논문 12-37B-11-04 한국통신학회논문지 '12-11 Vol.37B No.11 http://dx.doi.org/10.7840/kics.2012.37b.11.993 이기종무선네트워크에서다중연결을이용한전송률제어 정현진, 최승식 Transmission Rate Control in Heterogeneous Wireless Networks Using Multiple Connections Hyeon-jin Jeong, Seung-sik Choi 요 약 본논문에서는무선이동단말이이기종망의다중연결을통해높은대역폭을이용하고또한이기종망의동시사용을통해손실패킷을감소시킬수있는기법을제안한다. 현재의이동단말은하나의네트워크를통해데이터를전송한다. 하지만제안하는기법은이동단말이 WLAN과 3G망등다수의망이존재하는환경에서하나의망을사용하는것이아니라이기종의망의동시사용을통해대역폭을넓게사용한다. 이기종망을동시에사용할수있는지역으로이동단말이이동하게되면이를인지한이동단말은서버에이기종무선망동시사용허용요청을하게되고, 이를수신한서버는다수의프로토콜연결을통해데이터를전송하게된다. 또한제안하는기법은이동단말이다른네트워크로이동할때기존의망을끊지않기때문에핸드오버구간에서발생하는패킷손실이감소하게된다. 제안하는기법을네트워크시뮬레이션 (NS-2) 을통해실험하였고, 처리량이향상되었음을확인하였다. Key Words : TCP, TFRC, Multiple Connection, Heterogeneous, 이기종, 다중연결, 무선네트워크 ABSTRACT In this paper, we propose a method that wireless mobile nodes can obtain high throughput in heterogeneous wireless networks using multiple connections and it has low packet loses under handover situation. Currently, a mobile node exchanges data with server for one network connection. The proposed method can use high throughput because it doesn't only use one network(wlan, 3G, etc.) but also use multiple wireless networks. When mobile nodes move to area to use multiple connection, mobile nodes request heterogeneous wireless networks using multiple connections message from the server and the server transmit packets using multiple connections. Also, this method doesn't disconnect previous networks, so packets losses are decreased. Using the NS-2 simulation, we verify that the propose method enhances throughput. Ⅰ. 서론과거음성통신서비스를제공하는데초점이맞추어진이동단말은최근의전반적인무선네트워크기술의향상을통해음성서비스뿐만이아니라동영상, 온라 인게임, 대용량데이터의전송등다양한고품질의서비스를제공하고있다. 이러한고품질의서비스는과거의기존통신망과이동단말이제공하는대역폭보다훨씬큰대역폭을요구하고있으며이를위해서기존의통신망인 3G망과 WLAN(Wireless Local Area 이논문은 2010 년도정부 ( 교육과학기술부 ) 의재원으로한국연구재단의지원을받아수행된기초연구사업임 (2010-0024926) 주저자 : 인천대학교컴퓨터공학과무선정보네트워크연구실, oasishjj@incheon.ac.kr, 준회원 교신저자 : 인천대학교컴퓨터공학과, 무선정보네트워크연구실, sschoi@incheon.ac.kr, 종신회원논문번호 :KICS2012-04-221, 접수일자 :2012 년 4 월 27 일, 최종논문접수일자 :2012 년 11 월 12 일 993
