KR101489799B1 - 오픈플로우로 제어되는 무선랜 액세스 포인트 시스템의 모바일 단말기 핸드오프 방법 - Google Patents

오픈플로우로 제어되는 무선랜 액세스 포인트 시스템의 모바일 단말기 핸드오프 방법 Download PDF

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정상화
김원석
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부산대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 무선랜 액세스 포인트 시스템에서 네트워크 관리자가 SDN 제어기의 노스바운드 인터페이스를 활용한 소프트웨어 구현으로 WLAN을 관리하고, 오플플로우를 활용하여 물리적 혹은 논리적 AP를 제어하여 끊김 없는 핸드오프를 제공할 수 있도록 한 오픈플로우로 제어되는 무선랜 액세스 포인트 시스템 및 그의 모바일 단말기 핸드오프 방법에 관한 것이다.

Description

오픈플로우로 제어되는 무선랜 액세스 포인트 시스템의 모바일 단말기 핸드오프 방법{Method for controlling mobile terminal handoff of OpenFlow controlled ＷＬＡＮ access point system and the same}
본 발명은 무선랜 액세스 포인트 시스템에 관한 것으로, 구체적으로 네트워크 관리자가 SDN 제어기의 노스바운드 인터페이스를 활용한 소프트웨어 구현으로 WLAN을 관리하고, 오플플로우를 활용하여 물리적 혹은 논리적 AP를 제어하여 끊김 없는 핸드오프를 제공할 수 있도록 한 오픈플로우로 제어되는 무선랜 액세스 포인트 시스템의 모바일 단말기 핸드오프 방법에 관한 것이다.
IEEE 802.11 WLAN 표준을 기반으로 하는 액세스 포인트(AP)는 스마트폰, 랩탑 사용자에게 무선 연결 서비스를 제공한다. 따라서 빌딩, 사무실, 캠퍼스, 공공기관 등에서는 사용자 편의를 위해 AP를 설치하여 와이파이 서비스를 제공하고 있다.
AP는 WLAN의 독립적인 구성 개체로서 주로 유선 네트워크에서 수신하는 데이터를 무선 신호로 변환하여 전송하고, 안테나를 통해 수신되는 무선 신호를 유선 네트워크로 전달하는 기능을 수행한다.
802.11 표준에는 AP와 다른 네트워크 개체 간 통신 프로토콜이 정의되어 있지 않다. 따라서 독립된 네트워크 개체인 AP의 단순 설치만으로는 여러 AP로 구성되어 유기적으로 동작하는 광범위한 WLAN을 구성하기가 쉽지 않다.
일반적으로 기업용 WLAN이라 불리는 광범위한 WLAN을 구성하기 위해서는 중앙 AP 제어기와 여러 대의 AP, AP와 제어기 간 통신 프로토콜 등이 필요하다.
AP 제어기, AP, 그리고 통신 프로토콜로 구성되는 기업용 WLAN은 제어기의 제어/관리 하에 클라이언트 핸드오프, 부하 균형 등 다양한 부가 기능을 제공한다.
하지만, CAPWAP과 같은 기업용 WLAN을 위한 잘 알려진 프로토콜 등은 AP 제어기가 모든 AP의 제어 평면과 데이터 평면을 모두 감시하므로 네트워크 토폴로지를 구성하는 것이 어려우며 각종 제약이 많다.
특히, 하드웨어 제조사 위주의 AP 제어만 가능하므로 네트워크 유연성이 부족하다. 소프트웨어 정의 네트워킹(SDN)은 프로그램 가능한 네트워크를 위한 새로운 패러다임으로, 기업용 네트워크, 데이터 센터 등에서 각광받고 있는 기술이다.
이는 네트워크의 제어 평면과 데이터 평면을 분리하여, 스위치와 같은 물리적 네트워크 장비는 패킷 포워딩과 같은 데이터 평면 처리만을 수행하고 네트워크 제어는 SDN 제어기가 수행하도록 하는 기술이다.
SDN을 위한 대표적인 통신 프로토콜로는 OpenFlow가 존재하며, 이는 SDN 제어기와 유선 네트워크 장치 사이의 통신을 위한 프로토콜이다. SDN을 사용하면 네트워크에 유연한 라우팅 정책을 적용할 수 있을 뿐만 아니라 다양한 네트워크 제어 어플리케이션을 쉽게 적용할 수 있다.
종래 기술의 SDN은 주로 유선 네트워크를 위한 동작만 고려되고 있으며 무선 네트워크는 고려하지 않고 있다.
이와 같은 종래 기술의 무선 네트워크의 제어, 즉, AP의 제어는 주로 NetConf, SNMP와 같은 별도 프로토콜이 사용되거나 AP 또는 AP 제어기의 제조사 별 프로토콜이 사용되고 있다.
하지만, 현재 OpenFlow 프로토콜을 기반으로 하는 SDN으로 유선 네트워크를 제어하는 기술이 다양한 분야에서 채택되고 있으며, 따라서 유무선 네트워크 모두를 SDN으로 제어한다면 보다 높은 유연성이 제공된다.
즉, 네트워크 관리자가 SDN 제어기의 WLAN 제어 어플리케이션을 단순 수정함으로써 무선 네트워크 정책을 쉽게 변경할 수 있는 기반 기술이 요구되고 있다.
