광경로를 나타낸 것으로서, 도 5의 제1 내지 제4 노드(21~24)는 제1 내지 제4 채널(ch5~ch8)을 통해 각각 노드간 거리1의 논리적 경로를 형성하게 된다. 그리고 도 6은 심도2의 ME-SA 프로토콜이 형성하는 WDM 링 네트워크의 광경로를 나타낸 것으로서, 도 6의 제1 내지 제4 노드(21~24)는 제1 내지 제4 채널(ch9~ch12)을 통해 각각 노드간 거리2의 논리적 경로를 형성하게 된다.
그리고 도 2, 도 5 및 도 6에서 제1 내지 제4 채널(ch1~ch4, ch5~ch8, ch9~ch12)은 설명의 편의상 서로 다른 참조번호를 붙였으나, 실제 채널의 갯수는 네크워크에 미리 할당된 갯수로 정해져 있으며, 상기 ME-SA 프로토콜의 단일/멀티 홉 동작에 따라 그 논리적 경로만 변화되는 것이다.
그리고 도 5 및 도 6의 제1 내지 제4 노드(21~24)는 도 1에서 설명한 노드와 동일한 구성을 가지게 되고, 멀티 홉에 따른 패킷 전송을 위해 각 심도에 따른 채널에 동조되게 된다. 그리고 각 노드는 상기 ME-SA 프로토콜에 따라 싱글 홉 전송의 경우 목적지 홈 채널에 대해 채널 감시를 수행하고, 멀티 홉 전송의 경우 해당 중간 노드에 대해 채널 감시를 수행하게 된다.
노드의 채널 감시 기능은 서브캐리어 시그널링(Subcarrier signaling) 기법을 이용하여 수행되며, 이는 [I. Chlamtac, A, Fumagalli, L.G. Kazovsky, P.T. Poggiolini, "A Multi-Gbit/s WDM optical packet network with physical ring topology and multi-subcarrier header encoding," ECOC '93, Montreux, Switzerland, Sept. 1993]과 [A. Budman et al., "Multigigabit optical packet switch for self-routing networks with subcarrier addressing," OFC '92, paper Tu04, San Jose, CA, Feb. 1992]에 기재되어 있으며, 본 명세서에서 그 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 WDM 링 네트워크에 적용되는 멀티 홉 임베딩 방식의 노드간 패킷 전송 방법의 동작을 설명하기 위한 플로우챠트로서, 이는 ME-SA 심도가 2인 경우를 나타낸 것이다. 설명의 편의상 노드 번호는 i로 표시하기로 한다.
먼저 자신의 FIFO 큐에 전송 대상 패킷이 있는 노드i는 해당 패킷의 헤더를 판독하여 그 패킷의 목적지 노드를 확인하고, 채널 감시를 통해 그 목적지 노드의 홈 채널이 사용중인지 비어 있는지를 조사하게 된다.(ST701~ST703 단계)
이때 목적지 노드의 채널이 사용중이 아닌 것으로 판정된 경우 노드i는 목적지 노드로 싱글 홉 방식에 따라 해당 패킷을 전송하고(ST704 단계), 목적지 노드의 채널이 사용중인 것으로 판정된 경우 노드i는 먼저 ME-SA 심도1에 따라 해당 중간 노드(노드i+1)의 채널 감시를 수행하여 그 중간 노드의 채널이 사용중인지 여부를 조사하게 된다. 예컨대 소스 노드가 노드2인 경우 ME-SA 심도1에 따른 중간 노드는 소스 노드에서 노드거리 1 만큼 떨어진 노드3으로 설정되고, 노드2는 노드3에 대한 채널 감시를 수행하여 그 사용여부를 조사하게 된다.(ST705, ST706 단계)
이 경우 그 중간 노드의 채널이 사용중이 아닌 것으로 판정된 경우 노드i는 그 중간 노드로 패킷을 전송하고(ST707 단계), 수신된 패킷을 일시 저장한 중간 노드는 다음 슬롯 타임에 해당 패킷을 목적지 모드로 전송하게 된다.(ST708 단계)
그리고 도 7의 ST706 단계에서 중간 노드의 채널도 사용중인 것으로 판정되고, ME-SA 심도가 2 까지 설정되지 않은 경우 노드i는 다음 슬롯 타임 까지 패킷 전송을 대기시킨 후(ST709, ST710 단계), ST702 단계로 이동하여 이후 동작을 반복하게 된다.
