이 논문은 WMN에 대한 전반적인 내용을 조사 분석한 내용이다. 메쉬네트워크의 전체적인 기술에 대한 이해와 향후 메쉬네트워크의 발전을 위해 더 싶게 연구해야 할 분야에 대한 참고자료로 활용되면 좋을 것 같아 공개한다.
Ⅰ. 서 론
메쉬네트워크는 기존의 기술들을 무선 카테고리를 중심으로 다양한 서비스를 제공하는 것을 하나의 목적으로 하고 있다. 메쉬네트워크를 구성하는 핵심 요소들은 메쉬라우터와 메쉬클라이언트들이 구성하는 노드들의 조합니다. 메쉬네트워크는 동적자가조직성(active self organized), 자가 구성(self configured)의 특징을 갖고 있다. 메쉬네트워크의 이러한 특징들은 기존의 네트워크 기술들에 비해 비용절감, 건편한 네트워크 구성, 시스템의 견고성 및 서비스의 신뢰성의 향상등을 제공한다.
하지만, 기존의 기술들을 이용한 메쉬네트워크의 구성은 실제로 최적화된 성능을 제공하지 못하고 있다. 이러한 문제점들은 메쉬네트워크가 목적하는 확장성, 이기종과의 연결성, 이동성, 전원관리등에서 기존의 기술들과는 다른 환경을 요구하기 때문이다. 이러한 문제점들과 QoS의 지원을 위해서는 기존의 기술들을 개선하거나, 새로운 형태로 다시 만들어야 하는 부분들이 존재한다.
이 논문은 현재까지 메쉬네트워크를 지원하기 위해 사용되었던 기술들에 대한 문제점 및 대안방안과 함께 QoS를 지원하기 위해 필요한 기술적 요소들을 지적하고 이러한 결과를 토대로 QoS를 제공할 수 있는 기술적 방안을 찾아보는 것을 목적으로 한다. 2장에서는 메쉬네트워크가 갖는 특징과 전반적인 문제점을 설명하고, 3장에서는 protocol layer상에서 메쉬네트워크를 지원할 때 발생하는 문제점들과 이들을 개선하기 위한 방안을 제안한다. 4장은 보안차원에서의 문제점 및 해결방안을 모색하고, 5장에서는 QoS를 지원하기 위해 필요한 요소들과 방안들을 소개한다. 6장에서는 메쉬네트워크의 개선방안들에 대한 핵심요소들을 정리하고, QoS를 지원하는 기술들에 대한 연구방향을 제시고자 한다.
Ⅱ. 메쉬네트워크의 기술적 요소들
1. 메쉬네트워크 구성방법
메쉬네트워크는 구성하는 노드의 배치에 따라 3가지로 구분이 된다.
1.1 Infrastructure Backbone
무선네트워크와 유선네트워크의 조합으로 구성된다. 메쉬라우터가 메쉬클라이언트와 다른 메쉬라우터를 연결해 하부구조를 형성한다. 자가구성(self configuring)과 자체치유 (self healing)을 이용해 하부구조를 형성한다.
그림 1. Infrastructure Backbone
1.2 클라이언트 메쉬네트워크
각각의 클라이언트 단말 노드들이 peer-to-peer구조를 갖는 것이 특징이다. 클라이언트 노드들이 네트워크를 형성하면서 라우팅(routing)과 구성(configuration)기능을 갖고 있다. 메쉬라우터를 필요로 하지 않는 특징이 있다.
그림 2. 클라이언트 메쉬네트워크
1.3 하이브리드 메쉬네트워크
Infrastructure Backbone과 클라이언트 메쉬네트워크가 조합된 형태이다. 하이브리드 메쉬클라이언트는 Infrastructure Backbone구조의 특징을 그대로 활용해서 Internet, Wi-Fi[1], WiMAX[2], Cellular network 그리고 sensor network등 다양한 네트워크와의 연결을 가능하게 할 수 있다. 그로 인해서 메쉬클라이언트들은 강화된 라우팅 기능이 요구되는 것도 하나의 특징이다. 하이브리드 메쉬네트워크는 가장 이상적인 구조를 갖고 있으며 메쉬네트워크의 기본적인 구조로 간주된다.
