한국정보통신학회논문지 (J. Korea Inst. Inf. Commun. Eng.) Vol. 18, No. 3 : 519~525 Mar Ⅰ. 서론최근스마트폰의사용이증가함에따라스마트폰을 DLNA (Digital Living Network Alliance) 와같

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현섭 온
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1 Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering 한국정보통신학회논문지 (J. Korea Inst. Inf. Commun. Eng.) Vol. 18, No. 3 : 519~525 Mar 이동통신단말기를이용한 DLNA 네트워크접속 김상록 이현석 * Accessing DLNA Network with Cellular Communication Terminals Sangrok Kim Hyunseok Lee * Department of Electronics and Communications Engineering, Kwangwoon University, Seoul , Korea 요약 이논문은스마트폰의 3G/4G 통신모듈을이용하여가정과사무실의 DLNA 네트워크에직접접속하는방법을보여준다. 이를통해사용자는활성화된무선통신모듈의종류에상관없이 DLNA 서비스를보다편리하게활용할수있다. 이기능의구현을위해이논문에서는소형기지국인펨토셀을사용하였다. 스마트폰의 3G/4G 통신모듈이가지는 IP 주소체계와지역망의 IP 주소체계의차이로발생하는문제들은 LIPA 기법을적용하여해결하였다. 또한 DLNA 프로토콜구동에필요한멀티캐스트패킷처리기능을터널링기법을적용하여구현하였다. 그결과스마트폰에서활성화된무선통신모듈의종류에상관없이 DLNA 서비스의사용이가능해졌다. 설계결과는상용 WCDMA 펨토셀에적용하여그적정성을입증하였다. ABSTRACT In this paper, we show a scheme to directly access DLNA network with the 3G/4G communication module of a smartphone in home or office environment. By exploiting this scheme, end users can use DLNA service more conveniently regardless of the type of activated communication module in a smartphone. For the implementation of this scheme, we use a femtocell that is a basestation with small coverage. A problem caused by the IP address hierarch discrepancy between the IP address of 3G/4G module of smartphone and those of local network nodes is resolved by deploying local IP address scheme. The processing of multicasting packet, that is required in DLNA service, is enabled by using IP tunneling scheme. As a result, end user can access DLNA network regardless of the type of activated wireless communication module. We validate the design result by implementing it on a commercial WCDMA femtocell. 키워드 : DLNA, 펨토셀, 홈네트워크, LIPA Key word : DLNA, Femtocell, Home Network, LIPA 접수일자 : 심사완료일자 : 게재확정일자 : * Corresponding Author Hyunseok Lee( hyunseok@kw.ac.kr, Tel: ) Department of Electronics and Communications Engineering, Kwangwoon University, Seoul , 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 한국정보통신학회논문지 (J. Korea Inst. Inf. Commun. Eng.) Vol. 18, No. 3 : 519~525 Mar Ⅰ. 서론최근스마트폰의사용이증가함에따라스마트폰을 DLNA (Digital Living Network Alliance) 와같은홈네트워크서비스에응용하려는시도가다양한형태로이루어지고있다. 이때주로사용되는무선접속방법이 WiFi이다. WiFi는별도의인허가가필요없는주파수대역을사용하므로설치가용이하고이용요금이부과되지않는장점이있다. 그러나 WiFi는단말기이동시데이터연결이끊기는단점이있다. 이에대한대안으로소형기지국인펨토 (femtocell) 의사용이고려되고있다. 펨토셀은이동통신기지국의일종으로대형기지국인매크로셀 (macrocell) 과협력하여단말기에연속적인무선접속이가능하도록만들어준다. 그러나펨토셀을이용하여홈네트워크에접속하면근접한위치에있는홈네트워크장치들에접속할때도그림 1처럼데이터가무선핵심망 (core network) 을거쳐야해무선핵심망의부하가증가하는문제가발생한다. 또한홈네트워크가사설 IP 주소 (private IP address) 를이용하여구성되면펨토셀을이용해서홈네트워크에위치하는서버에접속이불가능하다. 본논문에서는스마트폰이연속적인무선데이터사용을위해 3G 혹은 4G 통신모듈을활성화시켜펨토셀을사용하더라도홈네트워크에효과적으로접속할수있는방법을제안한다. 스마트폰이홈네트워크로전송하는데이터들이핵심망을거치지않고직접홈네트워크로전달되도록하며, 홈네트워크가사설 IP 주소를사용하더라도스마트폰이홈네트워크에위치하는서버들에제약없이접속할수있도록한다. 제안하는방법의응용예로홈네트워크서비스가운데가장널리사용되는 DLNA를서비스를펨토셀을이용하여제공받을수있음을보인다. 지금까지 DLNA 서비스는스마트폰이 WiFi를통해홈네트워크에접속된경우에만사용이가능하였다. 따라서스마트폰의사용자는활성화된통신모듈의종류에상관없이동일한서비스를항시적으로이용할수있게된다. 펨토셀에관한기존의연구는펨토셀의데이터를홈네트워크와효과적으로연동하는방법에대한것으로그응용과관련된문제는구체적으로다루고있지않다. 또한펨토셀의데이터를홈네트워크와연동시키는방법은개념수준의기술문서가제공될뿐이에대한상 세한구현방법은제시되지않았다 [1-5]. 본논문은이들과달리이개념을구체화하고이를이용하여 DLNA 서비스를구현한결과를제시한다. Ⅱ. 본론 2.1. 펨토셀을이용한 DLNA 서비스접속펨토셀을이용해서홈네트워크에구현된 DLNA 서비스를효과적으로접속하기위해서는몇가지문제를해결해야한다. 첫번째문제는 이동통신단말기와홈네트워크사이의데이터경로를효과적으로구현하는것 이다. 펨토셀을사용으로무선구간에서트래픽분산은가능해졌지만, 펨토셀을사용하더라도기존의데이터전송방식을그대로사용하면그림 1의점선으로보인것처럼홈네트워크를향하는모든데이터들이핵심망 (core network) 을거쳐홈네트워크로전송되기때문에핵심망의부하가높아진다. 본논문에서는이와같은데이터가핵심망을거치지않고직접홈네트워크의단말기로향하도록하는방법인 LIPA (Local IP Access) 기법을적용하여이문제를해결하였다. LIPA는이동통신규격에그개념이소개되어있지만구체적인구현방법이제시되어있지는않다 [3-5]. 두번째문제는 멀티캐스트기능을지원하는것 이다. DLNA 서비스는초기에접속된장치들을찾는과정에서멀티캐스트패킷을사용한다. 그림 1. WCDMA 펨토셀에서 LIPA 기능이사용되었을경우와사용되지않았을경우의데이터흐름비교 Fig. 1 The comparison of data traffic flow in WCDMA femtocell network when LIPA is deployed or not 520

