Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society Vol. 13, No. 7 pp. 3175-3181, 2012 http://dx.doi.org/10.5762/kais.2012.13.7.3175 한석준 1*, 이재오 1, 강승찬 1 1 한국기술교육대학교전기전자통신공학과 A QoS Adaption Model on the Policy-Based Network Management in the IMS Seok-Jun Han 1*, Jae-Oh Lee 1 and Seung-Chan Kang 1 1 Department of Electrical, Electronic and Communication Engineering, Korea University of Technology and Education 요약스마트폰, 태블릿 PC, 넷북등의지능형이동식단말기사용자의급증과 IPTV와같은응용서비스의발전으로멀티미디어기반응용서비스의수요가증가하고있다. 네트워크자원이한정되어있는상황에서한정된자원을적절하게조절하기위한다양한정책들이제안되고있다. 사용자의요구에적합한멀티미디어서비스제공을위하여 IMS(IP Multimedia Subsystem) 가유무선통합제어망으로각광을받고있으며, IMS의 PDF(Policy Decision Function) 를적용한정책기반모델이등장하고있다. 본논문에서는 IMS의 PDF에서다양한프로토콜을적용한 QoS(Quality of Service) 적용모델과이를이용한사용자시나리오를제안한다. Abstract The need of multimedia based application service is increasing as the number of smart mobile devices such as smart phone, tablet PC, and netbook is increasing rapidly and the development of application service like IPTV. There are various proposed policies to control the limited network resources. The IMS is used to control wired and wireless aggregation network to support multimedia services that are suitable to the user s need and the policy based models using the PDF of the IMS have emerged. In this paper, we propose the QoS adaption model using various protocols with the PDF of the IMS and the user scenario. Key Words : QoS, IMS, PBNM, PDF, SNMP, Diameter, COPS 1. 서론 최근스마트폰, 태블릿 PC, 넷북등과같은모바일디바이스가널리보급되면서다양한종류의인프라 (wifi, wibro, LTE) 가구축되고있으며, IPTV와같은스트리밍서비스사용자의증가로광대역의대역폭이요구되고있다. 인터넷이비즈니스프로세스, 응용서비스, 웹서비스의통합을요구하고있는상황에서 IMS를이용하여네트워크를추상화하고, 클라우드컴퓨팅을이용하여웹기반서비스들을통합관리하는등에대한연구가활발하다. 네트워크기반의서비스증대로네트워크인프라의확충이요구되는상황에서한정된자원으로보다많은 사용자의요구를충족시키기위한다양한 QoS 적용모델이제시되고있다. IMS에서는정책설정을위한프로토콜로 Diameter를권고하지만, Diameter를지원하지않는기존의장비및네트워크를이용하기위해서는 Diameter 를대체할수있는 SNMP(Simple Network Management Protocol), COPS(Common Open Policy Server) 등과같은정책설정을위한프로토콜을사용해야한다. 위의프로토콜은서로다른특징을가지고있으며, 특징에따라성능및정책설정시나리오가달라진다. 따라서본논문에서는 IMS망에서의다양한프로토콜을이용한정책기반네트워크관리 QoS 적용모델을연구하고제안한다. 2장에서 IMS망의구조와정책기반네트워크관리에대해 * Corresponding Author : Seok-Jun Han Tel: +82-10-3076-6393 email: sjhan@koreatech.ac.kr 접수일 12 년 04 월 13 일수정일 12 년 05 월 23 일게재확정일 12 년 07 월 12 일 3175
