r3.eps

PMIP 기반 WiBro-HSDPA 간이동성지원방법 김경아 *, 임재강 *, 한연희 ** KT 인프라연구소 *, 한국기술교육대학교 ** kka1@kt.com, imjg@kt.com, yhhan@kut.ac.kr 요 약 최근유무선통신사합병, 가입자망개방등통신시장의개방화및컨버젼스화가급속히진행중으로언제어디서나인터넷접속이가능한끊김없는이동성 (Seamless Mobility) 에대한필요가급증하고있다. 본논문에서는 IETF PMIP(Proxy Mobile IP) 기반 WiBro-HSDPA 망간이동성제공을위한기반구조와고려점을살펴보고, 이기종망간 IP 이동성을위해 PMIP 을구현하여성능을분석하였다. IEEE 802.11a 와 802.11g 간실험시평균 306ms 의응용계층핸드오버성능을보였다. 1. 서론최근인터넷서비스들의모바일화, 개인화, 개방화, 양방향성을제공하는추세에따라 Walled garden 형태의이동통신사무선포털이 open network 으로개방화되고있으며, 구글의 Android 플랫폼제공, 유무선통신사합병등통신시장의개방화및컨버젼스화가급속히진행중이다. 이러한망간연동의필요성이급증함에따라유무선네트웍이나단말에관계없이어디서나인터넷접속이가능한끊김없는이동성의구현 (Seamless Mobility) 을위해통신업계에서는다양한파일럿들이연구, 구현중이다. 실제가까운미래의서비스사용예를들면, 무선인터넷단말을소유한고객이월드컵중계를무선 IPTV 나실시간미디어서비스로시청하고있을경우, 현재접속되는무선망들중가장화질이좋은것으로보고싶어할것이며, 이동시에는화질이약간떨어질지라도패널티킥장면, 골장면등이끊김없이계속되길원할것이다. 현재이동통신망 HSDPA 기반서비스는무선망경계를이동시끊김은없으나사용료가상대적으로비싸고, 대역폭이적으며, 초고속휴대인터넷서비스를제공하는 WiBro 망은대역폭이더크고, 정액제기반이긴하지만, 커버리지가수도권과광역시에제공되어전국을커버하지는않는다. 후발망으로써 WiBro 는가입자의수요가확신되지않는상황에서 막대한투자비가드는전국망을빠른시일에구축하기는어려운실정으로듀얼단말을통해서 HSDPA 와연동하는것이적절한전략으로보인다. WiBro 와 HSDPA 연동시이슈로는가입자정보프로파일연동, 인증과 L3 핸드오버를지원하는 Seamless mobility 등이있다. 본논문에서는 2 장에서 L3 핸드오버지원을위한단말기반방법과네트웍기반방법을살펴보고, PMIP (Proxy Mobile IP) 기반핸드오버구현에대해기술한다. 3 장에서는 WiBro 와 HSDPA 간 IP 이동성제공을위한기반구조를살펴본다. 4 장에서는구현한 PMIP 을기반으로 IEEE 802.11a/g 간핸드오버실험결과를, 마지막으로 5장에서결론을기술한다. 2. IP 이동성기술동향 Mobile IP Mobile IP[1, 2, 3] 는단순하고, 확장성있는방법으로전역 IP 이동성 (global IP mobility) 을제공한다. Mobile IP 의망쪽기본구성요소는홈네트웍의앵커를제공하는 HA(Home Agent) 와, MN(Mobile Node: 이동단말 ) 이접속한망에서패킷을단말에포워딩하는 FA(Foreign Agent) 이다. MN 은 HA 로부터 global IP 인 HoA(Home Address) 를부여받는다. FA 기능은옵션에따라망쪽에있거나 MN 내에구현할수있다. FA 가망쪽에있을경우, FA 의지역망내주

소인 FA-CoA(FA Care-of-Address) 가 MN 의 CoA 가되며, HA-FA 간 Mobile IP 터널의디터널링을 FA 가수행한다. CN(Correspondent Node) 과 MN 간통신은인터넷상 CN-HA-FA-MN 경로로라우팅을통해전달된다. 이중 HA-FA 구간이 Mobile IP 터널링구간이다. FA 가없는경우는 MN 이 DHCP[4] 등을통해서 CCoA(Colocated Care-of-Address) 를얻고, HA 와의 Mobile IP 터널링기능을직접수행한다. 이경우 CN 과의통신루트는 CN-HA-MN 이며, Mobile IP 터널링구간은 HA-MN 구간이다. Mobile IP 적용이란관점에서보면, 현재 HA 기능이탑재된다양한라우터제품이출시되어있고, CCoA 를사용하는 Mobile IP 의경우, MN 에 Mobile IP client 만올리면글로벌이동성제공이쉽게가능한구조이다. 