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Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering 황성규 한승조 * MPLS and Video Stream broadcast multicast transport optimization through convergence Seong-kyu Hwang Seung-jo Han

1 Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering 황성규 한승조 * MPLS and Video Stream broadcast multicast transport optimization through convergence Seong-kyu Hwang Seung-jo Han * Department of Information & Communication Engg., Chosun University, Gwangju , Korea 요약 QoS 기술과전송기술의고도화로실시간통신과다양한응용서비스가가능하며요즘모바일기기의보급화와 LTE 기술의발전으로멀티미디어서비스가고품질구현이가능하다. 이러한조건을만족시키기위해서는단순히대역폭확장과라우터증가와라우팅테이블의증가를고려하여망의확장성문제가포함되어진다. 트래픽폭주에따른데이터를분산할수있는환경이중심이되어야된다. 그러기위해서는현재수신지기반라우팅방식을송신지기반 (Source routing ) 의라우팅설정이필요하다. 본논문에서는 IETF 에서발표한표준화인 IP 스위칭방식기반의레이블스위칭프로토콜인 Multi-Protocol Label Switching(MPLS) 을이용하여기존망의 Best Effect 로멀티미디어전송에 QoS 보장이힘든환경을최적화된 MPLS 망을이용 QoS 를보장하여멀티캐스트를전송하도록한다. ABSTRACT QoS techniques and transmitted in real-time communication with the advancement of technology a variety of applications and services are available these days, mobile devices bogeuphwa LTE technology to the development of multimedia services with high quality can be realized. In order to satisfy this condition simply with a router with an increased bandwidth expansion by considering the increase in the routing table of the network scalability problems included. Burst traffic data to be distributed according to the environment is to be centered. To do this, the destination -based routing method to transmit the current paper -based (Source routing) routing settings are required. In this paper, published by the IETF, IP switching system based on standardized protocol Label Switching Multi-Protocol Label Switching (MPLS) network by using the existing Best Effect is difficult to guarantee QoS for multimedia transmission in MPLS network environment using optimized QoS guarantees to transmit the multicast. 키워드 : MPLS, 멀티캐스트, QoS 기술, 멀티미디어 Key word : MPLS, Multicast, QoS Technologyorder, multimedia 접수일자 : 심사완료일자 : 게재확정일자 : * Corresponding Author Seung-jo Han ( sjbhan@chosun.ac.kr, Tel: ) Department of Information & Communication Engg., Chosun University, Gwangju , Korea Open Access print ISSN: online ISSN: This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License( by-nc/3.0/) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. Copyright C The Korea Institute of Information and Communication Engineering.