한편 도 7의 ST709 단계에서 ME-SA 심도가 2로 설정된 경우 노드i는 ME-SA 심도2에 따라 중간 노드(노드i+2)의 채널을 감시한 후(ST711 단계), ST706 단계로 이동하여 이후 동작을 반복하게 된다. 예컨대 소스 노드가 노드2인 경우 ME-SA 심도2에 따른 중간 노드는 소스 노드에서 노드거리 2 만큼 떨어진 노드4로 설정되고, 노드2는 노드4에 대한 채널 감시를 수행하여 그 사용여부를 조사하게 된다.
그리고 상기 ST711 단계의 채널 감시 결과 그 중간 노드(노드i+2)도 사용중인 것으로 판정된 경우 노드i는 ST710 단계에 따라 다음 슬롯 타임 까지 패킷 전송을 대기시킨 후, ST702 단계로 이동하여 이후 동작을 반복하게 된다.
본 실시예에서는 심도2의 ME-SA 까지 설명하였으나, 네트워크의 노드 갯수가 많은 경우 ME-SA 심도 3, 4... 등으로 그 심도를 확장하는 것도 가능하다.
이하에서는 도 8 내지 도 12를 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 ME-SA 프로토콜과 종래 프로토콜(Slotted Aloha, FIFO MAC, MSD)을 비교한 시뮬레이션 결과를 설명하기로 한다.
본 시뮬레이션에서는 실험대상으로 8 개의 노드를 가지는 WDM 링 네트워크를 선택하였으며, 시뮬레이션 툴로는 SLAM Ⅱ[A.A.B. Pritsker, Introduction to simulation and SLAM Ⅱ, John WieklySons, 1986]를 이용하였으며, 실험조건에서 패킷 전송 시간은 정확히 하나의 슬롯 타임으로 정하였으며, 모든 슬롯 타임은 1로 통일하였다.
그리고 시뮬레이션은 크게 균일 트래픽과 불균일 트래픽의 상황에서 트래픽 처리율, 지연시간, 평균 홉(Hop)수를 도출하도록 수행하였다. 상기 트래픽 처리율은 목적지 노드에 도착된 패킷 만을 고려하였고, 상기 지연시간은 패킷이 발생되어 목적지 노드에 도착될 때 까지의 평균 시간을 의미하며, 상기 평균 홉수는 패킷이 소스 노드로부터 목적지 노드로 도착될 때 까지 겪는 홉수를 의미한다.
도 8, 도 9는 균일 트래픽(Uniform Traffic) 상황의 WDM 링 네트워크에서 각 프로토콜별 트래픽 처리율(Throughput)과 지연시간을 각각 나타낸 것으로서, 본 발명에 따른 심도1, 2의 ME-SA는 멀티 홉의 사용빈도가 적은 균일 트래픽에서는 기존의 FIFO MAC 보다 최대 6%, 최소 4%의 트래픽 처리율의 향상을 보였으며, 지연시간에서는 최대 10%, 최소 9%의 성능 향상을 보였으며, 공평성을 보장하는 MSD 보다는 현격한 트래픽 처리율의 향상을 보였다.
도 10은 불균일 트래픽(Non-uniform Traffic) 상황의 WDM 링 네트워크에서 각 프로토콜별 트래픽 처리율을 나타낸 것이고, 도 11은 노드로드가 0.5로 일정할 경우 각 노드의 트래픽 처리율을 프로토콜별로 나타낸 것으로서, 이 경우 노드1은 트래픽의 절반을 차지하는 서버이고, 노드2 내지 8은 클라이언트인 서버-클라이언트 네트워크를 가정하여 시뮬레이션 한 것이다.
