KR20100057229A

KR20100057229A - 무선 메쉬 망에서 인터넷 게이트웨이의 혼잡 수준을 결정하는 방법

Info

Publication number: KR20100057229A
Application number: KR1020080116173A
Authority: KR
Inventors: 박재성; 임유진; 안상현
Original assignee: 박재성; 중앙대학교 산학협력단; 임유진; 안상현
Priority date: 2008-11-21
Filing date: 2008-11-21
Publication date: 2010-05-31

Abstract

본 발명에서는 여러 개의 인터넷 게이트웨이(Internet Gateway: IGW)를 사용하는 무선 메쉬 망(Wireless Mesh Network: WMN) 환경에서 인터넷 게이트웨이 간 부하 균등화를 위한 IGW 혼잡 수준 결정 방안을 정의한다. 본 발명에서 정의하는 기법에서는 IGW의 단순 평균 큐 길이를 IGW의 혼잡 수준으로 하지 않고, 대신 큐 길이의 가중치 이동 평균(weighted moving average)과 IGW의 최대 큐 길이를 고려해서 IGW의 혼잡 수준을 결정한다. 이렇게 함으로써 IGW 들 간의 상대적인 혼잡 수준 결정이 가능해진다.

무선 메쉬 망, 인터넷 게이트웨이, 부하 균등화

Description

무선 메쉬 망에서 인터넷 게이트웨이의 혼잡 수준을 결정하는 방법 {Method to Determine the Congestion Level of an Internet Gateway in the Wireless Mesh Network}

최근 들어 무선 다중 홉 통신 기술의 발달로 인해 유선 인터넷 액세스 망을 효과적으로 대체하기 위한 기술로 무선 메쉬 망(Wireless Mesh Network: WMN)이 주목을 받고 있다. WMN은 인터넷 게이트웨이(Internet Gateway: IGW)라 불리는 일부 노드만이 유선망에 연결되고, 유선망과 연결되지 않는 메쉬 라우터(Mesh Router: MR)들은 무선 다중 홉 통신을 통해 IGW에 접속함으로써 사용자에게 인터넷 접속 서비스를 제공한다. 즉, 소스 노드와 목적지 노드 사이에서 라우터들이 트래픽을 전달하는 유선망과 유사하게 WMN에서는 무선 단말과 IGW 사이에서 MR들이 무선 액세스 망을 구성하여 트래픽을 전달한다. 따라서 WMN에서 무선 단말이 전송한 데이터는 다수의 MR을 거쳐 유선 망에 전달되므로 WMN은 유선망과의 연결 없이 망 확장이 용이하며 이에 따라 망 포설의 신속성 및 경제성, 망 구성의 유연성이 뛰어나다.

WMN은 기본적으로 MR과 IGW 사이의 무선 다중 홉 통신을 기반으로 하고 있다. 무선 다중 홉 통신의 특성상 홉 수가 증가할수록 패킷 손실율이나 종단간 전송 지연과 같은 서비스 품질이 열화될 수 있다. 기존 ad hoc 망과는 달리 WMN은 물 리적 형상 변화가 거의 없으며 주로 인터넷 액세스 서비스 제공을 위해 사용되므로 트래픽이 IGW로 집중되는 특성을 가진다. 따라서 다중 인터페이스와 다중 채널을 이용하여 증가된 WMN의 용량에 비해 상대적으로 IGW의 무선 인터페이스가 병목지점으로 작용하게 된다. 특히 망 내 트래픽 양이 WMN의 수용 용량보다 작더라도 일부 IGW에 과중하게 트래픽이 집중되면 WMN의 효율은 낮아진다. 따라서 WMN의 부하를 망 내 IGW 사이에 균등하게 분산시키는 부하 균등화(Load Balancing: LB)가 효율적이고 안정적인 WMN 운용에 매우 중요하다.

망 내 다수의 IGW를 두어 이들 사이에 부하를 균등하게 분배하는 것을 목적으로 하는 것을 게이트웨이 기반 부하 균등화라 하며, 게이트웨이 기반 부하 균등화 기법에서는 각 MR들이 언제 어떤 IGW를 목적지로 선정할 것인가를 결정하는 것이 중요하다. 게이트웨이 기반 부하 균등화 기법은 서빙 IGW 결정 주체에 따라 중앙 집중 기법과 분산 기법으로 구분된다. “C-F Huang, et. al., “A two-tier heterogeneous mobile ad hoc network architecture and its load balance routing problem,” IEEE VTC, 2003”은 중앙 서버가 WMN 내 모든 MR과 IGW의 트래픽 정보를 수집한 후 어느 MR이 어떤 IGW를 이용할 것인가를 결정하는 중앙 집중 기법을 제안하였다. “Nandiraju, et. al., “Achieving Load Balancing in Wireless Mesh Networks Through Multiple Gateways,” IEEE MASS’06, 2006”는 IGW에서의 호 수락 제어를 통한 부하 균등화 기법을 제안하였다. 각 IGW는 자신이 서빙하고 있는 모든 MR들의 트래픽 발생량을 감시하며 자원이 부족한 경우 이들 중 특정 MR에게 다른 IGW를 서빙 IGW로 변경할 것을 강제한다. 이동을 요청 받은 MR은 새로운 IGW에게 자신의 서빙 IGW가 되어 줄 것을 요청하고 새로운 IGW는 자신의 자원 양을 기준으로 자신을 서빙 IGW로 요청한 MR의 수락 여부를 결정한다. 이들 기법은 중앙 서버나 IGW가 망 내 트래픽 정보를 기반으로 부하 균등화를 수행하므로 제어의 정확성이 크지만 중앙 서버나 모든 IGW가 망 내 모든 MR의 자원 사용 양을 감시해야 하므로 확장성이 떨어진다.

