최근 급진전되고 있는 인터넷의 광대역화와 다양한 멀티미디어 컨텐츠의 수요확대 그리고 인터넷 이용자의 급증 등으로 인터넷 트래픽은 기하급수적으로 증가하고 있다. 그러나 최선형 패킷교환방식인 현 인터넷은 급증하는 네트워크 수요를 감당하기에 이미 기술적 한계를 드러내고 있을 뿐 아니라, 네트워크 확장을 통하여 급증하는 트래픽을 수용하는 것도 경제적으로 한계수위에 도달하고 있다. 따라서 네트워크 수요 대비 공급량의 불균형으로 인터넷망에서의 혼잡(congestion)문제가 점차 중요한 이슈로 제기되고 있으며, 이런 문제의 해결방안으로 네트워크공급을 늘리거나, 초과수요를 줄이는 방안에 대한 논의와 구체적인 노력이 이루어지고 있다. 이에 본 고에서는 간단한 기술 경제학적 모형을 이용하여 혼잡의 원인과 이에 대한 해결방향에 대하여 분석적인 설명을 시도하였다. 특히 본 고에서는 인터넷 혼잡의 원인이 '부정적 네트워크 외부성' 이 존재하기 때문이며, 실무적으로 혼잡문제 해결의 대표적인 대안으로 적용되고 있는 네트워크의 용량확대는 혼잡해결의 근본적인 대안이 되지 못하고, 반면 실무적으로 별로 주목받고 있지 않는 네트워크 투자를 최소화하고 트래픽을 통제할 수 있는 '혼잡세'를 부과할 수 있는 요금제 도입이 효율적인 혼잡 해결방안 임을 밝히고 있다.
무선 센서 네트워크에서는 다수의 노드에서 소수의 싱크로 수렴하는 트래픽의 특성으로 인해 네트워크의 혼잡이 빈번히 발생한다. 기존의 혼잡 제어 기법은 혼잡 발생 시 트래픽 제어를 통해 혼잡을 회피할 수 있으나 트래픽의 제어는 응용에서 요구하는 피델리티를 위반한다는 단점을 갖는다. 본 논문에서는 리소스의 제어를 통하여 혼잡을 회피하는 멀티패스 기반의 혼잡 제어 기법을 제안한다. 멀티패스 기반 혼잡제어 기법은 혼잡 발생 시 다수의 대체 경로를 통하여 트래픽을 분산시켜 전송하므로 혼잡 회피가 가능하고 네트워크 리소스의 활용도 또한 증대한다. 실험을 통해 멀티패스 기반 혼잡 제어 기법이 응용의 피델리티를 만족시키며 효과적으로 혼잡을 제어할 수 있음을 확인하였다.
본 연구는 기존에 제안되었던 혼잡 제어 기법, 그리고 여기에서 고려하지 못한 다종 센서 네트워크 환경을 고려한 혼잡 제어 기법에 대한 연구를 포함한다. 기존의 방법은 대규모 센서 네트워크 또는 특정한 타입의 데이터를 가정하고 혼잡 제어 기법을 제안하였다. 그러나 최근의 센서 네트워크 응용은 다양한 센서의 개발로 그 범위가 확장되는 추세에 있어 다수의 이종 센서 노드가 네트워크 구성 인자로 참여하는 환경이므로 이에 대한 연구가 필요하다. 이에 우리는 기존의 혼잡 제어 메커니즘은 분석하고 이종 센서가 참여하는 센서 네트워크를 고려하는 혼잡 제어 기법을 연구한다.
이 논문은 네트워크 이용에 따른 혼잡이 있는 경우 네트워크 사업자들이 네트워크 요금과 네트워크 용량을 어떻게 경쟁적으로 결정하는 것인가를 분석하고 이것이 사회 후생에 미치는 영향에 대해 분석한다. 네트워크 이용에 따른 혼잡에 대해 이용자마다 느끼는 선호도가 다른 경우, 네트워크 사업자는 이러한 특성을 감안하여 소매요금과 네트워크 용량을 결정한다. 분석결과, 혼잡에 대해 민감한 이용자를 주 고객으로 하는 네트워크 사업자는 그렇지 않는 사업자에 비해 가격을 보다 높게 책정하며, 또한 네트워크 용량을 보다 많이 확보한다. 그러나 사회적으로 바람직한 수준보다는 적은 네트워크 용량을 확보한다. 이는 사회적으로 볼 때에는 혼잡에 민감한 소비자에 대해서는 네트워크 용량을 보다 많이 확보하여 가입자 전체에 대해 혼잡하지 않는 망을 구축하는 것이 바람직하나, 네트워크 사업자 입장에서 볼 때에는 추가적인 가입자의 혜택만을 고려함으로써 가입자 증대를 통한 이윤확보에 더 관심이 많기 때문이다.
본 논문은 TCP에서 사용되는 혼잡 제어 방식의 문제점인 전송 시간에 대한 전송률 편중 현상을 완화시키기 위한 비례 증가 혼잡 제어 방식을 제안한다. TCP는 네트워크의 혼잡 상황을 제어하기 위하여 ACK 기반의 혼잡 윈도우 조정 방식을 사용한다. 그러나 기존 TCP에서 사용되는 혼잡 제어 방식은 그 자체적으로 네트워크의 혼잡 상황을 유도하며, 전송 시간이 다른 두 개의 TCP 연결이 하나의 병목 지점을 공유할 경우, 전송 시간의 차이에 따라 전송률의 편중 현상이 나타난다. 본 논문에서는 이러한 네트워크 혼잡 상황 유발과 전송 시간의 차이에 따른 전송률 편중 현상을 완화시키기 위한 송신자 기반의 네트워크 대역폭 측정 방법 및 비례 증가 혼잡 제어 알고리즘을 제안하며, 구현 및 실험을 통해 기존 TCP의 문제점을 해결할 수 있음을 보인다.