한국공개특허 제10-2009-0011484호 한국공개특허 제10-2013-0016396호
본 발명은 이와 같은 종래 기술의 SDN 제어기의 WLAN 제어 어플리케이션의 문제를 해결하기 위한 것으로, WLAN을 구성하는 다수개의 액세스 포인트(AP)와 AP들을 제어하는 SDN 제어기로 구성되어 OpenFlow 기반 소프트웨어 정의 네트워킹으로 제어되는 오픈플로우로 제어되는 무선랜 액세스 포인트 시스템 및 그의 모바일 단말기 핸드오프 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 네트워크 관리자가 SDN 제어기의 노스바운드 인터페이스를 활용한 소프트웨어 구현으로 WLAN을 관리하고, 오플플로우를 활용하여 물리적 혹은 논리적 AP를 제어하여 끊김 없는 핸드오프를 제공할 수 있도록 한 오픈플로우로 제어되는 무선랜 액세스 포인트 시스템 및 그의 모바일 단말기 핸드오프 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 WLAN을 구성하는 복수의 AP에서 OpenFlow를 지원하는 방법과, SDN 제어기에서 복수의 AP를 제어하기 위한 통신 방법과, OpenFlow 프로토콜의 구조, 모바일 클라이언트 관리를 위한 통신 방법을 포함하는 오픈플로우로 제어되는 무선랜 액세스 포인트 시스템 및 그의 모바일 단말기 핸드오프 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 SDN 제어기 및 OpenFlow 프로토콜에 vendor-specific 메시지를 추가하여 WLAN을 제어토록 하고, 스위치나 라우터뿐만 아니라 무선 AP도 SDN 제어기가 제어할 수 있도록 한 오픈플로우로 제어되는 무선랜 액세스 포인트 시스템 및 그의 모바일 단말기 핸드오프 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 SDN으로 제어되는 WLAN은 모바일 클라이언트의 네트워크 참여/이탈 시 네트워크 구성에 대한 제어를 수행하고 모바일 클라이언트의 핸드오프 시 이를 원활히 제어/관리할 수 있도록 한 오픈플로우로 제어되는 무선랜 액세스 포인트 시스템 및 그의 모바일 단말기 핸드오프 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 오픈플로우로 제어되는 무선랜 액세스 포인트 시스템은 OpenFlow 프로토콜에 벤더 사양(vendor-specific) 메시지를 추가하여 무선 LAN을 제어하고, 스위치,라우터,무선 AP를 제어하는 SDN(Software Defined Networking) 제어기;복수의 오픈플로우 스위치로 구성되는 유선 LAN;복수의 오픈플로우 액세스 포인트(AP)로 구성되는 무선 LAN;상기 액세스 포인트(AP)들과 통신하는 모바일 단말기들;을 포함하고, 상기 SDN 제어기로 제어되는 무선 LAN은 모바일 클라이언트의 네트워크 참여 및 이탈 시 네트워크 구성에 대한 제어를 수행하고, 모바일 클라이언트의 핸드오프 시 이를 제어 및 관리하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 무선 LAN을 구성하는 복수의 액세스 포인트(AP)의 제어 및 정보 수집을 수행하기 위하여, 확장된 오픈플로우 프로토콜의 하나는 SDN 제어기가 AP에게 명령을 전달하거나 AP의 정보를 비 주기적으로 수집하는 데 사용되는 Controller-to-AP 타입이고, 다른 하나는 액세스 포인트(AP)가 SDN 제어기에게 주기적으로 정보를 보고하거나 클라이언트의 네트워크 참여/이탈과 같은 특정 이벤트 발생 시에 사용되는 Asynchronous-AP 타입인 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 Controller-to-AP 타입 메시지에는, 액세스 포인트(AP)의 BSSID(Basic Service Set IDentifier) 설정, 동작 채널 설정, ESSID(Extended Service Set ID) 설정, 비컨(beacon) 주기 설정 등과 같은 시스템 정보 설정 명령, 클라이언트 연결 제어 및 정보 요청 등과 같은 클라이언트 제어 명령, 보고되는 메시지 종류 또는 보고 주기를 갖는 보고 제어 명령, 비 주기적인 AP 정보 요청 명령이 포함되는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 Asynchronous-AP 타입 메시지는 주로 주기적인 정보 보고를 위해 사용되고, 무선 채널 정보, 인접 채널 정보와 같은 네트워크 사용량, 클라이언트별 채널 점유율 및 채널 사용량을 포함하는 클라이언트 정보와, 클라이언트의 네트워크 참여/이탈과 같은 특정 이벤트 발생 시에 이벤트 상세 정보가 포함되는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 무선 LAN을 구성하는 액세스 포인트(AP)는 디바이스 드라이버 및 무선 네트워크 인터페이스를 포함하고, 복수의 오픈플로우 스위치를 통해 오픈플로우 메시지 및 AP 제어/관리를 위한 메시지의 SDN 제어기와의 송수신을 수행하는 제어 메시지 처리 모듈과,AP 제어 메시지를 처리하고 수신한 명령에 따른 동작을 수행하기 위해 직접 AP 정보를 수정하거나 또는 MAC 관리 모듈과 통신을 수행하는 AP 관리 모듈과,복수의 오픈플로우 스위치를 통해 게이트웨이와 연결되어 플로우 테이블 변경을 포함하는 데이터패스(datapath)와 관련된 메시지를 처리하는 포워딩 제어 모듈과,Controller-to-AP 타입의 시스템 정보 설정 명령 및 클라이언트 제어 명령을 수행하는 MAC 관리 모듈을 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고 액세스 포인트(AP)가 특정 이벤트를 인지하거나 기 설정된 보고 주기에 의해 Asynchronous-AP 타입 메시지를 SDN 제어기로 