컴퓨터활용능력시험 1급 필기 - 3과목 데이터베이스일반 (2018개정)
크로스레이어 디자인을 이용한 TCP/IP 성능 개선에 관한 연구
크로스레이어 디자인을 이용한 TCP/IP 성능 개선에 관한 연구 요 약 유비쿼터스 센서 네트워크 기술의 발전과 더불어 모바일 노드들 간의 통신에 대한 요구가 중가하고 있다. 기존 TCP를 무선 센서 네트워크에 적용하였을 때,ad-hoc 네트워크에서 빈번하게 발생하는 링크의 단절,경로의 재설정 및 네트워크 파티션 현상이 혼잡으로 인식된다, 그 결과,TCP는 성능자허를 초대한다. 본 논문에서는 크로스레이어 디자인을 이용하여 MANET 에 적합한 TCP/IP를 설계하고 ns2로 분석하였다. 1. 서론 인터넷 이후 새로운 패러다임으로 언제 어디서나 어떠한 기기를 이 용하더라도 정보를 교환 할 수 있는 유비쿼터스 센서 네트워크가 부상 하고 있다. 유비쿼터스 센서 네트워크 발달에 따라 이후의 모든 IP기반 의 네트워크는 유무선이 혼합된 이종의 네트워크로 구성될 것이다, 현 재 전송 계충 프로토콜로 사용되고 있는 TCP는 연결 지향의 신뢰성 있 는 서비스를 제공하는 프로토콜로서 현재 인터넷망의 표준으로 자리 잡 았다. 그러나 기존 TCP를 무선 ad-hoc 네트워크 환경에 적용 시켰을 경우 높은 BER과 노드의 이동에 의한 잦은 링크 단절과 경로의 재설정, 네트워크 파티션 등을 TCP는 혼잡으로 간주하여 불필요한 혼잡 제어에 의해 성능 저하를 초래하였다. 본 논문에서는 이러한 TCP의 문제점을 크로스 레이어 설계 방법을 이용하여 무선 ad-hoc 네트워크 환경에 적 절한 혼잡 제어 방식을 제안하고자 한다. 링크 계층에서 FER을 측정하 여 FER에 의한 혼잡 윈도우를 제어하게 하였으며 ad-hoc 라우팅 프로 토콜로 AODV■를 이용 링크 단절에 관한 정보를 TCP에 알려주어 기존 TCP의 성능 저하를 개선하였다. 또한,개선된 프로토콜이 적용된 가상 무선 ad-hoc 환경에서 시뮬레이션을 수행하여 제안된 TCP와 기존 TCP의 성능을 비교 분석 하였다. 2. 무선 환경에서 TCP의 문제점 2.1 TCP의 혼잡제어 혼잡 제어는 혼잡이 발생하기 전에 방지하거나 혼잡이 발생한 후에 제거하는 기술과 기법을 의미한다. TCP의 혼잡 제어 방식은 암시적 신 호 방식 (inplicit signaling)을 사용하는데 확인 응답 수신의 지연을 네 트워크 혼잡으로 간주하여 발신지는 송신 패킷이 양을 감소시키게 된 다. 이 때 TCP는 송신 패킷의 양을 조절하기 위해서 혼잡 윈도우를 사 용한다.[1] TCP는 연결이 설정되면 혼잡 윈도우의 크기를 1로 설정한다. 그 후 전송된 세그먼트에 대한 확인 응답을 수신 할 때 마다 윈도우의 크기를 확인 응답을 수신한 숫자의 2배로 중가 시킨다. 이 후 혼잡 윈도우의 크 기가 ssthresh(slow start threshold) 값과 같아지면 TCP는 혼잡 회피 단계로 들어가 하나의 확인 웅담을 수신할 때 마다 혼잡 윈도우의 크기 를 한 개 만큼 증가 시킨다. 만약 TCP가 3개의 중복된 확인 응답을 수 신하거나 재전송 타이머가 만료 되었을 때는 혼잡 윈도우의 크기를 감 소시킨다. 이 때 재전송 타이머가 만료 된 경우는 혼잡 윈도우의 크기를 1로 설정하고 ssthresh의 값을 현재 값의 반으로 설정한다. 중복 된 확 인 응답의 경우에는 혼잡 윈도우의 값을 1이 아닌 현재 값의 반으로 설 정한 후 바로 혼잡 회피 단계로 들어간다.[2] 2.2 Ad-hoc 네트워크에서 의 TCP 전송채널이 무선인 Ad-hoc 네트워크 환경에서는 유선과 다르게 많 은 변수가 존재한다. 무선 링크는 자유공간을 전송채널로 사용하고 있 어서 날씨,건물과 같은 장애물 등과 같은 제어할 수 없는 많은 요소들 이 존재한다.