KR20150125471A - METHOD AND APPARATUS FOR CONTROLLING CONGESTION IN A WIRELESS NETWORK USING Transmission Control Protocol - Google Patents

Abstract

The present invention relates to a method and an apparatus for controlling congestion in a wireless network using a transmission control protocol (TCP). The method for controlling congestion comprises the following steps: respectively estimating a transmission rate and a current round-trip delay time from received data; acquiring congestion control information by using the estimated transmission rate, and the estimated current round-trip delay time; and determining a size of a receiving window by using the congestion control information, and the current round-trip delay time.

Description

Translated fromKorean

전송 제어 프로토콜을 이용하는 무선 네트워크에서 혼잡 제어 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR CONTROLLING CONGESTION IN A WIRELESS NETWORK USING Transmission Control Protocol}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a congestion control method and apparatus in a wireless network using a transmission control protocol,

본 발명은 무선 네트워크에서 혼잡 제어 방법 및 장치에 대한 것으로서, TCP 기반의 무선 네트워크에서 혼잡 제어 방법 및 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a congestion control method and apparatus in a wireless network, and a congestion control method and apparatus in a TCP based wireless network.

인터넷 기반의 유무선 네트워크에서 데이터 전송을 제어하는 프로토콜로서, 인터넷 표준화 단체인 IETF(Internet Engineering Task Force)에 의해 제안한 RFC(Request For Comments) 793은 전송 제어 프로토콜(Transmission Control Protocol : TCP)을 규정하고 있다. 상기 TCP는 인터넷에 접속된 노드들 간에 송수신되는 데이터를 패킷의 형태로 전송하기 위해 사용된다. 상기 TCP는 네트워크 계층의 인터넷 프로토콜(Internet Protocol : IP)에 대해 트랜스포트 계층(Transport Layer)의 프로토콜로서 동작하며, 통상적으로 TCP/IP로 칭해진다.A Request For Comments (RFC) 793 proposed by the Internet Engineering Task Force (IETF), which is an Internet standardization protocol, controls transmission of data in an Internet-based wired / wireless network, and defines a Transmission Control Protocol . The TCP is used to transmit data transmitted and received between nodes connected to the Internet in the form of packets. The TCP operates as a protocol of a transport layer for an Internet Protocol (IP) of a network layer, and is generally referred to as TCP / IP.

상기 TCP는 네트워크의 혼잡(Congestion) 상태를 고려하여 데이터 전송률을 조절하는 프로토콜로서, 상기 TCP는 수신기(receiver)로부터 송신기(sender)로 데이터 수신 확인을 위해 전달되는 애크(Acknowledge : ACK), 수신기가 송신기로 알려주는 윈도우(Window) 및 타임아웃 기능 등을 이용하여 혼잡 제어(Congestion Control) 알고리즘을 구현할 수 있다. 예를 들어 상기 TCP는 CUBIC, Reno, Vegas, HTCP(Hypertext Caching Protocol) 등의 버전이 사용되고 있으며, TCP 통신에서 수신기는 송신기로부터 데이터 세그먼트(Data Segment)를 수신하면, 그 데이터 세그먼트와 동일한 시퀀스 번호를 가지는 ACK를 전송한다. 그리고 송신기가 수신기로 데이터를 전송한 후, 수신기로부터 ACK를 수신하기 까지 걸리는 지연 시간을 왕복 지연 시간(Round Trip Time : RTT)이라 하며, 통상적으로 네트워크가 혼잡 상태로 되면, 상기 RTT는 증가된다. 상기 송신기와 수신기는 송신 노드와 수신 노드, 송신단과 수신단, 서버와 클라이언트 등의 다양한 명칭으로 칭해질 수 있으며, 본 명세서에서는 편의상 송신기와 수신기의 명칭을 사용하기로 한다.The TCP is a protocol for controlling a data rate in consideration of a congestion state of a network. The TCP is composed of an acknowledge (ACK) transmitted from a receiver to a sender for acknowledging data reception, A congestion control algorithm can be implemented using a window indicating a transmitter and a timeout function. For example, the TCP uses a version such as CUBIC, Reno, Vegas, and Hypertext Caching Protocol (HTCP). In a TCP communication, when a receiver receives a data segment from a transmitter, the receiver uses the same sequence number as the data segment The ACK transmits an ACK. The delay time from when a transmitter transmits data to a receiver to when it receives an ACK from a receiver is called a round trip time (RTT). Normally, when the network becomes congested, the RTT is increased. The transmitter and the receiver may be referred to as various names such as a transmitting node and a receiving node, a transmitting and receiving node, a server and a client, and the names of the transmitter and the receiver are used herein for the sake of convenience.

상기 TCP를 이용하는 유무선 네트워크에서 송신기는 상기 CUBIC, Reno, Vegas, HTCP 등의 알고리즘을 이용하여 혼잡 제어를 수행할 수 있다. 송신기는 혼잡 제어를 위해 혼잡 윈도우(congestion window : cwnd)의 사이즈(size)를 증가/감소시킬 수 있다. 상기 혼잡 윈도우(cwnd)는 상기 송신기가 전송할 수 있는 데이터 양을 나타낼 수 있다. 그리고 수신기는 또한 혼잡 제어를 위해 수신 윈도우(receiver window : rwnd)의 사이즈를 증가/감소시킬 수 있다. 상기 수신 윈도우(rwnd)는 상기 수신기가 수신할 수 있는 데이터 양 또는 공간의 양을 의미한다. 상기 수신 윈도우(rwnd)의 사이즈를 조절하여 혼잡 제어를 수행하는 방식은, 송신기에서 혼잡 윈도우(cwnd)의 사이즈를 조절하는 방식만으로는 급증하는 유무선 네트워크의 트래픽을 효율적으로 처리하는데 한계에 직면하였기 때문이다.In the wired / wireless network using the TCP, the transmitter can perform congestion control using algorithms such as CUBIC, Reno, Vegas, and HTCP. The transmitter can increase / decrease the size of the congestion window (cwnd) for congestion control. The congestion window (cwnd) may indicate the amount of data that the transmitter can transmit. And the receiver may also increase / decrease the size of the receiver window (rwnd) for congestion control. The reception window rwnd indicates the amount of data or the amount of space that the receiver can receive. The method of controlling congestion control by adjusting the size of the reception window rwnd is limited in that the method of efficiently controlling the traffic of the wired / wireless network, which is rapidly increasing only by adjusting the size of the congestion window (cwnd) .

