KR20080002350A - 이종 무선망에서의 명시적 핸드오프 통지를 통한 패킷 복구및 혼잡 제어 방법 - Google Patents

이종 무선망에서의 명시적 핸드오프 통지를 통한 패킷 복구및 혼잡 제어 방법 Download PDF

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KR20080002350A
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Abstract

1. 청구범위에 기재된 발명이 속한 기술분야
본 발명은 이종 무선망에서의 명시적 핸드오프 통지를 통한 패킷 복구 및 혼잡 제어 방법과, 상기 방법을 실현시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 관한 것임.
2. 발명이 해결하려고 하는 기술적 과제
본 발명은 핸드오프로 인한 패킷 손실을 신속히 복구하고, 수직적 혹은 수평적 핸드오프에 따라 혼잡 제어를 수행하기 위한 이종 무선망에서의 명시적 핸드오프 통지를 통한 패킷 복구 및 혼잡 제어 방법과, 상기 방법을 실현시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 제공하는데 그 목적이 있음.
3. 발명의 해결방법의 요지
본 발명은, 이종 무선망 환경에서 패킷 복구 및 혼잡 제어 방법에 있어서, 이동 단말(TCP 수신원)이 링크 계층 정보를 바탕으로 임박한 핸드오프를 감지하는 단계; 임박한 핸드오프 감지시, 상기 이동 단말(TCP 수신원)이 '전송하려는 TCP 헤더에 윈도우 필드 값을 영으로 하는 ACK 패킷'(ZWA 패킷)을 TCP 송신원으로 전송하는 단계; 및 핸드오프 완료시, 상기 이동 단말이 핸드오프로 인한 패킷 손실과 핸드오프 유형을 EHN(Explicit Handoff Notification) 패킷의 TCP 헤더의 EHN, EVHN(Explicit Vertical Handoff Notification) 비트를 통하여 상기 TCP 송신원에게 전달하는 단계를 포함한다.
4. 발명의 중요한 용도
본 발명은 TCP 패킷 복구 및 혼잡 제어 시스템 등에 이용됨.
TCP 성능 향상, 핸드오프, 수평적 핸드오프, 수직적 핸드오프, 패킷 손실, 혼잡 제어

Description

이종 무선망에서의 명시적 핸드오프 통지를 통한 패킷 복구 및 혼잡 제어 방법{Method for packet recovery and congestion control through explicit handoff notification in heterogeneous wireless mobile networks}
도 1 은 본 발명이 적용되는 TCP를 기반으로 한 패킷 복구 및 혼잡 제어 시스템의 구성예시도,
도 2 는 본 발명에 따른 TCP 송신원 및 TCP 수신원(이동단말)의 핸드오프 시 패킷 복구 방법에 대한 일실시예 설명도,
도 3a 는 본 발명에 따른 TCP 수신원(이동단말)의 명시적 핸드오프 통지 방법에 대한 일실시예 흐름도,
도 3b 는 본 발명에 따른 TCP 수신원(이동단말)의 수평적 및 수직적 핸드오프 완료 통지 방법에 대한 일실시예 흐름도,
도 4 는 본 발명에 따른 TCP 송신원의 혼잡 제어 방법을 도시한 흐름도,
도 5 는 본 발명에 따른 혼잡 회피(Congestion Avoidance) 알고리즘과 slow start 알고리즘의 일실시예 설명도,
도 6 는 본 발명에 따른 TCP 송신원의 패킷 손실 복구 방법에 대한 일실시예 흐름도,
도 7 은 본 발명이 적용되는 핸드오프 시 TCP 성능 분석 시뮬레이션을 위한 유무선망의 일실시예 구성도,
도 8a 는 종래의 Freeze TCP SACK의 수평적 핸드오프 시 패킷 순서번호에 대한 일실시예 설명도,
도 8b 는 본 발명에 따른 수평적 핸드오프 시 패킷 순서번호에 대한 일실시예 설명도,
도 9a는 종래의 Freeze TCP SACK의 하향 수직적 핸드오프 시 패킷 순서번호에 대한 일실시예 설명도,
도 9b는 본 발명에 따른 하향 수직적 핸드오프 시 패킷 순서번호에 대한 일실시예 설명도,
도 10a는 종래의 Freeze TCP SACK의 상향 수직적 핸드오프 시 패킷 순서번호에 대한 일실시예 설명도,
도 10b는 본 발명에 따른 상향 수직적 핸드오프 시 패킷 순서번호에 대한 일실시예 설명도이다.
본 발명은 이종 무선망에서의 명시적 핸드오프 통지를 통한 패킷 복구 및 혼잡 제어 방법과, 상기 방법을 실현시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 관한 것으로, 보다 상세하게는 명시적 핸드오프 통지를 통해 핸드오프로 인한 패킷 손실을 신속히 복구함과 동시에 수직적 혹은 수평적 핸드오프에 따라 혼잡 제어를 수행하는, 이종 무선망에서의 명시적 핸드오프 통지를 통한 패킷 복구 및 혼잡 제어 방법과, 상기 방법을 실현시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 관한 것이다.
오늘날 인터넷은 유무선망이 혼합된 형태로 진화하고 있다. 이에 따라 GPRS(General Packet Radio Service)/UMTS(Universal Mobile Telecommunications System), WiBro(Wireless Broadband), WLAN(Wireless Local Area Network)과 같이 서로 다른 대역폭, 지연, 그리고 서비스 영역을 제공하는 다양한 무선망이 공존하는 환경에서 끊김이 없는 서비스를 제공하는 것이 중요한 문제로 대두되고 있다. 현재 인터넷 트래픽의 대부분은 전송 프로토콜로 TCP(Transmission Control Protocol)를 사용하고 있다. 하지만, TCP는 기본적으로 유선망을 가정하여 설계되었기 때문에, 망에서 패킷 손실이 발생할 경우 이를 망의 혼잡으로 간주하여 TCP송신원은 더 이상의 혼잡을 방지하기 위해 데이터의 전송률을 낮추는 혼잡 제어를 수행한다. 따라서, 망의 혼잡과 무관한 패킷 손실 즉, 핸드오프에 의한 패킷 손실을 망의 혼잡으로 판단하는 TCP는 유무선 통합망 환경에서 수율이 저하되는 문제점이 있다.