한국산학기술학회논문지제 13 권제 7 호, 2012 설명하고, 3장에서 IMS의 PDF 구조를설명하고, QoS 할당을위한 PDP(Policy Decision Point) 와 PEP(Policy Enforcement Point) 사이의인터페이스와관련한프로토콜에따른정책기반네트워크관리 QoS 적용모델의시나리오를제안하고, 시나리오에사용한프로토콜들의특징및성능을비교분석한후, 4장에서연구에대한결론을제시한다. 2. 관련연구 2.1 IMS(IP Multimedia Subsystem) IMS의주된목적은인터넷과유무선환경을통합하여 IP 기반의멀티미디어서비스를제공하는것이다 [1]. IMS 는개발이용이하며, 수정하기쉽다는장점을가지고있어, 응용프로그램의개발자들에게다양한네트워크를고려하지않고개발할수있는환경을제공한다. IMS는 IETF(Internet Engineering Task Force) 의표준프로토콜인 SIP(Session Initiation Protocol) 를이용하여 CSCF(Call Session Control Function) 등을관리하며, CSCF 관리기능에는 QoS, 과금, 보안등이포함된다. 그림 1은 IMS의구조를표현한것이다. QoS를보장할수있다 [2,3]. I(Interrogating)-CSCF는사용자의홈네트워크도메인에속하는첫번째지점으로써, 하나의네트워크도메인에다수존재할수있다. 다른네트워크로부터수신한 SIP 메시지를 S-CSCF로라우팅하고, HSS로부터 S-CSCF의주소를얻는기능을수행한다. S(Serving)-CSCF는사용자의인증및정보를 HSS에등록하고, 사용자의최신가입자정보를유지하며, 해당서비스를제공하기위한서비스플랫폼과의상호작용을통해사용자에게서비스자원과관련된정보를제공한다. HSS는가입자에게네트워크접속에필요한인증, 권한부여, 다양한서비스정보제공등을수행하는필수서버이다. 2.2 PBNM(Policy Based Network Management) 정책기반네트워크관리 (PBNM) 은 IP 기반네트워크에서발생하는보안이나 QoS 등의관리문제들을해결하는데사용할수있는기술로서, 미리정의된정책을통해상황에따라적절하게제어가가능하다는장점을가지고있다 [4]. 정책기반네트워크관리의정책은네트워크자원을관리및제어하기위한규칙의집합으로, 특정한상황에대한행위의목적, 순서, 방법등을명확히정의하는규칙이다. 핵심이되는정책은지속적인운용및관리를통해서적용결과를분석하고, 다시이를반영하여정책을재정의함으로보다효율적인관리를할수있다. 정책기반네트워크관리는크게정책을관리하는도구인 PMT(Policy Management Tool), 상황에따라적절한정책을결정하는 PDP, 장비의상태감시에따른정보를 PDP에전달하고그에대한응답에해당하는정책을수행하는 PEP, 그리고정책을저장하는 PR(Policy Repository) 로구성된다. [ 그림 1] IMS 의구조 [Fig. 1] The Structure of IMS IMS는주로 CSCF와 HSS(Home Subscriber Server) 로구성되는데, CSCF는기능에따라 P-CSCF, S-CSCF, I-CSCF로구분된다. P(Proxy)-CSCF는단말이액세스망을통하여 IMS망에접속하는지점으로, 프록시와사용자에이전트 (UA) 의역할을수행한다. 사용자의 SIP REGISTER 메시지를사용자의홈도메인을참조하여 I-CSCF로전달하고, 사용자의 SIP 메시지를등록절차에따라 S-CSCF로전달하고, 사용자에게 SIP 메시지를요구하거나응답하는기능을수행한다. 또한 PDF를이용하여 [ 그림 2] PBNM 의구조 [Fig. 2] The structure of PBNM 3176
