KR20090113226A - Ｔｃｐ ａｃｋ 패킷 전송 및 수신 방법과, 이를 지원하는 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 광대역 무선통신 네트워크에 관한 것으로, 특히 모바일 와이맥스 네트워크에서 TCP ACK 패킷 전송 및 수신방법과, 이를 지원하는 장치에 관한 것이다.
본 발명의 TCP ACK 패킷 전송 방법은 상위 계층으로부터 TCP ACK 패킷과 데이터 패킷을 각각 수신하는 단계; 수신된 TCP ACK 패킷과 데이터 패킷들 중에서 동일 큐(Queue)에 버퍼링 된 TCP ACK 패킷과 데이터 패킷을 통합(unification)하여 MAC PDU를 생성하는 단계; 및 상기 MAC PDU를 물리 레이어로 전송하는 단계를 포함한다.
Figure P1020090036259
WiMAX, TCP, ACK, MAC, ARQ, MAC PDU, TCP Header, Error Rate

Description

ＴＣＰ ＡＣＫ 패킷 전송 및 수신 방법과, 이를 지원하는 장치{Method for transmitting and receiving TCP ACK packet, and apparatus supporting the same}
본 발명은 광대역 무선통신 네트워크에 관한 것으로, 특히 모바일 와이맥스 네트워크에서 TCP ACK 패킷 전송 및 수신 방법과, 이를 지원하는 장치에 관한 것이다.
IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers) 802.16e/m 또는 WiMAX 표준을 기반으로 하는 모바일 WiMAX 네트워크는 주파수 대역폭이 넓어 짧은 시간에 많은 데이터를 전송할 수 있고, 모든 사용자가 채널을 공유하여 채널을 효율적으로 사용할 수 있어 차세대 휴대 인터넷(portable internet) 시스템으로 주목 받고 있으며, 미국, 한국, 싱가포르를 포함한 많은 국가에서 제안되어 적용되고 있다.
WiMAX 포럼에서는 2008년의 4월에 WiMAX 네트워크 프로파일 1.0에 근거하여, WiMAX를 통해 이동성을 지원할 수 있는 첫 번째 WiMAX 네트워크를 제안하였다. 이후, IEEE 802.16m 기술 그룹(TG)에서는 시스템 성능 개선을 위한 IEEE 802.16e-2005에 개정을 개발하고 있으며, 표준 개정은 2010년 말까지 완료될 것으로 예상되 고 있다.
IEEE 802.16m에 기초한 모바일 WiMAX 네트워크 필요조건은 시스템이 트래픽 처리량(traffic throughput) 측면에서 기존의 IEEE 802.16e에 기초한 모바일 WiMAX 네트워크 보다 2배 이상의 성능 제공을 요구하고 있다. 특히, IEEE 802.16m에서는 PHY 레이어와 MAC 레이어의 성능 개선에 집중하고 있으며, 사용자의 요구를 만족시키고 통신 시장의 관심을 얻을 수 있는 End-To-End 성능의 향상을 요구하고 있다. 이에 따라, IEEE 802.16m에서는 물리 레이어(PHY Layer)과 MAC 레이어(MAC Layer)에서 보다 향상된 성능이 강조되고 있다. 또한, 802.16m에서는 물리 레이어(PHY Layer)과 MAC 레이어(MAC Layer)의 트래픽 성능 향상뿐만 아니라, 상위 레이어(TCP/IP 레이어)의 성능 향상을 고려하고 있다.
IEEE 802.16e/m에 기초한 광대역 무선통신 네트워크에서는 IP(Internet Protocol)을 이용하여 전송하고자 하는 데이터를 IP 패킷으로 변환하고, TCP(Transmission Control Protocol)을 이용하여 데이터의 흐름을 관리하고, ARQ(Automatic Retransmission Request) 방식을 통해 재 전송을 수행하여 수신된 데이터를 구성할 수 있다.
TCP/IP 프로토콜은 당초 유선 네트워크를 위한 것으로, 모바일 WiMAX 네트워크와 같이 무선 링크를 통해 데이터를 송수신하는 네트워크에는 적합하지 않다. 특히, TCP ACK 패킷을 현재 MAC 레이어에만 의존하여 무선으로 전송할 경우에는, TCP ACK 패킷의 유실 및 전송 지연에 따라서 데이터 전송 성능에 큰 영향을 미칠 수 있다. 즉, 광대역 무선통신 네트워크에서는 무선 링크를 통한 TCP ACK 패킷 전송을 최적화시키지 않으면 데이터 전송의 성능향상을 확보하는데 어려움이 있을 수 있다.
