KR100651469B1

KR100651469B1 - 비대칭 무선 네트워크 환경에서의 ｔｃｐ의 ａｃｋ피기배킹을 이용한 데이터 전송률을 향상시킬 수 있는방법과 그 단말 및 시스템

Info

Publication number: KR100651469B1
Application number: KR1020050094610A
Authority: KR
Inventors: 강진규; 김병우
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2005-10-07
Filing date: 2005-10-07
Publication date: 2006-11-29
Also published as: US20070091894A1

Abstract

본 발명에서는 TCP 전송률을 향상시킬 수 있도록 하는 기능이 구현된다. 이를 위해 송신단으로부터 다운로드된 TCP 데이터에 대한 수신을 확인시키기 위한 ACK 패킷을 전송할 때, 업링크로 전송할 다른 IP 패킷(또는 IP 데이터그램(datagram))에 피기배킹(piggy-banking) 즉, 같이 실어보낸다. 이렇게 함으로써, 각각 업링크로 전송하는 ACK 패킷과 IP 패킷 간의 혼잡을 없애고 전송률 저하의 원인인 ACK 패킷의 손실이나 지연을 줄일 수 있게 된다.

비대칭 무선 네트워크, ACK, 피기배킹(piggy-backing)

Description

비대칭 무선 네트워크 환경에서의 ＴＣＰ의 ＡＣＫ 피기배킹을 이용한 데이터 전송률을 향상시킬 수 있는 방법과 그 단말 및 시스템{METHOD CAPABLE OF IMPROVING DATA TRANSMISSION RATIO USING ACK PIGGY-BACKING OF TCP IN THE ASYMMETRIC WIRELESS NETWORK ENVIRONMENT AND A TERMINAL AND SYSTEM THEREOF}

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 비대칭 무선 네트워크 시스템의 구성도,

도 2는 본 발명이 적용되는 이동 단말기에 대한 일실시예 구성도,

도 3a 및 도 3b는 본 발명의 실시 예에 따른 ACK 패킷이 피기배킹되는 IP 패킷의 구조도,

도 4는 본 발명의 실시 예에 따라 이동 단말기에서 피기배킹을 수행하기 위한 제어흐름도,

도 5는 본 발명의 일실시 예에 따른 업링크로 전송할 패킷의 전송 시점을 구하는 방법을 나타낸 도면,

도 6은 본 발명의 실시 예에 따라 중간노드에서 피기배킹된 ACK 패킷을 분석하는 과정을 설명한 도면,

도 7은 본 발명의 실시 예에 따라 TCP 전송률 시뮬레이션 결과를 도시한 도면.

본 발명은 TCP(Transmission Control Protocol)의 데이터 전송효율을 향상시킬 수 있는 방법과 그 단말 및 시스템에 관한 것으로, 특히 비대칭 네트워크 환경에서 TCP의 ACK 피기배킹(piggy-backing)을 이용한 데이터 전송률을 향상시킬 수 있는 방법과 그 단말 및 시스템에 관한 것이다.

TCP는 IP(Internet Protocol)과 함께 동작하는 단말기 간의 전송프로토콜로서, 웹 기반의 HTTP(Hyper Text Transfer Protocol), 이메일, SMTP(Simple Mail Transfer Protocol), FTP(File Transfer Protocol), Telnet과 같은 응용 등에서 널리 사용되는 신뢰성 기반의 프로토콜이다.

통상적으로 TCP는 데이터 송수신에 대한 신뢰성을 높이기 위해 수신단이 송신단에 대해 데이터 수신을 확인시키는 ACK(Acknowledgement) 패킷을 전송하는 방식을 사용한다. 이러한 ACK 패킷에는 데이터의 흐름제어를 위한 윈도우 정보가 포함된다. 여기서, 윈도우는 어떤 시점의 사용가능한 버퍼를 말하며, 수신단은 남아있는 버퍼의 크기에 대한 정보를 송신단에 전송한다. 그러면 송신단은 윈도우 정보를 보고 다음 데이터를 송신할 때 윈도우 크기를 조절하여 데이터를 송신하게 된다. 이러한 송신에 대응하여 수신단으로부터 일정 시간 내에 ACK 패킷이 수신되지 않으면, 송신단은 전송된 데이터가 손실된 것으로 간주하고 해당 데이터를 재전송하게 된다.

그런데 업링크의 대역폭(bandwidth)이 다운링크(down-link)의 대역폭보다 낮은 비대칭 네트워크 환경에서는 데이터가 다운로딩(downloading)될 때 ACK 패킷이 지나가는 경로 즉, 업스트림(upstream) 방향의 낮은 대역폭으로 인해 ACK 패킷이 송신단에 전달되는데 많은 시간지연이 발생하게 된다. 게다가 TCP의 셀프-클럭(self-clocking) 특성상 송신단은 ACK 패킷의 수신 여부에 따라 데이터 전송을 결졍하게 된다. 따라서, 이러한 환경에서는 업링크(up-link)의 혼잡으로 인한 ACK 패킷의 손실이 발생되거나 ACK 패킷의 축적으로 인한 TCP 전송률이 감소될 수 있다.

만일 다운로딩과 업로딩(uploading)을 동시에 할 경우 TCP 전송률은 보다 현저하게 떨어지게 된다. 구체적으로 업링크에서는 다운로딩 TCP에 대한 ACK 패킷과 업스트림 데이터 간의 경쟁이 일어남으로 인해 다운로딩 TCP의 ACK 패킷 전송이 더욱 어려워지게 될 뿐만 아니라 ACK 패킷의 지연 또는 손실로 인하여 전송률이 더욱 악화되게 된다.

