KR100915276B1

KR100915276B1 - 대규모 무선 메쉬 네트워크에 있어서 멀티캐스트 라우팅을 지원하는 시스템 및 방법, 통신 네트워크

Info

Publication number: KR100915276B1
Application number: KR1020077011827A
Authority: KR
Inventors: 수롱 젱; 아비나쉬 조쉬
Original assignee: 메시네트웍스, 인코포레이티드
Priority date: 2004-10-28
Filing date: 2005-10-28
Publication date: 2009-09-03
Also published as: US7606187B2; JP4532564B2; WO2006050085A2; KR20070084547A; JP2008519489A; EP1806012B1; EP1806012A4; EP1806012A2; US20060098607A1; WO2006050085A3; ATE553573T1

Abstract

인프라스트럭처(infrastructure) 기반 메쉬 네트워크에서 동작하는 멀티캐스트 라우팅 알고리즘을 위한 시스템 및 방법이 제공된다. 액세스 포인트, 즉 상호 간에 또한/또는 유/무선 백본을 통해 광역 인터넷에 연결되는 고정 인프라스트럭처 게이트웨이 노드를 멀티캐스트 그룹 리더 군집을 형성하는 로컬 멀티캐스트 그룹 리더의 그룹으로 선택한다. 각각의 로컬 멀티캐스트 그룹 리더는 로컬 멀티개스트 그룹 멤버의 요청에 따라 주문형으로 선출된다. 각각의 로컬 멀티캐스트 그룹 리더는 AP와 연관된 모든 멀티캐스트 그룹 멤버를 연결하는 본 리더에 뿌리를 둔 로컬 멀티캐스트 트리를 형성한다. AP에 뿌리를 둔 로컬 멀티캐스트 트리를 선출하고 유지하는 프로세스는 고정 인프라스트럭처 노드의 이점을 이용하기 위해 언더라잉 유니캐스트 라우팅을 효과적으로 조정하도록 한다. 따라서, 라우딩 오버헤드와 멀티캐스트 트리 컨버전스(convergence)가 감소된다. 본 방법은 빠른 컨버전스 및 감소된 라우팅 오버헤드로 인하여 토폴로지가 빠르게 변화하는 대형 네트워크를 지원한다.

Description

대규모 무선 메쉬 네트워크에 있어서 멀티캐스트 라우팅을 지원하는 시스템 및 방법, 통신 네트워크{SYSTEM AND METHOD TO SUPPORT MULTICAST ROUTING IN LARGE SCALE WIRELESS MESH METWORKS}

본 발명은 대규모 멀티 홉 무선 애드 혹 네트워크(multi-hop wireless ad-hoc network)에 관한 것이다. 본 발명은 대규모 무선 메쉬 네트워크를 위한 멀티캐스트 라우팅 알고리즘을 제안한다.

무선 이동 전화 네트워크와 같은 무선 통신 네트워크는 지난 10년간에 걸쳐 점점 널리 보급되어 왔다. 이러한 무선 통신 네트워크는 보통 "셀룰러 네트워크"로 지칭되는데, 이는 네트워크 인프라스트럭처(infrastructure)가 서비스 지역을 "셀"이라 불리는 다수의 영역으로 분할하도록 구성되기 때문이다. 지상의 셀룰러 네트워크는 서비스 지역에 걸쳐 지정된 위치에 지리적으로 분산된 다수의 상호접속 기지국(또는 베이스 노드)을 포함한다. 각 베이스 노드는 무선 주파수(RF) 통신 신호와 같은 전자기적 신호를 커버리지 영역(coverage area) 내에 위치한 이동 사용자 노드, 이를테면 무선 전화 등과 송수신할 수 있는 하나 이상의 송수신기를 포함한다. 통신 신호는, 예를 들면, 필요한 변조 기술에 따라 변조되어 데이터 패킷으로 전송되는 음성 데이터를 포함한다. 당업자가 인지할 수 있는 바와 같이, 네트워크 노드는 다중화된 포맷, 이를테면 시분할 다중화 액세스(TDMA) 포맷, 코드 분할 다중화 액세스(CDMA) 포맷, 또는 주파수 분할 다중화 액세스(FDMA) 포맷으로 데이터 패킷 통신을 송수신하며, 이를 통해 제1 노드에서의 하나의 송수신기가 커버리지 영역 내의 여러 다른 노드들과 동시에 통신할 수 있게 된다.

최근, "애드-혹(ad-hoc)"으로 알려진 이동 통신 네트워크 유형이 개발되어 왔다. 이러한 유형의 네트워크에서는, 각 이동 노드가 다른 이동 노드에 대한 기지국 또는 라우터로서 동작 가능하여, 기지국의 고정 인프라스트럭처를 두어야 할 필요가 줄어들게 된다.

일반적인 애드-혹 네트워크에 있어서와 같이 이동 노드가 상호 통신할 수 있도록 하는 것 외에, 보다 정교한 애드-혹 네트워크가 또한 개발되고 있으며 이는 이동 노드로 하여금 고정된 네트워크를 액세스하여 다른 이동 노드, 이를테면 PSTN(public switched telephone network) 및 인터넷과 같은 기타 네트워크 상에서 다른 이동 노드와 통신할 수 있도록 한다. 이러한 진보된 유형의 애드-혹 네트워크에 대한 상세한 내용은, 2006년 7월 4일 발행된 US 특허 제7,072,650호, "PSTN 및 셀룰러 네트워크에 접속된 애드 혹 피어-투-피어 이동 무선 액세스 시스템"과, US 특허 제6,807,165호, "분리된 보류 채널을 갖는 공유 병렬 데이터 채널에 대한 조정 채널 액세스를 포함하는 애드-혹, 피어-투-피어 무선 네트워크를 위한 시분할 프로토콜" 및 2005년 3월 29일 발행된 US 특허 제6,873,839호, "애드-혹, 피어-투-피어, 이동 무선 액세스 시스템을 위한 우선-라우팅"에 기술되어 있으며, 각각의 전체 내용은 본 명세서에 참조로서 통합된다.

