[논문]확장된 ECN 메커니즘을 사용한 무선 링크에서의 TCP성능 제어 기법

윤여훈; 김태윤

확장된 ECN 메커니즘을 사용한 무선 링크에서의 TCP성능 제어 기법
TCP Performance Control Method for the Wireless Link by using Extended ECN Mechanism 원문보기

정보과학회논문지. Journal of KISS : Computing practices. 컴퓨팅의 실제, v.8 no.3, 2002년, pp.336 - 343

초록
AI-Helper

오늘날 무선망의 출현으로 기존의 인터넷 환경은 유/무선이 통합된 단일 망으로 변화하고 있다. 그러나 현재 TCP는 전송상의 모든 패킷 손실을 혼잡으로 인한 손실로 판단하여 혼잡 윈도우를 줄이는 등의 혼잡 제어 메커니즘을 호출한다. 이것을 무선 구간에 적용시켰을 때 핸드오프나 비트 에러로 인한 패킷 손실이 발생할 때조차 혼잡으로 인한 패킷 손실로 판단하여 혼잡 윈도우를 줄이기 때문에 종단간 TCP 처리량을 저하시킨다. 본 논문에서는 이러한 문제들을 해결하기 위해 기존의 유선 망에서 혼잡 제어 메커니즘으로 사용되던 ECN(Explicit Congestion Notification)을 확장하여 무선 링크 상에서의 TCP 성능을 제어하는 기법을 제시한다. 이것은 패킷 손실이 혼잡에 의한 것인지, 무선 링크 구간에서 비트 에러 또는 핸드오프에 의한 것인지를 구분하는 기법으로 유/무선이 통합된 망에서 혼잡이 발생할 때만 혼잡 제어 메커니즘을 호출하도록 하는 기법이다.

Abstract ▼ AI-Helper

Nowadays, after appearance of wireless network the existent internet environment is changing into the united wire/wireless network. But the present TCP regards all of the packet losses on transmission as the packet tosses due to the congestion. When it is applied on the wireless path, it deteriorates the end-to-end TCP throughput because it regards the packet loss by handoff or bit error as the packet loss by the congestion and it reduces the congestion window. In this paper, for solving these problems we propose the method that controls the performance of TCP on the wireless link by extending ECN which is used as a congestion control mechanism on the existent wire link. This is the method that distinguished the packet loss due to the congestion from due to bit error or handoff on the wireless network, so it calls the congestion control mechanism only when there occurs the congestion in the united wire/wireless network.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 무선 링크 구간에서 TCP 성능을 향상시키는데 있어서 지역적인 재전송 기법을 사용함 없이도 무선에서의 TCP 성능을 제어할 수 있고 종단간 의미를 유지할 뿐만 아니라 유선 링크 구간에서의 혼잡도 제어하는 기법을 제시한다. 이것은 기존의 유선 망에서 혼잡제어 메커니즘으로 사용되던 ECN(Explicit Conges tion Notification)^- 확장하여 사용하는 기법으로 기존의 연결 분할 방식을 따르는 기법들과는 달리 패킷 손실의 원인이 혼잡에 의한 것인지 비트 에러에 의한 것인지 또는 핸드오프에 의한 것이지를 송신측이 직접 구분하여 처리하도록 하는 기법이다.
이러한 문제를 해결하기 위해 본 논문에서는 기존의 ECN을 무선 네트워크 상황에 맞도록 수정하여 송신 측으로 하여금 패킷 손실의 원인이 혼잡에 의한 것인지, 비트 에러에 의한 것인지 또는 핸드오프 발생에 의한 것인지를 판단하는 기법을 제시하였다. 이것은 TCP가 ECN 이 가능하다고 가정 하에 ECN 연결 설정단계에서 기존의 설정단계를 수정하여 송신측으로 하여금 연결이 유선 연결인지 무선 연결인지를 구분하도록 한 것으로 무선연결일 때는 송신측으로 하여금 혼잡으로 인한 패킷 손실의 경우만 혼잡 제어 메커니즘을 호출하는 기법이다.
타임아웃이 발생하였을 시 현재까지의한 RTT 동안에 ECE 비트의 설정 유무에 따라 혼잡 경험이 있는지를 조사한다. 만약 한 RTT 내에 ECE가 설정되어 혼잡 경험이 있다면 일단 송신자는 전송을 중단하고 지속적 모드 (persist mode)로 들어간다.