이러한 비대칭 네트워크 환경에서 TCP 전송률 저하를 방지하기 위한 방식으로 TCP 헤더 압축 방식, ACK 필터링 방식, ACK 혼잡 제어 방식, ACK-First 스케쥴링(Scheduling) 방식, TCP 송신단 어댑션(Sender Adaption), ACK 재구성(Reconstruction) 방식 등이 있다. TCP 헤더 압축 방식(TCP Header Compression)은 업스트림으로 보내지는 ACK 패킷의 크기를 줄임으로써 더 많은 ACK 패킷의 전송이 가능하도록 하여 TCP 성능 저하를 방지하는 방식이다. ACK 필터링 방식(ACK Filtering)은 링크 계층(link layer)에서 업스트림으로 ACK 패킷을 전송하고자 할 때 링크 계층 버퍼에 동일한 TCP 커넥션(connection)의 이전 ACK 패킷이 있으면, 이전 ACK 패킷을 줄이는 방식을 말한다. ACK 혼잡 제어 방식은 TCP 수신단의 업스트림 ACK의 전송률을 TCP 혼잡 제어와 같은 방법으로 조절하는 방식이고, ACK-First 스케쥴 방식은 업스트림 트래픽에서 다른 IP 패킷보다 TCP ACK 패킷을 우선하여 전송하는 방식이다. 그리고 TCP 송신단 어댑션은 TCP 송신단이 예상 ACK 패킷의 수를 기반으로 TCP 분할(segment)을 버스트(bursty)하지 않게 전송하는 방식이며, ACK 재구성 방식은 비대칭 링크가 끝나는 중간 노드에서 ACK 패킷을 생성하여 다운스트림 속도 저하를 막는 방식이다.

상기한 바와 같은 방식들은 일반적인 비대칭 네트워크 환경에서 다운로드 성능 저하의 문제를 해결하기 위한 방식임에도 불구하고, 업링크보다 다운링크의 경우만을 고려하는 등 어느 한 방향의 링크의 경우만을 고려한다. 이에 따라 다운링크의 경우만을 고려할 경우에는 수신단으로부터 전송된 ACK 패킷이 송신단에 전달되지 않을 수 있으며 송수신단은 전송된 데이터가 전송도중에 손실된 것으로 간주하여 재송신하는 등 상기한 방식을 이용할 경우 TCP 전송률이 그만큼 저하될 수도 있다.

상술한 바와 같이 종래에는 실제적으로는 ACK-First 스케쥴링(Scheduling) 방식을 제외하고는 동시에 양방향 데이터 전송이 발생하는 경우를 고려하고 있지 않을 뿐만 아니라 비대칭 무선 네트워크(Asymmetric wireless network) 환경에서는 부적합한 방식이다.

따라서, 본 발명은 비대칭 무선 네트워크에서 TCP 다운로딩이 일어나는 동시에 업스트림으로의 데이터 전송이 일어날 때, 업링크의 혼잡으로 인한 TCP 전송률이 감소되지 않도록 하여 데이터 전송률을 향상시킬 수 있는 방법과 그 단말 및 시스템을 제공한다.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예들을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 도면들 중 동일한 구성 요소들은 가능한 한 어느 곳에서든지 동일한 부호들로 나타내고 있음에 유의해야 한다. 또한 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.

상술한 바를 달성하기 위한 본 발명은 이동 단말기, 중간 노드 및 서버를 포함하여 구성되는 비대칭 무선 네트워크 환경에서 TCP의 ACK 피기배킹(piggy-backing)을 이용한 데이터 전송률을 향상시킬 수 있는 방법에 있어서, 상기 이동 단말기가 다운로드한 데이터에 대해 수신을 확인시키기 위해 상기 서버로 전송할 ACK 패킷이 있는지 판단하는 과정과, 해당 ACK 패킷이 있는 경우 펜딩시킨 후 업링크 트래픽 상황을 판단하는 과정과, 판단 결과를 근거로 업로드할 IP 패킷이 있는 경우 상기 IP 패킷의 소정 필드에 상기 펜딩시킨 ACK 패킷을 피기배킹(piggy-backing)하여 상기 중간노드를 통해 상기 서버로 전송하는 과정을 포함함을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따른 비대칭 무선 네트워크 환경에서 TCP의 ACK 피기배킹 (piggy-backing)을 이용한 데이터 전송률을 향상시킬 수 있는 이동 단말기는, 다운로드한 데이터에 대해 송신단에 수신을 확인시키기 위해 펜딩 중인 ACK 패킷을 IP 패킷에 피기배킹하기 위해 업링크의 트래픽(traffic) 상황을 판단하는 업링크 트래픽 검출부와, 업링크로 전송되는 IP 패킷이 있는 경우 IP의 소정 필드에 ACK 패킷을 피기배킹(piggy-backing)하는 ACK 패킷 피기배킹부와, 상기 ACK 패킷이 피기배킹된 IP 패킷을 송신단으로 전송하는 무선부와, 다운로드한 데이터에 대해 전송할 ACK 패킷이 있는 경우 해당 ACK 패킷을 펜딩시킨 후 상기 업링크 트래픽 검출부로부터의 출력 결과를 근거로 업로드할 IP 패킷이 있는지 판단하고, 업로드할 IP 패킷이 있는 경우 상기 IP 패킷의 소정 필드에 상기 ACK 패킷을 피기배킹하도록 상기 ACK 패킷 피기배킹부를 제어하여 상기 무선부를 통해 전송되도록 제어하는 제어부를 포함함을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따른 비대칭 무선 네트워크 환경에서 TCP의 ACK 피기배킹(piggy-backing)을 이용한 데이터 전송률을 향상시킬 수 있는 시스템은, 다운로드한 데이터에 대해 수신을 확인시키기 위해 상기 서버로 전송할 ACK 패킷이 있는 경우 해당 ACK 패킷을 펜딩시킨 후 업로드할 IP 패킷이 있는지 판단하고, 업로드할 IP 패킷이 있는 경우 상기 IP 패킷의 소정 필드에 상기 ACK 패킷을 피기배킹하여 전송하는 이동 단말기와, 상기 이동 단말기로부터 수신된 IP 패킷을 분석하여 피기배킹된 ACK 패킷이 있는지 확인하고, 펜딩된 ACK 패킷 개수만큼 ACK 패킷을 재생성하여 포워딩하는 중간노드를 포함함을 특징으로 한다.