2 Ⅰ. 서론 최근인터넷을통한실시간통신과응용서비스의다양화로인해접속속도의고속화를요구하고, 멀티미디어등의실시간과고속접속서비스증가에따른인터넷트래픽이급격하게증가하여인터넷서비스품질의 QoS가보장되지않고있다. 이러한상황에서 ISP 사업자는사용자의요구에따라망확장과품질을향상시켜야하는상황이요구되고있다. 이요구는단순히대역폭을확장과더불어라우터증가와라우팅테이블수의증가를중점을둔망의확장성문제가포함되어진다 [1,2]. 라우터위주의라우팅기반은고품질의멀티미디어와실시간서비스가폭주가일어날경우혼잡을피하기어렵다는단점이거론된다. 트래픽폭주에따른데이터를분산할수있는환경이중심이되어야된다. 그러기위해서는현재수신지기반라우팅방식을송신지기반 (Source routing ) 의라우팅설정이필요하다. 본논문에서는 IETF에서발표한표준화인 IP스위칭방식기반의레이블스위칭프로토콜인 Multi-Protocol Label Switching(MPLS) 을이용하여기존망의 Best Effect로멀티미디어전송에 QoS보장이힘든환경을최적화된 MPLS망에 QoS 보장하여멀티캐스트로전송하도록한다. Ⅱ. MPLS(Multiprotocol Label Switching) 기술 라우터의라우팅은수신지기반의라우팅에기초를두고있으며 IP 라우팅할때수신지 IP주소에따라다음 HOP을라우터의라우팅정보에의해결정한다. 라우팅큰장점은장애로인한대체경로를찾아전달할수있는큰특징이있다. 그러나이러한라우팅기반은트래픽이혼잡되는것을피하기어렵다는단점이있다. 라우터에서이러한폭주에따라트래픽부하를분산할수있는환경이있어야한다. 현재의수신지기반라우팅방식을업그레이드한송신지기반 (Source routing) 의경로설정기능이필요하다 MPLS(Multiprotocol Label Switching) 기술비연결형으로동작하는 IP망에서논리적채널 LSP(Label Swtiching Path) 로구성하여연결형으로동작할수있게하는것이 MPLS이며가입자망에서들어오는트래픽들을 LER장비에서 Label을각각부착하여 MPLS망에서보내어 Egress LER에서 label을제거하여패킷을전달한다. LER장비는 LSR장비로패킷스위칭을수행하며패킷의목적지레이블을등재하여있는인터페이스에고속스위칭을수행한다. MPLS 원리는 layer 2 Switching 기술인 Packet forwarding과 layer 3 기술인 routing을융합하여 label을이용하여 layer 2 프로토콜에적용이가능하다. MPLS를기존의 packet forwarding과비교하면 packet forwarding 방식에서는 packet의목적지 IP주소를기준으로전송되어진다. 그러나 MPLS에서는 label을이용하여 packet을 forwarding 하기때문에하드웨어적고속스위칭이가능해진다 [1,2] MPLS 구성및구성요소 MPLS(Multiprotocol Label Switching) 은 L2프레임또는 IPv4/IPv6 패킷에 Label을부착하여전송하는기술이며 MPLS가동작하는라우터나스위치를 LSR(Label Switch Router) 라고한다. PE라우터와 P라우터는 MPLS VPN 서비스를제공하는 ISP의라우터이고 CE라우터는고객사의라우터이다.(1) LER(Label Edge Router) 은 MPLS망에서사용자경계부분에서연결된장비로서 MPLS망에서사용되는 Label을 Encapsulation Decapsulation을수행하고망내에서가장빠른경로로스위칭하는역할을한다 [3,4]. LSR(Label Switch Router) 은 MPLS망에서 LER장비의 Label을할당하고 LER장비의상황을실시간으로파악하여 MPLS스위칭테이블을유지관리하는역할을한다. Label은 stream 이나 traffic flow에 label 을분배되는고정길이의식별자로 FEC(Forwarding Equivalence Class) 를구분하여이웃하는두노드사이에서만의미가있다. FEC는특정한 LSR에서동일한 forwarding 처리과정을하는 packet의 group을나타내는목적지주소로서비스클래스로분류한다 [5,6]. LSP(Label Switched Path) 은 LSP는 data가전송되기전에설정되며 MPLS Domain으로구성된 MPLS장비들이 Domain에서특정 FEC로지정된 packet은 LSP를 1331

가진다 [7,8]. 그림 1. 복수개의 Label Header Format Fig. 1 Label Header Format multiple Label을 20bit로구성되어있으며 CoS(Class of Service) 는 3bit S는 Bottom of stack로 1bit TTL(Time to live)8bit로구성되어있다.

3 가진다 [7,8]. 그림 1. 복수개의 Label Header Format Fig. 1 Label Header Format multiple Label을 20bit로구성되어있으며 CoS(Class of Service) 는 3bit S는 Bottom of stack로 1bit TTL(Time to live)8bit로구성되어있다. Label Header는한개, 복수개로구성될수있다. S bit가 0이면다른 Label Stack 가존재하고 S가 1이면 Label Stack은없다 Label 위치 그림 2. ATM Label 위치 Fig. 2 ATM Label Location 이더넷이나프레임릴레이와 PPP 패킷은이패킷바로다음에 Label이붙는다. 그러나 ATM은위의방식과는상이하게 Label 위치에 VPI VCI가 Label 로위치해있다. IP Packet에 MPLS Label을 PUSH 할때 IP Header의 QoS Field( IP Pre/DSCP) 의첫 3bit를 MPLS Label의 EXP Field로복사하며새로운 Label이추가되면기존 Label의 EXP 값이새로추가된 Label에그대로복사된다. 다른 Label로 Swap할때도기존 Label의 EXP값이새로변경된 Label에그대로복사된다. MPLS Label의 EXP 값변경시변경시내부의 IP Header로는전달되지않는다. 따라서고객 IP 패킷내부에설정된 QoS 값들은변함없이전달된다. 경우에따라 MPLS EXP 값과 IP Header의 QoS 값을변경시킬수있다 멀티캐스트멀티캐스트는하나의발신지와하나의목적지에그룹을가지고한번의전송으로그룹내모두에게전송하는방식이며 에서 의 IP 대역을사용한다. 그룹내전체에한번의 Copy만으로 1:N 형태의전송으로가능하여중복전송으로네트워크부하를최소화하는프로토콜이다 [9,10] 멀티캐스트라우팅방식구분 (1) 송신자기반트리 Push Model을사용하며초기에멀티캐스트데이터들이전체네트워크상으로전송되며수신자가존재하지않는 path는 prune를수행하며 single sender에적합하다 기본적인 IP QoS 와 MPLS EXP 의관계 표 1. EXP 값에따른 3bit Value Table.1 EXP 3bit Value PHB definitions Expedited Forwardign Assured Forwarding class 1 class 2 class 3 DSCP Value(6Bits) EXP Value (3bits) EF AF1 AF2 AF class 4 AF Best Effort 그림 3. 송신자기반트리종류 Fig. 3 Sender-based Tree Type 1332

