[논문]Ad-hoc 네트워크에서 지연 ACK를 이용한 TCP성능 향상에 관한 연구

박광채; 나동건

문제 정의

따라서 본 논문에서는 수신 측에서 ACK 신호를 보내는 시점을 송신 측으로부터 받은 데이터 패킷의 수를 순차적 으로 증가 시 킴으로써 Ad-hoc 네트워크의 효율을 높이고자 한다. 이와 같이 무선 환경에 맞게 연구되어진 delayed ACK 알고리즘에서 수신 데이터 패킷의 수를 순차적으로 증가 시켜 컨트롤 패킷인 ACK 패킷의 전송 수를 줄임으로써 채널 간의 경쟁이나 충돌을 감소 시켜 Ad-hoc 네트워크에서의 TCP 전송률을 높이기 위한 Ordering- Delayed ACK(ODA) 알고리즘을 제안한다.
본 논문에서는 Ad-hoc 네트워크에서 TCP 전송효율을 높이기 위해서 delayedACK의 기본 알고리즘을 이용하여 수신 즉에서 데이터 패킷의 수를 순차적으로 증가하여 ACK 패킷을 보내는 방법을 Ad-hoc 네트워크에 적용하는 ODA 알고리즘을 제안한다.
본 논문에서는 TCP 성능 향상을 위하여 지연 데 이 터 패 킷의 수를 고정 시 켰던 기존의 delayed ACK에서의 지 연 데 이 터 패 킷 수를 순차적으로 증가 시 킴으로써 Ad-hoc 네 트워크에서 데이터 패킷과 ACK 패킷의 채널 경쟁 및 충돌을 감소 시켜 TCP의 성능을 향상시켰다. 또한 제안된 알고리즘은 시뮬레이션을 통해 성능을 평가한 결과, Ad-hoc 네트워크에서 채널 간의 경쟁 및 충돌 감소, ACK 패킷에 의한 채널 선점으로 전송하지 못하였던 시간에 데이터 패킷을 전송할 수 있어서 기존의 delayed ACK 알고리즘과 일반적인 TCP 알고리즘보다 높은 성능을 보였다.
RFC 2581에서 지정된 delayed ACK 알고리즘은 유선 환경에서 송. 수신단의 프로세싱 부하를 줄이기 위한 방법으로 제안되었다. 이것은 ACK 패킷을 보내기 위해 최 소한 매번 2개의 최대크기 데이터 패킷을 받았을 때와그 렇지 않더라도 데이터를 받은 지 500ms 이 내에는 반드시 ACK 패킷을 보내야 하는 것을 말하며, 수신 측의 delay timer에 의해 200ms 동안 데이터 패 킷을 수신하지 못하는 경우와 데이터 패킷의 순서가 바뀌어서 도착하는 경우에는 패킷손실 복구를 빨리할 수 있도록 매번 도착하는 패 킷에 대한 ACK 패 킷을 보내주어야 한다[7].

가설 설정

3) Congestion avoidance phase에서 1 RTT 에 한패 킷 단 위만큼 CWnd를 증가시킬 수 없다. 만일 2개의 데이터 패 킷마다 1개의 ACK를 보내주는 경우라면 2 RTT가 걸려 야CWnd를 1만큼 증가시킬 수 있다.