그림 2는정책기반네트워크관리의구조를표현한것으로 PDP와 PR 사이는 LDAP(Lightweight Directory Access Protocol) 외에 SNMP, CLI 등이사용될수있고, PDP와 PEP 사이는 COPS 외에 SNMP, CLI, HTTP, CORBA 등이사용될수있다 [5]. 2.2.1 PDP(Policy Decision Point) PDP는 PMT로부터메시지를받거나, 네트워크의상태변화에따른메시지를받을때정책을설정해야한다. PEP로부터의보고또는요청받은정보를통해장비의상태를분석하고, 분석된정보로부터정책저장소인 PR에서적절한정책을검색하여정책을결정하고, 결정된정책을 PEP에회신하는역할을수행한다. 연동을통하여해당정책을 GGSN과 ACR에전달하는기능을가지며, QoS 정책이일치하는지를확인하는기능과사업자의정책에따라그에상응하는 QoS를적용할수있는정책을포함하는권한부여토큰 (Authorization Token) 을생성한다. 3GPP에서제공하는 P-CSCF 구조는 PDF기능을포함할것을권고하고있지만, 필요에따라 PDF는 P-CSCF와분리될수있으며, 분리되어있을경우에는 P-CSCF와 PDF사이의인터페이스는 Diameter를이용한다. 2.2.2 PEP(Policy Enforcement Point) PEP는장비의구성요소및정책등에대한동작상태를감시하고, 동작상태에대한정보를 PDP에전송하고, 전송된상황에대한 PDP의정책을장비가인식가능한명령어형태로장비에게전달하는역할을한다. 네트워크나장비의상태가변화하는이벤트가발생하는경우에변화된정보를 PEP에게보고하는역할을한다. [ 그림 3] IMS 의 PDF 구성도 [Fig. 3] PDF Layout of IMS 그림 4는 P-CSCF와 PDF사이에 Diameter를이용한 QoS 요청과정의시나리오를나타낸다. 2.2.3 PR(Policy Repository) PR은재사용가능한정책요소에대한논리적컨테이너를나타낸추상모델이며, 정책규칙및관련조건에대한행위, 관련정책데이터들에대한관리범위및네이밍을나타내는논리적컨테이너이다. 조건과행위, 정책규칙, 관련된정책데이터들을저장하는정책저장소로써데이터베이스혹은디렉터리형태를갖는다. 3. 정책기반 QoS 적용모델 3.1 IMS에서의 PDF 구조 PDF는서비스기반의 QoS 정책을제공하는시스템으로일종의응용서버처럼동작한다 [6, 7]. P-CSCF의논리적인요소에해당하는 AF(Application Function) 와연동하여서비스관련정보를제공받고, 해당정보를기반으로 QoS 정책을허가하고, PEP와같은역할을하는 ACR(Access Control Router), GGSN(Gateway GPRS Support Node) 등의요청이있을때허가된 QoS 정책을제공한다. PDF는정책기반네트워크관리에서의 PDP 컴포넌트와 PR의기능을함께수행하는역할을한다. 그림 3은 PDF의구성도를보여준다. PDF는 PEP와의 [ 그림 4] QoS 요청시나리오 [Fig. 4] The Scenario of QoS request 3GPP 정책기반구조에서 PDF는 PDP와동일하며, PEP는 GGSN에위치한다. PDF는 SDP와 HSS로부터얻은사용자정보에기반하여세션을허가한다. 세션을설립하는동안성공적인 SIP 시그널링은 UMTS(Universal Mobile Telecommunications System) 도메인내의지역적인 QoS 예약에영향을받고, 이는 PDP Context 시그널링을통해수행된다. PDF에의해수행되는정책승인제어역시 SIP 시그널링에영향을준다. 3177
한국산학기술학회논문지제 13 권제 7 호, 2012 PDF에의한허가는 Go 인터페이스를이용하여 GGSN 으로전달된다. PDF가허가를하면, 권한부여토큰을생성하고 SIP 시그널링을통해 UE로전달한다. UE는이권한부여토큰을 PDP Context를통해 GGSN으로전달하고, GGSN은해당인터페이스를통해권한부여토큰을전달한다. 이메시지를받은 PDF는해당인터페이스를이용하여결과를 GGSN에전달한다. 마지막으로 SIP에의해세션이성립되면, 세션설립완료메시지를이용해해당되는 flow가통과할수있도록한다. 3.2.2 Diameter 적용시나리오 그림 6은 PDP Agent가 Diameter를사용할경우 QoS 정책설정과정을표현한것이다. 3.2 PDF와 PEP 사이의 QoS 정책모델 IMS가세션을제어하는망을사용하는형태이지만, 실제미디어전송과관련한 QoS 정책설정은기존의정책설정과정과유사한형태를가지고있다. 본논문에서는 SNMP, Diameter, COPS 프로토콜을적용한 QoS 정책설정모델에따른시나리오를다양하게제시하여각프로토콜에따른장점과단점을비교할수있도록하였다. 