분산 부하 균등화 기법에서는 각 MR들이 자신의 서빙 IGW를 결정하며 서빙 IGW 선정 기준에 따라 MR과 IGW 사이의 경로 품질을 기반으로 하는 기법인 “K. N. Ramachandran, et. al., “On the design and Implementation of Infrastructure Mesh Networks,” IEEE WiMesh’05, 2005”, “Raniwala, A., et. al., “Architecture and Algorithms for an IEEE 802.11-Based Multi-Channel Wireless Mesh Network,” IEEE INFOCOM’05, 2005”과 IGW의 큐 길이를 기반으로 하는 기법인 “J. H. Zhao, et. al., “Load-Balancing Strategy of Multi-Gateway for Ad Hoc Internet Connectivity,” IEEE ITSS’05, 2005”로 구분된다. “K. N. Ramachandran, et. al., “On the design and Implementation of Infrastructure Mesh Networks,” IEEE WiMesh’05, 2005”에서는 Mesh Cluster 구조를 정의하며, Mesh Cluster 구조에서 각 MR은 망 내 모든 IGW로의 최적 경로에 대한 품질을 RTT(Round Trip Time) 프로브(probe) 패킷을 통해 상시 감시하고 이들 중 지연이 가장 작은 IGW를 통해 유선망에 접속한다. 이 기법은 경로 품질 인자로 최소 지연이 사용된 경우에만 유효하며 각 MR들이 주기적으로 RTT 프로브 패킷을 전송하므로 대역폭의 낭비를 초래한다. “Raniwala, A., et. al., “Architecture and Algorithms for an IEEE 802.11-Based Multi-Channel Wireless Mesh Network,” IEEE INFOCOM’05, 2005”에서는 Hyacinth라는 방법을 제안하며, Hyacinth에서 망 내 IGW들은 주기적으로 자신과 해당 MR까지의 경로 비용을 망 내에 광고한다. 각 MR들은 광고 메시지를 통해 현재 자신의 서빙 IGW로의 경로 비용보다 낮은 경로 비용으로 다른 IGW에 도달할 수 있다는 사실을 발견하면 자신의 서빙 IGW를 변경한다. Hyacinth에서는 서빙 IGW 변경을 MR이 분산적인 방법으로 결정하지만 각 IGW는 자신의 여유 자원 양에 따라 수락 제어를 통해 새로운 MR을 서빙할 지 여부를 제어한다. 따라서 수락 제어를 위한 추가적인 제어 메시지 교환으로 인해 대역폭 낭비를 가져온다. 이와 같은 경로 품질 기반 기법은 IGW 간 부하 균등화보다는 IGW로의 부하 균등화 라우팅(QoS 라우팅) 문제를 해결하는 것이 주 목적이기 때문에 서빙 IGW는 MR과 IGW 간의 경로 품질에 의해 내포적으로 선정된다. 그러나 WMN에서 무선 경로 품질은 모든 타임 스케일에서 변화 폭이 크다는 것이 최근 WMN 측정 연구인 “C.E. Koksal, et. al., “Quality-Aware Routing Metrics for Time-Varying Wireless Mesh Networks,” IEEE JSAC, 2006”, “S. M. Das, et. al., “Studying Wireless Routing Link Metric Dynamics,” ACM IMC’07, 2007”를 통해 밝혀지고 있다. 따라서 경로 품질 기반 분산 부하 균등화 기법의 경우 MR은 최악의 경우 매번 새로운 정보를 수신할 때마다 서빙 IGW를 변경해야 한다. 이와 같은 잦은 서빙 IGW 변경으로 인해 MR의 패킷 손실율 등 서비스 품질이 악화될 수 있고 WMN이 안정적으로 운영되지 못한다.