본 발명에서는 TCP 전송률을 향상시킬 수 있도록 하는 기능이 구현된다. 이 를 위해 송신단으로부터 다운로드된 TCP 데이터에 대한 수신을 확인시키기 위한 ACK 패킷을 전송할 때, 업링크로 전송할 다른 IP 패킷(또는 IP 데이터그램(datagram))에 피기배킹(piggy-banking) 즉, 같이 실어보낸다. 이렇게 함으로써, 각각 업링크로 전송하는 ACK 패킷과 IP 패킷 간의 혼잡을 없애고 전송률 저하의 원인인 ACK 패킷의 손실이나 지연을 줄일 수 있게 된다.

본 발명을 설명하기에 앞서, 본 발명이 적용되는 UMTS(Universal Mobile Telecommunications System) 네트워크 및 와이브로(Wireless Broadband Internet: Wibro) 네트워크에 대하여 간략하게 살펴보기로 한다.

상기한 UMTS 네트워크 및 와이브로 네트워크 등과 같은 비대칭 무선 네트워크 시스템을 이용하여 데이터 서비스를 제공하는 경우, 실제적으로 수신단 즉, 이동 단말기 입장에서는 업로드보다 다운로드가 현저히 많다. 이러한 점을 고려하여 다운링크는 384Kbps로 설정되고, 업링크는 64Kbps로 설정되게 된다. 이와 같이 다운링크에는 큰 대역폭을 할당하고 업링크에는 작은 대역폭을 할당함에도 불구하고 다운로드와 업로드를 동시에 할 경우 업링크로의 데이터 전송과 다운로드에 대한 응답 신호인 ACK 패킷 간에 경쟁이 일어나서 ACK 패킷이 지연되거나 손실될 수 있는 문제가 발생한다.

이 문제를 해결하기 위해 업링크로의 데이터 전송 즉, 업로딩을 보장하면서 동시에 TCP 전송률을 높일 수 있는 방법이 요구된다. 그러므로 본 발명에서는 업링크로의 데이터 전송 시 ACK 패킷을 함께 실어 보냄으로써 업로딩 데이터의 흐름을 원활하게 하여 다운링크의 TCP 전송률이 급격히 떨어지는 현상을 막을 수 있게 된 다. 이 때, 본 발명은 비대칭 무선 네트워크 환경에 국한되지 않고 비대칭 유선 네트워크 환경에서도 사용될 수 있음은 물론이다.

이하, 상기한 바와 같은 데이터 전송률을 향상시킬 수 있는 기능이 구현된 시스템의 구성 요소 및 그 동작을 도 1을 참조하여 설명한다. 도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 비대칭 무선 네트워크 시스템의 구성도이다. 도 1에서는 UMTS와 와이브로 네트워크와 같은 비대칭 무선 네트워크 환경을 도시하고 있다.

먼저, UMTS 네트워크 상에서 이동단말기A(10)는 노드 B(Node B)(20)를 통해 다운링크 데이터를 수신하거나 업링크 데이터를 송신하며, 무선망 제어기(Ratio Nerwork Controller: 이하 RNC)(30)는 노드 B(20)를 송신단 즉, 서버(90)에 접속시키기 위한 접속점 역할을 한다. 그리고 GSN(GPRS(General Packet Ratio Service) Support Node)(40)은 인터넷 망(70) 또는 RNC(30)와 연동하여 게이트웨이(80)를 통해 송신단 즉, 서버(90)와 연결된다. 이 GSN(40)은 노드 B(20)와 연결되어 동작하는 SGSN(Serving GPRS Support Node)과 인터넷망(70)과 연결되어 동작하는 GGSN(Gateway GPRS Support Node)을 총칭한다.

그리고 와이브로 네트워크 상에서 이동단말기B(50)는 인터넷 망(70)과 같은 네트워크에 액세스할 수 있는 라스(Remote Access Server: 이하 RAS)(60)를 통해 게이트웨이(80)를 거쳐 서버(90)에 접속할 수 있다. 여기서 게이트웨이(80)는 서버(90)와 다른 통신 네트워크를 연결하기 위하여 사용되는 장치로서, 다른 통신 네트워크로 들어가는 입구 역할을 하는 네트워크 포인트이다. 즉, 두 개의 서로 다른 통신 네트워크 예컨대, UMTS 네트워크 및 와이브로 네트워크를 사용하는 경우에 게 이트웨이를 사용한다.

특히 본 발명이 적용되는 비대칭 무선 네트워크인 UMTS와 와이브로 네트워크에서는 무선망의 성능을 향상시킬 수 있도록 중간노드를 두게 되는데, UMTS 네트워크에서는 GSN(40) 즉, GGSN이 그 역할을 수행할 수 있으며, 와이브로 네트워크에서는 라스(60)가 그 역할을 수행할 수 있다. 여기서, 중간노드란 다운로드 또는 업로드 시에 항상 통과하게 되는 네트워크 요소(element)를 말한다. 이와 같이 무선 네트워크에서 GGSN 또는 라스 등의 중간노드는 해당 무선 네트워크에서 업링크 패킷들이 모두 거쳐가는 노드에 해당하기 때문에 이러한 중간노드에 TCP 성능향상을 위한 본 발명을 적용할 수 있는 것이다.

이하의 설명에 있어서는, 이동 단말기와 중간 노드가 연동하면서 비대칭 무선 네트워크에서 TCP 다운로드의 성능 즉, 전송률 향상을 위해 이동 단말기에서의 구체적인 동작에 대해 도 2를 참조하여 살펴보기로 한다. 도 2는 본 발명이 적용되는 이동 단말기에 대한 일실시예 구성도이다.

도 2에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시 예에 따른 이동 단말기는 제어부(100), ACK 패킷 피기배킹(piggy-backing)부(110), 업링크 트래픽 검출부(120) 및 무선부(130)를 포함한다.

