[교안]_e-test_Professionals_Word_2010
Mobile IP 핸드오프 시 TCP 성능 개선방안
Mobile IP 핸드오프 시 TCP 성 능 개 선 방안 요 약 현재 인터넷에서 가장 널리 사용되는 전송계층 프로토콜인 TCP가 이동 환경에 그대로 적용 이 가능한지에 대해서는 아직 연구가 진행 중에 있으며,많은 연구들이 유무선 통합망 환경 에서 TCP 성능을 저하시키는 원인을 분석하여 이에 적절히 대웅할 수 있는 방법들을 제시 하고 있다. 기존의 인터넷 환경에서 우선적으로 직면하는 문제는 단말의 이동에 대웅할 수 있는 이동성 지원 문제이며,이를 위해 Mobile IP에 대한 연구가 진행 중이다. 본 논문에서 제 안하는 방식은 종단간 TCP 연결을 유지 하면서,유선 구간에서 는 기 존 TCP의 수정없이 사 용하고,단지 이동 호스트 내 TCP에서 Mobile IP 핸드오프 등록 메시지 처리 과정의 추가하 여 TCP 성능올 향상시킨다. 본 방식의 성능 평가를 위해 NS(Network Simulator) 시뮬레이터 를 사용하여 제안된 방식과 기존 방식 간의 성능을 비교 검증한다. 1. 서론 최근 이동 통신의 대중화로 기존의 인터넷 환경 이 유무선으로 통합되고 있으며,무선 기술의 발전 과 컴퓨팅 파워의 중가에 힘입어 이동 컴퓨팅을 위 한 환경이 점차적으로 구축됨에 따라 현재 광범위하 게 사용되고 있는 인터넷에 이동성 지원이 요구되고 있다. 이동 통신 서비스 사용이 일반화되고,인터넷 사용이 급증함에 따라 이동통신 가입자들은 인터넷 사용이 가능한 이동 통신 단말기를 이용하여 이동 중에 언제,어디서나 인터넷 서버에 접속하여 정보 를 검색하는 서비스를 제공 받기를 원한다. 제 3세 대 IMT-2000 시스템은 인터넷 서비스를 필수적으로 제공하고 있으며 인터넷 망 가입자가 초기 홈 ISP로 부터 할당 받은 고유한 IP 주소를 가지고 IMT-2000 망을 이용해서 인터넷 서비스를 받을 수 있는 Mobile IP 서비스도 제공한다. 이러한 흐름으로 볼 때,이등통신망에서 IP 기반의 인터넷 프로토콜 수용 은 점차적인 추세로 받아들여지고 있다. TCP는 현재 인터넷에서 사용되고 있는 전송 프 로토콜로서 종단간 신뢰성 있는 데이터의 전송 및 바이트 스트림의 연결성 서비스를 제공한다. TCP는 기본적으로 오류율이 낮은 유선 링크로 구성된 통신 망에서 잘 적웅할 수 있도록 설계되었으므로,데이 터 전송 시에 발생하는 모든 오류는 통신망의 폭주 에 의해 발생했다고 고려하여 동적으로 윈도우의 크 기를 변화시 키 는 폭주 제 어 (congestion control)를 수행 한다 [1]. 따라서 유무선 통합망에서 기존 TCP를 적 용한다면 무선 링크의 오류에 의한 패킷 손실까지도 통신망의 폭주로 간주하기 때문에 상당한 성능 저하 롤 초래할 수 있다. 본 논문에서는 이러한 문제점을 해결하기 위해 지금까지 제안된 방식들의 특징과 장 본 연구는 한국과학재단 특정기초연구(1999-2-303-004-3)의 지원에 의해 수행되었음. - 787단점에 대해 살펴보고 새로운 방식을 제안한다. 제 안된 방식은 종단간 TCP 연결을 유지하면서 유선 구간에서는 기존 TCP의 수정 없이 이동 호스트 내 TCP에서 Mobile IP 핸드오프 시 구현된 메시지 처리 과정의 추가에 의해 TCP 성능 향상을 보이고자 한 다. 2. Mobile IP 프로토콜 Mobile-IP 프로토콜 [2]은 IETF의 Mobile IP그룹에 의해 개발된 인터넷에서^] 이동 호스트 지원 권고안 이며,이에 대한 보완작업이 계속 진행 중에 있다. Mobile IP를 지원하기 위해 각 지역 네트워크에는 이 동성을 지원하는 에이전트(agent)가 있고,이동 호스 트의 현재 위치를 나타내는 COA(Care-Of-Address)를 이용해서 데이터 전송이 이루어진다. 