한국통신학회논문지 '12-11 Vol.37B No.11 그림 1. 이기종네트워크환경과핸드오버 Fig. 1. Heterogeneous wireless networks and Handover Network) 등이기종망을이용하여충분한대역폭을사용하려는연구가활발하게진행되고있다. 하지만무선네트워크는기존의유선망네트워크와다르게이동단말사용자가계속이동을하기때문에네트워크상태가급격히변하게된다. 하지만이동단말과무선네트워크는이러한환경에재빠르게적응하지못하게되어유선망보다상대적으로낮은대역폭으로데이터를송ㆍ수신하게된다. 이러한문제점은무선네트워크환경에서사용자가안정적인서비스를제공받는것을저해하는요인이다 [1,2]. 핸드오버 (Handover) 란이동단말 (Mobile Node) 이하나이상의무선네트워크를거쳐이동할때현재의접속상태가끊어지지않고유지되는것을말한다. 핸드오버는크게두가지로나누어지는데수평적핸드오버 (Horizontal Handover) 는같은형태의망사이의이동이며, ( 그림 1) 과같은수직적핸드오버 (Vertical Handover) 는이기종망간의이동을나타낸다. ( 그림 1) 에서와같이수직적핸드오버는다시두가지로나누어지는데, 대역폭이넓고, 전송범위가좁은네트워크로이동하는하향식핸드오버 (Downward Vertical Handover) 와대역폭이좁고전송범위가넓은네트워크로이동하는상향식핸드오버 (Upward Vertical Handover) 이다. 하향식핸드오버의경우에는링크대역폭이급격하게늘어나게되고이에빠르게적응하지못해사용할수있는대역폭을사용하는데오랜시간이걸리게된다. 반대의경우인상향식핸드오버의경우에는급격히줄어드는대역폭때문에빠르게낮은 대역폭에적응하지못하여많은패킷손실이발생하게되어성능이저하되게된다 [2-4]. 본논문에서는이기종무선네트워크동시사용을통해서기존의대역폭보다더많은대역폭을활용할수있게하며, 수직적핸드오버가발생할경우나타나는패킷손실로인한대역폭적응문제를해결하기위하여새로운기법을제안한다. 본논문에서제안하는기법은이기종망의이용이가능한지역에서이기종망의대역폭을동시에사용하여더높은대역폭을이용하게할수있게한다. 또한기존의핸드오버구간에서발생하는패킷손실을최소화하고이를통해빠른시간내에망의대역폭을점유하게되어사용자에게더나은서비스품질을제공할수있게한다. 본논문의구성은다음과같다. Ⅱ장에서는핸드오버를지원하기위해관련된기존연구사항을알아본다. Ⅲ장에서는제안된이기종무선네트워크에서다중연결을이용한전송률제어에대해서기술하였다. Ⅳ장에서는기존의연구와함께본논문내용을시뮬레이터를통해성능을검증하고결론을맺는다. Ⅱ. 관련연구 TCP(Transmission control protocol) 는기본적으로유선망에적합하도록설계되었으며 slow-start와 AIMD(Additive Increase and Multiplicative Decrease) 알고리즘을통해혼잡제어를수행한다 [5]. 하지만 TCP를무선네트워크상황에적용을했을경우높은유선망에비해높은에러율과이동단말의이동때문에불필요하게혼잡제어를수행하여 TCP성능이감소하게된다. 또한대역폭이낮은망으로의핸드오버에서는급격히감소하는대역폭에적응하지못해많은패킷손실이발생하게되고이는 TCP의성능이저하되는현상이발생한다. 반대의경우인하향식핸드오버의경우에는급격히넓어진대역폭에적응하지못해더큰대역폭을쓸수있음에도불구하고가용대역폭을사용하는데오랜시간이걸리게된다. 이는고품질의서비스를이용하기에는적합하지않다. TFRC(TCP Friendly Rate Control) [6] 는스트리밍미디어와같은멀티미디어애플리케이션에적합한프로토콜로, TCP Reno 의혼잡제어를바탕으로구축된프로토콜로써 TCP와유사하게동작한다. 송신측은수신측으로부터의피드백되는정보를이용하여전송률을조절하게된다 [7,8]. 하지만 TFRC 역시이기종무선네트워크환경에서사용되면핸드오버시네트워크대역폭에빠르게적응하지못하게되고, 이는서비스품질에악 994
논문 / 이기종무선네트워크에서다중연결을이용한전송률제어 영향을미치게된다 [2,9]. Freeze - TCP [10] 는핸드오버시 TCP의성능이저하되는것을개선하기위한기법이다. 이동단말이핸드오버가일어날것을감지하는상태에서핸드오버의발생시이동단말이서버측에윈도우크기를 0으로보내어데이터전송을중단할것을알리며, 이를받은서버측은데이터전송을중지시킨다. 이동단말이핸드오버가끝났을경우다시이동단말은수신가능한윈도우를서버측에알리며, 이를받은서버측은데이터전송을재개하게된다. Freeze - TCP 는기존 TCP가가지는문제를해결한듯보이나, 핸드오버직전의혼잡윈도우와윈도우임계값을그대로사용함으로써높은대역폭을지원하는네트워크로의핸드오버의경우에는대역폭점유시간이오래걸린다. 