KR100619373B1

KR100619373B1 - 무선 인터넷의 패킷 전송 방법

Info

Publication number: KR100619373B1
Application number: KR1020050033404A
Authority: KR
Inventors: 장명래; 이동학; 정원석
Original assignee: 에스케이 텔레콤주식회사
Priority date: 2005-04-22
Filing date: 2005-04-22
Publication date: 2006-09-06

Abstract

본 발명은 무선 인터넷의 패킷 전송 방법에 관한 것으로, MN의 핸드오버 시에 PAR이 MN으로부터 F-BU를 수신한 시점부터 MN으로부터 핸드오버 이후에 지역 BU를 수신하기 이전까지 MAP에 전송된 패킷을 PAR로 전송하는 단계와, PAR이 MAP로부터 전송 받은 패킷을 터널링을 통해 NAR에게 전송하면 NAR이 MAP로부터 전송 받은 패킷을 버퍼링한 후에 MN으로부터 핸드오버 이후에 RS 메시지가 수신되면 버퍼링한 패킷을 MN으로 전송하는 단계와, NAR이 RS 메시지 이후에 PAR에서 터널링을 통해 전송 받은 패킷을 버퍼링하지 않고 MN으로 전송하는 단계와, MAP가 NAR에 접속한 MN으로부터 지역 BU를 수신하면 MN에 대한 패킷을 더 이상 PAR로 보내지 않겠다는 의미의 플러쉬 메시지를 PAR을 경유하여 NAR로 보내는 단계와, NAR이 MAP로부터 직접 전송 받은 패킷을 버퍼링한 후 플러쉬 메시지를 수신하면 MAP로부터 직접 전송 받아서 버퍼링한 패킷을 MN으로 전송하는 단계를 포함하며, TCP의 변경과 이동단말의 변경 없이 TCP 성능을 향상시키는 이점이 있다.

모바일 IPv6, HMIPv6, 패스트 핸드오버, FMIPv6, FHMIPv6, TCP

Description

무선 인터넷의 패킷 전송 방법{METHOD FOR TRANSMITTING PACKET OF MOBILE INTERNET}

도 1은 FHMIPv6에서 종래 기술에 따른 핸드오프 절차를 보인 흐름도.

도 2는 FHMIPv6에서 종래 기술에 따른 핸드오프시 패킷 뒤바뀜 현상을 보인 흐름도.

도 3은 FHMIPv6에서 각 구간별 패킷 지연시간 구조을 보인 도면.

도 4는 FHMIPv6에서 본 발명에 따른 핸드오버 절차를 보인 흐름도.

도 5는 본 발명에 따라 플러쉬 메시지 타입을 추가하기 위한 IPv6의 모빌리티 헤더의 구조를 보인 도면.

본 발명은 무선 인터넷의 패킷 전송 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 FHMIPv6 환경에서 이동 단말이 패스트 핸드오버(fast handover)시에 패킷 순서의 뒤바뀌는 문제에 대하여 플러쉬(FLUSH) 패킷을 이용하여 패킷 순서 뒤바뀌는 문제를 해결함으로써 TCP 성능이 향상되도록 한 리시퀀싱(resequencing) 알고리즘에 대한 구조와 절차에 관한 것이다.

