[논문]TCP 혼잡제어 알고리즘을 이용한 무선 메쉬 네트워크의 성능 개선

이혜림; 문일영

TCP 혼잡제어 알고리즘을 이용한 무선 메쉬 네트워크의 성능 개선
Performance Improvement of Wireless Mesh Networks using TCP Congestion Control Algorithm 원문보기

한국항행학회논문지 = Journal of advanced navigation technology, v.14 no.2 = no.41, 2010년, pp.253 - 259

이혜림 (한국기술교육대학교 정보미디어공학과) , 문일영 (한국기술교육대학교 정보미디어공학과)

초록
AI-Helper

무선 메쉬 네트워크는 Base Station 기반과 더불어 애드혹 네트워크나 블루투스와 같이 유연성을 가진 네트워크이다. 하지만 무선 메쉬 네트워크는 높은 패킷 손실률을 보이고 TCP(Transport Control Protocol) 알고리즘은 무선 메쉬 네트워크의 패킷손실 원인을 네트워크 내의 혼잡으로 인식하기 때문에 TCP 혼잡제어 알고리즘(Congestion Control Algorithm)을 실행하게 된다. 이러한 TCP 동작은 혼잡 손실이 아닌 패킷 손실로 발생 할 경우, 상당한 성능 저하를 초래하게 된다. 본 논문에서는 무선 메쉬 네트워크에서 TCP 혼잡제어 알고리즘의 성능을 개선시키기 위해 혼잡 윈도우를 무선망에서도 적응력 있게 조절하는 연구를 제안하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Wireless mesh network is flexible network like Ad hoc network or bluetooth together based on base station. But, wireless mesh network shows high packet loss and when TCP was created, however as it was design based on wired link, wireless link made more transmission error than wired link. It is existent problem of TCP congestion control algorithm that TCP unfairness and congestion collapse over wireless mesh network. When TCP operation occurs with the packet loss where is not the congestion loss, it brings the performance degradation which is serious. In this paper, in order to improve efficient TCP congestion control algorithm in wireless mesh network, we proposed that TCP can adaptively regulate the congestion window in wireless link.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

현재 TCP 혼잡제어 알고리즘의 가장 큰 문제점은 패킷 손실의 원인을 정확히 파악하지 못한 채 대부분의 상황에서 혼잡제어를 실행한다는 점이다. 따라서 본 논문에서 제안한 TCP 혼잡제어 알고리즘은 무선 메쉬 네트워크에서 상대적으로 많이 발생하는 패킷 손실 원인인 이동에 따른 경로 변경을 정확히 감지할 수 있는 TCP 혼잡 제어 알고리즘을 제안하였다.
본 논문에서는 QualNet 4.5를 이용하여 무선 메쉬 네트워크에서 개선된 TCP 혼잡제어 알고리즘의 성능을 평가하도록 한다.
이에 본 논문에서는, 유비쿼터스의 새로운 인프라로 주목받고 있는 무선 메쉬 네트워크에서 TCP 혼잡 제어 알고리즘의 성능을 향상시키기 위해 혼잡 윈도우를 무선망에서도 적응력 있게 조절하는 연구를 하였다.

제안 방법

본 논문에서 제안된 TCP 혼잡제어 알고리즘은 패킷을 전송하다가 연결이 끊기면 TCP 패킷에 경로가 변경되어 전송이 중지되었다는 것을 송신 노드에게 알려 중복 ACK를 받아도 Cwnd(Congestion Window)를 1로 줄여 슬로우 스타트 단계로 들어가는 것을 막는다. 또한 Cwnd는 전송이 끊기기 전의 Cwnd값과 현재의 ssthresh(slow-start threshold)값 중에서 작은 값을 비교하여 고른다. 이렇게 Cwnd값과 현재의 ssthresh값 중에서 작은 값을 비교하여 고르게 되면 안정적이고 적당한 값을 뽑아낼 수 있게 된다.
본 논문에서 제안된 TCP 혼잡제어 알고리즘은 패킷을 전송하다가 연결이 끊기면 TCP 패킷에 경로가 변경되어 전송이 중지되었다는 것을 송신 노드에게 알려 중복 ACK를 받아도 Cwnd(Congestion Window)를 1로 줄여 슬로우 스타트 단계로 들어가는 것을 막는다. 또한 Cwnd는 전송이 끊기기 전의 Cwnd값과 현재의 ssthresh(slow-start threshold)값 중에서 작은 값을 비교하여 고른다.
그림 3과 같이 토폴로지를 구성하고, 이 토폴로지는 1000M*1000M이내의 평탄한 경우라고 지정한다. 비교 대상이 되는 TCP 알고리즘은 현재 가장 널리 쓰이고 있는 TCP Reno와 버스트한 패킷 손실에 강한 TCP New-Reno를 사용하여 비교하였다.
클라이언트의 움직임은 일정한 이동성을 가지고 있으며, 클라이언트 노드가 이동할 땐, 대부분의 패킷이 전송되지 않는다. 이 과정을 통해 경로 변경으로 인한 패킷 유실을 기존의 TCP는 혼잡상황으로 인식하게 되지만 제안된 TCP는 패킷이 경로변경으로 유실되었음을 인지하여 경로이동에 따른 효과적인 TCP 알고리즘의 성능을 분석할 수 있다.

