본 논문에서는 저용량 데이터의 전송빈도가 높은 스마트폰의 데이터 통신 성향을 참조하여, 스마트폰의 특성에 알맞은 알고리즘을 제시한다. 스마트폰의 사용량은 최근 비약적으로 늘어났으며, 실시간 지도검색, 대중교통 정보 확인, 게임, SNS 등의 사용 빈도가 높아지게 되었다. 이러한 스마트폰에서 주로 일어나는 저용량 데이터 통신은 TCP의 혼잡회피 단계가 나오기 이전에 데이터 전송이 끝나는 경우가 대부분이므로, 본 논문에서는 혼잡회피가 아닌 다른 TCP 관련 알고리즘을 조정하여 초기 통신 속도의 향상을 구현하였다. 본 논문에서 제시하는 알고리즘은 리눅스의 Quick ACK과 네이글 알고리즘(Nagle's algorithm)의 조절을 통하여 불필요한 지연을 줄이고, 짧은 통신에서도 안정적으로 높은 전송속도를 유지할 수 있도록 TCP를 개선하였다.
본 논문에서는 저용량 데이터의 전송빈도가 높은 스마트폰의 데이터 통신 성향을 참조하여, 스마트폰의 특성에 알맞은 알고리즘을 제시한다. 스마트폰의 사용량은 최근 비약적으로 늘어났으며, 실시간 지도검색, 대중교통 정보 확인, 게임, SNS 등의 사용 빈도가 높아지게 되었다. 이러한 스마트폰에서 주로 일어나는 저용량 데이터 통신은 TCP의 혼잡회피 단계가 나오기 이전에 데이터 전송이 끝나는 경우가 대부분이므로, 본 논문에서는 혼잡회피가 아닌 다른 TCP 관련 알고리즘을 조정하여 초기 통신 속도의 향상을 구현하였다. 본 논문에서 제시하는 알고리즘은 리눅스의 Quick ACK과 네이글 알고리즘(Nagle's algorithm)의 조절을 통하여 불필요한 지연을 줄이고, 짧은 통신에서도 안정적으로 높은 전송속도를 유지할 수 있도록 TCP를 개선하였다.
This paper suggests adjusting TCP for smartphones that often have small size data transmission tendency. Usage of smartphones has been risen dramatically in recent years, including frequent usage of real-time map search, public transportation search, online games, and SNS. Because the small size dat...
This paper suggests adjusting TCP for smartphones that often have small size data transmission tendency. Usage of smartphones has been risen dramatically in recent years, including frequent usage of real-time map search, public transportation search, online games, and SNS. Because the small size data transmission ends before the phase of the TCP congestion avoidance, this paper suggests an algorithm that increases the transmission speed ahead of the traffic congestion event. The algorithm reduces unnecessary delay by data size-driven adjustment of the Linux Quick ACK and Nagle's algorithm. Therefore, TCP is improved to maintain a high transmission rate steadily in small data transmission.
This paper suggests adjusting TCP for smartphones that often have small size data transmission tendency. Usage of smartphones has been risen dramatically in recent years, including frequent usage of real-time map search, public transportation search, online games, and SNS. Because the small size data transmission ends before the phase of the TCP congestion avoidance, this paper suggests an algorithm that increases the transmission speed ahead of the traffic congestion event. The algorithm reduces unnecessary delay by data size-driven adjustment of the Linux Quick ACK and Nagle's algorithm. Therefore, TCP is improved to maintain a high transmission rate steadily in small data transmission.
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문제 정의
그러나 ARI 알고리즘은 통신 초기의 불필요한 지연을 제거함으로 써 짧은 통신이 자주 이루어져도 통신성능이 향상시키도록 하고 있으며, 기존의 통신기기가 어떠한 TCP 혼잡회피 알고리즘을 사용하여도 상관없이 동작한다는 특징을 가지고 있다. ARI 알고리즘처럼 통신 초기의 속도를 상승시키는 논문으로는 [16]이 있으며, 이 논문에서는 Slow-start 단계에서 Round Trip Time을 기반으로 계산된 높은 값의 CWND를 사용하는 알고리즘을 제시하고 있다. 하지만 이러한 CWND 조정 방식은 통신속도의 향상을 가져올 수는 있으나, 혼잡제어와 관계없는 Delayed ACK과 네이글 알고리즘으로 인한 통신지연은 막을 수가 없다.