그림 3. 하이브리드 메쉬네트워크
2. 메쉬네트워크와 ad hoc network의 차이점
메쉬네트워크는 일반적으로 ad hoc network의 한 종류로 인식이 된다. Cellular network나 Wi-Fi네트워크와 같이 기본 기지국이나 access point가 별도로 구분되어 있지 않은 네트워크 설계를 갖고 있기 때문이다. 하지만, 메쉬네트워크는 다음과 같은 요소들의 차이점으로 인해 ad hoc network에 기반한 다양한 기술들을 그대로 수용하지 못하는 부분들이 존재한다.
● 메쉬라우터를 통한 Back bone 서비스 제공
● 다른 네트워크와의 통합적인 연결성
● 메쉬네트워크만을 위한 라우팅방법과 구성방법
● 다중 주파수 사용 기능
3. 메쉬네트워크의 기술적 요소와 한계점
메쉬네트워크는 기존의 ad hoc network뿐만 아니라 기존의 다양한 기술과는 다른 요구사항들을 갖고 있다. 이러한 요구사항과 설계가 가능하게 하기 위해서는 새로운 디자인, 개발, 그리고 운영 관련 기술들이 필요하다.
● 주파수 기술
무선 시스템의 근간인 주파수 기술은 Directional and Smart Antennas[3], MIMO systems[4] 그리고 Multi Radio/Multi Channel system[5, 6]와 같은 기술들이 개발이 되었으며 최근에 MIMO의 경우는 IEEE 802.11n[7]에서 표준으로 채택후 제품화에 성공하였다[8]. 향상된 기능을 구현하기 위해 Reconfigurable Radio, Frequency agile/cognitive radio[9, 10], Software radio[11]와 같은 주파수 기술들이 연구되고 있지만 아직은 초기단계이다.
● 확장성
Multi-hop은 메쉬네트워크에서는 필수적인 특징이다. 하지만, Multi-hop네트워크에서 사용되는 통신 protocol은 확장성에 문제가 있다 [12, 13]. 전형적인 IEEE 802.11에서 제안하는 MAC protocol은 적절한 성능을 보장하지 못하기 때문에 최대 hop의 수가 4개 미만이다. 기존의 문제점들을 개선하기 위해서는 CSMA/CA와 TDMA 또는 CDMA의 복합적 다중 접속 구조의 개발이 필요하다.
● 메쉬 접속
메쉬네트워크의 특징은 노드의 증가에 따른 제약이 없다는 것이다. 즉 수많은 접속이 가능해진다는 점이다. 하지만, 이러한 메쉬접속은 기존 프로토콜로는 구현이 불가능하다. MAC과 Routing protocol의 수정이 필요하며 자가조직(self organization)및 위상관리알고리즘(topology control algorithms)은 메쉬접속을 지원하기 위해 필수적이다.
● 광대역 및 QoS
메쉬네트워크는 기술적 발달로 인해서 광대역 서비스가 가능해졌으며 외부 서비스와의 연계를 고려할 경우 QoS의 지원은 필수적이다. 이러한 요구조건을 충족시키기 위해서는 통신 protocol에 대해서도 충분한 연구가 필요하다.
● 보안
메쉬네트워크는 기존의 무선랜을 위해 제안된 보안기술을 그대로 사용하기에는 근본적인 문제점들을 갖고 있다. 기존의 보안기술들은 public key를 관리할 신뢰할만한 서버에 의해서 운영되지만 메쉬네트워크는 중앙서버의 개념이 없기 때문이다. ad hoc network에서 제안하는 보안기술들도 있지만 아직 초기 단계이므로 당장의 적용이 힘들고 메쉬네트워크와 ad hoc network과의 설계의 차이로 인해서 그대로의 적용도 힘들다
III. Protocol Layer 분석
메쉬네트워크에 대한 성능향상을 위해서는 protocol layer에 대한 수정, 또는 새로운 설계가 필수적이다. 실제 각 layer에 따라 개발된 대표적인 기술들을 살펴보고 메쉬네트워크를 지원할 때 수반되는 문제점과 개선 방안을 살펴보도록 한다.
1. Physical Layer
무선통신의 근간을 제공하는 physical layer의 발달은 무선 radio 기술의 발달을 의미한다. 무선 radio는 주파수변조와 coding rate의 다양한 조합으로 다중전송을 지원할 수 있을 만큼 진행되었다[14, 15]. 능동적 에러복원기술은 link adaptation을 통해서 지원이 가능하다[16].