TCP ACK 패킷은 데이터의 패킷과는 별도로 전송이 이루어지므로, 만약, TCP ACK 패킷의 전송 빈도가 높고, 그 전송 성능이 저하 된다면 이에 따라 실제 데이터의 전송량이 줄어들게 된다. 그리고, 무선 링크의 특성으로 인해, 전송되는 데이터의 유실율이 높을 수 있는데, 유실된 데이터는 ARQ(Automatic Retransmission Request) 방식을 이용하여 재 전송이 이루어지게 된다. 일반적으로, 재 전송이 이루어지는 데이터를 우선하여 전송하므로, TCP ACK 패킷의 지연(delay) 즉, ACK compression 현상이 발생될 수 있다. 이는 상위 레이어(TCP/IP 레이어)의 전송성능 저하를 발생시킬 수 있다.
단 방향 트래픽(traffic)의 경우, 전달되는 TCP 패킷은 반대 방향의 트래픽(traffic)에 대한 TCP ACK 패킷과 물리적 통로를 공유할 수 있다. 이러한 경우, 데이터와 TCP ACK 패킷은 네트워크 내에서 버퍼를 공유할 수 있다.
이러한, 버퍼의 공유는 ACK compression 현상을 발생시켜, TCP ACK 패킷 전송의 지연을 발생시키게 된다. TCP ACK 패킷 전송의 지연은 결과적으로, 송신부의 실제 데이터 전송에 영향을 미치게 되므로, 전체 데이터 전송 성능을 저하시킬 수 있다.
그리고, 양 방향 커넥션의 트래픽에 의한 처리량은 TCP ACK 패킷과 데이터(페이로드) 패킷의 흐름을 분리한 단 방향 트래픽의 경우에 비해 66.67%까지 데이터 전송 성능이 저하될 수 있다.
광대역 무선통신 네트워크의 단말(MS)과 기지국(BS)은 커넥션 아이디(Connection Identifier, 이하, "CID"라 함)에 의한 서비스 플로우(SF: Service Flow)를 이용하여 전송되는 패킷들을 분류할 수 있다. 그리고, MAC 레이어에서 적용되는 전송 큐(queue)는 동일 CID 또는 동일 서비스 플로우(SF)에 속한 업링크(UL)와 다운링크(DL)에 적용될 수 있다.
이것은 TCP ACK compression 현상을 발생시킬 수 있고, 이를 방지하기 위해서는 업링크(UL)와 다운링크(DL) 트래픽을 분리하기 위해 독립적인 서비스 플로우(SF)가 생성되어야 한다. 그러나, 단말(MS)과 기지국(BS) 사이의 모든 어플리케이션/서비스를 위해 각각의 서비스 플로우(SF)를 생성하는 것은 실용적이지 못하다.
이러한 문제점들을 최소화 시키기 위하여, (1)커넥션의 분할(Splitting the connection) 방법, (2) 링크 레이어 솔루션(Link Layer Solution) 방법이 제안되었다.
먼저, (1)커넥션의 분할 방법은, 하나의 TCP 커넥션을 두 개의 분리된 커넥션으로 분할하기 위한 Indirect-TCP로 불리는 메커니즘이다. TCP 커넥션을 분할하는 방법은, 송신부로부터 수신된 TCP ACK 패킷이 의도된 목적지로 전송되었다는 것을 나타낼 수 없어, TCP 프로토콜의 End-To-End 개념을 위반하는 것이다.
이어서, (2)링크 레이어 솔루션 방법은, 링크 레이어에서 로컬 데이터의 신뢰성을 얻고, 무선 링크가 신뢰성 있는 링크로 TCP에 보여질 수 있도록 ARQ(Automatic Repeat Request)와, FEC(Forward Error Correction) 기법을 사용한 다. 이러한, 링크 레이어 솔루션 방법은 TCP 레이어의 수정을 발생시키지 않는다는 장점이 있지만, 양방향 TCP 커넥션을 적용하는 경우에 MAC 레이어에서 패킷 지연을 증가시키는 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 무선통신 네트워크에서 종단(End-to-End)간의 효율적인 패킷 데이터 전송을 위한 TCP ACK 패킷 송수신방법과 이를 지원하는 장치를 제공하는 것을 기술적인 과제로 한다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 무선통신 네트워크에서 데이터 전송 성능을 향상시킬 수 있는 TCP ACK 패킷 전송 및 수신방법을 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 무선통신 네트워크에서 데이터 TCP ACK 패킷 전송 및 수신을 지원하는 장치 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.