그러나현실적으로 Mobile IP 를이용하여 IP 이동성을제공하는망은거의없고, 동일망내의이동은 GRE 터널을변경하는등다른방법으로제공되고있다. 지금까지 Mobile IP 가널리확산되지못한주요한원인중하나가다양한 OS 및다양한네트웍스택의 MN 에 Mobile IP client 스택을올리는것이다. MN 은 Mobile IP 터널의끝점으로써 HA 와의터널링부담, 무선구간상에서 IP 이동성프로토콜을위한시그널링부담을지게된다. 또한, 동종망내이동에대해서 GRE 터널등 L2 핸드오버의지원만으로도아직까지는고객의서비스에크게지장을주고있지않아 IP 이동성의필요성이그다지크지않았다. 그러나 MVNO, 가입자망개방, 이동통신사무선포털의개방화, 유무선통신사합병등통신시장의개방화및컨버젼스화가급속히진행중인추세로볼때지역망내이동성은물론전역 (global) 이동성의수요가급증하리라예상한다. 네트웍제어기반이동성무선구간상의터널링연관오버헤드를피하기위해서 cellular IP[6] 나 HAWAII[7] 같은지역내이동성관리 (micro mobility) 프로토콜들이제안되었다. 이러한프로토콜들은새 PoA(Point of Attachment) 로접속한 MN 에게트래픽을 redirect 하기위해서호스트기반라우팅기술이사용되었고포워딩은캐쉬기반기술을사용하였다. 이러한프로토콜들은 MN 의이동이도메인내에서이동할경우에적합하지만 MN 에 IP 이동성지원을위한스택이구현되어야한다. MN 의부담을경감하고 local 이동성을제 공하기위해서 IETF (Internet Engineering Task Force) NETLMM(Network-based Localized Mobility Management) 워킹그룹에서네트웍기반이동성관리프로토콜 PMIPv6/v4 (Proxy Mobile IP v6[8], v4[9]) 의표준화가진행중이다. PMIP 의장점은무선구간상의 IP 이동성관련시그널링이없어무선자원의소모가적을뿐아니라, 기존단말의변경이없고, HA 기능을하는 LMA(Local Mobility Anchor) 도 HA 기능변경이거의없어, AR(Access Router) 인 (Mobile Access Gateway) 만구현하면확산이용이하다는점이다. CN Home network PMIPv6 domain CN : Correspondent Node LMA : Local Mobility Anchor : Mobile Access Gateway MN : Mobile Node Internet LMA 그림 1. PMIPv6 구조 PMIPv6 는 PMIPv6 도메인 (PMIPv6 프로토콜을사용하여 IP 이동성이관리되는도메인 ) 내이동성을위해서설계되었고 들에의해서제어된다. PMIPv6 는 MN 에아무런이동성스택이사용되지않는다. MN 대신 가 LMA 로의바인딩갱신등의이동성기능을수행한다. MN 이같은 PMIPv6 도메인내 들간을이동한다면 MN 은하나의홈주소만가지고마치자신이홈링크에있는것처럼네트웍에접속한다. PMIPv6 는단말, 네트웍의 IP 버전에상관없이구현될수있는구조를제공한다. 그림 1 은 PMIPv6 구조로 MN 이핸드오버하면망쪽에서알아서 LMA- 간터널을변경한다. 그림 2는 MN 이 PoA 를변경하여새 로접속하는핸드오버절차이다. MN 이새 PoA(Point of PMIP tunnel AAA PMIP tunnel HO MN

Attachment) 에접속한후, 또는새도메인으로이동하면초기접속과정에서와같이새 가 AAA 서버를통해인증을수행하여 MN 의 MN-ID 와프로화일을얻고, LMA 와 MN 으로의터널을갱신한다 (PBU: Proxy Binding Update). 새 는 binding 이끝나면 MN 에게 MN 의홈네트웍프리픽스를포함한 Route Advertisement 를계속보내서 MN 은계속같은링크에있다고여기게끔한다. MN MN Detached MN Attached MN retains Home Address/ Home Network Prefix Previous Bidirectional Tunnel MN Detached event DeReg PBU PBA 그림 2. PMIPv6 핸드오버절차 3. WiBro 와 HSDPA 간 IP 이동성제공을위한기반구조 유무선사업자합병, IPTV 의활성화로인한 mobile IPTV 의잠재고객증가, WiBro, HSDPA 서비스가입자의급증추세로볼때, 현재이기종망간 IP 이동성제공이시급한실정으로특히, WiBro 망과 3GPP R5 HSDPA 망에서 IP 이동성구현을위한기반구조를살펴보는것은의미있는일일것이다. 