현재까지, 이러한 TCP의 문제점을 개선하기 위해 I-TCP(Indirect-TCP)와 같은 연결 분리 방식, 'Snoop' 모듈과 같은 지역적 재전송 방식, 그리고 Freeze TCP와 같은 종단간 방식 등이 연구되어 왔다.
I-TCP와 같은 연결 분리 방식은 종단간 연결을 무선 구간과 유선 구간으로 분리하여 이동성 및 무선 링크의 높은 비트 오류율(BER : Bit Error Rate)로 야기되는 문제를 무선망 내에서 처리하는 방식으로, 핸드오프 시 기지국(BS : Base Station)에서 관리하는 TCP의 상태 정보 및 버퍼링된 데이터를 새로운 기지국(BS)으로 전달해야하므로, 오버헤드가 크다는 단점을 가진다.
그리고, 지역적 재전송 방식은 기지국(BS)와 같은 무선망의 중간 노드에서 버퍼링을 통해 무선 링크상에서 손실된 패킷을 재전송하는 방식으로, 핸드오프 시 TCP의 성능 향상 보다는 무선 링크의 오류로 인한 TCP의 성능 저하 문제의 개선에 초점을 맞추고 있다.
상기의 연결 분리 방식 및 지역적 재전송 방식은 IPsec(Internet Protocol Security Protocol )과 같은 보안 프로토콜이 사용될 경우 적용이 어렵다는 문제점이 있다.
Freeze TCP는 핸드오프 시 TCP 성능 향상을 위한 대표적 종단간 방식으로, TCP 수신 원인 이동 단말은 신호 세기를 기반으로 임박한 핸드오프를 예측하고 ZWA(Zero Window Advertisement) 패킷을 송신원에게 전송한다. 이때, ZWA는 수신측의 버퍼 크기를 나타내는 awnd(Advertisement Window)를 '0'으로 한 패킷을 의미한다. TCP 송신원은 ZWA를 받는 즉시 'persist' 모드로 전환, 재전송 타이머 및 데이터 전송을 중지한다. 이동 단말은 핸드오프가 끝나는 즉시 awnd가 0보다 큰 값으로 설정된 3개의 중복된 ACK를 전송하여 데이터 전송을 재개한다.
이상적으로 Freeze TCP는 핸드오프가 일어나기 왕복시간(RTT : Round Trip Time)전에 ZWA를 전송하여야 한다. 핸드오프가 일어나는 시간과 이동 단말이 ZWA를 전송하는 시간의 차이를 WP(warning period)라고 하며, 핸드오프로 인한 패킷 손실을 방지하기 위해서 Freeze TCP는 'WP'를 정확히 계산하여야 한다. 'WP'가 왕복시간(RTT)보다 큰 경우 송신원은 연결 단절이 일어나기 전에 전송을 중지하기 때문에 TCP의 수율이 저하된다. 이와 반대로 왕복시간(RTT)보다 'WP'가 작은 경우 Freeze TCP는 핸드오프로 인한 패킷 손실을 막을 수 없다. 하지만, 실질적으로 TCP 수신원 측에서는 왕복시간(RTT)를 측정할 수 있는 방법이 없으며, 이동 단말은 핸드오프가 일어날 시점을 정확히 예측하는 메커니즘을 필요로 한다. 또한, 역방향 경로의 가변적인 큐잉 지연으로 인해 이상적인 'WP'의 계산은 실제 구현상에 어려움이 있다.
상기와 같은 TCP의 문제점을 개선하기 위한 방식들은 대부분 동일한 무선 접속 기술로 이루어진 망을 고려하여 개발되었기 때문에, 수직적 핸드오프 시 발생하는 TCP의 성능 저하 문제를 효과적으로 해결할 수 없다는 문제점이 있다. 또한, 최근의 수직적 핸드오프 시 TCP 성능 분석에 관한 대부분의 연구는 핸드오프 지연 시간으로 인한 TCP 성능 저하 문제와 그 지연 시간을 줄이는 방식을 중심으로 진행되고 있다.
따라서, 핸드오프로 인한 패킷 손실을 효율적으로 복구하고, 부정확한 'WP'에 대해서도 견고하여 수직적 핸드오프 시 새로운 망의 대역을 보다 효과적으로 사용할 수 있는 방안이 절실히 요구된다.
