SCTP 표준기술동향 2004 년 고석주 (sjkoh@cs.knu.ac.kr) 요약 최근 SCTP (Stream Control Transmission Protocol) 는 TCP/UDP 이후의차세대수송계층프로토콜로써주목받고있다. SCTP는기존 TCP 및 UDP의단점을극복하도록설계되었으며특히 multi-streaming 및 multi-homing 특성을제공한다. 본고에서는 SCTP 프로토콜의기본특징에대하여알아보고, 현재논의중인추가확장작업의주요골자를살펴본다. 목 차 1. INTRODUCTION... 2 2. SCTP 개요... 3 2.1 BRIEF HISTORY... 3 2.2 SCTP ARCHITECTURE... 3 2.2.1 Protocol Model... 3 2.2.2 SCTP Features... 5 2.2.3 SCTP Packet Format... 6 2.3 PROTOCOL OPERATIONS... 8 2.3.1 SCTP Initialisation... 8 2.3.2 Data Transport... 9 2.3.3 SCTP Terminations...10 2.4 SCTP 개발현황...11 2.4.1 관련 IETF 표준문서...11 2.4.2 구현관련참고사이트...11 3. SCTP 확장...12 3.1 PR-SCTP...12 3.2 MOBILE SCTP...12 4. 결론및향후전망...13 5. 참고문헌...14 1
1. Introduction 최근인터넷실시간멀티미디어서비스의다양한요구사항에도불구하고, 그동안인터넷에서의수송계층프로토콜은 TCP 및 UDP로제한되어왔다. TCP 및 UDP 기반의인터넷프로토콜은기존의전기통신망에서제공되던전화서비스를비롯하여새로이개발되는멀티미디어스트리밍서비스제공에는부적합하다. 이러한배경으로 IETF에서는 2000년 10월에 SCTP (Stream Control Transmission Protocol) 을 RFC2960으로제정하였다. 초기의 SCTP 개발목적은인터넷망에서의전화서비스신호전달에있었으나, 최근에는범용수송계층프로토콜로써모든종류의인터넷응용서비스로적용을확대하고있다. SCTP는 UDP의메시지지향 (message-oriented) 특성과 TCP의연결형신뢰성제공특성을조합한프로토콜이다. 이외에도멀티스트리밍 (multi-streaming) 및멀티홈잉 (multi-homing) 특성을제공하고있으며, 세션초기화및종료단계에서도기존 TCP에서문제점으로지적되던 TCP-SYN 공격문제및 half-open closing 문제등을해결하고있다. SCTP는 IP 패킷에표시되는프로토콜식별번호 (Protocol ID) 로써 UDP (6), TDP (17) 와는별도로 132번을부여받았다. SCTP 수송계층프로토콜은 VoIP (Voice over IP) 신호전달이외에도, 다중미디어를전송하는웹응용, AAA (Authentication, Authorization, Accounting) 등의고도의신뢰성을요구하는보안응용, 실시간신뢰성을요구하는 mission-critical 응용서비스등에하부프로토콜로사용될수있으며, 특히최근이슈화되고있는 all-ip 기반이동통신망에서핸드오버기능을용이하게제공할수있을것으로전망된다. 현재 IETF에서는 SCTP 기본규격제정작업을마치고, 구현, 검증및추가기능확장작업을진행중이다. SCTP 구현작업은미국, 독일을비롯한세계여러나라에서진행중이며, 일부구현코드가공개되어있다. 현재활발하게논의중인 SCTP 추가확장작업으로는 부분신뢰성 (partial reliable) 제공기능및 동적인 IP 주소재구성 (dynamic IP address reconfiguration) 기능등이있다. 본고에서는 SCTP 프로토콜의기본특징에대하여알아보고, 현재논의중인추가확장작업의주요골자를살펴본다. 2