전송해야 할 경우, AP 관리 모듈로부터 수신한 이벤트 혹은 보고 메시지를 오픈플로우 프로토콜에 맞게 변환한 뒤 전송하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 SDN 제어기는, 벤더 사양(vendor-specific) 메시지를 추가로 처리할 수 있도록 하는 제어기 코어 모듈과,WLAN 제어 어플리케이션이 복수의 액세스 포인트(AP)에게 명령을 내릴 수 있도록 API를 제공하는 제 1 인터페이스(northbound)와,액세스 포인트(AP)가 인식할 수 있는 명령을 전달하기 위해 벤더 사양(vendor-specific) 메시지를 포함하는 OpenFlow 프로토콜을 처리하는 제 2 인터페이스(southbound)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고 모든 액세스 포인트(AP)는 초기 부팅 시 SDN 제어기와 OpenFlow 연결을 생성한 뒤 필요한 정보를 교환하고, 초기 OpenFlow 연결 생성 및 정보 교환 과정에서 각 액세스 포인트(AP)와 SDN 제어기는 OpenFlow 프로토콜 버전을 교환하고, 액세스 포인트(AP)는 자신의 하드웨어 지원 기능을 SDN 제어기에게 제공하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 SDN 제어기의 AP 초기 설정에 의해, 무선 LAN을 구성하는 모든 액세스 포인트(AP)는 모두 같은 BSSID(Basic Service Set IDentifier)와 ESSID(Extended Service Set ID)를 가지도록 설정되며, 보고할 데이터 종류 및 보고 주기가 설정되는 것을 특징으로 한다.
다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 오픈플로우로 제어되는 무선랜 액세스 포인트 시스템의 모바일 단말기 핸드오프 방법은 SDN 기반 무선 LAN에서 모바일 단말기의 초기 연결 과정에서, 설정된 BSSID(Basic Service Set IDentifier)를 사용하여 인증 요청 프레임을 액세스 포인트(AP)에게 전송하는 단계;인증 요청 프레임을 수신한 모든 액세스 포인트(AP)가 수신한 인증 요청 프레임에 대한 이벤트 알림 메시지를 SDN 제어기로 전송하는 단계;SDN 제어기가 여러 액세스 포인트(AP)로부터 모바일 단말기에 대한 정보를 수집한 뒤, 수집된 정보를 기반으로 액세스 포인트(AP)를 선택하는 단계;SDN 제어기가 선택되지 않은 모든 모니터 액세스 포인트(AP)에게 모니터 AP 설정 메시지를 전송하면 이를 수신한 모든 AP는 해당 모바일 단말기의 하드웨어 주소에 대한 모니터링 필터를 설정하는 단계;SDN 제어기가 모든 모니터링 필터 설정이 완료된 모니터 액세스 포인트(AP)로부터 모니터 설정 완료 응답을 받으면, 선택된 서비스 액세스 포인트(AP)에게 서비스 AP 설정 메시지를 전송하는 단계;서비스 AP 설정 메시지를 수신한 액세스 포인트(AP)가 대기 중이던 해당 모바일 단말기에 대한 프레임을 검색하여 인증 응답 프레임을 전송한 후 데이터 통신을 수행하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 SDN 제어기가 선택되지 않은 모든 모니터 액세스 포인트(AP)에게 전송하는 모니터 AP 설정 메시지에는 해당 모바일 단말기의 하드웨어 주소(MAC 주소)가 포함되는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 모니터링 필터는 MAC 관리 모듈 또는 디바이스 드라이버에 위치하여, 해당 하드웨어 주소를 소스 주소로 하는 모든 데이터 패킷의 필요 정보만을 추출한 뒤, 해당 데이터 패킷을 폐기하는 것을 특징으로 한다.
그리고 초기 연결 과정에서, 선택된 서비스 액세스 포인트(AP)와 선택되지 않은 모니터 액세스 포인트(AP)는 SDN 제어기와의 초기 연결 과정에서 보고 데이터 종류와 보고 주기가 설정되는 것을 특징으로 한다.
또 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 오픈플로우로 제어되는 무선랜 액세스 포인트 시스템의 모바일 단말기 핸드오프 방법은 초기 연결 과정이 완료되면, SDN 제어기가 여러 액세스 포인트(AP)로부터 모바일 단말기에 대한 주기적인 모니터링 정보를 수집하는 단계;핸드오프가 필요하다고 판단하면, SDN 제어기가 현재 해당 모바일 단말기가 연결되어 있는 현재 액세스 포인트(AP)에게 모바일 단말기에 대한 정보를 요청하는 단계;핸드오프 대상 모바일 단말기에 대한 정보를 수신한 SDN 제어기가 핸드오프 대상 액세스 포인트(AP)에게 모바일 단말기 정보 제공 메시지와 서비스 AP 설정 메시지를 전송하는 단계;메시지를 수신한 대상 액세스 포인트(AP)가 즉시 모니터링 필터에서 해당 모바일 단말기를 제거하고, 모바일 단말기를 자신이 서비스할 수 있도록 클라이언트 설정을 수행하는 단계;설정이 완료되면 대상 액세스 포인트(AP)가 SDN 제어기에게 서비스 액세스 포인트(AP) 설정 완료 메시지를 전달하고, 이를 수신한 SDN 제어기는 현재 액세스 포인트(AP)에게 모바일 단말기 정보 삭제 메시지와 모니터 AP 설정 메시지를 전송하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 모바일 단말기 정보 삭제 메시지와 모니터 AP 설정 메시지를 수신한 현재 액세스 포인트(AP)는 즉시 모바일 단말기에 대한 모든 정보를 제거하고, 모니터링 필터에 해당 모바일 단말기의 하드웨어 주소를 추가한 뒤 SDN 제어기에게 모니터 설정 완료를 응답하는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 본 발명에 따른 오픈플로우로 제어되는 무선랜 액세스 포인트 시스템 및 그의 모바일 단말기 핸드오프 방법은 다음과 같은 효과를 갖는다.