본 발명은 상기와 같은 요구에 부응하기 위하여 제안된 것으로, 명시적 핸드오프 통지를 통해 핸드오프로 인한 패킷 손실을 신속히 복구하고, 수직적 혹은 수평적 핸드오프에 따라 혼잡 제어를 수행하기 위한 이종 무선망에서의 명시적 핸드오프 통지를 통한 패킷 복구 및 혼잡 제어 방법과, 상기 방법을 실현시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 이종 무선망 환경에서 패킷 복구 및 혼잡 제어 방법에 있어서, 이동 단말(TCP 수신원)이 링크 계층 정보를 바탕으로 임박한 핸드오프를 감지하는 단계; 임박한 핸드오프 감지시, 상기 이동 단말(TCP 수신원)이 '전송하려는 TCP 헤더에 윈도우 필드 값을 영으로 하는 ACK 패킷'(ZWA 패킷)을 TCP 송신원으로 전송하는 단계; 및 핸드오프 완료시, 상기 이동 단말이 핸드오프로 인한 패킷 손실과 핸드오프 유형을 EHN(Explicit Handoff Notification) 패킷의 TCP 헤더의 EHN, EVHN(Explicit Vertical Handoff Notification) 비트를 통하여 상기 TCP 송신원에게 전달하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은, 상기 ZWA 패킷 수신시, 상기 TCP 송신원이 전송을 중지하는 단계; 상기 EHN 패킷 수신시, 상기 TCP 송신원이 핸드오프에 의한 오류를 예측하여 이를 복구하는 단계; 및 상기 TCP 송신원이 핸드오프 유형에 따라 혼잡 제어를 달리 수행하는 단계를 더 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
그리고, 본 발명은, 이종 무선망 환경에서 패킷 복구 및 혼잡 제어 방법에 있어서, 이동 단말(TCP 수신원)로부터 '전송하려는 TCP 헤더에 윈도우 필드 값을 영으로 하는 ACK 패킷'(ZWA 패킷) 수신시, TCP 송신원이 재전송 타이머를 중지시키고 전송을 중지하는 단계; 및 상기 TCP 송신원이 핸드오프 완료시 보고되는 상기 이동 단말로부터의 ‘핸드오프로 인한 패킷 손실과 핸드오프 유형 정보를 포함한 EHN(Explicit Handoff Notification) 패킷’을 바탕으로 핸드오프로 인한 패킷 손실을 예측 및 복구하고, 핸드오프 유형에 따라 혼잡 제어를 달리 수행하는 혼잡 및 오류 제어 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명은, 명시적 핸드오프 통지를 통한 패킷 복구 및 혼잡 제어를 위하여, 프로세서를 구비한 인터넷 시스템에, 이동 단말(TCP 수신원)이 링크 계층 정보를 바탕으로 임박한 핸드오프를 감지하는 기능; 임박한 핸드오프 감지시, 상기 이동 단말(TCP 수신원)이 '전송하려는 TCP 헤더에 윈도우 필드 값을 영으로 하는 ACK 패킷'(ZWA 패킷)을 TCP 송신원으로 전송하는 기능; 및 핸드오프 완료시, 상기 이동 단말이 핸드오프로 인한 패킷 손실과 핸드오프 유형을 EHN(Explicit Handoff Notification) 패킷의 TCP 헤더의 EHN, EVHN(Explicit Vertical Handoff Notification) 비트를 통하여 상기 TCP 송신원에게 전달하는 기능을 실현시키기 위 한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 제공한다.
그리고, 본 발명은, 명시적 핸드오프 통지를 통한 패킷 복구 및 혼잡 제어를 위하여, 프로세서를 구비한 인터넷 시스템에, 이동 단말(TCP 수신원)로부터 '전송하려는 TCP 헤더에 윈도우 필드 값을 영으로 하는 ACK 패킷'(ZWA 패킷) 수신시, TCP 송신원이 재전송 타이머를 중지시키고 전송을 중지하는 기능; 및 상기 TCP 송신원이 핸드오프 완료시 보고되는 상기 이동 단말로부터의 ‘핸드오프로 인한 패킷 손실과 핸드오프 유형 정보를 포함한 EHN(Explicit Handoff Notification) 패킷’을 바탕으로 핸드오프로 인한 패킷 손실을 예측 및 복구하고, 핸드오프 유형에 따라 혼잡 제어를 달리 수행하는 기능을 실현시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 제공한다.
본 발명은, Freeze TCP와 유사하게 'end-to-end semantics'를 유지하고, 핸드오프가 일어나기 전 데이터 전송을 중지하여 핸드오프로 인한 패킷 손실을 방지하며, 중간 노드의 수정이 불필요하다는 것을 특징으로 한다. 하지만, 본 발명은, 'WP'의 정확도에 따라 성능이 저하되는 Freeze TCP와는 달리, 명시적 핸드오프 정보를 사용하여 핸드오프로 인해 손실된 패킷을 효율적으로 복구할 수 있기 때문에 부정확한 'WP'에 대해서도 견고하다는 장점을 가지며, 수직적 핸드오프 시 새로운 망의 대역을 보다 효과적으로 사용할 수 있다.
본 발명에서의 TCP 수신원(이동단말)은 IEEE 802.21 MIH(Media Independent Handover)와 같은 링크 계층의 정보를 바탕으로 임박한 핸드오프를 감지(예측)하여 적어도 하나 이상의 ZWA 패킷을 TCP 송신원에게 전송한다. 또한, TCP 수신원(이동 단말)은 핸드오프가 완료되는 즉시, 전송을 재개하기 위해 3개 이상의 중복된 EHN 패킷을 TCP 송신원으로 전송한다. 여기서, EHN 패킷은 TCP ACK 패킷에 명시적인 핸드오프 정보가 포함된 패킷으로, TCP 수신원(이동단말)이 가장 최근에 수신한 패킷의 순서번호를 인증(acknowledge)한다. 그리고, TCP 수신원(이동단말)은 핸드오프가 완료되는 즉시, IEEE 802.21 MIH에서 제공하는 링크 계층 및 망의 정보를 이용하여 핸드오프의 유형이 수직적인지 수평적인지를 판단하고, 수평적인 핸드오프인 경우에는 TCP 수신원(이동단말)은 EHN 패킷의 EHN 비트만을 마킹하고, 수직적인 핸드오프인 경우에는 EHN 비트와 EVEN(Explicit Vertical Handoff Notification) 비트 모두를 마킹한다. 이때, EHN, EVHN을 위한 2비트는 TCP 헤더의 예약 필드 혹은 TCP 옵션을 이용하여 전달 가능하며, 본 발명에서는 TCP 헤더의 예약된 2비트를 사용하는 것으로 한다.