먼저, 제어부(100)는 이동 단말기의 전반적인 제어 동작을 수행하고, 특히 본 발명에 따라 송신단에 다운로드에 대한 데이터 수신을 확인시키기 위해 ACK 패킷을 하나의 IP 패킷으로 만들어서 보내는 대신에 IP 패킷에 함께 실어보낼 수 있도록 각 구성부를 제어한다. 구체적으로 제어부(100)는 업링크 트래픽 검출부(120) 를 통해 업로드할 데이터가 있는지 판단하고 업로드할 데이터가 있는 경우 ACK 패킷 생성부(110)를 통해 업로드할 데이터가 ACK 패킷을 함께 실어서 무선부(130)를 통해 송신단으로 전송한다.

ACK 패킷 피기배킹부(110)는 다운로드 TCP 연결(download TCP connection)의 ACK 패킷을 하나의 패킷으로 만드는 대신, 다른 TCP 연결 또는 다른 어플리케이션(application)을 위해 업링크로 전송되는 IP 패킷의 소정 필드에 ACK 패킷을 피기배킹(piggy-backing)하는 모듈이다.

여기서, 업링크로 전송되는 IP 데이터그램(datagram) 즉, IP 패킷의 구조를 도 3a 및 도 3b를 참조하여 간략하게 설명하기로 한다. 도 3a에 도시된 바와 같은 구조를 가지는 필드들로 IP 패킷이 구성되는데, 예컨대 IP 패킷의 프로토콜 필드(200)에는 IP(Internet Protocol)과 함께 동작하는 단말기 간의 전송프로토콜인 'TCP'가 설정되는 등 통상의 IP 패킷의 필드들과 동일하게 사용되므로 각 필드들에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다. 다만, 본 발명에서는 IP 패킷의 옵션 필드(210)에 ACK 패킷을 피기배킹하는 경우를 예로 들어 설명한다. 이 때, 옵션 필드(210) 이외에도 데이터 필드(215)에 ACK 패킷을 피기배킹할 수도 있다.

한편, 도 3b에서는 IP 패킷의 옵션 필드(210)의 구조를 구체적으로 나타내고 있다. 옵션 필드(210)는 도 3b에 도시된 바와 같이 크게 옵션 타입(Option Type)과 옵션 길이(Option Length) 및 실제 데이터가 들어가는 옵션 데이터(Option Data) 등의 필드로 이루어진다. 그 중에서도 옵션 데이터 필드에 실제적으로 다운로드 TCP에 대한 수신 응답인 ACK 패킷이 포함되어 피기배킹되는데, 그 피기배킹된 ACK 패킷의 구조는 도면부호 230에 의해 지시되는 바와 같다. 도면부호 230에 의해 지시되는 바와 같이 IP 패킷에 실리는 ACK 패킷 구조도 통상의 IP 패킷 구조와 동일함을 알 수 있다. 하지만 ACK 패킷 구조 중 기존의 IP 패킷의 프로토콜 필드와 소스 어드레스(Source Address) 필드에 해당하는 필드들에는 본 발명에 따라 피기배킹 수행에 따른 정보가 설정된다.

예를 들어, 기존의 프로토콜 필드는 프로토콜 종류를 나타낸 'TCP'가 설정되어 있으나, 본 발명의 실시 예에서는 패킷 전송이 TCP를 기반으로 이루어지는 것은 당연하므로 도면부호 240에 의해 지시되는 필드에는 'TCP' 대신 펜딩된 ACK 패킷 수(Number of Pending ACK)를 설정한다. 또한 도면부호 250에 의해 지시되는 필드 즉, ACK 패킷의 소스 어드레스가 설정되는 필드에는 업링크 IP 패킷의 소스 어드레스와 동일한 정보가 설정되는 필드이므로, 본 발명의 실시 예에서는 최초 펜딩된 ACK 패킷의 유효 개수(Acknowledgement Number of First Pending ACK)가 설정된다.

이와 같이 IP 패킷에 ACK 패킷이 피기배킹되어 중간노드를 거쳐 송신단으로 전송하는 경우, 중간노드에서는 IP 패킷의 옵션 필드 내에 포함된 ACK 패킷에서 펜딩된 ACK 패킷 수 필드(240)에 설정된 펜딩 ACK 패킷수와 최초 펜딩된 ACK 패킷의 유효 개수 필드(250)에 설정된 최초 펜딩된 ACK 패킷의 유효 개수를 근거로 펜딩된 ACK 패킷들을 재구성한다. 이에 따라 중간노드에서는 도면부호 240 및 250에 의해 지시되는 부분의 필드를 각각 프로토콜 필드 및 소스 어드레스 필드로 복구하여 해당 정보 즉, 'TCP' 및 소스 어드레스 정보를 설정하여 ACK 패킷을 생성하게 된다.

한편, 옵션 타입(220) 필드에는 중간노드에서 이동 단말기로부터 수신된 IP 패킷에 피기배킹된 ACK 패킷이 있는지의 여부를 알려주는 정보가 포함될 수 있다. 이에 따라 수신단인 이동 단말기로부터 업링크로 전달되는 모든 IP 패킷이 중간노드를 거쳐 송신단인 서버에 전달되기 전에, 중간노드에서는 업링크의 IP 패킷이 수신되면 피기배킹된 ACK 패킷이 있는지를 옵션 타입(220) 필드를 확인한다. 확인 결과 피키배킹된 ACK 패킷이 있는 경우 중간노드는 몇 개의 ACK 패킷이 펜딩되었는지를 확인하여 해당 개수만큼 ACK 패킷을 재생성하여 포워딩하게 된다.

