TELKOM NIKA Indonesia n  Journal of  Electrical En gineering   Vol.12, No.6, Jun e  201 4, pp. 4468 ~ 4 4 7 4   DOI: 10.115 9 1 /telkomni ka. v 12i6.548 4          4468     Re cei v ed  De cem ber 2 4 , 2013; Re vi sed  Febr uary 18,  2014; Accept ed March 5, 2 014   The Design of Fine-grained Network QoS Controller and  Performance Research with Network Calculus      Hu Jia*, Zho u Jinhe     Dep a rtment of  Information a n d Commu nicati on Eng i n eeri n g ,     Beiji ng Informa tion Scie nce a nd T e chnol og y Universit y ,   No.35, Beis ih u an Z hon gl u Ro ad, Cha o y a ng  District, Beijin g ,  telp:188 104 5 249 9   *Corres p o ndi n g  author, e-ma i l : huji a28 11 @g mail.com       A b st r a ct   In this  pap er a  netw o rk QoS  control l er  is d e s ign ed. W e   us e the  contro lle r to qu antific ati on  all y   control QoS u n der the ra nd o m  n e tw ork traffic. T he c ontrol l e r is bu ilt by  mi n-pl us al gebr base d  on  netw o rk  calcul us. T he  control l er i n cl u des tw o parts,  the l o ssl ess f r actal re gul ato r  and t he fi nit e  vari abl e stor age   shaper (FVSS). We can get the arr i val c u rv e with t he loss less fractal r e gulato r. Then the FVSS control  netw o rk traffic to real i z e  the fin e -ga i ne d QoS control l er. At la st,  w e  analy z the perfor m a n c e  of the netw o r k   QoS control l er.  Rese arch res u lts show  that t he re la tio n sh ip  betw een  pack e t losses, p a ck et del ays a nd t h e   buffer stora ge.  W e  clear ly o b s e rve the  cha n g e  of th e  pack e t loss a nd t he  p a cket d e lay w i t h  the stor ag e o f   buffer. T he results can be ap plie d to eval ua te the c ongesti on an d flow  control strategi es , as  w e ll as thes e   are refere nces  to desig n netw o rk  control d e vi ce para m eters.    Ke y w ords : fin e -grai n e d , cont roller, QoS, net w o rk calculus,  shap er      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  The Inte rnet  is a  com p lex an d h uge  syste m . The  compl e xity is reflected  i n   uncontroll abili ty topology, traffic bur stine ss, net work p r otocol dive rsity and compl e xity of network  behavio r an d  other a s pe cts [1]. The  views h a ve  attracted  e x tensive atte ntion in net work   resea r ch field that structu r e determi ning  func tion, traffic burstine s s impacting p e r forma n ce. We  sho u ld  clea the relatio n sh ip between traffic ch ara c te ristic pa ramet e rs and  th e perfo rman ce of  netwo rk. T h e n  we  control  and supe rvise the incomin g   traffic at the point of inte rnet u s er  access  and net wo rk  conve r ge nce  by controlli n g  the netwo rk traffic. The  works are e ffective ways to   increa se the  fairne ss of n e twork resou r ce al l o cation , avoid cong estion a nd i m prove n e twork  perfo rman ce.    In early times, the resea r che r s b ega n to st udy the sha per. Whil e the origin al  work by  Cru z  in de n e s a lea k y bu cket sha per  b a se d on min - pl us al geb ra. The min-plu s  algeb ra defin es  serie s   of a rrival cu rve  a nd servi c e curve  to   de scribe  co nci s el y the bou nd arie s of  network  perfo rman ce   [2]. The traffic shapi ng  strategy on a ccount of lea k y  bucket  sh ap er i s  ad opted  by  the se rvice m odel of IETF  netwo rk and   most in du stri es, it monito rs the  rate of f l ow by  cha n g i ng   the pa ram e te rs  of shap er,  So that the  bl ocked   data i s  dro ppe d o r   cach ed by  sh a per  and  then  is   transfe rred a gain at the a ppro p ri ate time. While th e lea k y bu cket simplifie s the pa ram e ters o f   traffic co ntrol,  it isn’t enou gh to reg u lat e  the pra c tical traffic. Re cently, the research of sha per  with network calculu s  ob tains g r eat p r og re ss.  