이동성 에이전 트는 홈 에이전트의 역할과 외부 에이전트의 역할로 나누어지며,등록 과정을 통한 이동성 연결을 관리 하고 홈 주소와 C0A사이의 주소 변환 객체의 역할 을 수행하며 주기적으로 자신의 이동성 서비스를 에 이전트 광고 메시지를 통해 광고한다. 현재 Mobile IP에서는,홈 에이전트가 모든 이동 호스트들에 대한 이동성 연결을 관리한다. 따라서, COA로의 터널링이 홈 에이전트에 의해서만 수행되 어 이동 호스트로 전달되는 모든 패킷들이 홈 에이 전트를 거치므로 훔 에이전트의 부담이 가중될 뿐만 아니라 이동 호스트로의 경로가 홈 에이전트를 거쳐 COA로 확장되므로 패킷의 전달 경로가 필요 이상으 로 길어진다. 이러한 문제점들을 해결하기 위한 방 안으로 경로 최적화가 제안되고 있다. 경로 최적화 에서는 홈 에이전트 이외의 노드들도 이동 호스트에 대한 이동성 캐쉬의 형태로 분산 관리하면서 COA로 의 터널링을 직접 수행한다. 3. 무선 환경에서 기존의 TCP 성능 개선 방식 현재 많은 연구 결과들이 유무선 통합망 환경에 서 TCP 성능을 저하시키는 원인을 분석하여 이에 적절히 대응할 수 있는 방법들을 제시하고 있다. 제 안된 방법들의 공통적인 특징은 가능한 한 연결 경 로에 있는 무선 링크에서의 오류가 유선망에 영향을 미치지 않도록 하여 유선 링크에서의 오류에 의해서 만 폭주 제어 알고리즘이 호출되도록 하는 것이다. 3.1 기존 TCP의 적용 시 고려사항 TCP는 인터넷에서 사용되고 있는 전송 프로토콜 이며 동적으로 윈도우의 크기를 변화시키는 윈도우 기반의 폭주 제어를 수행한다. 현재의 TCP/IP프로토 콜은 무선 링크에 비해 상대적으로 오류율이 낮은 유선망에서 통신망의 부하가 동적으로 변하는 상황 에서 발생하는 오류에 잘 적응할 수 있는 프로토콜 이다. 유선망에서 TCP는 이러한 오류 발생에 효과적 으로 대처하기 위해서 통신망의 부하에 따라 전송 속도를 조절하는 폭주 제어 방식을 이용한다. 그러 나 유선 망과 달리 무선 망은 잡음,페 이딩(fading), 간 섭 둥에 의한 높은 비트 오류율과 단말기의 이동에 의한 셀 간의 핸드오프 발생 등 여러 다른 요인에 의해 패킷 손실이 발생할 수 있다. 따라서 만약 유 무선 복합망에서 패킷 손실의 발생 시 기존의 TCP 롤 적용하면 패킷 손실을 폭주에 의해 발생했다고 고려하여 폭주 제어를 수행하게 된다. 그러나 패킷 손실이 폭주에 의해 발생되었는지 아니면 열악한 무 선망의 환경에 의해 발생한지는 구분할 수가 없으므 로 모든 패킷 손실을 폭주에 의해 발생했다고 보게 된다면 상당한 성능 저하를 초래할 수 있다. 3.2 기존에 제안된 TCP 성능 개선 방식 Transport layer communication FH BS (a) 종단간 핸드오프 지원 방식 ^Transport layer BS (b) 연 결 분리 방식 FH Transport layer communication Link laveT BS (c) 기지국에서의 재전송 방식 그림 i. 기존에 제안된 방식들 유무선 통합망에서 TCP 성능 향상을 위해 무선 링크의 높은 오류율 보상과 핸드오프 시 패킷 손실 최소화가 요구되어진다. 무선 링크의 오류에 의한 패킷 손실을 최소화하기 위해 링크 계층에서의 새로 운 알고리즘이 소개되고 있으며 이 러한 신뢰성있는 링크 계층 프로토콜에 의해 무선 링크의 오류율을 낮출 수 있다. 