업링크 트래픽 검출부(120)는 ACK 패킷을 IP 패킷에 피기배킹하기 위해 업링크의 트래픽(traffic)이 자주 발생하는지의 여부 즉, 업로드할 데이터가 있는지의 여부를 판단한다. 이것은 다운로드에 대한 수신 확인을 위해 ACK 패킷 전송이 필요한 시점에 업링크의 트래픽 상황을 근거로 ACK 피기배킹을 이용한 성능향상이 가능한지의 여부를 결정하기 위해 필요하다. 따라서 ACK 패킷 전송이 필요한 시점에서 업링크의 트래픽이 자주 발생하는 경우에는 ACK 패킷을 일단 펜딩(pending)시킨 후 다음 업로드할 IP 패킷에 피기배킹한다. 즉, 본 발명은 업링크 트래픽에 의한 TCP 다운로드의 성능 저하를 줄일 수 있게 된다. 하지만 업링크의 트래픽이 자주 발생하지 않는 경우에는 통상의 경우와 마찬가지로 ACK 패킷을 하나의 IP 패킷으로 만들어서 전송하게 된다.

이하, 상기한 바와 같은 기능이 구현된 이동 단말기에서 피기배킹을 수행하기 위한 과정을 도 4를 참조하여 설명한다. 도 4는 본 발명의 실시 예에 따라 이동 단말기에서 피기배킹을 수행하기 위한 제어흐름도이다.

도 4를 참조하면, 이동 단말기는 300단계에서 다운로드 TCP 연결(download TCP connection)을 수행한 후 송신단에 다운로드 데이터 수신을 확인시키기 위해 305단계로 진행하여 다운로드에 대해 전송할 ACK 패킷이 있는지의 여부를 판단한다. 여기서, 이동 단말기는 데이터 수신이 정상적으로 이루어진 경우 이에 대한 수신 확인을 위해 ACK 패킷을 생성한다. 따라서 전송할 ACK 패킷이 있는 경우 이동 단말기는 310단계로 진행하여 업링크 트래픽 상황을 판단한다. 그리고나서 이동 단말기는 315단계로 진행하여 업링크의 트래픽 전송이 자주 있는지를 판단한다. 이러한 업링크 트래픽 상황은 업링크 트래픽 검출부(120)를 통해 주기적으로 이루어진다. 즉, 업링크 트래픽 검출부(120)는 업링크의 트래픽이 자주 있는지 없는지의 상황 판단을 계속적으로 수행한다.

이와 같이 업링크 트래픽 상황을 주시하는 이유는 업로드할 데이터가 자주 있으면 ACK 패킷을 기다렸다가 업로드할 데이터에 함께 실어서 보내는 것이 업링크의 혼잡으로 인한 ACK 패킷의 손실을 방지하여 TCP 전송률을 향상시킬 수 있기 때문이다. 이와 다르게 업로드할 데이터가 자주 없을 경우에는 업로드할 데이터가 있을 때까지 기다렸다가 ACK 패킷을 실을 경우에는 송신단에 전달되는데 많은 시간 지연이 발생될 수도 있으므로 ACK 패킷 자체를 바로 송신단에 전송하는 것이 보다 효율적이게 된다. 이렇게 함으로써 ACK 패킷의 축적으로 인한 TCP 전송률 감소를 방지할 수 있게 된다.

이 때, 본 발명의 실시 예에서는 업링크 트래픽 상황을 여러 방식을 근거로 판단한다. 그 중의 하나로 본 발명의 일 실시 예에 따라 업링크로 전송하는 패킷의 전송 주기를 측정하여 전송 시점을 예측하는 방법이 도 5에 도시되어 있다. 도 5는 본 발명의 일실시 예에 따른 업링크로 전송할 패킷의 전송 시점을 구하는 방법을 나타낸 도면이다.

도 5를 참조하면, 패킷 1이 전송되는 주기를 T1이라고 하자. 즉, 전송 주기를 나타내는 T1은 현재 패킷이 전송되는 시점부터 다음 패킷의 전송이 시작되기 직전까지의 시간을 말한다. 그러면 각각의 패킷이 전송되는 주기들(T1~ Tn)를 이용하여 최근까지 전송된 N개의 업링크 패킷의 전송 주기의 평균을 산출할 수 있다. 즉, 소정 개수만큼의 각각의 패킷에 대해 하나의 패킷이 전송되는 시점부터 다음 패킷의 전송이 시작되기 직전까지의 시간을 측정한 패킷 전송 주기들의 합을 상기 패킷의 소정 개수로 나누어 산출된다. 이를 통해 평균패킷 전송간격(Average Inter Packet Gap)을 구함으로써 다음 전송 시점을 예측할 수 있다. 이 때, 평균패킷 전송간격은 주기적으로 또는 업링크로 IP 패킷을 전송할 때마다 업데이트된다. 이와 같이 평균패킷 전송간격을 통해 다음 전송할 패킷의 전송 시점을 알 수 있으므로, 그 평균패킷 전송간격이 임계값보다 작을 경우에는 다음 전송 시점이 빠름을 알 수 있다. 즉, 업링크 트래픽이 자주 있어서 업로드할 IP 패킷이 있다고 판단할 수 있게 된다. 이와 반대로 평균패킷 전송간격이 임계값보다 클 경우에는 업링크 트래픽이 자주 있지 않다고 판단하게 된다.

업링크 트래픽 상황을 판단하는 방식 중의 다른 한 예로 본 발명의 다른 실시 예에 따라 업링크에 할당된 대역폭(bandwidth)와 현재 사용중인 대역폭 간의 차이를 근거로 업링크 트래픽이 자주 있는지의 여부를 판단할 수도 있다.

한편, 상기한 바와 같은 업링크 트래픽 상황을 판단하는 방식을 이용하여 315단계에서 업링크의 트래픽 전송이 자주 있다고 판단할 경우 이동 단말기는 325단계로 진행하여 타이머 카운트하기 시작하면서 330단계로 진행하여 일단 ACK 패킷 전송을 펜딩 즉, 전송 대기시킨다. 이와 달리 315단계에서 업링크의 트래픽 전송이 자주 없는 경우 이동 단말기는 320단계로 진행하여 통상의 ACK 패킷을 만들어서 전송한다. 만일 타이머를 카운트하면서 이동 단말기는 335단계에서 소정 시간 내에 업링크 트래픽이 일어나지 않아 타임 아웃되는지를 판단한다. 만일 타임 아웃이 되면 이동 단말기는 320단계로 진행하여 지금까지 펜딩되어 있는 ACK 패킷들을 모두 전송한다.