다중안테나(Multiple-Antenna)기술은 성능향상, fading, delay-spread, co-channel 간섭등의 장애를 최소화하기 위해 무선에도 적용이 되었다[17, 18]. A노드와 B노드의 통신을 고려할 때 노드 A가 M개 송신안테나와 N개의 수신안테나를 갖고 있다고 가정하고 B노드가 K개의 송신안테나와 L개의 수신안테나를 갖고 있다고 가정할 때 M, N, K, L의 값을 변경함으로써 다양한 다중 안테나 시스템을 구현할 수 있다.
그림 4. Multiple antenna systems
● 수신노드 다중안테나, 송신노드 단일안테나 시스템(K=1, M=1이고 L>1 또는 N>1) : antenna diversity와 adaptive/smart antenna와 같은 기술이 다중 안테나 시스템에 사용이 가능하다. 작은 mobile 기기에서 완벽하게 구현되는 adaptive smart antenna system을 구현을 위한 연구가 필요하다.
● 송신노드 다중안테나, 수신노드 단일안테나 시스템(N=1, L=1이고 K>1 또는 M>1) : antenna diversity 또는 smart antenna는 CSI(channel state information)가 필수적이다. 채널상태에 대한 부분정보가 송신측에 의해서 활용이 가능할 수 있다. 이 경우 diversity에 대한 정보를 얻기 위해서 STC(space-time coding)을 이용할 수 있다[19]. STC는 bandwidth의 확장 없이 second order diversity를 획득할 수 있는 기술이며 CSI를 이용한 smart antenna 발신 관련 분야 개발이 진행 중이다[20].
● 송신노드, 수신노드 양방향 안테나시스템(M>1, L>1 이고 K>1, N>1) : MIMO시스템을 말하며 diversity와 simultaneous transmission이 가능하다. MIMO시스템은 잠재적으로 시스템의 성능을 3배 이상 향상시킬 수 있다.
Physical layer를 통한 전송속도 개선과 향상된 기능 활용을 위해서는 MAC protocol과 같은 상위 protocol 보완이 필요하다. 전송속도 개선을 위해서 Multiple-antenna시스템과 같이 향상된 기술들이 개발되고 있지만 아직은 복잡도와 고비용으로 적용이 쉽지 않은 단계이다.
2. MAC Layer
기존의 MAC protocol과 메쉬네트워크에서 요구하는 MAC protocol의 차이점은 다음과 같다.
● One hop이상의 통신 커뮤니케이션 지원
● 다중 접속을 위한 커뮤니케이션 지원
● 분산 환경의 지원과 다중협력 지원
● 네트워크 자가 조직을 위한 topology 정보 관리기능[21]
● 노드들의 이동성(mobility)에 대한 배려 및 이를 위한 network topology 추가정보 정의[22]
MAC layer를 메쉬네트워크에 최적화하기 위해서는 기존의 MAC protocol을 확장하거나 새로운 MAC protocol을 만드는 방법이 있다. 단일채널과 다중채널에 따른 실제 문제점과 개선방향을 살펴보면 다음과 같다.
2.1 Single-channel MAC
MAC layer를 개선하기 위한 시도는 다음 3가지 형태로 진행이 되고 있다. 각각의 제안방안에 대한 분석 및 문제점은 다음과 같다.
● 기존의 MAC protocol 개선 : CSMA/CA protocol[23, 24]을 개선한 multi-hop ad hoc network용 MAC protocol은 contention window size와 같은 CSMA/CA 파라미터들을 조정하거나 backoff procedure을 수정해서 one-hop communication의 성능을 향상시킨다. 하지만, multi-hop환경에서는 낮은 성능을 나타낸다. 이웃하고 있는 노드들과의 경쟁이 일어날 확률을 줄이지 못해 이웃 노드와의 경쟁이 발생하고 그로 인해 backoff와 contention resolution procedure의 잦은 호출이 발생하기 때문이다.
● 향상된 physical layer를 이용한 교차레이어 설계 : 여기에는 두 가지의 방법론이 있다. 하나는 directional antenna에 기반한 MAC[25, 26]과 다른 하나는 power control을 포함한 MAC[27]이다. 그러나 두 가지 모두 음영노드에 대한 문제점을 해결하지 못하고 있으며 power control의 경우 최소화된 전원관리[28]로 인해 잠재적 문제노드의 발견을 제대로 하지 못하기도 한다.