또한 핸드오프 동안 패킷 수신의 단 절에 의해 발생된 손실을 최소화하기 위한 연구가 진행되고 있다. 특히 셀 크기가 점차 작아짐에 따라 4. 제안된 방식 연결 분리 방식의 경우 이동성 지원 관점에서 핸 드오프 동안 이전 기지국에서 유무선 링크 간의 연 결에 관한 상태 정보를 새로운 기지국으로 전달해야 하므로 핸드오프의 지연이 상태 정보의 크기에 비례 하여 증가하게 된다. 또한,모든 패킷이 기지국에서 무선 측의 연결과 유선 측의 연결을 릴레이해야 하 므로 두 배의 오버헤드를 초래한다. Snoop 방식과 같 은 기지국에서의 재전송 방식은 이동성 지원보다는 무선 링크의 오류에 대한 보상에 초점을 맞추고 있 다. 따라서 현재 이동성 지원을 위해 가장 적합한 방식은 종단간 핸드오프 지원 방식이라 할 수 있겠 다. 현재 이러한 방식으로 빠른 재전송 방식이 있는 데 TCP의 폭주 제어 알고리즘의 빠른 재전송 방식 과 거의 유사한 기능을 수행하도록 제안되었다. 그 - 788^Transport layer MH MH 단말의 이동에 의한 핸드오프 발생이 더욱 자주 발 생될 것으로 예상되므로 이에 대한 성능 개선이 점 점 더 요구되어지고 있다. 그림 1은 무선 환경에서 TCP 성능 개선을 위해 지금까지 제안된 방식을 크게 세 가지로 분류했으며 각 방식에 대한 구체적인 설명은 다음과 같다. (1) 연결 분리 방식 연결을 무선 링크 연결과 유선 링크 연결로 나누 는 방식의 이점은 이동성과 무선 링크의 불안정과 관련된 문제들이 무선 링크 내에서만 처리가 된다는 점이다. 따라서 고정 호스트와 이동 호스트가 하나 의 연결을 통해서 통신할 경우 생길 수 있는 문제, 즉 핸드오프나 무선 링크 상에서의 비트 오류로 인 한 불필요한 폭주 제어 메커니즘의 호출 등의 문제 를 제거할 수 있기 때문에 성능 향상을 얻을 수 있 다. 또한 기지국이 이동 호스트를 대신해서 많은 통 신 오버헤드를 처리해 주기 때문에 이동 호스트는 기지국과 통신하기 위한 간단한 무선 프로토콜만을 사용할 수 있다. 대표적인 방식으로 I-TCP 방식이 있다 [6]. (2) 기지국에서의 재전송 방식 기존의 TCP를 수정하지 않고 종단간 TCP 연결을 유지하기 위해 단지 기지국에서 데이 터 버퍼링과 지 역 재전송을 수행한다. 이 방식의 기본 목적은 기존 의 TCP에 대한 수정 없이 성능 향상을 추구한다는 것이다. 또한 기지국에서의 재전송이 연결 분리 방 식에서 나타나는 문제인 프로토콜 시멘턱을 어긋나 지 않게 한다는 것이다. 이 방식은 기지국에서 통과 하는 TCP 데이터나 ACK의 헤더를 감시하고 데이터 패킷의 복사본을 버퍼링한다. 이러한 헤더로부터의 정보에 의해 손실된 패킷을 감지할 수 있다. Snoop 방식이 이에 속한다 [5]. (3) 종단간 핸드오프 지원 방식 유무선 통합망에서 핸드오프는 비교적 빠른 시간 내에 완료되지만 TCP의 경우 시간 해상도(500ms)가 좋지 못한 타이머에 의존하여 재전송 타임아웃을 발 생시키기 때문에 송신단에서 타임아웃이 발생하여 패킷을 재전송하기 전까지 이동 호스트는 오랫동안 기다리게 된다. 재전송 타임아웃에 대한 문제로 인 해 핸드오프 완료 후에 성능이 떨어지는 문제를 해 결하기 위해서 ip에서 TCP로 핸드오프 발생 사실을 알려줄 메커니즘이 요구되어진다. Caceres가 제안한 빠른 재 전송(fast retransmit) 방식 이 이 에 속한다. [3] 러나 이 방식은 핸드오프 발생 시 짧은 연결 중단 시간을 가진다고 가정하고 있다. 