이와 다르게 타임 아웃이 되지 않아 즉, 타이머가 계속 카운트되는 상태라면 이동 단말기는 340단계로 진행하여 소정 시간 내에 업링크 트래픽이 일어나서 업링크로 전송할 IP 패킷이 있는지의 여부를 판단한다. 구체적으로 업링크로 전송할 패킷 즉, 다른 업로드 TCP나 다른 어플리케이션의 IP 패킷이 있는지의 여부를 확인한다. 만일 해당 IP 패킷이 있는 경우 이동 단말기는 345단계로 진행하여 업링크로 전송할 IP 패킷에 펜딩 중인 ACK 패킷을 피기배킹한다. 구체적으로 이동 단말기는 ACK 패킷 피기배킹부(110)를 통해 피기배킹할 ACK 패킷 필드 구조 중 펜딩된 ACK 패킷 수(Number of Pending ACK) 필드(240)에 지금까지 펜딩되어 있는 ACK 패킷의 개수를 설정하고, 최초 펜딩된 ACK 패킷의 유효 개수 필드(250)에는 최초에 펜딩된 ACK의 유효 개수를 설정한다. 그리고 나서 이동 단말기는 상기한 바와 같은 구조로 생성된 ACK 패킷을 업링크 IP 패킷의 옵션 필드(210)에 피기배킹하여 350단계로 진행하여 ACK 패킷이 피기배킹된 IP 패킷을 송신단으로 전송한다.

한편, 수신단인 이동 단말기로부터 전송되는 IP 패킷이 송신단으로 전송되기 위해서는 중간노드를 거치게 되는데, 본 발명에 따른 중간노드에서는 이동 단말기로부터 수신된 IP 패킷에 피기배킹된 ACK 패킷이 있는지를 검사하게 된다.

이하, 본 발명의 실시 예에 따라 중간노드에서 피기배킹된 ACK 패킷을 검사하는 과정에 대해 도 6을 참조하여 설명한다. 도 6은 본 발명의 실시 예에 따라 중간노드에서 피기배킹된 ACK 패킷을 분석하는 과정을 설명한 도면이다.

먼저, 중간노드는 600단계에서 이동 단말기로부터 업링크로 전송할 IP 패킷을 수신하면 610단계로 진행하여 IP 패킷을 분석한다. 이 때, 중간노드는 IP 패킷 구조 중 옵션 필드(210)의 옵션 타입(Option type) 필드에 설정된 정보를 보고 ACK 패킷이 피기배킹된 상태인지 아닌지의 여부를 알 수 있게 된다. 이에 따라 중간노드는 620단계에서 옵션 필드(210)의 옵션 타입을 확인한 결과를 근거로 피기배킹된 ACK 패킷이 있는지의 여부를 판단하여 피기배킹된 ACK 패킷이 있는 경우 630단계로 진행한다. 그리고 나서 중간노드는 업링크로 전송할 IP 패킷에서 ACK 패킷을 분리한 후 640단계로 진행하여 서버로 전송할 ACK 패킷을 재생성(regenerate)하여 포워딩(forwarding)한다. 여기서 ACK 패킷을 재생성하는 과정은 다음과 같은 동작을 통해 이루어진다. 먼저, 중간노드에서는 IP 패킷의 옵션 필드 내에 포함된 ACK 패킷에서 펜딩된 ACK 패킷 수 필드(240)에 설정된 펜딩 ACK 패킷수와 최초 펜딩된 ACK 패킷의 유효 개수 필드(250)에 설정된 최초 펜딩된 ACK 패킷의 유효 개수를 근거로 펜딩된 ACK 패킷 개수만큼 ACK 패킷들을 재구성한다. 그리고 나서 중간노드에서는 도면부호 240 및 250에 의해 지시되는 부분의 필드를 각각 프로토콜 필드 및 소스 어드레스 필드로 복구하여 해당 정보 즉, 'TCP' 및 소스 어드레스 정보를 설정함으로써 ACK 패킷을 재생성하게 된다. 이와 같이 ACK 패킷을 재생성하여 포워딩하면서 중간노드는 650단계에서 피기배킹된 ACK 패킷을 분리해낸 IP 패킷을 포워딩한다.

상술한 바와 같이 TCP 전송률을 향상시키기 위해서 본 발명에서는 TCP 다운로드에 대해 수신 응답인 ACK 패킷을 업링크로 가는 다른 IP 패킷에 피기배킹(piggy-backing) 즉, 같이 실어 보냄으로써 ACK 패킷과 업링크로 전송할 데이터 간의 경쟁을 없애고 이를 통해 다운로드의 성능저하를 일으키는 ACK 패킷의 손실이나 지연을 줄이는 것이다.

상기한 바와 같은 본 발명을 적용하여 TCP 전송률을 측정하면 도 7에 도시된 바와 같은 결과를 얻을 수 있게 된다. 도 7은 본 발명의 실시 예에 따라 TCP 전송률 시뮬레이션 결과를 도시한 도면이다.

도 7에 도시된 바와 같이 시뮬레이터(simulator) UMTS 망에서 다운링크를 384Kbps로 설정하고 업링크를 64Kbps로 설정한 경우에 TCP 성능 향상을 도시한 것이다. 먼저, 도 7(a)는 60초가 되는 시간에 1Mbyte의 FTP 다운로딩을 시작한 경우의 시뮬레이션 결과를 도시한 도면이고, 도 7(b)는 63초가 되는 시간에 100Kbyte의 FTP 업로딩을 수행한 경우의 시뮬레이션 결과를 도시한 것이다. 도 7(a) 및 도 7(b)에 도시된 그래프에서 가로축은 시간축을 나타내고 세로축은 각각 다운로드 및 업로드 시퀀스 오프셋축을 나타낸다.