네트워크 내의 노드의 수가 증가할수록 순수한 멀티-홉 무선 애드 혹 네트워크(multi-hop wireless Ad Hoc network)의 성능은 감소하며, 이는 P. Gupta 및 P. R. Kumar의 "무선 네트워크의 성능", 정보 이론에 대한 IEEE 보고서(IEEE Transactions on Information Theory), 2000년 3월, 2호에 설명되어 있고, 그 전체 내용은 본 명세서에 참조로서 통합된다. 멀티-홉 무선 애드 혹 네트워크의 성능을 증가시키기 위해, 고정된 인프라스트럭처 노드가 네트워크 내에 도입될 수 있으며, 이는 P. Gupta 및 P. R. Kumar의 "무선 네트워크의 성능", 정보 이론에 대한 IEEE 보고서, 2000년 3월 2호와, 2003년 1월 M. J. Miller, W. D. List 및 N. H. Vaidya의 "인프라스트럭처 범위를 확장하기 위한 하이브리드 네트워크 구현", 기술 보고서(Technical Report)에 기술되어 있고, 그 전체 내용은 본 명세서에 참조로서 통합된다. 이러한 유형의 하이브리드 멀티-홉 무선 애드 혹 네트워크에 있어서 루트 발견 지연시간(route discovery latency)을 감소시키기 위해, 하이브리드 라우팅 프로토콜 및 네트워크 관리가 제안되었으며, 이는 2003년 1월 기술 보고서의 "인프라스트럭처 범위를 확장시키기 위한 하이브리드 네트워크 구현" 및 US 특허 출원 공개번호 2004/0143842A1에 기술되어 있고, 그 전체 내용은 본 명세서에 참조로서 통합된다.

하이브리드 라우팅 및 네트워크 관리 프로토콜의 핵심은, 네트워크의 각 장치에 대해, 액세스 포인트(AP)에 대한 루트를 프로액티브하게(proactively) 관리하고 다른 루트를 리액티브하게(reactively) 발견하는 것이다. 네트워크 동작 중에, 각 장치는 AP에 대한 루트와 레지스트레이션(registration)을 주기적으로 갱신한다. 실질적으로 이러한 프로세스는 AP에 뿌리를 둔(rooted at AP) 스패닝 트리(spanning tree)를 관리하게 된다. 하이브리드 멀티-홉 무선 애드 혹 네트워크에 있어서 멀티캐스팅을 지원하기 위해, 멀티캐스트 알고리즘이 필요하다. 최근 수십 년간 유선 네트워크에 대한 다수의 멀티캐스트 알고리즘이 설계되었다. D.Estrin 등의 RFC 2362, "PIM-SM:프로토콜 명세"에 기술된 프로토콜 독립 멀티캐스트 --- 스파스 모드(protocol independent multicast --- sparse mode; PIM_SM) 및 T.Ballardie의 RFC 2201, "코어 베이스 트리(CBT) 멀티캐스트 라우팅 아키텍처"에 기술된 코어 베이스 트리(core based tree; CBT), 상기 두 가지 모두 대규모 고정 네트워크에 있어서 멀티캐스트를 지원하도록 그룹 멤버 간의 공유 트리를 생성한다. S.Deering의 Internet Draft, "PIM v2 DM 명세"에 기술된 프로토콜 독립 멀티캐스트 --- 덴스 모드(protocol independent multicast --- dense mode; PIM-DM), D.Waitzman 등의 RFC 1075, "거리 벡터 멀티캐스트 라우팅 프로토콜"에 기술된 거리 벡터 멀티캐스트 라우팅 프로토콜(distance vector multicast routing protocol; DVMRP) 및 J.Moy의 RFC 1584, "OSPF에 대한 멀티캐스트 확장"에 기술된 멀티캐스트 개방형 최단 경로 우선(multicast open shortest path first; MOSPF)은 모두 소규모 고정 네트워크에 있어서 멀티캐스트를 지원하도록 소스와 그룹 멤버 간의 소스-특유한 트리를 생성한다. 이들 방법 중 어느 것도 이동 네트워크에 대한 높은 역동성(high dynamics)을 고려하지 않는다. 이는 인프라스트럭처 기반의 대규모 무선 메쉬 네트워크에 적합하지 않다.

순수 무선 애드 혹 네트워크를 위한 다중 멀티캐스트 알고리즘이 지난 수년간 제안되었다. 무선 애드 혹 네트워크를 위한 트리-기반 멀티캐스트 알고리즘은, E. M. Royer 및 C. E. Perkins의 1999년 8월, MobiCom'99의 "애드-혹 주문형 거리 벡터 라우팅 프로토콜의 멀티캐스트 동작"에 기술된 멀티캐스트 애드-혹 주문형 거리 벡터(Multicast Ad-hoc On-demand Distance Vector; MAODV)를 포함한다. MAODV는 멀티캐스트 그룹 리더에 뿌리를 둔 트리를 동적으로 생성한다. 메쉬-기반 멀티캐스트 알고리즘은, S. Lee, W. Su 및 M. Gerla의 "멀티홉 무선 이동 네트워크의 주문형 멀티캐스트 라우팅 프로토콜", 2002년 12월 6호, 7권에 기술된 주문형 멀티캐스트 라우팅 프로토콜(On-Demand Multicast Routing Protocol; ODMRP)을 포함한다. ODMRP는 주문형 소스(source on demand)에 의하여 메쉬를 동적으로 형성 및 관리한다. 상기 두 가지 알고리즘 모두 대규모 무선 네트워크에 대하여 멀티캐스트 루트를 생성하기 위한 긴 지연시간과 높은 라우팅 오버헤드로 인해 높은 역동성을 갖는 고밀집(large dense) 무선 애드 혹 네트워크를 지원할 수 없다. 매쉬 트리-기반 멀티캐스트 알고리즘 코어 보조 메쉬 프로토콜(Core Assisted Mesh Protocol; CAMP)는, 2001년 10월 25일 US 특허출원 US2001/0034793 A1에 기술되어 있으며, 모든 그룹 멤버를 연결하는 공유 트리를 메쉬하기 위해 다중 코어를 이용한다. 그러나, 그 코어는 동적으로 채택되며, 따라서 빠른 토폴로지 변화를 지원할 만큼 매우 짧은 시간 내에 메쉬 트리를 생성할 수 없다. 또한, 코어는 네트어크 내의 이동 노드를 통해 상호 메쉬되기 때문에, 코어 간의 메슁은 이동성에 대하여 취약하다. 따라서, 기존의 애드 혹 멀티캐스트 라우팅은 모두 높은 역동성을 갖는 대형 메쉬 네트워크에 적합하지 않다.