또한, ZWA 패킷을 수신하여 전송을 중지하였던 TCP 송신원은 EHN 패킷을 수신하는 즉시 전송을 재개하는데, 이때 TCP 송신원은 자신이 TCP 수신원(이동단말)으로 전송한 패킷에 대해 EHN으로 ACK 되지 않은 패킷(즉, outstanding 패킷)들을 핸드오프로 인해 연속적으로 손실되었다고 판단한다. 다시 말해서, TCP 송신원은 EHN 패킷으로 갱신된 SND.UNA에서 SND.NXT까지의 패킷은 모두 핸드오프로 인해 연속적으로 손실되었다고 판단하여, SND.NXT의 값을 SND.UNA로 설정한다. 여기서, SND.UNA, SND.NXT는 TCP 송신원에서 전송 버퍼 관리를 위해 사용되는 변수로, 각각 ACK를 수신하지 못한 가장 낮은 패킷의 순서번호와 현재 보내고자 하는 패킷의 순서번호를 의미한다.
TCP는 EHN 비트와 EVHN 비트를 이용하여 TCP 수신원(이동단말)이 겪은 핸드오프가 수평적 핸드오프인지 수직적 핸드오프인지를 판단한다. 수평적 핸드오프 후 본 발명에서는 핸드오프 이전의 혼잡 윈도우(cwnd : Congestion Window) 값과 재전송 타임아웃(RTO : Retransmission Timeout) 관련 변수 즉, 왕복시간(RTT : Round Trip Time), 평균 왕복시간(SRTT : Smoothed Round Trip Time), 왕복시간 편차(RTTVAR : Round Trip Time Variation), 재전송 타임아웃(RTO) 값을 이용하여 전송을 재개한다.
반면, 수직적 핸드오프 이후 본 발명에서는 ssthresh와 cwnd를 각각 임의의 큰 값과 '1'로 설정하고, 수정된 slow start 알고리즘을 수행한다.
본 발명의 수정된 slow start 방식은 혼잡 회피(Congestion Avoidance) 모드와 slow start 모드로 나누어진다. TCP 송신원은 수정된 slow start 단계에서 RTT의 변화량을 측정하여, RTT가 증가 추세에 있다면, 병목 구간에서 큐잉 지연이 발생한다고 판단하여 기존 TCP의 slow start와 같이 cwnd를 지수적으로 증가시키며, 이와 반대로 RTT가 감소 추세인 경우 TCP는 현재 망의 대역을 효율적으로 사용하지 못한다고 판단하고, 기존 TCP의 혼잡 회피(Congestion Avoidance)와 같이 cwnd를 선형적으로 증가시킨다. 본 발명에서 제시하는 수정된 slow start 알고리즘은 TCP 송신원이 첫 번째 패킷 손실을 경험할 때까지 수행된다. 첫 번째 패킷 손실 후, TCP 송신원의 동작은 기존의 TCP 동작을 따른다.
TCP는 RTT 측정을 통해 평균 RTT(SRTT)와 RTT 편차(RTTVAR)를 계산하고, 이를 바탕으로 RTO 값을 계산한다. 수직적 핸드오프 시 새로운 망의 RTT는 이전 망의 RTT와 큰 차이를 가질 수 있으며, 이러한 경우, RTO 값이 새로운 망에 타당한 값으로 수렴하기 위해서는 오랜 시간을 필요로 한다. TCP 수신원(이동단말)이 RTT가 큰 망에서 작은 망으로 이동한 경우 TCP 수신원(이동단말)은 RTO 이후 ACK를 수신할 수 있다. 이러한 경우, TCP는 불필요한 패킷을 재전송하고, cwnd, ssthresh의 값을 1/2로 줄이기 때문에 TCP 성능이 저하된다. 이와 반대로 TCP 수신원(이동단말)이 RTT가 긴 망에서 짧은 망으로 이동하는 경우, TCP는 실제 패킷 손실이 일어나 RTO를 통해 복구해야 할 때, 불필요하게 오랜 시간을 기다려야 하는 문제점을 가진다. 이러한 문제점을 해결하기 위해, 본 발명에서의 TCP 송신원은 수직적 핸드오프 후 TCP의 RTO 관련 파라미터, 즉 RTT, SRTT, RTTVAR, RTO와 같은 변수를 초기화한다.
상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1 은 본 발명이 적용되는 TCP를 기반으로 한 패킷 복구 및 혼잡 제어 시스템의 구성예시도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, TCP를 기반으로 한 패킷 복구 및 혼잡 제어 시스템은, TCP 연결 설정을 요구하여 TCP 트래픽을 발생시키기 위한 TCP 송신원(10)과, 핸드오프 예측 시 ZWA(Zero Window Advertisement) 패킷을 TCP 송신원(10)으로 전송하고, 핸드오프 완료 시 3개 이상의 EHN(Explicit Handoff Notification) 패킷을 TCP 송신원(10)으로 전송하기 위한 TCP 수신원인 이동단말(20)로 구성된다.
TCP 수신원(이동단말)(20)은 현재의 무선망(30)에서 임박한 핸드오프를 감지(예측)하면 ZWA 패킷을 TCP 송신원(10)에게 전송하고(11), 새로운 무선망(40)으로 이동한 후, 3개 이상의 중복된 EHN 패킷을 TCP 송신원(10)에게 전송하여(12) 핸드오프가 완료되었음을 통지한다.
이와 같이 동작하는 TCP 송신원(10)과, TCP 수신원(이동단말)(20)의 동작 과정을 하기의 도 2를 참조하여 보다 상세하게 살펴보기로 한다.
도 2 는 본 발명에 따른 TCP 송신원 및 TCP 수신원(이동단말)의 핸드오프 시 패킷 복구 방법에 대한 일실시예 설명도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, TCP 수신원(이동단말)(20)은 패킷 '6'을 수신한 상태에서 임박한 핸드오프를 감지(예측)하여 awnd(Advertisement Window)가 '0'인 ACK 7(ZWA)을 TCP 송신원(10)에게 전송한다. 이때, TCP 송신원(10)이 TCP 수신원(이동단말)(20)으로부터 ACK 7(ZWA)을 수신했을 때, TCP 송신원(10)의 SND.UNA의 값은 7이고, TCP 송신원(10)의 SND.NXT 값은 10이다.