본절에서는 WiBro 와 HSDPA 간 IP 이동성제공을위한기반구조를다루기위해서단말기반방법인 Mobile IP(CCoA 기반 ) 방법과네트웍기반방법인 PMIP 을살펴본다. 표 1 은두방법의비교이다. PMIP 의경우 MN 이 WiBro 망으로접속하면 LMA Accept PBU New MN Attached Event (Acquire MN-ID and profile) PBU Accept PBU Allocate MN-Home NW. prefix, Setup Binding Cache Entry and Tunnel Router Solicitation Router Advertisement PBA Setup Tunnel and Routing Bidirectional Tunnel public IP 를할당받으며, L3 로처음접속하는라우터가 ACR(Access Control Router) 이다. 또한 MN 이 HSDPA 로접속할경우, 단말의 public IP 로라우팅되는최종지점이 GGSN(Gateway GPRS Support Node) 으로이두곳에 기능의구현이필요하다. LMA(HA) 는정책에따라각망에분포하거나통합하여한군데둘수있다. 표 1. WiBro-HSDPA IP 이동성연동을위한 Mobile IP 와 PMIP 비교 상용솔루션 여부 Mobile IP 있음 (CCoA) 없음 PMIP HA LMA (HA) 추네트웍 PMIP on WiBro ACR 가 PMIP on HSDPA GGSN 요소 Mobile IP 단말없음 client 터널링구간 HA-MN LMA(HA)- 무선자원소 모 (IP 이동 성시그널링 ) 단말부하 핸드오버 시간 있음 터널링오버헤드있음 핸드오버시재인증절차를통한지연 없음 터널링오버헤드없음 단말이초기접속할때, 상대망에도인증등록을미리수행하여핸드오버시인증시간감소 네트웍사업자의기간망은현재 IPv4 기반이고, IPv6 로변경되기에는시간이걸릴것으로예상된다. WiBro 와 HSDPA 망연동시가장먼저고려되어야할부분은인증연동이다. IP 이동성제공을위해서 UICC 기반 WiBro 와 USIM 기반 HSDPA 가입자프로파일에대한상호연동이필수적이다. 단말위치관리의경우, PMIP 은네트웍이 IP 이동성제공에관여하여정보를알수있으므로, 좀더적극적으로핸드오버에대비한위치관리 / 인증연동을준비할수있다. 또한, 이기종망핸드오버서비스를사용하는고객들을위해서따로공중 IP pool 을준비하고있어야하며, 두연동망에서단말이초기접속할때인

CN Internet WiBro server farm AAA Billing Policy NMS Service... WiBro backbone HA GGSN HSDPA backbone SGSN SGSN HSDPA server farm AAA/HLR Billing/Policy NMS Service... ACR ACR HO Node-B Node-B WiBro route HSDPA route WiBro/HSDPA dualmode MN (Mobile IP client) MIP Tunnel : HA-MN 그림 3. Mobile IP (CCoA mode) 기반 WiBro-HSDPA 핸드오버예 CN Internet WiBro server farm AAA Billing Policy NMS Service... WiBro backbone LMA PMIP tunnel PMIP tunnel GGSN HSDPA backbone SGSN SGSN HSDPA server farm AAA/HLR Billing/Policy NMS Service... ACR ACR HO Node-B Node-B WiBro route HSDPA route WiBro/HSDPA dualmode MN 그림 4. PMIP 기반 WiBro-HSDPA 핸드오버예