제안 방법

27을 사용하였다. ODA 알고리즘을 지원하기 위하여 C++로 작성된 TCP sink code에서 DelAckSink를 수정하였다.
앞에서 언급했던 바와 같이 delayed ACK에서는 데이터 패킷 수를 고정 시켰을 때 발생하는 채널 간의 경쟁과 충돌이 발생하여 해당 TCP 연결의 전송률이 급격히 감소 된다. 따라서 제안된 알고리즘에서는 데이터 패킷의 완벽한 전송 후 수신 측이 받아야 할 데이터의 수를 counter를 이용하여 순차적으로 증가 시 켜 설정함으로써 ACK 패킷의 전송을 줄이고 망 내에서 채널 간의 경쟁과 충돌을 최소화하여 전송률을 높이도록 한다. 그림 3.
라우터의 버퍼 관리 알고리즘은 A0DV를 사용하였다. 비교를 위해서 표준의 TCP, 기존의 delayed ACK알고리 즘, 변형된 delayed ACK 알고리즘 그리고 제안된 ODA 알고리즘의 성능 평가를 TCP Reno 환경에서 수행하였다. 성능 평가는 각각의 모델에서 홉 수의 증가에 따른 전송률, 시뮬레이션의 변수에 따른 전송률 그리고 CWnd 크기에 대해 성능평가를 하였다.
제안된 알고리즘의 성 능평가를 위해 홉 수를 늘려 가며 시뮬레이션을 수행하였다. 성능 비교를 위해 Limit Num_ 변수값과 MaxCWnd의 크기를 변화시켜가며 시뮬레이션 시간 동안 홉 수에 따른 전송률에 대한 추이를 측정하였다. 전송률은 전송된 패킷의 크기 / 전송시간 * 전송 패킷 수로 구할 수 있다.
비교를 위해서 표준의 TCP, 기존의 delayed ACK알고리 즘, 변형된 delayed ACK 알고리즘 그리고 제안된 ODA 알고리즘의 성능 평가를 TCP Reno 환경에서 수행하였다. 성능 평가는 각각의 모델에서 홉 수의 증가에 따른 전송률, 시뮬레이션의 변수에 따른 전송률 그리고 CWnd 크기에 대해 성능평가를 하였다.
따라서 본 논문에서는 수신 측에서 ACK 신호를 보내는 시점을 송신 측으로부터 받은 데이터 패킷의 수를 순차적 으로 증가 시 킴으로써 Ad-hoc 네트워크의 효율을 높이고자 한다. 이와 같이 무선 환경에 맞게 연구되어진 delayed ACK 알고리즘에서 수신 데이터 패킷의 수를 순차적으로 증가 시켜 컨트롤 패킷인 ACK 패킷의 전송 수를 줄임으로써 채널 간의 경쟁이나 충돌을 감소 시켜 Ad-hoc 네트워크에서의 TCP 전송률을 높이기 위한 Ordering- Delayed ACK(ODA) 알고리즘을 제안한다.
제안된 알고리즘의 성 능평가를 위해 홉 수를 늘려 가며 시뮬레이션을 수행하였다. 성능 비교를 위해 Limit Num_ 변수값과 MaxCWnd의 크기를 변화시켜가며 시뮬레이션 시간 동안 홉 수에 따른 전송률에 대한 추이를 측정하였다.

이론/모형

Ad-hoc 네트워크에서 서로 공유하는 채널의 경쟁과 데 이 터 패킷과 ACK 패킷의 충돌을 최소화하여 TCP 전송률을 높이기 위한 방법으로 delayed ACK 알고리즘을 이용하였다. 즉 TCP 수신 측은 일정한 수의 데이터 패킷을 받았을 때 ACK 패킷을 송신 측에 보냄으로써 데이터 패킷에 비해 크기가 작은 제어 패킷인 ACK 패킷의 수를 줄여 채널 간의 경쟁을 줄이고, ACK 패킷의 전송으로 인한 채 널 소모를 줄임으로써 TCP 성능을 향상시킬 수 있다.
라우터의 버퍼 관리 알고리즘은 A0DV를 사용하였다. 비교를 위해서 표준의 TCP, 기존의 delayed ACK알고리 즘, 변형된 delayed ACK 알고리즘 그리고 제안된 ODA 알고리즘의 성능 평가를 TCP Reno 환경에서 수행하였다.
본 논문에서 제안된 Ordering-Delayed ACK 알고리즘의 성능을 검증하기 위하여 캘리포니아 버클리 대학에서 개발된 NS(Network Simulator) 2.27을 사용하였다. ODA 알고리즘을 지원하기 위하여 C++로 작성된 TCP sink code에서 DelAckSink를 수정하였다.