반대로낮은대역폭을지원하는네트워크로의핸드오버는중단되기직전의혼잡윈도우와, 윈도우임계값을이용함으로역시손실이발생하게되고, 이는 TCP의성능하락으로이어진다 [4]. FLA(Fast Link Adaptation) 기법 [11] 은버티컬핸드오버환경에서변동하는 RTT(Round Trip Time) 정보를바탕으로 TFRC 처리율을계산하는기법으로데이터의전송률을조절하는 TFRC 네트워크환경에서사용하는기법이다. 하지만 FLA기법은핸드오버가발생할경우 RTT만변동한다는가정하에세워진기법으로버티컬핸드오버로인해급격하게대역폭이변화한이후에는혼잡회피모드로전송률을증가시켜결국가용대역폭을점유하는데오랜시간이걸리게되고이는고품질의애플리케이션에는적당하지않다 [12]. IEEE 802.21 MIH 표준 [19] 은이기종네트워크의핸드오버상황에서데이터를끊김없이지원하기위한기술을정의하고있다. 사용자의개입이필요없이자동적으로최선의네트워크를선택하여데이터를전송하는방법으로, 하위계층으로부터수집된정보를바탕으로상위계층은핸드오버결정을하게된다. 하지만트랜스포트계층에핸드오버에대한고려가포함되어있지않기때문에, 여전히패킷손실위험에노출되어있다 [20]. MPTCP [21] 는최근에표준화가완료된기술로, 하나의 TCP 연결이멀티패스 (Multi Path) 를통해이루어지게되고이를통해데이터를전송하는기술을말한다. 기존 TCP기반으로설계된이방법은단일 TCP중에서가장좋은경로의성능만큼성능을지원하게되고, 이를통해 TCP 성능향상에초점을맞추고있다. 하지만 TCP가무선상황에서적용될때에발생하는문제점에대해서고려하고있지않다 [22]. 또한본논문과는다르게 MTCP 는이기종망의사용과, 핸드오버상황에서 발생하는문제에대해고려를하고있지않다. 본연구는기존연구가하나의프로토콜의연결을전제로연구된것과는다르게이기종무선망의동시사용을통해처리량을향상시킨다. 또한이기종망의연결구간에서발생하는손실패킷을, 제안된기법을통해최소화할수있다. Ⅲ. 이기종무선네트워크에서다중연결을이용한전송률제어 현재사용되고있는대부분의이동단말인휴대전화, 태블릿 PC등은 ( 그림 2) 와같이 WLAN 과 3G/LTE 망중단하나의망만을이용하여데이터를전송하고있다. ( 그림 2) 은 3G/LTE 망하나만을쓰는경우이다. ( 그림 2) 의 1번의경우에는 WLAN 망의전송범위내에이동단말이위치하고있지만사용자의요청에의해 3G망이나 LTE망을이용하는경우이다. ( 그림 2) 의 2의경우에는이동단말이 WLAN 의전송범위에위치하지않는경우로 3G/LTE 망만을이용한다. ( 그림 3) 의경우는이동단말이 WLAN 의전송범위내에위치하게되고, 사용자의요청에의해서 AP(Access point) 를통한 WLAN 망을사용하는경우이다. 이때 BS(Base station) 으로부터의3G/LTE 망의연결은해제되고 WLAN 망만을이용하여데이터를송ㆍ수신하게된다. 하지만본논문에서제안하는기법인 MTCP(Multiple TCP) 와 MTFRC(Multiple TFRC) 은 ( 그림 2) 의 B지역과같이 3G/4G 만이용가능한지역에서는기존의방법과동일하게하나의연결을통해데이터를송ㆍ수신한다. 하지만이동단말이 ( 그림 4) 의이기종망이존재하는 A 지 그림 2. 3G/4G 를사용하는이동단말 Fig. 2. mobile node using 3G or LTE 995
한국통신학회논문지 '12-11 Vol.37B No.11 그림 5. 이기종무선망동시사용기법의메시지흐름 Fig. 5. Message Flow of Heterogeneous wireless Network using multiple connections 그림 3. WLAN 을사용하는이동단말 Fig. 3. mobile node using WLAN 그림 4. 이기종무선망동시사용기법 Fig. 4. Heterogeneous wireless Network using multiple connections 역으로이동단말이이동하게되면기존의방법처럼하나의연결을유지하는것이아니라이기종망을동시에사용하여데이터를송ㆍ수신한다. 3G망만을이용할수있는지역에서이기종망으로이동단말이이동하게되면, 이동단말은스스로관련파라미터 (AP의수신신호세기등 ) 등을이용하여사용가능한네트워크가있음을사용자에게알리게된다. 이를인지한사용자는이기종무선망동시사용여부를선택하게된다. 반대의경우인 WLAN 망만을이용하여데이터를송ㆍ수신하고있던이동단말이사용자의요청에의해서 3G망을동시사용을요청하는경우에도위에서기술한것과같이이기종망을동시에사용하게된다. 이는 3G 망의전송범위가 WLAN 망의범위보다훨씬넓기때문에 WLAN 의접속이가능한지역에서는언제든 3G망의접속이가능하다는가정을전제하고있다. 