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D - 07 2009 한국정보기술학회 하계학술대회 논문집 센서 네트워크를 위한 초소형 TCP/IPv6 기능 프로파일 설계 요 약 현재 유비쿼터스 컴퓨팅이 크게 주목을 받으면서 이를 실현할 핵심 기술인 센서 네트워크에 대한 연구 가 활발히 진행되고 있다. 하지만 센서 네트워크 기술 자체에 대한 연구와는 달리 센서 네트워크와 기존 인터넷의 연동에 관한 연구는 미비한 실정이다. 본 논문에서는 센서 네트워크와 IPv6 기반의 인터넷 연동 을 위한 센서 노드에 적합한 형태의 초소형 TCP/IPv6 기능 프로파일을 분석․설계 하였다. Abstract As the ubiquitous computing is getting much more attention, the study of the sensor network, core technology of realizing ubiquitous computing, is actively carried out. However, unlike researches on the sensor network technology itself, researches on the interworking of the sensor network and Internet is stay at basic level. In this paper, we design and analyze the tiny TCP/IPv6 profile which is suitable for Internet. Key words USN, WSN, 센서네트워크, IPv6, TCP/IP Ⅰ. 서 론 현재까지 연구된 센서 네트워크와 인터넷의 연동 방법은 센서 노드에 직접 TCP/IP 프로토콜을 적용 하는 방식보다는 센서 네트워크는 센서 전용 프로 토콜 기술을 활용하고, 필요에 따라 싱크 노드라고 불리는 게이트웨이를 통해 외부 인터넷과 연동을 수행하는 방식으로 연구되어 왔다[1]. 이는 센서노 * 부산대학교 바이오정보전자공학과 335 드가 안고 있는 여러 가지 제한적인 요소 때문에 TCP/IP를 센서 네트워크 환경에 적용하는 것은 부 적합 하다고 생각되어 왔기 때문이다. 이러한 이유 로 센서 네트워킹 프로토콜로 ZigBee로 대표되는 non-IP 방식이 선택되었다[2]. 그러나 최근 센서 H/W 기술의 발전과 IPv6 기 반의 BCN과의 연동 효율성 및 확장성 관점에서 센 서 노드에 IPv6 기반 프로토콜을 탑재하는, IPv6 기 interworking the sensor network to IPv6 based 반 센서 네트워크 기술이 크게 주목 받기 시작하고 있다. TCP/IP는 통신장애에 대한 강건함과 공개된 표준이라는 장점을 가지고 있다. 특히 차세대 인터 넷 프로토콜인 IPv6는 풍부한 주소 공간과 주소 자 동생성과 같은 특성이 센서 네트워크와 잘 부합되 어 센서 네트워크를 위한 통신 프로토콜로서 아주 적합하다고 할 수 있다[3-5]. 센서 노드에 TCP/IPv6를 탑재함으로써 인터넷 환경과 쉽게 연동이 가능하며, 인터넷 환경에서 널 리 사용되는 응용(예를 들어 WWW)을 센서 네트워 크에 쉽게 사용할 수 있다. 다만 TCP/IPv6는 안정 적인 전원과 고성능 연산 능력을 갖는 시스템을 대 상으로 개발되었기 때문에 수정 없이 센서 네트워 크에 적용하기에는 많은 문제점이 있다. 따라서 센 서 네트워크에 TCP/IPv6를 적용하기 위해서는 기 존 호스트 기반의 TCP/IPv6 프로토콜을 센서 네트 워크 환경에 맞게 수정하고 최적화 하는 작업이 반 드시 필요하다. 본 논문에서는 센서 네트워크 환경 에 적합한 경량급 IPv6, ICMPv6, TCP 프로토콜 기 능을 설계하고, 이를 센서 네트워크의 대표적인 운 영체제인 TinyOS 환경에서 nesC(network embedded system C)로 구현하였다. 구현된 프로토 콜들은 센서 노드(Mote)에 직접 탑재하여 프로토콜 동작에 대한 시험적인 성능 측정을 수행하였다. 본 논문의 2장에서는 관련연구에 대한 내용 을 기술한다. 3장에서는 센서 네트워크와 센서 노 드에 관한 가정을 설명하고 초소형 TCP/IPv6 기능 프로파일에 대해서 기술한다. 