2. SCTP 개요 SCTP 표준은 IETF SIGTRAN (Signaling Transport) WG에서 2000년 10월 RFC 문서로등재되었다. TCP와같은 Layer 4 수송계층프로토콜로써신뢰성 (reliability) 을제공하며 TCP처럼 SCTP 세션도초기화, 데이터전송및종료단계로구성된다. SCTP는기존의 TCP로는지원하기어려운 VoIP (Voice over IP) 신호중계및멀티미디어응용서비스등의전송을지원하기위해개발되었으며, 현재전세계적으로여러곳에서개발되고있는중이다. 2.1 Brief History SCTP 표준개발은 1998년에 SIGTRAN WG에서시작되었다. SIGTRAN WG에서는 IP 망에서의 VoIP 시그널링 ( 예 : SS7) 전송표준개발을주요목표로하고있었으며, 신호정보의특성상고도의신뢰전송을제공하는수송계층프로토콜을필요로하였다. 특히, 수송계층에서의전송경로장애를대비한대체경로 (alternate path) 확보기능을필요로하였으며, 하나의세션을통해다양한호처리 (call processing) 메시지가전송되는 multi-streaming 기능도요구되었다. 위와같은기능은전통적인 TCP로써는지원되기어렵다는인식하에, SIGTRAN WG은새로운수송계층프로토콜, SCTP를개발하기에이른다. SCTP는 2000년 10월 SIGTRAN WG에서 RFC2960으로제정되었으며 [1-5], 이후보완 [6-8], 구현및검증관련 [9-12] 후속표준작업이계속되고있다. 이후 SCTP를단순히신호전달기능이아닌, TCP 이후의차세대수송계층프로토콜로개발하려는취지하에, 관련확장작업은 Transport Area WG에서진행되고있다 [13, 14]. 현재, SCTP 구현및확장작업이미국, 독일등의여러곳에서진행중이다. 특히, SCTP의활용은다중스트림특성을갖는멀티미디어응용, 실시간신뢰전송을요구하는응용및이동단말의핸드오버 (handover) 기능제공을위해사용되는방안이적극검토되고있으며, 관련표준개발작업이한창진행중이다. 2.2 SCTP Architecture 2.2.1 Protocol Model SCTP는기존의 UDP (User Datagram Protocol) 및 TCP (Transmission Control Protocol) 에비해많은장점을제공한다. SCTP는 UDP의 datagram 지향성과 TCP의순서화 (sequencing ) 및신뢰성 (reliability) 특징을결합한것으로볼수있다. 추가적으로 SCTP는멀티홈잉 (multi-homed) 환경에서다중스트림 (multi-stream) 및메시지지향성 (message-oriented) 전달특성을갖는다. 3
그림 1. SCTP 프로토콜구조그림 1에서보여지듯이, SCTP는응용계층과네트웍계층사이에위치한다. SCTP은 SCTP peers 간에응용데이터를 APIs (application programming interfaces) 로전달받아 IP 망을통해전송하는기능을수행한다. 각 SCTP 단말은하나의 SCTP 세션에서여러개의 IP 주소를사용할수있다. SCTP는두지점간에메시지전송을위해다중경로 (multiple path) 및다중스트림 (multiple stream) 기능을사용한다. 두 SCTP 지점간의 SCTP 연결을 SCTP association 이라한다. 특정 SCTP association에서의전송절차는크게연결초기화 (initiation), 데이터전송 (data transfer) 및연결종료 (shutdown) 단계로나뉘어진다. SCTP 패킷혹은 PDU (protocol data unit) 은하나의헤더 (header) 와여러개의 chunks로구성되며, 각 chunk는제어정보혹은응용데이터를포함한다. SCTP 스트림 (streams) 에서각데이터는순서적으로전달되며, multi-homing 특성을활용하여망장애 (network failure) 에대비한복구기능을수행할수있다. SCTP의기본특징은다음과같다. Validation and Acknowledgement 메커니즘 SCTP 세션초기화과정에서, SCTP endpoint 간에 Cookie를사용하여인증을위한 key 정보를교환한다. Cookie 정보는 MAC (message authentication codes) 코드를통해생성되며 DoS (denial-of-service) 공격방지를위해사용된다. 