그림 5 실험환경 증과정을통해서 HA 의주소를알수있어야한다. PMIP 의경우, 가서로다른종류의망에있을지라도핸드오버동안이전 와새 간 context-transfer 를할수있는구조를지원하여야한다. 그림 3 과그림 4 는각각 Mobile IP 와 PMIP 을사용하여 WiBro-HSDPA 간 IP 이동성을제공하기위한기반구조와핸드오버전후의데이터경로의예이다. Mobile IP 의경우 Mobile IP 터널이 HA 와 MN 간설정되며핸드오버로인한터널재설정은단말이수행한다. PMIP 의경우단말은 L2 핸드오버만수행하면 WiBro ACR 이나 HSDPA GGSN 이단말 ID 기반으로인증을수행하고 LMA- 터널을갱신한다. 4. 이기종망간연동을위한 PMIP 실험결과및성능분석 본절에서는이기종망연동을위해 PMIP 을구현한결과와성능에대해서기술한다. 이기종망연동을위해서 IEEE 802.11a 와 IEEE 802.11g 네트웍을구성하였고, 이동성지원프로토콜로 PMIPv6 를사용하였으며, IPv4 의시험을위해 PMIPv6 의 IPv4 extension 을구현하여네트웍및 MN 은모두 IPv4 로실험하였다. 단말은 IPv4 노트북의변경없이그대로사용하는것을목적으로하였으며, 무선인터페이스는 IEEE 802.11a/g 1 개를사용하였다. 무선접 속을 WiBro 와 HSDPA 듀얼모뎀이아닌 IEEE 802.11a/g 를사용한이유는현재제공되는 WiBro- HSDPA 듀얼모뎀의경우, 핸드오버중두모뎀이같은 IP 주소를가질수있어야하는 PMIP 의가정을만족시켜주는제품이없고, 수동으로사용자가접속망을선택하는구조이기때문이다. 그림 5는실험환경으로 1, 2 는 AP 를 IEEE 802.11g 로, 3 은 AP 를 IEEE 802.11a 로설정하였다. 단말의무선인터페이스는 IEEE 802.11a/g 겸용랜카드로한번에하나의망에접속하게하였다. 총실험시간은 0~900 초로, MN 이 1 에초기접속후 VOD 서버로부터 18.7 초부터실험종료시까지 UDP 패킷을 1.6Mbps 정도의속도로수신하면서 8 회의핸드오버를수행하였다. 초기실험에서는 AP 간이동은 MN 의 CM 표 2. 실험환경개발및시험환경 LMA Debian Linux Kernel 2.6.10 (1set) Debian Linux Kernel 2.6.10 (3set) 무선인터페이스 :Cisco IEEE 802.11a (1set), Cisco IEEE 802.11g (2set) MN OS: Windows XP (1set) 무선인터페이스 : Intel IEEE 802.11 a/g 겸용 (1set)

VoD 서버 LMA 1 2 3 시험단말 그림 6. 실험환경 ( 네트웍요소 ) 그림 7. 실험단말 HO 초기 표 3. 핸드오버시나리오및결과 1 2 3 4 5 6 7 8 평균 (5 번 HO 제외 ) Target no. 1 3 2 3 2 3 2 3 2 Target 802.11 type g a g a g a g a g HO start time(s) 131.938 179.698 333.713 403.807 471.248 527.690 787.344 852.970 L1 HO time(ms) 159.773 20.737 15.205 85.079 5,069.955 8.796 18.911 16.083 46.369 Authentication(ms) 17.656 71.108 22.235 30.910 18.522 20.477 45.829 40.546 35.537 ARP, ICMP(ms) 120.910 200.936 117.811 316.845 129.093 219.926 124.838 202.707 186.283 총응용계층 HO time (ms) 568.929 292.781 155.251 432.834 5,217.570 249.199 189.578 259.336 306.844 3.0 M bps UDP Throughput 3.0 M bps UDP Throughput 2.5 M bps 2.5 M bps 2.0 M bps 2.0 M bps 1.5 M bps 1.5 M bps 1.0 M bps 1.0 M bps 500.0 k bps 500.0 k bps 0.0 bps 100 120 140 160 180 200 Time (sec) 그림 8. 