제안된 멀티캐스트 메쉬 스케일러블 라우팅(Multicast Mesh Scalable Routing; MMSR)은 높은 역동성을 갖는 대규모 무선 메쉬 네트워크에 있어서의 멀티캐스트 지원에 관한 것을 다룬다.

멀티캐스팅은, 더 적은 네트워크 자원을 이용하면서 복수의 목적지에 패킷을 송신 및 라우팅할 수 있게 하기 때문에, 유니캐스팅(unicasting) 또는 브로드캐스팅(broadcasting)보다 그룹 통신을 지원하는데 있어서 더 효율적인 방법이다. 무선 네트워크의 널리 보급된 배치, 빠르게 개량되는 이동 장치의 성능 및 점차 고급화되는 세계적 이동 노동 시장(mobile work force worldwide)과 더불어, 컨텐트 및 서비스 제공자들은 점점 무선 네트워크를 통한 멀티캐스트 통신을 지원하는 것에 관심을 가지게 되었다. 멀티캐스트 지원을 요하는 애플리케이션과 네트워크 제어 프로토콜이 더 많아짐에 따라, 네트워크 내의 복수의 사용자들에 있어서 트래픽 분산의 높은 효율성을 지원하기 위해 무선 멀티-홉 애드-혹 네트워크에 있어서 멀티캐스트 라우팅 알고리즘이 필요하다. 무선 네트워크를 위한 기존의 다른 멀티캐스트 라우팅 알고리즘에 비해, 제안된 알고리즘은 비교적 낮은 네트워크 오버헤드와 높은 역동성을 갖는 대규모 무선 애드-혹 네트워크에 대한 우수한 가변성(scalability)을 갖는다.

첨부된 도면과 연계하여 고찰하면 본 발명의 여러 가지 목적, 장점 및 신규한 특성들이 이하의 상세한 설명으로부터 보다 쉽게 이해될 것이다.

도 1은 복수의 노드를 포함하는 예시 애드-혹 무선 통신 네트워크의 블록도.

도 2는 도 1에 도시된 네트워크에 사용되는 이동 노드의 예를 도시하는 블록도.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 시스템 및 방법을 이용하는 하이브리드 통신 네트워크의 예를 도시하는 블록도.

본 발명은 인프라스트럭처 노드가 배치된 대규모 메쉬 네트워크에서 동작하는 멀티캐스트 라우팅 알고리즘 MMSR을 위한 시스템 및 방법을 제공한다. 본 발명은 액세스 포인트(AP), 즉 상호 간에 또한/또는 유/무선 백본을 통하여 광역 인터넷에 연결되는 고정 인프라스트럭처 게이트웨이 노드를 멀티캐스트 그룹 리더 군집을 형성하는 로컬 멀티캐스트 그룹 리더의 그룹으로 선택한다. 각각의 로컬 멀티캐스트 그룹 리더는 로컬 멀티캐스트 그룹 멤버의 요청에 따라 주문형으로 선출된다. 각각의 로컬 멀티캐스트 그룹 리더는 AP와 연관된 모든 멀티캐스트 그룹 멤버를 연결하기 위해 이 리더에 뿌리를 둔 로컬 멀티캐스트 트리를 형성한다. AP에 뿌리를 둔 로컬 멀티캐스트 트리를 선출하고 유지하는 프로세스는 MMSR로 하여금 고정 인프라스트럭처 노드의 이점을 이용하는 언더라잉 유니캐스트 라우팅(underlying unicast routing)을 효과적으로 조정할 수 있도록 해준다. 따라서, 라우딩 오버헤드와 멀티캐스트 트리 컨버전스(convergence)가 감소된다. MMSR는 빠른 컨버전스 및 감소된 라우팅 오버헤드로 인해 토폴로지가 빠르게 변화하는 대규모 네트워크를 지원할 수 있다.

도 1은 애드-혹 패킷-교환 방식의 무선 통신 네트워크(100)의 예를 도시하는 블록도이다. 상세하게는, 네트워크(100)는 복수의 이동 무선 사용자 단말(102-1 내지 102-n; 일반적으로 노드(102) 또는 이동 노드(102)로 표시함)을 포함하고, 노드(102)에 고정 네트워크(104)에 대한 액세스를 제공하는 복수의 액세스 포인트(106-1, 106-2, ...106-n; 일반적으로 노드(106) 또는 액세스 포인트(106)로 표시함)를 갖는 고정 네트워크(104)를 포함한다. 고정 네트워크(104)는, 예를 들면, 코어 로컬 액세스 네트워크(LAN)와, 네트워크 노드에 다른 네트워크, 이를테면 다른 애드-혹 네트워크, PSTN 및 인터넷 등에 대한 액세스를 제공하는 복수의 서버 및 게이트웨이 라우터를 포함할 수 있다. 네트워크(100)는 또한 다른 노드들(102, 106 또는 107) 간의 데이터 패킷을 라우팅하기 위한 복수의 고정 라우터(107-1 내지 107-n; 일반적으로 노드(107) 또는 고정 라우터(107)로 표시함)를 포함할 수 있다. 설명의 목적으로, 상기 논의된 노드들은 "노드(102, 106 및 107)" 또는 단순히 "노드"로 통합적으로 지칭될 수 있음을 유의한다.

당업자에게 알려진 바와 같이, 노드(102, 106 및 107)는 상호 직접 통신할 수도 있고, 또는 노드들 간에 전송되는 패킷을 위한 라우터(들)로서 동작하는 하나 이상의 노드(102, 106 및 107)를 경유하여 통신할 수도 있다. 이는 상기 참조한 US 특허 제7,072,650호, 제6,807,165호 및 제6,873,839호에 기술되어 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 각 노드(102, 106 및 107)는 송수신기, 또는 모뎀(108)을 포함하며, 이는 안테나(110)에 연결되어 컨트롤러(112)의 제어 하에 노드(102, 106 또는 107)와 패킷화된 신호와 같은 신호들을 송수신할 수 있다. 패킷화된 데이터 신호는, 예를 들면, 노드 갱신 정보를 포함하여, 음성, 데이터 또는 멀티미디어 정보, 그리고 패킷화된 제어 신호를 포함할 수 있다.