이벤트 기반 무선 센서 네트워크에서 주기적인 센싱 데이터에 비해 높은 전송률과 우선순위를 갖는 이벤트 데이터가 병목 구간에 집중되면 네트워크 혼잡이 발생한다. 혼잡이 지속되면 대부분의 데이터가 손실되는 네트워크 붕괴 현상이 나타난다. 전송률 조절 기법은 이러한 네트워크 붕괴 현상을 막기 위한 해결책 중 하나이다. 본 논문에서는 무선 센서 네트워크에서의 혼잡 제어를 위해 각 노드에서 혼잡 패턴에 따라 자식 노드의 전송률을 조절하는 기법을 제안한다. 실험을 통해 제안하는 기법이 효과적으로 혼잡을 제어하고, 기존의 전송률 조절 기법들보다 더 많은 이벤트 데이터를 전송함을 확인하였다.
무선 센서 네트워크에서의 혼잡은 데이터 손실 비율을 증가시키고, 전송 지연이 길어지는 문제점을 야기한다. 기존의 무선 센서 네트워크를 위한 혼잡 제어 방법들은 혼잡을 판단하고, 혼잡에 연관된 센서노드들을 선택하여 샘플링 주기를 조절함으로써 전송량을 줄이는 방법을 사용한다. 그러나 샘플링 주기 조절 기법은 시간적 데이터 손실에 민감한 응용에 사용하기 어려운 문제점이 있다. 본 연구에서는 무선 센서 네트워크에서의 혼잡을 해결하는 새로운 혼잡 제어 기법인 ACT를 제안한다. 제안하는 ACT기법에서는 큐 감시를 통해 다중 큐 임계값을 사용하여 네트워크의 상태를 판단한다. ACT는 혼잡 발생시 패킷 전송 간격을 조절하는 적응적 흐름 제어 기법을 통해 네트워크의 효율성을 높이며 패킷판단 기법을 통하여 노드간의 공평성을 보장한다. 또한 압축을 이용하여 센서노드 간 전송량을 조절하도록 하여 이용가능한 데이터양을 증가시킨다. 실험을 통하여 제안된 ACT기법이 기존 프로토콜에 비해 네트워크의 패킷 전송 효율성을 향상시키며 센서노드들에게 공평성있는 데이터전송을 제공함을 보인다.
무선 메쉬 네트워크는 무선 인프라 환경에서 고정이나 이동 중에 모든 노드가 통신을 할 수 있는 다중 경로를 가지는 새로운 네트워크이다. 하지만 무선 메쉬 네트워크는 유선망과 달리 무선 매체를 사용하기 때문에 경로손실, 간섭, 핸드오프 등으로 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. 따라서 본 논문에서는 무선 메쉬 네트워크 환경에 적응력을 가지도록 기존의 TCP 혼잡제어 알고리즘의 혼잡 윈도우 값을 노드의 이동에 따라 유연하게 조절하는 새로운 TCP 혼잡제어 알고리즘을 제안한다.
네트워크에서 발생하는 혼잡상황은 패킷손실이나 지연을 일으키는 둥 네트워크의 QoS를 떨어뜨리는 결과를 가져온다. 혼잡상황을 감지하는 기법 중에 채널부하도에 기반한 기법은 네트워크의 혼잡 상황을 정확하게 반영할 수 있는 장점이 있다. 일반적인 센서 네트워크에서는 sink 노드 주변은 다른 노드들보다 트래픽이 빈번하게 몰리기 때문에 채널부하도가 평균적으로 높고 편차도 심하다. 특정 임계값을 기준으로 혼잡 상황을 파악하는 것은 센서 네트워크의 특성을 제대로 반영하지 못하는 결과를 가져온다. 따라서 본 논문에서는 노드마다 다른 양상을 보이는 채널부하도를 적절히 반영할 수 있는 혼잡감지 기법을 제안하고 이를 검증한다.
기존 TCP Reno 의 혼잡 제어는 트래픽에 수동적으로 동작하는 방법으로서 혼잡이 이미 발생한 상태에서 동작하게 되므로 발생 시점의 라우터 버퍼는 이미 최대치에 도달해 있게 된다. 따라서 이후에 도착하는 모든 패킷은 폐기되므로 이 패킷들을 전송한 모든 송신원은 거의 동시에 윈도우 크기를 줄이는 Slow-start 단계에 들어가게 되어 일시적으로 링크 사용률이 떨어지는 전역 동기화(global synchronization)가 발생하게 된다. 이러한 문제를 해결하기 위해서는 네트워크의 혼잡이 발생하기 전에 능동적으로 대처하는 방안이 필요하다. 본 논문에서는 새로운 RTT 계산 알고리즘인 순방향/역방향 전송지연 알고리즘을 이용하여 네트워크의 혼잡을 미리 예측하고 네트워크 혼잡에 능동적으로 대처할 수 있는 새로운 알고리즘을 제안한다. 본 논문에서는 리눅스(Linux) 커널(Kernel)의 TCP Reno 의 흐름제어 및 혼잡제어를 수정하여 네트워크 혼잡에 능동적으로 대처 할 수 있는 새로운 TCP Reno 를 설계, 구현하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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