상기 혼잡 제어와 관련하여 수신 윈도우(rwnd)의 사이즈를 결정하는 종래 방식의 예들로는 Auto-tuning 방식과, DRWA(Dynamic Receive Window Adjustment) 방식 등이 있다. 상기 Auto-tuning 방식을 설명하면, Auto-tuning 방식에서는 예컨대, 아래 <수학식 1>과 같이, 수신 윈도우 (rwnd)의 사이즈를 수신기가 추정한 송신기의 혼잡 윈도우(cwnd_est)의 사이즈 중 가장 큰 사이즈의 두 배로 결정한다.Examples of conventional methods for determining the size of the reception window (rwnd) in relation to the congestion control include an auto-tuning method and a dynamic receive window adjustment (DRWA) method. In the auto-tuning method, the size of the reception window (rwnd) is determined by the maximum value of the size of the congestion window (cwnd_est ) of the transmitter estimated by the receiver, as shown in Equation (1) It is decided to double the size.

(여기서 t는 현재 시간)(Where t is the current time)

따라서 상기 Auto-tuning 방식에서는 수신기의 버퍼 사이즈 부족으로 인해 송신기에서 TCP 흐름 제어(flow control)가 필요한 상태는 발생되지 않으며, 혼잡 제어는 송신기의 혼잡 제어 기법에 의해 수행될 수 있다.Therefore, in the auto-tuning method, there is no need for TCP flow control in the transmitter due to insufficient buffer size of the receiver, and congestion control can be performed by the congestion control method of the transmitter.

그러나 상기 Auto-tuning 방식의 경우, 수신 윈도우(rwnd)의 사이즈가 송신 윈도우(cwnd)의 최대 사이즈의 2 배로 설정되기 때문에 송신기가 불필요하게 많은 양의 데이터를 전송할 경우가 발생된다. 이러한 동작은, 송신기와 수신기 간의 데이터 전송 경로 상에 존재하는 큰 버퍼를 가진 라우터 또는 기지국(예컨대, 셀룰러 네트워크의 기지국 혹은 WiFi AP(Access Point))에서 과도한 버퍼링을 발생시키며, 결과적으로 중간 노드인 라우터에서 큐잉으로 인한 RTT 증가를 초래하게 된다.(즉 중간 노드에서 버퍼 부풀림(bufferbloat) 현상이 발생됨) 또한 수신기에서 버퍼 사이즈는 시스템 변수에 의해 제한되기 때문에 버퍼 사이즈를 적절하게 설정하지 못할 경우, LFN(Long Fat Network)와 같이 대역폭 지연 곱(Bandwidth Delay Product : BDP)가 매우 큰 네트워크의 경우 처리량(throughput) 저하를 피할 수 없게 된다. 상기 BDP는 데이터 전송 경로의 최대 처리량이며, 주어진 시간에 데이터 경로 상에 존재하는 최대 데이터 량을 의미한다.However, in the case of the auto-tuning method, since the size of the reception window rwnd is set to twice the maximum size of the transmission window cwnd, the transmitter may transmit unnecessarily large amounts of data. This operation causes excessive buffering in a router or base station (e.g., a base station or a WiFi AP (Access Point) of a cellular network) having a large buffer existing on the data transmission path between the transmitter and the receiver, The buffer size of the receiver is limited by the system variable. Therefore, if the buffer size can not be properly set, the LFN () In the case of a network having a very large bandwidth delay product (BDP) such as a long fat network, throughput degradation can not be avoided. The BDP is the maximum throughput of the data transmission path and means the maximum amount of data present on the data path at a given time.

또한 상기 DRWA 방식을 설명하면, 상기 DRWA 방식에서는 아래 <수학식 2>과 같이 수신윈도우(rwnd)의 사이즈가 수신기가 추정한 송신기의 혼잡 윈도우(cwnd_est) 사이즈에 비례하고, 또한 수신기가 예측한 RTT 값에 반비례하도록 결정된다.In the DRWA scheme, the size of the reception window (rwnd) is proportional to the size of the congestion window (cwnd_est ) of the transmitter estimated by the receiver, and the size of the reception window rwnd estimated by the receiver Is determined to be inversely proportional to the RTT value.

여기서,

는 상수이고, RTT_min는 큐잉 지연이 없을 경우 RTT의 최소 값이다.here,

Is a constant, and RTT_min is the minimum value of RTT when there is no queuing delay.