Fo r instan ce, Z hang xinmin g system atically  studie s  the  g eneral mo del  of t he gree dy sha per,  shape r with  n o  buffer  and  sha per in fi xed - length  storag e [3]. Zhan lianming  ha s the res earch of lo ssl ess sh ape r, he  prop oses a  n e traffic sh apin g  model an d arrive the  correspon ding  p e rform a n c e e v aluation, whi l e the cap a cit y  of  sha per i s  g e nerally limite d  in fact, th en he  studi e s  lo ssy  sha p e r an d e s ta blish  a ge ne ral  mathemati c al  model of lossy sha per b a s ed o n  the de termine d  net work calculu s The pa pe r studies fin e -g rained  netwo rk QoS  cont roller a nd  co ntrolle r pe rfo r man c cha r a c teri stics. We  de scrib e  t hat co ntroll ing the net wo rk  QoS by ch angin g  the st orag e len g th  of  buffer. We a nalyse the pe rforma nce pa ramete rs of  p a cket delay a nd packet lo ss with min-pl us   algeb ra. The n  we di scuss  how the p a cket delay  and  packet lo ss  chang e with variabl e sto r ag e.      Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     The De sig n  o f  Fine-g r aine d Network Qo S Controll er a nd Perform a n c e Research  with… (Hu Ji a)  4469 2. Net w o r Calculus   Network cal c ulus i s  a coll ection of re sult s ba sed o n  Min-Plu s  al gebra, whi c h  can be   applie d to determini stic q u euing  system s found in  co mmuni cation  netwo rks. It is a set of re cent  developm ent whi c provi de a  de ep i n sight i n to  flo w  p r obl em encounte r ed   in net workin g  [4].  Network calculus i s  ba se d  on the  idea t hat given a re gulated flo w   of traffic into the network, o n e   can  qua ntify the characte ri stics of  the fl ow a s  it trave l s from  nod to node th rou gh the n e two r k.  This m ean s t hat traffic flo w are  co nst r ained  by  sh a pers an d del a y ed by the no des'  sche dule r s.  In netwo rk calcul us  a n o de be haviou r  is  cha r a c teri zed  by a fun c tion  calle d t he servi c curve  whi c h de note s  ho w long a  packet mu st be se rvice d  a fter an arrival to a node [5]. The input traf is ch ara c te rized by a wide -sen se in crea sing fun c ti on  of time and it is so -called t he arrival cu rve .   This fun c tion  quanti es  co nstrai nts o n  the num ber  of bits of pa cket  ow in the time interval at  servi c e n ode.  No w we i n trodu ce  some i m porta nt  tool s an d con c lu sion s of n e twork  cal c ul us  as  follows  [6, 7]  Definition 1  WIF: wide -se n se in crea sin g  function.    If  f(x ) is  a function, for any s t  ,if  () ( ) f sf t , f(x)is  a wide-sens e  inc r eas i ng func tion.          Definition 2  WIFS: wide -sense increa si ng functio n  set.    if    {( ) | ( ) 0 , 0 ; ( 0 ) 0 ; ( ) ( ) , ,, [ 0 , ] } F f t ft t f f s ft st s t                                            (1)     F is a wide -sense increa si ng functio n  set.  Definition  3. Min-pl us con v olution.  Let f and g be  two WIFS. The min-plu s  c onvolution of  f and g is the function:       0 inf t - s +g( s ) } { st fg t f                                                                      (2)    Definition 4.  Min-pl us d e convolution.   