무선 이동 인터넷 서비스에 대한 연구가 활발해지면서 가입자의 액세스 망 이동에 상관없이 연속적인 데이터 서비스가 가능하도록 하는 모바일(mobile IP) 규약이 IETF(Internet Engineering Task Force)를 중심으로 제안되었고 이에 대한 구현 및 서비스가 몇몇 선진국을 중심으로 활발히 이루어지고 있다. 이러한 이동 인터넷 서비스는 기존 서비스의 범위를 크게 확장하였고 따라서 향후 인터넷 시장의 주 패러다임으로 등장하게 될 것이다. 그러나 이동성 처리를 위해 제안된 모바일 IP 규약의 경우 초기에 이동 가입자를 충분히 고려하지 못하여 가입자의 이동 여부 발견, 새로운 임시 주소 획득 및 신규 위치 등록 등에 시간이 많이 소요되고 전체적으로 망에 많은 부하를 주는 형태로 만들어졌다. 또한 고속으로 이동하는 가입자의 경우 홈 에이전트(Home Agent; HA)와 현재 이동 단말이 방문중인 외부 망과의 거리가 멀다면 등록을 위해 소요되는 시간이 오래 걸려서 등록 전까지 이전 망으로 전달되는 데이터의 유실이 일어날 가능성이 높으며 제어 메시지가 등록을 위해 사용하는 자원이 많아지는 단점이 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 IETF에서 제안한 가장 기본적인 해결 방안은 HMIPv6(hierarchical mobile IPv6)과 FMIPv6(fast handover IPv6) 이다. 이 두 방안은 mipshop(MIPv6 signaling and handoff optimization)이라는 별도의 워킹 그룹(working group)에서 활발히 논의되고 있는 분야이다. 기존의 모바일 IPv6에서는 이동 단말이 위치 변경할 때마다 자신으로부터 먼 곳에 위치할 가능성이 많은 HA에 등록을 수행하여야 함으로써 긴 핸드오버 시간을 유발한다. HMIPv6의 경우 MAP(Mobile Anchor Point)라는 지역적 이동성 관리 노드를 두며 각 이동단말에 대 해서 두개의 CoA, RCoA(Regional Care-of-Address)와 LCoA(On-link Care-of-Address)를 관리한다. 이동단말의 RCoA는 MAP의 서브넷을 따르며 LCoA는 라우터의 서브넷을 따른다. 외부 CN(Corresponding Node)이 이동단말과 통신을 하기 위해서 RCoA를 사용해서 데이터를 전송하면 MAP은 LCoA로 인캡슐레이션(encapsulation)하여 이동단말에게 전송하며, 내부 CN이 이동단말과 통신하기 위해서 LCoA를 사용하여 직접 전송하게 된다. 따라서 이동단말이 동일 MAP내에서 라우터간을 이동할 경우에 MAP에만 새로운 LCoA를 등록함으로써 이동 등록에 다른 지연 시간 및 자원 소비를 줄이는 장점을 가진다. 그러나 HMIPv6를 사용하더라도 네트워크 액세스 망의 이동이 일어난 뒤 이를 등록하는데 링크 계층의 이동성 처리 및 임시 주소 할당에 많은 시간이 소요된다는 것을 알 수 있고, 또한 이런 핸드오버 지연 시간은 불가피한 것이라 이 시간 동안 유실되는 데이터가 존재하며 이로 인해 무선 TCP에 큰 영향을 미친다는 것도 알 수 있었다.

이러한 문제점을 해결하기 위해서 FMIPv6 기술이 제안되었다. FMIPv6은 네트워크 2계층에서 핸드오버에 대한 트리거(trigger) 신호를 받게 되면 이를 이용하여 미리 새로운 서브넷에서 사용될 CoA(care-of-address)를 구성한다. 따라서 모바일 IPv6에서 2계층 핸드오버가 끝난 이후에 새로운 CoA를 구성하여 바인딩 갱신을 함으로써 생기는 핸드오버시 지연을 줄일 수 있다. 또한 새로운 CoA를 구성하여 바인딩 갱신이 완료되기 이전까지 데이터 손실을 막기 위하여 이전 라우터(Previous Access Router; PAR)와 새로운 라우터(New Access Router; NAR) 간에 양방향 터널이 설정된다. 또한 필요한 경우 새로운 라우터에서 사용할 임시 주소의 검증을 미 리 수행함으로써 모바일 IP에 소요되는 시간을 줄이도록 하였다.

FMIPv6와 HMIPv6의 장점을 고려한 FHMIPv6의 핸드오버시에 절차는 도 1과 같다.

