778 정보과학회논문지 : 컴퓨팅의실제및레터제 14 권제 8 호 (2008.11) 메쉬네트워크기반의유무선통합망성능평가 (Performance Evaluation in Combination of Wired and Wireless Mesh Networks) 한진영 정희동 (Jinyoung Han) (Heedong Jung) 임영빈 이정근 (Youngbin Im) (Jeongkeun Lee) 류지호 권태경 (Jiho Ryu) (Taekyoung Kwon) 최양희 (Yanghee Choi) 요약미래인터넷의주요한접근수단중하나가될무선메쉬네트워크를기반으로하는유무선통합망의성능은사용자에게제공될서비스의품질에직접적인영향을미친다. 따라서본논문에서는유선망과연결된메쉬네트워 본논문은한국정보사회진흥원의광대역통합연구개발망사업을통해개발된결과임을밝힙니다. 이논문은 2008 한국컴퓨터종합학술대회에서 메쉬네트워크기반의유무선통합망성능평가 의제목으로발표된논문을확장한것임 학생회원 : 서울대학교컴퓨터공학부 jyhan@mmlab.snu.ac.kr jhryu@mmlab.snu.ac.kr 비회원 : 서울대학교컴퓨터공학부인턴연구원 hdjung@mmlab.snu.ac.kr 비회원 : 서울대학교컴퓨터공학부 ybim@mmlab.snu.ac.kr 비회원 : HP연구소포닥연구원 jklee78@gmail.com 정회원 : 서울대학교컴퓨터공학부교수 tkkwon@snu.ac.kr 종신회원 : 서울대학교컴퓨터공학부교수 yhchoi@snu.ac.kr 논문접수 : 2008년 8월 27일심사완료 : 2008년 10월 20일 Copyright@2008 한국정보과학회ː개인목적이나교육목적인경우, 이저작물의전체또는일부에대한복사본혹은디지털사본의제작을허가합니다. 이때, 사본은상업적수단으로사용할수없으며첫페이지에본문구와출처를반드시명시해야합니다. 이외의목적으로복제, 배포, 출판, 전송등모든유형의사용행위를하는경우에대하여는사전에허가를얻고비용을지불해야합니다. 정보과학회논문지 : 컴퓨팅의실제및레터제14권제8호 (2008.11) 크의성능을평가하여서비스망으로서의실효성을검증한다. 이를위해서울대와미국 HP 연구소의무선메쉬네트워크테스트베드를광대역유선망인 KOREN/Abilene 으로연결하여유무선통합망을구축하고, 다양한 TCP 프로토콜들의성능측정및분석을수행하였다. 특히유무선통합망의여러구간에서지연시간 (RTT) 등을측정하여 VoIP 등의다양한서비스를제공할만한적절한 RTT 값을가짐을밝혀냈으며, 패킷손실이많이발생하는무선구간과높은대역폭과긴지연시간을가지는유선구간이복합되어있는환경에서좋은성능을낼수있는 TCP 프로토콜의형태와특성을제시하였다. 키워드 : 무선메쉬네트워크, 유무선통합, TCP 프로토콜 Abstract The performance in combination of wired and wireless mesh network which will be a main access network in future internet is directly linked with service quality to users. In this paper, we evaluate variant TCP performance and analyze traffic characteristics on Wireless (Seoul National University Mesh testbed) - Wired (KOREN/Abilene) - Wireless (HP Mesh testbed in the USA) Network. We found that RTT is proper in this network to serve a VoIP service. Also we propose an enhanced TCP protocol which can perform well in both wireless network which has many packet losses and wired network which has high bandwidth and long delay. Key words :Wireless Mesh Network, Combination of Wired and Wireless network, TCP Protocol 1. 서론 미래인터넷의가장주요한접근수단중하나가될무선메쉬네트워크에대한연구가전세계적으로활기를띠고있다. 