상기 DRWA 방식의 경우, 상기 Auto-tuning 방식에 비해 수신 윈도우(rwnd)의 사이즈를 동적으로 제어할 수 있지만, 다른 flow와 경쟁하는 경우 수신기에서 처리량 저하가 발생될 수 있다. 도 1을 참조하여 DRWA 방식을 구체적으로 설명하면, 도 1은 유선 네트워크의 서버(송신기)(110)로부터 전송된 데이터가 중간 노드들인 라우터(130), 기지국(150)을 경유하여 무선 네트워크의 단말(수신기)(170)로 전달되는 네트워크 구성 예를 나타낸 것이다. 도 1에서 수신기(170)가 Auto-tuning 방식을 이용하면, RTT에 반비례하도록 수신기(170)의 수신 윈도우(rwnd)의 사이즈가 결정되므로 중간 노드인 라우터(130) or 기지국(150)에서 큐잉으로 인한 RTT 증가가 발생된 경우, 수신기(170)는 수신 윈도우(rwnd)의 사이즈를 감소시켜 중간 노드에서 버퍼 부풀림(bufferbloat)현상을 해결할 수 있다. 그러나 상기 Auto-tuning 방식의 경우, 기지국(150)과 연결된 다른 단말들(수신기들)(도시되지 않음)의 데이터 흐름과 수신기(170)의 데이터 흐름 간에 경쟁이 발생되어 RTT가 증가된 경우에도 수신기(170)의 수신윈도우(rwnd)의 사이즈는 감소되며, 이로 인한 과도한 TCP 흐름 제어로 인해 처리량 저하를 초래하게 된다.In the case of the DRWA scheme, the size of the reception window (rwnd) can be dynamically controlled as compared with the auto-tuning scheme, but a throughput degradation may occur in the receiver if it compete with other flows. 1 is a block diagram illustrating a DRWA system according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 1, data transmitted from a server (transmitter) 110 of a wired network is transmitted to a terminal (Receiver) 170 according to an embodiment of the present invention. 1, when thereceiver 170 uses the auto-tuning method, since the size of the receiving window rwnd of thereceiver 170 is determined to be in inverse proportion to the RTT, Thereceiver 170 decrements the size of the receive window rwnd so as to buffer the buffer at the intermediate node, The phenomenon can be solved. However, in the case of the auto-tuning method, even if a competition occurs between the data flow of the other terminals (receivers) (not shown) connected to thebase station 150 and the data flow of thereceiver 170 and the RTT is increased, The size of the receiving window (rwnd) of theTCP 170 is reduced, which results in a decrease in throughput due to excessive TCP flow control.

상기와 같이 네트워크에서 RTT가 증가되는 원인은 송신기가 대량의 데이터를 전송하여 중간 노드에서 큐잉에 의한 지연이 발생되는 경우와, 다른 수신기의 경쟁 흐름으로 인해 중간 노드에서 지연이 발생되는 경우의 두 가지 경우가 있다. 그러나 상기한 종래 혼잡 제어 방식의 경우, 다른 수신기의 경쟁 흐름으로 인한 지연 발생 시에도 수신 윈도우(rwnd)의 사이즈는 감소되어 처리량 저하를 발생시킨다.As described above, the reason why the RTT increases in the network is as follows: a case where a delay occurs due to queuing at an intermediate node by a transmitter transmitting a large amount of data, and a case where a delay occurs at an intermediate node due to a competition flow of another receiver There is a case. However, in the conventional congestion control scheme, the size of the reception window rwnd is reduced even when a delay occurs due to a competition flow of other receivers, resulting in a decrease in throughput.

따라서 중간 노드에 의한, RTT 증가를 해결하면서 또한 상기한 처리량 저하를 해결할 수 있는 방안이 요구된다.
Therefore, there is a need for a solution capable of solving the increase of the RTT caused by the intermediate node while also solving the above-mentioned decrease in throughput.

본 발명은 TCP를 이용하는 무선 네트워크에서 수신 윈도우를 효율적으로 제어하는 혼잡 제어 방법 및 장치를 제공한다.The present invention provides a congestion control method and apparatus for efficiently controlling a reception window in a wireless network using TCP.

또한 본 발명은 TCP를 이용하는 무선 네트워크에서 RTT 증가를 해결하면서 경쟁 흐름으로 인한 처리량 저하를 방지할 수 있는 혼합 제어 방법 및 장치를 제공한다.In addition, the present invention provides a hybrid control method and apparatus that can prevent an increase in RTT in a wireless network using TCP while preventing a decrease in throughput due to a competition flow.

본 발명의 실시 예에 따른, TCP를 이용하는 무선 네트워크에서 혼잡 제어 방법은, 수신된 데이터로부터 전송률과 현재 왕복지연시간을 각각 추정하는 과정과, 상기 추정된 전송률과 상기 추정된 현재 왕복지연시간을 이용하여 혼잡 제어 정보를 획득하는 과정과, 상기 혼잡 제어 정보와 상기 현재 왕복지연시간을 이용하여 수신 윈도우의 사이즈를 결정하는 과정을 포함한다.A congestion control method in a wireless network using TCP according to an embodiment of the present invention includes the steps of estimating a transmission rate and a current round trip delay time from received data, respectively, and using the estimated current round trip delay time and the estimated round trip delay time And determining a size of a reception window using the congestion control information and the current round trip delay time.

또한 본 발명의 실시 예에 따른, 전송 제어 프로토콜(TCP)를 이용하는 무선 네트워크에서 혼잡 제어 장치는, 수신된 데이터로부터 전송률을 추정하는 전송률 추정부와, 상기 수신된 데이터로부터 현재 왕복지연시간을 추정하는 왕복지연시간 추정부와, 상기 추정된 전송률과 상기 추정된 현재 왕복지연시간을 이용하여 혼잡 제어 정보를 획득하고, 상기 혼잡 제어 정보와 상기 현재 왕복지연시간을 이용하여 수신 윈도우의 사이즈를 결정하는 동작을 제어하는 제어부를 포함한다.
Also, according to an embodiment of the present invention, in a wireless network using a transmission control protocol (TCP), a congestion control apparatus includes a transmission rate estimation unit that estimates a transmission rate from received data, Determining a size of a reception window using the congestion control information and the current round-trip delay time, calculating a round trip delay time using the estimated transmission rate and the estimated current round trip delay time, As shown in FIG.