첫째, WLAN을 구성하는 다수개의 액세스 포인트(AP)와 AP들을 제어하는 SDN 제어기로 구성되어 OpenFlow 기반 소프트웨어 정의 네트워킹으로 제어 가능하다.
둘째, 네트워크 관리자가 SDN 제어기의 노스바운드 인터페이스를 활용한 소프트웨어 구현으로 WLAN을 관리하고, 오플플로우를 활용하여 물리적 혹은 논리적 AP를 제어하여 끊김 없는 핸드오프를 제공할 수 있다.
셋째, SDN 제어기 및 OpenFlow 프로토콜에 vendor-specific 메시지를 추가하여 WLAN을 제어토록 하고, 스위치나 라우터뿐만 아니라 무선 AP도 SDN 제어기가 제어할 수 있도록 한다.
넷째, SDN으로 제어되는 WLAN은 모바일 클라이언트의 네트워크 참여/이탈 시 네트워크 구성에 대한 제어를 수행하고 모바일 클라이언트의 핸드오프 시 이를 원활히 제어/관리할 수 있다.
도 1은 OpenFlow 기반 SDN으로 제어되는 WLAN 구조를 나타낸 구성도
도 2는 OpenFlow 기반 AP의 구조와 그 내부의 제어 메시지 및 데이터 패킷의 흐름을 나타낸 구성도
도 3은 WLAN을 제어하기 위한 SDN 제어기의 상세 구성도
도 4는 SDN 기반 WLAN에서 모바일 터미널의 최초 연결 과정을 나타낸 흐름도
도 5는 SDN 기반 WLAN에서 모바일 터미널의 핸드오프 과정을 나타낸 흐름도
이하, 본 발명에 따른 오픈플로우로 제어되는 무선랜 액세스 포인트 시스템 및 그의 모바일 단말기 핸드오프 방법의 바람직한 실시 예에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 오픈플로우로 제어되는 무선랜 액세스 포인트 시스템 및 그의 모바일 단말기 핸드오프 방법의 특징 및 이점들은 이하에서의 각 실시 예에 대한 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.
도 1은 OpenFlow 기반 SDN으로 제어되는 WLAN 구조를 나타낸 구성도이고, 도 2는 OpenFlow 기반 AP의 구조와 그 내부의 제어 메시지 및 데이터 패킷의 흐름을 나타낸 구성도이다.
본 발명은 네트워크 관리자가 SDN 제어기의 노스바운드 인터페이스를 활용한 소프트웨어 구현으로 WLAN을 관리하고, 오플플로우를 활용하여 물리적 혹은 논리적 AP를 제어하여 끊김 없는 핸드오프를 제공할 수 있도록 한 것이다.
오픈플로우(OpenFlow)로 제어되는 네트워크는 제 2 인터페이스(southbound)로 OpenFlow를 채택한 SDN 제어기와 오픈플로우 스위치로 구성된다.
여기서, 네트워크 내 각 네트워크 개체는 오픈플로우 명세(OpenFlow specification)에 제시되어 있는 프로토콜에 의해 상호 통신한다.
본 발명에 따른 오픈플로우로 제어되는 무선랜 액세스 포인트 시스템은 이러한 SDN의 개념을 무선 네트워크로 확장한다.
즉, 기존 SDN 제어기 및 OpenFlow 프로토콜에 벤더 사양(vendor-specific) 메시지를 추가하여 WLAN을 제어토록 하고, 스위치나 라우터뿐만 아니라 무선 AP도 SDN 제어기가 제어할 수 있도록 한다.
SDN으로 제어되는 WLAN은 모바일 클라이언트의 네트워크 참여/이탈 시 네트워크 구성에 대한 제어를 수행해야 하며, 나아가 모바일 클라이언트의 핸드오프 시 이를 원활히 제어/관리할 수 있어야 한다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 WLAN을 구성하는 복수의 AP에서 오픈플로우를 지원하는 방법과, SDN 제어기에서 복수의 AP를 제어하기 위한 통신 방법과, OpenFlow 프로토콜의 구조, 모바일 클라이언트 관리를 위한 통신 방법을 포함한다.
본 발명에 따른 오픈플로우로 제어되는 무선랜 액세스 포인트 시스템은 도 1에서와 같이, SDN(Software Defined Networking) 제어기(100)와, 복수의 오픈플로우 스위치로 구성되는 유선 LAN(200)과, 복수의 오픈플로우 액세스 포인트(AP)로 구성되는 무선 LAN(300)과, 모바일 단말기(400)들로 구성된다.