무선메쉬네트워크기술은기존의 IEEE 802.11 기술을통한무선인터넷서비스보다저비용으로넓은지역에서비스를제공할수있는무선접속망구축을위해제안된것으로, 관련연구가이미많이진행되어왔다 [1]. 하지만무선메쉬네트워크가고속광대역망으로연결된환경에대한연구는거의진행되고있지않다. 미래인터넷접속기술로서의메쉬네트워크의실효성을검증하기위해서실제고속광대역백본망과의연계를통한연구가매우중요하다. 왜냐하면무선메쉬네트워크가액세스망으로사용되는경우백본망의전송용량및성능이메쉬네트워크종단의성능에직접적인영향을미치게되고이러한환경은사용자에게제공할서비스의품질에직결되기때문이다. 유선실험망인한국의 KOREN과미국의 Abilene 과같이높은대역폭과긴 RTT를가지는광대역환경과무선메쉬네트워크가복합적으로구성되는상황에서현재의 TCP 프로토콜의성능은좋지않을것으로예상된
메쉬네트워크기반의유무선통합망성능평가 779 다. 왜냐하면채널에러가많은무선환경에서의패킷손실로인한 TCP의성능저하뿐만아니라큰 Bandwidth Delay Product (BDP) 환경에서의혼잡윈도우증가가느리기때문이다. 따라서이두가지를개선할수있는네트워크프로토콜에대한연구가필요하다. 본논문에서는서울대학교의무선메쉬네트워크테스트베드, 높은대역폭과긴지연시간을가지는유선망 KOREN/Abilene, 미국 HP 연구소의무선메쉬네트워크테스트베드가연동된네트워크에서종단간의지연시간, 네트워크용량을측정하여유무선통합망의성능을검증하고, 이런환경에서 TCP 성능을최대화하는방안을연구하는것을목표로한다. 본논문의구성은다음과같다. 2장에서는현재주로사용되는 TCP 프로토콜들이유선, 무선환경을어떻게고려하는지살펴보고, 3장에서는유무선통합망구축을위한테스트베드설정에대해서설명한다. 4장에서유무선통합망의성능과 TCP 성능을측정하고 TCP 성능을최대화하는방안에대해살펴본후 5장에서결론을맺는다. 2. 관련연구 TCP Reno는가장널리사용되고있는 TCP 프로토콜이지만패킷손실이항상네트워크혼잡으로인해발생한다고가정하고연결초기에윈도우크기가느리게증가하기때문에여러문제가발생하였고, 이를해결하기위한프로토콜들이개발되었다 [2]. Reno는패킷손실이발생하면혼잡윈도우 (cwnd) 크기를급격하게줄이는데무선환경에서처럼비트에러로인한패킷손실이많이발생하는경우에이러한과도한윈도우크기감소는오히려성능저하를가져오게된다. 따라서 TCP Veno[2], Westwood[3] 등의프로토콜의경우패킷손실시윈도우크기를상황에따라적절히조절해 TCP의성능향상을꾀한다. 또한 Reno의경우초기에윈도우크기가너무느리게증가하기때문에큰 BDP 환경에서좋은성능을내지못하게되는데 TCP Cubic[4] 이이러한문제를해결하기위한프로토콜로제안되었다. 이절에서는실험에사용한이들 TCP 프로토콜이어떤특성이있는지살펴보도록한다. 2.1 TCP Veno 이프로토콜은네트워크의혼잡상태를관찰하여상황에따라적절하게혼잡윈도우크기와슬로우스타트임계치 (slow start threshold: ssthresh) 를조정한다 [2]. 혼잡상태를측정하기위해 TCP Vegas 프로토콜이사용한방법을쓰는데, 우선측정된지연시간의최소값과최근의지연시간값을구하고그둘의차이를이용해서혼잡상태를판단하기위한값을구한다. 윈도우크기가 슬로우스타트임계치보다큰경우, 이계산된값을이용하여혼잡도를판단하고혼잡도가큰경우윈도우를천천히늘리고작은경우빨리늘린다. 3개의중복된 ACK 메시지를받은경우도계산값에따라윈도우크기를줄이는정도를달리한다. 2.2 TCP Westwood Westwood도네트워크의상황에따라윈도우크기와슬로우스타트임계치를적절하게조정하도록하는프로토콜이다 [3]. 기본적으로네트워크의대역폭을예측하여이를바탕으로패킷손실이발생했을때윈도우크기와슬로우스타트임계치를설정한다. 보내는측은계속적으로 BandWidth Estimate(BWE) 를계산하고 BWE 가높은경우에는패킷손실이발생해도윈도우크기와슬로우스타트임계치를과도하게줄이지않는다. 2.3 TCP Cubic Cubic은큰 BDP 환경의네트워크에서 TCP의성능을향상시키고동시에다른 TCP와의형평성도유지하기위해개발되었다 [4]. 앞에서소개한 Westwood도이러한기능을상당히포함하고있다. 큰 BDP 네트워크에서는일반적인 TCP 프로토콜의경우윈도우크기가느리게증가하는데이프로토콜에서는이러한문제를해결하기위해윈도우증가함수 (window growth function) 을정의하여상황에따라윈도우크기를다르게조절한다. 3. 