이기종무선망동시사용의종료는두가지상황에서발생하게된다. 첫번째는사용자가더이상이기종망의접속을원하지않을때이고, 두번째는이동단말노드가 WLAN 의전송범위를벗어나더이상데이터를 WLAN 을통해송ㆍ수신할수없을때이기종동시사용이종료하게된다. ( 그림 5) 는이동단말이 ( 그림 4) 의이기종망이동시에존재하는 A지역으로이동하게되었을때새로운망의연결을위한메시지흐름도이다. 이기종망을동시에사용할수있는환경이구축되면이동단말 (Mobile Node) 은단말은동시사용에관한정보를수집하게된다. 이때기지국이나 AP로부터비콘 (Beacon) 정보를수집하거나프로브패킷을보내어근처의이기종망을탐색하게된다 [13,14]. 이렇게수집된정보를통해사용가능한이기종망이존재함을알게되면사용자의승인에의해 WLAN AP와링크연결 (Link connection) 을하게된다. 링크연결이이루어지게되면, 이동단말은새로운 IP를할당받게되고, 이를 BS에등록하게된다. 2, 3계층의일련의절차가끝나게되면, 이동단말은서버에동시사용요청 (Simultaneous Access Request) 을송신한다. 이메시지를받은서버측은동시사용이가능하다면동시사용응답 (Simultaneous Access Response) 을보내게되고이를수신한이동단말은새로운 TCP연결을시도한다. 이후에새로운망이연결되면서버는이종망을동시에사용하여데이터를송신하게된다. ( 그림 6) 은이기종망의동시사용을종료하는시점의메시지흐름을나타낸그림이다. 이기종무선망동시사용의해제는두가지의경우가존재한다. 첫번째 996
논문 / 이기종무선네트워크에서다중연결을이용한전송률제어 그림 6. 이기종무선망동시사용해제를위한메시지흐름 Fig. 6. Message Flow for disconnection of Heterogeneous wireless Network using multiple connections 는사용자가 3G망과 WLAN 을동시에사용을하지않겠다고메시지를전달하는경우로사용자가연결해제요청 (Disconnection Request) 을하는즉시연결해제가이루어진다. 두번째의경우에는이기종무선망이모두접속되어있을때지속적으로 Beacon메시지와 RSSI 등을모니터링하고있는이동단말이망의접속을해제를판단하게되고, 해제가결정이되면망의해제절차 (TCP Disconnection 3Way Hand Shaking) 을진행한다. 위의절차를통해 WLAN 망의연결이종료된다. ( 그림 7) 은제안하는기법의이동단말과 Server 사이에서순서도이다. 이순서도는새로운프로토콜의연결을위한절차를보여준다. 이동단말은지속적으로관련파라미터를모니터링하고있다. 모니터링을하다가이기종사용여부판단에서사용가능하다고판단이되면서버측에동시사용허가요청을하게된다. 이요청을받은서버는동시사용허용을판단하게되고만약사용이요청되지않으면이동단말에게허용불가메시지를송신하게된다. 이를송신하게되면이동단말은다시파라미터를모니터하게된다. 만약동시사용허용판단이된다면서버는이동단말측에동시사용허용메시지를송신하게된다. 이를수신한이동단말측은새로운프로토콜을연결하게되고이새로운연결을통해메시지를송ㆍ수신하게된다. 무선망에서이기종망이존재할때의다른문제점은하나의망에서다른하나의망으로연결을하는동안발생하는패킷중복과손실문제이다 [2]. TCP 는새로운네트워크의연결이시작되면 slow - start 를통해혼잡윈도우를 1에서 1 ACK 당 1씩즉 1 RTT 당 2배로혼잡윈도우의크기를증가시킨다. 손실이발생할때이를혼잡손실로판단하여혼잡윈도우 (Congwin) 을조절한다. 그림 7. 이기종무선망동시사용을위한이동단말 - 서버 흐름도 Fig. 7. Mobile node to Server Flow chart for Heterogeneous wireless Network using multiple connections (1) 송신측이 3개의중복확인응답 (ACK) 를수신하게되면혼잡윈도우를기존의크기에서식 (1) 과같이절반으로줄이게된다. 이렇게절반으로줄인이후에는혼잡윈도우의크기를 1만큼늘리게된다. 무선환경에서의 TCP는무선구간에서발생하는손실을혼잡손실로판단하기때문에망의이동구간에서발생하는손실패킷또한혼잡손실로인지하고혼잡윈도우를조절하게된다 [15]. 하나의망만을사용하는경우에서대역폭이좁은망에서대역폭이넓은망으로의연결은망이변경되는구간에서기존의망을끊기때문에이를통해발생하는패킷손실등으로인해혼잡윈도우가매우낮아진다. 또한망의이동에서발생한손실패킷은식 (1) 과같이혼잡윈도우의크기를감소시키는데이낮아진혼잡윈도우로인해새로운망의가용대역폭을점유하는데오랜시간이걸리게된다. (2) 본논문에서제안하는기법은 ( 그림 3) 과같이기존의망의연결을끊지않고사용가능한새로운망을연결하기때문에새로운망의혼잡윈도우의초기값이아니라식 (2) 와같이기존의망의혼잡윈도우는그대로유지한다. 이유지된혼잡윈도우는새로운망이추가되더라도변하지않고새로운프로토콜의혼잡윈도우만 slow-start 를통해대역폭에적응하게된다. 이는기존의하나의망만을사용하는경우에서의혼잡윈도 997