큐 길이 기반 분산 부하 균등화 기법은 “J. H. Zhao, et. al., “Load-Balancing Strategy of Multi-Gateway for Ad Hoc Internet Connectivity,” IEEE ITSS’05, 2005”에서 정의되었으며 큐 길이 기반 분산 부하 균등화 기법의 경우 각 IGW는 혼잡 척도로서 자신의 평균 큐 길이를 주기적으로 망에 방송하고, 각 MR은 평균 큐 길이가 최소인 IGW를 서빙 IGW로 선택한다. 따라서 큐 길이 기반 기법에서 MR은 명시적으로 서빙 IGW를 선택하므로 경로 기반 분산 부하 균등화 기법과 달리 무선 전송 환경의 영향을 받지 않는다. 그러나 큐 기반 분산 부하 균등화 기법은 IGW의 큐 길이가 적정 수준을 기준으로 진동하여 MR이 계속해서 서빙 IGW를 변경하게 되는 라우트 플랩(route-flap) 문제를 야기시킬 수 있다. 즉, IGW의 평균 큐 길이가 일정 임계 값을 넘어서서 혼잡하게 되면 이 IGW(예를 들어, IGW1)를 서빙 IGW로 하는 MR들은 평균 큐 길이가 최소인 IGW(예를 들어, IGW2)를 새로운 서빙 IGW로 선택한다. 다수의 MR이 동시에 IGW2를 서빙 IGW로 변경하면 IGW2로의 트래픽이 급증하여 혼잡 발생 확률이 증가되고 반면에 IGW1의 부하는 급감한다. 이후 IGW2가 다음 주기에 평균 큐 길이 광고 메시지를 전송하게 되면 IGW2를 서빙 IGW로 하는 MR들은 자신의 서빙 IGW의 혼잡을 감지하게 되고 부하가 급감한 IGW1을 서빙 IGW로 변경하게 되며 이와 같은 현상이 반복된다. 이와 같은 라우트 플랩 문제는 잦은 패킷 전송 순서 변경을 야기하며 패킷 손실 확률을 증가시킨다.

본 발명에서는 WMN 환경에서 다중 채널 다중 인터페이스로 증대된 WMN의 용량을 효율적으로 이용할 수 있도록 하는 게이트웨이 기반 분산 부하 균등화 기법을 위한 IGW의 혼잡 수준 결정 방법을 제공하고자 한다.

IGW의 평균 큐 길이를 자신의 혼잡 수준의 기준으로 이용하여 IGW들 간의 상대적인 혼잡 수준을 결정한다.

상기와 같이 본 발명에 따른 IGW의 혼잡 수준 결정 방법은 IGW의 최대 큐 길이를 고려함으로써 IGW들 간의 상대적인 혼잡 수준 결정이 가능하게 해준다.

WMN 내 모든 IGW는 평균 큐 길이를 자신의 혼잡 수준의 기준으로 이용한다. 인터넷 트래픽은 비대칭적 특성을 가지므로 IGW는 IGW에서 MR로 향하는 하향 링크 (downlink)의 평균 큐 길이를 지속적으로 감시한다. 즉, IGW i가 시간 t1과 t2에서 (t2> t1) 하향 링크 패킷을 수신하면 IGW i의 평균 큐 길이는 다음과 같은 가중치 이동 평균 (weighted moving average)에 의해 결정된다.

식 (1)에서 는 시간 t2에서 IGW i의 순시 (transient) 큐 길이이며 인 상수이다. 망 내 순시적인 트래픽 입력율의 변동에 무관하게 안정적인 평균 큐 길이를 얻기 위해 일반적으로 혹은 이 “S. Moon, et. al., “Effective Link Triggers to Improve Handover Performance,” IEEE PIMRC’06, pp. 2006”에서는 사용되었다.

각 IGW의 최대 버퍼 용량은 상이할 수 있으므로 평균 큐 길이는 IGW들 사이의 상대적인 혼잡 수준을 반영할 수 없다. 따라서 각 IGW는 자신의 평균 큐 길이가 아니라 평균 큐 길이와 최대 큐 길이의 비율을 망 내에 방송한다. 즉, IGW i의 최대 큐 길이가 이면 IGW i는 를 망 내 MR들에게 알림으로써 IGW들 간의 상대적인 혼잡 수준을 평가할 수 있게 한다. 즉, 두 개의 IGW들인 IGW1과 IGW2를 통해서 유선망에 연결된 WMN에서 IGW1의 최대 큐 길이가 1Mbytes, IGW2의 최대 큐 길이가 10Mbytes인 경우, 가중치 이동 평균 계산 방식에 의해 계산된 평균 큐 길이 0.5Mbytes는 IGW1 큐의 50%를 IGW2 큐의 0.05%를 차지함을 나타낸다. 즉, 평균 큐 길이가 동일하더라도 IGW1의 혼잡 정도가 IGW2보다 심하다는 것을 의미한다. 따라서 IGW1은 자신의 혼잡 수준을 0.5/1로, IGW2는 0.5/10으로 각각 계산해서 WMN 내의 MR들에게 알린다.

Claims

다수의 IGW들을 통해서 유선망에 연결된 WMN 구조에 있어서, 평균 큐 길이가 Qi이고 최대 큐 길이가 인 IGW i가 자신의 평균 큐 길이와 최대 큐 길이의 비율인 를 망 내에 방송하는 방법.