이동단말(Mobile Node; MN)이 이동시 NAR에서의 라우터 광고로 인하여 2계층에서 핸드오버를 결정하게 된다(101). MN은 NAR의 라우터 광고에서 NAR의 MAC(Media Access Control) 주소를 알게 된다. MN은 MAP에게 NAR의 MAC 주소를 포함한 RtSolPr(router solicitation for proxy) 메시지를 PAR에게 전송한다(102). PAR은 RtSolPr 메시지에서 MAC 주소를 통하여 MN이 이동할 라우터에 대한 프리픽스(Prefix)와 IP주소를 포함한 PrRtAdv(Proxy Router Advertisement) 메시지를 MN에게 보내게 된다(103). 이때, PAR은 MN이 NAR에서 사용할 IP 주소(NCoA)를 생성하여 PrRtAdv 메시지에 포함시킬 수 있다. PrRtAdv 메시지에 NCoA가 포함되어 있지 않다면 MN은 NAR에서 사용할 IP 주소를 NAR의 주소와 프리픽스 및 자신의 MAC 주소를 이용하여 NCoA를 생성하게 된다(104). PAR은 MN의 NCoA가 포함된 F-BU(Fast Binding Update)를 수신하면(105) MN에게 전송되는 패킷을 더 이상 전송하지 않고 버퍼링하게 된다(106). PAR은 PCoA와 링크계층의 주소 및 MN의 NCoA를 포함한 HI(Handover Initiate) 메시지를 NAR에게 보내게 된다(107). HI 메시지는 PAR과 NAR간의 터널링 형성의 확인하는 동시에 NCoA가 유효한지 NAR에게 물어보는 역할을 한다. NAR은 NCoA가 사용가능한지 확인 후에 HACK(Handover ACK)를 PAR에게 전송하게 된다(108). PAR은 F-BU에 대한 F-BACK(Fast Binding ACK)를 NAR과 MN에게 보내고(109) MN에게 전송하기 위해 버퍼링된 패킷을 NAR에게 터널링을 통해서 전송하게 된다(110). F-BACK을 받은 NAR은 MN에게 전송할 패킷을 버퍼링하게 된다(111). MN 은 PAR에서의 연결이 종료하고 NAR과 접속하기 위해서 F-NA(Fast Neighbor Advertisement) 옵션을 포함한 RS(Router Solicitation) 메시지를 NAR에게 전송한다(112). NAR은 NAACK(Neighbor Advertisement ACK) 메시지를 MN에게 보냄으로써(113) 핸드오버가 이루어지고 버퍼링된 MN의 패킷을 전송하게 된다(114). MN은 이동을 알리기 위해서 NCoA를 포함한 BU(Binding Update) 메시지를 CN에게 전송하게 된다(115).

이러한 FHMIPv6은 데이터 유실을 방지하고 모바일 IP 지연 시간을 줄여주는 장점을 가지지만 이동단말에 도착하는 데이터 순서가 어긋나는 현상을 초래할 수 있다. FHMIPv6에서 MN이 핸드오버시에 패킷 순서 뒤바뀌는 문제점을 도 2를 통하여 나타낸다.

MN이 핸드오버 이전에 CN에서 전송되는 패킷은 ①번 패킷과 같이 MAP을 통해 PAR을 경유하여 MN에게 전송된다(201). PAR이 MN으로부터 F-BU를 수신한 시점(202)부터 MAP가 MN으로부터 핸드오버 이후에 BU를 수신(205)하기까지 MAP에 전송된 패킷은 PAR을 경유하여 터널링을 통해 NAR에게 전송된다(203). NAR은 MN의 패킷을 버퍼링 한 후에 MN으로부터 핸드오버 이후에 RS 메시지를 수신(204)하게 되면 저장된 패킷을 전송하게 된다. ②번부터 ⑦번까지의 패킷은 MAP가 BU를 수신하기 이전에 MAP에 도착한 패킷으로 PAR로 전송하게 된다. MAP이 지역 BU를 수신(205)하게 되면 그 이후에 도착한 패킷 ⑧, ⑨번은 NAR로 직접 전송하게 된다(206). 따라서 터널링에 의한 패킷 지연시간으로 인해 MN에서 수신되는 패킷의 순서가 ②-③-④-⑤-⑧-⑥-⑨-⑦로 뒤바뀌어 전송되는 것을 알 수 있다. 이로 인해 MN의 TCP 계층은 순서가 어긋 난 데이터에 대해 중복 응답(duplicate acknowledgement)을 전송하게 되고, 이를 수신한 CN의 TCP 계층은 데이터가 유실된 것으로 판단하고 송신 윈도우(window)를 줄인 채 데이터를 전송하게 되고 따라서 망의 성능이 저하되게 된다. 즉, TCP 프로토콜에서 순서가 뒤바뀌어 전송될 경우 수신자는 같은 번호의 ACK을 보내게 되며 송신측에서는 동일한 번호의 ACK가 3개 수신되면 혼잡제어를 위해 관리하는 CWND(congestion window)값을 반으로 줄이게 됨으로써 TCP 성능이 저하된다.