한국통신학회논문지 '12-11 Vol.37B No.11 우보다매우큰값이므로하나의망만을사용하는경우보다안정적으로데이터를송ㆍ수신할수있게한다. (3) (4) TFRC는식 (3) 과같이수신측에서최초손실패킷이발생하면 1 RTT 후의패킷에서발생한손실패킷과처음의손실패킷사이의패킷수를통해패킷손실률을계산하고 8 RTT 동안의계산정보를유지하여, 이정보를통해손실이벤트비율 (loss event rate, p) 과평균손실률송신측에송신한다. 이를받은송신측은 RTT와재전송타이머의타임아웃정보인 RTO를통해서전송률 (X) 을조절하게된다. RTO 값은식 (4) 과같이 RTT값의평균에 4를곱해서구한다. 그리고손실이벤트비율인 p를통해전송률을조절한다 [6,16]. (5) 식 (8) 에서 0<j<1 이므로 (1+j)/j의값은항상 1보다크게된다. 이를통해기존의하나의망을사용할때보다이기종망을동시에사용했을때더높은전송률을보장함을알수있다. 제안하는기법을이용하게되면가용대역폭은확대되어더많은데이터를송ㆍ수신하게될수있지만패킷, 혹은데이터를어떠한망에얼마나보내야하는가에대한문제가발생할수있다. 또한이부분은추가적인오버헤드가발생되는부분이므로, 중요하게고려해야한다. 이는각패킷의도착예정시간 (Estimated packet arrival time) 의계산을통해해결될수있다. t 3G 와 t WLAN 을각각패킷이목적지까지도착할계산된도착예정시간이라고하자. d queue 는서버의큐에서링크로전송되기기다리는큐잉지연 (queuing delay) 이다. α 와 β는각각의큐에저장된패킷의개수이고 B 3G 와 B WLAN 은 3G와 WLAN 의대역폭이다. 패킷사이즈는 S 로동일하다고가정한다. 이때한패킷의도착예정시간은한패킷이처리되는동안걸리는시간인 d queue 와큐에대기하고있는패킷의곱과패킷의크기를대역폭으로나눈값의합으로이루어지게된다. (9) (6) (10) RTT와 RTT의평균값이동일하고, 패킷크기인 S가일정하다고가정할경우, 제안하는기법을이기종망의접속이완료된후의 TFRC 에적용했을경우의전송률 X는 WLAN 의전송률과 3G의전송률을더한값이므로식 (5) 와같다. WLAN 의전송률을식 (6) 이라고했을때, 3G의전송률의계산은 WLAN 의전송률에서 RTT와 RTO에일정한 WLAN RTT값에대한 3G의 RTT 비율인상수 j를분모에곱한식 (7) 의값이다. 이두개의전송률을식 (5) 에넣어서계산하게되면제안하는기법의전송률은식 (8) 과같다. (7) (8) 식 (9) 는 3G망을이용했을때의패킷도착예정시간이며식 (10) 은 WLAN 을이용했을때의경우이다. 이패킷도착예정시간이짧으면목적지까지더빨리도착한다는것을의미하므로 t 3G 가 t WLAN 보다큰경우에는 WLAN 망을이용하여데이터를전송하게된다. 반대의경우에는 3G망을이용하여데이터를송신하게된다. Ⅳ. 실험본논문에서제안한이기종무선망동시사용을통한성능향상기법을실험하기위해서 NS-2(Network Simulator) 을이용하였다 [17]. 실험환경은 ( 그림 8) 과같이하나의서버에서 TCP, TFRC, 그리고제안한기법을통해데이터를전송한다. 이전송된데이터는라우터를거쳐 AP와 BS를통해데이터를전송하게된다. 실험은 AP와 BS가동시에존재하는극단적인환경에서이동단말이이동할때 998
논문 / 이기종무선네트워크에서다중연결을이용한전송률제어 그림 8. 시뮬레이션을위한네트워크구조 Fig. 8. architecture of networks for the simulation 대역폭을측정하였다. 두개의이기종망이중첩되는지역에서는제안한기법과같이기존의연결을유지한채데이터를송ㆍ수신하게된다. 3G의대역폭은 2Mbps 의가용대역폭과 85ms의지연시간을설정하였고 WLAN 은가용대역폭 11Mbps와 15ms 의지연시간을가진다. 패킷사이즈는 1000Byte 로 CBR(constant bit rate) 트래픽을이용하였다. 이파라미터들은관련연구에서사용된값을참고하여적용하였다 [2,12,18]. 새로운네트워크에접속하는핸드오버상황을구현하기위해네트워크접속처리구간을설정하였다. 