3.2.1 SNMP 적용시나리오그림 5는 PDP Agent가 SNMP를사용할경우 QoS 정책설정과정을표현한것이다. UE가 INVITE 메시지를이용하여 P-CSCF에접속하면, P-CSCF는 Diameter CCR 메시지를이용하여해당서비스의 QoS 할당을요구하게되며, PDF는해당하는 QoS 를설정하기위하여 SNMP Set 메시지를이용하여 GGSN(PEP) 에 QoS 할당을요청한다. QoS 할당요청후요청한 QoS의적용여부를확인하기위하여 PDF는 SNMP Get 메시지를이용하여할당여부를확인한다 [8]. [ 그림 6] Diameter 를이용한정책설정 [Fig. 6] Policy setting using Diameter UE가 PDP Context를전송하면, Agent를통하여 QoS 를설정하기위하여 RAR 메시지를이용하여해당 QoS 를 GGSN에설정하며 [9], 그결과는 RAA 메시지를이용하여결과를 PDF에통보한다. RAA 메시지에는 QoS 할당성공여부에대한내용과관련정보가포함되어있다. 3.2.3 COPS 적용시나리오 그림 7은 PDP Agent가 COPS를사용할경우 QoS 정책설정과정을표현한것이다. [ 그림 5] SNMP 를사용한정책설정 [Fig. 5] Policy setting using SNMP [ 그림 7] COPS 를이용한정책설정 [Fig. 7] Policy setting using COPS 3178
UE로부터 PDP Context가전송되면, Agent를통하여 QoS를설정하기위하여 COPS REQ 메시지를이용하여해당 QoS를 GGSN에설정하며, 그결과는 COPS DEC 메시지를이용하여결과를 PDF에통보한다. COPS DEC 메시지는 QoS 할당의성공여부를포함하고있으며, 이메시지를받은 PDP Agent는수행결과를 COPS RPT 메시지를이용하여 PDF에통보한다. 3.3 사용자정책설정시나리오 그림 8은 IMS에서의응용서비스 (AS) 요청에따른정책설정시나리오를표현한그림이다. [ 그림 9] UE 가전송한 SDP 메시지 [Fig. 9] SDP Message received from UE 그림 10은 P-CSCF로부터 AS에전송되는 SIP INVITE 메시지에포함되는 SDP 정보를나타내며, SDP 파라미터값을이용하여 PDF는표 1과같은 Flow identifier의리스트를생성한다. [ 그림 8] AS 를이용한정책설정시나리오 [Fig. 8] Policy setting scenario using AS 사용자가단말을이용하여등록절차를마친후, 응용서비스 (AS) 를이용하려할때 IMS망의특성상해당통신을위하여세션설립과정및해당서비스를이용하기위한 QoS를설정해야한다. 사용자는 SDP를포함한 SIP INVITE 메시지를이용하여 P-CSCF에접근하고 [11], P-CSCF는 PDF를이용하여해당서비스의정책을적용한다. 그리고적용할정책을해당프로토콜 (SNMP, Diameter, COPS) 을이용하여 GGSN에통보한다. 그림 9는단말이해당응용서버에접근하기위하여사용하는 SIP INVITE 메시지에포함되는 SDP 정보를나타내며, "i" 파라미터는 INVITE 메시지의미디어의타입정보를포함하며, m 파라미터는미디어라인의타입 (audio or video session) 정보를포함하고있다. 또한 SDP의 "b" 파라미터값을이용하여해당서비스의대역폭을설정할수도있다. [ 그림 10] AS 에전달된 SDP 메시지 [Fig. 10] SDP Message delivered to AS [ 표 1] PDF 가생성한 Flow identifier 리스트 [Table 1] Flow identifier list made by PDF Order of m= -line Type of IP flows Destination IP Address / Port number of the IP flows Flow identifier 1 RTP (Video) DL 2001:0646:00F1:0045:02D0:59FF:FE14:F33A / 50230 <1,1> 1 RTCP DL 2001:0646:00F1:0045:02D0:59FF:FE14:F33A / 50231 <1,2> 1 RTCP UL 2001:0646:000A:03A7:02D0:59FF:FE40:2014 / 51373 <1,2> 2 RTP (Audio) UL 2001:0646:000A:03A7:02D0:59FF:FE40:2014 / 49170 <2,1> 2 RTCP DL 2001:0646:00F1:0045:02D0:59FF:FE14:F33A / 50331 <2,2> 2 RTCP UL 2001:0646:000A:03A7:02D0:59FF:FE40:2014 / 49171 <2,2> 3 3 UDP (application) DL 2001:0646:00F1:0045:02D0:59FF:FE14:F33A / 50430 <3,1> UDP (application) UL 2001:0646:000A:03A7:0250:DAFF:FE0E:C6F2 / 32416 <3,1> SDP의 "m" 파라미터값을이용하여해당메시지가사용하는미디어타입및응용서비스타입을판단하며, 이를이용하여 Flow identifier를생성한다. Flow identifier 는 2개의튜플 (tuple) 로구성되는데, 첫번째숫자는 SDP 3179