먼저 도 7(a)를 참조하면, 검은 색 플롯(plot)은 정상 TCP를 보인 경우이고, 파란색 플롯은 본 발명을 적용했을 경우의 시뮬레이션 결과이다. 특히 A 구간은 다 운로드와 업로드가 동시에 같이 일어나는 경우를 나타내고 있는데, 이 때 본 발명을 적용하여 AKC 패킷을 피기배킹하게 되면 정상 TCP에 비해 상대적으로 기울기가 커짐을 알 수 있다. 시뮬레이션 결과에서 기울기는 TCP 전송률을 의미하는 것이므로, 기울기가 커질수록 TCP 전송률이 향상됨을 알 수 있게 된다. 도 7(a)의 다운로드 경우에서와 마찬가지로 도 7(b)의 업로드 시에도 ACK 패킷을 피기배킹한 경우를 나타낸 파란색 플롯으로 이루어지는 선(line)의 기울기가 정상 TCP의 경우의 선의 기울기보다 높으므로 TCP 전송률이 향상되었음을 확인할 수 있다. 게다가 다운로드가 있을 때 업로드를 시작한 경우를 예로 들어 시뮬레이션 결과를 출력하였으나, 업로드가 일어나는 도중에 다운로드가 발생하였을 경우에는 TCP의 슬롯-스타트(slot-start)의 영향으로 본 발명에 따라 보다 큰 이득을 얻을 수 있을 것으로 예상된다.

상기한 바와 같이 본 발명에 따르면 비대칭 무선 네트워크 환경에서 업링크 및 다운링크 양방향 트래픽이 동시에 발생하는 경우 트래픽 상황에 따라 IP 패킷에 ACK 패킷을 피기배킹함으로써 각각 업링크의 혼잡을 없애고 전송률 저하의 원인인 ACK 패킷의 손실이나 지연을 줄일 수 있어 TCP 전송률이 향상을 기대할 수 있게 된다. 게다가 비대칭 무선 네트워크뿐만 아니라 유선 네트워크에서도 중간노드만 구비한다면 본 발명의 구현이 가능한 이점이 있다.

Claims

이동 단말기, 중간 노드 및 서버를 포함하여 구성되는 비대칭 무선 네트워크 환경에서 TCP의 ACK 피기배킹(piggy-backing)을 이용한 데이터 전송률을 향상시킬 수 있는 방법에 있어서,

상기 이동 단말기가 다운로드한 데이터에 대해 수신을 확인시키기 위해 상기 서버로 전송할 ACK 패킷이 있는지 판단하는 과정과,

해당 ACK 패킷이 있는 경우 펜딩시킨 후 업링크 트래픽 상황을 판단하는 과정과,

판단 결과를 근거로 업로드할 IP 패킷이 있는 경우 상기 IP 패킷의 소정 필드에 상기 펜딩시킨 ACK 패킷을 피기배킹(piggy-backing)하여 상기 중간노드를 통해 상기 서버로 전송하는 과정을 포함함을 특징으로 하는 방법.
제 1항에 있어서,

상기 ACK 패킷을 펜딩시키면서 타이머 카운트를 시작하고, 소정 시간 내에 업로드할 IP 패킷이 있는지 판단하는 과정과,

판단 결과 업로드할 IP 패킷이 없어서 타임 아웃되면 상기 펜딩시킨 ACK 패킷을 전송하는 과정을 더 포함함을 특징으로 하는 방법.
제 1항에 있어서, 상기 업링크 트래픽 상황을 판단하는 과정은,

최근까지 전송된 소정 개수만큼의 패킷에 대한 평균패킷 전송간격(Average Inter Packet Gap)을 산출하는 과정과,

상기 평균패킷 전송간격을 임계값과 비교하여 임계값보다 작을 경우 업로드할 IP 패킷이 있다고 판단하는 과정임을 특징으로 하는 방법.
제 3항에 있어서, 상기 평균패킷 전송간격은

소정 개수만큼의 각각의 패킷에 대해 하나의 패킷이 전송되는 시점부터 다음 패킷의 전송이 시작되기 직전까지의 시간을 측정한 패킷 전송 주기들의 합을 상기 패킷의 소정 개수로 나누어 산출되는 것임을 특징으로 하는 방법.
제 1항에 있어서, 상기 피기배킹(piggy-backing)하여 전송하는 과정은

ACK 패킷의 필드 구조 중 프로토콜 필드에 해당하는 필드에는 현재까지 펜딩중인 ACK 패킷의 수(Number of Pending ACK)가 설정되고 소스 어드레스 필드에 해당하는 필드에는 최초에 펜딩된 ACK 패킷의 유효 개수(Acknowledgement Number of First Pending ACK)가 설정된 ACK 패킷을 상기 IP 패킷의 옵션 필드에 포함시켜 함께 전송하는 과정임을 특징으로 하는 방법.
제 5항에 있어서,

상기 중간노드에서 IP 패킷을 수신하면 수신된 IP 패킷에 피기배킹된 ACK 패킷이 있는지의 여부를 확인하는 과정과,

확인 결과 피기배킹된 ACK 패킷이 있는 경우 상기 IP 패킷으로부터 피기배킹된 ACK 패킷을 분리하는 과정과,

상기 ACK 패킷에 포함된 상기 현재까지 펜딩중인 ACK 패킷의 수와 상기 최초에 펜딩된 ACK 패킷의 유효 개수를 이용하여 펜딩된 ACK 패킷 개수만큼 재생성하는 과정과,

상기 분리된 IP 패킷 및 상기 재생성된 ACK 패킷을 포워딩(forwarding)하는 과정을 더 포함함을 특징으로 하는 방법.
비대칭 무선 네트워크 환경에서 TCP의 ACK 피기배킹(piggy-backing)을 이용한 데이터 전송률을 향상시킬 수 있는 시스템은,