본 발명에 따른 오픈플로우로 제어되는 무선랜 액세스 포인트 시스템은 WLAN을 구성하는 복수의 AP의 제어 및 정보 수집을 수행하기 위하여 벤더 사양(vendor-specific) 메시지를 가지도록 오픈플로우 프로토콜이 변경된다.
그리고 확장된 오픈플로우 프로토콜은 두 부류로 나뉜다.
하나는 SDN(Software Defined Networking) 제어기(100)가 AP에게 명령을 전달하거나 AP의 정보를 비 주기적으로 수집하는 데 사용되는 Controller-to-AP 타입이고, 다른 하나는 AP가 SDN 제어기(100)에게 주기적으로 정보를 보고하거나 클라이언트의 네트워크 참여/이탈과 같은 특정 이벤트 발생 시에 사용되는 Asynchronous-AP 타입이다.
Controller-to-AP 타입 메시지에는 AP의 BSSID(Basic Service Set IDentifier) 설정, 동작 채널 설정, ESSID(Extended Service Set ID) 설정, 비컨(beacon) 주기 설정 등과 같은 시스템 정보 설정 명령이 포함되고, 클라이언트 연결 제어 및 정보 요청 등과 같은 클라이언트 제어 명령이 포함된다.
또한 보고되는 메시지 종류 또는 보고 주기를 갖는 보고 제어 명령이 포함되며, 비 주기적인 AP 정보 요청 명령이 포함된다.
Asynchronous-AP 타입 메시지는 주로 주기적인 정보 보고를 위해 사용된다.
여기에는 무선 채널 정보, 인접 채널 정보와 같은 네트워크 사용량이 포함되며, 클라이언트별 채널 점유율 및 채널 사용량 등 주기적으로 보고되는 클라이언트 정보 등이 포함된다.
또한, 클라이언트의 네트워크 참여/이탈과 같은 특정 이벤트 발생 시, 이벤트 상세 정보 등이 포함된다.
도 2는 WLAN을 구성하는 AP의 구조와 제어 메시지 및 데이터 패킷의 흐름을 나타낸다.
WLAN을 구성하는 AP는 디바이스 드라이버(28) 및 무선 네트워크 인터페이스(29)를 포함하고, 복수의 오픈플로우 스위치(23)를 통해 오픈플로우 메시지 및 AP 제어/관리를 위한 메시지의 SDN 제어기(21)와의 송수신을 수행하는 제어 메시지 처리 모듈(24)과, AP 제어 메시지를 처리하고 수신한 명령에 따른 동작을 수행하기 위해 직접 AP 정보를 수정하거나 또는 MAC 관리 모듈(27)과 통신을 수행하는 AP 관리 모듈(25)과, 복수의 오픈플로우 스위치(23)를 통해 게이트웨이(22)와 연결되어 플로우 테이블 변경 등의 데이터패스(datapath)와 관련된 메시지를 처리하는 포워딩 제어 모듈(26)과, Controller-to-AP 타입의 시스템 정보 설정 명령 및 클라이언트 제어 명령을 수행하는 MAC 관리 모듈(27)을 포함한다.
제어 메시지의 경우, SDN 제어기(21)와 AP는 복수의 오픈플로우 스위치(23)를 통해 오픈플로우 메시지를 교환한다. AP 내의 제어 메시지 처리 모듈(24)은 오픈플로우 스펙에 명시되어 있는 메시지뿐만 아니라 AP 제어/관리를 위한 메시지의 송수신을 수행한다.
SDN 제어기(21)로부터 수신한 오픈플로우 메시지가 Controller-to-AP 타입인 경우, 해당 메시지가 AP 제어 메시지라면 AP 관리 모듈(25)에서 인식할 수 있는 명령으로 변환되어 AP 관리 모듈(25)로 전달된다.
SDN 제어기(21)로부터 수신한 오픈플로우 메시지가 Controller-to-AP 타입인 경우, 플로우 테이블 변경 등 데이터패스(datapath)와 관련된 메시지라면 AP 내 포워딩 제어 모듈(26)로 전달된다.
여기에서, AP는 일반적인 스위치와는 달리 유선 인터페이스 혹은 포트가 많지 않으며, 특히 대부분의 AP 장치는 하나의 무선 네트워크 인터페이스(29)를 가지고 있다.
따라서, 데이터패스 제어 메시지 처리와 관련하여, AP는 스위치에서 동작하는 다양한 플로우 관련 처리를 수행할 필요가 거의 없으므로 별도의 경량 포워딩 제어 모듈을 두어 플로우 관련 처리를 수행할 수 있다.
AP가 특정 이벤트를 인지하거나 기 설정된 보고 주기에 의해 Asynchronous-AP 타입 메시지를 SDN 제어기(21)로 전송해야 할 경우, AP 관리 모듈(25)로부터 수신한 이벤트 혹은 보고 메시지를 오픈플로우 프로토콜에 맞게 변환한 뒤 전송한다.
만약 처리할 수 없는 메시지를 수신하거나, 메시지 처리 중 오류가 발생한 경우 SDN 제어기(21)에게 오류 코드를 포함하여 응답한다.
WLAN을 구성하는 복수의 AP는 오픈플로우 메시지를 수신할 뿐만 아니라, SDN 제어기(21)로부터의 명령에 의해 적합한 동작을 수행하여야 한다.
제어 메시지 처리 모듈(24)은 SDN 제어기(21)의 명령 타입에 따라 AP 관리 모듈(25)이 인식할 수 있도록 변환된 명령을 내려준다.