도 10에서 ME-SA의 경우 전체적인 트래픽 처리율을 FIFO MAC 보다 다소 향상시키면서 공평성을 보장한다는 것을 알 수 있으며, 비교적 공평성이 좋은 MSD에 비해서는 트래픽 처리율이 35% 향상된 점을 볼 수 있다. 그리고 도 11에서 FIFO MAC의 경우 클라이언트 노드6 내지 8은 다른 노드 보다 우선순위가 낮아 자신의 패킷을 서버로 거의 전송하지 못하였으나, ME-SA의 경우 모든 클라이언트 노드에 균일한 공평성을 제공하게 된다. 따라서 심도1, 2의 ME-SA는 공평성을 보장하면서도, 트래픽 처리율을 저하시키지 않음을 알 수 있다.
도 12는 본 발명에 따른 ME-SA 프로토콜의 평균 홉수를 나타낸 것으로서, 패킷 전송시 목적지 노드 까지 평균 홉수가 2홉을 넘지 않음을 알 수 있다.(싱글 홉의 경우 목적지 노드에 1홉으로 도달됨) 이는 본 발명에 따른 ME-SA 프로토콜이 혼잡을 야기하는 패킷 만을 멀티 홉 방식으로 전송한다는 것을 의미한다.
상술한 바와 같이 WDM 링 네트워크에 본 발명에 따른 ME-SA 프로토콜은 적용하게 되면, 혼잡 노드로 인하여 전송지연된 패킷이 우선순위를 가질 때 까지 멀티 홉 방식으로 순환시킴으로써 네트워크에 더욱 향상된 공평성을 보장하면서도, 불균일 트래픽에서의 발생되는 처리율 저하를 방지할 수 있게 된다.
이하 본 발명의 다른 실시예에 따른 WDM 링 네트워크에 적용되는 멀티 홉 임베딩 방식의 노드간 패킷 전송 방법을 설명하기로 한다. 본 다른 실시예에서는 종래 I-TDMA 프로토콜에 멀티 홉 방식을 임베딩한 프로토콜(이하, "ME-TDMA 프로토콜"이라 칭함)을 제안한다.
상기 ME-TDMA 프로토콜은 싱글 홉 방식으로 동작되는 경우 도 2의 네트워크 구조에서 동작되는 I-TDMA 프로토콜과 동일한 동작을 수행하기 때문에 도 4의 채널 할당표를 그대로 이용하게 된다.
다음은 상기 ME-TDMA 프로토콜의 동작을 위한 기본 조건이다.
첫째 기본적으로 네트워크의 모든 노드에 채널자원을 균등하게 분배한다.
둘째 네트워크의 각 노드는 미리 할당된 채널로 패킷을 전송하기 때문에 채널 검사 기능이 요구되지 않는다.
셋째 네트워크의 노드가 N 개인 경우 각 노드는 모든 목적지 노드의 패킷을 저장하기 위한 N-1 개의 큐가 존재해야 한다.
넷째 각 노드의 패킷 전송은 싱글 홉 방식을 기본으로 하고, 싱글 홉 방식이 어려운 노드는 랜덤(Random) 또는 최장(Longest) 큐를 선택하여 다른 노드의 할당 채널을 이용하여 멀티 홉 전송한다.
다섯째 임의 노드의 큐가 비어 있는 경우 다른 노드의 큐에 있는 패킷이 멀티 홉 방식으로 그 임의 노드에 큐에 저장된다.
여섯째 멀티 홉 방식으로 패킷을 전송하는 노드는 큐의 공백을 방지하도록 적어도 둘 이상의 채워진 큐가 존재해야 한다.
이하 도 13 및 도 14를 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 ME-TDMA 프로토콜의 동작을 설명하기로 한다. 예컨대 도 13과 같이 8 개의 노드와 채널로 이루어진 네트워크에서 노드1의 첫번째 타임 슬롯에 목적지 노드의 채널이 2인 패킷 8개(P1~P8)가 연이어 생긴 경우 종래 I-TDMA 프로토콜의 경우 그 패킷(P1~P8)의 전송에 8 개의 프레임(Frame)이 요구된다.