[3] 또한 무선 노드들은 제한된 라디오 커버리지를 가지고 있으며 노드들의 이동에 의한 빈번한 핸드오프 문제도 발생하게 된다. - 1 - 1261 따라서,모바일 ad-hoc 네트워크 환경은 높은 BER(Bit Error Rate〉과 노드들의 이동에 따른 링크의 단절과 경로의 변화, 네트워크 파티션 등 의 특징을 나타내게 된다.[4] TCP는 앞에서 언급한 것과 같이 패킷 손 실이나 지연된 응답을 모두 네트워크의 혼잡으로 취급하기 때문에 모바 일 ad-hoc 네트워크에서 매우 취약한 특성을 가지고 있다. 2.2.1 BERCBjt Error Rate) 모바일 ad-hoc 네트워크 환경은 높은 BER을 가진다. BER은 TCP 데이터 세그먼트나 ACK 패킷을 손상시키는 결과를 가져온다. 만약 전 송된 세그먼트의 ACK가 지정된 RTO에 도착하지 않았을 때,송신측의 TCP는 해당 세그먼트를 재전송하면서 RTO를 지수적으로 증가시키고 cwnd는 줄이게 된다. 결국 에러가 반복되어 발생하게 되면 송신측의 cwnd 크기는 1로 줄어들게 되고, 이것은 송신측의 throughtput을 매우 낮게 만든다.[5][6] 높은 BER은 FEC(Forward Error Coding)이나 ARQ(Automatic Repeat Request)를 이용해서 어느 정도 해결할 수 있 으나 오류정정이 필요 없을 경우 무선대역의 많은 부분을 낭비하게 된 다. 2.2.2 네트워크 파티션 노드들이 이동하게 되면 각 노드들은 순간적으로,또는 RTO보다 긴 시간동안 네트워크가 파티션 될 수 있다. 만약 네트워크가 파티션 된 상태라면 송신측의 TCP에서 보낸 패킷들은 모두 손실될 것이고, 송신 측은 이를 혼잡으로 간주하여 혼잡 희피 단계를 수행하게 될 것이다. TCP는 네트워크 파티션을 알 수 없기 때문에 타임 아웃된 같은 패킷을 지속적으로 재전송하게 될 것이고,송신측 TCP는 경로가 재설정 될 때 까지 RTO를 지수 함수적으로 증가시키게 된다. 2.2.3 경로 재섬정 노드들의 이동에 따라 이웃 노드와의 링크가 자주 변하게 되므로 모바일 ad-hoc 네트워크 환경에서 송신지에서 목적지로 가는 경로는 자주 변화하게 된다. 앞장에서 언급한 것과 같이 AODV는 필요시 경로 탐색 메시지를 통해 경로를 재설정 한다. 만약 새로운 경로가 이전 경로 의 RTO보다 긴 시간의 RTO를 필요로 할 경우,송신측의 TCP가 이전 의 RTO패킷을 전송하면 타임아웃이 발생하게 된다. TCP는 타임아웃 이 발생하게 되면 혼잡으로 간주하기 때문에 저속 출발과 혼잡회피 알 고리즘에 의해 Cwnd를 조절하게 되고,이는 throughput을 작게 만드는 원인이 된다. 빈번한 경로의 변화에 의해 이러한 상황이 자주 발생하게 되면,송신측의 cwnd는 수신측에서 보고된 윈도우 크기보다 훨씬 작은 크기의 패킷만 보낸다. 3. 크로스레이어 디자인 3.1 크로스레이어 계층 구조는 구성이 간단하고,표준화하기 쉽고 > 기존의 계층을 업그 Physical Transport Application Application Transport Physical 그림. 1 크로스레이어 디자인 레이드하기 쉬운 장점을 가지고 있지만 무선 환경에서 사용하기에는 적 합하지 않다. 이런 계층 구조의 단점을 극복하기 위해 나은 것이 크로스 레이어이다. 크로스레이어는 그림. 1에서 볼 수 있둣이 각 계층 간의 상 호 정보 교환을 통해 하위 또는 상위 계층의 정보를 공유할 수 있 다.[7][8] 따라서 모든 계층 간의 정보 교환을 통해 각 계층은 변화하는 상황에 적합한 대처를 할 수 있게 된다. 반면에 크로스레이어는 각 프로 토콜의 수정이 다른 모든 계층에 영향을 미치기 때문에 자칫 스파게티 코드를 발생할 수 있는 문제점을 가지고 있으며 이에 따라 효율성이 떨 어질 수 있다는 단점을 가지고 있다. 3.2 FER(Frame Error Rate) 802.11 프레임의 전송 과정에서 우선 발신지는 RTS(Request To Send) 메시지를 통해 전송을 하겠다는 뜻을 목적지에 알리고,목적지는 CTS(Clear To Send )메시지를 통해 전송을 허락하게 된다.