Let f and g be  two WIFS. The min-plu s  conv olution of  f and  g  is the function:      0 { f g t = s up t + s - g(s)}                                                               (3)    Theo rem 1.  Gene ral p r op erties of Let f, g and h be two WIFS.   Rule 1 (Closure of () f gF  Rule 2 (A ss oc iativity of  )  () ( ) f gh f g h   .  Rule 3 (Commutativity of f gg f  Rule 4 (Di s tri butivity of    with res p ec t to   ) () ( ) ( ) f gh f h g h     Definition 5.  Arrival cu rve.   Give a  WIF α   defined  for a  sha per,  a flo w  f i s   con s tra i ned  by α  if  an d only if fo al st R tR s t s  We say  that R  ha α  a s  a n  arrival curv e, or al so tha t  R is  α -smo oth. The a rriv a l cu rve  actually defin es an u ppe r b ound o n  the a rrival rate of a  flow to a part i cula r nod e.  Definition  6. Service curve .   If a system S  has  an in put  flow R(t) a n d  output flo w  R*(t), th en S  offers to th e  flow  a   serv i c e c u rv e   β , if and only if  β  is wide sense increa si ng,  (0 ) 0  for all  0 t , * RR   .  A service cu rve is a lowe r boun d on the  depa rture rat e  from a network n ode.     Definition 7.  Subadditivity.  Let f be two WIFS. If   () f ts f t f s  , f is  sub additive functio n .   Definition 8.  Sub-a dditive clo s ure.  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:  4468 – 4 474   4470 Let f be a fun c tion o r  a se quen ce of F.  Den o te  n f  the functio n  obtai ned by re pea ting   (n-1)  convol u t ions of f wit h  itself. By convention,  0 0 f ,so that  1   f f  ,  2 f ff  Then the  sub - additive cl osure of f, deno ted by * f , is defined by  * inf { } n f f Theo rem 2.    Let f(t)   be  two  WIFS. If it’s sub - add itive closure   * f sat i sf ies * f f  an * f  is   sub additive functio n Definition 9. L i near ali quot s operato r .   Let f and   σ    be two WIFS.  The linea r ap iquoto s  ope ra tor is:        0 in f { - ( )} st hf t t s f s                                                           (4)    Theo rem 3.     Sub-a dditive clo s ure of linear aliq uots o perato r H Q , H H LQ      12 11 2 ,, , , i nf { i nf { , ( , ) ( , ) }} n n nN uu u Ht s H t u H u u H u s                            (5)    Corollary 1.  If Q 1  is a linear aliqu o ts op erato r  of F to F, and  F     11 Qh h Q h                                                                                (6)      3. Finite and Variable Sto r age Shap er   Traffic gen erated  by so urce can not  be exp e cte d  to natu r ally  sati sfy so m e  a  prio ri  arrival c u rve c o ns traint  .If  we want  to ens u re  in a network   s o me Qo S guarantees . We mus t,  rst  of all, con s tra i n its input  o w s. Thi s   con d ition can be  ac hi eved by  sha p ing the i nput traf c wi t h   sha per. A sh aper i s  used to force  a flow to satisfy so me arrival  cu rve con s traint.   Definition 10.  Finite and variable sto r ag e sha per  FVSS has a finite storage, we can change  the length of the  st orage. Because the  stora ge i s  lim ited, so the  shape r can’t g uara n tee  p a cket lo ss to b e  zero. Whil e the outp u t flow of  the sha per i s  maximum accepta b le valu e.  In order to  g e t a  gene ral   con c lu sio n , this  se ction  d oes not  assu me that th e t y pe of  netwo rk t r affic flows. We consi der th e varietie of pa cket loss a nd  packet d e lay  whe n  the  sha p e r   cha nge s the  length of sto r age. If the length is se t too small, mo st of packets  will be dropp ed.  