이 경우 상기 ME-TDMA 프로토콜을 적용하게 되면, 도 13의 프레임1 내지 8에 속하는 8 개의 패킷(P1~P8)은 도 14와 같이 프레임1에서는 먼저 첫 번째 패킷(P1)이 I-TDMA와 같이 그 할당 채널을 통해 목적지 노드로 싱글 홉 전송되고, 다른 7 개의 패킷(P2~P8)은 노드3 내지 8의 할당 채널(채널2)로 멀티 홉 전송된다. 그리고 멀티 홉 전송된 패킷(P2~P8)은 프레임2에서 노드3 내지 8의 할당 채널(채널2)을 사용하여 목적지 노드로 전송된다.
따라서 상기 ME-TDMA 프로토콜을 사용하게 되면, 비교적 적은 수의 프레임으로 하나의 노드에 연속된 패킷을 다른 비어있는 노드에 멀티 홉 방식으로 분배전송함에 따라 채널의 활용도를 높일 수 있으며, 이러한 ME-TDMA는 혼잡 패킷의 발생시하나의 타임 슬롯에 목적지 노드의 채널사용 허락(Permission)을 네트워크 전체가 공유하게 됨에 따라 불균일 네트워크에서도 향상된 트래픽 처리율을 보장할 수 있게 된다.
이하에서는 도 15 내지 도 18을 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 ME-TDMA 프로토콜과 종래 프로토콜(Slotted Aloha, FIFO MAC, MSD)을 비교한 시뮬레이션 결과를 설명하기로 한다. 시뮬레이션 툴과 실험조건은 기본적으로 ME-SA 프로토콜과 동일하고, 노드의 큐 선택 방식이 랜덤(Random) 또는 최장(Longest)인지에 따라 랜덤 ME-TDMA, 최장 ME-TDMA로 구분하여 시뮬레이션을 진행하였다.
도 15, 도 16는 균일 트래픽 상황의 WDM 링 네트워크에서 각 프로토콜별 트래픽 처리율과 지연시간을 각각 나타낸 것으로서, 랜덤 ME-TDMA와 최장 ME-TDMA는 I-TDMA 보다 각각 2%, 3% 정도의 트래픽 처리율 향상을 보였으며, 지연시간에서는 최대 15% 정도의 성능 향상을 보여준다.
도 17, 도 18은 불균일 트래픽 상황의 WDM 링 네트워크에서 각 프로토콜별 트래픽 처리율과 지연시간을 각각 나타낸 것으로서, 랜덤 ME-TDMA와 최장 ME-TDMA는 I-TDMA 보다 각각 35%, 37% 정도의 트래픽 처리율 향상을 보였으며, 지연시간에서는 각각 71%, 72% 정도의 성능 향상을 보여준다. 예상한 바와 같이 본 발명에 따른 ME-TDMA는 불균일 트래픽에서는 다른 프로토콜에 비하여 현격한 성능 향상을 보여줌을 알 수 있었다.
도 19는 본 발명에 따른 ME-TDMA 프로토콜의 평균 홉수를 나타낸 것으로서, ME-TDMA 또한 상술한 ME-SA 처럼 목적지 노드 까지 평균 홉수가 2홉을 넘지 않으면서도 트래픽 처리율을 향상시키고, 지연시간을 감소시킴을 알 수 있다.
상술한 바와 같이 WDM 링 네트워크에 본 발명에 따른 ME-TDMA 프로토콜은 적용하게 되면, 기본적으로 모든 노드에 균등하게 채널을 할당하고, 싱글 홉이 가능하지 않을 경우만 멀티 홉을 적용하여 혼잡 패킷의 발생을 최소화 하게 된다. 따라서 네트워크에 공평성을 보장하면서도, 불균일 트래픽에서 트래픽 처리율의 저하를 방지할 수 있게 된다.