처리구간은 22~25초로설정하였으며망의이동이구간에서는모든패킷이손실된다고가정하였다. 그리고무선에러가발생하는환경과발생하지않는환경 ( 에러율 1%) 을각각실험하였다. 4.1. 무선에러가발생하지않는환경에서의실험 ( 그림 9) 와 ( 그림 10) 는이동단말이낮은대역폭의 그림 9. 대역폭이넓어지는환경에서 TCP 와다중연결 TCP 와의처리량비교 Fig. 9. Throughput comparison between TCP and MTCP on movement for wide bandwidth environment 그림 10. 대역폭이넓어지는환경에서 TFRC 와다중연결 TFRC 와의처리량비교 Fig. 10. Throughput comparison between TFRC and MTFRC on movement for wide bandwidth environment 환경에서높은대역폭으로이동하는환경에서에러가발생하지상황일때처리량을측정한결과이다. 기존의 TCP와 TFRC 은 22 ~ 25초사이의망의이동구간에서패킷손실이발생한다. 또한망의이동이후의전송률이가용대역폭은높음에도불구하고낮은대역폭으로부터전송속도를서서히올리며대역폭에적응하게때문에가용대역폭모두를이용하는시간이제안하는기법보다시간이오래걸리는것을확인할수있다. 제안하는기법은기존의연결을해제하지않기때문에기존에연결된프로토콜의대역폭과새로접속된프로토콜의대역폭모두를사용한다. 제안하는기법을통해가용대역폭이늘어나처리량이개선되는것을 ( 그림 9) 과 ( 그림 10) 의 26초이후의구간에서확인할수있다. TCP 와 MTCP 가각각 TFRC 와 MTFRC 보다대역폭이낮게나오는이유는본실험에서 TCP와 MTCP 가혼잡제어를수행하기때문이다. TCP와 MTCP 는최대대역폭까지점유하고난후에도계속해서혼잡윈도우를늘리게된다. 이로인해혼잡이발생하게되고, 프로토콜은혼잡제어를시작하게된다. 이로인해전송률은최댓값과절반이된값의평균으로표현이되고, 결국 TFRC와 MTFRC 보다clea TCP 와 MTCP 의전송률이낮게나오게된다. ( 그림 11) 과 ( 그림 12) 은대역폭이넓은환경에서낮은환경으로의이동하는상황에서의시뮬레이션결과이다. 결과의 1 ~3 초구간에서수정된기법인 MTCP 와 MTFRC 가기존의프로토콜인 TCP와 TFRC 보다처리량이늦게적응하는모습을볼수있다. 이는이기종망이모두처음시작하는환경일때발생하는것으로갑자기다량의데이터가몰리면서발생하는문제이다. 이는하나의망이지속적으로연결되어있다면발생하지 999
한국통신학회논문지 '12-11 Vol.37B No.11 그림 11. 대역폭이좁아지는환경에서 TCP 와다중연결 TCP 와의처리량비교 Fig. 11. Throughput comparison between TCP and MTCP on movement for narrow bandwidth environment 않는문제이다. 22 ~ 25 초사이에서망의이동이수행된다. 이망간의이동이수행되면서손실패킷이발생하게되고또한급격히줄어드는대역폭으로인하여대역폭에빠르게적응하지못하는것을볼수있다. 제안하는기법은사용할수있는두가지모두의프로토콜이연결되어있기때문에 WLAN 의전송범위를벗어나게되더라도 3G의연결은계속유지되고있다. 이를통해기존의하나의프로토콜만사용하는기법의망의이동구간에서일어나는패킷손실이감소한다. 또한앞에서언급한것과같이제안하는기법은이용할수있는두가지의모든프로토콜을이용해서데이터를송ㆍ수신하기때문에기존의프로토콜의연결보다높은처리량을보여주고있다. 그림 13. 대역폭이넓어지는환경에서무선패킷손실이발생할때의 TCP와다중연결 TCP와의처리량비교 Fig. 13. Throughput comparison between TCP and MTCP on movement for wide bandwidth environment when errors occur 4.2. 무선에러가발생하는환경 실제환경에서무선이동단말은잦은무선에러를경험하게된다. 이는패킷의타임아웃과재전송으로인해처리율이급감하게된다. 시뮬레이션상에서 1% 의에러를발생시켜실험을진행하였다. ( 그림 13) 과 ( 그림 14) 는대역폭이증가하는환경에서에러를발생시킬경우의실험이다. ( 그림 13) 와 ( 그림 14) 를보게되면 TCP보다는 TFRC 가안정적임을확인할수있다. 하지만두가지모두망의이동구간에서많은패킷들이손실되고망의이동이후에도대역폭을점유하기위해시간이걸리는것을확인할수있다. MTCP 와 MTFRC 를보면전송량의변동폭은기존의프로토콜과비슷한결과를보인다. 