테스트베드설정본실험은무선네트워크와큰 BDP 네트워크가결합된환경에서다양한 TCP들의성능을측정하고이를바탕으로성능을최대화하는 TCP의특성을발견하며유무선통합망이사용자에게적절한서비스를제공할수있을만큼의성능을보이는지검증하는것을목적으로한다. 이러한목적에따라앞에서언급한대로그림 1과같이서울대의무선메쉬네트워크테스트베드, KOREN/ Abilene, 미국 HP 연구소의무선메쉬네트워크테스트베드순으로무선-유선-무선형태의테스트베드를구축하였다. 보내는노드인 SNU client와도착노드인 HP client는리눅스환경의노드로양단의무선메쉬네트워크서비스를제공해주는메쉬포탈 (MP) 와유선으로연결하였다. 서울대메쉬네트워크와 HP 메쉬네트워크사이에통신이 KOREN/Abilene 광대역통합망을거쳐이루어지게하기위해서 KOREN IP를가지고있는 SNU- KOREN machine을중간에두었다. 또한메쉬노드들이백본과연결되도록해주는역할을하는서울대 Mesh Management Server (MMS) 와 SNU-KOREN machine 사이, 그리고 SNU-KOREN machine과 HP MMS사이는 openvpn[5] 을사용하여가상사설망 (VPN) 으로터널링
780 정보과학회논문지 : 컴퓨팅의실제및레터제 14 권제 8 호 (2008.11) 그림 1 테스트베드설정 하였다. VPN을사용한목적에는서울대메쉬네트워크와 KOREN에직접연결되어있는 SNU-KOREN machine 을연결하고 HP 메쉬네트워크로가는모든트래픽이강제로이 VPN 터널을통해 SNU-KOREN machine 으로전달되도록하기위한것과, 사설 IP 주소를가지고있는서울대와 HP의메쉬네트워크노드들이서로를같은네트워크로인식하도록설정하기위한것이있다. 이들이같은네트워크로인식해야하는이유는각각의사설망안에있는노드들끼리 NAT (Network Address Translation) 등의특별한추가메커니즘없이서로통신이가능하도록하기위해서이다. 4. 성능평가 4.1 실험설정을위한기본실험유무선통합네트워크의성능측정을위한실험설정을위해먼저기본적인네트워크전송특성을파악할필요가있어서전송되는구간별지연시간을측정하였다. SNU client에서부터 HP client까지총경로에서의각구간별평균누적지연시간은그림 2와같다. 서울대무선구간은메쉬노드가가까운거리에있고간섭이적어서지연시간이작았지만, KOREN/Abilene 유선구간에서지연시간이크고또한 HP 무선구간에서도추가적인지연시간이있었음을알수있다. 무선구간과유선구간의특성을좀더자세히파악하기위해실험구간을표 1과같이 5개구간으로나누었다. 이때무선구간이멀티홉이되었을때의성능평가를위해 1홉과 2홉인경우에대해실험하였고, 다른무선기기의간섭을최소화하기위하여 802.11a를사용하였다. 표 1 실험구간설정 구간명 구간정의 Description 구간1 SNU client-snu MMS 서울대메쉬무선구간 구간2 SNU MMS-HP MMS KOREN/Abilene 유선구간 구간3 HP MMS-HP client HP 메쉬무선구간 구간4 SNU client-hp MMS 무선-유선구간 구간5 SNU client-hp client 전체구간 그리고성능평가를위해각구간별로 RTT, Capacity, Available bandwidth를 ping, iperf[6], pathrate[7] 를이용하여측정하였다. 여기서 Capacity는경쟁하는트래픽이없을때해당경로가제공할수있는최대쓰루풋이고, Available bandwidth는현재링크가제공할수있는최대쓰루풋이다. 특별히구간별 Available bandwidth는각 TCP 프로토콜이각구간에서갖고있는이점을파악하여 TCP 성능을최대화하는방안을찾기위해 TCP Reno, Veno, Westwood, Cubic으로 TCP 종류를바꾸어가며실험을진행하였다. 4.2 무선구간이 1홉일때실험결과 4.2.1 구간별지연시간 (RTT) 이장에서는메쉬기반유무선통합망에서 VoIP를사용하기에지연시간이적합한지를검증하고지연시간의병목구간을찾기위해, 무선구간이 1홉일때각구간별로지연시간을측정하였다. 구간별지연시간의결과인그림 3을보면, 서울대의무선구간에서의지연시간은아주작지만서울대외부인터넷구간에서지연시간이커지는것을알수있다. 여기에서지연시간의병목구간은광대역유선망이라고할수있다. 전체적으로서울대 client부터 HP client까지평균지연시간이 193.84ms였는데, 이는 VoIP를무리없이하기위한 delay 200ms를만족하였다. 그림 2 SNU client 로부터의평균누적지연시간 그림 3 무선 1-hop 환경에서의구간별 RTT
