IEEE 802.11 네트워크에서의 성능 이상 현상 완화를 위한 다중 채널 기술
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1. 서론
IEEE 802.11 무선 네트워크는 저비용 및 유연성 등의 유용한 특징들을 제공하는 기술이다. 최신IEEE 802.11 장비는 다중 채널 (multi-channel) 기능을 제공한다. 다중 채널 무선 네트워크에서는 노드들이 서로 다른 채널을 통해 동시 전송이 가능하다. 하지만, 채널 개수는 한정되어 있기 때문에 IEEE 802.11 무선 네트워크의 성능은 노드 개수가 증가함에 따라 급격히 떨어진다. 이를 해결하기 위해 수많은 다중 채널 프로토콜들이 제안되었다. 또한, IEEE 802.11 장비들은 다중 전송속도 (multi-rate) 기능을 제공한다. 다른 전송 속도를 사용하는 링크들이 동일 채널에서 동작할 경우, 낮은 전송속도 링크가 높은 전송속도 링크의 성능을 심각히 떨어뜨리는 문제가 발생하며, 이는 성능 이상 (Performance Anomaly) 문제이다.
그림 1을 통해 성능 이상 문제를 관찰하고, 이를 완화하기 위한 다중 채널 프로토콜을 살펴본다. 그림 1에서 노드들은 모두 두 개의 IEEE 802.11b NIC (Network Interface Card)을 사용하고, 모든 노드들은 서로 간섭 범위 (interference range)에 위치한다. 그림 1(a)는 노드 A가 B를 통해 C에게 두 11Mb/s 링크를 사용해서 포화된 (saturated)된 UDP 플로우 1 (Flow 1)을 채널 1에서 보낸다. 얼마 후, 노드 D는 E를 통해 F에게 두 2Mb/s링크를 사용해서 포화된 UDP 플로우2 (Flow 2)를 채널 1에서 보낸다. 그림1(b)는 그림 1(a)와 같은 환경이지만, 플로우 2가 채널 2에서 전송된다. 먼저, 그림 1(a)에서 플로우 1만 존재할 경우 플로우 성능이 6.6Mb/s정도 되지만, 플로우 1과 2가 모두 존재할 경우 전체 플로우 성능이 2.4Mb/s로 급격히 떨어진다. 즉, 다중 홉 네트워크에서의 성능 이상 문제가 발생한다. 하지만, 그림 1(b)에서는 플로우 1과 2가 모두 존재할 때, 다른 전송속도 링크들이 다른 채널로 분리됨으로써 성능이 7.5Mb/s로 증가됨을 알 수 있다. 즉, 다중 홉 네트워크에서 적절한 채널 할당을 통해서 다중 홉 네트워크에서의 성능 이상 문제를 완화할 수 있다. 따라서, 이러한 방식을 취하는 다중 채널 프로토콜들을 설계 및 개발하는 것이 필요하다.
3. 성능 이상 문제 완화를 위한 다중 채널 기술
그림 3을 사용하여 성능 이상 문제를 고려하지 않는 대표적인 다중 채널 프로토콜인 Hyacinth과 성능 이상 문제를 완화하기 위해 제안된 RB-CA (Rate-based Channel Assignment)와 CoCA (Cooperative Channel Assignment)를 설명한다. 그림 3(a)에서는 모든 노드가 두 개의 IEEE 802.11b NIC을 사용하며, 링크들은 전송 속도에 실선 (11Mb/s)과 점선 (2Mb/s)으로 표현하였다. 노드 G는 게이트웨이이고, 노드 A와 B는 이미 게이트웨이와 통신 중이며, 새로운 노드 C와 D는 게이트웨이와 통신하기 원한다. Hyacinth는 부모 노드를 선택할 때 홉 카운트를 사용하므로 그림 3(b)과 같이 노드 C, D는 게이트웨이 노드 G와 직접 단일 홉으로 연결된다. 그림 3(b)에서 Hyacinth는 성능 이상 문제를 고려하지 않기에 11Mb/s링크와 2Mb/s링크가 같은 채널에서 성능 이상 문제를 겪게 된다. 그림 3(c)를 사용하여 RB-CA 동작을 설명한다. RB-CA에서 노드들은 PTT (Prioritized Transmission Time)를 사용하여 부모를 선택한다. 노드 C는 낮은 전송속도 단일 홉 링크 G-C보다는 높은 전송속도 다중 홉 링크 G-A-C나 G-B-C를 선호한다. 여기서는 노드 C가 G-B-C를 선택했다고 가정하자. 이후에, 노드 D는 게이트 웨이와 통신하기 위해 링크 D-G이외에 다른 링크가 없으므로 링크 D-G를 선택한다. 노드 G는 두 자식 NIC중에 트래픽 부하가 적은 자식 NIC에 새로운 노드 D를 할당한다. 여기서는 자식 노드 A와 연결된 노드 G의 자식 NIC이 트래픽 부하가 적다고 가정하자. 그림 3(c)는 RB-CA의 채널 할당을 보여준다. 