'WP'가 왕복시간(RTT)보다 작아 핸드오프로 인해 TCP 수신원(이동단말)(20)으로부터 TCP 송신원(10)으로 전송된 패킷 '8'과 패킷 '9'와 ACK 8(ZWA)이 손실되면, TCP 수신원(이동단말)(20)은 자신이 가장 최근에 성공적으로 수신한 패킷, 즉 ACK 8에 EHN 정보를 마킹하여 TCP 송신원(10)에게 전송한다.
그리고, TCP 송신원(10)은 EHN 패킷(EHN 정보를 마킹한 ACK 8)이 인증(acknowledge)하고 있는 ACK 8(EHN)로부터 이전에 전송한 패킷 '8'과 패킷 '9'가 핸드오프로 인해 손실되었음을 알 수 있다. 따라서, SND.NXT 값을 SND.UNA로 조정하여 전송을 재개하여 손실된 패킷을 복구한다.
도 3a 는 본 발명에 따른 TCP 수신원(이동단말)의 명시적 핸드오프 통지 방법에 대한 일실시예 흐름도이다.
TCP 수신원(이동단말)(20)이 IEEE 802.21 MIH(Media Independent Handover)와 같은 링크 계층의 정보 바탕으로 임박한 핸드오프를 예측하면(201), TCP 수신원(이동단말)(20)은 TCP 송신원(10)에게 전송하려는 ACK 패킷의 TCP 헤더 내에 존재하는 window 필드를 '0'으로 설정하고(202), 해당 ACK 패킷을 TCP 송신원(10)에게 전송한다(203).
도 3b 는 본 발명에 따른 TCP 수신원(이동단말)의 수평적 및 수직적 핸드오프 완료 통지 방법에 대한 일실시예 흐름도이다.
먼저, TCP 수신원(이동단말)(20)이 새로운 무선망으로 이동하여 핸드오프가 완료되면(301), TCP 송신원(10)으로부터 가장 최근에 수신한 패킷의 가장 큰 순서번호를 인증(acknowledge)하는 ACK 패킷을 생성하고(302), 생성된 ACK 패킷의 TCP 헤더 내에 존재하는 EHN 비트를 '1'로 설정한다(303).
이후, TCP 수신원(이동단말)(20)이 IEEE 802.21 MIH(Media Independent Handover)와 같은 링크 계층의 정보를 바탕으로 핸드오프 유형이 수평적인지 수직적인지를 판단하여(304), 핸드오프 유형이 수평적이면(수평적 핸드오프이면) 생성 된 ACK 패킷 즉, EHN 패킷(EHN 비트가 '1'로 설정된 패킷)을 TCP 송신원(10)에게 3번 이상 전송하여 핸드오프가 완료되었다는 것을 통지하고(305), 핸드오프 유형이 수직적이면(수직적 핸드오프이면) ACK 패킷의 TCP 헤더 내의 EVHN 비트를 '1'로 설정하여(306) EHN 비트의 EVHN 비트가 '1'로 설정된 ACK 패킷을 TCP 송신원(10)에게 3번 이상 전송하여 핸드오프가 완료되었다는 것을 통지한다(306).
도 4 는 본 발명에 따른 TCP 송신원의 혼잡 제어 방법을 도시한 흐름도이다.
먼저, TCP 송신원(10)이 TCP 수신원(이동단말)(20)으로부터 ACK 패킷을 수신하면(401), ACK 패킷의 TCP 헤더 내의 window 필드를 검사하여(402), window 값이 '0'이라면(ZWA 패킷이라면) TCP 송신원(10)은 'persist' 모드로 동작하게 되어 재전송 타이머를 중지시키고(403), 데이타 전송을 중지한다(404).
한편, 상기 검사 결과(402), window 값이 '0'이 아니라면(EHN 패킷이라면) EHN 비트를 검사하여(405), EHN 비트가 '1'일 경우(핸드오프가 완료되었을 경우) TCP 송신원(10)은 전송 버퍼의 SND.NXT 값 즉, 다음에 전송할 패킷을 가리키는 포인터의 값을 ACK 패킷이 인증하는 패킷 순서번호로 재조정한다(406).
여기서, TCP 송신원(10)이 SND.NXT 값을 ACK 패킷이 인증하는 패킷 순서번호로 재조정하는 이유는, EHN 패킷이 TCP 수신원이 성공적으로 수신한 가장 높은 패킷의 순서번호를 인증(acknowledge)하는 패킷이기 때문이다.
이후, TCP 송신원(10)은 재전송 타이머를 재시작하고(407), EHN 패킷의 EVHN 비트가 '1'인지를 검사하여(408), EHN 패킷의 EVHN 비트가 '1'이 아닐 경우(수평적 핸드오프일 경우)에는 TCP 송신원(10)은 전송을 재개하고(412), EHN 패킷의 EVHN 비트가 '1'일 경우(수직적 핸드오프일 경우) cwnd와 RTO 관련 변수(RTT, SRTT, RTTVAR, RTO)를 각각 '1'과 초기값으로 설정하고(409, 410), 수정된 slowstart 모드로 전송을 재개한다(411, 412).
한편, 상기 검사 결과(405), EHN 비트가 '1'이 아니라면(window의 값이 '0'이 아니고 EHN 비트가 '1'이 아닌 경우, 즉 TCP 수신원(이동단말)(20)으로부터 수신된 ACK가 일반적인 TCP ACK 패킷인 경우), TCP 송신원(10)은 자신이 수정된 slow start 모드로 동작하고 있는지를 확인하여(413), 수정된 slow start 모드로 동작하고 있다면(즉, 수정된 slow start 모드에서 일반적인 ACK를 수신하는 경우) TCP 송신원(10)은 RTT의 증/감 추세를 모니터링하여 확인하고(414), 상기 확인 결과(414), RTT가 증가 추세라면 핸드오프 이후 무선망에 병목이 발생하여 큐잉 지연이 증가하였다고 판단하여 혼잡 회피(Congestion Avoidance) 알고리즘과 유사하게 cwnd를 선형적으로 증가시키고(1/cwnd 만큼 증가시키고)(415), 상기 확인 결과(414), RTT가 감소 추세라면 링크 이용 효율을 신속히 증가시키기 위하여 cwnd를 지수적으로 증가시킨다('1'만큼 증가시킨다)(416).