While th e le ngth is set too la rge, the  pa cket  del a y  is in creasi ng, both th e  setting s of f i nite   stora ge shap er affect t he n e twork pe rformance.  We a s sume t hat L(t) is the  total pac ket loss at the time t, and the L(0)=0.   Lemma 1.   If R(t) is th e i nput flow at t he time t, an α (t ) is  the arrival  c u rve  of FVSS, s o  the total   packet lo ss a s  the follow:     () () () , 0 Lt R t t t                                                                               (7)    Theo rem 4.   We suppose that the s e rvic e curve of FVSS is   β , th e length of buffer is B, the arrival  curv e i s α , the c u mulative pack et loss  is :       21 2 2 1 2 ΓΓ 1 {s u p { [ ( ) ( ) ] } } sup n ii i i i Lt tt t t n B          Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     The De sig n  o f  Fine-g r aine d Network Qo S Controll er a nd Perform a n c e Research  with… (Hu Ji a)  4471 s .t.  12 2 ... } | {0 n tt t t n N                                                   (8)    Proof: By definition 9,  s,  0 s t, the input flow of FVS S  at the time  t is  R(t).     0 () i n f { () ( ) ( ) } ( ( ) ) st R tt s R s h R t   And   () ( ) ( ( ) ) { ( ) } Rt t h x t t B      So   (( )) ( ( ) ) Rh B h h B    . By theore m  3  an d  co rolla ry 1,  we  kno w :      () ( ) ( ) () ( ( ) ) () Lt t R t t h B t     () () i n f { { ( ) } } ( ) n th B t     21 2 2 1 2 1 su p { ( ) in f { ( ) ( ) } ( ) ( ) } } n ii i i i tt t t t t B      21 2 2 1 2 0 sup { sup { ( ) ( ) ( )]} } n ii i i i tt t t n B         Theo rem 5.   We  assum e  t hat the m a ximum p e rmi s sible of  total  p a cket lo ss is  P, the se rvice curve  is β , the arrival curve is  α . Then we get the storage length of FVSS.       22 1 2 2 1 1 1 su p { [ ] } n Li i i i i Bt t t P t P t n      s .t.  12 2 ... } | {0 n tt t t n N                                                    (9)    Proof: By definition 10, we  kno w  the follo w:    () () ( ( ) ) L P tt t B   ,then () ( ) ( ( ) ) L P tt t B    ,s () () () i n f { ( ( ) ) } n L Pt t t B   () i n f { () () } L nB t t P t     22 1 2 2 1 1 ( ) i n f { ( ) ( ( ) ( ))} n Li i i i i nB t t t P t P t        From the fo regoin g , the uppe r bo und  of t he lengt h storage  sa tisfies the fo llowing   formula.     21 2 2 1 1 1 s u p { ( ) [ ( ) ( ) ( )]} n Li s i i i i Bt t t P t P t n        Theo rem 6.   We s u ppos e  that  the s t orage  length  of  FVSS is  B, t he arrival curve of the flow i is   i and the servi c e curve of F VSS is  i .The total numbe of sch eduli n g  queue s is m.  Then we g e t   the maximum  packet delay s and the ave r age p a cket d e lays  avg d  .    max ,1 0 1 sup { sup { ( ) ( ) 0 } } n ii iN i m k dt n B                                               (10)  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:  4468 – 4 474   4472 0 11 1/ { s u p { ( ) ( ) 0 } } mn ii av g ik dm t n B                                               (11)   12 1 0 kk n n tt t t t t t      Proof: At the  time t, the  queu e length  of the flow i is  () i Ct ,and   00 i C . By  the  corollary 1,  (( ) ( ( ) ) ii i i i CB B   , we kno w  th at the packet  delay sati sfies the  follow:     0 0 in f { ( ) ( ) } s u p { ( ) ( ) 0 } ii i i i t dC t t C t t        0 s u p { ( ( ) ( ( ) )) ( ( )) 0 } ii i L t tt B t       () () 0 sup { ( ) ( ( ) ) ( ( ) 0 } ii n n tt B t       () ( ) 0 s u p{ ( ) ( ( ) ) ( ( ) ) 0} ii n n tt B t       0 1 s u p{ ( ) ( ) 0} n ii i tn B       So that:     0 00 11 l i m{s u p{ ( ) ( ) 0} } s u p { ( ) ( ) 0 } nn ii i i i t kk dt n B t n B             4. Performan ce Analy s is  on the Net w ork QoS Con t roller   In this sectio n we  analy z e the pe rformanc e of th e the net work QoS  cont roller  with  rand om n e twork traffic. T he controll er inclu d es  two part s , one part is  the loss les s  frac tal  regul ator, the another is the FVSS. Th lossless fract a l is  used  to provide spec i f ic arrival  curve .   