Flow control for the available bit rate service in asynchronous transfer mode networks

Cseh, Christian Virgil; Spaniol, Otto

doi:urn:nbn:de:hbz:82-opus-4277

Flow control for the available bit rate service in asynchronous transfer mode networks

Cseh, Christian Virgil (Author)

2001 & 2002

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Christian Virgil Cseh

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2001

UmfangIV, 207 S. : graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2001

Prüfungsjahr: 2001. - Publikationsjahr: 2002

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Spaniol, Otto (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2001-10-31

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-4277
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/57089/files/02_167.pdf

Einrichtungen

Fakultät für Mathematik, Informatik und Naturwissenschaften (100000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Informatik (frei) ; Telekommunikationsnetz (frei) ; ATM (frei) ; Dienstgüte (frei) ; Bitrate (frei) ; Kontrollfluss (frei) ; Leistungsbewertung (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 004

Kurzfassung
Ziel dieser Dissertation ist die Entwicklung und Bewertung eines Flußkontrollalgorithmus für die ABR (Available Bit Rate)-Dienstklasse in ATM (Asynchroner Transfer Modus)-Netzwerken. ATM ist eine verbindungsorientierte Switching- und Multiplexing-Technik, die für Breitband-ISDN entwickelt wurde, um Daten und Multimediaströme mit hohem Bandbreitenbedarf über ein gemeinsames Netz zu transportieren. In ATM-Netzen werden Daten in Paketen fester Länge, sogenannten ATM-Zellen, verschickt und für jede Verbindung individuelle Dienstgüte (QoS)-Parameter garantiert. Da ATM-Netze verschiedene Anwendungen unterstützen sollen, hat das ATM Forum, ein Zusammenschluß von Herstellern, Netzbetreibern, Anwendern und Forschungseinrichtungen, in seiner Traffic Management Specification unterschiedliche Dienstklassen definiert. Die ABR (Available Bit Rate)-Dienstklasse ermöglicht die Nutzung von verbleibender Übertragungsbandbreite, die nicht durch höher priorisierte Klassen belegt wird. Ein weiterer Vorteil des ABR Dienstes ist die Garantie einer Mindestübertragungsrate pro Verbindung bei geringen Zellverlusten, ohne daß eine Beschreibung der ABR-Verkehrscharakteristik benötigt wird. Dies macht ABR zu einer attraktiven Dienstklasse und zu einem wichtigen Faktor in ATM-Netzen. Die ABR-Dienstklasse verwendet Maßnahmen zur Flußkontrolle, um die Senderate der ABR-Quellen an die sich ändernde Restbandbreite anzupassen. Dazu wird eine Ende-zu-Ende Kontrollschleife etabliert, die Informationen über den aktuellen Zustand der Netzknoten (ATM Switche) und die erlaubte Senderate an die ABR Quelle weiterleitet. Wird die Virtual Source / Virtual Destination (VS/VD) Technik an einem ATM Switch auf dem Netzwerkpfad zwischen ABR Sender und Empfänger eingesetzt, so wird die Flußkontrollschleife an dieser Stelle aufgetrennt. Der VS/VD Switch fungiert als virtueller ABR-Empfänger für den rückwärts gerichteten Teil der Verbindung und als virtuelle ABR-Quelle für den vorwärts gerichteten Teil. Die Vorteile der VS/VD Technik sind die Verkürzung der Kontrollschleife und der Reaktionszeit sowie die individuelle Kontrolle der ABR Senderate innerhalb von Teilnetzen, die durch VS/VD Switche begrenzt werden. In dieser Arbeit wurde für die Entwicklung eines neuen VS/VD Algorithmus ein regelungstechnischer Ansatz verwendet. Bestehende Arbeiten berücksichtigen bei ihren analytischen Ansätzen entweder nicht die spezielle Struktur und Aufgabe von VS/VD Switchen oder verwenden Heuristiken und grobe Schätzungen beim Design der Algorithmen. Mit Hilfe mathematischer Methoden war es möglich entscheidende Leistungsgrößen, wie Stabilität und Robustheit, des neu entwickelten Flußkontrollalgorithmus bereits während der Designphase zu berücksichtigen. Eine faire Zuteilung der verfügbaren Bandbreite an die ABR Verbindungen sowie eine zuverlässige Steuerung der Warteschlangenlängen im VS/VD Switch waren die wichtigsten Zielsetzungen beim Entwurf des Algorithmus. Neben der analytischen Leistungsbewertung wurde eine umfassende simulative Analyse durchgeführt. Mit Hilfe ereignisgesteuerter Simulationen wurden verschiedene Leistungsgrößen für unterschiedliche Netztopologien, Verkehrsquellen und Lastzustände untersucht. Aus den analytischen und simulativen Ergebnissen kann geschlossen werden, daß der neu entwickelte VS/VD Algorithmus zur Flußkontrolle die gesetzten Ziele voll erfüllt. Zusammenfassend kann festgestellt werden, daß in der Dissertation ein neuer, auf regelungstechnischen Grundsätzen beruhender, einfacher ABR-Flußkontrollalgorithmus für VS/VD Switche entwickelt wurde. Der Algorithmus liefert eine faire, stabile und robuste Steuerung der ABR Quellen bei gleichmäßigen Pufferfüllständen im VS/VD Switch und führt daher zu einem hohen Durchsatz für ABR Verbindungen und einer effizienten Nutzung der gesamten zur Verfügung stehenden Bandbreite.