마지막으로 4장에서 결론과 차후 연구 과제를 다루었다. Ⅱ. 관련연구 본 장에서는 센서 네트워크 환경에서 IPv6 패킷 전송에 관한 표준화를 진행하고 있는 6LoWPAN 워 킹 그룹의 연구 내용과 경량급 TCP/IP 프로토콜 구 현에 관한 연구 내용을 소개한다. 2.1 6LoWPAN (IPv6 over LoWPAN) IETF의 6LoWPAN 워킹 그룹은 센서 네트워크의 336 표준 PHY/MAC인 IEEE 802.15.4 상에서 효과적인 IPv6 패킷 전송 방안을 정의하는 것을 목표로 하고 있다. 이에 따라 6LoWPAN 워킹 그룹은 MTU 크 기가 작은 IEEE 802.15.4 상에서 IPv6 패킷을 효율 적으로 전송하기위해 IPv6 헤더 압축/해제, 패킷 단편화 및 재조립 기능에 대해 연구를 수행하였다 [3][4]. 전력 소모, 메모리 사용 등이 극히 제한적인 센 서 네트워크 특성에 따라 IPv6 관련 프로토콜들의 기능 최적화 및 경량화 연구도 매우 필요한 분야이 기 때문에 현재 6LoWPAN에서는 이와 관련된 연 구는 진행하고 있다. 2.2 경량급 TCP/IP 프로토콜 스택 현재까지 TCP/IP 프로토콜의 경량화에 관한 연 구가 많이 수행되었지만, 본 절에서는 그 중 대표적 인 경량급 프로토콜인 uIP, lwIP, TinyIPv6에 대해 서 살펴본다. uIP uIP는 Swedish Institute of Computer Science (SICS)에서 소형 8비트 마이크로프로세서에서 동작 할 수 있도록 개발한 TCP/IP 프로토콜 스택이다[9]. ARP, IPv4, ICMP, TCP 기능이 포함되어 있으며, uIP는 통신하는 상대가 완전한 TCP/IP 기능을 가질 필요가 없다. 즉 상대 기기가 초소형 TCP/IP 프로토 콜 스택이라도 호환성 있게 동작할 수 있다는 장점을 가진다. uIP는 수 Kbyte 이내의 코드 크기로 구현되 며 수백 바이트 이내의 메모리에서도 동작할 수 있 다. lwIP lwIP 역시 SICS에서 개발되었으며, 임베디드 시스 템을 위한 TCP/IPv4 프로토콜의 대부분의 기능을 가지며 범용적인 용도로 설계되었다[10]. lwIP 역시 상대 호스트와의 완벽한 TCP/IP 프로토콜의 호환성 을 제공한다. 하지만 구현적인 측면에서 uIP는 자원 사용량의 최소화에 초점을 맞추어 프로토콜 성능을 희생시킨 측면이 강한 반면, lwIP는 약간의 자원 사 용은 감수하더라도 어느 수준 이상의 프로토콜 성능 을 고려하였다는 차이가 있다. TinyIPv6 TinyIPv6는 일본의 Non-PC Network Appliance Committee에서 2002년에 개발된 초소형 IPv6 기반 프로토콜 스택이다[8]. TinyIPv6는 홈네트워크 환경 에서 인터넷으로 연결된 홈 가전들의 원격 조정을 위 해 개발되었으며, 프로토콜 스택은 IPv6, ICMPv6, UDP로 구성된다. 이 프로토콜 스택은 Low Cost Network Applicances(LCNA)라고 불리는 PC가 아 닌 일반적인 AV 기기나 가전제품들의 인터넷 접속 등의 네트워크 기능 개발을 목표로 설계되었다. 앞에서 언급한 바와 같이 현재까지 많은 종류의 경량급 TCP/IP 프로토콜 스택들이 연구되었지만, 대 부분의 프로토콜 스택들이 uIP, LwIP와 같이 IPv4 기반이며, 임베디드 시스템과 같이 전력이 안정적으 로 공급되는 시스템을 대상으로 설계된 프로토콜들 이다. TinyIPv6 스택은 IPv6를 기반으로 경량화된 프 로토콜 스택이지만, 이 프로토콜 스택 역시 임베디드 시스템을 대상으로 설계되었다. 따라서 TinyIPv6는 IPv6의 이웃 노드 탐색(Neighbor Discovery), 주소 자동설정 등을 위한 브로드캐스팅 패킷 전송이 빈번 하게 발생하기 때문에 저전력 소모가 필수적인 센서 네트워크의 환경에는 적합하지 않다. Ⅲ. 초소형 TCP/IPv6 기능 프로파일 설계 3.1 가정 센서 네트워크는 일반 네트워크와 달리 동작하는 환경이나 동작 목적에 따라서 동작이 많이 다르기 때문에 센서 네트워크를 위한 프로파일을 설계 하 는데 있어서 대상이 되는 모델이나 환경을 구체적 으로 명시할 필요가 있다. 