● 완전히 새로운 MAC protocols 설계 : Ad hoc multi-hop network환경에서 부족한 확장성을 해결하기 위해 CSMA/CA와 같은 random access protocol은 효율적인 해결책이 아니다. TDMA나 CDMA 기반 MAC protocol의 재설계가 필요하다[29, 30]. 하지만, TDMA나 CDMA를 이용한 MAC의 개발, 배포, 상호 연동하는데 들어가는 비용과 복잡성이 크다는 것과 기존의 MAC protocol과 TDMA 또는 CDMA MAC간의 상호 호환성 문제가 존재한다. IEEE 802.16에서는 처음부터 TDMA에 집중된 MAC protocol에 관심을 가졌고 IEEE 802.16 메쉬를 위한 분산 TDMA MAC을 연구하였다. IEEE 802.11에 기반한 메쉬네트워크에서는 CSMA/CA을 오버랩한 분산 TDMA MAC protocol의 개발에 관심을 갖고 지속적으로 연구 중이다[30].
2.2 Multi-channel MAC
Multi-channel MAC은 다음의 3가지 범주 안에 포함된다.
● Multi-channel single-transceiver MAC : 비용과 호환성을 고려하면 하나의 무선을 갖고 있는 transceiver가 최선이다. 하나의 transceiver의 사용이 가능하기 때문에 오직 하나의 채널만이 각각의 네트워크 노드에서 동시에 활성화 된다. 시스템의 성능을 향상시키기 위해서 다른 노드들은 다른 채널에서 동시에 작동해야 한다. 이때 network node간의 동등한 전송을 보장하기 위해서는 Multi-channel MAC protocol[5]과 SSCH(Seed Slotted Channel Hopping)[31] 방식이 필요하다. SSCH는 IEEE802.11 MAC의 상위에서 작동하면서 IEEE 802.11 MAC안의 어떤 변경도 필요로 하지 않으므로 실제로는 virtual MAC protocol이라고 볼 수 있다.
● Multi-channel multi-transceiver MAC : Radio가 다중 parallel RF front-end chip과 동시성을 갖은 몇 개의 채널을 지원하는 baseband 처리 모듈을 갖고 있을 때 이다. Physical layer상단에는 multiple channel기능과 상호작용하는 MAC layer만이 존재한다. Engim multi-channel wireless LAN switching engine[8]가 이러한 범주에 포함이 된다. 이러한 환경을 구성하는 physical layer platform을 위한 효율적인 MAC protocol의 구현이 필요하다.
● Multi-radio MAC : 네트워크 노드가 다중 주파수를 갖고 있으며 각각의 MAC과 physical layer를 갖고 있는 경우이다. 각 주파수간의 통신은 완전히 독립적이다. 그래서 모든 채널간에 동등한 통신을 위해 최상단 MAC에 MUP(Multi-radio Unification Protocol)[6]와 같은 virtual MAC protocol이 필요하다. 하나의 주파수는 다중의 채널을 가질 수 있다. 하지만, 설계와 어플리케이션을 단순화 하기 위해서 각 주파수에 단일 채널이 사용된다.
3. Network Layer
메쉬네트워크가 ad hoc network의 기능을 공유하기 때문에 ad hoc network을 위해 개발된 routing protocol은 메쉬네트워크에도 적용이 가능 하다. TBRPF(Topology broadcast based on reverse-path forwarding)에 기반한 Firetide Networks[32, 33], DSR(dynamic source routing)에 기반한 마이크로소프트 메쉬네트워크[34], AODV(ad hoc on-demand distance vector) routing등이 이에 해당한다[35]. 이러한 Ad hoc network을 위한 routing protocol[36]은 routing protocol의 성능을 향상시킬 수 있는 새로운 performance metrics의 필요성, 기존 routing protocol의 확장성 부재, 전원의 효율성과 이동성의 차이점에 대한 연구가 후속적으로 지원되어야만 실제 메쉐네트워크에서 최적의 성능이 지원가능하다.
메쉬네트워크에 적용된 routing protocol들과 문제점들을 살펴보고 해결방안에 대해 정리하면 다음과 같다.
3.1 Routing protocols with various performance metrics
[37]을 살펴보면 routing protocol에서 performance metrics은 매우 중요하다. 그래서 DSR에 기반의 LQSR(Link Quality Source Routing)이 제안되었다. LQSR은 link quality metrics에 따라 routing path를 선택한다. LQSR에서는 ETX(Expected Transmission Count)[38], per-top RTT, 그리고 per-hop packet pair와 같은 3개의 performance metrics가 각각 구현이 되어 있다. 하지만, 위의 방식이 모든 경우에 최고의 성능을 보장하지는 않는다. 노드가 이동중일 경우에는 minimum hop-count방식이 더 성능이 좋다.