도 1은 TCP를 이용하는 무선 네트워크에서 수신 윈도우를 제어하는 종래 혼잡 제어 방식을 설명하기 위한 도면,
도 2는 본 발명의 실시 예에 따라 수신 윈도우를 제어하는 혼잡 제어 장치의 구성을 나타낸 도면,
도 3은 본 발명의 실시 예에 따라 수신 윈도우를 제어하는 혼잡 제어 방법을 나타낸 순서도,
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 TCP를 이용하는 무선 네트워크에서 혼잡 제어 장치의 동작을 설명하기 위한 도면.1 is a diagram for explaining a conventional congestion control method for controlling a reception window in a wireless network using TCP,
2 is a block diagram of a congestion control apparatus for controlling a reception window according to an embodiment of the present invention;
3 is a flowchart illustrating a congestion control method for controlling a reception window according to an embodiment of the present invention;
4 is a diagram for explaining an operation of a congestion control apparatus in a wireless network using TCP according to an embodiment of the present invention.

하기에서 본 발명의 실시 예들을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS In the following description of the present invention, detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the subject matter of the present invention rather unclear.

본 발명의 실시 예에 따라 TCP를 이용하는 네트워크에서 송신기는 공지된 혼잡 제어 방법(예컨대, CUBIC, Reno, Vegas, HTCP 등)에 의해 혼잡 제어를 수행할 수 있다. 그리고 상기 송신기로부터 실제 전송되는 데이터 양은 혼잡 윈도우(cwnd)의 사이즈와 수신 윈도우(rwnd)의 사이즈 중 작은 사이즈로 결정될 수 있다.(즉 송신기의 실제 전송량 = min(cwnd, rwnd)) 또한 상기 송신기로부터 전송된 데이터를 수신하는 수신기는 상기 송신기로부터 수신한 데이터로부터 대역폭(bandwidth)(즉 전송률)과 RTT을 추정하고, 본 실시 예의 혼잡 제어 방법에 따라 상기 추정된 전송률과 RTT를 이용하여 상기 수신 윈도우(rwnd)의 사이즈를 결정한다. 그리고 상기 결정된 수신 윈도우(rwnd)의 사이즈는 송신기로 전송되는 패킷의 TCP 헤더에 포함되어 송신기로 전달된다.In a network using TCP according to an embodiment of the present invention, a transmitter can perform congestion control by a known congestion control method (e.g., CUBIC, Reno, Vegas, HTCP, etc.). The actual amount of data to be transmitted from the transmitter can be determined by a smaller size of the size of the congestion window cwnd and the size of the reception window rwnd. That is, the actual amount of transmission of the transmitter = min (cwnd, rwnd) The receiver receiving the transmitted data estimates a bandwidth (i.e., a transmission rate) and an RTT from the data received from the transmitter, and estimates the bandwidth (i.e., transmission rate) and the RTT using the estimated transmission rate and the RTT according to the congestion control method of the present embodiment. rwnd). The determined size of the reception window rwnd is included in the TCP header of the packet transmitted to the transmitter and is transmitted to the transmitter.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따라 수신 윈도우를 제어하는 혼잡 제어 장치의 구성을 나타낸 도면으로서, 도 2의 혼잡 제어 장치는 수신기에 구현되며, 상기 혼잡 제어 장치의 동작은 수신기의 동작으로 이해될 수 있다.2 is a block diagram of a congestion control apparatus for controlling a reception window according to an embodiment of the present invention. The congestion control apparatus of FIG. 2 is implemented in a receiver, and the operation of the congestion control apparatus is understood to be an operation of a receiver .

도 2를 참조하면, 혼잡 제어 장치는 RTT 추정부(210), 전송률 추정부(230), 그리고 제어부(250)를 포함한다. 상기 RTT 추정부(210)는 송신기가 전송한 데이터를 수신하고, 그 수신 데이터의 타임 스탬프(time stamp)를 근거로 RTT을 추정한다. 이하 상기 추정된 RTT를 RTT_est라 칭한다. 상기 전송률 추정부(230)는 상기 수신 데이터의 전송률(r_s)을 추정한다. 상기 전송률(r_s)은 아래 <수학식 3>을 이용하여 추정할 수 있다. 상기 전송률 추정부(230)의 기능은 수신기에서 대역폭 추정부의 기능으로 이해될 수 있다.2, the congestion control apparatus includes anRTT estimation unit 210, a transmissionrate estimation unit 230, and acontrol unit 250. TheRTT estimator 210 receives the data transmitted from the transmitter and estimates the RTT based on a time stamp of the received data. Hereinafter, the estimated RTT is referred to as RTT_est . The transmissionrate estimation unit 230 estimates a transmission rate r_s of the received data. The transmission rate r_s can be estimated using Equation (3) below. The function of therate estimator 230 may be understood as a function of the bandwidth estimator in the receiver.

상기 제어부(250)는 상기 추정된 전송률과 현재 추정된 RTT_est을 이용하여 본 실시 예에 따른 혼잡 제어 정보를 획득하고, 상기 혼잡 제어 정보, 현재 추정된 RTT_est와 현재까지 추정된 RTT_est들 중에서 최소 RTT_est인 RTT_min을 이용하여 수신 윈도우(rwnd)의 사이즈를 결정한다.Thecontrol unit 250 obtains the congestion control information according to the present embodiment using the estimated transmission rate and the currently estimated RTT_est , and transmits the congestion control information, the currently estimated RTT_est and the currently estimated RTT_est The size of the receiving window (rwnd) is determined using RTT_min which is the minimum RTT_est .

이하 본 실시 예에서 상기 수신 윈도우(rwnd)의 사이즈를 결정하는 방식을 보다 구체적으로 설명하기로 한다.Hereinafter, a method of determining the size of the reception window rwnd will be described in more detail.