본 발명의 실시 예에 따른 TCP ACK 패킷 전송 방법은 상위 계층으로부터 TCP ACK 패킷과 데이터 패킷을 각각 수신하는 단계; 수신된 TCP ACK 패킷과 데이터 패킷들 중에서 동일 큐(Queue)에 버퍼링 된 TCP ACK 패킷과 데이터 패킷을 통합(unification)하여 MAC PDU를 생성하는 단계; 및 상기 MAC PDU를 물리 레이어로 전송하는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시 예에 따른 TCP ACK 패킷 수신 방법은 TCP ACK 패킷이 통합된 데이터 패킷을 포함하는 MAC PDU를 수신하는 단계; 수신된 MAC PDU에 TCP/IP 헤더 및 ACK 필드가 존재하는지 확인하는 단계; 상기 TCP/IP 헤더 및 ACK 필드가 존재하 면, 상기 MAC PDU로부터 TCP/IP 헤더를 추출하는 단계; 및 추출된 TCP/IP 헤더를 이용하여 TCP ACK 정보를 포함하는 패킷을 TCP ACK 패킷을 복원하는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시 예에 따른 TCP ACK 패킷 전송 지원 장치는 동일 전송 큐(queue)에 대기 중인 복수의 패킷들 중에서, TCP ACK 정보를 포함하는 제 1 패킷과, 데이터 페이로드를 포함하는 제 2 패킷을 검출하는 검출부; 및 상기 제 1 패킷의 TCP ACK 정보를 추출하여 SDU의 TCP/IP 헤더를 구성하고, 상기 제 2 패킷의 데이터 페이로드를 추출하여 상기 SDU의 페이로드를 구성하는 패킷 통합부를 포함한다.
본 발명의 실시 예에 따른 TCP ACK 패킷 수신 지원 장치는 수신된 MAC PDU에 TCP/IP 헤더 및 ACK 필드가 존재하는지 확인하고, 상기 TCP/IP 헤더 및 ACK 필드가 존재하면, 상기 MAC PDU로부터 TCP/IP 헤더를 추출하는 패킷 추출부; 및 추출된 TCP/IP 헤더를 이용하여 TCP ACK 정보를 포함하는 TCP ACK 패킷을 복원하는 패킷 복원부를 포함한다.
실시 예에 따른 본 발명은 모바일 와이맥스 네트워크에서 전송 성능을 향상시킬 수 있다.
실시 예에 따른 본 발명은 무선통신 네트워크에서 종단(End-to-End)간의 효율적인 패킷 데이터 전송을 제공할 수 있다.
실시 예에 따른 본 발명은 물리 레이어와 MAC 레이어를 트래픽 처리량 향상 및 application과 service의 성능 향상을 제공할 수 있다.
실시 예에 따른 본 발명은 TCP ACK 패킷의 TCP ACK 정보를 데이터 패킷과 통합하여 전송함으로써, 무선 자원의 소모를 줄일 수 있다.
실시 예에 따른 본 발명은 TCP ACK 패킷의 전송 지연 또는 유실로 인해 발생될 수 있는 데이터 전송의 제약을 방지할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 모바일 와이맥스 네트워크에서의 TCP ACK 패킷 전송 및 수신 방법과, 이를 지원하는 장치에 대하여 설명하기로 한다.
도면을 참조한 설명에 앞서, 본 발명의 실시 예에 따른 TCP ACK 패킷 전송 및 수신 방법은 TCP ACK 패킷의 TCP ACK 정보를 데이터 패킷과 통합하고, 상기 TCP ACK 정보를 TCP/IP 헤더(header)에 포함하여 전송함으로써, 무선 자원의 소모를 줄일 수 있다. 또한, TCP ACK 패킷의 전송 지연 또는 유실로 인해 발생될 수 있는 데이터 전송의 제약을 방지할 수 있다. 이를 통해, 모바일 와이맥스 네트워크의 데이터 전송 성능을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 TCP ACK 패킷 전송 및 수신방법과, 이를 지원하는 장치는 모바일 WiMAX MAC 또는 MAC/IP 크로스 레이어(cross layer)에 적용될 수 있다.
이하, 본 발명에서 상세히 설명되지 않은 사항은 광대역 무선 접속 시스템의 기술 규격인 IEEE 802.16 표준 문서와 WiMAX Forum NWG(Network Working Group) 표준 문서를 참조할 수 있다.