하지만망의이동이 그림 12. 대역폭이좁아지는환경에서 TFRC 와다중연결 TFRC 와의처리량비교 Fig. 12. Throughput comparison between TFRC and MTFRC on movement for narrow bandwidth environment 그림 14. 대역폭이넓어지는환경에서무선패킷손실이발생할때의 TFRC 와다중연결 TFRC 와의처리량비교 Fig. 14. Throughput comparison between TFRC and MTFRC on movement for wide bandwidth environment when errors occur 1000
논문 / 이기종무선네트워크에서다중연결을이용한전송률제어 일어나는구간에서의기존의기법에서는손실패킷발생한다. 하지만, 제안하는기법에서는손실되는패킷이감소함을볼수있다. 또한망의이동이후에도제안하는기법은이기종망의대역폭을모두활용함으로써더높은처리량을볼수있다. 이는앞에서실험한것과같은결과이다. 에러가발생하는경우에도제안하는기법이처리량개선효과와패킷손실이감소함을보이고있다. ( 그림 15) 와 ( 그림 16) 는대역폭이감소하는환경에서에러가발생하는경우의대역폭측정이다. TCP, TFRC 그리고제안한기법모두에러가발생하여대역폭이급격히변하고있는모습을볼수있다. 실험결과를보 그림 15. 대역폭이넓어지는환경에서무선패킷손실이발생할때의 TCP 와다중연결 TCP 와의처리량비교 Fig. 15. Throughput comparison between TCP and MTCP on movement for wide bandwidth environment when errors occur 면 TFRC 와수정된 MTFRC 가 TCP와 TFRC보다안정적인모습을보인다. 제안된기법은망의연결을해제하기전이기종의망을동시에사용하고있었고, 또한 WLAN 을이용하지못한다고하더라도지속적으로 3G 망은연결되어있기때문에 TFRC와 TCP 보다더높은대역폭을지원하고있는것을확인할수있다. 에러가발생하는환경에서대역폭이감소하는경우에도제안하는기법이처리량을개선하는것을확인할수있다. 4.3. 다수의이동단말이존재하는환경 ( 그림 17) 은다수의이동단말이존재할때제안하는기법의실험을위한네트워크구조이다. ( 그림 8) 과같이지연시간과대역폭등의실험환경은동일하게구성되었고, TFRC 기법을기반으로실험을하였다. 또한 3G가접속되어있는상태에서, WLAN 망이추가되는경우에대해실험을진행하였고, 이동단말이 1개, 3개, 5개일때로나누어이동단말의수가증가할때이동단말의처리량이어떻게변화하는지를측정하였다. ( 그림 18) 은제안하는기법에서이동단말의평균처리량을나타낸것이다. 3G 만을사용하는경우인 0~ 22초사이를구간 A라하였고, 망의교환이발생하는부분인 22~25 초사이를구간 B,. 그리고 3G와 WLAN 을동시에사용하는구간을구간 C로정의하였다. 3G 만을사용하는구간 A와구간 B의경우에는노드수가증가하더라도처리량은비슷한결과를가지게된다. 3G는접속자수가증가한다고하더라도일정한대역폭이유지되기때문에처리량의감소가없기때문이다. 하지만 3G와 WLAN 를동시에사용하는구간 C에서는 그림 16. 대역폭이넓어지는환경에서무선패킷손실이발생할때의 TFRC 와다중연결 TFRC 와의처리량비교 Fig. 16. Throughput comparison between TFRC and MFRC on movement for wide bandwidth environment when errors occur 그림 17. 이동단말의수의변화에따른처리량측정을위한시뮬레이션네트워크구조 Fig. 17. architecture of networks for the simulation for measure of throughput according to change of the number of node 1001