본 실시 예에서 수신 윈도우(rwnd)의 사이즈를 결정하는 방식은 수신기에서 TCP-Friendly한 혼잡 제어 방법을 제안한 것이다.In this embodiment, the method of determining the size of the reception window (rwnd) is a TCP-friendly congestion control method in the receiver.

본 실시 예에서는 먼저 특정 시점에서 최적의 전송률을 알아야 하며, 상기 최적의 전송률은 " F. Kelly, "Charging and rate control for elastic traffic," European Transactions on Telecommunications, vol. 8, pp. 33-37, 1997."(이하, 인용문헌1)에서 제안된 최적화 문제의 솔루션을 이용하여 알 수 있다. 상기 최적화 문제의 솔루션은 현재 사용되고 있는 TCP 혼잡 제어 기법(Reno, Vegas 등)을 이용할 수 있다. 아래 <수학식 4>는 상기 인용문헌1에서 제안된 최적화 문제의 전송률 조건식이다.In the present embodiment, it is first necessary to know an optimal transmission rate at a specific point in time, and the optimal transmission rate is described in "F. Kelly," Charging and rate control for elastic traffic, "European Transactions on Telecommunications, vol. 1997. "(hereinafter, referred to as reference 1). The solution of the optimization problem can use the currently used TCP congestion control technique (Reno, Vegas, etc.). Equation (4) below is a transmission rate conditional expression of the optimization problem proposed in the cited document 1.

상기 <수학식 4>에서 q_s는 흐름 s가 지나가는 모든 경로에서의 혼잡 제어 정보(패킷손실률 혹은 지연시간)의 합을 의미하며, TCP 흐름 s의 효용 함수

를 미분하여 구해진다. 그리고 효용 함수

에서

는 흐름 s의 전송률을 의미한다. 상기 효용 함수는 TCP-Reno의 효용 함수를 이용할 수 있으며, 상기 TCP-Reno의 효용 함수는 "S. H. Low, "A Duality Model of TCP and Queue Management Algorithms," IEEE/ACM Transactions on Networking, vol. 11, no. 4, August, 2003"를 참조할 수 있다.그리고 상기 <수학식 4>와 TCP 흐름에서 상기 효용 함수를 이용하여 최적의 전송률을 다음 <수학식 5>와 같이 계산할 수 있다.In Equation (4), q_s means the sum of congestion control information (packet loss rate or delay time) in all paths through which the flow s passes, and the utility function

. And utility function

in

Is the transmission rate of the flow s. The utility function may use a utility function of TCP-Reno, and the utility function of the TCP-Reno may be defined as "SH Low," A Duality Model of TCP and Queue Management Algorithms, IEEE / ACM Transactions on Networking, No. 4, August, 2003 ". In Equation (4) and TCP flow, an optimal transmission rate can be calculated as Equation (5) using the utility function.

상기 <수학식 5>에서 RTT_min은 큐잉 지연이 없을 경우

, 즉 현재까지 추정된 RTT_est들 중에서 최소 RTT_est를 의미하며, a는 상기 효용 함수의 상수 값을 의미한다. 한편 상기 <수학식 3>을 참조하면, TCP에서 전송률은

의 관계를 가짐을 가정할 수 있다. 본 실시 예에서는 상기 <수학식 5>의 양 변에 RTT를 곱함으로써 최적의 수신 윈도우 사이즈를 아래 <수학식 6>과 같이 결정할 수 있다.In Equation (5), RTT_min is the time when there is no queuing delay

, That is, the minimum RTT_est among the estimated RTT_ests to date, and a denotes a constant value of the utility function. Meanwhile, referring to Equation (3), the transmission rate in TCP is

Of the total population. In this embodiment, by multiplying both sides of Equation (5) by RTT, an optimal reception window size can be determined as Equation (6) below.

그리고 상기 <수학식 6>에 따라 수신 윈도우의 사이즈를 결정하기 위해서는 TCP 흐름이 지나는 모든 경로에서의 혼잡 제어 정보인 q_s를 구해야 하며, 본 실시 예에서 상기 혼잡 제어 정보(q_s)는 아래 <수학식 7>을 이용하여 수신기에서 추정할 수 있다.And the <Equation 6> In order to determine the size of the receive window and seek a q_s congestion control information in all the paths, the TCP flow through, the congestion control information (q_s) in the embodiment in accordance with the following < Can be estimated by the receiver using Equation (7).

상기 <수학식 7>에서 Q_s는 수신기에서 추정한 백로그(backlog) 패킷의 개수이다. 상기 백로그 패킷은 라우터 또는 기지국과 같은 중간 노드의 버퍼에서 대기하는 대기 패킷을 의미한다. 그리고 K는 상기 백로그 패킷에 대한 가중치이며, 적어도 하나의 백로그 패킷이 존재함을 가정한다. 상기 혼잡 제어 정보인 q_s가 Q_s에 대한 증가함수 형태로 표현되는 것은 자명하며, 본 실시 예에서는 설명의 편의상 상기 <수학식 7>과 같이 Q_s에 대한 일차함수를 가정한다. 상기 백로그 패킷의 개수인 Q_s는 TCP-Vegas 방식과 유사하게 아래 <수학식 8>을 이용하여 수신기에서 추정할 수 있다.In Equation (7), Q_s is the number of backlog packets estimated by the receiver. The backlog packet is a waiting packet waiting in a buffer of an intermediate node such as a router or a base station. And K is a weight for the backlog packet, and it is assumed that at least one backlog packet exists. It is obvious that the congestion control information q_s is expressed in the form of an increasing function with respect to Q_s . In this embodiment, a linear function for Q_s is assumed as Equation (7). Q_s , the number of backlog packets, can be estimated by a receiver using Equation (8), similar to the TCP-Vegas method.