(2) 그룹공유트리 Pull Model 사용하며 Packet을요청하기전까지는 Packet수신을요청하는수신자가없다는가정한다. Source 와모든 receivers는 center로접속한다. 그룹공유트리방식은 Multiple Senders에적합하다. 그림 5. 세부구성도 Fig. 5 Configuration Details 그림 4. 그룹공유기반트리종류 Fig.

4 (2) 그룹공유트리 Pull Model 사용하며 Packet을요청하기전까지는 Packet수신을요청하는수신자가없다는가정한다. Source 와모든 receivers는 center로접속한다. 그룹공유트리방식은 Multiple Senders에적합하다. 그림 5. 세부구성도 Fig. 5 Configuration Details 그림 4. 그룹공유기반트리종류 Fig. 4 Group share-based Tree Type Ⅲ. 제안 MPLS 와멀티캐스트융합을통한 Video Stream 방송전송최적화 3.1. MPLS와멀티캐스트융합을통한 Video Stream 방송전송최적화제안구성의세부구성도는 MPLS구간과가입자와멀티미디어제공자구간으로구분하였으며라우팅프로토콜은 MPLS망내에서는 OSPF로설정하였으며 CE-PE 구간통신을위해라우팅은 BGP로설정하였다. MPLS VPN에서가입자네트워크의멀티캐스트를지원하기위해백본망자체즉 MPLS구간에서멀티캐스트를설정하고. 가입자망내부에서도멀티캐스트를설정하였다. MPLS 구간에서는멀티캐스트를설정하고 PIM-SM 으로 MPLS구간의멀티캐스트를구현하였다. 세부구성도는라우터및서버에 IP를부여하고라우터와서버에 config를하여실제망에서 Active망으로구성하고 Server(Windows 2003 Media Server) 에서 Media Stream data를전송하여 Client에서수신할때 MPLS 구간에서 QoS 최적화하여최상의조건으로전송하는것을제안하는것을목표로한다. 구체적으로 MPLS QoS 필드의 EXP bit를최상의조건으로고정하여 Client에서멀티미디어수신시최상의 QoS를보장받는다. MPLS 라우터간에는 IGP 및 LDP를동작시킨다. MPLS TE에서는 IGP를 OSPF 또는 IS-IS를사용한다. LDP는 MPLS 라벨바인딩정보를전송한다.PE 라우터간에는 MBPG(Multiprotocol BGP) 를사용하여가입자정보를교환한다. LDP 라우터 ID는라우팅테이블에존재해야하며 LDP 라우터 ID로사용될각라우터의 loopback interface를반드시 OSPF에포함시켜야한다. MPLS VPN 망으로사용할라우터1,2,3,4,5에서 OSPF area 0 으로설정한다. 설정후각라우터에서 routing table을확인하고각라우터간 ping으로통신을확인한다. MPLS VPN 백본망을위한멀티캐스트설정은 PIM-SM을이용해구성하고 Backbone망멀티캐스트는일반멀티캐스트와설정이동일하다. PE 라우터와 1333

Backbone을연결하는모든인터페이스및 BGP 피어링이나 RP주소에사용되는 loopback interface에 sparsemode를설정한다. 3.2.