따라서 본 논문에서는 센 서 네트워크와 센서 노드에 대하여 아래와 같이 구 체적인 환경을 명시하고 이를 기반으로 프로파일을 설계 하였다. 센서 네트워크에 관한 가정 ․PHY/MAC은 IEEE 802.15.4 표준을 따른다. ․802.15.4에서 정의한 Multi-Hop 전송을 지 원하며, 이를 위한 계층 2 멀티 홉 라우팅 기 능이 지원된다고 가정한다. ․각 노드의 MAC 주소는 EUI-64 방식의 48 비트 long 주소 또는 중복 없는 16 비트의 short 주소로 사용한다. ․하나의 PAN ID로 정의되는 PAN에는 오 직 하나의 IPv6 게이트웨이만 존재한다. 센서 노드에 관한 가정 일반적으로 "Mote"라고 통칭되는 다음과 같 은 사양의 센서 노드를 대상으로 한다. ․8 또는 16 비트 RISC 방식 CPU ․4 KByte 이상의 RAM ․50 KByte 이상의 프로그램 메모리 ․IEEE 802.15.4의 단일 통신 인터페이스 3.2 초소형 TCP/IPv6 기능 프로파일 1) 센서 네트워크 환경에 대한 IPv6 최적화 기본사항 ․IPsec 지원을 위한 기능을 모두 제거한다. ․라우팅 테이블 관리 기능을 모두 제거한다. ․다중 인터페이스 지원 기능을 모두 제거한다. ․Mobile IPv6 관련 기능을 모두 제거한다. ․Path MTU 탐색 기능을 제거한다. IPv6 주소 처리 ․하나의 노드는 하나의 link local 주소와 하 나의 Global Unicast 주소만 지원한다. ․Global unicast 주소는 stateless address auto-configuration 방식에 의해 생성한다. ․All-Nodes-Multicast, All-Routers-Multicast 이외의 멀티캐스트 주소는 사용하지 않는다. ․Anycast 주소관련 기능은 지원하지 않는다. 2) 센서 네트워크 환경에 대한 ICMPv6 최적화 337 Error Reporting 기능 ․Destination Unreachable 메시지 생성 이외 의 모든 Error Reporting 관련 기능은 지원 하지 않는다. Query 기능 ․echo 서버 기능 이외에는 지원하지 않는다. 3) 센서 네트워크 환경에 대한 ND 최적화 Redirect 기능 ․Redirect 패킷 생성 및 수신 처리를 위한 기능은 지원하지 않는다. Address Autoconfiguration 관련 ․RA 송신 기능은 수행하지 않는다. ․Stateless address autoconfiguration 동작 시에 Duplication Address Detection 기능은 수 행하지 않는다. ․Default Router 리스트 및 Prefix 리스트 관리를 수행하지 않는다. Neighbor Discovery 관련 ․NS와 NA 송신 및 수신 기능은 수행하지 않는다. ․Neighbor Cache Entry 관련 기능도 모두 제거 한다. 4) 센서 네트워크 환경에 대한 TCP 최적화 TCP Options 관련 ․MSS(Maximum Segment Size) 협상 이외 다른 옵션은 지원하지 않는다. PUSH ․지원하지 않는다. 다만 데이터를 무한이 버퍼링 하지 않도록 하며, 마지막 세그먼트에는 PSH 비 트를 1로 설정한다. Urgent Data Delivery ․지원하지 않는다. 338 Window Management ․흐름제어를 위한 기본적인 윈도우 관리는 수행 한다. ․Zero-Window에 대한 Probing 기능은 지원한다. ․송신 SWS(Silly Window Syndrome) Avoidance : Nagle 알고리즘 방식에 의해 지원한다. ․수신 SWS Avoidance는 지원하지 않는다. Connection Management ․Clock 기반의 ISN(Initial Sequence Number) 설정 : 지원한다. ․Simultaneous OPEN : 지원하지 않는다. ․비정상적인(멀티캐스트 또는 브로드캐스트) 원격 지 주소에 대한 Local-OPEN 거부 및 비정상적인 원격지로 부터의 SYN Segment 거부 : 지원한다. 