상기 <수학식 8>에서 r_s는 수신기에서 추정한 전송률을 의미하며, 상기 <수학식 3>을 이용하여 추정할 수 있다.In Equation (8), r_s denotes a transmission rate estimated by the receiver and can be estimated using Equation (3).

상기 <수학식 7>에서 상기 백로그 패킷에 대한 가중치 K는 송신기와 수신기 사이의 상기 대역폭 지연 곱(BDP)과 관련되며, 본 실시 예에서는 TCP의 톱니 모양의 동작 방법에 기인하여, 안정적인 동작 지점에서 수신 윈도우의 사이즈가 BDP의

배 (i.e.,

) 만큼 결정되도록 상기 가중치 K를 결정한다. 이러한 조건을 상기 <수학식 6>에 적용하면, 본 실시 예에서 상기 백로그 패킷에 대한 가중치 K 값은 아래 <수학식 9>와 같이 결정할 수 있다.In Equation (7), the weight K for the backlog packet is related to the bandwidth delay product (BDP) between the transmitter and the receiver. In this embodiment, due to the sawtooth operation method of the TCP, The size of the receiving window in BDP

The ship (ie,

&Lt; / RTI > When this condition is applied to Equation (6), the weight value K for the backlog packet can be determined according to Equation (9) below.

상기 <수학식 9>에서

는 본 출원인의 실험에 따르면, 1.35 ~ 1.42 사이의 상수값을 가지며. 이러한

값의 설정을 통해 큐잉 지연이 없는 이상적인 환경에서 송신기가 평균적으로 BDP 만큼 데이터를 전송할 수 있다.In Equation (9)

Has a constant value between 1.35 and 1.42, according to the experiments of the present applicant. Such

By setting the value, the transmitter can transmit data as much as BDP on average in an ideal environment without queuing delay.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따라 수신 윈도우를 제어하는 혼잡 제어 방법을 나타낸 순서도로서, 도 3의 혼잡 제어 방법은 본 실시 예에서 정의된 상기 <수학식 3> 내지 <수학식 9>를 이용하여 수신 윈도우(rwnd)의 사이즈를 결정하는 과정을 나타낸 것이다.FIG. 3 is a flowchart illustrating a congestion control method for controlling a reception window according to an embodiment of the present invention. The congestion control method of FIG. 3 uses the Equations 3 to 9 defined in the present embodiment Thereby determining the size of the reception window rwnd.

도 3을 참조하면, 301 단계에서 무선 네트워크에 접속된 수신기는 송신기로부터 라우터, 기지국 등의 중간 노드를 경유하여 수신된 데이터로부터 전송률과 현재 추정된 왕복지연시간(RTT_est)을 추정한다. 상기 현재 추정된 왕복지연시간(RTT_est)은 예컨대, 상기 수신된 데이터의 타임 스탬프를 근거로 추정되며, 상기 전송률은 상기 <수학식 3>을 이용하여 추정된다.Referring to FIG. 3, instep 301, a receiver connected to a wireless network estimates a transmission rate and a currently estimated round-trip delay time (RTT_est ) from data received from a transmitter via an intermediate node such as a router, a base station, and the like. The currently estimated round-trip delay time RTT_est is estimated based on, for example, a time stamp of the received data, and the transmission rate is estimated using Equation (3).

그리고 303 단계에서 수신기는 현재 추정된 전송률과 왕복지연시간(RTT_est)을 이용하여 상기 <수학식 4>와 같이 정의되는 혼잡 제어 정보(q_s)를 획득한다. 상기 혼잡 제어 정보(q_s)는 수신기에서 추정한 백로그(backlog) 패킷의 개수(Q_s)와 상기 백로그 패킷에 대한 가중치(K)를 이용하여 구해지며, 상기 백로그 패킷에 대한 가중치(K)는 상기 <수학식 9>를 이용하여 결정된다. 즉 상기 가중치(K)는 큐잉 지연이 없는 이상적인 환경에서 송신기가 평균적으로 BDP 만큼 데이터를 전송할 수 있도록

값을 설정하여 결정된다. 이후 305 단계에서 수신기는 상기 <수학식 6>에 따라 혼잡 제어 정보(q_s)와 현재 추정된 왕복지연시간(RTT_est)을 이용하여 수신 윈도우(rwnd)의 사이즈를 결정한다.Instep 303, the receiver obtains the congestion control information q_s defined by Equation (4) using the currently estimated transmission rate and round-trip delay time RTT_est . The congestion control information q_s is obtained by using the number Q_s of backlog packets estimated by the receiver and the weight K for the backlog packet, K) is determined using Equation (9). That is, the weight (K) is set so that the transmitter can transmit data as much as BDP on average in an ideal environment without queuing delay

Value is set. Instep 305, the receiver determines the size of the reception window rwnd using the congestion control information q_s and the currently estimated round-trip delay RTT_est according to Equation (6).

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 TCP를 이용하는 무선 네트워크에서 혼잡 제어 장치의 동작을 설명하기 위한 도면이다. 도 3에서 설명한 혼잡 제어 방법에 따라 본 실시 예의 수신기는 결과적으로 RTT_est및

값에 따라서 경쟁 플로우의 존재를 추정할 수 있으며, 그 기준값(c)은 RTT_min의 상수배로 설정될 수 있다.(i.e., c*RTT_min, c는 1 이상의 상수로써, 실험적으로 1.5 내지 2 사이의 값을 가질 수 있다.)4 is a diagram for explaining an operation of a congestion control apparatus in a wireless network using TCP according to an embodiment of the present invention. According to the congestion control method described in FIG. 3, the receiver of the present embodiment consequently_obtains RTT_est and

And to estimate the existence of the value thus compete flow, the reference value (c) may be set to times constant RTT_min. (Ie, c * RTT_min, c is between, empirically 1.5 to 2 as one or more constant Can have a value of.