이동통신단말기를이용한 DLNA 네트워크접속 그러나 WCDMA 규격에서는멀티캐스팅 / 브로드캐스팅패킷에의한무선채널낭비를막기위해이동통신단말기들에서기지국으로전송되는상향 (uplink) 멀티캐스팅 / 브로드캐스팅패킷의전송을제한하고있다. 따라서이동통신단말기는 DLNA 망에접속할수없다.

3 이동통신단말기를이용한 DLNA 네트워크접속 그러나 WCDMA 규격에서는멀티캐스팅 / 브로드캐스팅패킷에의한무선채널낭비를막기위해이동통신단말기들에서기지국으로전송되는상향 (uplink) 멀티캐스팅 / 브로드캐스팅패킷의전송을제한하고있다. 따라서이동통신단말기는 DLNA 망에접속할수없다. 본논문에서는이동통신단말기와펨토셀사이에멀티캐스트패킷전송을위한데이터터널 (tunnel) 을설정하여사용함으로이문제를해결하였다 WCDMA 펨토셀을통한 DLNA 망접속구현 LIPA LIPA를구현하는몇가지방법가운데본논문에서는 NAT (network address translation) 기법에기반을둔방법을적용하였다. 이방법은그림 2에서보인것과같이이동통신단말기가지역망의노드들과데이터를주고받는경우펨토셀에서 NAT 동작이일어난다. 이동통신단말기가홈네트워크로데이터를전송하는경우, 전송되는 IP 패킷의생성지주소 (source address) 를핵심망이이동통신단말기에할당한 IP 주소에서이단말기가펨토셀에입장할때펨토셀이내부적으로할당한지역망의 IP 주소로변경한다. 반대방향의경우역으로 IP 패킷의목적지주소 (destination address) 가펨토셀이이동통신단말기에내부적으로할당한지역망의주소에서핵심망의 IP 주소로변경된다. 이과정을통해지역망의노드들은이동통신단말기를지역망의한노드로인식하게된다. 또한이동통신단말기는핵심망이할당한 IP 주소를그대로사용하기때문에이단말기가펨토셀에서매크로셀로이동하여도동일한 IP 주소를그대로사용할수있어연속적인데이터서비스제공이가능하다. 이논문에서구현된 LIPA의상세동작절차는크게 i) NAT 테이블설정과정 과 ii) 데이터전송과정 으로나눌수있다. NAT 테이블설정과정 은이동통신단말기와핵심망이서로주고받는제어메시지들로부터 LIPA 동작에필요한정보를추출하는과정이다. 그림 3 에서보인것과같이이동통신시스템과단말기사이의패킷호설정과정에서 RRC (radio resource control) 연결설정절차, 인증및보안절차, RB(radio bearer) 설정절차등이진행된다 [6]. LIPA 동작을위해이과정의마지막단계에서전송되는 Activate PDP Context Accept 메시지에서이동통신단말기에할당되는 IP 주소를추출한다. 그다음단계로펨토셀의초기화단계에서확보해두었던지역망의 IP 주소가운데하나를이단말기에할당한다. 최종적으로그림 4와같은 NAT 테이블이완성되며이테이블은다음에설명할 데이터전송과정 에서활용된다. 그림 4는펨토셀에 2 대의이동통신단말기가입장하였고, 이들이사용하는 IP 주소는각각 과 이며, 이단말기들에는확보된 10개의지역망의 IP 주소가운데 2개의 IP 주소 과 을각각할당한예를보여준다. 그림 3. WCDMA 시스템의패킷호설정과정 Fig. 3 The packet call setup procedure of WCDMA system 그림 2. NAT 기반의 LIPA 의동작과정 Fig. 2 The operation flow of LIPA based on NAT scheme 그림 4. NAT 테이블의구조와그구성방법 Fig. 4 The structure and building mechanism of NAT table 521