AP 관리 모듈(25)은 수신한 명령에 따른 적절한 동작을 수행하기 위해 직접 AP 정보를 수정하거나 또는 MAC 관리 모듈(27)과 통신을 수행한다.
AP 관리 모듈(25)은 Controller-to-AP 타입의 시스템 정보 설정 명령은 주로 MAC 관리 모듈(27)과 통신하여 명령을 수행하고, 클라이언트 제어 명령은 직접 수행하거나 MAC 관리 모듈(27)과 통신하여 명령을 수행한다.
WLAN을 구성하는 복수의 AP는 OpenFlow 기반 제어 명령을 처리할 뿐만 아니라, 기본적인 AP 기능을 모두 수행한다. 이는 MAC 관리 모듈(27) 또는 AP 관리 모듈(25)에서 수행된다.
또한, 유선 네트워크에서 모바일 단말기로 전송되거나 모바일 단말기에서 유선 네트워크로 전송되는 데이터 패킷은 일반적인 브리지 동작을 수행하거나, SDN 제어기에 의해 설정된 포워딩 제어 모듈에 따라 모바일 단말기 혹은 유선 네트워크로의 포워딩을 수행한다.
SDN 제어기(21)는 기존 시스템의 제어기와 유사한 동작을 수행한다.
여기에서, 본 발명에서 제시하는 시스템을 지원하기 위하여 벤더 사양(vendor-specific) 메시지를 추가로 처리할 수 있는 SDN 제어기 구조는 도 3에서와 같다.
도 3은 WLAN을 제어하기 위한 SDN 제어기의 상세 구성도이다.
SDN 제어기는 제어기 코어 모듈(33), 제 1 인터페이스(northbound)(32), 제 2 인터페이스(southbound)(34)를 포함하고, SDN 제어기 내 제 2 인터페이스(southbound)(34)는 AP가 인식할 수 있는 명령을 전달하기 위해 벤더 사양(vendor-specific) 메시지를 포함하는 OpenFlow 프로토콜을 처리한다.
그리고 SDN 제어기 내 제 1 인터페이스(northbound)(32)는 WLAN 제어 어플리케이션(31)이 복수의 AP에게 명령을 내릴 수 있도록 API를 제공한다.
본 발명에서 제시하는 OpenFlow 기반 SDN으로 제어되는 WLAN을 구성하는 모든 AP는 모두 같은 BSSID와 ESSID를 가지도록 구성된다.
모든 AP는 초기 부팅 시 SDN 제어기와 OpenFlow 연결을 생성한 뒤 필요한 정보를 교환한다. 이러한 초기 OpenFlow 연결 생성 및 정보 교환 과정에서 각 AP와 SDN 제어기는 OpenFlow 프로토콜 버전을 교환하고, AP는 자신의 하드웨어 지원 기능 등을 SDN 제어기에게 제공한다.
또한, SDN 제어기는 AP에게 초기 설정 명령을 전달한다. 이 과정에 의해 각 AP와 SDN 제어기는 처리 가능한 OpenFlow 프로토콜 버전을 기반으로 제어 메시지 및 보고 메시지 교환을 수행하고, SDN 제어기는 각 AP의 기능에 맞는 명령을 전달한다.
또한, SDN 제어기의 AP 초기 설정에 의해 WLAN을 구성하는 모든 AP는 모두 같은 BSSID와 ESSID를 가지도록 설정되며, 보고할 데이터 종류 및 보고 주기 등이 설정된다.
우선, 본 발명에서 제시하는 OpenFlow 기반 SDN으로 제어되는 WLAN은 모바일 단말기에 어떠한 수정도 요구하지 않는다.
본 발명에서 제시하는 WLAN은 모든 AP의 BSSID와 ESSID가 같으므로 WLAN에 참여하려는 모바일 단말기는 AP 스캔 과정에서 단 한 대의 AP만을 인식한다.
이후, 모바일 단말기는 도 4에서와 같이 기 설정된 BSSID를 사용하여 인증 요청(authentication request) 프레임을 AP에게 전송한다.(S401)
모바일 단말기와 인접한 모든 AP는 자신의 BSSID를 목적지로 하는 해당 인증 요청 프레임을 수신할 수 있다.(S402)
인증 요청 프레임을 수신한 모든 AP는 SDN 제어기에게 수신한 인증 요청 프레임에 대한 RSSI나 timestamp 등의 정보를 담은 Asynchronous-AP 타입의 이벤트 알림 메시지를 SDN 제어기에게 전송한다.(S403)(S404)
SDN 제어기는 일정 시간 동안 대기하며 여러 AP로부터 모바일 단말기에 대한 정보를 수집한 뒤, 수집된 정보를 기반으로 하여 모바일 단말기에게 서비스를 제공할 최적의 AP를 선택한다.(S405)
SDN 제어기가 선택한 모바일 단말기에게 서비스를 제공할 최적의 AP를 서비스 AP라 하고, 그 외 WLAN을 구성하는 모든 AP를 해당 모바일 단말기에 대한 모니터 AP(이하 모니터 AP)라 칭한다.