성능/효과

1) Slow-Starm 구간의 시작에서 항상 ACK time out이 발 생하게 된다. 이것은 송신자의 CWnd가 1이어서 수신자 는 2개의 데이터 패킷을 받을 때까지 ACK 패킷을 전송하지 않고 기다리기 때문에 타임아웃이 발생하게 되는 것이다[8].
2) Slow-Start 구간에서 윈도우의 크기가 증가하는 정도가 한 RIT 당 2배씩 증가하지 않고 1.5 배씩 증가하게 되는 문제가 있다. 이것은 TCP 수신 측에서 받은 ACK 패킷의 개수를 바탕으로 윈도우의 크기를 증가 시 키기 때문이다[10].
4) TCP 송신자의 데이터 전송을 bursty하게 만들어 엑세스 네트워크 라우터의 버퍼 용량이 작은 경우 버퍼 오버플로우를 발생시킬 수 있다 μ2].
7은 각 홉 수별 전송률을 보여주고 있다. LimtiNum=4일 때 제안된 알고리즘과 기존의 알고리즘에서의 노드들의 평균 채널 사용량은 각각 13%, 11%, 11%, 11%를 보여주고 있으며, LimitNum=6인 경우에는 각각 13%, 11%, 12%, 11%의 채널 사용량을 보였다.
3과 같은 결과를 보여준다.MaxCWnd=7일 때 28%, 30%, 29%, 81%의 성능 향상을 보이고 있고, MaxCWnd=50일 때는 27%, 29%, 25%, 82%의 증가를 나타냈다.
11은 표준의 TCP의 성능과 비교하여 보았을 때 각 알고리즘별 전송률의 증가율을 보여준다. MaxCWnd=7일 때 기존의 delayed ACK(d=2, 3, 4)와 일반 TCP 알고리즘에 비하여 제안된 알고리즘의 전송률의 개 선치는 각각 81%, 39%, 38%, 40%이고, 또한 MaxCwnd=50일 때의 결과는 각각 82%, 41%, 39%, 44%의 성능 향상을 보였다.
13은 각 홉 수별 전송률을 보여주고 있다. MaxCWnd=7일 때 제안된 알고리즘과 기존의 알고리즘에서의 노드들의 평균 채널 사용량은 각각 13%, 11%, 11%, 11%이고, MaxCWnd=50인 경우에는 각각 13%, 11%, 12%, 11%의 채널 사용량을 보였다.
이 또한 TCP 성능을 저하시키는 요인으로서 LimitNum 변수의 결과와 비슷한 결과를 보이고 있다. MaxCWnd의 크기의 제 한을 바탕으로 한 결과, 기존의 delayed ACK(d=2, 3, 4) 알고 리즘과 일반 TCP 알고리즘에 비하여 제안된 알고리즘의 전송률 차이는 홉 수에 따라 달라지지만, 20홉까지의 평균 전송률을 비교해 보았을 때 표 4.3과 같은 결과를 보여준다.MaxCWnd=7일 때 28%, 30%, 29%, 81%의 성능 향상을 보이고 있고, MaxCWnd=50일 때는 27%, 29%, 25%, 82%의 증가를 나타냈다.
3은 LimitNum 변수를 4와 6으로 변화 시 키며 시뮬레이션한 결과이다. 결과에서 보여주듯이 수신 측 의 ACK 패킷을 보내야 하는 최대 수신 패킷 수를 4와 6일 때로 변화시키며 시뮬레이션한 결과, 적은 홉 수에서의 전송률의 차이는 LimitNum 가 6일 때 성능이 좋지만 홉 수가 증가하면서 LimitNum 가 4일 때 더 좋은 전송률을 나타낸다.