본 절에서는 ARI 알고리즘이 적용되는 TCP의 작동방식과, 네트워크의 복잡도를 감소시키지만 그만큼 통신 속도를 저하시키는 공통된 특징을 가진 Delayed ACK과 네이글 알고리즘(Nagle's algorithm)의 특징에 대해 서술한다. 또한, 기존의 다른 통신속도 향상 관련 연구와 본 논문에서 제시하는 연구가 어떠한 차이가 있는지를 서술한다.
본 논문에서는 이러한 배경과 스마트폰의 통신 특성을 고려하여, 초기 전송속도를 개선한 ARI (ACK Reception Inducer) 알고리즘을 제시하려 한다. 본 논문에서 제시하는 알고리즘은 Quick ACK[7]과 네이글 알고리즘(Nagle's algorithm)[8]의 사용방식을 개선하도록 하였으며, 이를 통해 불필요한 지연을 제거하여 통신속도를 향상시키고, 짧은 통신시에도 패킷이 안정적으로 전달될 수 있도록 개선하였다.
본 절에서는 2절에서 설명한 배경을 바탕으로 TCP에서 속도조절에 영향을 주는 요소와 그 영향에 대해 분석하여 ARI 알고리즘의 구성요소가 선택된 배경을 설명하고, 리눅스의 Quick ACK과 TCP 관련 알고리즘을 활용하여 단기통신 속도를 향상시키는 ARI 알고리즘의 구조와 그 효과에 대해 서술한다.
본 절에서는 ARI 알고리즘이 적용되는 TCP의 작동방식과, 네트워크의 복잡도를 감소시키지만 그만큼 통신 속도를 저하시키는 공통된 특징을 가진 Delayed ACK과 네이글 알고리즘(Nagle's algorithm)의 특징에 대해 서술한다.
네이글 알고리즘은 보낼 수 있는 데이터를 바로 패킷으로 만들지 않고, 가급적이면 데이터를 모아서 하나의 패킷에 모두 담아 전송하는 방식이며 이는 그림 1에서 그 방식을 보여주고 있다. 앞서 설명한 Delayed ACK과 마찬가지로 네트워크 회선의 혼잡도를 줄이고, 데이터를 처리하는 프로세서의 부담을 줄이는데 그 목적이 있으며, 이러한 특성 덕분에 모든 TCP에서 기본적으로 사용하도록 되어있다[8]. 하지만 그림 1의 네이글 알고리즘을 켰을 경우와 껐을 경우에서 보이듯이, 네이글 알고리즘을 사용하면 같은 양의 데이터를 전송하여도 전송 시간 자체가 더 지연되어 결과적으로 통신이 느려지는 부작용이 있다[12].
제안 방법
TCP 파라미터 자체는 응용 프로그램(application)단계에서 조절할 수도 있으나, 커널을 직접 변경하여 알고리즘을 조정하면 모든 응용프로그램에 자연스럽게 적용되면서, 컴퓨터 내부에서의 처리시간도 줄어들게 되어 매우 빠른 고속통신이 이루어지는 상황에서도 지연 없이 알고리즘이 적용된다는 장점이 있다. TCP 통신에서 사용하는 segment 크기의 기본값은 536B이고 자주 사용되는 간단한 응답 메시지의 크기가 2 KB 이내인 점을 감안하여, 단순 메시지는 언제나 즉시 전송되고 ACK을 받아볼 수 있도록 하기 위해 Quick ACK의 적용 값을 기존 값인 2개의 4배까지 적용되도록 조정하였다. 이렇게 Quick ACK의 파라미터를 변경한 커널을 갤럭시 넥서스에 탑재하였고, 네이글 알고리즘(Nagle’s algorithm)이 적용되지 않도록 설정한 상태에서 데이터를 중계하는 Access Point (AP) 를 거쳐서 Odroid와의 저용량 데이터 통신을 다수 실행하도록 실험환경을 구성하였으며 이는 그림2에서 보여주고 있다.