한편, 상기 확인 결과(413), TCP 송신원(10)이 수정된 slow start 모드가 아니라면 일반적인 TCP 혼잡 제어를 수행한다. 즉, cwnd의 값이 ssthresh의 값보다 작다면 TCP 송신원(10)이 ACK당 cwnd를 '1'씩 증가시켜 지수적으로 cwnd를 증가시키는 slow start 알고리즘을 적용하고(418), cwnd의 값이 ssthresh의 값보다 크다면 TCP 송신원(10)이 ACK당 cwnd를 1/cwnd만큼 증가시켜 선형적으로 cwnd를 증가시키는 혼잡 회피(Congestion Avoidance) 알고리즘을 적용한다(419).
TCP 송신원(10)은 상기의 혼잡 회피(Congestion Avoidance) 알고리즘 및 slow start 알고리즘을 하기의 도 5와 같이 구현할 수 있다.
도 6 는 본 발명에 따른 TCP 송신원의 패킷 손실 복구 방법에 대한 일실시예 흐름도이다.
먼저, TCP 송신원(10)이 패킷 손실을 감지하면(601), 자신이 수정된 slow start 단계 수행 중인지를 판단하여(602), 수정된 slow start 단계를 수행 중인 경우, TCP 송신원(10)은 수정된 slow start 단계 수행을 종료하고(603), 패킷 손실을 감지한 유형을 판단한다(604).
상기 판단 결과(604), TCP 송신원(10)이 재전송 타임아웃(RTO)을 통해 패킷 손실을 복구해야 할 경우, TCP 송신원(10)은 ssthresh를 cwnd/2로 설정하고, cwnd를 '1'로 설정하여 패킷을 복구하고(605, 606), TCP 송신원(10)이 재전송 타임아웃(RTO)을 통해 패킷 손실을 복구해야 하는 경우가 아닐 경우, TCP 송신원(10)은 ssthresh를 cwnd로 설정하고, cwnd를 cwnd/2로 설정하여 패킷을 복구한다(607, 608).
도 7 은 본 발명이 적용되는 핸드오프 시 TCP 성능 분석 시뮬레이션을 위한 유무선망의 일실시예 구성도이다,
도 7을 통해 본 발명에서는 ns2'를 이용하여 WLAN(Wireless Local Area Network)간의 수평적 핸드오프와 WLAN, GPRS(General Packet Radio Service)/UMTS(Universal Mobile Telecommunications System)간의 수직적 핸드오프 시 제안된 방식의 성능 분석을 수행할 수 있다.
여기서, GPRS/UMTS 망의 경우 대역폭과 RTT는 100kbps, 300ms로 설정하고, WLAN의 대역폭과 RTT는 각각 10Mbps, 100ms로 설정한다. 또한, 'WP'가 미치는 영향을 분석하기 위해, 'WP'는 약 RTT/2로 설정하고, 패킷 크기와 라우터 버퍼 크기는 각각 1000B와 50kB으로 설정한다.
이때, 본 발명은 TCP Newreno를 기반으로 핸드오프 시 TCP 성능 분석을 구현하고, Freeze TCP는 SACK을 기반으로 핸드오프 시 TCP 성능 분석을 구현한다.
도 8a 는 종래의 Freeze TCP SACK의 수평적 핸드오프 시 패킷 순서번호에 대한 일실시예 설명도이고, 도 8b 는 본 발명에 따른 수평적 핸드오프 시 패킷 순서번호에 대한 일실시예 설명도로서, 사각형은 전송하는 데이터 패킷의 순서번호를 나타내고, 점은 ACK 패킷의 순서번호를 나타낸다.
도 8a 및 도 8b에 도시된 바와 같이, 수평적 핸드오프 시에 핸드오프는 25초에 시작되어 27.5초에 종료된다.
'WP'를 RTT/2로 설정하였기 때문에 Freeze TCP를 사용하더라도 핸드오프로 인한 패킷 손실을 완전히 방지할 수는 없다. 하지만, TCP는 핸드오프로 인한 패킷 손실이 발생한 것을 모르는 상태이기 때문에 핸드오프 이후 '도 8a'와 같이 가장 최근에 전송한 패킷의 다음 패킷부터 전송을 재개한다. 또한, Freeze TCP SACK을 사용하더라도 다수의 연속적인 패킷 손실로 인해 재전송 타임아웃이 발생하고, 약 29초에서 slow start로 전송이 시작됨을 알 수 있다. 따라서 Freeze TCP SACK 기법도 'WP'가 정확하지 않은 경우 수율 저하가 발생함을 알 수 있다.
이와 달리, 본 발명에서는 '도 8b'와 같이 EHN 패킷을 통해 핸드오프로 인해 유실된 패킷을 판단할 수 있기 때문에, 혼잡 제어 과정의 수행 없이 손실된 패킷부터 전송을 재개한다.
본 발명은 수직적 핸드오프를 상향 핸드오프 즉, WLAN에서 GPRS/UMTS로 이동하는 경우와, 이의 반대의 경우인 하향 핸드오프를 분리하여 성능 평가를 수행할 수 있다.
도 9a는 종래의 Freeze TCP SACK의 하향 수직적 핸드오프 시 패킷 순서번호에 대한 일실시예 설명도이고, 도 9b는 본 발명에 따른 하향 수직적 핸드오프 시 패킷 순서번호에 대한 일실시예 설명도이다.