그러므로 이동성이 고려된 메쉬네트워크 상황에서 link quality metrics에 대한 연구가 필수적이다[39].
3.2 Multi-radio routing
메쉬네트워크에서 각 노드마다 multi-radio를 가지면 MAC protocol을 수정하지 않고 성능을 향상시킬 수 있다. [40]에서는 그러한 multi-radio 메쉬네트워크를 위한 routing protocol을 제안하였다.
3.3 Multi-path routing for load balancing and fault tolerance
Multi-path routing는 효율적인 load balancing과 fault tolerance[41]의 지원이 가능하다. Multiple path는 시작지점과 목적지점 사이에 다중의 경로를 설정하고 채널의 상태가 나빠지거나 이동으로 인해서 링크가 되지 않으면 다른 경로를 이용해서 데이터를 계속 보는 방법이다. 그래서 새로운 경로를 설정하기 위한 대기시간, 전송량, 그리고 fault tolerance가 모두 향상이 된다. 하지만, Multi-path routing의 복잡성과 짧은 경로선택에 의한 multi-path routing적용불가능 상태에 대한 문제점을 해결해야 하는 부분이 해결되어야 할 부분이다.
3.4 Hierarchical routing.
다양한 hierarchical routing protocol들은 [42, 43]에서 제안되었다. 이들의 공통점은 Hierarchical routing에서 네트워크 노드를 클러스터로 만들기 위한 특별한 자가 구성 방법론이 사용된 것이다. 각각의 클러스터는 하나 이상의 클러스터 header를 갖는다. 클러스터 안의 노드는 클러스터 header와 하나 이상의 hop의 거리만큼 떨어져 있다. 클러스터와 클러스터간의 통신도 필요하기 때문에 특별한 노드는 하나 이상의 클러스터와 통신을 하면서 gateway의 역할을 수행하게 된다. 클러스터 안에서의 routing과 클러스터들간의 routing은 다른 절차를 사용한다. 예를 들어 클러스터 상호간의 routing에는 proactive protocol이 사용될 수 있는 반면 클러스터 내부에서는 필요에 의해서만 실행될 수 있다[43]. 노드의 밀집도가 높을 경우 hierarchical routing protocol의 경우는 적은 overhead와 shorter average routing path로 인해서 좋은 성능을 발휘할 수 있다. 이 방법의 문제점은 hierarchy 방식을 유지하기 위한 복잡성과 그로 인한 구현이 매우 힘들다는 것이다. 즉, Header로 선택된 노드가 병목현상에 빠지지 않도록 하는 연구가 선행되지 않으면 hierarchical routing protocol은 실제의 성능을 발휘하기 힘들다.
3.5 Geographic routing.
Geographic routing 기술은 packet을 보내기 위해서 노드의 근접성과 목적지 노드와 같은 위치 정보만을 이용한다[7]. 그래서 topology 변화는 다른 routing protocol보다 geographic routing에 영향이 적다. 다양한 greedy routing algorithm들은 전달 결정을 하는 최적화 기준과는 다르다.
전원의 효율성을 향상시키기 위한 greedy algorithm은 [44]에서 제안이 된다. Stateless property와 전송의 보장성을 유지하기 위해서 geographic routing algorithm에 기반한 planar-graph도 제안되었다[45, 46]. 그러나 아직도 이러한 알고리즘에는 해결할 문제점들이 존재하고 있다. Face routing algorithm[45]에서 통신을 위한 오버헤드는single-path greedy routing algorithm보다 훨씬 높게 나타난다[7].
4. Transport Layer
메쉬네트워크를 위한 transport protocol은 아직까지 제안되지 않고 있다. Ad hoc network에 기반한 transport protocol의 문제점과 개선방안은 다음과 같다.
4.1. 신뢰할만한 데이터 전송을 위한 protocols
신뢰할만한 데이터 전송을 해서는 TCP를 개선하거나 완전히 새롭게 transport protocol을 정의해야 한다. TCP 개선[47, 48, 49]은 기존의 유선 TCP를 개선한 프로토콜을 포함하고 있고 완전히 새롭게 정의한 transport protocol[50]들은 기존의 고질적인 TCP의 문제들을 제거하는 것이 목적이다.
4.1.1 TCP 개선
전통적인 TCP의 성능은 ad hoc network환경에서는 확연하게 성능이 저하된다. 이러한 TCP가 갖고 있는 근본적인 문제점들과 관련된 해결법들을 중심으로 다양하게 확장된 TCP protocol들을 살펴보면 다음과 같다.