한편, 패스트 핸드오버에서 패킷 순서 뒤바뀌는 문제점을 해결하기 위해서 이동단말에 DDA(Delayed Duplicated Ack)라는 새로운 프로토콜을 TCP 프로토콜 아래에 추가하여 해결하고자 한 기술이 제안된 바 있다. 이 기술에 따르면 이동 가입자의 TCP 계층과 IP 계층 사이에 별도의 계층을 두어 위와 같이 데이터 순서가 어긋날 가능성이 있는 UTP(Unstable Time Period) 동안은 TCP가 보낸 중복 응답을 송신자에게 보내지 않고 저장해 두었다가 이 시간 후에 순서대로 정리하여 보냄으로써 앞서 살펴본 문제를 해결하고자 하였다. UTP는 개념적으로 보면 이전 경로로 오는 마지막 세그먼트의 도착시간과 새로운 경로로 오는 첫 번째 세그먼트의 도착시간의 차이라 할 수 있다.

도 3은 FHMIPv6에서 CN에서 전송된 패킷이 MN에 전송되기까지 패킷 지연시간을 나타낸다. CN에서 MAP까지의 패킷 지연 시간을 Tm(301), MAP에서 PAR과 NAR까지의 패킷 지연시간을 각각 Tp(302), Tn(303)이라고 하고, PAR에서 NAR까지 터널링을 통해 전달되는 지연시간을 Tt(305)라 한다. 또한 MAP과 PAR에서 각각의 큐잉 지연시간을 Qm(307)과 Qp(304)라 하고 무선환경에서 단말기와 라우터간의 패킷 지연시간을 동 일한 Tw(306)라 가정하였을 때 UTP는 다음의 수학식 1과 같이 계산할 수 있다.

그러나, 이동단말에서 여러 CN과의 모든 연결에 대해서 UTP를 계산하는 알고리즘은 이동 가입자 단말의 프로세싱에 대한 오버헤드를 가져오며, 복잡도를 높이고 기존 단말이 모두 업그레이드되어야 하는 문제점이 있다.

본 발명은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 제안한 것으로, FHMIPv6 기반 휴대인터넷 환경에서 이동단말이 핸드오버 이후 MAP에게 지역 BU를 보내게 되면 MAP에서 이전 라우터를 경유하여 새로운 라우터로 터널링되는 패킷의 마지막을 광고하는 플러쉬 메시지를 PAR을 통해 NAR로 보내게 되며 새로운 라우터에서는 플러쉬 메시지가 수신되기 이전에 MAP에서 직접 전달된 패킷을 버퍼링함으로써 패킷 순서 뒤바뀜 문제를 해결하고 TCP 성능을 향상시키는 리시퀀싱 알고리즘을 제공하는 데 그 목적이 있다.