또한세션도중에데이터수신여부및재전송요구등을나타내기위해수신자는 SACK (selective acknowledgement) chunk를송신자에게보낸다. 경로선정및감시 (Path Selection and Monitoring) 각사용자는하나의 SCTP 세션에여러 IP 주소를사용할수있으며, 세션중에는 primary 주소가지정되어데이터전송에사용되며, 나머지 alternate 주소는재전송혹 4
은 primary 주소가 failure된경우에사용된다. 이를위해, SCTP는주기적으로가용 IP 주소의연결상태를검사하여, active 혹은 inactive 상태정보를기록한다. Flow and Congestion Control SCTP 흐름제어 (flow control) 는 association 별로수행되는반면, 혼잡제어 (congestion control) 는전송경로별로수행된다. 흐름제어를위해각 SCTP endpoint는 TCP처럼수신윈도우를송신자에게알려주며, 혼잡제어를위해 congestion 윈도우크기를적절히조절한다. 이러한윈도우는송신자가 ACK 없이보낼수있는데이터양에제한을주게된다. 2.2.2 SCTP Features 기본적으로 SCTP는 TCP에비해 multi-streaming 및 multi-homing 특성을제공하며, 또한세션초기화, 데이터전송및세션종료에서도 TCP와다른특징을제공한다. SCTP Multi-Homing SCTP의 multi-homing 특성은 SCTP 세션이여러개의 IP 주소를동시에사용할수있도록하며, 세션도중네트웍장애가발생하는경우대체경로 ( 혹은대체 IP 주소 ) 를통해세션이유지되도록한다. 세션초기화단계에서, 각 SCTP peers는가용한 IP 주소목록을교환하며, 이중에 primary IP 주소를선정해준다. 상대편 SCTP는 primary 주소를수신주소로하여데이터를전송하게된다. SCTP 경로관리에의해 primary IP 주소에이상이있다고판단되는경우, SCTP는다른대체 IP 주소로데이터전송을계속한다. SCTP Multi-Streaming SCTP의 multi-streaming 특성은하나의세션을통해다양한종류의응용데이터를보낼수있도록한다. 세션초기화단계에서송신자는자신이전송할 stream의개수를수신자에게통보하며, 전송단계에서각 stream별로독립적인순서화 (ordering) 기능이제공된다. 데이터복구및재전송과정또한 stream ID 별로수행되어, 기존에 TCP에서문제시되었던 HOL (head-of-line) blocking 문제를해결한다. 지금까지기술한 multi-streaming 및 multi-homing 특성이외에도, SCTP는 TCP와는다른세션초기화, 데이터전송및종료절차를사용한다. Initiation Features 초기화과정에서 SCTP는 TCP의 three-way handshake와는달리, four-way handshake 절차를사용한다. 이러한 4단계초기화절차는외부의 DoS 공격을방어하는데에적합하다. 또한 SCTP는 verification tag와 cookie 값을사용하여, 소위 TCP SYN 공격 (blind attack) 을방지한다. Data Transmission Features SCTP 데이터전송단계에서, 각데이터 chunk에게 TSN (transmission sequence 5