●혼잡여부에 따른 상태의 손실 구분 불가[51] : 혼잡이 아닌 상태에서의 손실이 발생하면 네트워크의 전송률은 급격하게 떨어진다. 그리고 무선 채널에서 전통적인 TCP는 재빠른 복구를 실행하지 못한다. [48]에서 제안하는 프로토콜은 혼잡과 무선채널 손실의 차이점을 알 수 있도록 feedback mechanism을 이용하여서 개선하였다. 이러한 개념은 메쉬네트워크에도 적용이 가능하다. 하지만, 손실을 구분하는 접근법을 어떻게 설계하고 메쉬네트워크에 맞게 TCP를 적절하게 수정하느냐는 아직 문제로 남아있다.
●Link failure : 모든 노드가 이동성인 Mobile ad hoc network에서 자주 발생한다. 메쉬네트워크의 관점에서 link failure은 mobile ad hoc network상에서는 치명적인 문제점은 아니지만 무선채널과 메쉬클라이언트들의 이동성 때문에 link failure는 지속적으로 발생 한다. TCP의 성능을 개선하기 위해서 혼잡손실과 link failure구분이 필요하다. ELFN(Explicit Link Failure Notification)기술은[49] 이러한 구분을 수행할 수 있다.
●ACK에 의존적 : 메쉬네트워크에서 TCP데이터들과 TCP ACK패킷은 다른 경로를 선택할 수 있고 서로 상이한 패킷손실율, 잠재적 문제점[11]등을 갖고 있다. TCP 데이터와 TCP ACK가 같은 경로를 취할 경우에도 네트워크 비대칭성의 문제가 발생할 수 있다. 왜냐하면 같은 경로라도 채널의 상태와 대역폭이 시간에 따라 다르기 때문이다. 결론적으로 TCP는 wireless multi-hop ad hoc network[52, 39]에서는 취약점을 가질 수밖에 없다. 이러한 네트워크 비대칭성 문제점을 해결하기 위해 ACK filtering, ACK congestion control[47]이 제안되었지만 메쉬네트워크에서도 효율적인가는 더 연구가 필요하다.
●RTT의 동적 변동 :메쉬네트워크에서 메쉬라우터와 메쉬클라이언트는 ad hoc network로 연결이 되어 있다. 그래서 동적인 routing path의 변경은 일반적이다. 이동성을 고려해서 variable link quality, traffic load, 그리고 다른 요소들의 변화는 매우 빈번하게 일어나고 RTT안에서의 커다란 변동을 발생시킨다. 이러한 상황은 TCP의 성능을 저하시킨다. 왜냐하면 TCP의 일반적인 동작들은 RTT의 변동이 크지 않을 때 이다[53]. TCP를 수정해서 RTT의 변동성에도 견고성을 가질 수 있도록 하는 연구도 반드시 필요하다.
4.1.2 새로운 transport protocol의 제시
전통적인 TCP는 많은 문제점을 갖고 있으므로 처음부터 새롭게 TCP를 설계하는 방법에 대한 논의가 많이 진행되고 있다.[50]에서는 ATP(ad hoc Transport Protocol)가 ad hoc network를 위해 제안이 되었다. ATP의 전송은 rate-based로 만들어져 초기 rate 측정을 위한 quick start가 사용이 된다. Delay-based 기반을 둔 congestion탐색을 통해서 혼잡손실과 비 혼잡손실의 모호성은 없어졌다. ATP안에서는 재전송을 위한 timeout도 없어졌으며 혼잡제어와 신뢰성도 갖게 되었다. 신뢰성 있는 데이터 전송을 위해 완전히 새롭게 설계한 결과로 ATP의 성능은 TCP variant들보다 성능이 향상이 되었다. 하지만 메쉬네트워크에서는 호환성의 문제가 발생한다. ATP[50]은 무선 네트워크가 단독일 경우만을 가정하는 mobile ad hoc network에서만 유효하기 때문이다.
4.2 실시간 전달을 위한 protocol
End-to-end간에 실시간으로 전송을 하기 위해서는 TCP대신 UDP를 사용한다. 하지만, UDP의 일반적인 형태로는 실시간 전송을 보장할 수 없다. 그래서 RTP(Real-Time Protocol)이나 RTCP(Real-Time Transport Protocol)같은 protocol이 UDP상에서도 필요하다. RTP/RTCP의 최우선에는 congestion control을 위해 RCP(Rate Control Protocol)도 필요하다.