그리고 송신자도 바로 데이터를 보내어 ACK이 생성될 수 있도록 유도하고, 이렇게 생성된 다량의 ACK을 지연 없이 보내기 위하여 TCP에서 기본적으로 사용되는 네이글 알고리즘(Nagle's algorithm)을 본 알고리즘에서는 작동하지 않도록 설정 하였다.
5 MB, 1 MB의 데이터를 각각 전송하도록 하였다. 또한 대조군으로 ARI가 적용되지 않은 기존의 TCP 방식의 커널이 탑재된 스마트폰으로도 동일한 방식으로 실험을 진행, 전송속도와 전송시간을 측정하여 결과 값을 서로 비교하였다. 이러한 실험은 갤럭시 넥서스에서 기본으로 사용하고 있으면서 모바일 환경에서 널리 쓰이는 TCP CUBIC 알고리즘과, 가장 기본적인 TCP 알고리즘인 TCP Reno를 기반으로 ARI알고리즘을 적용하여 실험하였다.
본 논문에서 제시하는 알고리즘은 Quick ACK[7]과 네이글 알고리즘(Nagle's algorithm)[8]의 사용방식을 개선하도록 하였으며, 이를 통해 불필요한 지연을 제거하여 통신속도를 향상시키고, 짧은 통신시에도 패킷이 안정적으로 전달될 수 있도록 개선하였다.
본 논문에서 제시한 ARI 알고리즘은 스마트폰의 통신을 개선하기 위하여 개발되었으므로, 그 성능을 입증하기 위하여 실제 스마트폰에 ARI 알고리즘을 적용하여 실험하였다. 본 절에서는 스마트폰의 커널(Kernel)코딩을 통하여 고속통신에서 발생할 수 있는 프로세싱으로 인한 지연을 줄였고, 다양한 통신실험 진행을 위해 Odroid를 활용하여 구성한 무선통신 실험 환경에 대하여 설명하고, 측정된 전송속도와 전송시간을 기존의 TCP와 비교하여 해설하였다.
본 알고리즘의 성능을 입증하기 위해, 스마트폰 기기인 갤럭시 넥서스를 활용하여 실제 통신성능을 입증하였다. Quick ACK을 포함한 TCP관련 파라미터는 운영체제와 응용프로그램 수행의 핵심에 해당되는 커널(Kernel)에 구현되어 있다.
본 논문에서 제시한 ARI 알고리즘은 스마트폰의 통신을 개선하기 위하여 개발되었으므로, 그 성능을 입증하기 위하여 실제 스마트폰에 ARI 알고리즘을 적용하여 실험하였다. 본 절에서는 스마트폰의 커널(Kernel)코딩을 통하여 고속통신에서 발생할 수 있는 프로세싱으로 인한 지연을 줄였고, 다양한 통신실험 진행을 위해 Odroid를 활용하여 구성한 무선통신 실험 환경에 대하여 설명하고, 측정된 전송속도와 전송시간을 기존의 TCP와 비교하여 해설하였다.
5MB 이하의 저용량 데이터를 불연속적이고 불규칙한 빈도로 전송하는 통신 성향을 가지고 있다. 실제로 스마트 폰으로 각종 서비스 사용 시에 발생하는 데이터량을 My Data Manager라는 어플리케이션을 활용하여, 직접 각종 서비스를 사용해 보면서 데이터 사용량을 측정 하였다. 그 결과, 사진전송은 0.