한국정보통신학회논문지 (J. Korea Inst. Inf. Commun. Eng.) Vol. 18, No. 3 : 519~525 Mar. 2014 데이터전송과정 을살펴보면펨토셀은이동통신단말기가보내는데이터의경우목적지 IP 주소의범위를조사한다. 목적지 IP 주소가지역망에해당하지않는경우에는아무런변경없이이데이터를연결된핵심망으로전송한다.

4 한국정보통신학회논문지 (J. Korea Inst. Inf. Commun. Eng.) Vol. 18, No. 3 : 519~525 Mar 데이터전송과정 을살펴보면펨토셀은이동통신단말기가보내는데이터의경우목적지 IP 주소의범위를조사한다. 목적지 IP 주소가지역망에해당하지않는경우에는아무런변경없이이데이터를연결된핵심망으로전송한다. 목적지 IP 주소가지역망의범위안에있는경우, 전송되는 IP 패킷의발생지 IP 주소를그림 4 의 NAT 테이블에등록된지역망 IP 주소로변경하는 NAT 과정을수행한다. NAT 테이블에여러단말에대한 NAT 정보가등록된경우핵심망에서할당한발생지 IP 주소를이용하여필요한정보를찾아낸다. 이와같이발생지 IP 주소를변경하는이유는이패킷에대한응답메시지를지역망으로부터정상적으로받기위한것이다. 이경우핵심망 IP 주소를발생지주소로그대로사용하면지역망노드에서만들어내는응답메지시의목적지주소가이핵심망 IP 주소로설정되고, 이응답메시지는지역망입장에서는외부망을목적지로하는것으로인식되어핵심망을거쳐단말기에도착한다. 이는본연구에서목적하는정상적인 LIPA 동작이아니다. 반대로지역망에서전송한메시지의경우목적지주소를그림 4의 NAT 테이블에등록된지역망 IP 주소정보와비교한다. 일치하는항목이존재하면수신된메시지의목적지를대응하는핵심망 IP 주소로교체하는작업을수행한다. 이는지역망의장비가이동통신단말기를지역망의장비가운데하나로인식하여목적지주소를단말기의핵심망 IP 주소가아닌지역망 IP 주소로설정하기때문이다. 이와반대로이동통신단말기는자신의 IP 주소가핵심망 IP 주소라고이해하기때문에정상적인통신을위해서는이와같은변환이필요하다 양방향멀티캐스팅앞서설명한바와같이 DLNA 서비스접속을위해서는이동통신단말기와펨토셀이상향멀티캐스트패킷을처리할수있어야한다. 이를위하여단말기와기지국사이에 IP 터널 (tunnel) 을설정하고단말기에서상향멀티캐스트패킷의전송이검출되면이패킷에터널링헤더를붙여펨토셀로전송한다. 이패킷을수신한펨토셀은 IP 터널헤더를제거하고그결과를지역망으로전달한다. 하향멀티캐스트패킷은 WCDMA 규격이이를지원하므로별도의동작없이유니캐스트패킷의경우와동일하게전송한다. 브로드캐스팅패킷도이와동일한방식으로전송한다. Ⅲ. 실험 3.1. 실험환경본논문의설계내용을실증하기위해서그림 5(a) 와같은구조의실험환경을구성하였다. 핵심망은이동통신사업자에의해상업적인목적으로운영되어연구목적으로사용이어려우므로가상핵심망 (core network emulator) 을지역망내에연결하였다. 이실험환경에서핵심망으로부터이동통신단말기에할당된 IP 주소는 이고펨토셀이이이동통신단말기의지역망접근을위해내부적으로할당한지역망의주소는 이다. 한편이동통신단말기와의통신하는지역망의장치는 을주소를가진다. 그림 5(b) 는그림 5(a) 에모사된실험환경을실제구현한결과이다. 그림하단가운데에위치한사각형장치가펨토셀이며, 그좌측에위치한것이안드로이드단말기이다. 하단우측의노트북컴퓨터에가상핵심망소프트웨어가응용프로그램형태로구동되고있다. 상단우측에이들을서로연결하는공유기가위치한다. (a) (b) 그림 5. (a) 실험환경의구조 (b) 실험환경의구현결과 Fig. 5 (a) the structure of experiment environment and (b) its implementation result 522