이와 같은 목적을 실현하기 위한 본 발명에 따른 무선 인터넷의 패킷 전송 방법은, MN의 핸드오버 시에 PAR이 MN으로부터 F-BU를 수신한 시점부터 MN으로부터 핸드오버 이후에 지역 BU를 수신하기 이전까지 MAP에 전송된 패킷을 PAR로 전송하는 단계와, PAR이 MAP로부터 전송 받은 패킷을 터널링을 통해 NAR에게 전송하면 NAR이 MAP로부터 전송 받은 패킷을 버퍼링한 후에 MN으로부터 핸드오버 이후에 RS 메시지가 수신되면 버퍼링한 패킷을 MN으로 전송하는 단계와, NAR이 RS 메시지 이후에 PAR에서 터널링을 통해 전송 받은 패킷을 버퍼링하지 않고 MN으로 전송하는 단계와, MAP가 NAR에 접속한 MN으로부터 지역 BU를 수신하면 MN에 대한 패킷을 더 이상 PAR로 보내지 않겠다는 의미의 플러쉬 메시지를 PAR을 경유하여 NAR로 보내는 단계와, NAR이 MAP로부터 직접 전송 받은 패킷을 버퍼링한 후 플러쉬 메시지를 수신하면 MAP로부터 직접 전송 받아서 버퍼링한 패킷을 MN으로 전송하는 단계를 포함한다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 바람직한 실시 예에 대하여 상세히 설명하기로 한다. 이 실시 예를 통해 본 발명의 목적, 특징 및 이점들을 보다 잘 이해할 수 있게 된다. 그러나 본 발명은 이러한 실시 예로 제한되는 것은 아니다.

도 4는 FHMIPv6 기반 휴대인터넷 환경에서 본 발명에 따른 핸드오버 절차를 보인 흐름도이다.

먼저, MN이 핸드오버 이전에 PAR에 접속되어 있을 때 CN에서 전송되는 패킷은 ①번 패킷과 같이 MAP을 통해 PAR을 경유하여 MN에게 전송된다(401). PAR이 MN으로부터 F-BU를 수신한 시점(402)부터 MAP가 MN으로부터 핸드오버 이후에 지역 BU를 수신(405)하기 이전까지 MAP에 전송된 패킷은 PAR로 전송되며, 이 패킷은 다시 PAR에서 터널링을 통해 NAR에게 전송된다(403). NAR은 MN에게 전송되는 패킷을 버퍼링(413) 한 후에 MN으로부터 핸드오버이후에 RS 메시지를 수신(404)하게 되면 저장된 패킷을 전송(411)하게 된다. 411은 413에 의해 버퍼링 후 MN에게 전송되는 패킷으로서 도 4에서 ②번 패킷과 ③번 패킷과 같이 RS 메시지 이전에 PAR에서 터 널링을 통해서 NAR로 도착한 패킷의 전송을 나타낸다. 412는 NAR에서 RS 메시지 이후에 PAR에서 터널링을 통해 NAR로 전송된 패킷들에 대한 전송을 나타내며 이 패킷은 413에 의해 버퍼링되지 않고 바로 MN에게 전송한다. MAP가 NAR에 접속한 MN으로부터 지역 BU를 수신(405)하면 MN에 대한 패킷을 더 이상 PAR로 보내지 않겠다는 의미의 플러쉬 메시지를 PAR을 경유하여 NAR로 보내게 된다(409). 410은 MAP에서 직접 전송(406)된 패킷에 대한 버퍼링을 나타내며, ⑧번 패킷과 ⑨번 패킷이 이에 해당한다. NAR에서 410에 의해서 버퍼링된 패킷은 플러쉬 메시지를 수신하게 되면 MN에게 전송하게 된다.

NAR에는 MN에 대해서 두 번의 버퍼링을 수행한다. 먼저 413은 MN이 NAR에 접속하기 이전에 전송된 패킷을 저장하기 위한 버퍼링으로 RS 메시지를 수신하면 전송을 시작하고, 410은 본 발명에서 제안한 리시퀀싱 알고리즘을 위한 버퍼링으로 플러쉬 메시지를 수신하게 되면 전송을 시작한다. 따라서 MAP에서 지역 BU를 수신하기 이전에 PAR로 보낸 패킷이 NAR에서 모두 전송된 이후에 BU 이후에 NAR로 직접 전송된 패킷을 전송함으로써 패스트 핸드오버에서 패킷 순서가 뒤바뀌는 문제점을 해결할 수 있다.

도 5는 RFC 3775에 정의되어 있는 새로운 IPv6 확장 헤더로서 MAP에서 NAR로 전송하는 플러쉬 메시지가 추가되는 필드를 보여주고 있다. 각 필드의 자세한 내용은 다음과 같다.