[9] CTS메 시지를 받은 발신지는 자신의 데이터를 보내고 목적지는 받은 데이터가 올바르게 전송이 되었다면 ACK메시지를 발신지에 전송하게 된다.[10] 본 논문에서는 이러한 전송 방식을 통해 링크의 FER을 측정한다. 측정 된 FER은 링크의 상태를 나타내는 파라미터가 된다. FER은 아래의 공 식과 같이 결정한다. #ACKs는 발신지가 받은 ACK 메시지의 수이고^ #CTSs는 발신지가 받은 CTS메시지의 수이다. 전체 보낸 량을 1이라고 했을 째 1에서 받은 ACK메시지를 CTS메시지로 나눈 것을 빼면 FER을 측정할 수 있다. 3.3 프로토콜 디 자이 3.3.1 크로스레이어 어시스턴트 무선 네트워크 환경에 적합한 TCP의 성능 향상을 위해 그림. 2와 같 은 크로스레이어 어시스턴트를 설계하였다. 크로스레 이어 어시스턴트 는 각 계층에서 필요한 정보를 유지 관리 하도록 설계하였다. 상하 방향 의 화살표는 엄격한 계층 간의 동작을 의미하며, 좌우 방향은 새로 추가 1262 +1» 따| 곡 아 < ᅵ 이 아닌 링크의 에러율이 높다는 것을 의미하기 때문에 TCP는 손실된 패킷이 생긴다면 혼잡으로 간주하지 않고 손실된 패킷만을 재전송하게 된다. FER이 FERTH 보다 작으면 링크의 상태가 좋아졌다고 판단되기 때문에 다시 Normal상태로 돌아간다. Loss 상태에서 재전송 타임아웃 이 발생하면 혼잡과 손실을 구분할 수 없으므로 새롭게 정의한 보류 상 태로 넘어간다. Congestion 상태에서는 TCP의 일반적인 혼잡제어 알고 리즘을 실행하며,혼잡 상태가 해제 되면 Normal상태로 돌아간다. No Route 상태는 경로가 단절이 된 상태이다. 이는 각 상태들에서 경로가 단절 되었다는 의미인 AODV의 RERR 메시지를 받게 되면 설정된다. 이 상태에서 RREP메시지를 받게 되면 경로가 재설정이 된 것이므로 Normal상태로 설정되게 된다. 그림. 2 크로스레이어 어시스턴트 Congestion A OD V _RERR R T O F E R < F E R th Send Packet A OD V _RERR No Route AODV RRE P Normal F E R < F E R th F E R > F E R th Loss 4. 시뮬레이션 결과 4.1 FER에 따른 TCP 성능 개선 본 논문에서 설계된 크로스레이어 어시스턴트 및 프로토콜 재설계로 인한 개선 사항을 평가하기 위해서 두 개의 노드 사이에 FER에 따른 에러 모델을 삽입하였다. 에러 모델은 무선 환경에서 랜덤하게 발생하 도록 하였다. FTP를 이용하여 802.11 링크를 통해 10Mbyte의 파일을 FTP로 전송한다고 가정하였다, 시물레이션 시간은 500초이며,라우팅 프로토콜은 AODV를 사용하였다. 그림 4는 FER에 따른 TCP의 throughput을 측정한 것으로 재설계된 R T O A OD V _RERR Reservation 그림. 3 제안된 TCP의 상태 천이 다이어그램 된 크로스레이어 동작을 의미한다. 크로스레이어 어시스턴트는 각 계층 에서 필요한 정보를 테이블 형태로 저장한다. 크로스례이어 어시스턴트 는 물리계층에서 센서 네트워크 노드의 에너지 정보, 데이터 링크 계층 에서의 FER, 네트워크 계층에서의 라우팅 정보를 실시간으로 유지 및 관리한다. 각 계층은 필요한 정보를 얻기 위해서, 크로스레이어 어시스 턴트로 접근해서 액서스 할 수 있도록 설계하였다. 3.3.2 TCP 프로토콜 디자인 크로스레 이어 어시스턴트로부터 무선 네트워크에서 TCP 성능개선을 위해서 프로토콜을 재설계를 하였다. 