SDN 제어기는 모든 모니터 AP에게 Controller-to-AP 타입의 모니터 AP 설정 메시지를 전송한다.(S406)
이 메시지에는 해당 모바일 단말기의 하드웨어 주소(MAC 주소)가 포함된다. 이 모니터 AP 설정 메시지를 수신한 모든 AP는 해당 모바일 단말기의 하드웨어 주소에 대한 모니터링 필터를 설정한다.(S407)
이 모니터링 필터는 MAC 관리 모듈 혹은 디바이스 드라이버에 위치하여, 해당 하드웨어 주소를 소스 주소로 하는 모든 데이터 패킷의 필요 정보만을 추출한 뒤, 해당 데이터 패킷을 폐기한다.
모니터링 필터 설정이 완료된 AP는 모니터 AP 설정 메시지에 대하여 설정 완료 여부를 응답한다.(S408)
SDN 제어기는 모든 모니터 AP로부터 모니터 설정 완료 응답을 받으면 서비스 AP에게 Controller-to-AP 타입의 서비스 AP 설정 메시지를 전송한다.(S409)
이 메시지에는 해당 모바일 단말기의 하드웨어 주소가 포함된다. 이 서비스 AP 설정 메시지를 수신한 AP는 대기 중이던 인증 요청 프레임 중 해당 모바일 단말기에 대한 프레임을 검색하여 인증 응답 프레임을 전송한다.(S410)
그런 다음, 802.11 표준에 의한 연결 성립 과정에 의해 관리 프레임들을 교환한 후(S411) 데이터 통신을 수행한다.(S413)
서비스 AP는 자신에게 연결된 모바일 터미널이 송신하는 모든 데이터 패킷에 대해 필요 정보를 추출한 뒤, 해당 데이터 패킷을 처리한다.
도 5는 SDN 기반 WLAN에서 모바일 터미널의 핸드오프 과정을 나타낸 흐름도이다.
도 4에서와 같은 초기 연결 과정이 완료되어, 서비스 AP와 모니터 AP는 SDN 제어기와의 초기 연결 과정에서 보고 데이터 종류와 보고 주기가 설정된다.(S501)(S502)
이후, WLAN에 참여한 모바일 단말기에게 무선 서비스를 제공하는 중에 기 설정된 데이터 종류 및 보고 주기에 따라 SDN에게 Asynchronous-AP 타입의 보고 메시지를 주기적으로 전송한다.(S503)(S504)
그리고 모바일 단말기가 이동하거나 무선 채널 환경 변화 등으로 인해 핸드오프가 필요한 경우가 존재한다.
SDN 제어기는 여러 AP로부터 모바일 단말기에 대한 주기적인 모니터링 정보를 수집하여 데이터베이스에 저장한다. 그런 다음, 주기적으로 모든 모바일 단말기에 대한 핸드오프 필요성을 판단한다.(S505)
도 5는 본 발명에서 제시하고 있는 WLAN 상에서의 핸드오프 과정을 나타낸 것이다.
만약, 핸드오프가 필요하다고 판단하면, SDN 제어기는 현재 해당 모바일 터미널이 연결되어 있는 AP(이하, 현재 AP)에게 모바일 단말기에 대한 정보를 요청하고(S506), 현재 AP는 해당 모바일 단말기에 대한 정보를 SDN 제어기에게 제공한다.(S507)
여기서, 모바일 단말기 정보는 다양하게 구성될 수 있으며 802.11 연결 성립 과정에 의해 획득되는 대부분의 정보를 포함한다.
핸드오프 대상 모바일 단말기에 대한 정보를 수신한 SDN 제어기는 핸드오프 대상 AP(이하, 대상 AP)에게 Controller-to-AP 타입의 모바일 단말기 정보 제공 메시지와 서비스 AP 설정 메시지를 전송한다.(S508)
이 메시지를 수신한 대상 AP는 즉시 모니터링 필터에서 해당 모바일 단말기를 제거하고(S509), 모바일 단말기를 자신이 서비스할 수 있도록 클라이언트 설정을 수행한다.(S510)
이러한 설정이 완료되면 대상 AP는 SDN 제어기에게 서비스 AP 설정 완료 메시지를 전달한다.(S511)
대상 AP로부터 서비스 AP 설정 완료 메시지를 수신한 SDN 제어기는 현재 AP에게 Controller-to-AP 타입의 모바일 단말기 정보 삭제 메시지와 모니터 AP 설정 메시지를 전송한다.(S512)
이 메시지를 수신한 현재 AP는 즉시 모바일 단말기에 대한 모든 정보를 제거하고(S513), 모니터링 필터에 해당 모바일 단말기의 하드웨어 주소를 추가한 뒤 제어기에게 모니터 설정 완료를 응답한다.(S514)(S515)
이러한 핸드오프 과정에서, 모바일 단말기는 핸드오프를 위한 어떠한 관리 프레임의 교환이 요구되지 않는다. 또한 서비스 AP를 짧은 기간 중첩되도록 핸드오프 프로세스를 진행함으로써 모바일 단말기에게 끊김 없는 무선 네트워크 서비스를 제공할 수 있게 된다.
이와 같은 본 발명에 따른 오픈플로우로 제어되는 무선랜 액세스 포인트 시스템 및 그의 모바일 단말기 핸드오프 방법은 네트워크 관리자가 SDN 제어기의 노스바운드 인터페이스를 활용한 소프트웨어 구현으로 WLAN을 관리하고, 오플플로우를 활용하여 물리적 혹은 논리적 AP를 제어하여 끊김 없는 핸드오프를 제공할 수 있도록 한 것이다.