즉,짧은 연결 중단 시간동안 한 두개의 패킷이 손실된다면 빠른 재전송 에 의해 잘 동작할 수 있지만,긴 연결 중단 시간을 가진다면 송신단은 벌써 타임아웃이 발생해 폭주 윈 도우 크기를 계산하기 위한 파라미 터값(cwnd,sstresh) 이 줄어든 상태이므로 빠른 재전송 알고리즘을 실행 한다면 이는 상당한 성능 저하를 초래하게 된다. 이 를 개선하기 위해 핸드오프 후 폭주 윈도우가 축소 되지 않도록 TCP의 persist 모드를 이용하는 방법 [4] 이 제안되었다. 본 논문에서는 위의 두 알고리즘을 응용하였으며 기존 Mobile IP의 핸드오프 등록 메시 지를 이용하여 핸드오프 발생과 종료를 상위 TCP로 알려준다. 또한 이동 호스트에서 고정 호스트로 핸 드오프 발생 사실을 명시적으로 알리지 않고 ACK를 이용하여 알릴 수 있으므로 기존에 제안된 방식들보 다 가장 단순하게 구현이 가능하다. Mobile IP핸드오프 시 발생된 패킷 손실에 대해 TCP에서는 불필요하게 폭주 제어 알고리즘이 수행 되므로 이를 방지하기 위해 Mobile IP 에서 TCP로 핸 드오프 사실을 알려줄 새로운 메커니즘을 추가할 필 요가 있다. 제안된 방식은 기존 방식들이 기지국에 서의 버퍼링이나 핸드오프 처리를 위해 별도의 메시 지를 가지는 오버헤드를 최대한 줄이면서 성능을 개 선하고자 Mobile IP 핸드오프 등록 메시지를 이용하 고 있다. 또한,고정 호스트(FH: Fixed host) 내 TCP나 기지국을 수~하지 않고 단지 이동 호스트 (MH: Mobile host) 내 TCP만 수정하여 성능을 향상시킬 수 있는 장점이 있다. 이를 검중하기 위해 버클리대학 의 NS-2를 이용하여 시뮬레이션을 수행하였다 [7]. 동작 과정을 간략히 설명하면 다음과 같다. Mobile IP에서 핸드오프 수행 시 이동 호스트가 외부 에이전트의 광고 메시지를 보고 새로운 네트워크로 의 이동을 확인하게 된다. 이 때의 등록 메시지를 이용하여 송신측이 고정 호스트일 경우 이동 호스트 에서 고정 호스트로 이를 알려줄 메커니즘이 필요하 며 이 때 고정 호스트는 전송을 중지하고 이동 호스 트가 새로운 기지국과의 등록 과정이 완료되면 이를 송신측으로 알려 전송을 재개한다. 이 때 기존의 폭 주 제어 알고리즘이 수행되지 않으므로 TCP 성눙 향상을 가져올 수 있다. 4.1 시물레이션 망 구성 현재 TCP의 사실상 표준인 TCP Reno방식과 유무 선 링크가 혼합된 망에서 이동성 지원을 위해 Mobile IP롤 사용한다. 무선 구간에서는 핸드오프의 영향만을 고려하기 위해 무선 구간에서의 오류는 신 뢰성 있는 하위 링크 계층 프로토콜을 사용하여 무 시할 수 있다고 가정한다. 또한 데이터 전송 방향은 고정 호스트에서 이동 호스트로의 벌크 데이터 전송 (FTP)만을 고려하고 있다. 그림 2는 논문에서 고려된 망 구성도를 나타낸다. 총 시물레이션 시간은 250초이며 TCP 패킷 크기는 1000바이트이다. 이동 호스트가 홈 에이전트와 외부 에이전트 사이를 이등하면서 핸드오프가 발생하도록 시뮬레이션했다. 여기서 이동성 지원 에이전트는 기 지국 내에 구현되었다고 가정한다. 기지국의 셀 반 경은 약 250m이며 단말의 이동속도는 20m/s로 설정 했다. 기지국 간의 거리는 500m,550m, 600m로 설정 하여 셀 경계를 지나면서 중첩되지 않는 영역이 커 질 때 기존 TCP와 제안 방식과의 성눙 평가를 보이 기로 한다. 