각 노드(102, 106 및 107)는 또한, 특히 자체 노드 및 네트워크(100) 내의 다른 노드에 속하는 라우팅 정보를 저장할 수 있는, RAM과 같은 메모리(114)를 포함한다. 도 2에도 도시된 바와 같이, 특정 노드, 특히 이동 노드(102)는 임의의 수의 장치, 이를테면 노트북 컴퓨터 단말기, 이동 전화기, 이동 데이터 장치 또는 그 밖의 적절한 장치 등으로 구성될 수 있는 호스트(116)를 포함할 수 있다. 각 노드(102, 106 및 107)는 또한 인터넷 프로토콜(IP) 및 주소 결정 프로토콜(Address Resolution Protocol; ARP) 통신을 수행하는 적절한 하드웨어 및 소프트웨어를 포함하며, 이들의 목적은 당업자라면 쉽게 이해할 수 있을 것이다. TCP 및 UDP 통신을 수행하는 적절한 하드웨어 및 소프트웨어도 포함될 수 있다.

본 발명은 인프라스트럭처 노드의 장점을 이용함으로써 높은 역동성을 갖는 대규모의 인프라스트럭처 기반 무선 메쉬 네트워크에 있어서 멀티캐스트를 지원한다.

멀티캐스트 그룹 리더 군집( cloud )

본 발명은 새로운 개념, 즉 멀티캐스트 그룹 리더 군집을 규정한다. 멀티캐스트 그룹 리더 군집은 복수의 로컬 멀티캐스트 그룹 리더들로 구성된다. 이들 로컬 멀티캐스트 그룹 리더는 넓은 영역에 분포된 큰 멀티캐스트 그룹을 연결하도록 백본에 걸쳐 분산된 멀티캐스트 그룹 리더를 형성할 때 관찰될 수 있다.

AP는 그와 연관된 멀티캐스트 그룹 멤버에 대한 로컬 멀티캐스트 그룹 리더로서 주문형으로 선택된다. 배경기술에서 설명한 바와 같이, 인프라스트럭처 기반 메쉬 네트워크에서의 하이브리드 라우팅은 AP에 뿌리를 둔 스패닝 트리를 설정하고 관리한다. AP에 뿌리를 둔 유사한 멀티캐스트 트리를 형성하면, 제안된 멀티캐스트 라우팅 프로토콜을 US 특허 출원 공개번호 2004/0143842A1에 제안된 것과 같은 하이브리드 유니캐스트 라우팅과 용이하게 통합할 수 있다. 동일한 네트워크 내에서 유니캐스트와 멀티캐스트 라우팅을 조합하면 많은 이점을 얻을 수 있다. 멀티캐스트 루트를 검색할 때 얻은 루트 정보는 유니캐스트 라우팅 정보를 증대시킬 수 있고, 그 반대의 경우도 가능하다. 결과적으로, 루트 설정 및 관리 오버헤드가 감소되고, 라우팅 동작은 단순화될 것이다. 예를 들면, 한 노드가 멀티캐스트 그룹에 대한 루트를 어떤 소스 노드에 반환하면, 그 소스 노드는, 그 멀티캐스트 그룹에 도달하는 방법을 습득하는 것뿐만 아니라, 그 정보를 반환하는 노드에 대한 루트도 습득하였을 것이다. 모바일 환경에서, 컨트롤 오버헤드 감소는 라우팅 프로토콜에 대한 중대한 이점을 가져온다. 이하의 설명에서, 알고리즘 설명은 편의상 US 특허 출원 공개번호 2004/0143842A1에 제안된 하이브리드 라우팅 프로토콜을 바탕으로 한다. 그러나, 제안된 본 프로토콜은 AP에 대한 루트를 동적으로 검색 및 관리하는 임의의 다른 프로액티브 라우팅 및 리액티브 라우팅과 함께 사용될 수 있다.

본 발명은 AP를 그와 연관된 모든 멤버들에 대한 로컬 멀티캐스트 리더로서 선택하는 것을 제안한다. 따라서, 리더 선출은 멤버와 연관된 AP를 로컬 리더로서 디폴트로 지정함으로써 크게 단순화된다. 대규모 무선 메쉬 네트워크에 있어서, 네트워크 성능을 증가시키기 위해 복수의 AP가 배치된다. 멀티캐스트 그룹 멤버는 넓은 영역에 걸쳐 분산되며 서로 다른 AP에 연관될 수 있다. 이러한 모든 AP는 로컬 멀티캐스트 리더로 지정되어 멀티캐스트 그룹 리더 군집을 형성한다. 그러한 로컬 리더들은 유/무선 백본을 통해 연결되며, 광역 인터넷에 대한 게이트웨이 기능성을 제공한다. 따라서, 무선 멀티캐스트 그룹은 광역 인터넷과 송/수신하는 그룹 리더 군집을 통하여 유선 멀티캐스트 그룹과 자동적으로 합체된다. 도 3에 도시된 예에서, 노드(102)는 멤버 노드(MN; 102)로서 식별되고, 노드(102 및/또는 107)는 패킷을 AP(106)로부터 전달받거나 AP(106)에 전달하는 포워딩 노드(FN)가 될 수 있다. 점선 링크는 로컬 영역에서의 무선 링크를 나타내며, 실선 링크는 유선 또는 무선일 수 있는 백본(104)으로의 링크를 나타낸다. 연관 AP에 대한 루트의 프로액티브한 관리 및 루트 품질에 따른 새로운 AP로의 핸드오프(handing-off)로 인해, MMSR은 토폴로지가 동적으로 변화하는 큰 메쉬 네트워크 내의 로컬 멀티캐스트 그룹 리더들 간의 유연한 멀티캐스트 루트 핸드오프(handoff)를 즉각적으로 구현하기 위해 언더라잉 유니캐스트 프로토콜(underlying unicast protocol; US 특허 출원 공개번호 2004/0143842A1에 제안된 바와 같음)의 장점을 취한다.