즉 도 4를 참조하면, 401 단계에서 TCP 세션이 시작된 후, 수신기는 403 단계에서

의 조건을 만족하면, 405 단계에서 수신 윈도우의 사이즈를 증가시킨다. 이 경우는 다른 수신기(들)에 의한 경쟁 흐름에 의해 RTT_est가 증가되는 경우로 간주되며, 수신 윈도우(rwnd)의 사이즈를 증가시킴에 따라 다른 수신기(들)에 의한 경쟁 흐름과 비교하였을 때, 유사한 처리량을 얻을 수 있다. 따라서 기존 방식과 같이 경쟁 흐름에 의한 처리량 저하를 방지할 수 있다. 한편 수신기는 상기 403 단계에서

의 조건을 만족하지 않는 경우, 즉 RTT_est가 증가하더라도 RTT_est가

에 도달하기 전까지는 수신 윈도우의 사이즈를 감소시킴으로써 송신기가 과도한 데이터를 전송하지 않게 제어한다. 이 경우 RTT가 증가되는 것을 방지할 수 있다. 그리고 상기 405 단계와 상기 407 단계에서 증가 또는 감소되는 수신 윈도우의 사이즈는 상기한 <수학식 6>에 의해 결정된다. 한편 상기 RTT_est의 증가 또는 감소는 현재 추정된 RTT_est와 직전에 추정된 RTT_est의 비교를 통해 알 수 있다.That is, referring to FIG. 4, after the TCP session is started instep 401,

The size of the receiving window is increased instep 405. In this case, This case is considered to be the case where RTT_est is increased by the competition flow by the other receiver (s), and when compared to the competition flow by the other receiver (s) by increasing the size of the reception window rwnd, A similar throughput can be obtained. Therefore, it is possible to prevent the throughput degradation due to the competition flow as in the conventional method. Meanwhile, instep 403,

RTT_est does not satisfy the condition of RTT_est

The size of the receiving window is decreased to control the transmitter not to transmit excessive data. In this case, it is possible to prevent the RTT from being increased. The sizes of the reception windows increased or decreased insteps 405 and 407 are determined according to Equation (6). The increase or decrease in the RTT_est can be determined through a comparison of the RTT in the RTT estimation_estest and just before the current estimate.

도 5 내지 도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 혼잡 제어 방법(이하, RTFC(Receiver Side TCP Friendly Congestion Control) 방식)의 성능을 배경 기술에서 기술한 기존 Auto-tuning 방식 및 DRWA 방식과 비교한 것으로서, 네트워크는 WiFi 와, LTE 시스템을 각각 가정한 것이다. 도 5 및 도 6은 다른 TCP 흐름과 경쟁하지 않는 네트워크 환경에서 Auto-tuning 방식(501, 601, 511, 611), DRWA 방식(503, 603, 513, 613), 및 RTFC 방식(505, 605, 515, 615)의 처리량과 RTT를 각각 비교하여 나타낸 것이다. RTFC 방식(505, 605, 515, 615)을 적용한 경우, Auto-tuning 방식(501, 601, 511, 611), DRWA 방식(503, 603, 513, 613)과 유사한 처리량을 나타내면서(즉 처리량은 감소되지 않으면서) 큐잉 지연이 보다 감소됨(즉 RTT는 낮게 유지됨)을 알 수 있다. 도 7은 다른 TCP 흐름과 경쟁하는 네트워크 환경에서 Auto-tuning 방식(701, 711), DRWA 방식(703, 713), 및 RTFC 방식(705, 715)의 처리량을 비교하여 나타낸 것이다. RTFC 방식(705, 715)을 적용한 경우, DRWA 방식(703, 713)과 비교하였을 때, 처리량의 저하를 방지하면서, Auto-tuning 방식(701, 711)가 동일한 수준의 처리량을 보임을 알 수 있다.5 to 7 illustrate performance of a congestion control method (RTFC) according to an embodiment of the present invention compared to the conventional auto-tuning method and DRWA method described in the background , And the network assumes WiFi and LTE systems, respectively. 5 and 6 illustrate an example of an auto-tuning method 501, 601, 511, and 611,DRWA methods 503, 603, 513, and 613, andRTFC methods 505 and 605, 515, and 615 and RTT, respectively. When theRTFC methods 505, 605, 515, and 615 are applied, processing amounts similar to those of the auto-tuningmethods 501, 601, 511, and 611 and theDRWA methods 503, 603, 513, (I.e., the RTT is kept low). &Lt; / RTI &gt; 7 shows the throughputs of the auto-tuningmethods 701 and 711, theDRWA methods 703 and 713, and theRTFC methods 705 and 715 in a network environment competing with other TCP flows. When theRTFC schemes 705 and 715 are applied, it can be seen that the auto-tuning schemes 701 and 711 exhibit the same level of throughput while preventing a decrease in throughput when compared with theDRWA schemes 703 and 713 .