이동통신단말기를이용한 DLNA 네트워크접속 그림 6. 이동통신단말기에서지역망에연결된노드로 ICMP ping 시험을수행한결과 Fig. 6 IP packet capture result on the ICMP ping test from UE to local node 3.2.

10.10.101의 IP 주소를가지는이동통신단말기가보낸 ICMP Request 패킷을 192.168.1.8의 IP 주소를가지는지역망의장치가수신하여 ICMP Reply 패킷이송신하는것을확인할수있다. 반대로지역망의장치에서이동통신단말기로 ICMP 패킷을전송하는경우도실험하였으나그결과는지면의길이한정때문에생략한다.

따라서상위계층에서전송되는 IP 주소의값과 IP 계층에서전송하는 IP 주소의값이서로달라져서오동작이발생한다. 말기는 DLNA 제어장치와 DLNA 렌더러역할을수행하고지역망에연결된 Window 기기는 DLNA 서버역할을수행하였다. 그림 7(a) 는 LIPA가구현된펨토셀에연결되어있는이동통신단말에서 DLNA 제어프로그램을구동한화면이다.

5 이동통신단말기를이용한 DLNA 네트워크접속 그림 6. 이동통신단말기에서지역망에연결된노드로 ICMP ping 시험을수행한결과 Fig. 6 IP packet capture result on the ICMP ping test from UE to local node 3.2. LIPA 실험구현된펨토셀기반홈네트워크가정상적으로동작하는지확인하기위해, HTTP, telnet, ftp, ssh 등의프로토콜을구동시켰으며그정상적인동작여부를확인하였다. 그림 6은 LIPA가구현된펨토셀과연결되어있는이동통신단말기에서지역망에연결된장치로 ICMP 패킷을보내는과정을이동통신단말기에서 WireShark 프로그램을이용하여관찰한결과를보여준다 의 IP 주소를가지는이동통신단말기가보낸 ICMP Request 패킷을 의 IP 주소를가지는지역망의장치가수신하여 ICMP Reply 패킷이송신하는것을확인할수있다. 반대로지역망의장치에서이동통신단말기로 ICMP 패킷을전송하는경우도실험하였으나그결과는지면의길이한정때문에생략한다. 위와같은실험을통해펨토셀에구현된 LIPA가양방향모두정상적으로동작함을볼수있다. LIPA 실험결과발견된한가지제약사항은이동통신단말기가서버 (server) 역할을수행할수없다는것이다. FTP 프로토콜등에서는 IP 주소를상위계층에서문자형태로전송하는데, 펨토셀에서수행하는 NAT 동작은 IP 계층의주소만을변경한다. 따라서상위계층에서전송되는 IP 주소의값과 IP 계층에서전송하는 IP 주소의값이서로달라져서오동작이발생한다. 말기는 DLNA 제어장치와 DLNA 렌더러역할을수행하고지역망에연결된 Window 기기는 DLNA 서버역할을수행하였다. 그림 7(a) 는 LIPA가구현된펨토셀에연결되어있는이동통신단말에서 DLNA 제어프로그램을구동한화면이다. 이동통신단말기가성공적으로멀티캐스트패킷을 DLNA 서버와주고받아 DLNA 서버와 DLNA 랜더러에대한정보를수집한것을볼수있다. 이실험결과에서는지역망에연결된 Window 기기에서구동되는 window media player 12 프로그램이서버와랜더러로동작하고있다. 그림 7(b) 는이동통신단말기에서 DLNA 서버가제공한동영상들가운데한동영상파일을선택하고이동영상을이동통신단말기에서재생하고있는화면이다. (a) 3.3. DLNA 망접속실험최종적으로이동통신단말기와펨토셀을이용하여 DLNA 네트워크에직접연결을실험하였다. 이때미디어콘텐츠를저장하는 DLNA 서버, 콘텐츠를재생하여표시하는 DLNA 렌더러, 동작을제어하는 DLNA 제어장치로구성되는 DLNA 3-box 모델에서, 이동통신단 (b) 그림 7. 이동통신단말기와펨토셀을이용한 DLNA 망접속실험결과. 이동통신단말기에서 (a) DLNA 제어기를구동한초기화면, (b) 동영상을재생한화면 Fig. 7 Experiment result on DLNA network access with cellular terminal and femtocell. (a) initial screen shot of DLNA controller and (b) video play on cellular terminal 523