그림 3(c)에서 보여주듯이 노드 C는 낮은 전송속도 링크 G-C를 선택하지 않음으로써 높은 전송속도 링크 G-B에 성능 이상 영향을 주지 않는다. 이는 그림 3(b)의 Hyacinth과 대조적이다. 하지만, 게이트웨이는 성능 이상 문제 대신에, 트래픽 부하를 고려하여 자식 노드를 위한 자식 NIC을 결정하므로 낮은 전송속도 링크 G-D와 높은 전송속도 링크 G-A가 성능 이상 문제를 겪게 된다. 그림 3(d)를 통해 CoCA 동작을 살펴본다. 이때, EDT (Estimated Delivery Time) 메트릭을 사용해서 노드 C는 높은 전송속도 다중 홉 링크인 G-B-C나 G-A-C를 선택한다. 여기서는 G-B-C를 선택했다고 가정하자. 그 후, 노드 D는 노드 G에게 링크 G-D의 채널 요청한다. 노드 G는 자신이 관리하는 자식 노드 A, B, D와 통신하기 위한 세 개의 링크 G-A, G-B, G-D의 전송 속도를 바탕으로 “분산 알고리즘”을 수행한다. 분산 알고리즘은 이러한 세 개의 링크들에 대해 높은 전송속도 링크가 낮은 전송속도 링크로부터 분리되도록 채널을 할당한다. 그림 3(d)는 이에 대한 결과를 보여준다. 여기에서, CoCA는 RB-CA에 비해, 낮은 전송속도 링크인 G-D가 높은 전송속도 링크인 G-A와 G-B에 영향을 미치지 않음을 알 수 있다.
4. 성능 이상 문제 완화를 위한 다중 채널 기술의 성능
그림 4를 사용하여 성능 이상 문제를 고려하지 않는 Hyacinth와 고려하는 RB-CA 및 CoCA의 성능을 비교한다. 그림 4(a)는 플로우의 트래픽 생성량에 따른 전체 처리율을 나타낸다. Hyacinth에 비해, CoCA와 RB-CA가 보다 나은 성능을 보인다. 주요 원인은 성능 이상 문제를 고려하는 채널 할당 여부인데, 이는 그림 4(b)에서 관찰된다. 그림 4(b)는 각 전송 속도에 의한 링크 처리율 비율을 보여준다. CoCA와 RB-CA가 Hyacinth에 비해, 2Mb/s링크보다 5.5Mb/s링크나 11Mb/s링크를 더 활용하여 트래픽을 전달함을 알 수 있다. 이는 CoCA와 RB-CA가 낮은 전송속도 단일 홉 링크보다 높은 전송속도 다중 홉 링크를 선호하여 채널을 할당하기 때문이다. CoCA와 RB-CA를 비교했을 때, CoCA가 RB-CA보다 11Mb/s 링크를 더 활용함을 볼 수 있다. 이는 두 개 이상의 자식 NIC을 가진 노드가 CoCA의 분산 알고리즘을 통해 성능 이상을 고려한 채널 할당을 수행하기 때문이다.
5. 결론
IEEE 802.11 무선 네트워크에서 성능 이상 문제는 흔히 발생하는 문제이다. 이를 완화하기 위해 제안된 기존 기법들은 현재 널리 사용되고 있는 IEEE 802.11 장비들을 수정해야 한다는 단점이 있다. 하지만, 다중 채널 기법을 사용하면 IEEE 802.11 장비가 제공하는 다중 채널을 활용하기 때문에 기존 장비를 수정하지 않아도 된다. 또한, 다중 채널을 통해 무선 링크들이 동시 전송을 하기 때문에 무선 네트워크 성능이 향상된다. 따라서, 성능 이상 문제를 완화하는 다중 채널 기술은 현재 WiFi로 널리 사용되는 IEEE 802.11 네트워크에서 중요한 기술이다.
6. 참고 문헌
[1] 김석형 외, "IEEE 802.11 무선 네트워크에서의 전송속도 이상 완화를 위한 다중 채널 프로토콜의 성능 비교," 정보과학회 논문지, 2011년.
[2] M. Heusse, et al., “Performance Anomaly of 802.11b,” IEEE INFOCOM, 2003.
[3] A. Raniwala et al., “Architecture and Algorithms for an IEEE 802.11-Based Multi-Channel Wireless Mesh Network,” IEEE INFOCOM, 2005.
[4] S.H. Kim et al., “A Distributed Channel Assignment Protocol for Rate Separation in Wireless Mesh Networks,” Computer Communications, 2010.
[5] S.H. Kim et al., "A Cooperative Channel Assignment Protocol for Multi-Channel Multi-Rate Wireless Mesh Networks," Ad Hoc Networks, 2011.
