TELKOM NIKA Indonesia n  Journal of  Electrical En gineering   Vol.12, No.6, Jun e  201 4, pp. 4400 ~ 4 4 0 4   DOI: 10.115 9 1 /telkomni ka. v 12i6.547 4          4400     Re cei v ed  De cem ber 2 1 , 2013; Re vi sed  Febr uary 11,  2014; Accept ed Feb r ua ry  24, 2014   Resear ch on End-to-End Delay Performance Based on  GPS Sc heduling System       Wang Yan g * Zhou Jin-h e Ye Keng   Schoo l of Information a nd T e lecommu nicati o n  Engi ne erin g,   Beiji ng Informa tion Scie nce a nd T e chnol og y Universit y ,   Beiji ng 1 0 0 101 , China   * Corres p o ndi n g  author, e-ma i l w a ng ya n g28 2@1 26.com       A b st r a ct   T h is pa per  su mmar i z e s  s o me resu lts of  ne tw ork calcul us. It derives  the  bo unds  on  e n d -to-en d   del ay and effe ctive ban dw idth by netw o rk based o n  leaky  bucket reg u lat o rs. T he simu l a tion res u lts sho w   that the  netw o rk calc ulus  is  a g o o d  fit for c a lcul atin end- to-end  d e lay.  And  it prov id e s  effective c o n t rol ,   sched uli ng a n d  man a g e m e n t in the inte gratio netw o rk cond itions i n  the foll ow ing step.      Ke y w ord:  statistical netw o rk calcul us, GPS sched ul i ng sys tem, de lay, effective ba ndw id th    Copy right  ©  2014 In stitu t e o f  Ad van ced  En g i n eerin g and  Scien ce. All  rig h t s reser ve d .       1. Introduc tion    Gene rali zed   Processo r Sh aring  (GPS ) i s  a  kin d   of id eal type, cont inuou wo rk  of the fair  sched uling  st rategy, put  fo rwa r d  by Pa rekh  an d G a ll  ange r [1]; b e cause GPS  provides a m e thod  in respon se  to different service req uest s So GPS become s  a resea r ch  hotspot in the  guarantee d service   [2]  n e twork. Net w ork cal c ulu s , a   kind  of n e netwo rk  syst em p e rfo r ma nce  quantitative analysi s , is important an d effective as  a teaching tool. Comp ared wi th the traditional   method of qu euing the o ry [3], the biggest advantag e  of  network calcul us i s  that it can provide   netwo rk que u e  with d e term inistic  analy s i s  [4]. In this p aper,  we  have ded uced th e upp er b oun ds  of delay and  band width eff i cient  frontie based on GP S model by using n e two r cal c ulu s  theo ry,  and e s tabli s h ed a  se rie s   of uppe r b o u nds  of the  statistical  mod e l whi c suit  for time d e l a perfo rman ce  of conve r ged  netwo rk. So,  resear chi ng  end-to -e nd converg ed net work time del ay  perfo rman ce  based on n e twork calculu s  has very im p o rtant theo ret i cal an d pra c t i cal value [4, 5].      2 Relev a nt Theore t ical  Kno w l e dge   2.1. GPS Sy s t em   GPS, Genera lized Processor Shar i ng, is the basi s  of fair cla s s sche duling alg o rit h m and  provide s  a gu arante e  to ba ndwi d th allocation  fairne ss. GPS is a scheduli ng algo rithm ba sed  on  contin uou s work. A GPS serve r  is thro ugh the po sitive number p a ram e ters  12 ,, , N   said  and the serv er is at a fixed rate for  continuo us  wo rk. Let , At t be the  quality of service  obtaine d by t he flo w  I du ri ng a tim e  int e rval , tt .The GP S model  defi nes the flo w   i  w h ic h  is   transmitted d u ring the time  interval  , tt  as  follows  [1]:     , ,1 , 2 , . . . , , i i jj At t j N At t         The GPS alg o rithm ha s th e followin g  feature s a) Flow  i  can ge t a stable se rvice rate a n d  avoid being i n fluen ced by  other bu sin e ss  flows du ring  the  pro c