라우팅 테이블( Routing Tables )

네트워크 내의 각 노드는 유니캐스트 라우팅 테이블을 관리한다. 유니캐스트 라우팅 테이블의 각 엔트리(entry)는 예를 들면 다음과 같은 정보를 기록한다.

- 목적지 주소

- 목적지 시퀀스 번호

- 목적지에 대한 라우팅 매트릭스

- 다음 홉(Next Hop)

- 유효기간(lifetime)

멀티캐스트를 지원하는 네트워크에 있어서, 노드가 멀티캐스트 트리의 멤버인 경우 그 노드는 멀티캐스트 라우터이다. 멀티캐스트 라우터에서, 유니캐스트 라우팅 테이블 외에, 멀티캐스트 라우팅 테이블도 관리된다. 멀티캐스트 라우팅 테이블의 각 엔트리는 예를 들면 다음과 같은 정보를 기록한다.

- 멀티캐스트 그룹 주소

- 멀티캐스트 그룹 리더 주소

- 멀티캐스트 그룹 리더에 대한 라우팅 매트릭스

- (멀티캐스트 트리 상의 다른 브랜치로의) 다음 홉

다음 홉 필드는 구조체(structure)의 연결 리스트(linked list)로, 각각은 다음의 필드를 포함할 수 있다.

- 다음 홉 주소

- 활성 플래그(Activated Flag)

- 이번 다음 홉에 대한 유효기간

- 노드 타입

노드 타입은 이것이 로컬 멀티캐스트 그룹 리더에 대한 업스트림(upstream) 노드인지, 즉 이것이 로컬 멀티캐스트 트리의 루트에 해당하는 로컬 멀티캐스트 그룹 리더로의 트래픽을 유니캐스트하는데 사용되는 노드인지를 나타낸다. 다음 홉은 특정한 제어 패킷에 의해 활성화될 때까지 멀티캐스트 메시지를 전달하는데 사용될 수 없다. 유효기간은 그룹 멤버로부터 그룹 리더에 대한 주기적인 갱신 동작(refreshing operation)에 의해 연장될 수 있다.

멀티캐스트 트리 형성( Multicast Tree Forming )

멀티캐스트 트리는 멀티캐스트 그룹 멤버들을 연결하기 위해 주문형으로 형성된다. 어떤 노드라도 멀티캐스트 트래픽을 그룹으로 전송할 수는 있지만, 오직 그룹 멤버만이 멀티캐스트 트래픽을 수신할 수 있다. 노드가 멀티캐스트 그룹에 가입하고자 하는 경우, 또한 그 노드가 멀티캐스트 그룹에 대한 멀티캐스트 루트를 갖고 있지 않은 경우, 그 노드는 멀티캐스트 그룹에 대한 멀티캐스트 루트 설정 프로세스를 개시한다. 노드는 그와 연관된 AP로 가입 루트 요청(route request; RREQ) 패킷을 유니캐스트한다. 일단 각 노드가 AP와 연관되면, AP에 대한 루트는 프로액티브하게 관리된다. 상기 패킷은 예를 들면 다음과 같은 정보를 포함한다.

- 소스 주소(시작 노드 주소)

- 목적지 주소(시작 노드의 연관 AP 주소)

- 희망 멀티캐스트 그룹 주소

AP에 전송될 때, RREQ는 해당 브랜치에 대한 멀티캐스트 엔트리를 인에이블시키나, 요청된 멀티캐스트 그룹 엔트리에 연관된 다음 홉을 비활성으로 표시한다.

AP가 가입 RREQ를 수신하면, AP는 AP가 로컬 멀티캐스트 그룹 리더인지를 판단하기 위해 멀티캐스트 라우팅 테이블을 검사한다. AP가 로컬 멀티캐스트 그룹 리더인 경우, AP는 요청 노드에게 가입 루트 응답(route reply; RREP)으로 응답한다. 요청 멤버 노드로 반환될 때, RREP는 루트를 따라 요청받은 멀티캐스트 그룹에 대한 모든 엔트리를 활성화시킨다. RREQ와 RREP를 교환한 뒤, AP에 뿌리를 둔 로컬 멀티캐스트 트리에 멀티캐스트 브랜치가 접합된다.

AP가 로컬 멀티캐스트 그룹 리더가 아닌 경우, AP는 먼저 백본으로부터 멀티캐스트 트래픽을 받아들일 수 있는 능력을 가능하게(enable) 하고, 요청받은 멀티캐스트 그룹에 대한 멀티캐스트 엔트리를 생성하여야 한다. 자신을 백본과 송수신할 수 있는 로컬 멀티캐스트 그룹 리더로서 사용할 수 있게(enable) 한 후, AP는 요청 멤버에게 RREP로 응답하고 로컬 멀티캐스트 트리에 대한 제1 브랜치를 내보낸다.

상기의 설명에서, 가입 프로세스가 기술되어 있다. 본 방법에 있어서, AP에 뿌리를 둔 로컬 멀티캐스트 트리가 형성될 수 있다. 임의의 멤버 노드가 로컬 멀티캐스트 트리로 트래픽을 배포할 수 있다. 패킷이 로컬 멀티캐스트 그룹 리더에 도달하면, 리더는 상기 패킷의 한 카피(copy)를 백본 측에 전달할 것이다. 멀티캐스트 트래픽은 백본 네트워크 군집을 통하여 다른 로컬 멀티캐스트 리더에 도달할 수 있다. 그 로컬 리더들은 또한 상기 트래픽을 자체 로컬 트리에 배포할 수 있다. 이러한 방식으로, 멀티캐스트 트래픽이 전체 메쉬 네트워크 내에 배포될 수 있다.