성능/효과

즉, 혼잡 윈도우에는 제안된 TCP 혼잡제어 알고리즘은 올라간 혼잡 윈도우만큼의 쓸 수 있는 공간이 남아 있음에도 불구하고, TCP New-Reno는 천천히 그리고 조금씩 올라가서 효율적으로 데이터를 보내지 못하는 단점이 있다. 따라서 제안된 TCP 혼잡 제어 알고리즘은 이러한 단점을 극복해주기 때문에 전체적인 성능이 높게 나오고 또한 기존의 TCP 보다 성능이 향상되었음을 알 수 있다.
5의 시뮬레이션을 통해 제안된 TCP 혼잡제어 알고리즘이 기존의 TCP 혼잡제어 알고리즘보다 성능이 향상되었음을 확인하였다. 또한 TCP 혼잡제어 알고리즘이 이동성을 가진 무선 메쉬 네트워크 환경에서 얼마만큼 영향을 미치는지 알아보았고, 대표적인 방식인 TCP Reno, TCP New-Reno를 본 논문에서 제안한 TCP 혼잡제어 알고리즘과 동일한 상황에서 모의 실험하였으며, 제안된 TCP 혼잡제어 알고리즘이 무선 메쉬 네트워크 환경에서 더 효율적 성능을 발휘하는 것을 볼 수 있었다.
이렇게 Cwnd값과 현재의 ssthresh값 중에서 작은 값을 비교하여 고르게 되면 안정적이고 적당한 값을 뽑아낼 수 있게 된다. 또한 기존의 TCP는 경로 변경에 따른 전송 에러를 혼잡상황으로 인식하여 불필요한 혼잡제어 메커니즘을 실행하지만, 제안된 TCP는 전송에러에 대한 원인을 정확히 감지하여 혼잡제어 메커니즘을 실행하지 않고 Cwnd값을 극단적으로 낮추지 않으며 적절한 대처를 하게 된다.
기존의 TCP 혼잡제어 알고리즘은 이러한 패킷 유실로 인해 혼잡 윈도우가 줄어들게 되고 네트워크가 받을 수 있는 양은 충분하지만 그 가용한 대역을 사용하지 않아 성능 저하가 발생한다. 반면에 제안된 TCP 혼잡제어 알고리즘은 노드가 이동하고 움직여도 혼잡상황이 아니라 단순한 경로변경임을 알고 혼잡 윈도우의 크기를 그전과 비슷하게 유지한다. 이는 경로가 연결되어도 언제든지 신속하게 많은 양의 데이터를 보낼 수 있으며, 사용할 수 있는 공간을 최대한 활용함으로써 대역의 낭비를 줄이게 된다.
본 논문에서는 무선 메쉬 네트워크에서 개선된 TCP 혼잡제어 알고리즘을 제안하였고 QualNet 4.5의 시뮬레이션을 통해 제안된 TCP 혼잡제어 알고리즘이 기존의 TCP 혼잡제어 알고리즘보다 성능이 향상되었음을 확인하였다. 또한 TCP 혼잡제어 알고리즘이 이동성을 가진 무선 메쉬 네트워크 환경에서 얼마만큼 영향을 미치는지 알아보았고, 대표적인 방식인 TCP Reno, TCP New-Reno를 본 논문에서 제안한 TCP 혼잡제어 알고리즘과 동일한 상황에서 모의 실험하였으며, 제안된 TCP 혼잡제어 알고리즘이 무선 메쉬 네트워크 환경에서 더 효율적 성능을 발휘하는 것을 볼 수 있었다.
제안된 TCP 혼잡제어 알고리즘은 기존의 TCP 혼잡제어 알고리즘보다 상대적으로 높은 ssthresh값을 유지하고 있다. 이렇게 가용한 윈도우를 활용함으로써 더 많은 데이터를 전송하게 됨으로 결과적으로는 앞서 본 시뮬레이션 결과그래프처럼 기존의 TCP 혼잡제어 알고리즘에 비해 높은 성능을 보이게 되는 것이다.
sshresh값은 슬로우 스타트 단계에서 사용하는 윈도우 임계값이라고 불리며 혼잡 윈도우는 ssthresh값을 기점으로 이 값에 도달하면 지수적인 증가를 멈추고 혼잡회피단계로 들어가 1씩 증가하게 된다. 제안된 TCP 혼잡제어 알고리즘은 기존의 TCP 혼잡제어 알고리즘보다 상대적으로 높은 ssthresh값을 유지하고 있다. 이렇게 가용한 윈도우를 활용함으로써 더 많은 데이터를 전송하게 됨으로 결과적으로는 앞서 본 시뮬레이션 결과그래프처럼 기존의 TCP 혼잡제어 알고리즘에 비해 높은 성능을 보이게 되는 것이다.
제안된 TCP 혼잡제어 알고리즘은 노드가 이동함에 따라 생기는 패킷 손실에 대해 기존의 혼잡제어를 실행하지 않고 적응력 있게 혼잡 윈도우의 크기를 조절하여 노드가 움직여서 일시적인 패킷 손실이 발생 해도 윈도우 사이즈를 그전과 비슷하게 유지하여 평균적인 패킷 처리량을 높였다. 현재 TCP 혼잡제어 알고리즘의 가장 큰 문제점은 패킷 손실의 원인을 정확히 파악하지 못한 채 대부분의 상황에서 혼잡제어를 실행한다는 점이다.