메쉬네트워크기반의유무선통합망성능평가 781 그림 4 무선 1-hop 환경에서의구간별 Capacity 그림 5 구간별 TCP bandwidth (2MByte) 4.2.2 구간별 Capacity 그림 4는 Capacity 병목구간을찾기위해무선구간이 1홉일때각구간별로 Capacity를측정한결과이다. 구간별로살펴보면구간 1인서울대무선구간에서의값은 802.11a가낼수있는최대치에가까운값을나타낸다. 구간 2의경우는연구망인 KOREN/Abilene 유선구간을거치기때문에약 59~63Mbps의높은 Capacity 가측정되었다. HP 무선구간인구간 3의경우는 HP gateway와 HP client의물리적인거리가서울대노드들보다상대적으로멀고동작중인다른 802.11a 무선노드들이많았기때문에서울대무선구간보다작은 Capacity가나오는것으로보인다. 무선-유선구간인구간 4와무선-유선-무선구간인구간 5의경우를보면각구간의병목지점인무선구간같은성능임을알수있다. 이결과들을볼때무선망이연구망인 KOREN/ Abilene을거치는경우 Capacity 병목구간은무선구간이라고할수있다. 4.2.3 구간별 Available bandwidth 이장에서는메쉬기반의유무선통합망에서 TCP 성능을최대화하는방안을찾기위해각구간별로 TCP 종류와설정을바꾸어가며 Available bandwidth 를측정하였다. 각각지연시간과 Capacity 의병목구간인유선구간 / 무선구간의성능을개선하기위해서, 서울대 client에서 TCP 종류를 Reno, Veno, Westwood, Cubic으로바꾸어가며실험을진행하였다. 구간 2, 3의경우는서울대 client가아니기때문에 TCP 변경을임의로할수없어서제외하였다. 그리고앞에서언급한대로환경에따라다른윈도우크기가성능에영향을미치게되기때문에 TCP 최대윈도우크기를 16.0Kbyte~2MByte로변경시키며실험을진행하였다. 최대 TCP 윈도우크기를운영체제에서기본적으로설정한 16.0Kbyte 로하였을때의결과는 TCP 종류들간에차이가거의없었다. 무선-유선구간인구간 4의경우에만 Westwood와 Cubic이 Reno나 Veno에비해약간좋은성능을보이는데이는 Westwood나 Cubic은큰 BDP 환경을고려하는프로토콜이기때문이다. 서울대무선구간은 1홉이고간섭으로패킷손실이거의일어나 지않아무선환경특성이거의없다고볼수있기에무선환경을고려한프로토콜인 Veno는 Reno와거의비슷한성능을나타내는것으로보인다. 최대 TCP 윈도우크기를 2MByte 로늘렸을때의결과는전보다훨씬좋은성능을보였고, 최대윈도우크기가그림 5와같이 Cubic > Veno > Westwood > Reno의순서로좋은성능을나타내었다. 전체성능이증가한이유는최대 TCP 윈도우크기를증가시킴에따라유선구간의성능이증가했기때문이다. 이는무선구간보다유선구간이양단간 TCP 성능을결정하는중요요소임을나타낸다. 같은이유로큰 BDP 환경을고려한프로토콜인 Westwood 와 Cubic이 Reno보다월등한성능을나타내었고, Veno의경우도 Reno보다좋은성능을보였는데이것은 Veno의프로토콜특성상네트워크가혼잡이라고판단이되면 Reno보다혼잡윈도우크기를천천히증가하게되고따라서혼잡이발생하기전까지상대적으로큰혼잡윈도우크기를유지할수있기때문이라고보인다. 4.3 무선구간이 2홉일때실험결과 4.3.1 구간별지연시간 (RTT) 이장에서는멀티홉메쉬네트워크기반의유무선통합망에서 VoIP를사용하기에지연시간이적합한지를검증하고지연시간의병목구간을찾기위해무선구간이 2 홉일때각구간별로지연시간을측정하였다. 1홉일때와마찬가지로지연시간의병목구간은유선구간이었고, SNU mesh client 부터 HP mesh client까지평균지연시간이약 170ms 정도였는데, 이는 VoIP를하기위한 200ms 제약을만족한것이다. 그림 6 무선 2-hop 환경에서의구간별 RTT