그룹 멤버가 아닌 노드도 멀티캐스트 그룹으로 트래픽을 전송할 수 있다. 멀티캐스트 그룹으로 멀티캐스트 루트를 설정할 필요는 없다. 노드는 단지 노드와 연관된 AP에 해당하는 로컬 멀티캐스트 그룹 리더로 멀티캐스트 트래픽을 터널링할 필요가 있을 뿐이다. 로컬 멀티캐스트 그룹 리더는 로컬 멀티캐스트 그룹 트리와 백본으로 트래픽을 배포하는 역할을 한다.

멀티캐스트 트리 관리

제거( Pruning )

노드는 일반 네트워크 동작 중 멀티캐스트 그룹에서의 자신의 멤버십을 종료할 수 있다. 그러나, 그 노드가 트리의 리프 노드(leaf node)가 아닌 경우, 즉 현재 멀티캐스트 그룹에 대한 노드의 다음 홉 리스트에 하나 이상의 다음 홉을 가지고 있는 경우, 노드는 트리에 대한 라우터로서 동작을 계속하여야 한다. 노드가 리프 노드인 경우, 노드는 루트 제거 요청(route pruning request; RPRUNE) 메시지를 이용하여 트리로부터 자신을 제거할 수 있다. RPRUNE은, 하나 이상의 멀티캐스트 그룹 주소를 포함하며, 현재 멀티캐스트 그룹의 유일한 다음 홉으로 전달된다. RPRUNE을 수신하면, 다음 홉은 현재 멀티캐스트 그룹에 대한 다음 홉 리스트에서 이전 홉을 삭제한다. 이전 홉을 제거한 후, 이 노드가 리프 노드가 되는 경우, 멀티캐스트 그룹 멤버가 아니라면 노드는 동일한 방법으로 자신을 제거할 수 있다.

링크 손상(link breakage)이 감지되는 경우, 업스트림 노드는 현재 브랜치에 의해 연결되는 브랜치를 제거한다. 다운스트림 노드는 동일한 AP에 대한 새로운 멀티캐스트 루트를 찾아 설정하거나 새로운 AP로 핸드오프할 수 있다.

갱신( Refreshing )

노드는 노드의 그룹 멤버십을 갱신하기 위해 노드와 연관된 AP로 RREQ를 유니캐스트할 수 있다. 연관된 AP로의 루트를 따라, 중간 노드(intermediate node)는 멀티캐스트 그룹으로의 두 개의 다음 홉에 대한 유효기간을 연장할 수 있다. 엄밀하게 말하면 이들 두 개의 다음 홉은 RREQ의 이전 홉과 다음 홉이다. 동시에, 중간 노드는 또한 다음 갱신 유니캐스트 RREQ를 발행하기 위해 타이머를 연장할 수 있다. 이러한 방식으로, 각각의 브랜치, 각각의 시간에 대하여, 현재 브랜치 상의 모든 노드의 멤버십에 대한 유효기간을 연장하기 위해 단 하나의 유니캐스트 RREQ만이 AP로 발행될 것이다. 다음 홉이 타임아웃되면, 노드는 유예기간 후 이 다음 홉을 멀티캐스트 라우팅 테이블로부터 제거한다. 제거(pruning) 동작과 유사하게, 이 노드가 리프 노드가 되는 경우, 이 노드가 멀티캐스트 그룹 멤버가 아니라 단지 포워딩 노드라면 노드는 자신을 제거할 수 있다.

빠른 핸드오프( Fast Handoff )

제안된 멀티캐스트 라우팅 알고리즘은 멀티캐스트 브랜치를 신속하고 유연하게 핸드오프하기 위해 언더라잉 하이브리드 유니캐스트 라우팅 프로토콜(underlying hybride unicast routing protocol)의 장점을 취한다. 언더라잉 유니캐스트 라우팅이 AP에 대한 더 좋은 루트를 발견하거나, 또는 연관되기에 더 좋은 AP를 발견하게 되면, 멤버 노드는 노드와 그 AP 간의 새로운 브랜치를 인에이블하기 위해 가입 RREQ를 유니캐스트하고, 자동으로 새로운 AP를 노드의 로컬 멀티캐스트 그룹 리더로 선택한다. 핸드오프가 성공하기 전까지는, 노드는 기존의 멀티캐스트 브랜치를 이용하여 멀티캐스트 트래픽을 송수신한다. 이러한 방식으로, 멀티캐스트 라우팅 알고리즘은 높은 이동성을 지원하고 빠른 토폴로지 변화를 감당할 수 있다.

멀티캐스트 트래픽 전달 및 중복 감지( Multicast Traffic Forwarding and Duplicates Detection )

멀티캐스트 트리 상의 모든 노드는 중복되지 않은(non-duplicate) 패킷을 받아들이며, 이를 그 패킷이 전송되어 온 곳을 제외한, 멀티캐스트 그룹에 대한 모든 다음 홉으로 전달한다.

무선 멀티캐스트 트리의 트래픽을 전달하는 것 외에, 로컬 멀티캐스트 그룹 리더, 즉 AP 노드는 또한 백본 측에 트래픽을 전달한다. 다른 AP들이 백본을 통해 멀티캐스트 트래픽을 수신하면, 그들이 동일한 멀티캐스트 그룹에 대한 로컬 멀티캐스트 그룹 리더이고, 현재 멀티캐스트 그룹에 대하여 그들에 뿌리를 둔 로컬 공유 트리로 트래픽을 배포하는 역할을 한다면, 트래픽을 받아들일 수 있다.

멀티캐스트/브로드캐스트 트래픽 중복 감지를 위해 각 패킷은 패킷 헤더 내에 시퀀스 번호를 포함하게 된다. 각 멀티캐스트 트리 멤버는 각 소스에 대하여 수신한 패킷의 시퀀스 넘버를 기록하는 리스트를 관리한다. 모든 시퀀스 번호는 NET_TRAVERSAL_TIME과 동일한 기간 동안 리스트에 기록된다. 이 노드가 NET_TRAVERSAL_TIME 내에 나타나지 않은 시퀀스 번호를 가진 패킷을 수신하는 경우, 노드는 이 패킷을 새로운 패킷으로 받아들이고, 그렇지 않은 경우 상기 패킷을 중복으로 간주하여 삭제한다.