한국통신학회논문지 '12-11 Vol.37B No.11 그림 18. 이동단말의수의변화에따른평균처리량 Fig. 18. average throughput according to change of the number of node 구간 A와 B의경우와는다른결과가도출된다. WLAN 망의경우에는 3G와는다르게이동단말의수에따라대역폭을나누어사용하기때문이다. 이동단말이하나일때는 WLAN 망의대역폭을모두사용하여데이터를전송하지만이동단말의수가늘어나게되면, 노드하나가사용할수있는 WLAN 의가용대역폭은감소하게된다. 이로인해서이동단말의처리량은이동단말개수의증가에따라감소하게된다. 하지만기존의방법인망하나만을사용하는방법보다는더높은처리량을보여주고있다. Ⅴ. 결론 본논문에서는이기종망의무선네트워크상황에서기존의기법보다더넓은대역폭을확보하고, 또한이기종망의무선네트워크의변경시발생하는손실패킷을줄여처리량을개선하는기법을제안하였다. 현재의무선이동단말은 3G 망과 WLAN 망을연결할수있는데기존의기법처럼하나의연결만유지해데이터를전송하는것이아니라이기종망을모두이용하게하여각각이가지고있는대역폭을활용하여더높은처리량을갖게되고, 개선된처리량으로인해가용대역폭에적응하는시간을줄이는것을시뮬레이션을통해확인하였다. References [1] C.T. Lin and J. W. Ding, CAR: a low latency video-on-demand broadcasting scheme for hetrogeneous receive, IEEE Trans. on Broadcasting, vol. 52, Issue 3, pp. 336-349, Sep. 2006. [2] S. Ko and K. Chung, Quality adaptation scheme for video streaming service in heterogeneous wireless networks, Proc. of the KIISE Korea Computer Congress 2011, vol. 38, no. 1(A), pp. 385-387, Jun. 2011. [3] M. Stemm and R. H. Katz, Vertical hando ffs in wireless overlay networks, Mobile Networks and Applications, vol. 3, no. 4, pp. 335 350, Dec, 1998 [4] A. Hwang, J. Lee, W. Jung, and B. Kim, Congestion Control Algorithm for TCP Performance Enhancement by Bandwidth Measurement in Vertical Handoffs between Heterogeneous Wireless Networks, Journal of the institute of electronics engineers of Korea, vol. 43, no. 8, pp. 84-90, Aug. 2006 [5] S. Pack, Y. Choi, TCP-Friendly Rate Control for Vertical Handover over Wireless Heterogeneous Network, Journal of KISS : Information networking, vol. 32, no. 1, pp. 20-28, Feb. 2005 [6] M. Handley, S.Floyd, j Padhye, and J.Widmer, TCP friendly rate control (TFRC): protocol specification, RFC 3448 pp.1-23, Jan. 2003 [7] E. Blanton, M. Allman, K. Fall, and L. Wang, A Conservative Selective Acknowledgement (SACK)-Based Loss Recovery Algorithms for TCP, RFC 3517 pp.1-11, Apr. 2003 [8] E. Kohler, M. Handley, and S. Floyd, Datagram Congestion Control Protocol (DCCP) Congestion Control ID 2: TCP-like Congestion Control, RFC 4340 pp.1-128, Mar. 2006 [9] A. Gurtov and J. Korhonen, Effect of vertical handovers on performance of TCP-friendly rate control, ACM SIGMOBILE Mobile Computing and Communications Review, vol. 8, no. 3, pp. 73-87, Jul. 2004. [10] G. Tim, M. James, Phatak. DS, G. Vipul, Freeze - TCP: A true end-to-end TCP 1002
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