상 ․RST 세그먼트 내의 데이터 수신 : 지원하지 않는다. ․연결 해제 시에 2*MSL 기간 동안 TIME-WAIT 태 보존 : 지원하지 않는다. Error Control ․Checksum : 송수신에 대한 Checksum 기능을 모 두 지원한다. ․RTO(Retransmission Time Out) 계산 : 지원하지 않으며, 이미 정해진 상수 값을 대신 사용한다. ․Out-of-order 순서 번호를 가진 세그먼트 수신 : 지원하지 않는다. ․Fast Recovery 기능(동일한 순서 번호를 가진 3개 의 ACK 수신 시에 재전송 수행) : 지원하지 않는다. Congestion Control ․Jacobson's Slow Start : 지원하지 않는다. ․Jacobson's Congestion Avoidance : 지원하지 않 는다. Connection Failure ․임계치 값, R1 이상의 재전송 발생 시에는 Dead-Gateway-Diagonosis를 위해 이를 IP 계층 에 통보 : 지원하지 않는다. ․임계치 값, R2 ( > R1) 이상의 재전송 발생 시에 Connection을 해제 : 지원하지 않는다. 표 1에서 UDP, ICMPv6 등의 “Checksum" 기능 Keep Alive ․지원하지 않는다. 3.3. S-IPv6의 프로토콜 세부 기능 구성 S-IPv6 프로토콜 스택을 구성하는 각 프로토콜에 대해서 중요한 기능들에 대한 지원여부를 다음의 표 1에 정리하였다. 표 1. S-IPv6 각 프로토콜별 기능 지원 여부 Table. 1 Functional supporting or not for each S-IPv6's protocol 프로토콜 Checksum TCP Options PUSH Urgent Data Delivery 기능 지원 여부 지원 제거 제거 제거 Window Based Flow Control 지원 Silly Window Syndrome Avoidance TCP Retransmission Retransmission Timeout Calculation Fast Recovery UDP ICMPv6 Receiving Out-of -sequence Segment Congestion Control Checksum Echo Query Destination Unreachable 제거 Simultaneous Connectio Open 제거 Keep Alive 제거 지원 제거 제거 제거 제거 지원 지원 지원 그 외 모든 오류 메시지 제거 Checksum 지원 주기적인 Neigh 관리 및 NUD 제거 DAD(Duplication Address Detection) ICMPv6 (주소 및 Neigh 관리) ARP(NS/NA) 및 Neigh 등록 제거 지원 (Single Hop) Address Auto-Configuration 지원 RA 수신 처리 (HopLimit, Prefix) 지원 RS 송신 Prefix Timer 관리 제거 제거 은 IPv6에서는 의무적인 기능이므로 비교적 자원 소모가 많은 연산 기능이지만 호환성을 위해 지원 할 필요가 있다. 그리고 ”주기적인 Neigh 관리와 NUD(Neigh Unreachability Detection)", "Prefix Timer 관리“ 항목은 센서 네트워크라는 특수한 환 경에서 Timer에 의한 주기적인 체크, 패킷 전송 등 은 센서 노드에게 자원 소모라는 위험 요소가 있으 므로 이들 기능은 지원하지 않는 것이 타당해 보인 다. 또한 ARP용 NS, RS 송신 등은 일종이 브로드 캐스팅 기능이므로, 센서 네트워크에서 최대한 억제 하는 것이 타당하다. Ⅳ. 결 론 및 향후 계획 본 논문에서는 센서 네트워크와 IPv6 기반의 인 터넷 연동을 위한 핵심적인 기술 분야인 저 전력, 저사양의 센서 노드에서 실행 가능한 최소 사양의 IPv6 기반 인터넷 프로토콜 프로파일의 기능 분석 을 수행하였다. 이를 기반으로 센서 노드에 적합한 초소형 TCP/IPv6(S-IPv6) 기능 프로파일을 설계하 였다. 향후 계획으로는 설계된 프로파일의 동작을 확인하기 위하여 프로파일 규격 일부를 Telosb 플 랫폼과 TinyOS 환경에서 구현 할 것이다.