이렇게 실제 무선기기를 활용하여 현실적인 실험환경 구축하였으며, Odroid내부에 자동으로 실험을 진행하고 기록하는 스크립트를 작성하여 이러한 현실의 환경에서도 다수의 실험을 진행할 수 있도록 하였다. 실험은 저용량 데이터 통신을 각 데이터 용량별로 30번씩 실행하였으며, 이때의 전송시간과 전송속도를 측정하였다. 앞서 언급한 저용량 데이터는 실제 스마트폰을 통해 할 수 있는 사진전송, 웹서핑, 지도검색 등의 활동을 고려하여, 0.
실험은 저용량 데이터 통신을 각 데이터 용량별로 30번씩 실행하였으며, 이때의 전송시간과 전송속도를 측정하였다. 앞서 언급한 저용량 데이터는 실제 스마트폰을 통해 할 수 있는 사진전송, 웹서핑, 지도검색 등의 활동을 고려하여, 0.1 MB, 0.3 MB, 0.5 MB, 1 MB의 데이터를 각각 전송하도록 하였다. 또한 대조군으로 ARI가 적용되지 않은 기존의 TCP 방식의 커널이 탑재된 스마트폰으로도 동일한 방식으로 실험을 진행, 전송속도와 전송시간을 측정하여 결과 값을 서로 비교하였다.
이러한 특징을 만족시키기 위해, 본 논문에서 제시하는 알고리즘은 리눅스의 Quick ACK과 TCP의 네이글 알고리즘(Nagle’s algorithm)을 조정하여, 같은 양의 데이터를 전송하더라도 결과적으로 ACK을 더 빠르게 받을 수 있도록 유도하였다.
이렇게 Quick ACK의 파라미터를 변경한 커널을 갤럭시 넥서스에 탑재하였고, 네이글 알고리즘(Nagle’s algorithm)이 적용되지 않도록 설정한 상태에서 데이터를 중계하는 Access Point (AP) 를 거쳐서 Odroid와의 저용량 데이터 통신을 다수 실행하도록 실험환경을 구성하였으며 이는 그림2에서 보여주고 있다.
Odroid는 소형 컴퓨터 기기로, linux OS구동이 가능하여 다양한 실험에 활용할 수 있는 기기이며, 현재의 통신상황을 파악하고, 통신환경을 쉽게 조절하기 위해서 이러한 소형 기기와 스마트폰 간의 통신을 구성하였다. 이렇게 실제 무선기기를 활용하여 현실적인 실험환경 구축하였으며, Odroid내부에 자동으로 실험을 진행하고 기록하는 스크립트를 작성하여 이러한 현실의 환경에서도 다수의 실험을 진행할 수 있도록 하였다. 실험은 저용량 데이터 통신을 각 데이터 용량별로 30번씩 실행하였으며, 이때의 전송시간과 전송속도를 측정하였다.
이러한 실험은 갤럭시 넥서스에서 기본으로 사용하고 있으면서 모바일 환경에서 널리 쓰이는 TCP CUBIC 알고리즘과, 가장 기본적인 TCP 알고리즘인 TCP Reno를 기반으로 ARI알고리즘을 적용하여 실험하였다. 이를 통하여 ARI 알고리즘이 TCP 알고리즘의 종류에 관계없이 통신속도 향상을 보이는지를 확인하였다.
대상 데이터
실제로 스마트 폰으로 각종 서비스 사용 시에 발생하는 데이터량을 My Data Manager라는 어플리케이션을 활용하여, 직접 각종 서비스를 사용해 보면서 데이터 사용량을 측정 하였다. 그 결과, 사진전송은 0.4 MB, 웹서핑(네이버 메인 화면)의 경우 0.5 MB, 구글지도의 위치 검색은 0.41 MB정도였으며, 게임이나 SNS 메시지 등은 그보다 더더욱 적은양의 데이터만을 사용하였다. 또한 스마트폰의 특성상, 사용자가 필요로 하거나 요청할 때만 데이터 전송이 이루어지므로, 통신 빈도도 매우 불규칙하다고 볼 수 있다.