모바일 WiMAX 네트워크는 크게 물리 레이어(Physical Layer)와 MAC 레이어(Media Access Control Layer)로 구성된다.
물리 레이어는 하드웨어와 연결되는 물리적인 접속을 처리하며, 데이터 전송을 위하여 물리적인 링크를 설정하고 유지 및 관리한다.
MAC 레이어는 네트워크 프로토콜 및 전송 특성을 고려하여 구분하는 기능과, 헤더를 압축하는 기능을 수행한다. 또한, 데이터 전송을 위해, 데이터를 MAC PDU(Protocol Data Unit) 단위로 분할하고, 각 MAC PDU에 MAC 헤더 및 MAC CRC를 부가한다.
실시 예에 따른 본 발명은 모바일 와이맥스 네트워크에서 도 1에 도시된, TCP ACK 매니저(ACK Unifier, ACK Extractor)를 통해 양 방향 커넥션에서의 데이터 전송 성능 특히, TCP ACK 메시지의 전송 성능을 향상시킬 수 있다. 여기서, 상기 TCP ACK 매니저(ACK Unifier, ACK Extractor)는 TCP ACK 메시지의 전송 및 수신에 적용될 수 있다.
또한, 동일 CID 또는 서비스 플로우(SF)를 가지는 TCP ACK 패킷과 데이터 패킷을 하나의 패킷(SDU)으로 통합한 후, TCP ACK 패킷의 TCP ACK 정보와 데이터 패킷을 데이터(페이로드)를 각각의 MAC PDU로 생성한다. 이후, 상기 각각의 MAC PDU를 물리 레이어를 통해 전송하여 상위 레이어(TCP/IP 레이어)의 데이터 전송 성능을 향상시킬 수 있다.
이를 위해, 도 1에 도시된 바와 같이, MAC 레이어 내에 TCP ACK 매니저를 구비한다. 여기서, TCP ACK 매니저는 ACK Unifier(100) 및 ACK Extractor(200)를 포 함하며, ACK Unifier(100)와 ACK Extractor(200)는 독립적인 요소(features)로 단말(MS) 및 기지국(BS)에 모두 구비될 수 있다. 그리고, 단말(MS) 및 기지국(BS)의 MAC 레이어는 전송 큐(queue), SDU 리어셈블러 버퍼(SDU Reassembler Buffer)를 포함한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 TCP ACK 패킷 전송 및 수신 방법을 나타내는 도면이다.
이하, 도 1을 참조하여, 본 발명의 실시 예에 따른 TCP ACK 패킷 전송 및 수신 방법에 대하여 설명하기로 한다.
도 1을 참조하면, IEEE 802.16e/m에 기초한 모바일 와이맥스 네트워크에서는 링크(link)를 구분하여 데이터의 송수신이 이루어진다. 여기서 링크는 기지국(BS: Base Station)에서 단말(MS: Mobile Station)로 데이터를 전송하는 다운링크(DL: DownLink)와, 단말이 기지국으로 데이터를 전송하는 업링크(UL: UpLink)로 구분된다. 도 1을 참조한 설명에서는 업링크(UL)를 기준으로 설명한다.
단말(MS)의 MAC 레이어는 상위 레이어(TCP/IP)으로부터의 데이터 패킷(SDU)을 전달받아 MAC 레이어의 데이터 패킷(MAC PDU)로 구성한다. 이후, MAC 레이어는 MAC PDU를 물리 레이어로 전달하고, 물리 레이어는 상기 MAC PDU를 프레임(Frame)에 맵핑하여 전송하게 된다.
여기서, 단말(MS)과 기지국(BS)은 양 방향의 TCP 트래픽(traffic)을 서비스 플로우(service flow)를 통해 무선(air)으로 송수신 할 수 있다. 여기서, 상위 레이어(layer)의 데이터 패킷 전송양(transmission throughput)은 업링크(UL) 및 다 운링크(DL)에서의 TCP ACK 패킷의 전송 성공여부에 따라 제한될 수 있다.