5 Backbone을연결하는모든인터페이스및 BGP 피어링이나 RP주소에사용되는 loopback interface에 sparsemode를설정한다 GNS3 이용한논리적구성최적화 어를전송하는데라우터 9번을통해 R 5,3,1,6을통해클라이언트즉가입자에게멀티미디어를전송하며 MPLS의 QoS 의 EXP 값이 5임을 show policy-map 인터페이스를통하여확인할수있다. 마찬가지로 R3,1,6 을통하여 MPLS의 QoS의 EXP bit가 5임을확인할수있다. Ⅳ. 비교분석 본장에서는멀티캐스트방송데이터인소치동계올림픽 8.66MByte 동영상과데이터 (ping 반복200회 size 2,000) 을동시에전송했을때최적환경을분석한다 EXP 값에따른전송속도분석 표 2. EXP 값에따른전송속도측정표 Table. 2 Transmission rate according to the value of EXP measurement table EXP 값 EXP=5 EXP=0 데이터유형 최소평균최대최소평균최대 R9 데이터전송 그림 6. 제안멀티미디어전송과정 Fig. 6 Multimedia Transmission process proposed 실제망에서는구현하기어려움이있어가상화 Tool 로구현을하였으며 GNS3라는 Tool로실제망과차이점은물리적, 논리적인차이점외에는큰차이점이없다. 우선 config를 EXP=0과 5로나누어구성하여최적화하여최적화구성안을돌출하여구현하였다. 그림구성은 C1은클라이언트단말단이며 C3는멀티미디어송신국으로윈도우 2003서버로미디어서비스를구성했으며네모안에라우터는 MPLS망의라우터들이며라우터 6,7,8,9는 CE라우터들로구성이되었으며 C3서버에서동계소치올림픽경기를방송을하여 C1클라이언트에서수신하는구조로구성되었다. MPLS에서 QoS를담당한 EXP bit를 5와 0값의차이를분석하여최적의조건으로구현한다. MPLS EXP bit를 5로조정하여서버에서멀티미디 R7,9 동시데이터전송 R9 데이터동시멀티미디어전송 라우터 9 패킷흐름 132 패킷 117 패킷 라우터 6 패킷흐름 99 패킷 88 패킷 MPLS의 EXP 값의변화를통해 QoS를 config하는데서버가입자단라우터 R9에서데이터를전송을시작하여응답시간의최소최대시간과평균시간을측정은유사한흐름상태를보이며서버단라우터인접라우터에서동시에데이터를전송을하여도응답시간에는변화가유사하다. 제안구성환경에서서버단라우터 9에서데이터와동시에소치동계올림픽멀티미디어 8.66MByte를동시에전송하였더니 QoS에많은변화를보이는데 EXP 5에서 EXP 0 일때보다거의배의 QoS 처리가됨을확인하였다. 1334

6 그림 7. EXP=5 값 Fig. 7 EXP=5 value 수신자가있는 CE와접속된 PE R1의멀티캐스트라우팅테이블은 tunnel 0 인터페이스를통하여 R5에게서데이터 MDT 와 을통하여트래픽을수신하고 R6와연결된 F0/0.16 인터페이스로전송한다. 그래프변화는처음에 R 9에서데이터전송시의차이는거의차이가나지않는다. R9와 R7 동시에데이터를보낼때부터약간의차이를보이며실시간동영상과데이터를동시에보냈을때즉실시간동영상의큰 size 와데이터를동시에전송했을때평균시간은 exp=5 일때 89초와 exp=0일때 152초의차이가확연이나타났다. 실시간데이터나일반데이터가전송될때 exp가 0이나 5일때차이는없으나실시간스트림데이터와대역폭이혼잡이발생할때전송시간은차이가있음을보였다. Ⅴ. 결론 그림 8. EXP=0 값 Fig. 8 EXP=0 value MPLS QoS는크게 MPLS TE에서터널당특정대역폭을할당하는것과각인터페이스에서 MPLS 패킷에 QoS를적용시키는것으로구분하고본논문에서는 MPLS 패킷에 QoS를적용시켰다. 기본적인 IP QoS 값과 MPLS EXP 값의상관관계를이용하여최적의환경을구현하였다. MPLS VPN 백본망을위한멀티캐스트설정을 PIM-SM을사용하였으며 BGP의업데이트소스인터페이스가모든 BGP 네이버에게동일하게설정되어야디폴트 MDT가제대로동작되었다. 멀티캐스트 본논문에서는 IETF에서발표한표준화 IP스위칭방식기반의레이블스위칭프로토콜인 Multi-Protocol Label Switching(MPLS) 을이용하여기존망의 Best Effect로멀티미디어전송에 QoS보장이힘든환경을최적화된 MPLS망을이용 QoS 보장하기위해 MPLS 패킷에 QoS를적용멀티캐스트전송구현을하였다. MPLS 구간에서 PIM-SM 으로 MPLS 멀티캐스트를구현하여 GNS3라는 Tool로실제망처럼구현하였다. 서버에서동계소치올림픽경기방송을하여클라이언트에서수신하는구조로구성하여 MPLS에서 QoS를담당한 EXP bit를 5와 0값의변화를분석하여최적의조건으로구현한다. 응답시간의최소최대시간과평균시간을측정은유사한흐름상태를보이며서버단라우터와인접라우터에서동시에데이터를전송을하여도응답시간에는변화가유사하다. 제안구성환경에서서버단라우터 9에서데이터와동시에소치동계올림픽멀티미디어 8.66MByte를동시에전송하였더니 QoS는 EXP 5에서평균 89ms와 EXP 0 일때 152ms의차이의 QoS 처리됨을확인하였다. 향후에는본논문에서연구한방법을만족하는동시에 ISP의서로다른프로토콜을충족시키며가입자에게최적의멀티미디어를제공하기위한방법을제안할계획이다. 1335