하지만, 기존의 알고리즘은 수신 측 의 수신 패킷 수를 고정시킴으로써 홉 수가 늘어남에 따라 채널에서의 충돌이 증가하여 전송률이 낮아진다. 기존의 delayed ACK(d=2, 3, 4) 알고리즘과 일반 TCP 알고리즘에 비하여 제안된 알고리즘의 전송률 차이는 홉 수에 따라 달라지 지만, 20홉까지의 평균 전송률을 비교해 보았을 때 표 5.2와 같은 결과를 보여준다.
5는 표준의 TCP의 성능과 비교하여 보았을 때 각 알고리즘별 전송률의 증가율을 보여주며, LimitNum=4 일 때 기존의 delayed ACK (d=2, 3, 4)와 일반 TCP 알고리즘에 비하여 제안된 알고리즘의 전송률의 개 선치는 각각 81%, 39%, 38%, 40%의 증가를 보여주고 있다. 또한 LimtiNum=6일 때의 전송률의 개선치는 각각 76%, 41%, 41%, 46%의 성능향상을 보였다.
본 논문에서는 TCP 성능 향상을 위하여 지연 데 이 터 패 킷의 수를 고정 시 켰던 기존의 delayed ACK에서의 지 연 데 이 터 패 킷 수를 순차적으로 증가 시 킴으로써 Ad-hoc 네 트워크에서 데이터 패킷과 ACK 패킷의 채널 경쟁 및 충돌을 감소 시켜 TCP의 성능을 향상시켰다. 또한 제안된 알고리즘은 시뮬레이션을 통해 성능을 평가한 결과, Ad-hoc 네트워크에서 채널 간의 경쟁 및 충돌 감소, ACK 패킷에 의한 채널 선점으로 전송하지 못하였던 시간에 데이터 패킷을 전송할 수 있어서 기존의 delayed ACK 알고리즘과 일반적인 TCP 알고리즘보다 높은 성능을 보였다.
매번 2개의 데이터 패 킷을 받은 후 ACK 패 킷을 전송해야 하는 delayed ACK 알고리즘 은 데이터 패킷의 수가 증가함에 따라 채널에서의 충돌은 데이터 패킷의 수에 비례하여 발생함으로써 TCP 성능향상에 커다란 저해가 된다. 이러한 이유로 본 논문에서는 delayed ACK 알고 리 즘의 데 이 터 패 킷의 수를 순차적으로 늘려감에 따라 Ad-hoc 네트워크에서의 채널 간 경쟁과 충돌을을 줄이고 제어 패킷으로 인한 채널 부족 현상과 더불어 전력 소비량을 줄일 수 있다.
이러한 이유로 CWnd의 크기를 무제 한적으로 올리게 된다면 네트워크상에서의 혼잡은 물론 Ad-hoc 네트워크 채널에서의 충돌 상황으로 인하여 패킷 손실을 야기 함으로써 네트워크 성능을 저하 시 킬 수 있는 원인이 된다. 이에 최대한으로 늘릴 수 있는 CWnd의 크기를 제한함으로써 Ad-hoc 네트워크에서 TCP 성능을 향 상시킬 수 있었다.
Ad-hoc 네트워크에서 서로 공유하는 채널의 경쟁과 데 이 터 패킷과 ACK 패킷의 충돌을 최소화하여 TCP 전송률을 높이기 위한 방법으로 delayed ACK 알고리즘을 이용하였다. 즉 TCP 수신 측은 일정한 수의 데이터 패킷을 받았을 때 ACK 패킷을 송신 측에 보냄으로써 데이터 패킷에 비해 크기가 작은 제어 패킷인 ACK 패킷의 수를 줄여 채널 간의 경쟁을 줄이고, ACK 패킷의 전송으로 인한 채 널 소모를 줄임으로써 TCP 성능을 향상시킬 수 있다. 하 지만 유선 환경에서 제 안되어 진 delayed ACK 알고 리 즘은 데이터 패 킷의 수를 항상 2(d=2)로 고정 해 놓았으며, 이러한 유선 환경의 delayed ACK 알고 리 즘은 무선 환경에 적용 시키기에는 한계가 있다.

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