numbers) 및 SSN (stream sequence numbers) 값이부여된다. TSN은세션에대한흐름제어및오류복구를위해사용되며, SSN은수신단 SCTP에서 stream 별순서화 (ordering) 를위해사용된다. Shutdown Features SCTP 세션종료절차는 TCP의 half-open 문제를해결한다. TCP에서는 4단계절차를통해각 SCTP 개체별로데이터전송을종료했으나, SCTP에서는 3단계절차를사용하여두개체의데이터전송종료가통합적으로이루어지도록하였다. 2.2.3 SCTP Packet Format 그림 2는 SCTP 패킷구조를보여준다. 그림 2. SCTP Packet Format SCTP 패킷의헤더에는송신자포트번호 (16 bits), 수신자포트번호 (16 bits), verification tag (32 bits) 및전체패킷에대한 Checksum (32 bits) 정보가포함된다. Verification tag 값은 association 별로할당되며, 세션식별자로사용된다. 하나의 SCTP 패킷은여러개의데이터및제어 chunks를포함할수있으며, data chunk의경우 Type, Length 정보와함께해당데이터 chunk에대한 TSN, SSN 번호를포함하여, 추후오류제어및흐름제어등에사용된다. SCTP는 DATA chunk와함께여러개의제어 (control) chunks를사용하며, 추후 SCTP 확장작업과함께제어 chunk의수는증가할수있다. SCTP 기본규격 (RFC 2960) 에정의된주요제어 chunk의종류를정리하면표 1과같다. 6
표 1. SCTP Control Chunks Chunk Type 내용 INIT SCTP association 의초기화를위해 initiator 에의해 전송됨 INIT-ACK INIT chunk 에대한응답메시지 COOKIE-ECHO SCTP Initiator 는 INIT-ACK 를받은후세션설정을 마무리하기위해 COOKIE-ECHO 를전송 COOKIE-ACK COOKIE-ECHO chunk 에대한응답메시지 SACK (Selective ACK) 데이터수신상태정보를나타내기위해사용되며, 수신 data chunk 에대한 TSN, SSN 정보포함 HEARTBEAT SCTP 경로관리를위해사용되며, SCTP 는자신의가 용 IP 주소에대해 HEARTBEAT chunk 전송 HEARTBEAT-ACK HEARTBEAT chunk 에대한응답메시지 ABORT 상대 SCTP endpoint 에게비정상적인세션종료를 나타냄 ERROR SCTP 운용상의오류를나타냄 SHUTDOWN 정상적인세션종료메시지 SHUTDOWN-ACK SHUTDOWN 에대한응답메시지 SHUTDOWN-COMPLETE 최종세션종료를나타냄 7
2.3 Protocol Operations 2.3.1 SCTP Initialisation SCTP 세션초기화는 4단계절차로구성된다. 먼저 SCTP-A는 INIT 메시지 (INIT chunk를포함하는 ) 를 SCTP-Z에게전송하여세션초기화를시작한다. INIT 메시지는 A에서사용할 IP 주소목록을포함한다. SCTP-Z는 INIT에응답하여 INIT-ACK 메시지를전송하며, 자신이사용할 IP 주소목록을포함시킨다. INIT 메시지교환은세션초기화의첫번째절차이지만, 이단계에서각 endpoint에서는 SCTP PCB(protocol control block) 상태정보를생성시키지않는다. ( 그림 3 참조 ) 이후에 COOKIE ECHO 및 ACK 메시지를교환함으로써, 세션초기화가마무리되며, 이단계에서각 endpoint에서 PCB를생성시킨다. COOKIE의사용은세션에대한사용자인증기능을제공하며, 또한정당한 COOKIE에대해 PCB를생성시킴으로써 TCP-SYN (blind attack) 문제를해결한다. 그림 3. SCTP 초기화 그림 4. SCTP 초기화단계상태천이도 8