감사의글본연구는 2014년도조선대학교학술연구비의지원을받아이루어진연구로서, 관계부처에감사드립니다.(This study was supported by research funds from chosun university,2014) REFERENCES [ 1 ] S. Ganti, N. Seddigh, B.

Callon, Multiprotocol Label Switching Architecture, RFC 3031, Jan. 2001. [ 3 ] E. Rosen, D. Tappan, G. Fedorkow, Y. Rekhter, D. Farinacci, T. Li, A. Conta, MPLS Label Stack Encoding, RFC 3032, Jan.

7 감사의글본연구는 2014년도조선대학교학술연구비의지원을받아이루어진연구로서, 관계부처에감사드립니다.(This study was supported by research funds from chosun university,2014) REFERENCES [ 1 ] S. Ganti, N. Seddigh, B. Nandy, MPLS Support of Differentiated Services using E-LSP, draft-ganti-mplsdiffserv-elsp-01.txt, Nov [ 2 ] E. Rosen, A. Viswanathan, R. Callon, Multiprotocol Label Switching Architecture, RFC 3031, Jan [ 3 ] E. Rosen, D. Tappan, G. Fedorkow, Y. Rekhter, D. Farinacci, T. Li, A. Conta, MPLS Label Stack Encoding, RFC 3032, Jan [ 4 ] L. Andersson, P. Doolan, N. Feldman, A. Fredette, B. Thomas, LDP Specification, RFC3036, Jan [ 5 ] X. Xiao, Providing Quality of Service in the Internet, Michigan State University, Feb [ 6 ] S. Blake, D. Black, M. Carlson, E. Davies, Z. Wang, W. Weiss, An Architecture for Differentiated Services, RFC2475, Dec [ 7 ] J. Heinanen, F. Baker, W. Weiss, J. Wroclawski, Assured Forwarding PHB Group, RFC2597, Jun [ 8 ] F. L. Faucheur, L. Wu, B. Davie, S. Davari, P. Vaananen, R. Krishnan, P. Cheval, J. Heinanen, MPLS Support of Differentiated Services, draft-ietf-mpls-diff-ext-09.txt, Apr [ 9 ] Bates, T. and R. Chandrasekaran, BGP Route Reflection: An alternative to full mesh IBGP, RFC 1966, June 1996 Security with Windows XP", Microsoft Windows XP Technical Article [10] R. Housley, T. Moore, "Wireless LAN Ceritficate Extensions and Attributes", IETF DRAFT, 황성규 (Seong-kyu Hwang) 2007 년전주대학교교육대학원컴퓨터교육학과 ( 교육학석사 ) 2012~ 조선대학교정보통신공학과 ( 박사수료 ) 관심분야 : 통신보안시스템설계, 네트워크보안 한승조 (Seung-jo Han) 1980 년조선대학교전자공학과 ( 학사 ) 1982 년조선대학교전자공학과 ( 공학석사 ) 1994 년충북대학교전자계산학과 ( 공학박사 ) 1986 년 6 월 ~1987 년 3 월 : 뉴올리언즈대학객원교수 1995 년 2 월 ~1996 년 1 월 : 택사스대학객원교수 2000 년 12 월 ~2002 년 3 월 : 버클리대학객원교수 1998 년 3 월 ~ 현재 : 조선대학교전자정보통신공학부교수 관심분야 : 통신보안시스템설계, S/W 불법복제방지시스템, ASIC 설계 1336

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<30312DC1A4BAB8C5EBBDC5C7E0C1A4B9D7C1A4C3A52DC1A4BFB5C3B62E687770> Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering 한국정보통신학회논문지(J. Korea Inst. Inf. Commun. Eng.) Vol. 19, No. 2 : 258~264 Feb. 2015 ID3 알고리즘 기반의 귀납적 추론을 활용한 모바일 OS의 성공과 실패에 대한