The goal of this thesis is the development and performance analysis of a flow control algorithm for the ABR (Available Bit Rate) service category in ATM (Asynchronous Transfer Mode) networks. ATM is a connection-oriented multiplexing and switching technique, that was developed for broadband-ISDN to transport data and multimedia streams with high bandwidth requirements in one integrated network. In ATM networks data is sent in packets of fixed size, called ATM cells, and Quality of Service (QoS) parameters are guaranteed for each individual connection. Since ATM networks have to support different applications, the ATM Forum (an association of manufacturers, network operators, users, and research institutes) has defined several service categories in its Traffic Management Specification. The ABR (Available Bit Rate) service category allows the use of remaining link bandwidth left unused by other service categories of higher priority. Another advantage of the ABR service is the guarantee of a minimum transmission rate per connection together with a low cell loss rate without the need for a specification of the ABR traffic characteristics. This makes ABR an attractive service category and an important feature of ATM networks. The ABR service category uses a flow control mechanism to adapt the transmission rate of ABR sources to the varying bandwidth left unused. For this, an end-to-end feedback control loop is established, providing information on the current condition of the network nodes (ATM switches) and the allowed transmission rate to the ABR source. If the Virtual Source / Virtual Destination (VS/VD) technique is used at an ATM switch along the network path from the ABR sender to the receiver, this flow control loop is split into two separate segments. The VS/VD switch is acting as an ABR destination for the upstream loop and as an ABR source for the downstream loop. The VS/VD technique offers the advantages of shortening the control loop and the feedback delay as well as controlling the individual ABR transmission rate inside of subnets, where VS/VD switches are located at the boundaries. This thesis meets the challenge of developing a novel VS/VD algorithm with the help of linear control theory. Existing works either do not address the special structure and tasks of VS/VD switches in their analytical analysis or use only heuristics and trial and error approaches for the VS/VD switch algorithm design. With the help of mathematical techniques it was possible to target important performance objectives, like stability and robustness, already during the design process of the novel VS/VD switch algorithm. A fair allocation of the ABR capacity to the ABR connections as well as an effective control of the VS/VD switch queue lengths were targeted as major performance objectives during the design of the algorithm. Beside the analytical performance evaluation an extensive analysis using simulations was performed. With the help of discrete event simulations various performance metrics for different network topologies, source configurations, and load conditions were investigated. From the analytical and simulation results it could be concluded that the newly developed VS/VD flow control algorithm does fully meet the defined performance requirements. It can be concluded that in this thesis a novel, simple ABR flow control algorithm based on linear control theory and tailored for VS/VD switches has been developed. The algorithm offers a fair, stable, and robust control of ABR sources including stable queue levels at the VS/VD switch and hence leading to a high throughput for ABR connections and an efficient utilization of the complete available bandwidth.

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