가설 설정

제안한 기법은 TCP가 ECN이 가능하다는 가정을 전제로 하고있다. 이 기법은 ECN TCP 초기 연결 설정에서 송신측으로 하여금 수신측이 유선 연결인지 혹은 무선 연결인지를 구분한다.

제안 방법

TCP의 성능을 실험하였다. 기존의 일반적인 TCP가 연결 단절로 인해 발생한 패킷 손실들에 대해 무조건 슬로우 스타트를 시작할 뿐만 아니라 연속적인 타임아웃의 발생으로 인해 제안된 TCP와 M TCP 보다 전송 완료 시간이 상대적으로 높게 나타났다.
이것은 TCP가 ECN 이 가능하다고 가정 하에 ECN 연결 설정단계에서 기존의 설정단계를 수정하여 송신측으로 하여금 연결이 유선 연결인지 무선 연결인지를 구분하도록 한 것으로 무선연결일 때는 송신측으로 하여금 혼잡으로 인한 패킷 손실의 경우만 혼잡 제어 메커니즘을 호출하는 기법이다. 본 기법은 무선 구간에서 TCP 성능을 제어하기 위해 연결 분할 방식을 따르는 기존의 snoop, I-TCP, M-TCP 와는 달리 무선 구간에서의 비트 에러 또는 핸드오프로 인해 손실된 패킷들에 대해 BS와 같은 중간 노드에서 지역적으로 재전송하는 메커니즘을 사용하지 않고 송신 측에서 직접 재전송하는 기법을 사용한다. 따라서 전송지연 시간을 불필요하게 증가시키지 않고 중간 노드를 통과하는 모든 사용자 연결 각각에 대한 무선 링크 상의 TCP 패킷 손실 구분 및 처리를 중간 노드에서 하지 않아도 되며 TCP 프로토콜 고유의 규약인 송신측과 수신 측 양 끝단의 종단간 의미도 유지한다.
때의 성능을 실험한 결과이다. 본 실험은 1M 크기의 파일을 FTP를 이용하여 ①에서 ④까지 전송할 때 무선 링크 구간에서 연결 단절 기간 변화에 따른 총 전송완료 시간을 측정한 것이다. snoop이 핸드오프시 손실된 TCP 패킷들에 대해 혼잡 윈도우를 줄이기 때문에 핸드오프를 지원하지 못한다는 것과 M-TCP가 I-TCP의 단점 즉 빈번한 연결 단절(frequent disconnection) 때는 연속적인 타임아웃(serial timeouts)에 걸려 처리량이 상당히 줄어든다는 문제를 향상시켰고 중간 노드의 작업 오버헤드를 줄인 것이란 점을 감안하여본 실험에서는 기존의 TCP와 함께 M-TCP와 제안한
본 장에서는 유/무선이 통합된 환경에서 무선 링크 상의 TCP 성능을 제어하기 위해 기존의 유선 망에서 혼잡 제어 메커니즘으로 사용되던 ECNE3, 7, 8, 9]을 확장하여 사용한 기법을 제시한다. 이것은 송신 측으로 하여금 패킷 손실의 원인이 혼잡에 의한 것인지, 비트 에러에 의한 것인지 또는 핸드오프 발생에 의한 것인지를 구분하는 기법으로 TCP가 ECN이 가능하다는 가정하에 기존의 ECN에 있어서 초기 연결 설정단계와 송신 측의 역할을 수정한 것이다.
링크 ②-③구간이 ECN 이 가능하도록 설정하였고, 버퍼 용량은 1500byte packets을 기준으로 25 packets으로 설정하였다. 성능평가를 위해 고려된 파라미터는 송신자의 혼잡 윈도우, 무선 링크 구간의 에러율, 무선 링크 구간에서의 연결단절 시간, 송/수신 노드의 수(플로우 수), 송신측의 처리량이다. 송/수신측에서 사용되는 애플리케이션은 FTP이다.
그리고 ②와 ③ 사이는 공유링크로 연결되어 있고, 링크 ③-④, ③-⑤구간은 무선링크로 연결되어 있다. 유선 링크 및 무선 링크 구간의 대역폭과 전송지연을 1Mbps와 2ms 로 설정하였고 공유링크의 대역폭과 전송지연은 1Mbps와 20ms로 설정하였다. 링크 ②-③구간이 ECN 이 가능하도록 설정하였고, 버퍼 용량은 1500byte packets을 기준으로 25 packets으로 설정하였다.
것이다. 이는 무선 링크의 비트 에러에 의한 패킷 손실율과 함께 노드 수(노드 ① 포함)가 증가함에 따라 공유 링크에서의 혼잡이 일어날 수 있는 상황을 고려하여 송신자의 처리량을 측정한 실험이다. 시뮬레이션 시간은 30초이고 무선 링크 에러율을 0.