한편 상기한 양 실시예의 경우 단방향 WDM 링 네트워크에 적용된 예를 설명한 것으로서, 간단한 수정만으로 본 발명을 양방향 WDM 링 네트워크 적용하는 것도 가능하다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, WDM 링 네트워크의 노드간 패킷 전송시 싱글 홉 방식을 기본으로 하고, 멀티 홉 방식을 병용함으로써 노드간 패킷 전송의 공평성을 보장함은 물론 혼잡 패킷에 의한 노드의 전송지연을 최소화하여 트래픽 처리율을 향상시키고, 지연시간을 감소시킬 수 있으며, 특히 불균일 네트워크에서 공평성을 보장하면서도 트래픽 처리율의 저하를 방지할 수 있게 된다.

Claims (8)

  1. WDM 링 네트워크에 적용되는 노드간 패킷 전송방법에 있어서,
    소스 노드로부터 목적지 노드로 싱글 홉 방식에 의한 패킷 전송을 수행하는 싱글 홉 전송단계와, 상기 목적지 노드의 홈 채널을 다른 노드가 사용하는 경우 상기 소스 노드의 전송대상 패킷을 소정 중간 노드를 경유하여 상기 목적지 노드로 전송하는 멀티 홉 전송단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 WDM 링 네트워크에 적용되는 멀티 홉 임베딩 방식의 노드간 패킷 전송 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 싱글 홉 전송단계는 Slotted Aloha 프로토콜에 따라 수행되는 것을 특징으로 하는 WDM 링 네트워크에 적용되는 멀티 홉 임베딩 방식의 노드간 패킷 전송 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 싱글 홉 전송단계는 I-TDMA 방식에 따라 수행되는 것을 특징으로 하는 WDM 링 네트워크에 적용되는 멀티 홉 임베딩 방식의 노드간 패킷 전송 방법.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 멀티 홉 전송단계는
    노드간 논리적 경로거리를 결정하는 소정 심도를 지정하는 제1 단계,
    상기 심도에 따라 경로설정된 노드를 상기 중간 노드로 하여 상기 소스 노드의 패킷을 전송하는 제2 단계,
    상기 중간 노드가 수신된 패킷을 상기 목적지 노드로 전송하는 제3 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 WDM 링 네트워크에 적용되는 멀티 홉 임베딩 방식의 노드간 패킷 전송 방법.
  5. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 소스 노드는 상기 목적지 노드의 채널과 상기 중간 노드의 채널에 대한 채널감시를 수행하여 싱글 홉 전송과 멀티 홉 전송을 선택적으로 수행하는 것을 특징으로 하는 WDM 링 네트워크에 적용되는 멀티 홉 임베딩 방식의 노드간 패킷 전송 방법.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 멀티 홉 전송단계는
    상기 목적지 노드의 채널이 할당되고 큐가 비어 있는 적어도 하나의 노드를 상기 중간 노드로 지정하는 제1 단계,
    상기 소스 노드의 연속된 큐로부터 임의적으로 선택된 적어도 하나의 패킷을 독출하는 제2 단계,
    독출된 패킷을 상기 중간 노드로 멀티 홉 전송하는 제3 단계,
    상기 중간 노드가 수신된 패킷을 상기 목적지 노드로 전송하는 제4 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 WDM 링 네트워크에 적용되는 멀티 홉 임베딩 방식의 노드간 패킷 전송 방법.
  7. 제 3 항에 있어서,
    상기 멀티 홉 전송단계는
    상기 목적지 노드의 채널이 할당되고 큐가 비어 있는 적어도 하나의 노드를 상기 중간 노드로 지정하는 제1 단계,
    상기 소스 노드의 연속된 큐로부터 최장 큐의 패킷을 독출하는 제2 단계,
    독출된 패킷을 상기 중간 노드로 멀티 홉 전송하는 제3 단계,
    상기 중간 노드가 수신된 패킷을 상기 목적지 노드로 전송하는 제4 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 WDM 링 네트워크에 적용되는 멀티 홉 임베딩 방식의 노드간 패킷 전송 방법.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 심도가 2 이상인 경우 멀티 홉 전송은 낮은 심도로부터 높은 심도로 순차적으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 WDM 링 네트워크에 적용되는 멀티 홉 임베딩 방식의 노드간 패킷 전송 방법.
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