6 한국정보통신학회논문지 (J. Korea Inst. Inf. Commun. Eng.) Vol. 18, No. 3 : 519~525 Mar 이그림의상단에서 H 글자와상하양방향의화살표를볼수있는데, 이는본논문에서목표로하는것과같이 DLNA 망의접속을 WiFi가아닌 WCDMA HSDPA (high speed downlink packet access) 채널을이용해수행하고있음을보여준다. 향으로전달될수있도록하였다. 이를응용하여가장널리쓰이고있는홈네트워크응용서비스의하나인 DLNA 서비스를이동통신단말기를이용하여이용할수있도록구현하였다. 연구된내용은상용펨토셀에적용되어그구현성이검증되었다 펨토셀의연산부하분석추가적으로본논문에서제안하는방식으로이동통신단말기와홈네트워크의연동기능을구현하는데있어서 NAT 동작의작업량이펨토셀의중앙처리장치에얼마나큰연산부하를발생시키는지관찰하였다. 실험결과 NAT 동작에따른연산부하의증가는 400MHz로동작하는 ARM11 프로세서에서 0.5% 이하로경미하였다. 분석결과그이유는다음과같다. 펨토셀의경우물리계층을제외한모든상위계층의제어평면, 데이터평면의패킷처리를중앙처리장치에서소프트웨어형태로처리하고있다. 이와같은전제작업량과 LIPA를위한 NAT 동작에필요한작업량을비교하면 NAT 동작에필요한작업량의비율이매우낮기때문이다. Ⅳ. 결론본논문에서는이동통신단말기를이용하여홈네트워크에직접접속할수있는시스템을보였다. 이를위해 WCDMA 펨토셀을이용하였고, 펨토셀의데이터를핵심망을거치지않고직접홈네트워크로전송하는 LIPA 기능을적용하였다. 또한, 다양한홈네트워크서비스의구현을위해이동통신단말기와홈네트워크노드사이에멀티캐스팅혹은브로트캐스팅패킷이양방 감사의글본연구는미래창조과학부가지원한 2013년정보통신 방송 (ICT) 연구개발사업의연구결과로수행되었음. REFERENCES [1] 3GPP TR , Architecture aspects of Home NodeB and Home enodeb (Release 9), 3GPP, Valbonne, France, [2] 3GPP TS , Service requirements for Home NodeBs and Home enodebs (Release 9), 3GPP, Valbonne, France, [3] 3GPP TR , Local IP Access and Selected IP Traffic Offload (LIPA-SIPTO) (Release10), 3GPP, Valbonne, France, [4] Muhamad F. Khan, "Femtocellular Aspects on UMTS Architecture," M. S. dissertation, Aalto University, Espoo, Finland, [5] Siddhartha Kundalkar and Madhur Raj N., "LIPA: Local IP Access via Home Node B", Radisys White Paper, [6] 3GPP TS , Radio Resource Control (RRC) Protocol Specification (Release 10), 3GPP, Valbonne, France, 김상록 (Sangrok Kim) 광운대학교전자통신공학과학사광운대학교전자통신공학과석사 관심분야 : 임베디드시스템, 이동통신프로토콜 524

7 이동통신단말기를이용한 DLNA 네트워크접속 이현석 (Hyunseok Lee) 한국과학기술원전기및전자공학과학사포항공대전자전기과석사 University of Michigan, Ann Arbor Ph.D. 관심분야 : 임베디드시스템, 이동통신프로토콜 525

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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