대상 데이터

본 연구에서 제안한 기법의 성능을 실험하기 위해 버클리 대학(U.C. Berkeley)에서 개발하여 배포한 네트워크 시뮬레이터 NS-2를 이용하였다. NS-2는 OTCL/ TK를 사용하여 스크립트 파일로 작성하여 구동하도록 되어있다.

성능/효과

기존의 일반적인 TCP가 연결 단절로 인해 발생한 패킷 손실들에 대해 무조건 슬로우 스타트를 시작할 뿐만 아니라 연속적인 타임아웃의 발생으로 인해 제안된 TCP와 M TCP 보다 전송 완료 시간이 상대적으로 높게 나타났다. 그리고 지역적 재전송 기법을 사용하는 M-TCP 보다 제안한 TCP의 성능이 우수한 것으로 나타났다.
TCP의 성능을 실험하였다. 기존의 일반적인 TCP가 연결 단절로 인해 발생한 패킷 손실들에 대해 무조건 슬로우 스타트를 시작할 뿐만 아니라 연속적인 타임아웃의 발생으로 인해 제안된 TCP와 M TCP 보다 전송 완료 시간이 상대적으로 높게 나타났다. 그리고 지역적 재전송 기법을 사용하는 M-TCP 보다 제안한 TCP의 성능이 우수한 것으로 나타났다.
그러나 기존의 TCP 및 ECN TCP는 무선구간에서 0001의 비트 에러율에 의한 패킷 손실조차도 혼잡으로 인한 패킷 손실로 간주한다. 따라서 중복된 3개의 ACK 또는 ECN이 설정된 패킷을 받을 때마다 혼잡 원도우를 줄였기 때문에 그래프의 혼잡 윈도우의 변화가 제안한 ECN TCP에 비해 상대적으로 크게 나타났다. 뿐만 아니라 기존의 ECN TCP와 일반 TCP 는 혼잡 윈도우를 자주 줄이기 때문에 혼잡 윈도우의 평균적인 크기가 제안된 ECN 보다 상대적으로 작게 나타났다.
따라서 중복된 3개의 ACK 또는 ECN이 설정된 패킷을 받을 때마다 혼잡 원도우를 줄였기 때문에 그래프의 혼잡 윈도우의 변화가 제안한 ECN TCP에 비해 상대적으로 크게 나타났다. 뿐만 아니라 기존의 ECN TCP와 일반 TCP 는 혼잡 윈도우를 자주 줄이기 때문에 혼잡 윈도우의 평균적인 크기가 제안된 ECN 보다 상대적으로 작게 나타났다.
유선구간의 혼잡 제어에 있어서는 제안한 기법이 유선망에서 혼잡 제어 메커니즘으로 사용되던 ECN을 확장하여 사용한 것이므로 유선 구간에서의 혼잡을 제어할 수 있지만 snoop, I-TCP, M-TCP는 혼잡을 제어하는 기능이 없다.
제안된 TCP와 기존의 snoop이 무선 구간에서의 비트 에러에 의한 패킷 손실에 대해 혼잡 윈도우를 줄이지 않기 때문에 일반적인 TCP에 비해 성능이 우수한 것으로 나타났다. 이 경우는 플로우 수가 하나 밖에 없는 경우인데 제안한 TCP가 무선 구간에서 비트 에러에 효율적으로 반응하기 위한 목적으로만 고안된 snoop의 성능 보다 향상된 것으로 나타났다.