혼잡에 의한 손실과 무선채널에 의한 손실의 구분을 할 수 있는 방법들이 RCP에 채택되고 있다. 혼잡을 제어할 수 있는 다양한 LDAs(Lose Differentiation Algorithms)가 연구 중에 있다[54]. [55]은 hybrid LDA가 좀더 효과적인 것을 보여주고 있다. 그러나 이 방법들은 수신자와 송신자 사이에 다중 무선 경로가 존재하기 때문에 메쉬네트워크에 바로 적용하는 것은 힘들다.
Analytical rate control[56]은 ad hoc architecture과 메쉬네트워크의 이동성에 대해서는 고려하지 않은 부분들이 존재한다.
Ad hoc network에 적합한 rate control 기술로는 ADTFRC(Adaptive Detection Rate Control)[57]에 의해서 mobile ad hoc network을 위한 제안이 있다. TCP와 비슷한 rate control 기술을 위한 end-to-end multi-metric joint detection approach에 의해 개발됐지만 멀티미디어 전송을 실시간으로 전달하기 위해서는 detection approach의 정확성이 부족하다.
위의 문제들을 종합적으로 살펴보면 다음과 같은 몇 가지 연구가 필요하다는 것을 알 수 있다.
● 모든 layer의 최적화
● 진보된 TCP는 기존 TCP와 충돌 최소화
● 외부 네트워크와의 통합
IV. 보안
무선랜에서는 AAA (Authentication, Authorization, Accounting)을 모두 구현 한다. AAA는 RADIUS (Remote Authentication Dial-In User Service)와 같은 중앙 집중화된 서버를 통해서 구현한다. 그러나 중앙집중방식은 메쉬네트워크 안에서 제대로 구현하기 힘들다.
메쉬네트워크는 무선 매체를 공유하는 채널과 노드의 취약성, infrastructure의 부재, 그리고 network topology의 동적인 변동 등에 의한 취약성으로 인해 보안이 쉽게 약해질 수 있다[58]. MAC protocol의 routing protocol을 공격하는 형태도 존재하며 Backoff procedure과 IEEE 802.11 MAC의 virtual carrier sense를 위한 NAV가 악의적인 노드에 의해서 항상 혼잡을 일으켜서 잘못 활용되는 경우도 있다.
공격자는 암호화 도구를 악용해서 네트워크 안으로 숨어들어올 수 있고[59] Cryptographic protocol 안에서는 사용자간에 정보를 자주 교환하며 사용자는 적정한 교환 프로토콜을 이용되는데 이러한 프로토콜은 신뢰하는 제3의 기관에 의존한다. 그러나 메쉬네트워크는 신뢰할만한 제3의 기관이 존재하지 않는다. 이럴 때는 rational exchange기술을 이용한다[60].
Key management는 네트워크 보안에서 가장 중요한 요소 중에 하나이지만 메쉬네트워크에서는 중앙관리, 신뢰할만한 제3의 기관 또는 서버가 없어서 키를 관리할 수 없기 때문에 불가능하다. Self-organization기술[61]은 security key를 관리, 분산하는 방법을 제안하였다.
메쉬네트워크에서 보안을 발전시키기 위해서는 두 가지 방법의 채택이 시급하다. 첫째는 routing protocol과 MAC protocol과 같은 network protocol안으로 보안메커니즘을 포함시키는 것이다. 둘째는 보안모니터링과 대응 시스템을 개발해서 공격, 모니터 서비스의 붕괴를 찾아내고 공격에 대한 바른 대응을 할 수 있도록 하는 것이다. 최근에 많은 security protocol이 제안되었다[62]. 그러나 하나의 protocol layer에 위치하는 기술은 다른 layer의 문제점을 해결하지 못하기 때문에 공격을 막는 역할이 매우 제한적이다. 그러나 공격은 모든 layer에 걸쳐서 동시에 일어나는 것이 보통이다. 그러므로 multi-protocol layer security기술의 개발이 필요하다.
V. QoS 지원을 위한 요소 및 해결사항
메쉬네트워크에서 QoS(Quality of Service)의 보장은 매우 중요하며 이를 위해서는 기존의 문제점들이 보괄적으로 해결되어져야 한다. Qos가 지원이 가능해지면 안정적이고 다양한 서비스의 제공이 가능하다. VoIP와 VOD서비스등과 같은 멀티미디어 서비스에서부터 실시간성을 필요로 하는 응급서비스까지 다양하게 적용이 가능하다.