그림에서 보는 것과 같이 80초에서 TCP New-Reno는 혼잡 윈도우가 천천히 올라가는 반면에 제안된 TCP 혼잡제어 알고리즘은 거의 수직방향으로 높게 올라간 것을 볼 수 있다. 즉, 혼잡 윈도우에는 제안된 TCP 혼잡제어 알고리즘은 올라간 혼잡 윈도우만큼의 쓸 수 있는 공간이 남아 있음에도 불구하고, TCP New-Reno는 천천히 그리고 조금씩 올라가서 효율적으로 데이터를 보내지 못하는 단점이 있다. 따라서 제안된 TCP 혼잡 제어 알고리즘은 이러한 단점을 극복해주기 때문에 전체적인 성능이 높게 나오고 또한 기존의 TCP 보다 성능이 향상되었음을 알 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	TCP 혼잡제어 알고리즘을 통해 무엇을 막을 수 있는가?	즉, TCP 혼잡제어(congestion control) 알고리즘은 네트워크로 들어가는 정보 소통량을 조절하여 네트워크가 혼잡해지지 않게 조절하는 것을 말한다. 예를 들어, 정보 소통량이 과다한 것을 감지하여 패킷을 적게 보내면 혼잡 붕괴 현상이 일어나는 것을 막을 수 있다[5].
	IP는 어떤 목적으로 만들어졌는가?	IP는 단순히 패킷만 전달하려는 목적으로 만들어졌기 때문에 TCP는 이러한 IP에 데이터 패킷을 안전하게 전달할 수 있도록 네트워크상의 여러 가지 변수들을 고려하여 최대한 목적지까지 정확히 전송되도록 유지시켜준다. 여러 가지 변수들 중에서 가장 TCP의 성능을 좌지우지 하는 것은 혼잡 윈도우이다[1],[2].
	혼잡 윈도우는 무엇을 말하는가?	여러 가지 변수들 중에서 가장 TCP의 성능을 좌지우지 하는 것은 혼잡 윈도우이다[1],[2]. 혼잡 윈도우는 송신자가 데이터 패킷을 보낼 수 있는 크기를 말하며, 데이터 패킷은 혼잡 윈도우 사이즈에 맞춰 데이터 패킷을 전송한다. 이러한 혼잡 윈도우는 TCP의 혼잡제어 알고리즘에서 조절하게 된다[3],[4].

참고문헌 (8)

G. Xylomenos and G. C. Polyzos, "TCP Performance Issues over Wireless Link," IEEE Communications Magazine, vol. 39, pp.52-58, April 2001.
W. Stevens, "TCP Slow Start, Congestion Avoidance, Fast Retransmit, and Fast Recovery Algorithms," RFC-2001, Jan. 1997.
K. Fall and S. Floyd, "Simulation-based comparisons of Tahoe, Reno, and SACK TCP," Comput. Commun. Rev., 1996.
C. Barakat, E. Altman, and W. Dabbous, "On TCP Performance in a Heterogeneous Network: A Survey," IEEE Communications Magazine, Jan. 2000.
L. Patterson, Larry and S. Bruce, Davie, Computer Networks 3rd edition, Morgan Kaufmann, pp. 468-478, 2003.
W. Richard Stevens, TCP/IP Illustrated, Reading MA, volume 1. Addison-Wesley, 1994.
V. Jacobson, "Congestion avoidance and control," Symposium proceedings on Communications architectures and protocols, p.314-329, August 16-18, 1988.
IEEE 802.11 working group, "IEEE Std 802.11, 1999 Edition," available from http://standards.ieee.org/catalog/olis/laman.html, ISO/IEC 8802-11, 1999.

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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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