도 9a 및 도 9b에 도시된 바와 같이, 핸드오프는 35초에 시작되어 37.5초에 종료된다.
상기 수평적 핸드오프 시험과 유사하게 핸드오프로 인한 패킷 손실로 인해 핸드오프 이후 TCP의 cwnd와 ssthresh는 낮은 값이 된다. 또한 GPRS/UMTS 망에서의 높은 수준의 버퍼링, 그리고 높은 RTT 값으로 인해 TCP는 핸드오프 이전 큰 값의 RTO를 가진다. 따라서, '도 9a'와 같이 Freeze TCP SACK은 약 44초에 slow start를 통해 전송을 재개할 수 있으며, 이에 따라 망 대역 사용 효율이 크게 낮아진다.
이와 달리, 본 발명에서는 '도 9b'와 같이 수정된 slow start를 이용하여 cwnd가 지수적으로 증가하기 때문에 빠르게 대역을 효율적으로 이용하며, 수평적 핸드오프의 시험과 마찬가지로 'WP'가 이상적이지 않은 경우에 핸드오프로 인한 패킷 손실을 빠르게 복구한다.
도 10a는 종래의 Freeze TCP SACK의 상향 수직적 핸드오프 시 패킷 순서번호 에 대한 일실시예 설명도이고, 도 10b는 본 발명에 따른 상향 수직적 핸드오프 시 패킷 순서번호에 대한 일실시예 설명도이다.
도 10a에 도시된 바와 같이, Freeze TCP SACK은 핸드오프로 인한 패킷 손실과 더불어 핸드오프 이후의 새로운 망을 혼잡하게 하여, 혼잡으로 인한 패킷 손실까지 유발시킨다. 또한 이전 WLAN망에서 계산된 작은 RTO 값으로 인해 Freeze TCP SACK은 여러 번의 재전송 타임 아웃을 경험한다. 따라서, Freeze TCP SACK은 44초에 손실된 패킷을모두 복구할 수 있으며, 이때의 cwnd, ssthresh 값은 매우 작기 때문에 대역 사용 효율이 낮음을 알 수 있다.
이와 달리, 본 발명에서는 '도 10b'와 같이, 망에 혼잡을 유발하지 않고 빠르게 수율을 높일 수 있다.
상술한 바와 같은 본 발명의 방법은 프로그램으로 구현되어 컴퓨터로 읽을 수 있는 형태로 기록매체(씨디롬, 램, 롬, 플로피 디스크, 하드 디스크, 광자기 디스크 등)에 저장될 수 있다. 이러한 과정은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있으므로 더 이상 상세히 설명하지 않기로 한다.
이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.
상기와 같은 본 발명은, 명시적으로 핸드오프를 통지함으로써, 핸드오프로 인한 패킷 손실을 효과적으로 복구하고, 종단간 경로의 특성이 급격히 변하는 수직적 핸드오프 시 새로운 망의 혼잡을 방지하면서 이와 동시에 링크 이용 효율 역시 크게 개선할 수 있는 효과가 있다.

Claims (13)

  1. 이종 무선망 환경에서 패킷 복구 및 혼잡 제어 방법에 있어서,
    이동 단말(TCP 수신원)이 링크 계층 정보를 바탕으로 임박한 핸드오프를 감지하는 단계;
    임박한 핸드오프 감지시, 상기 이동 단말(TCP 수신원)이 '전송하려는 TCP 헤더에 윈도우 필드 값을 영으로 하는 ACK 패킷'(ZWA 패킷)을 TCP 송신원으로 전송하는 단계; 및
    핸드오프 완료시, 상기 이동 단말이 핸드오프로 인한 패킷 손실과 핸드오프 유형을 EHN(Explicit Handoff Notification) 패킷의 TCP 헤더의 EHN, EVHN(Explicit Vertical Handoff Notification) 비트를 통하여 상기 TCP 송신원에게 전달하는 단계
    를 포함하는 이종 무선망에서의 명시적 핸드오프 통지를 통한 패킷 복구 및 혼잡 제어 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 EHN 패킷은,
    TCP ACK 패킷에 명시적인 핸드오프 정보가 포함된 패킷으로, 상기 이동 단말이 가장 최근에 오류없이 성공적으로 수신한 패킷의 순서번호를 포함하는 것을 특 징으로 하는 이종 무선망에서의 명시적 핸드오프 통지를 통한 패킷 복구 및 혼잡 제어 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 이동 단말은,
    핸드오프 완료시, 전송을 재개하기 위하여 3개의 중복된 상기 EHN 패킷을 상기 TCP 송신원으로 전송하는 것을 특징으로 하는 이종 무선망에서의 명시적 핸드오프 통지를 통한 패킷 복구 및 혼잡 제어 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 이동 단말은,
    핸드오프 완료시, 링크 계층 정보를 바탕으로 핸드오프의 유형을 판단하여, 수평적 핸드오프시 이를 상기 EHN 패킷의 EHN 비트에 기록하고, 수직적 핸드오프시 이를 EHN 비트와 EVHN 비트에 기록하여, 상기 EHN 패킷을 상기 TCP 송신원으로 전송하는 것을 특징으로 하는 이종 무선망에서의 명시적 핸드오프 통지를 통한 패킷 복구 및 혼잡 제어 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 EHN 및 EVHN 비트는,
    TCP 헤더의 예약 필드 혹은 TCP 옵션을 이용하여 전달 가능한 것을 특징으로 하는 이종 무선망에서의 명시적 핸드오프 통지를 통한 패킷 복구 및 혼잡 제어 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 ZWA 패킷 수신시, 상기 TCP 송신원이 전송을 중지하는 단계;
    상기 EHN 패킷 수신시, 상기 TCP 송신원이 핸드오프에 의한 오류를 예측하여 이를 복구하는 단계; 및
    상기 TCP 송신원이 핸드오프 유형에 따라 혼잡 제어를 달리 수행하는 단계
    를 더 포함하는 이종 무선망에서의 명시적 핸드오프 통지를 통한 패킷 복구 및 혼잡 제어 방법.