QoS를 지원하기 위해 필요한 요소들을 정리하면 다음과 같다.
● 확장성
기존의 MAC, routing, transport protocol이 메쉬네트워크를 지원할 수 있도록 보완해서 다중 노드나 다중 hop 환경에서의 성능저하문제, 처리량의 처하, end-to-end지연과 같은 문제점을 해결해야 한다. 해결방식으로는 network node들의 성능을 향상하는 방법을 고려할 수 있다. Node마다 multiple channels/radio를 적용하거나 초고속 전송의 무선 주파수를 개발하는 방법도 있지만, 메쉬네트워크에 맞는 MAC, routing, transport protocol의 새로운 정의가 가장 적합하다.
● 보안
메쉬네트워크는 구조적 특징으로 모든 layer에 걸친 외부공격에 취약하다. 이 문제를 해결하기 위해서는 기존의 protocol layer가 특정 공격에만 효율적으로 대응하는 방식을 수정해서 모든 layer를 통한 공격에 대응 가능하도록 대응책을 강구하는 것이 필요하다.
● 네트워크 통합
메쉬네트워크가 다른 환경의 네트워크와 통합적으로 운영되기 위해서는 메쉬라우터안에 다중 wireless interface를 구축할 수 있는 gateway/brigde를 개발해야 한다. 이러한 방법을 구현하기 위해서는 software radio[11]의 개발이 필수적이다.
● QoS in Multimedia
QoS를 지원하는 multimedia서비스를 지원하기 위해서는 time synchronization과 네트워크의 효율적인 관리가 필요하다. 이를 위해서 MDCF(Mesh Distributed Coordination Function)를 이용한 QoS지원방식이 구현단계에 있다.
● 전원 관리
이동성이 중요한 메쉬네트워크에서 전원관리는 두가지 측면에서 고려되어야 한다. 메쉬라우터의 경우 연결성, 간섭[64], 스펙트럼 공간적 재활용, topology[21]의 제어가 중요한 만큼 전원에 제한이 없지만, 적절한 전원의 관리는 음영노드의 발생을 제한하면서 간섭과 스펙트럼공간의 활용성을 높일 수 있다[64]. 이를 위해서는 MAC protocol의 성능과 전원관리를 적절하게 조절하는 방법의 개발이 필요하다. 메쉬클라이언트는 전원의 효율성이 가장 우선시 되는 protocol의 개발이 필수적이다.
VI. 결론
최근 몇년 동안 연구 개발자들은 메쉬네트워크에 많은 관심을 보여 왔다. 그 결과 메쉬네트워크는 이미 널리 구축되어 활용되어지고 있다. 하지만, 실제 서비스중인 사례를 살펴보면 많은 문제점들이 발생하여 기대 이하의 성능에 머물러 있다.
본 논문은 메쉬네트워크에 대한 전반적인 분석을 통해서 실제 메쉬네트워크에 적용된 기술 및 제안들을 살펴보았다. 그리고, 그러한 제안들이 실제 메쉬네트워크에서 어떻게 작용하고 있으며 문제점들 및 문제점을 해결하기 위해서 필요한 사항들에 대한 방향을 제안하였다.
메쉬네트워크의 성능에 가장 큰 영향을 미치는 요소는 Protocol의 개선이다. 기존의 Protocol은 메쉬네트워크가 갖는 환경에 대한 고려가 충분하지 않기 때문에 수정을 통한 제안은 그 한계가 있음을 위 논문에서 충분히 제시하였다.
메쉬네트워크의 최적화를 통해서 다양한 서비스가 안정적으로 지원되기 위해서는 QoS의 지원이 가장 중요하다. QoS는 하나의 문제해결이 아닌 네트워크 전반적인 부분들이 해결됨으로써 지원이 가능하다. 하지만, 기본적으로 모든 Protocol에 영향을 주는 MAC protocol의 새로운 대안 제시가 QoS지원을 위한 필수요소라 할 수 있다.
본 논문은 기존 메쉬네트워크 분석과 문제점 제시를 목적으로 하였다. 향후 이 논문에서 제시한 문제점들과 해결방안들을 기초로 메쉬네트워크의 최적화를 위한 protocol을 제안하고, 이 protocol을 이용한 QoS 지원 가능성에 대한 연구를 제안할 계획이다.
Mesh Distributed Coordination Function for Efficient Wirele.pdf
무선메쉬네트워크 환경을 위한 동기화 방법 .hwp