그림 4는 SCTP 초기화단계에서의각종단에서의상태천이도 (state transition disgram) 을보여준다. 각단계별로 SCTP 종단에서는 INIT, COOKIE 타이머를사용하며, COOKIE-ECHO 및 COOKIE-ACK chunks는데이터 chunks와함께전송될수있다. 2.3.2 Data Transport SCTP는오류제어를위해 Selective ACK (SACK) 방식을사용한다. A에서전송된데이터 chunks에대해, 수신자 Z는수신된데이터 chunks의목록을 SACK chunk를통해 A에게알려준다. SACK 전송규칙은 A에서의재전송타이머및흐름제어등을고려하여제정되었다. 그림 5에서보여지듯이, 적어도 2개의데이터 SCTP 패킷 ( 여러개의데이터 chunks 포함가능 ) 마다하나의 SACK chunk를보내야하며 ( 흐름제어를위해 ), SACK chunk는데이터 chunks와함께전송될수있다. 그림 5. SCTP 데이터전송 그림 6 에서보여지듯이, 데이터전송단계에서는각 SCTP 종단은 SACK 와함께경로 ( 목적 지 IP 주소 ) 관리를위해 HEATBEAT 메시지를전송한다. 이를통해상대방의어떤 IP 주소 들이가용한지를주기적으로파악한다. 그림 6. SCTP 데이터전송단계상태천이도 9
2.3.3 SCTP Terminations SCTP 세션종료절차는 TCP의 4단계와는달리, 3단계로구성된다. 이를통해 TCP의 halfopen closing 을해결함으로프로토콜상태관리를최적화하였다. 먼저그림7에서보는바와같이, A는데이터전송종료후에 SHUTDOWN 메시지를전송한다. Z는자신의데이터전송을마무리하고 SHUTDOWN-ACK를 A에전달한다. 마지막으로 A는 SHUTDOWN-COMPLETE를전송하여최종적으로세션종료를마무리한다. 그림 7. SCTP 세션종료그림 8은세션종료단계에서의프로토콜상태천이도를보여준다. 노드 A는 SHUTDOWN 타이머를가동하여 B로부터 SHUTDOWN-ACK가오지않는경우 SHUTDOWN 메시지를재전송할수있다. 그림 8. SCTP 세션종료단계상태천이도 10
2.4 SCTP 개발현황 2.4.1 관련 IETF 표준문서 SCTP 표준개발작업은 IETF SIGTRAN WG에서시작되어현재기본규격제정은마무리된상태이다. RFC 2960은 SCTP 기본규격문서이며, 보조문서로써 RFC 3257, 3286 문서가작성되었다. 기본규격제정후에 SCTP 표준화작업은 IETF TRANSPORT AREA WG으로이관되었으며, 현재는 VoIP 시그널링용프로토콜이아닌 TCP 차기버전의범용수송계층프로토콜로써표준규격개발작업이진행되고있다. 이후에추가규격확장작업이계속진행되고있으며, SCTP 관련수송계층보안문서가 RFC 3436으로 2002년 12월에제정되었다. 현재 WG에서개발중에있는문서로는 SCTP 구현가이드 [6], SCTP를위한 socket API 확장 [7], SCTP MIB (Management Information Base) [8] 등이있다. 최근에는이동통신에서핸드오버를지원하기위해세션도중에도새로운 IP주소를추가, 삭제, 변경할수있는기능이추가적으로개발되고있다 [13]. 2.4.2 구현관련참고사이트 SCTP 구현및개발작업은미국, 독일등전세계적으로진행중에있다 [9-12]. 현재 BSD 및 Linux 플랫폼환경에서개발이진행중에있으며, 관련 ns-2 시뮬레이션코드도개발되었다. 구현작업또한커널환경및 User Space에서모두개발이진행중이다. 다음그림은 SCTP 구현을위한전체적인동작상태천이도이다. 그림 9. SCTP 프로토콜상태천이도 11
3. SCTP 확장 SCTP 프로토콜은범용 (general-purpose) 수송계층프로토콜로써사용되기위해, 향후추가기능확장작업이계속될것으로전망된다. 현재진행되고있는주요기능확장작업으로는 부분신뢰성 (Partial Reliable) 제공기능 [13] 및 동적인 IP 주소구성 [14] 등이있다. 3.1 PR-SCTP PR-SCTP (Partial Reliable SCTP) 는실시간응용을위해제정되고있으며 [13], SCTP 데이터전송도중에 time-critical 스트림에대해서는오류제어를중단하고곧바로응용계층에전달될수있는기능을정의한다. PR-SCTP 기능사용을위해서는 SCTP 양방간에세션초기화단계에서부터 PR-SCTP 기능을지원할것인지여부를협상해야한다. 