[논문]데이터보안을 위한 2차원 FEC기법의 성능 향상에 관한 연구

민순호

doi:10.13089/jkiisc.2013.23.5.957

데이터보안을 위한 2차원 FEC기법의 성능 향상에 관한 연구
A Study of Performance Improvement of Two Dimensional FEC Schemes For Data Security 원문보기

情報保護學會論文誌 = Journal of the Korea Institute of Information Security and Cryptology, v.23 no.5, 2013년, pp.957 - 962

초록
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본 논문은 송수신 데이터의 보안을 위한 향상된 2차원 FEC기법의 성능에 관하여 제안한다. 이를 위해 기존 2차원 FEC 기법의 전체 패킷 손실률의 확률을 분석하고 2차원 FEC 기법의 문제점을 분석해서 길버트 모델링을 이용하여 개선된 2차원 FEC기법을 수학적으로 모델링하고, 전체 패킷 손실을 줄일 수 있는 향상된 2차원 FEC기법을 연구하였다.

This paper proposes the new enhanced 2-D(2-Dimension) FEC scheme. It analyzes the probability of entire packet loss rate of the existing 2-D FEC by mathematical modeling, finds the problem of the existing 2-D FEC, and deduces the new enhanced 2-D FEC scheme that reduces the entire packet loss probab...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

즉, 전체적으로 M1 패킷의 완전 손실 확률이 가장 크다고 할 수 있다. 우리는 M1, M2, M3패킷의 완전 손실 확률을 낮추는 방법을 연구하여 전체적으로 2차원 FEC 기법의 성능을 향상 시키는 방법을 제안하고자 한다.
제안된 2차원 FEC기법의 성능을 비교하기 위해서 기존 2차원 FEC 기법 이외에 잉여 패킷을 추가로 전송해서 오류를 복구하는 기법에 대해서 분석하고자 한다. 3개 잉여 전송에 의한 오류 복구 기법을 길버트 모델로 수식화하면 다음과 같다.

제안 방법

2절에서 언급한 내용과 같이, 기존 2차원 FEC기법의 문제점을 개선하기 위해서 M1, M2, M3패킷의 완전 손실 확률을 낮추기 위한 방법으로서, 확률적으로 분석한 후 완전 손실 확률을 줄이기 위한 방법으로서, FEC패킷에 복구하기 위한 미디어 패킷을 추가한 후 통합 패킷을 전송하는 방법을 제안한다.
[표 1]은 본 논문에서 제안한 2D FEC 기법(Improved 2D FEC)을 포함한 오류 정정을 하지 않은 전송 방법으로 [표 1]에 NO FEC로 나타내었으며, 기존 2D FEC 기법, 그리고, 3개 잉여 데이터 전송에 의한 오류 정정 기법의 완전 손실 확률을 계산해서 비교하였다. 본 논문에서 제안한 2D FEC 기법은 패킷이 손실된 상태로 오류 정정을 하지 않은 전송 방법과 기존 2D FEC 기법에서 패킷이 손실되어 전 이되는 방법과 3개 잉여 데이터 전송에 의한 오류 정정 기법에 비해서 전체적으로 전송패킷이 완전히 손실될 확률이 줄어들었으며, 특히, 기존 2D FEC 기법의 완전 손실률에 비해서 32% 정도 손실률을 줄이는 결과가 도출되었다.
가장 간단한 알고리즘으로XOR(Exclusive OR) 연산 알고리즘이 있으며, 그 밖에 Reed-Solomon 연산알고리즘 등이 있다[7,8]. 또한 수신 측 패킷은 수신된 M1 ~ M4 패킷 중에 손실된 미디어 패킷을 복구하기 위해서 미디어 패킷과 수신된 FEC 패킷을 이용해서 송신 측 패킷에서 사용한 FEC 정보 생성 알고리즘을 이용해서 반복적으로 미디어 패킷을 복구한다. 이렇듯 FEC 기법은 잉여 정보 전송에 의한 오류 복구 기법에 비해서 오버헤드가 적은 장점이 있다.

이론/모형

F1 FEC 패킷에 M3 패킷 정보를, F2 FEC 패킷에 M2 패킷 정보를, 마지막으로 F4 FEC 패킷에 M1 패킷 정보를 추가해서 완전 손실 확률을 낮출 수가 있다. 이를 수식 (1),(2),(3)을 이용해서 제안된 2차원 FEC 기법을 길버트 모델로 수식 화하였다. 수식 (12)와 같다.
또한, 길버트 모델에서 비종속적인 전이 확률과 종속적으로 발생되는 확률도 구할 수가 있는 장점이 있다. 이를 위해 수식 (1),(2),(3)을 이용해서 기존 2차원 FEC 기법을 길버트 모델로 수식화하면 다음과 같다.