이론/모형
또한 대조군으로 ARI가 적용되지 않은 기존의 TCP 방식의 커널이 탑재된 스마트폰으로도 동일한 방식으로 실험을 진행, 전송속도와 전송시간을 측정하여 결과 값을 서로 비교하였다. 이러한 실험은 갤럭시 넥서스에서 기본으로 사용하고 있으면서 모바일 환경에서 널리 쓰이는 TCP CUBIC 알고리즘과, 가장 기본적인 TCP 알고리즘인 TCP Reno를 기반으로 ARI알고리즘을 적용하여 실험하였다. 이를 통하여 ARI 알고리즘이 TCP 알고리즘의 종류에 관계없이 통신속도 향상을 보이는지를 확인하였다.
성능/효과
특히 각 그림에서는, 기존의 TCP통신 방식으로 통신할 경우에는 일시적으로 통신 속도가 대폭 저하되는 현상이 발견되고 있는데, 일정한 크기의 데이터를 전송하는 본 실험의 특성상, 지연으로 인하여 전송시간이 길어지게 되면 그만큼 통신속도가 낮게 계산된다. 그림 3, 4의 결과에서 확인할 수 있듯이, ARI 알고리즘을 사용하여 Delayed ACK과 네이글 알고리즘으로 인한 지연을 제거한 통신에서는 급격한 통신속도 저하 현상이 발생하지 않았으며, 이는 ARI 알고리즘이 적용되면 불필요한 지연이 발생하지 않는다는 점을 증명하고 있다.
Delayed ACK은 TCP 통신에서 반드시 발생하는 ACK의 전송 횟수를 줄임으로 써 회선의 혼잡도를 낮출 수 있기에, TCP 통신에서는 기본적으로 항상 Delayed ACK을 사용하도록 되어있다. 대용량 데이터 전송으로 인해 장기적인 통신이 이루어질 시에는 Delayed ACK을 통하여 발생하는 통신량을 줄이는 것이 결과적으로 더 효율적이지만, 스마트폰에서 이루어지는 단시간, 저용량 데이터 전송시에는 이러한 Delayed ACK이 오히려 ACK이 느리게 전달되는 현상을 가져오게 되어서, 전송속도의 저하를 가져오게 된다. 이는 CWND의 크기가 작아 데이터 전송량이 적을 수밖에 없는 통신 초기에도 이러한 문제가 발견되었으며[11], 이를 해결하기 위해 리눅스에서는 Quick ACK 알고리즘을 사용하고 있다.
이렇게 적용된 알고리즘을 통해 통신 초기에 발생할 수 있는 Delayed ACK과 네이글 알고리즘의 지연이 사라짐으로써, 언제나 안정적으로, 빠른 통신이 가능해진다. 또한, Quick ACK을 활용하여 알고리즘을 구성하면, 만일 장기간의 통신이 이루어져서 Quick ACK의 적용범위를 벗어나는 경우에는 자연스럽게 Delayed ACK이 적용되므로, 기존의 TCP 통신과 동일하게 네트워크 혼잡도를 줄이는 방식으로 통신을 진행하는 덕분에 통신회선의 부담을 줄일 수 있다. 본 알고리즘의 의사코드는 다음과 같다.
본 논문에서 제시하는 ARI 알고리즘은 통신 초기의 데이터 전송 시에 통신 속도 측면에서 약점을 가지고 있는 Delayed ACK과 네이글 알고리즘(Nagle’s algorithm)의 적용방식을 기존 TCP와 달리 함으로 써, 불필요한 지연시간을 제거하고 항상 안정적인 통신 속도와 통신시간을 확보할 수 있게 하였다.