The FVSS control s  the network QoS  by the spec if ic arrival  curve and servi c e curve. Many   resea r chers  b u ild mo del s t o  stu d y the  a c tual  network  traffic ,  and  obtain that  the  network traffic  is   self-simila r [8, 9]. In  the literature, Zhan g  li anming ha s a research a bout upp er b ound mo del s of  perfo rman ce  in self-simil ar network  based on  fractal shap er.  After passi ng traffic sh aper,  envelop curve of the  tra ffic is a li nea r fun c ti on.  T he  sha per in trodu ce s m o re cha r a c teri stic  para m eter to  descri be the  self-simila r traffic accu rate ly. He prop osed a lo ssl ess  fractal regul ator.  The en d-to -e nd delay an d  the length st orag e in buf f e r do n’t incre a se  with usi n g lossle ss fra c ta regul ator in n e twork.   In view of th ese  advanta g e of lossle ss fra c tal  reg u l ator, we introdu ce the  re gulator to  our system. Our network QoS  controll er  i s   sho w i n  Figu re  1. Whe n  the  net work traffic e n ters  the co ntrolle r, the traffic is  sha ped by lo ssl ess fr a c tal  regul ator. S o  that  the arri val curve  of the  FVSS is  frac t a l c u rve  α . Th e servi c e curve of the FVSS is set  β .           Figure 1. Net w ork Q o S Co ntrolle   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     The De sig n  o f  Fine-g r aine d Network Qo S Controll er a nd Perform a n c e Research  with… (Hu Ji a)  4473 The arrival cu rve  α  is:      () , 0 tr t b t                                                                              (12)    *1 (1 ) 2 1 H H rH r H   ()                                                           (13)    * (1 ) 2 ( ) 1 H H H b H                                                                   (14)    In the formula ,  r is the long-term avera g e  of input traffic,  σ  is stand a r d deviation a nd H is  self-similar param e ter,  γ  i s  a positive co nstant. We  se t that γ  is 6.  The s e rvice curve of the FVSS is   β    ,0 tR t t                                                                             (15)    R is  the servic e rate  of FVSS.   We  s e t  the  parameter of t he FVSS  based on  the arrival c u rve  higher than the  s e rvic curve. T he p a ram e ters is t hat r=700 kbit/ s σ =1 00 kbit, R=400M bit/s. At the time t,  3 1. 2 1 0 ts  we  ob serve  the vari ation  of pa cket lo ss a nd  p a cket  delay  with t he vari able  l ength  sh ape r in   buffer. The variation s  a r sho w n in Fig u re 2 an d Fig u re 3.           Figure 2. The  Variation of Packet Loss  Fi gure 3. The  Variation of Packet Delay       From the  abo ve two figure s , we d r a w   some con c lu si ons.  With the  appropri a te l ength in   buffer, the FVSS c an effec t ively improve network  performanc e. For ins t anc e ,  the pack e t loss  and p a cket d e lay are  able  to be tolerabl e. Whe n   the l ength  stora g e  increa sing, t he pa cket del ay  is incre a si ng  and the p a cket loss i s  red u cin g . While   with the oversize st o r ag e, the packet lo ss  will not red u ce, the design  of hard w a r e is difficu lt. Wh en the length  stora ge redu cing, the packet  delay i s  redu cing  an d the  pa cket lo ss is i n cr ea sin g Whil e with   too small st orag e,  mo st of  packet s  will b e  drop ped, so  that network  perfo rman ce  deterio rate  sh arply.      