Claims (10)

Translated fromKorean

전송 제어 프로토콜(TCP)를 이용하는 무선 네트워크에서 혼잡 제어 방법에 있어서,
수신된 데이터로부터 전송률과 현재 왕복지연시간을 각각 추정하는 과정;
상기 추정된 전송률과 상기 추정된 현재 왕복지연시간을 이용하여 혼잡 제어 정보를 획득하는 과정; 및
상기 혼잡 제어 정보와 상기 현재 왕복지연시간을 이용하여 수신 윈도우의 사이즈를 결정하는 과정을 포함하는 혼잡 제어 방법.
A method for congestion control in a wireless network using a Transmission Control Protocol (TCP)
Estimating a transmission rate and a current round trip delay time from the received data;
Obtaining congestion control information using the estimated transmission rate and the estimated current round trip delay time; And
And determining a size of a reception window using the congestion control information and the current round-trip delay time.
제 1 항에 있어서,
상기 혼잡 제어 정보는 추정된 백로그 패킷의 개수와 상기 추정된 백로그 패킷에 대한 가중치를 이용하여 획득되는 혼잡 제어 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the congestion control information is obtained using a number of estimated backlog packets and a weight for the estimated backlog packets.
제 2 항에 있어서,
상기 백로그 패킷에 대한 상기 가중치는 아래 수학식에 의해 결정되며,

여기서 BDP는 대역폭 지연 곱,

는 큐잉 지연이 없는 이상적인 환경에서 송신기가 평균적으로 상기 BDP 만큼 데이터를 전송할 수 있도록 설정된 상수 값인 혼잡 제어 방법.
3. The method of claim 2,
The weight for the backlog packet is determined by the following equation,

Where BDP is the bandwidth delay product,

Is a constant value set so that the transmitter can transmit data as much as the BDP on average in an ideal environment without queuing delay.
제 1 항에 있어서,
상기 현재 왕복지연시간을 최소 왕복지연시간의 상수배와 비교하여 상기 현재 왕복지연시간이 상기 최소 왕복지연시간의 상수배 보다 큰 경우, 상기 수신 윈도우의 사이즈를 증가시키는 과정을 더 포함하는 혼잡 제어 방법.
The method according to claim 1,
Comparing the current round trip delay time with a constant multiple of the minimum round trip delay time and increasing the size of the receive window if the current round trip delay time is greater than a constant multiple of the minimum round trip delay time .
제 1 항에 있어서,
상기 현재 왕복지연시간을 최소 왕복지연시간의 상수배와 비교하여 상기 현재 왕복지연시간이 상기 최소 왕복지연시간의 상수배 보다 작거나 같은 경우, 상기 수신 윈도우의 사이즈를 감소시키는 과정을 더 포함하는 혼잡 제어 방법.
The method according to claim 1,
Comparing the current round trip delay time with a constant multiple of the minimum round trip delay time and decreasing the size of the receive window if the current round trip delay time is less than or equal to a constant multiple of the minimum round trip delay time; Control method.
전송 제어 프로토콜(TCP)를 이용하는 무선 네트워크에서 혼잡 제어 장치에 있어서,
수신된 데이터로부터 전송률을 추정하는 전송률 추정부;
상기 수신된 데이터로부터 현재 왕복지연시간을 추정하는 왕복지연시간 추정부; 및
상기 추정된 전송률과 상기 추정된 현재 왕복지연시간을 이용하여 혼잡 제어 정보를 획득하고, 상기 혼잡 제어 정보와 상기 현재 왕복지연시간을 이용하여 수신 윈도우의 사이즈를 결정하는 동작을 제어하는 제어부를 포함하는 혼잡 제어 장치.
A congestion control apparatus in a wireless network using a Transmission Control Protocol (TCP)
A transmission rate estimation unit for estimating a transmission rate from the received data;
A round trip delay time estimator for estimating a current round trip delay time from the received data; And
And a control unit for controlling the operation of obtaining congestion control information using the estimated transmission rate and the estimated current round trip delay time and determining the size of the reception window using the congestion control information and the current round trip delay time Congestion control device.
제 6 항에 있어서,
상기 제어부는 추정된 백로그 패킷의 개수와 상기 추정된 백로그 패킷에 대한 가중치를 이용하여 상기 혼잡 제어 정보를 획득하는 혼잡 제어 장치.
The method according to claim 6,
Wherein the controller obtains the congestion control information using the estimated number of backlog packets and the weight for the estimated backlog packet.
제 7 항에 있어서,
상기 제어부는 상기 백로그 패킷에 대한 상기 가중치를 아래 수학식에 의해 결정하며,

여기서 BDP는 대역폭 지연 곱,

는 큐잉 지연이 없는 이상적인 환경에서 송신기가 평균적으로 상기 BDP 만큼 데이터를 전송할 수 있도록 설정된 상수 값인 혼잡 제어 장치.
8. The method of claim 7,
Wherein the control unit determines the weight for the backlog packet according to the following equation,

Where BDP is the bandwidth delay product,

Is a constant value set so that the transmitter can transmit data as much as the BDP on average in an ideal environment without queuing delay.
제 6 항에 있어서,
상기 제어부는 상기 현재 왕복지연시간을 최소 왕복지연시간의 상수배와 비교하여 상기 현재 왕복지연시간이 상기 최소 왕복지연시간의 상수배 보다 큰 경우, 상기 수신 윈도우의 사이즈를 증가시키는 동작을 더 제어하는 혼잡 제어 장치.
The method according to claim 6,
The controller compares the current round trip delay time with a constant multiple of the minimum round trip delay time and further controls an operation of increasing the size of the receive window when the current round trip delay time is larger than a constant multiple of the minimum round trip delay time Congestion control device.
제 6 항에 있어서,
상기 제어부는 상기 현재 왕복지연시간을 최소 왕복지연시간의 상수배와 비교하여 상기 현재 왕복지연시간이 상기 최소 왕복지연시간의 상수배 보다 작거나 같은 경우, 상기 수신 윈도우의 사이즈를 감소시키는 동작을 더 제어하는 혼잡 제어 방법.The method according to claim 6,
The control unit compares the current round trip delay time with a constant multiple of the minimum round trip delay time to reduce the size of the receive window if the current round trip delay time is less than or equal to a constant multiple of the minimum round trip delay time A method for controlling congestion.

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