스마트폰에서 주로 이루어지는 통신 어플리케이션을 볼 때, 대부분의 통신이 혼잡회피 단계까지 진행하는 경우가 적으므로, 혼잡회피가 아닌 TCP의 다른 파라미터를 개선하여 저용량 데이터를 전송하는 짧은 통신에서도 전송속도를 향상시킬 수 있음을 보였다. 본 논문에서 제시하는 ARI 알고리즘은 통신 초기의 데이터 전송 시에 통신 속도 측면에서 약점을 가지고 있는 Delayed ACK과 네이글 알고리즘(Nagle’s algorithm)의 적용방식을 기존 TCP와 달리 함으로 써, 불필요한 지연시간을 제거하고 항상 안정적인 통신 속도와 통신시간을 확보할 수 있게 하였다.
후속연구
본 논문에서 제시하는 ARI 알고리즘은 통신 초기의 데이터 전송 시에 통신 속도 측면에서 약점을 가지고 있는 Delayed ACK과 네이글 알고리즘(Nagle’s algorithm)의 적용방식을 기존 TCP와 달리 함으로 써, 불필요한 지연시간을 제거하고 항상 안정적인 통신 속도와 통신시간을 확보할 수 있게 하였다. 본 TCP 개선안을 적용한다면, 데이터 전송시간 감축과 전송속도 향상을 통해 스마트폰 사용자의 체감 통신품질을 향상시킬 수 있을 것으로 예상한다
본 논문에서 제시하는 알고리즘은 Quick ACK[7]과 네이글 알고리즘(Nagle's algorithm)[8]의 사용방식을 개선하도록 하였으며, 이를 통해 불필요한 지연을 제거하여 통신속도를 향상시키고, 짧은 통신시에도 패킷이 안정적으로 전달될 수 있도록 개선하였다. 이러한 개선점을 통하여 결과적으로 사용자의 체감 통신품질을 향상시키는 것이 가능하리라 생각한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
혼잡제어 알고리즘을 통해 CWND를 증가시키는 방식으로 어떤 것이 있는가?
결과적으로 CWND의 크기는 전반적인 통신 속도를 결정하게 되며, 지나치게 CWND를 크게 하면 회선복잡도가 늘어나는 부작용을 가져오게 된다. 따라서 혼잡제어 알고리즘을 통하여 CWND를 적정량만큼 증가시키는데 그 종류로는 통신이 시작한 후에 빠른 속도로 CWND를 증가시키는 Slow-start방식과 한번 이상의 패킷 손실이 일어난 이후에 작동하는 방식인 혼잡회피 방식이 있다. Slow-start 방식은 앞서 말하였듯이 통신이 시작한 직후부터 작동하며, CWND의 크기가 한번의 ACK이 올때마다 1씩 상승하도록 되어있어서 매우 빠르게 CWND가 커지도록 하는 방식이다.
Delayed ACK은 무엇인가?
Delayed ACK은 2개 이상의 ACK이 모이거나, 일정시간 이상 ACK의 생성을 기다린 다음에 한꺼번에 ACK을 전송하는 알고리즘이다[10]. Delayed ACK은 TCP 통신에서 반드시 발생하는 ACK의 전송 횟수를 줄임으로 써 회선의 혼잡도를 낮출 수 있기에, TCP 통신에서는 기본적으로 항상 Delayed ACK을 사용하도록 되어있다.
Slow-start 방식의 문제점을 방지하기 위해 어떤 방법을 사용하는가?
하지만 이렇게 커지다보면 회선의 허용 대역폭을 초과하거나, 다른 통신과의 충돌로 인하여 패킷손실이 일어날 확률이 높아진다. 이를 방지하기 위해 threshold라는 한계 값을 초과하여 CWND가 커지거나, 한번 이상의 패킷손실이 발생하게 되면, TCP 에서는 혼잡회피 방식을 사용하게 된다. 혼잡회피는 ACK이 올 때마다 1/CWND만큼 CWND의 크기를 상승시키므로, 느리게 CWND의 크기를 상승시키지만 그만큼 네트워크의 혼잡도를 크게 올리지 않으면서, 통신 속도 향상시킬 수 있다.
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