100~200 초까지의 UDP throughput (Connection Manager) 을통해명시적으로인터페이스를변경하여핸드오버를실험하였으나이경우, 핸드오버후네트웍과접속하여인증이모두끝났음에도불구하고, MN 이 DHCP discover 를바로보내지못하고어느정도시간이지난후보내어실제데이터를늦게받게되었다. 이는 CM 을통해무선접속인터페이스를변경할경우, 실제신호세기가미약하여시작하는핸드오버와 L1/L2 절차가달라 MN 이 DHCP discover 를 DHCP timer 의 timeout 을기다린후보내기때문이다. 그래서, CM 으로핸드 0.0 bps 400 420 440 460 480 500 Time (sec) 그림 9. 400~500 초까지의 UDP throughput 오버시작하지않고, AP 의안테나를강제적으로다운시키는방법으로시험하여 DHCP timeout 없이핸드오버가수행되었다. 그림 6, 그림 7은실험환경사진으로그림 6은네트웍요소, 그림 7은 MN 이다. 표 3 은핸드오버시나리오와결과이다. 총핸드오버시간은이전 에서최종 UDP 를받은시간에서새 로부터 UDP 를처음수신한시간차로응용계층의핸드오버시간을표시하였으며, L1 HO 시간은이전 로부터마지막받은패킷을수신한시간과새 로부터처음컨트롤패킷을

그림 10 핸드오버시제어패킷통신내용 수신한시간차로패킷의종류는구분하지않았다. 인증은 802.11 a/g AP 와 MN 간 EAP(Extensible Authentication Protocol)[10] 이사용되어 Identity 요청 / 응답, MD5 challenge 요청 / 응답의과정을거친다. 무선인터페이스가무선랜이아닌 WiBro 나 HSDPA 가될경우, 실제로이과정은공통인증서버와이루어질것이며, 시간이더소요될것이다. 마지막으로표의 ARP, ICMP 부분은이전 과새 간 Proxy Binding Update, Proxy Binding ACK 이후 MN 과 간패킷송수신시간만기록하였다. 1 초주기로측정한 UDP throughput 은 1.6Mbps 정도로그림 8 은처음 2 회의핸드오가일어난 100~200 초까지의값을나타내었다. 그림에서핸드오버가일어난 131 초와 179 초부근에서 UDP throughput 이감소하였음을알수있다. 그림 9 는 400~500 초까지의 UDP throughput 으로 403 초와 464 초, 471 초부근에서성능이감소되었는데, 403 초, 471 초부근은 4 번과 5 번핸드오버에의해서성능이감소하였다. 464 초대에는 UDP checksum 에러가 4 개패킷에서연달아발생하는등핸드오버와무관하게무선의성능이잠시감소되었다. 471 초대 (5 번핸드오버 ) 에는이전 에서최종 UDP 패킷수 신후새 로부터최초 EAP ID 요청메시지를받을때까지실제물리계층핸드오버가 5.2 초가소요되었으며, 이는 AP 를강제로다운시키고, 구동시키는과정에서의지연때문으로핸드오버결과치에서는제외하고평균하였다. 그림 10 은 1 번핸드오버시 MN 기준으로제어및 UDP 통신을캡쳐한내용이다. 이전 로부터의최종메시지인 LLC 메시지가 132.208 초에수신되었고, 새 로부터인증초기메시지인 EAP identity request 패킷이 132.368 초에수신되어물리계층핸드오버시간은 160ms 이다. 마찬가지고 EAP 인증시작에서끝메시지는 132.368 132.386 으로 18ms 가소요되었다. 응용계층핸드오버시간은이전 로부터최종 UDP 가 131.938 이고새 로부터최초 UDP 가 132.507 로 569ms 가소요되었다. 그림 11 은가장핸드오버가길었던 1 번핸드오버와가장짧았던 3번핸드오버의시간순패킷추적으로 UDP 패킷을수신한시점에 + 모양점으로표시하였다. 이전 AP 에서최종 UDP 패킷을받은후물리계층핸드오버가종료되면먼저 EAP 인증 ( 네모모양 ) 이수행된다. 이후네트웍쪽라우팅이변경