782 정보과학회논문지 : 컴퓨팅의실제및레터제 14 권제 8 호 (2008.11) 그림 7 무선 2-hop 환경에서의구간별 Capacity 4.3.2 구간별 Capacity 그림 7은 Capacity 병목구간을찾기위해무선구간이 2홉일때각구간별로 Capacity 를측정한결과이다. 서울대무선구간이 1홉일때평균 27Mbps 에서 2홉이되면서약 1/3에해당되는 9Mbps 정도로감소하였다. HP 무선구간도감소하였지만, 1홉일때보다간섭이다소적어서서울대무선구간보다오히려좋게측정되었다. 이경우에도결국종단간의 Capacity 병목구간은무선구간임을알수있다. 4.3.3 구간별 Available bandwidth 이장에서는무선구간이 2홉일때메쉬기반의유무선통합망에서 TCP 성능을최대화하는방안을찾기위해각구간별로 TCP 종류와설정을바꾸어가며 Available bandwidth 를측정하였다. Available bandwidth 를측정해보니무선구간이 1홉일때와는달리 Capacity 값에서차이를보였다. 그이유는 Capacity가추정된값인데, 무선구간이멀티홉이되면서생길수있는간섭등으로인해실제측정된대역폭이더작아진것으로보인다. 최대윈도우크기가 16Kbyte 일때는전처럼각 TCP 별로성능차이가잘나타나지않아서최대윈도우크기를 2MByte 로설정한경우에대해서만살펴보기로한다. 최대 TCP 윈도우크기를 2MByte로늘렸을때의결과는 16Kbyte 일때보다훨씬좋은성능을보였다. 먼저서울대무선구간에서의성능은 Westwood > Veno > Cubic > Reno 순으로측정되었다. 무선구간이 2홉이되면서무선구간성능향상을위해제안된프로토콜인 Westwood 와 Veno가좋은성능을나타낸것으로보인다. 무선-유선구간성능인구간 4의결과는 Cubic > Westwood > Veno > Reno 순서로측정되었다. 큰 BDP 를갖는유선구간이추가되자이러한환경에서유리한프로토콜인 Cubic이가장좋은성능을보였다. 마지막으로서울대 client로부터 HP client에이르는종단간성능의경우는 Westwood > Cubic > Veno > Reno 순서로나타났다. 유선구간에서의성능향상이비교적크지않기때문에 Veno보다 Cubic이더좋은성능을보였고, 무선환경과유선구간에서의성능향상을모두고려하는 Westwood 가가장좋은성능을나타냈다. 5. 결론 그림 8 구간별 TCP bandwidth (2MByte) 본논문에서는무선메쉬네트워크가광대역유선망을통하여다른무선메쉬네트워크와연결되는유무선통합망의성능에대한실험결과를제시하였다. 그결과지연시간 (RTT) 는 VoIP를사용하기에무리가없는수준인 200ms 미만으로측정되었다. 또한패킷손실이많이발생하는무선구간과큰 BDP를가지는유선구간이복합되어있는환경에서좋은성능을낼수있는 TCP 프로토콜의형태로무선과유선양구간의특성을모두고려하는 Westwood + Cubic 형태의 TCP 프로토콜을제안한다. 특별히이새로운프로토콜은긴전송지연과높은대역폭을가지는유선구간에서 TCP 성능을더욱향상시키기위해최대 TCP 윈도우크기를충분히확보하는것이필요하다는것을보여주었다. 앞으로의연구를통하여위의언급한특성을가진새로운 TCP 프로토콜을구현해서유무선통합환경에서실제로어떤성능개선을가져오는지검증할예정이다. 참고문헌 [1] J. Bicket, D. Aguayo, S. Biswas, and R. Morris, "Architecture and Evaluation of an. Unplanned 802.11b Mesh Network," in MobiCom 2005. [2] C. P. Fu, and S. C. Liew. "TCP Veno: TCP Enhancement for Transmission over Wireless Access Networks," IEEE Journal of Selected Areas in Communications, Vol. 21, Issue 2, 2003. [3] S. Mascolo, C. Casetti, M. Gerla, S.S. Lee, and M. Sanadini, "TCP-Westwood: Congestion window control using bandwidth estimation," in Globecom 2001. [4] I. Rhee and L. Xu, "Cubic: A new tcp-friendly high-speed tcp variant," in PFLDnet Workshop 2005. [5] OpenVPN, "http://openvpn.net/index.php" [6] Iperf, "http://dast.nlanr.net/projects/iperf" [ 7 ] Pathrate, "http://www.cc.gatech.edu/fac/constantinos. Dovrolis/pathrate.html"