다운로드한 데이터에 대해 수신을 확인시키기 위해 상기 서버로 전송할 ACK 패킷이 있는 경우 해당 ACK 패킷을 펜딩시킨 후 업로드할 IP 패킷이 있는지 판단하고, 업로드할 IP 패킷이 있는 경우 상기 IP 패킷의 소정 필드에 상기 ACK 패킷을 피기배킹하여 전송하는 이동 단말기와,

상기 이동 단말기로부터 수신된 IP 패킷을 분석하여 피기배킹된 ACK 패킷이 있는지 확인하고, 펜딩된 ACK 패킷 개수만큼 ACK 패킷을 재생성하여 포워딩하는 중간노드를 포함함을 특징으로 하는 시스템.
제 7항에 있어서, 상기 이동 단말기는

상기 ACK 패킷을 펜딩시키면서 타이머 카운트를 시작하고, 소정 시간 내에 업로드할 IP 패킷이 있는지 판단하고, 판단 결과 업로드할 IP 패킷이 없어서 타임 아웃되면 상기 펜딩시킨 ACK 패킷을 전송함을 특징으로 하는 시스템.
제 7항에 있어서, 상기 이동 단말기는

상기 ACK 패킷을 펜딩시키면서 타이머 카운트를 시작하고, 소정 시간 내에 업로드할 IP 패킷이 있는지 판단하고, 판단 결과 업로드할 IP 패킷이 없는 경우 상기 펜딩시킨 ACK 패킷을 전송함을 특징으로 하는 시스템.
제 7항에 있어서, 상기 이동 단말기는

최근까지 전송된 소정 개수만큼의 패킷에 대한 평균패킷 전송간격(Average Inter Packet Gap)을 산출하고, 상기 평균패킷 전송간격을 임계값과 비교하여 임계값보다 작을 경우 업로드할 IP 패킷이 있다고 판단함을 특징으로 하는 시스템.
제 10항에 있어서, 상기 평균패킷 전송간격은

소정 개수만큼의 각각의 패킷에 대해 하나의 패킷이 전송되는 시점부터 다음 패킷의 전송이 시작되기 직전까지의 시간을 측정한 패킷 전송 주기들의 합을 상기 패킷의 소정 개수로 나누어 산출되는 것임을 특징으로 하는 시스템.
제 10항에 있어서, 상기 IP 패킷의 소정 필드에 피기배킹된 상기 ACK 패킷은

ACK 패킷의 필드 구조 중 프로토콜 필드에 해당하는 필드에는 현재까지 펜딩중인 ACK 패킷의 수(Number of Pending ACK)가 설정되고 소스 어드레스 필드에 해당하는 필드에는 최초에 펜딩된 ACK 패킷의 유효 개수(Acknowledgement Number of First Pending ACK)가 설정되는 필드 구조를 가짐을 특징으로 하는 시스템.
제 10항에 있어서, 상기 피기배킹된 상기 ACK 패킷은

상기 IP 패킷의 옵션 필드, 데이터 필드 중 어느 하나의 필드에 포함되는 것임을 특징으로 하는 시스템.
제 7항에 있어서, 상기 중간노드는

상기 IP 패킷을 수신하면 수신된 IP 패킷에 피기배킹된 ACK 패킷이 있는지의 여부를 확인하며, 확인 결과 피기배킹된 ACK 패킷이 있는 경우 상기 IP 패킷으로부터 피기배킹된 ACK 패킷을 분리하고, 상기 분리된 ACK 패킷에 포함된 상기 현재까지 펜딩중인 ACK 패킷의 수와 상기 최초에 펜딩된 ACK 패킷의 유효 개수를 이용하여 펜딩된 ACK 패킷 개수만큼 재생성하고, 상기 분리된 IP 패킷 및 상기 재생성된 ACK 패킷을 포워딩(forwarding)함을 특징으로 하는 시스템.
제 7항에 있어서, 상기 이동 단말기는

업링크에 할당된 대역폭과 현재 사용하고 있는 대역폭의 차이값을 근거로 업로드할 IP 패킷이 있는지의 여부를 판단함을 특징으로 하는 시스템.
비대칭 무선 네트워크 환경에서 TCP의 ACK 피기배킹(piggy-backing)을 이용한 데이터 전송률을 향상시킬 수 있는 이동 단말기는,

다운로드한 데이터에 대해 송신단에 수신을 확인시키기 위해 펜딩 중인 ACK 패킷을 IP 패킷에 피기배킹하기 위해 업링크의 트래픽(traffic) 상황을 판단하는 업링크 트래픽 검출부와,

업링크로 전송되는 IP 패킷이 있는 경우 IP의 소정 필드에 ACK 패킷을 피기배킹(piggy-backing)하는 ACK 패킷 피기배킹부와,

상기 ACK 패킷이 피기배킹된 IP 패킷을 송신단으로 전송하는 무선부와,

다운로드한 데이터에 대해 전송할 ACK 패킷이 있는 경우 해당 ACK 패킷을 펜딩시킨 후 상기 업링크 트래픽 검출부로부터의 출력 결과를 근거로 업로드할 IP 패킷이 있는지 판단하고, 업로드할 IP 패킷이 있는 경우 상기 IP 패킷의 소정 필드에 상기 ACK 패킷을 피기배킹하도록 상기 ACK 패킷 피기배킹부를 제어하여 상기 무선부를 통해 전송되도록 제어하는 제어부를 포함함을 특징으로 하는 단말기.
제 16항에 있어서, 상기 제어부는

상기 ACK 패킷을 펜딩시키면서 타이머 카운트를 시작하고, 소정 시간 내에 업로드할 IP 패킷이 있는지 판단하고, 판단 결과 업로드할 IP 패킷이 없는 경우 상기 펜딩시킨 ACK 패킷을 전송함을 특징으로 하는 단말기.
제 16항에 있어서, 상기 제어부는

상기 ACK 패킷을 펜딩시키면서 타이머 카운트를 시작하고, 소정 시간 이내에 업로드할 IP 패킷이 있지 않아 타임아웃되면 상기 펜딩시킨 ACK 패킷을 전송함을 특징으로 하는 단말기.