501은 페이로드 프로토(payload proto) 필드로써 모빌리티 헤더 다음에 올 IPv6 확장 헤더를 나타내며 모빌리티 헤더가 마지막 헤더이므로 항상 59의 값을 가진다. 135번일 경우 모빌리티 헤더를 나타낸다. 502는 헤더의 길이를 나타내는 필드이며, 505는 데이터의 안정성을 체크하기 위한 필드를 나타낸다. 504는 예약을 위해 설정되어 있는 필드이다.

본 발명에 의한 플러쉬 메시지를 위해 변경되는 503은 모빌리티 헤더 타입 필드로써 모빌리티 헤더 안에 포함된 메시지를 구분하기 위해서 사용된다. 예로 BRR(Binding Refresh Request) 메시지는 0, HoTI(Home Test Init) 메시지는 1, BU(Binding Update) 메시지는 5로 구분한다. 본 발명에서 제안한 플러쉬 메시지를 위한 리시퀀싱 알고리즘을 위해 모빌리티 헤더 타입 필드에 플러쉬 메시지 타입이 새로이 추가된다.

지금까지의 상세한 설명에서는 본 발명의 실시 예에 국한하여 설명하였으나, 이하의 특허청구범위에 기재된 기술사상의 범위 내에서 본 발명의 기술이 당업자에 의하여 용이하게 변형 실시될 수 있음이 자명하다.

전술한 바와 같은 본 발명은 이동단말이 FHMIPv6환경에서 핸드오버시에 MAP에서 NAR로 전송되는 패킷 중 터널링을 통해 전송되는 패킷과 직접 전송되는 패킷 사이에 패킷 순서 뒤바뀜이 발생함으로써 이동단말이 중복 응답을 송신자측에 전송하게 되고 이를 수신한 송신측에서 패킷 손실로 판단하여 TCP의 CWND값을 반으로 떨어뜨림으로써 TCP 성능이 저하되는 단점을 보완한다. 본 발명은 새로운 리시퀀싱 알고리즘으로써 TCP의 변경과 이동단말의 변경 없이 네트워크 환경에서 TCP 성능이 낮아지는 문제점을 해결하여 TCP 성능을 향상시키는 효과가 있다.

Claims

이동단말의 핸드오버 시에 이전 라우터가 상기 이동단말로부터 F-BU(Fast Binding Update)를 수신한 시점부터 상기 이동단말로부터 핸드오버 이후에 지역 BU를 수신하기 이전까지 MAP(Mobile Anchor Point)에 전송된 패킷을 상기 이전 라우터로 전송하는 단계와,

상기 이전 라우터가 상기 MAP로부터 전송 받은 패킷을 터널링을 통해 새로운 라우터에게 전송하면 상기 새로운 라우터가 상기 MAP로부터 전송 받은 패킷을 버퍼링한 후에 상기 이동단말로부터 핸드오버 이후에 RS(Router Solicitation) 메시지가 수신되면 상기 버퍼링한 패킷을 상기 이동단말로 전송하는 단계와,

상기 새로운 라우터가 상기 RS 메시지 이후에 상기 이전 라우터에서 터널링을 통해 전송 받은 패킷을 버퍼링하지 않고 상기 이동단말로 전송하는 단계와,

상기 MAP가 상기 새로운 라우터에 접속한 상기 이동단말로부터 지역 BU를 수신하면 상기 이동단말에 대한 패킷을 더 이상 상기 이전 라우터로 보내지 않겠다는 의미의 플러쉬 메시지를 상기 이전 라우터를 경유하여 상기 새로운 라우터로 보내는 단계와,

상기 새로운 라우터가 상기 MAP로부터 직접 전송 받은 패킷을 버퍼링한 후 상기 플러쉬 메시지를 수신하면 상기 MAP로부터 직접 전송 받아서 버퍼링한 패킷을 상기 이동단말로 전송하는 단계

를 포함한 무선 인터넷의 패킷 전송 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 플러쉬 메시지를 위해 모빌리티 헤더를 구성하는 필드 중에서 모빌리티 헤더 타입 필드에 플러쉬 메시지 타입을 추가하는 것

을 특징으로 한 무선 인터넷의 패킷 전송 방법.