크로스레 이 어를 도입한 TCP는 모 든 계층의 상태정보를 알 수 있기 때문에 상태의 변화에 맞춰 그에 맞는 동작을 한다. Nonnal 상태의 TCP가 링크 상태가 양호한 환경에서 재전송 타임 아 웃이 발생하면 혼잡이 발생한 경우이기 때문에 TCP상태를 혼잡으로 설 정하고 윈도우 크기를 반으로 줄인 후 혼잡 회피 단계로 들어선다. 데이 터 링크로부터 링크의 상태를 나타내는 정보인 FER이 FERTH 보다 크 다는 정보를 받게 되면 TCP는 Loss상태로 설정된다. Loss상태는 혼잡 TCP의 throughput의 성능 개선이 이루어 졌음을 확인할 수 있다. 그림 은 FER에 따른 goodput을 측정한 것으로 FER이 0.3인 경우,FTP 전송 이 끝나지 않은 상태로 500초인 시점에서 기존 TCP는 1872개의 패킷을 수신하였으나 제안된 TCP는 2933의 패킷을 수신하였다. 그림 5는 FER이 0.3 일 때의 순서번호의 중가를 나타낸다. 크로스레 이어 개념으로 재 디자인된 TCP는 채벌 에러율이 높은 무선 환경에서 기존의 TCP보다 성능 개선이 이루어 졌음을 확인할 수 있다. 14000 -O T C P -X M o d if ie d T C P 12000 10000 o 0.05 0.1 0..15 0.2 FER 그림. 4 FER에 따른 TCP throughput - 3 0.25 0.3 0.35 0.4 1263 I SSOJO 3000 TCP Modified TCP 2500 problans and solutions , Cbmmunications Magazine, IEEE Volume 43, Issue 3, March 2005 Page S27 - S32 [4] Jian Liu, Suresh Singh, “ATCP: TCP for mobile ad hoc netwoiks”, Selected Areas in Communications, IEEE Journal on Volume 19, Issue 7, July 2001 Page 1300 - 1315 aJ) c j E r u J a) u au) ᄀ-b c9n 2000 1500 [5] A Bakre and R R. Badrinath, "I TCB Indirect TCP for mobile hosts", in Proc. 15& Int Conf. Distributed Computing Systems, VancoubCT, BC, Canada, June 1995, PR 136? 43. [6] K. Brown and S. 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Procee(&igs. 8th International Synposium on 7-9 Dec. 2005, pp. 6 0 100 200 300 Time (sec) 그림. 5 순서번호 (FER = 0.3) 5■결론 모바일 ad-hoc 네트워크 환경에서 유선 기반 통신망을 기준으로 설 계된 기존의 TCP 프로토콜을 사용하였을 경우 불필요한 혼잡 제어 알 고리즘으로 인해 성능이 저하된다. 본 논문에서는 크로스레이 어 기법을 도입하여 크로스레이어 어시스턴트가 각 계층에서 필요한 정보를 유지 관리하도록 설계하므로써 무선 대역폭의 낭비를 방지하였다. 802.11링크에 에러 모델을 삽입한 시물레이션 결과 기존 TCP에 비해 서 에러 율의 중가에 따라 TliKmghput이 더 높게 나오는 것을 확인하였 다. 순서번호의 중가 역시 기존 TCP에 비해서 높은 수치를 보이고 있 다. 무선 데이터 통신의 발전은 새로운 분야의 발전 가능성을 제시할 것 이고 그 대표적인 분야는 센서 네트워크이다. 센서 네트워크의 특징은 기존 인프라를 사용하지 않고 무선 센서 노드들 사이에 자율적인 통신 경로를 설정하는 ad-hoc네트워크라는 점이다. 따라서 무선 노드들의 수 명이 전체 네트워크 토폴로지를 유지하는데 중요한 역할을 할 것이다. 따라서 크로스례이어 개념을 이용하여 링크의 상태에 따라 무선 노드들 이 자신의 에너지를 적절하게 보존하는 방안에 대해 연구가 필요하다.