UDP Packets Denoted by Size (Bytes) 2000 1500 1000 500 0 Packets Sent/Received by MN 131.8 132 132.2 132.4 132.6 Time (sec) UDP_rcv ARP_send ARP_rcv EAP_send EAP_rcv 100 90 80 70 60 50 40 30 20 Control Packets Denoted by Size (Bytes) UDP Packets Denoted by Size (Bytes) 2000 1500 1000 500 0 Packets Sent/Received by MN 333.4 333.6 333.8 334 334.2 20 Time (sec) UDP_rcv ARP_send ARP_rcv EAP_send EAP_rcv 100 90 80 70 60 50 40 30 Control Packets Denoted by Size (Bytes) 그림 11. 1 번과 3 번핸드오버시패킷추적 되고, ARP(Address Resolution Protocol : 세모모양 ) 를통해 MN 이라우터광고메시지를받아 IP 계층핸드오버가종료된다. 총 7회핸드오버실험중물리계층핸드오버시간은평균 46ms, 인증은 36ms 가소요되었다. IP 계층핸드오버시간은인증종료후처음 UDP 패킷을수신할때까지의평균시간으로 225ms 가걸려, 물리계층핸드오버시간의 5배정도소요되었다. 실제이기종망핸드오버를위해듀얼인터페이스를사용할경우, 물리계층핸드오버시간은동시에둘다를접속해두는등더줄일수있으나, 인증, IP 이동성제공을위한시간은원격네트웍요소와의통신이므로더소요될것이다. 5. 결론및향후계획본논문에서는이기종망간끊김없는이동성을제공하기위해서 IETF PMIP 기반 WiBro-HSDPA 망간이동성제공을위한기반구조와고려점을살펴보고 PMIP 구현에대한성능을분석하였다. IEEE 802.11a 와 802.11g 간실험시평균 306ms 의응용계층핸드오버성능을보였는데, 이중물리계층핸드오버시간의 5 배이상이인증과 IP 이동성제공에소요됨을확인하였다. 실제듀얼인터페이스를사용하면, 핸드오버시동시에두인터페이스를모두접속하여물리계층핸드오버시간을더줄일수있으나, 인증및 IP 계층핸드오버시간은원격네트웍요소와의통신으로더소요될것으로예상된다. [1] C. Perkins, IP Mobility Support, IETF RFC 2002, Oct. 1996. [2] C. Perkins, IP Mobility Support for IPv4, IETF RFC 3344, Aug. 2002 [3] D. Johnson, C. Perkins, J. Arkko. Mobility Support in IPv6, IETF RFC 3775, Jun. 2004 [4] Droms, R., "Dynamic Host Configuration Protocol", IETF RFC 1541, October 1993 [5] D. Farinacci, T. Li, S. Hanks, D. Meyer, P. Traina, Generic Routing Encapsulation (GRE), IETF RFC 2784, March 2000 [6] T. Campbell, Gomez, J., Kim, S., Turanyi, Z., Wan, C- Y. and A, Valko "Design, Implementation and Evaluation of Cellular IP", IEEE Personal Communications, June/July 2000 [7] Ramjee, R.; La Porta, T.; Thuel, S.; Varadhan, K.; Wang, S.Y, HAWAII: a domain-based approach for supporting mobility in wide-area wireless networks, ICNP, 1999 [8] S. Gundavelli, K. Leung, V. Devarapalli, K. Chowdhury, B. Patil, Proxy Mobile IPv6, IETF, draft-ietf-netlmm-proxymip6-08.txt, December 25, 2007 [9] K. Leung, G. Dommety, P. Yegani, K. Chowdhury, WiMAX Forum/3GPP2 Proxy Mobile IPv4, IETF, draft-leung-mip4-proxy-mode-07.txt, Feb. 13. 2008 [10] B. Aboba, L. Blunk, J. Vollbrecht, J. Carlson, H. Levkowetz, Extensible Authentication Protocol (EAP), IETF RFC 3728, June, 2004 6. 참고문헌