e s s of  re -tra nsmi ssi on  whe n  the  avera ge  spe ed  of the   busi n e ss flo w   i  is greate r  than its gua rant eed rate;   b)  After the  pa cket q ueu e in   buffer, the  de lay of the  pa cket i s   defined  by the  maxi mum  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Re sea r ch on  End-to-E nd Delay Pe rform ance Base d o n  GPS Sched uling System  (Wang Yan g 4401 length  of the  busi n e s s flow, becau se  ea ch   que en i s   usin g the  F C FS strategy,  has  nothing to do  with bu sine ss flow and gro uping.     2.2. Net w o r k  Calculus    Statistical net work  cal c ulu s  is ba sed  on  determi nisti c  netwo rk  cal c ulus. Usu a lly netwo rk  busi n e ss  can  tolerate a  ce rtain de gre e   of data  loss a nd delay[6].T hrou gh the  statistical n e twork  cal c ulus, we can  make  a better use  of the  net work  service so  as i m prove the  utilization  ratio of  resou r ces  an d refle c t the capabilitie s of t he dynam i c  a nd integ r ated  servi c e s  of th e network. Th netwo rk calculus u s cum u lative fun c tion to  def ine   arrival  process, servi c e p r oce s s a nd l e ave  pro c e ss. Ddfi ne  A t as  arrival  pro c e ss,  * () A t as l eave process and St as  the service process  of the node s. Here is the b a si s of statisti cal net work calcul us  whi c h  is  use d  in this pap er [7].   Definition  1. The Min - plu s  Convol ution:  The  Min - pl u s  convolutio n  ope ration  of function f and  g is:       0 inf    0   0 ,                                           0   st ft s g s t fg t t        Definition 2. Ran dom arri val envelope s: If the cumulative flow , At t  in any time   interval  , tt s a tis f ies  the following relationship:      ,1 PA t t       Call the statistical traffic  e n velope  of the flow  process, and  call  the bigg est  bre a probability.  Definition 3.  Effective serv ice curve: Giv en a cum u lati ve function  A t in traffic ,  if the  output functio n   D t of the traffic satisfie s the followin g  rel a tionship:      1 PD t A t      Say t is the effective se rvice  curve  whi c h i s  provid ed by  traffic flow A t   Unli ke service cu rve, the e ffective se rvice curve i s  corre s p ondin g  to the prob abilist i lowe r bo und  of the network  syste m  service  ca pa ci ty.Therefore,it can  de scri be the re sid ual  servi c e cap a c ity  re sulted from  the ran dom  vari at ion s  of othe co existen c e d a ta flow. Whet her  the effective servi c e curve  can be u s ed  in stat istical  analysi s  of n e twork servi c e perfo rman ces  mainly depe n d s on the ava ilability of t he  equivalent m odel of the ne twork.   Theo rem  1  node  seri e s  the o re m: In a seri al  system  co ntaining  n  n ode s, if    12 ,, , N tt t  are th e arriv a l cu rve of t he no de s re spe c tively, the end -to-end  effective   s e rvic e curve is  [8]:     12 N         3 The A n aly s is of the En d-to -en d  Del a y   The total del ay of GPS system  based  on leaky bu cket model is  dd l  [9], where d is  the variable delay (also  c a lle d the delay jitter).It mainly in c l udes the delay when bus i ness  flow pa sse s  throu gh the  le aky bu cket re gulator  and t he waiting d e l ay of the bu siness flo w  in t h e   GP S  sy st em  buf f e r.  W h ile  l   is the fixed  delay which  is mainly fo r the GPS sy stem sche dulin g   fo r w ar d  de la y.  (1) Delay  jitter  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 6, June 20 14:  4400 – 4 404   4402 No wad a ys, the bu sine ss flow is u s uall y  c ontrolle by a leaky b u cket re gulat or. The  arrival  curve   controlled  by  t h e  le ak y bu ck e t   r e gu la to is   t and it s d e l a y jitter i s , dA . So   we can d r aw  that the delay jitter is equal  to the wa iting delay of the data flow in the buffer of th e   GP S  sy st em.   Acco rdi ng to the definition  of the GPS system:      1 N j j tt       ,1 , 2 , , i i jj t jN t       Next, let s e ssion  i be u s ed a s  a investig ation obje c t, we  can kno w  that:      0 0: in f ii t dd t t d       Simultaneo us above three f o rmul as:         0 1 0 1 1 1 ,, 1 0 0:      0 :      0 : inf in f in f i i i i N t j j c i i N t k j j N j c j ik ik k i t dd t t d dt t d rb R t dd T R                                  And becau se 1 , 1 i N j c j ik k i rR ,     1 , 1 / i N j c j ik k i dT b R            The waitin g d e lay of sessio i in the buffer is defined in  the above formula. That is  the  uppe r bou nd  of delay jitter of the GPS system ba sed  on lea k y bucket regulato r .   (2)  Delay   If  l is for the fixed delay of the GPS system, the total delay will be:   1 , 1 / i N j c j ik k i dd l T l b R          Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Re sea r ch on  End-to-E nd Delay Pe rform ance Base d o n  GPS Sched uling System  (Wang Yan g 4403 4.  The Improv e m ent on th e Upper  Boun ds of End-to -end Statis tical Dela y s   There are u s ually two way s  to analyze t he se rvice pe rforma nce of  the data flow in th e   end-to -e nd n e twork. Th e f i rst o ne i s  th at we  ca l c ula t e the upp er  boun d of service pe rforma nce   of each n ode  according to t he co rrespon ding rela tion s betwee n  out put and inp u t of the adjace n node s, an d th en put them t ogethe r a s  th e re sult  of the  end-to -e nd d e lay; The second o ne i s  th at  we  use the   same  meth o d  to  cal c ulat e the  st atisti cal upp er b ound   of  e n d - to-e nd se rvice  perfo rman ce  according to the tandem e q u ival en ce of several servi c e node mo del  [10].  In this pa pe r, we a dopt th e format of th e se rial  ca scade, which  can be  ea sily extende d   from a  single  node d e lay  boun dary to t he en d-to -en d  delay bo un dary. In this  ca se, the u p per  boun d of the end-to -e nd d e lay can b e  concl ude d ba sed on this the o ry:     1 , 11 11 12 mi n , , , c N ik j SS kj ne t mm mm iS Sb dl T rr r            5.  Resul t s and  Analy s is of the Simulation  In the e nd-to -end  net wo rk, the num be r of data  sou r ce rem a in s the  same,  a nd the  sched uling  q ueue i n  the  cach e is fixed. Com pari ng  with the  dela y  which ha not bee n imp r oved   throug h the  simulatio n , we ca n exami ne the  effect s of the  corresp ondi ng p a ram e ters o n  the  delay bou nda ry of network.   Next, we cal c ulate the  re lationship s  a m ong the  up per b oun ds  d  of the end-t o -en d   statistical del ay, the length of the leaky bucket  b  and the wei ght of the GPS mod e l.      Figure 1. The  Relation ship  of Uppe r Bou nd  of the Del a y, Weight an d the Length  of Leaky  Buc k et       From  the Fi gure  1, the sel f -similar tra ffic  will decrease with the i n crease  of   w h ic h  is   the GPS  wei ght an d the  decrea s e  of  the len g th  of  lea k y bu cke t.Therefo r e,  according  to  the   cha r a c teri stics of traffic b a s ed  on this f eature,  we  can re du ce th e length of th e lea k y bucket to   redu ce the e nd-to -en d  del ay under the  premi s of m eet the data in the backlo g .  