서로 중첩된 셀 내에서는 셀 손실이 없 으므로 성능 평가에서 제외했다. FH _41 MIP RF.0 RF.PI.Y HA 3) MIP REG REQUEST^ I M/ FA 2) M1P_REG REO0E IEPLY C M l I Cell 2 그림 2. 고려된 망 구성도 4.2. 핸드오프 등록 메시지 교환 절차 그림 3은 핸드오프 등록 메시지 교환 절차를 나 타내고 있다. FH HA FA MH ^ 삐 2 : ^ ^ 그림 3. 핸드오프 등록 메시지 교환 절차 Mobile IP에서 핸드오프 시 이동 호스트가 새로운 외부 에이전트의 광고 메시지(MIP_ADS)를 세 개 연 속해서 받으면 이동한 외부 에이전트로 둥록 요청 메시지(MIP_REG_REQUEST)롤 전송한다. 이러한 사 실을 상위 TCPS 알려주고 이 때 ACK 내 윈도우 크기를 0으로 설정하여 상대편 고정 호스트로 전송 하면 상대편 고정 호스트는 전송을 중지하게 된다. 그리고 외부 에이전트와 홈 에이전트 간에 요청 및 응답 메시지가 교환된 후 이동 호스트가 새로운 기 지국으로부터 등록 웅답(MIP_REG_REPLY) 메시지를 수신하면 윈도우 크기를 이판 값으로 설정해서 상대 편 고정 호스트가 전송을 재개하게 한다. 설명에서 알 수 있듯 제안된 방식은 기존 Mobile IP 내에 존재 하고 있는 등록 관련 메시지를 이용한다는 점에서 구현이 간단하다는 장점올 가지며 동시에 성눙 향상 一 789 을 가져올 수 있다. 여기서 제안 방식은 고정 호스트에서 이동 호스 트의 핸드오프 발생 사실을 알기 전까지의 패킷 손 실이 불가피하게 발생하고 있으나 현재 smooth 핸드 오프를 위한 여러 방식들이 제안되고 있으므로 이러 한 손실은 크게 줄일 수 있으리라 기대된다. 또한 제안 방식은 송신측에서 핸드오프 발생 사실을 통보 받으면 전송을 중지하여 손실올 사전에 방지하므로 셀 간 중첩되지 않는 영역이 커질수록 기존 TCP를 적용하는 것보다 더 나은 성눙 향상을 가져올 수 있 다. 4.3 성능 평가 성눙 평가 기준으로 패킷의 균 수율(throughput)을 계산하여 않는 경우의 수율을 기준으로 나타내었다. 그림 4는 기지국 550m, 600m로 설정하여 셀 경계를 지나면서 중첩되 지 않는 영역이 커질 때 기존 TCP와 제안 방식과의 성능을 비교하고 있다. Average throughput (kbit/sec/ 、 순서번호를 보고 평 핸드오프가 발생하지 각 결과를 백분율로 간의 거리를 500m, ^2 u 5 P B d 안방식 u3 5n b a > co °0 50 100 150 Time (sec) 그림 6. 순서번호 변화 그래프 (기지국 간 거리: 600m) 5. 결론 현재 200 250 기존의 TCP를 무선망에 적용하기 위해 여 778 (61.1% 러 방식들이 제안되고 있다. 기본적으로 TCP는 비트 오류가 작은 유선망을 고려해 설계되었으므로 모든 패킷의 손실이 폭주에 의해 발생한 것으로 판단해 동작하지만 유선망과 달리 무선망은 높은 오류율과 단말기의 이동에 의한 핸드오프 등 여러 다른 요인 에 의해 패킷 손실이 발생할 수 있다. 따라서 패킷 손실이 폭주에 의해 발생되었는지 아니면 열악한 무 선망의 환경에 의해 발생한지는 구분할 필요가 있다 제안된 방식은 단말의 이동에 의한 핸드오프 발 Distance handom 50이" 550m 600m between BSs 그림 4. 단말의 이동 시 평균 수율 비교 그림 5와 그림 6은 기지국 간의 거리가 550m일때 와 600m일 때의 순서번호 변화를 나타내고 있으 며 이를 통해 제안된 방식에 의해 TCP 성능이 향 상 되었음을 확인할 수 있다.