  7. 이종 무선망 환경에서 패킷 복구 및 혼잡 제어 방법에 있어서,
    이동 단말(TCP 수신원)로부터 '전송하려는 TCP 헤더에 윈도우 필드 값을 영으로 하는 ACK 패킷'(ZWA 패킷) 수신시, TCP 송신원이 재전송 타이머를 중지시키고 전송을 중지하는 단계; 및
    상기 TCP 송신원이 핸드오프 완료시 보고되는 상기 이동 단말로부터의 ‘핸드오프로 인한 패킷 손실과 핸드오프 유형 정보를 포함한 EHN(Explicit Handoff Notification) 패킷’을 바탕으로 핸드오프로 인한 패킷 손실을 예측 및 복구하고, 핸드오프 유형에 따라 혼잡 제어를 달리 수행하는 혼잡 및 오류 제어 단계
    를 포함하는 이종 무선망에서의 명시적 핸드오프 통지를 통한 패킷 복구 및 혼잡 제어 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 EHN 패킷은,
    패킷 손실과 핸드오프 유형 정보가 TCP 헤더의 EHN, EVHN(Explicit Vertical Handoff Notification) 비트를 통해 기록되는 것을 특징으로 하는 이종 무선망에서의 명시적 핸드오프 통지를 통한 패킷 복구 및 혼잡 제어 방법.
  9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
    상기 이동 단말은,
    핸드오프 완료시, 링크 계층 정보를 바탕으로 핸드오프의 유형을 판단하여, 수평적 핸드오프시 이를 상기 EHN 패킷의 EHN 비트에 기록하고, 수직적 핸드오프시 이를 EHN 비트와 EVHN 비트에 기록하여, 상기 EHN 패킷을 상기 TCP 송신원으로 전 송하는 것을 특징으로 하는 이종 무선망에서의 명시적 핸드오프 통지를 통한 패킷 복구 및 혼잡 제어 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 혼잡 및 오류 제어 단계는,
    상기 TCP 송신원이 상기 EHN 비트와 상기 EVHN 비트을 이용하여 상기 이동 단말이 겪은 핸드오프가 수평적 핸드오프인지 수직적 핸드오프인지를 판단하는 단계;
    상기 판단 결과, 수평적 핸드오프인 경우, 핸드오프 이전의 혼잡 윈도우(cwnd) 값과 재전송 타임아웃(RTO) 관련 변수(즉, RTT, SRTT (평균 RTT), RTTVAR (RTT 편차), RTO (재전송 타임아웃) 값을 이용하여 전송을 재개하는 단계; 및
    상기 판단 결과, 수직적 핸드오프인 경우, ‘슬로우 스타트 임계치(ssthresh)’와 ‘혼잡 윈도우(cwnd)’를 각각 임의의 큰 값과 1로 설정하고 수정된 슬로우 스타트(slow start) 알고리즘을 수행하는 단계
    를 포함하는 이종 무선망에서의 명시적 핸드오프 통지를 통한 패킷 복구 및 혼잡 제어 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 슬로우 스타트(slow start) 알고리즘은,
    TCP 송신원이 첫 번째 패킷 손실을 경험할 때까지 수행되되,
    RTT의 변화량을 측정하여, RTT가 증가 추세에 있는 경우, 병목 구간에서 큐잉 지연이 발생한다고 판단하여 기존 TCP의 슬로우 스타트(slow start)와 같이 혼잡 윈도우(cwnd)를 지수적으로 증가시키며,
    RTT가 감소 추세인 경우, 현재 망의 대역을 효율적으로 사용하지 못한다고 판단하여, 기존 TCP의 혼잡 회피(congestion avoidance)와 같이 혼잡 윈도우(cwnd)를 선형적으로 증가시키는 것을 특징으로 하는 이종 무선망에서의 명시적 핸드오프 통지를 통한 패킷 복구 및 혼잡 제어 방법.
  12. 명시적 핸드오프 통지를 통한 패킷 복구 및 혼잡 제어를 위하여, 프로세서를 구비한 인터넷 시스템에,
    이동 단말(TCP 수신원)이 링크 계층 정보를 바탕으로 임박한 핸드오프를 감지하는 기능;
    임박한 핸드오프 감지시, 상기 이동 단말(TCP 수신원)이 '전송하려는 TCP 헤더에 윈도우 필드 값을 영으로 하는 ACK 패킷'(ZWA 패킷)을 TCP 송신원으로 전송하는 기능; 및
    핸드오프 완료시, 상기 이동 단말이 핸드오프로 인한 패킷 손실과 핸드오프 유형을 EHN(Explicit Handoff Notification) 패킷의 TCP 헤더의 EHN, EVHN(Explicit Vertical Handoff Notification) 비트를 통하여 상기 TCP 송신원에게 전달하는 기능
    을 실현시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.
  13. 명시적 핸드오프 통지를 통한 패킷 복구 및 혼잡 제어를 위하여, 프로세서를 구비한 인터넷 시스템에,
    이동 단말(TCP 수신원)로부터 '전송하려는 TCP 헤더에 윈도우 필드 값을 영으로 하는 ACK 패킷'(ZWA 패킷) 수신시, TCP 송신원이 재전송 타이머를 중지시키고 전송을 중지하는 기능; 및
    상기 TCP 송신원이 핸드오프 완료시 보고되는 상기 이동 단말로부터의 ‘핸드오프로 인한 패킷 손실과 핸드오프 유형 정보를 포함한 EHN(Explicit Handoff Notification) 패킷’을 바탕으로 핸드오프로 인한 패킷 손실을 예측 및 복구하고, 핸드오프 유형에 따라 혼잡 제어를 달리 수행하는 기능
    을 실현시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.
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