Then we ca n   further  re du ce the b and width fo r th e bu sine ss f l ow to  achie v e the pu rp ose  of net work   optimizatio n.      6.   Conclusion   In this pap er,  we u s e the  netwo rk  cal c ulus  the o ry to  study the be havior of GP S system  based  on le aky b u cket  regulato r  a n d  ded uce the   statisti cal  d e lay up per b ound  of the   GPS  system.  Und e r no rmal  ci rcu m sta n ces,  the net work provide s   band width a c cordi ng to  the  maximum  rat e  of the  d a ta  flow; thi s   will  ma ke th e n e twork to  opti m ization  an d  ca use  wa ste  o f   0. 1 0. 2 0. 3 0. 4 0. 5 0. 6 0. 7 0. 8 0. 9 1 20 25 30 35 40 45 50 55 Th e  w e i g h t U p pe r bo un d of  t h e s t at i s t i c a l   d e l a y  d     b= 50 0k b b= 10 00k b b= 15 00k b Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 6, June 20 14:  4400 – 4 404   4404 resou r ces. And this articl e, by analyzing end -t o-e n d  delay, can  provide  imp o rtant theoretical   basi s  for the  allocation of the network b and width.       Ackn o w l e dg ements   This work wa s su ppo rted b y  National Na tural Scie nce Found ation of  China (612 7 1198 and Beijing  Natural Sci e n c e Found ation  (413 100 3).       Referen ces   [1]    Parekh AK, Galla ger RG. A Genera lize d  Processor  Sh arin g Appro a ch to  F l o w  C ontro l i n  Integrate d   Services N e t w ork:  T he Singl e  Node C a se.  IEEE Network . 1993; 1(3): 3 44- 357.   [2]    Dai Y ou, Z h g e   Bin, Son g  H u a nhu an, W a n g   W e im ing,  Lan  Julo ng. T he future n e t w ork re search  bas e d   on rec onfi gurat ion  an d e x pans ible . T E LKOM NIKA Indo nesi an Jo urn a of E l ectrical  En gin e erin g.   20 13 ;   11(1 0 ): 592 9-5 937   [3]    He T ao, chen F u cai, Qin  T ao. Establishi ng p e rf ormanc e ev alu a tion mo del  w i t h  que ui ng   th eor y in   No C.  T E LKOMNIKA Indon esi an Jou r nal of Electric al Eng i ne eri n g .  2013; 1 1 (10):  569 4-57 02.   [4]    Boun dec JYL,  T h iran P. Net w ork Calc ulus. B e rlin: Spr i ng er Verla g . 200 4.  [5]    Z hang Qi-Z hi,  Z hang Bin, Z han g W e i-do n g . Calc ul atio n  of maximum  del a y  i n  s w itc hed i ndustri a l   Ethernet b a sed  on net w o rk ca l c ulus . Co ntrol  and D e cisi on . 200 5; 20(1): 11 7-12 0.  [6]    Leb ou ndec J y , T h iran P. Net w ork Calc ulus. L ond on, Britai n: Sprin ger Verl a g . 2004.   [7]    Shuru i  F an, H e xu Su n. Jie  Li. On app licat ion meth od  of Net w ork Ca lc ulus to u p p e r del a y   bo un d   researc h . Computer Scie nce  and Informati o n  T e chnolog y ( I CCSIT ). 3 rd   IEEE Internation a l Conf erenc e   on. 201 0; 4: 56 6-57 0.  [8]    Burchar d Almu t. A min-plus c a lcul us for e n d - to-end statisti cal servic e gu a r antees.  IEEE Transactions   on Infor m atio T heory . 200 6; 52(9): 41 05- 41 14.   [9]    Urvo y G, Dall e r y  Y, He buter n e  G. CAC proc edur e for le ak y bucket co nstrain ed so urces.  Performanc Evalu a tion. 2 0 00; 41(2): 1 17- 132.   [10]    El w a l i d A, Mitr a D.  Desi gn of  gen eral i z e d  p r ocessor  sh ari ng  sch edu lers w h ich  statistically mu ltipl e x   hetero g e neo us  QoS class e s.  Proceeding  of  IEEE IN FOCOM’99. Ne w   Y o rk, NY, USA:  IEEE. 1999:  122 0-12 30.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.