본 발명은 대규모 인프라스트럭처 기반 무선 메쉬 네트워크에서 동작하는 멀티캐스트 라우팅 알고리즘 MMSR에 대하여 개시하고 있다. 그것은 액세스 포인트(AP), 즉 상호 간에 또한/또는 유/무선 백본을 통하여 광역 인터넷에 연결되는 고정 인프라스트럭처 게이트웨이 노드를, 멀티캐스트 그룹 리더 군집을 형성하는 로컬 멀티캐스트 그룹 리더의 그룹으로 선택한다. 각각의 로컬 멀티캐스트 그룹 리더는 로컬 멀티개스트 그룹 멤버의 요청에 따라 주문형으로 선출된다. 각각의 로컬 멀티캐스트 그룹 리더는 AP와 연관된 모든 멀티캐스트 그룹 멤버를 연결하기 위하여 본 리더에 뿌리를 둔 로컬 멀티캐스트 트리를 형성한다. AP에 뿌리를 둔 로컬 멀티캐스트 트리를 선출하고 유지하는 프로세스는 MMSR로 하여금 고정 인프라스트럭처 노드의 이점을 이용하기 위해 언더라잉 유니캐스트 라우팅(underlying unicast routing)을 효과적으로 조정하도록 한다. 따라서, 라우딩 오버헤드와 멀티캐스트 트리 컨버전스(convergence)가 감소된다. MMSR 빠른 컨버전스 및 감소된 라우팅 오버헤드로 인해 토폴로지가 빠르게 변화하는 대형 네트워크를 지원할 수 있다.

본 발명의 몇 가지 예시적인 실시예만이 상세히 기술되었으나, 당업자라면 본 발명의 신규한 교시 내용 및 장점을 실질적으로 벗어나지 않으면서 예시 실시예에 있어서 여러 가지의 수정이 가능하다는 것을 쉽게 알 수 있을 것이다. 따라서, 이하의 청구의 범위에 규정된 바와 같이 그러한 모든 수정을 본 발명의 범주 내로 포괄하고자 한다.

Claims

백본(backbone)에 통신 가능하게 연결된 복수의 고정 인프라스트럭처 노드(fixed infrastructure node)를 포함하는 멀티-홉 무선 애드 혹 네트워크(multi-hop wireless ad hoc network)에서 멀티캐스트 라우팅(multicast routing)을 지원하는 방법으로서,

상기 복수의 고정 인프라스트럭처 노드 중 하나 이상을 로컬 멀티캐스트 그룹 리더로 선택하는 단계;

로컬 멀티캐스트 그룹 리더에 각각 뿌리를 두고, 복수의 멤버를 각각 포함하는 복수의 로컬 멀티캐스트 트리를 형성하는 단계;

복수의 목적지 노드(destination node)를 향해 메시지 패킷을 송신하는 단계 - 상기 복수의 목적지 노드 각각은 적어도 하나의 로컬 멀티캐스트 트리의 멤버이고, 상기 복수의 목적지 노드 각각은 또한 노드에서 제1 로컬 멀티캐스트 그룹 리더까지, 해당 멀티캐스트 그룹과 연관된 멀티캐스트 그룹 주소(address)에 의해 식별되는 적어도 하나의 멀티캐스트 그룹의 멤버이며, 상기 메시지 패킷은 상기 멀티캐스트 그룹 주소를 포함함 - ;

상기 제1 로컬 멀티캐스트 그룹 리더에 의해 상기 메시지 패킷을 상기 백본에 포워드하는 단계;

적어도 하나의 다른 로컬 멀티캐스트 그룹 리더에 의해 상기 백본을 통해 상기 메시지 패킷을 수신하는 단계; 및

연관된 로컬 멀티캐스트 트리의 상기 멀티캐스트 그룹 주소를 갖는 각각의 멤버에 상기 메시지 패킷을 배포하는 상기 적어도 하나의 다른 로컬 멀티캐스트 그룹 리더 각각에 의해 상기 메시지 패킷을 상기 복수의 목적지 노드에 배포하는 단계

를 포함하고,

멀티캐스트 또는 브로드캐스트 트래픽으로 송신된 각 패킷은 상기 패킷의 패킷 헤더에 시퀀스 번호를 포함하며(carries),

상기 방법은,

상기 패킷이 노드에 의해 이전에 수신된 시퀀스 번호를 포함하는 경우에는, 상기 노드에 의해 새로이 수신된 패킷을 삭제하는 단계; 및

상기 패킷이 상기 노드에 의해 이전에 수신되지 않은 시퀀스 번호를 포함하는 경우에는, 상기 노드에 의해 새로이 수신된 패킷을 수락하는 단계

를 더 포함하는 방법.
제1항에 있어서,

상기 로컬 멀티캐스트 그룹 리더를 포함하는 멀티캐스트 그룹 리더 군집(cloud)을 형성하는 단계를 더 포함하고,

상기 로컬 멀티캐스트 그룹 리더들 간에 연결들이 존재하고,

상기 멀티캐스트 그룹 리더 군집 내의 상기 로컬 멀티캐스트 그룹 리더들 간의 연결은 유선 연결을 포함하는 방법.
제1항에 있어서,

상기 로컬 멀티캐스트 그룹 리더를 포함하는 멀티캐스트 그룹 리더 군집을 형성하는 단계를 더 포함하고,

상기 로컬 멀티캐스트 그룹 리더들 간에 연결들이 존재하고,

상기 멀티캐스트 그룹 리더 군집 내의 상기 로컬 멀티캐스트 그룹 리더들 간의 연결은 무선 연결을 포함하는 방법.
제1항에 있어서,

적어도 하나의 로컬 멀티캐스트 그룹 리더는 인터넷에 액세스하도록 동작하는 방법.
제1항에 있어서,

상기 로컬 멀티캐스트 그룹 리더에 대한 루트를 검색하고 관리하는 단계

를 더 포함하는 방법.
제5항에 있어서,

상기 루트를 검색하고 관리하는 단계는

상기 로컬 멀티캐스트 그룹 리더에 대한 루트를 동적으로 검색하고 관리하는 프로액티브(proactive) 및 리액티브(reactive) 라우팅을 사용하는 단계