따라서 전송지연 시간을 불필요하게 증가시키지 않고 중간 노드를 통과하는 모든 사용자 연결 각각에 대한 무선 링크 상의 TCP 패킷 손실 구분 및 처리를 중간 노드에서 하지 않아도 되며 TCP 프로토콜 고유의 규약인 송신측과 수신 측 양 끝단의 종단간 의미도 유지한다. 이러한 특성으로 인해 제안한 기법은 실시간 혹은 대화성 애플리케이션이 많이 사용되는 네트워크에 더욱 효율적이다. 하지만 이 방안이 적용되기 위해서는 송신측, 수신측, 라우터 모두가 ECN이 가능해야 한다는 단점이 있다.
플로우 수(flow number) 는 成에서 ④로 전송되는 것 하나이며 시뮬레이션 타임은 30초로 설정하였다. 제안된 TCP와 기존의 snoop이 무선 구간에서의 비트 에러에 의한 패킷 손실에 대해 혼잡 윈도우를 줄이지 않기 때문에 일반적인 TCP에 비해 성능이 우수한 것으로 나타났다. 이 경우는 플로우 수가 하나 밖에 없는 경우인데 제안한 TCP가 무선 구간에서 비트 에러에 효율적으로 반응하기 위한 목적으로만 고안된 snoop의 성능 보다 향상된 것으로 나타났다.
001 로 설정한 상태에서 ©에서 ④까지 데이타를 전송한 결과 시간 변화에 따른 혼잡 윈도우(cwnd) 의 변화에 대해 일정시간의 구간을 확대한 그림이다. 제안한 ECN TCP는 유선 구간에서 혼잡이 발생할 때만 혼잡 윈도우를 줄이기 때문에 혼잡 윈도우의 변화(빈도수)가 가장 작게 나타났고 혼잡 윈도우의 사이즈 역시 크게 나타났다. 그러나 기존의 TCP 및 ECN TCP는 무선구간에서 0001의 비트 에러율에 의한 패킷 손실조차도 혼잡으로 인한 패킷 손실로 간주한다.
01 로 설정하여 플로우 수를 1에서 10까지 증가시킴에 따른 처리량을 측정한 결과이다. 플로우 수가 증가함에 따라 변동은 조금 있지만 전체적인 각각의 플로우 수에 따른 처리량은 제안된 TCP가 기존의 TCP와 snoop 보다 성능이 우수함을 볼 수 있었다. 이 때 혼잡이 증가될수록 제안된 TCP가 <그림 7>의 경우와 비교하여 snoop 보다 성능이 더욱 우수한 것으로 나타났는데 이것은 제안한 TCP가 유선 구간에서의 혼잡도 제어할 수 있기 때문이다.

참고문헌 (16)

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상세보기
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상세보기
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상세보기
F. PENG, S. CHENG, J. MA, 'An Effective way to improve TCP performane in Wireless/mobile networks,' IEEE, pp. 435-441, 2000

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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