한국산학기술학회논문지제 13 권제 7 호, 2012 의 "m" 파라미터값을이용하여생성한숫자이며, 두번째숫자는 Flow의순서를의미한다. 3.4 프로토콜비교및성능분석 표 2는본논문에서정책설정을위해사용한프로토콜들을비교분석한내용을요약한것으로, 표의숫자는각프로토콜사이를비교한수치로적을수록성능이우수함을나타낸다 [10]. [ 표 2] 각프로토콜의성능비교분석 [Table 2] The Performance Analysis of Each Protocol 지연메모리오버헤드확장성패킷수 SNMP 2 3 3 3 3 Diameter 3 2 2 2 2 COPS 1 1 1 1 1 SNMP는다른프로토콜에비해성능이뒤떨어지는특성을가지고있지만, 현재까지가장많이사용된프로토콜로구현이용이하고오류에대한피드백이빠르다는장점을가지고있다. 반면에정책설정을위해서는 QoS 할당여부를확인하기위한메시지를추가적으로사용해야한다는단점을가지고있다. 확장성이떨어지는단점때문에주로모니터링에국한되어사용된다. Diameter는 COPS와 SNMP의중간정도에해당하는성능을가지고있으며, 비교대상의프로토콜에비해지연이많이발생하는단점을가지고있다. AAA와이동성관리를위한시그널링프로토콜로초기에채택되었지만, IMS의 Cx, Dx, Go, Ro, Sh 등의인터페이스와 non-ims 의서비스에따라다양한메시지를교환할수있다는장점을가지고있어, 다양한형태의서비스를제공하는데사용될수있는커다란장점을가지고있다. COPS는세개의비교프로토콜중가장성능이우수하고, 매우효율적인프로토콜로평가가되는프로토콜로서, IMS에서 PDF와 GGSN 엔티티의 Go 인터페이스에사용되는프로토콜로 QoS와과금과관련된정보의전송에사용된다. COPS 프로토콜을지원하는네트워크장비는 PEP의역할을수행하므로정책설정값의일관성을유지할수있지만, 장비가 COPS를지원하지못하는경우 PEP를별도의소프트웨어로운용하는상황이발생하고, PEP와장비사이에별도의프로토콜을이용하여정책설정값이전달되는상황에서, 정책설정값에대한일관성문제가야기될수있다는단점을가지고있다. 표 3은본논문의정책설정시나리오에사용된프로토콜에따른 INVITE와정책설정을위한트랜잭션의개 수를비교한자료이다. [ 표 3] 트랜잭션의개수비교분석 [Table 3] The Analysis of the Number of Transaction INVITE 트랜잭션수 정책설정을위한트랜잭션수 SNMP 3 1 ~ 2 Diameter 3 1 COPS 3 2 사용자등록과정이완료된후, 정책설정을위하여사용된 INVITE 트랜잭션의수는동일하지만, 정책설정을위한트랜잭션의수는정책설정과정의차이로트랜잭션의수가서로다르다. SNMP는정책설정을위한트랜잭션은 1개만사용되었으며, 추가적으로설정된정책의설정여부를확인하기위하여경우에따라하나의트랜잭션을추가하여 (Get) 확인할수있었다. Diameter는정책설정을위한트랜잭션은 1개만사용하였으며, RAA 메시지에정책설정의결과여부가포함되어있으므로추가적인트랜잭션은필요하지않았다. COPS는 2개의트랜잭션을이용하였으며, 설정을위한 1개의트랜잭션이외에도설정결과의리포트를받아보기위한메시지를위한 1개의트랜잭션 (DEC/RPT) 을추가적으로사용하였다. 4. 결론 스마트폰, IPTV, M2M(Machine to Machine) 등과같은통신을이용하는사용자의증가로한정된네트워크자원을효율적으로관리해야하는필요성이제시되고있는상황에서네트워크자원관리를위한정책설정은매우중요하다. 본논문에서는유무선통합망인 IMS망에서의 SNMP, Diameter, COPS를이용한정책기반 QoS 적용모델에따른정책설정과정에대한시나리오를제안하고, 정책설정과관련한각프로토콜의장점과단점을비교분석하였다. 연구결과는네트워크관리 QoS 정책설정에따른프로토콜의선택과시나리오를적용하는데활용될수있다. 제안된 QoS 정책설정모델에대한시나리오를활용한구현및성능평가를통해상황에따른최적의모델을제시하는향후연구가필요하다. 3180
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