를 포함하는 방법.
제1항에 있어서,

상기 네트워크의 각 노드는 유니캐스트 라우팅 테이블을 관리하고 있는(maintains) 방법.
제1항에 있어서,

각각의 로컬 멀티캐스트 트리는 적어도 하나의 포워딩 멤버를 포함하고, 각각의 포워딩 멤버는 멀티캐스트 라우팅 테이블을 관리하고 있는 방법.
제1항에 있어서,

상기 로컬 멀티캐스트 트리는 주문형으로(on-demand) 형성되는 방법.
제1항에 있어서,

요청 노드(requesting node)가 멀티캐스트 그룹에 가입하고자 하는 경우, 상기 요청 노드로부터 그 노드가 연관된 액세스 포인트로 가입 루트 요청 패킷(join route request packet)을 유니캐스팅하는 단계

를 더 포함하는 방법.
제10항에 있어서,

상기 액세스 포인트가 로컬 멀티캐스트 그룹 리더인 경우, 상기 액세스 포인트로부터 상기 요청 노드로 가입 루트 응답(join route reply)을 전송하는 단계

를 더 포함하고, 상기 가입 루트 응답은 상기 액세스 포인트와 상기 요청 노드 사이의 루트를 따라 요청받은 상기 멀티캐스트 그룹의 하나 이상의 포워딩 멤버 내의 하나 이상의 엔트리(entry)를 활성화시키는 방법.
제10항에 있어서,

상기 액세스 포인트가 로컬 멀티캐스트 그룹 리더가 아닌 경우,

상기 액세스 포인트의 상기 멀티캐스트 그룹 리더 군집으로부터의 멀티캐스트 트래픽을 수락(accept)하는 능력을 가능(enabling)하게 하는 단계;

멀티캐스트 라우팅 테이블 내의 요청받은 상기 멀티캐스트 그룹에 대한 멀티캐스트 엔트리를 생성하는 단계; 및

상기 액세스 포인트로부터 상기 요청 노드로 가입 루트 응답을 전송하는 단계

를 더 포함하고, 상기 가입 루트 응답은 상기 액세스 포인트와 상기 요청 노드 사이의 루트를 따라 요청받은 상기 멀티캐스트 그룹의 하나 이상의 포워딩 멤버 내의 하나 이상의 엔트리를 활성화시키는 방법.
제1항에 있어서,

리프 노드로부터의 루트 제거 요청(route pruning request)을 그 리프 노드가 속한 멀티캐스트 그룹의 다음 홉(next hop)으로 전송하는 단계;

상기 루트 제거 요청을 수신한 다음 홉 노드의 다음 홉 리스트로부터 상기 리프 노드를 삭제하는 단계

를 더 포함하는 방법.
제1항에 있어서,

요청 노드의 그룹 멤버십을 갱신(refresh)하기 위해 상기 요청 노드로부터 상기 요청 노드의 로컬 멀티캐스트 그룹 리더로 루트 요청(route request)을 유니캐스팅(unicasting)하는 단계

를 더 포함하는 방법.
제14항에 있어서,

상기 로컬 멀티캐스트 그룹 리더로 루트 요청을 유니캐스팅하는 단계는 상기 요청 노드가 속한 브랜치에 속한 모든 노드의 멤버십에 대한 유효 기간(life times)을 연장하는 방법.
제14항에 있어서,

상기 요청 노드로부터 상기 로컬 멀티캐스트 그룹 리더까지의 루트를 따라 중간 노드에서의 상기 루트 요청의 이전 홉(previous hop) 및 다음 홉에 대한 유효 기간을 연장하는 단계

를 더 포함하는 방법.
제1항에 있어서,

요청 노드와 상기 로컬 멀티캐스트 그룹 리더 간의 현재 루트보다도 더 우수한 상기 요청 노드로부터 로컬 멀티캐스트 그룹 리더로의 유니캐스트 루트를 발견하기 위해 유니캐스트 라우팅을 이용하는 단계;

상기 요청 노드와 상기 로컬 멀티캐스트 그룹 리더 간의 새로운 루트를 가능(enable)하게 하기 위해 가입 루트 요청을 유니캐스팅하는 단계; 및

상기 요청 노드가 상기 새로운 루트로 전환하기 전에, 멀티캐스트 트래픽을 송수신하기 위해 상기 요청 노드의 이전 루트를 계속 이용하는 단계

를 더 포함하는 방법.
제1항에 있어서,

노드의 현재 로컬 멀티캐스트 그룹 리더인 현재 액세스 포인트에 비해 상기 노드가 연관되기에 더 양호한 액세스 포인트를 발견하기 위해 유니캐스트 라우팅을 이용하는 단계;

상기 노드와 발견된 상기 액세스 포인트 간의 새로운 브랜치를 사용할 수 있게 하기 위해 가입 루트 요청을 유니캐스팅하는 단계;

발견된 상기 액세스 포인트를 상기 노드의 로컬 멀티캐스트 그룹 리더로 선택하는 단계; 및

상기 노드가 상기 새로운 브랜치로 전환하기 전에, 멀티캐스트 트래픽을 송수신하기 위해 상기 노드의 이전 멀티캐스트 그룹 리더로의 이전 브랜치를 계속 이용하는 단계

를 더 포함하는 방법.
제1항에 있어서,

각 멤버 노드 내에 각 멤버 노드에 의해 수신된 패킷에 대한 시퀀스 번호의 리스트를 관리하는(maintain) 단계; 및

소정 주기의 시간 동안 상기 리스트 상의 각 시퀀스 번호를 관리하는 단계

를 더 포함하고,

상기 삭제하는 단계는, 패킷이 수신 노드의 시퀀스 번호 리스트 상에 현재 관리되고 있는 시퀀스 번호를 포함하고 있는 경우, 상기 수신 노드에 의해 새로이 수신된 패킷을 삭제하는 단계를 포함하고;

상기 수락하는 단계는, 패킷이 수신 노드의 시퀀스 번호 리스트 상에 현재 관리되고 있지 않은 시퀀스 번호를 포함하고 있는 경우, 상기 수신 노드에 의해 새로이 수신된 상기 패킷을 수락(accept)하는 단계를 포함하는, 방법.
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