5. Conclusio n s   The pap er st udie s  the fine-g r ain ed ne twor k QoS controlle r. We  propo se a  gene ral  mathemati c al  descriptio n  of the design  base d   on n e twork calcul us. Throug h the re sea r ch, we  get the  relati onship b e twe en the  pa cket loss a nd  pa cket d e lay wit h  the le ngth  of storage. T hen   we di scu ss  h o w the  pa cke t  delay and  p a cket lo ss  ch ange  with va riable  sto r ag e. The works in   the pa per ha ve pra c tical  significa nce to  evaluate th control of t r af fic an d the  de sign  of net wo rk  0. 5 0. 5 5 0. 6 0. 65 0. 7 0. 75 0. 8 0. 8 5 0. 9 0. 9 5 1 0 10 0 20 0 30 0 40 0 50 0 60 0 70 0 80 0 s e lf - s im ila r  p a r a t e m e r ( H ) p a cke t  l o ss ( L /M b i t )     bu f f e r  l eng t h   s m a l l e r bu f f e r  l eng t h   m i ddl e b u f f e r   l e n g th  l e n g th  l a r g e r 0. 5 0. 5 5 0. 6 0. 65 0. 7 0. 75 0. 8 0. 8 5 0. 9 0. 9 5 1 20 0 40 0 60 0 80 0 100 0 120 0 140 0 s e lf - s im ila r  p a r a t e m e r ( H ) pa c k e t  del a y ( d / M bi t )     bu f f e r  l eng t h   s m a l l e r bu f f e r  l eng t h   m i ddl e b u f f e r   l e n g th  l e n g th  l a r g e r 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:  4468 – 4 474   4474 device  pa ram e ters.  The  rel a ted  re sults can b e  u s e d  fo r q uantitative  analysi s   of th e pe rforman c e   para m eters o f  network dev ice s .           Ackn o w l e dg ements   This work was suppo rte d  by Beijing Natural Sci ence Foun d a tion (41 310 03) an Nation al Natu ral Scie nce Found ation of Chin a (61 271 198) .       Referen ces   [1]  Z hang l i anm in g. Stud y  o n  up per bo un d mod e ls of per forma nce in se lf-simi l ar net w o rk cal c ulus. 20 06.   [2]  Che n  zhi gan g. Performance  ana l y sis of ge n e raliz ed  proce ssor shari ng b a sed o n  fractal  leak y b u ck e t   regulators.  Jou r nal o n  Co mmunic a tions . 2 0 0 6 ; 27(6): 29-3 5 .   [3]  Z hang  xi nmin g ,  Chen g uol ian g . On the computatio of en d - to-end d e l a y   b oun d in g uara n t eed servic e   b y  net w o rk  ca l c ulus.  Jour nal of  Softw are.  2001; 12(6): 8 89- 893.   [4]  Boun dec, JY L E T h iran P. Net w o r k Ca lcul u s . Berlin: Sprin ger Verl ag. 20 04.   [5]  W ang zij un,  Xu  w e is he ng. R e searc h  on t h e determ i ni stic  del a y  calc ulus  theor y of co ntrol n e t w o r ks .   Acta Electronic a  Sinic a .  200 6; 34(2): 380- 38 4.  [6]  Cruz RL. A ca lculus for  net w o rk del a y part  I: net w o rk  ele m ents in is olat ion.  IEEE Transactions  on  Information Theory.  199 1; 37( 1): 114-1 31.   [7]  Cruz RL. A calculus for net w ork  delay ,  part II: net w o rk analy sis.  IEEE T r ansactions  on Information  T heory . 199 1; 37(1): 13 2-1 4 1 .   [8]  Wu YM, NING ZR. Revi e w   o f  self-simil arit y mode ls of  net w o rks traffic.  J ourn a of Ch in a Institute  of  Co mmun icati o n . 2004; 2 5 (3): 97-1 04.   [9]  Gao Li ng, L i  Z eng z h i, W a n g   Z heng. Mi n-pl u s  alg ebra r epr e s entatio n for p e rf ormanc e par ameters  w i t h   finite flo w  shaper in buffer.  Jo urna l of Xi an J i ao T o n g  Univ e r sity . 2005; 39( 10): 106 8-1 071   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.