이상에서의 설명에서와 같이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 본 발명이 구현되어 있음을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 명시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 하고, 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구 범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
21. SDN 제어기 22. 게이트웨이
23. 오플플로우 스위치 24. 제어 메시지 처리 모듈
25. AP 관리 모듈 26. 포워딩 제어 모듈
27. MAC 관리 모듈 28. 디바이스 드라이버
29. 무선 네트워크 인터페이스

Claims (15)

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  10. SDN 기반 무선 LAN에서 모바일 단말기의 초기 연결 과정에서,
    설정된 BSSID(Basic Service Set IDentifier)를 사용하여 인증 요청 프레임을 액세스 포인트(AP)에게 전송하는 단계;
    인증 요청 프레임을 수신한 모든 액세스 포인트(AP)가 수신한 인증 요청 프레임에 대한 이벤트 알림 메시지를 SDN 제어기로 전송하는 단계;
    SDN 제어기가 여러 액세스 포인트(AP)로부터 모바일 단말기에 대한 정보를 수집한 뒤, 수집된 정보를 기반으로 액세스 포인트(AP)를 선택하는 단계;
    SDN 제어기가 선택되지 않은 모든 모니터 액세스 포인트(AP)에게 모니터 AP 설정 메시지를 전송하면 이를 수신한 모든 AP는 해당 모바일 단말기의 하드웨어 주소에 대한 모니터링 필터를 설정하는 단계;
    SDN 제어기가 모든 모니터링 필터 설정이 완료된 모니터 액세스 포인트(AP)로부터 모니터 설정 완료 응답을 받으면, 선택된 서비스 액세스 포인트(AP)에게 서비스 AP 설정 메시지를 전송하는 단계;
    서비스 AP 설정 메시지를 수신한 액세스 포인트(AP)가 대기 중이던 해당 모바일 단말기에 대한 프레임을 검색하여 인증 응답 프레임을 전송한 후 데이터 통신을 수행하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 오픈플로우로 제어되는 무선랜 액세스 포인트 시스템의 모바일 단말기 핸드오프 방법.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 SDN 제어기가 선택되지 않은 모든 모니터 액세스 포인트(AP)에게 전송하는 모니터 AP 설정 메시지에는 해당 모바일 단말기의 하드웨어 주소(MAC 주소)가 포함되는 것을 특징으로 하는 오픈플로우로 제어되는 무선랜 액세스 포인트 시스템의 모바일 단말기 핸드오프 방법.
  12. 제 10 항에 있어서, 상기 모니터링 필터는 MAC 관리 모듈 또는 디바이스 드라이버에 위치하여, 해당 하드웨어 주소를 소스 주소로 하는 모든 데이터 패킷의 필요 정보만을 추출한 뒤, 해당 데이터 패킷을 폐기하는 것을 특징으로 하는 오픈플로우로 제어되는 무선랜 액세스 포인트 시스템의 모바일 단말기 핸드오프 방법.
  13. 제 10 항에 있어서, 초기 연결 과정에서,
    선택된 서비스 액세스 포인트(AP)와 선택되지 않은 모니터 액세스 포인트(AP)는 SDN 제어기와의 초기 연결 과정에서 보고 데이터 종류와 보고 주기가 설정되는 것을 특징으로 하는 오픈플로우로 제어되는 무선랜 액세스 포인트 시스템의 모바일 단말기 핸드오프 방법.
  14. 초기 연결 과정이 완료되면, SDN 제어기가 여러 액세스 포인트(AP)로부터 모바일 단말기에 대한 주기적인 모니터링 정보를 수집하는 단계;
    핸드오프가 필요하다고 판단하면, SDN 제어기가 현재 해당 모바일 단말기가 연결되어 있는 현재 액세스 포인트(AP)에게 모바일 단말기에 대한 정보를 요청하는 단계;
    핸드오프 대상 모바일 단말기에 대한 정보를 수신한 SDN 제어기가 핸드오프 대상 액세스 포인트(AP)에게 모바일 단말기 정보 제공 메시지와 서비스 AP 설정 메시지를 전송하는 단계;
    메시지를 수신한 대상 액세스 포인트(AP)가 즉시 모니터링 필터에서 해당 모바일 단말기를 제거하고, 모바일 단말기를 자신이 서비스할 수 있도록 클라이언트 설정을 수행하는 단계;
    설정이 완료되면 대상 액세스 포인트(AP)가 SDN 제어기에게 서비스 액세스 포인트(AP) 설정 완료 메시지를 전달하고, 이를 수신한 SDN 제어기는 현재 액세스 포인트(AP)에게 모바일 단말기 정보 삭제 메시지와 모니터 AP 설정 메시지를 전송하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 오픈플로우로 제어되는 무선랜 액세스 포인트 시스템의 모바일 단말기 핸드오프 방법.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 모바일 단말기 정보 삭제 메시지와 모니터 AP 설정 메시지를 수신한 현재 액세스 포인트(AP)는 즉시 모바일 단말기에 대한 모든 정보를 제거하고, 모니터링 필터에 해당 모바일 단말기의 하드웨어 주소를 추가한 뒤 SDN 제어기에게 모니터 설정 완료를 응답하는 것을 특징으로 하는 오픈플로우로 제어되는 무선랜 액세스 포인트 시스템의 모바일 단말기 핸드오프 방법.

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정상화, "OpenFlow 기반 WLAN AP 통합제어관리기술", KRnet 2013: WLAN Evolution, pp. 1-38, (2013.06.24) *
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