성능/효과

본 논문에서 제안한 2D FEC 기법은 패킷이 손실된 상태로 오류 정정을 하지 않은 전송 방법과 기존 2D FEC 기법에서 패킷이 손실되어 전 이되는 방법과 3개 잉여 데이터 전송에 의한 오류 정정 기법에 비해서 전체적으로 전송패킷이 완전히 손실될 확률이 줄어들었으며, 특히, 기존 2D FEC 기법의 완전 손실률에 비해서 32% 정도 손실률을 줄이는 결과가 도출되었다. 또한, 3개의 잉여 데이터 전송에 의한 오류 정정 기법에 비해서 완전 손실률은 0.1%로 서 거의 동일 하였지만 대역폭 오버헤드가 1/2로 감소한 상태이므로 완전 손실률은 감소한 결과를 도출되었다.
[표 1]은 본 논문에서 제안한 2D FEC 기법(Improved 2D FEC)을 포함한 오류 정정을 하지 않은 전송 방법으로 [표 1]에 NO FEC로 나타내었으며, 기존 2D FEC 기법, 그리고, 3개 잉여 데이터 전송에 의한 오류 정정 기법의 완전 손실 확률을 계산해서 비교하였다. 본 논문에서 제안한 2D FEC 기법은 패킷이 손실된 상태로 오류 정정을 하지 않은 전송 방법과 기존 2D FEC 기법에서 패킷이 손실되어 전 이되는 방법과 3개 잉여 데이터 전송에 의한 오류 정정 기법에 비해서 전체적으로 전송패킷이 완전히 손실될 확률이 줄어들었으며, 특히, 기존 2D FEC 기법의 완전 손실률에 비해서 32% 정도 손실률을 줄이는 결과가 도출되었다. 또한, 3개의 잉여 데이터 전송에 의한 오류 정정 기법에 비해서 완전 손실률은 0.
본 논문에서는 기존 2차원 FEC기법의 문제점을 분석해서 개선된 2차원 FEC기법을 길버트 모델을 이용하여 수학적으로 모델링하고, 오류 정정을 하지 않은 전송 방법, 기존 2D FEC 기법, 그리고, 3개 잉여 데이터 전송에 의한 오류 정정 기법의 완전 손실률을 수학적으로 계산해서 완전 손실률을 비교 분석한 결과, 기존의 오류 정정 기법 보다 성능이 향상되는 것을 확인하였다. 앞으로 본 논문에서 제안한 2차원 FEC기법을 실제로 시스템에 구현해서 성능을 확인한다면, 제안한 2차원 FEC 모델링을 검증하여 향상된 결과를 확인할 예정이다.

후속연구

본 논문에서는 기존 2차원 FEC기법의 문제점을 분석해서 개선된 2차원 FEC기법을 길버트 모델을 이용하여 수학적으로 모델링하고, 오류 정정을 하지 않은 전송 방법, 기존 2D FEC 기법, 그리고, 3개 잉여 데이터 전송에 의한 오류 정정 기법의 완전 손실률을 수학적으로 계산해서 완전 손실률을 비교 분석한 결과, 기존의 오류 정정 기법 보다 성능이 향상되는 것을 확인하였다. 앞으로 본 논문에서 제안한 2차원 FEC기법을 실제로 시스템에 구현해서 성능을 확인한다면, 제안한 2차원 FEC 모델링을 검증하여 향상된 결과를 확인할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	길버트 모델은 무엇인가?	[그림 3] 은 네트워크의 패킷 손실을 모델화한 길버트 모델[9]을 도시한 그림이다. 길버트 모델은 2-상태 마코프 체인(2-State Markov Chain)을 이용해서 패킷의 손실 여부를 실험적으로 검증하고 설명하는 모델이다.
	패킷 손실을 복구하기 위한 대표적인 방법에는 무엇이 있는가?	제한된 대역폭과, 핸드오프(Handoff) 등의 연결 오버헤드로 인해 중요한 데이터의 패킷 손실을 발생시키며, 특히 보안 패킷 손실을 복구하기 위한 해결책이 요구된다[1,2,3,4]. 이러한 패킷 손실을 복구하기 위한 대표적인 방법에는 잉여 정보를 이용한 전송 방식과 FEC(Forward Error Correction) 방식 등이 있다.
	3개 잉여 전송에 의한 오류 복구 기법의 단점은 무엇인가?	송신측에서는 N 번째 패킷을 전송 할 때에, 이전 전송한 3개(N-3, N-2, N-1번째)의 패킷을 N번째 패킷에 추가해서 전송하고, 수신 측에서는 누락된 패킷에 대해서 잉여 정보를 통해서 복구하게 된다. 위 기법은 FEC 기법에 비해서 복구 율은 좋지만 패킷 전송 지연 증가 및 대역폭이 오버헤드가 되는 단점이 있다[5,6].

참고문헌 (8)

Kevin Brown and Suresh Singh, "Quality of Service Guaranteesin Mobile Computing," J. Computer Communication, vol. 19, pp.359-371, 1996.

상세보기
Kevin Brown and Suresh Singh, "M-UDP: UDP for mobile cellular networks," ACM SIGCOMM Computer Commun. Review, vol. 26, no. 5, pp. 60-78, Oct. 1996.
Kevin Brown and Suresh Singh, "Extensions to RTP to Support Mobile Networking," 3rd Int'l. Workshop on Mobile Multimedia Communication, Sept. 25-27, 1996.
Kwangroh Park, Yeunjoo Oh, Kyungshik Lim, and Kyoung-Rok Cho, "A Dynamic Packet Recovery Mechanism for Realtime Service in Mobile Computing Environments," ETRI Journal, Vol. 25, Num. 5, Oct. 2003.

원문보기 상세보기
V. Hardman, A. Sasse, M. Handley, A. Handley, and A. Watson,"Reliable Audio for Use over the Internet," Proc. INET'95, Honolulu, HI, pp. 171-178, June 1995,
C. Perkins et al., "RTP Payload for Redundant Audio Data," IETF RFC2198, Sept. 1997.
Li, A., "RTP Payload Format for Generic Forward Error Correction," IETF RFC 5109, Dec. 2007.
Lacan, J., Roca, V., Peltotalo, J., and S. Peltotalo, "Reed-Solomon Forward Error Correction (FEC) Schemes," IETF RFC 5510, Apr. 2009.

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