일단데이터전송이시작된후에, 송신자는필요에따라특정 TSN 번호이전의데이터에대해서는신뢰성 (reliability) 제공기능을중지하도록상대편종단에통지할수있다. 수신자는 PR-SCTP 신호를받았을경우, 자신의버퍼에있는해당데이터 chunks들을곧바로상위응용에전달한다. 이러한확장기능은주로시간적제약을갖는응용데이터전송에사용될것으로전망된다. 3.2 Mobile SCTP 또하나의주요 SCTP 기능확장으로는 ADDIP 확장을들수있다 [14]. SCTP 기본규격에서는세션에사용되는 IP 주소를세션초기화단계에서만지정하도록되어있었으나, 본확장규격에서는세션도중에도신규 IP 주소를세션에등록하거나혹은삭제하는기능을제공한다. 또한세션도중에 primary IP 주소를변경하는기능도포함한다. 이러한 SCTP 세션에대한 IP 주소의재구성이필요할경우, 해당 SCTP는관련주소정보를 ASCONF (Address Configuration Change) 제어 chunk에실어상대방에전송하며, 상대방은 ACSONF-ACK chunk로응답할수있다. 위기능은특히이동단말이세션도중에다른 IP 망으로이전하게되는경우에, seamless handover 기능지원을위해필수적으로요구되는사항이다. 특히기존의 Mobile IP [15-18] 경우, 핸드오버기능이취약하였으나 SCTP를통해핸드오버기능이상당히개선될것으로기대된다 [19]. 한편완전한 IP 이동성지원을위해서는핸드오버와함께, IP 단말에대한위치관리기능이제공되어야하며, 이를위해 Mobile IP의위치등록기능이함께사용될수있을것으로전망된다. 본절에서는 ASCONF 기능을활용한 seamless handover 핸드오버절차에대해기술한다. 그림 10에보여지듯이, 이동단말이 SCTP를사용하며세션도중에 IP 지역을바꾸는경우핸드오버절차는다음과같다 [19]. (1) 먼저그림에서처럼, 세션초기화단계에서이동단말 (Mobile Node, MN) 은주소 2를, 상대단말 (Correspondent Node, CN) 은주소 1를사용하여 SCTP 세션을설정하였다고가정한다. (2) MN이다른 IP 영역으로이동하는경우, 중첩지역 (overlapping region) 에서신규주소 3을하위네트웍계층으로부터받게되면, 이를 ASCONF chunk를통해 CN 에 12
게통지한다. 이를통해 MN은 dual-homing 상태가되며, CN으로부터의데이터를주소 2 뿐만아니라주소 3을통해서도받을수있게된다. (3) MN은무선계층의신호세기에따라 primary 주소를주소 3으로변경할수있다. (4) MN이중첩지역을벗어나는경우 ASCONF를통해기존주소 2를 SCTP 세션에서삭제할수있다. (5) 이러한절차가 SCTP 세션도주에 IP 지역을바꿀때마다되풀이된다. 그림 10. SCTP 핸드오버 SCTP 기반의핸드오버는기존의 MIP (mobile IP) 와는달리종단간수송계층에서이루어진다는특징이있으며, 따라서터널링등의네트웍라우터의도움이없이도적용가능하다. SCTP 핸드오버에대한유일한요구사항은 MN 및 CN에 SCTP가사용되어야한다는점이다. 이러한 mobile SCTP 기능은차세대 all-ip 기반이동통신망의 IP 이동성관리기법으로적용될수있을것으로전망된다. 4. 결론및향후전망지금까지본고에서는 SCTP 프로토콜의기본특징및주요확장기능에대하여살펴보았다. SCTP는 TCP 이후의차세대수송계층프로토콜로써지속적인표준확장및보급이이어질것으로전망된다. 시간이지남에따라 SCTP 보급이확대되면, 기존에 TCP를통해제공되던응용들도 SCTP를통해보다효율적으로제공될수있을것으로전망된다. 특히, 실시간멀티미디어전송및고도의신뢰성이요구되는응용에대해서는 SCTP의적용이선호된다. 또한, 차세대이동통신망에서의 IP 이동성제공측면에서도 SCTP의사용이긍정적으로검토될수있을것이다. 13
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