모바일 IP 네트워크에서의 TCP 핸드오프 성능향상을 위한 패킷 버퍼링 방안에 관한 연구 = TCP handoff performance enhancement using packet buffering scheme for mobile IP based networks

국문 초록 (Abstract)

요 약

IETF (Internet Engineering Task Force)에서는 인터넷 환경에서 사용자의 이동성을 지원하기 위하여 모바일 IP 프로토콜(mobile IP protocol)을 설계하였고, 사용자의 이동성으로 인하여 발생하는 패킷손실(packet loss) 때문에 초래되는 TCP (Transmission Control Protocol)의 성능 저하를 방지하기 위하여 스무스 핸드오프 (Smooth Handoff) 방식을 채택하였다. 본 논문에서는 모바일 IP 프로토콜과 모바일 IP 프로토콜의 경로 최적화 확장(Route Optimization Extension)에 있어서 스무스 핸드오프가 모바일 네트워크(mobile network)에서 TCP의 성능에 미치는 영향을 분석하고 이의 해결책을 도출해 본다.
먼저 베이스 모바일 IP 프로토콜과 모바일 IP 프로토콜의 경로 최적화 확장에 의한 스무스 핸드오프의 비교를 통하여 모바일 네트워크에서 TCP의 성능 저하 문제를 어느 정도 해결할 수 있는지 살펴보고 이를 검증해 본다. 모의실험 결과에 의하면, 모바일 IP 프로토콜 표준의 경로 최적화 확장에 의한 스무스 핸드오프는 핸드오프(handoff) 동안에 발생하는 패킷손실을 줄이기 위하여 설계되었음에도 불구하고, 대부분의 경우 핸드오프에 의한 TCP의 성능저하를 막지 못함을 알 수 있었다. 또한, 경로 최적화 확장의 스무스 핸드오프가 핸드오프 동안에 손실되는 패킷(packet)의 수를 상당히 줄일 수 있음에도 불구하고, 오히려 패킷손실이 많이 발생하는 베이스 모바일 IP 프로토콜을 사용한 경우보다 TCP의 성능 저하가 심화됨을 알 수 있었다. 이러한 결과는 TCP의 혼잡제어(congestion control) 알고리즘(algorithm) 및 패킷이 손실되는 패턴과 밀접한 관계를 가지고 있다. 본 논문에서는 모바일 IP 프로토콜을 사용하는 경우의 핸드오프로 인한 패킷손실의 패턴이 TCP의 혼잡제어 알고리즘에 주는 영향을 분석하고, 이로 인하여 TCP의 성능이 어떻게 달라지는가 조사하였다.
또한 모바일 IP 프로토콜에서 핸드오프 동안에 발생하는 패킷손실 때문에 초래되는 TCP의 성능저하를 방지하기 위해서는 모바일 IP 프로토콜의 경로 최적화 확장에 의한 스무스 핸드오프 방식에서 이전 기지국(BS)이 핸드오프 동안 손실된 패킷들을 버퍼(buffer)에 저장하고 저장된 패킷들이 이동한 단말에게 전달되어야 한다. 그러나 이동단말(MH)이 혼잡한 라우터(Congested Router, CR)와 연결된 새로운 서브네트워크(subnetwork)로 이동한 경우에는, 이전 기지국(BS)이 포워딩 하는 패킷들은 손실되고, 이 패킷들로 인해 심화된 혼잡으로 인해 기존 고정 TCP 플로(flow)들의 링크(link) 이용률 성능이 저하되게 된다. 따라서 패킷 버퍼링(buffering) 방식이 결합된 스무스 핸드오프 방식으로 이동단말(MH)이 혼잡이 존재하는 라우터와 연결된 새로운 서브네트워크로 이동한 경우, 새로운 서브네트워크와 연결된 라우터가 사용하는 RED 버퍼 관리방식의 혼잡 상태에 따라 이전 기지국(BS)이 저장한 패킷들을 포워딩(forwarding) 하거나 폐기하는 패킷 포워딩 제어(Packet Forwarding Control, PFC) 방안을 제안하고 이의 검증을 통하여 제안하는 패킷 포워딩 제어방안이 링크 이용률 성능을 향상시킬 수 있음을 보인다.
그리고 이동단말(MH)이 새로운 서브네트워크의 혼잡한 기지국(BS)으로 이동한 경우에도 이전 기지국(BS)이 포워딩 하는 패킷들은 손실되고 또한 포워딩 된 패킷들로 인해 심화된 혼잡으로 기지국(BS) 내 이동단말(MH)의 TCP 플로들의 무선링크(wireless link) 이용률 성능이 저하되게 된다. 따라서 기지국(BS) 패킷 버퍼링 방식이 결합된 스무스 핸드오프 방식으로 이동단말(MH)이 새로운 서브네트워크의 혼잡한 기지국(BS)으로 이동한 경우, 이전 기지국(BS)이 핸드오프 동안 저장한 패킷들을 우선권을 가진 패킷(priority packet)으로 표기하고 혼잡한 새로

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서 론 1
• 제 2 장 모바일 IP 프로토콜의 성능평가 8
• 2.1 모바일 IP 프로토콜 기반 네트워크에서의 패킷손실 8
• 2.1.1 모바일 IP 프로토콜의 동작 절차 8
• 2.1.2 모바일 IP 프로토콜을 사용하는 경우 핸드오프 시에 손실되는 패킷의 수 13
• 2.2 모의실험 결과 및 분석 19
• 2.2.1 모의실험 모델 19
• 2.2.2 베이스 모바일 IP 프로토콜과 경로 최적화 확장을 갖는 모바일 IP 프로토콜간의 비교 22
• 2.3 결 론 36
• 제 3 장 모바일 IP 네트워크에서 TCP 성능향상을 위한 패킷 포워딩 제어(Packet Forwarding Control) 방안 37
• 3.1 패킷 포워딩 제어 방안 37
• 3.1.1 핸드오프 시 TCP 성능저하를 방지하는 기지국 패킷 버퍼링 방식 38
• 3.1.2 패킷 포워딩 제어 알고리즘 46
• 3.2 모의실험 모델 및 성능 평가 54
• 3.3 결 론 62
• 제 4 장 모바일 IP 네트워크에서 TCP 성능 향상을 위한 암시적인 패킷 포워딩 우선권 보장(IPF) 방안 63
• 4.1 암시적인 패킷 포워딩 우선권 보장(Implicit Priority Forwarding(IPF) Packet Buffering) 방안 63
• 4.2 TCP 핸드오프 성능향상을 위한 암시적인 패킷 포워딩 우선권 보장(IPF) 방안 65
• 4.3 모의실험 모델 및 성능 평가 70
• 4.3.1 모의실험 모델 71
• 4.3.2 큐의 크기 변화에 대한 패킷 버퍼링의 효과 73
• 4.3.3 IPF 패킷 버퍼링 방식에서의 무선 링크 이용률 성능 분석 76
• 4.3.4 IPF 패킷 버퍼링 방식의 TCP 성능 83
• 4.3.5 이동단말의 핸드오프 도착 분포에 따른 TCP 성능 비교 85
• 4.4 결 론 90
• 제 5 장 결 론 91
• 부록 A 전문 용어의 표기 94
• 참 고 문 헌 96