본 발명에서 TCP ACK 패킷은 다른 패킷(데이터 페이로드를 포함하는 데이터 패킷)에 포함되어 전달될 수 있다. 예를 들어, MAC 레이어에서 1500 바이트(Byte)의 MTU를 적용한다면, TCP 헤더와 IP 헤더를 포함하여 총 40 byte 크기를 가지는 TCP ACK 패킷은 1500 바이트의 길이를 가지는 데이터 패킷에 포함되어 전송될 수 있다. 구체적으로, TCP ACK 패킷에 포함된 TCP ACK 정보를 추출하고, 상기 TCP ACK 정보를 데이터 페이로드를 가지는 데이터 패킷의 TCP 헤더에 통합하여 전송할 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, TCP/IP 레이어로부터 패킷이 MAC 레이어로 전달되면, MAC 레이어는 상기 패킷을 SDU 단위로 구분한다. 여기서 TCP 패킷은 TCP/IP 패킷을 의미하며, 단지 IP 패킷과 관련된 사항들은 본 발명의 설명을 위해 불필요하므로 생략하도록 한다.
TCP/IP 레이어로부터 전달된 각 SDU는 TCP ACK 패킷과 데이터 패킷으로 구분될 수 있다. TCP ACK 패킷은 TCP ACK 정보를 포함하는 것으로, 20 바이트(Byte)의 IP 헤더(IP Header), 20 바이트의 TCP 헤더(TCP Header)로 구성될 수 있다. 그리고, 데이터 패킷은 전송이 이루어질 데이터 즉, 페이로드(Payload)를 포함하는 것으로, 20 바이트의 IP 헤더(IP Header), 20 바이트의 TCP 헤더(TCP Header) 및 일정 크기를 가지는 페이로드로 구성될 수 있다.
각각의 SDU는 MAC 레이어서 MAC PDU로 구성되기 전에, CID 또는 서비스 플로우(SF)에 따라 전송 큐(30, Queue)에 버퍼링 되고, MAC PDU로 구성된 후, 정해진 순서에 따라 물리 계층을 통해 목적지(다운링크인 경우에는 단말, 업링크인 경우에는 기지국)로 전송된다. 여기서, 동일한 CID 또는 동일한 서비스 플로우를 가지는 PDU들(TCP ACK 패킷, 데이터 패킷)은 동일 전송 큐에 버퍼링 된다.
ACK Unifier(100)는 TCP/IP 레이어로부터 전달된 SDU들을 확인하여, 상기 각각의 SDU들이 수신된 데이터 패킷의 전송 성공을 송신부로 통보하기 위한 TCP ACK 정보를 포함하는 TCP ACK 패킷에 따른 SDU인지, 페이로드를 포함하는 데이터 패킷에 따른 SDU인지를 판별한다.
이하에서는 TCP ACK 정보를 포함하는 SDU를 제 1 SDU(20, MS SDU #1)로 정의하고, 페이로드를 포함하는 SDU를 제 2 SDU(10, MS SDU #0)로 정의한다.
일반적으로, TCP ACK 패킷과 데이터 패킷이 동일한 CID(또는 서비스 플로우)를 가지게 되면, 송신측 MAC 레이어의서 동일 큐(30)에 버퍼링 되어 전송을 대기하게 된다. 이러한 경우, 큰 크기의 데이터 패킷과 작은 크기의 TCP ACK 패킷이 동일한 큐(30)에서 대기될 수 있는데, 크기가 큰 데이터 패킷의 전송이 이루어질 때까지 TCP ACK 패킷의 전송이 지연될 수 있다.
본 발명에서는 이러한, TCP ACK 패킷의 전송 지연을 방지하기 위해, 동일 큐(30)에서 전송을 대기하고 있는 복수의 패킷을 하나의 패킷으로 통합하여 전송할 수 있다.
동일 큐(30) 대기중인 패킷 즉, SDU들은 동일 CID 또는 동일 서비스 플로우를 가지므로, 통합하여 전송할 수 있다. 복수의 SDU들을 하나의 SDU로 통합하는데 있어서, TCP ACK 정보를 포함하는 TCP ACK 패킷의 전송이 우선적으로 고려되어야 한다.
이를 위해, ACK Unifier(100)는 동일 전송 큐(30)에 대기중인 복수의 SDU들 중에서, TCP ACK 정보를 포함하는 제 1 SDU(20, MS SDU #1)와, 페이로드를 포함하는 제 2 SDU(10, MS SDU #0)를 검출한다.
이후, ACK Unifier(100)는 상기 제 1 SDU(20, MS SDU #1)와 제 2 SDU(10, MS SDU #0)를 하나의 SDU로 통합한다. 구체적으로, ACK Unifier(100)는 상기 제 1 SDU(20, MS SDU #1)의 TCP ACK 패킷에서 TCP ACK 정보(ACK sequence number, valid ACK)를 추출한다. 그리고, 추출된 TCP ACK 정보를 상기 제 2 SDU(10, MS SDU #0)의 TCP 헤더에 통합시킨다. 여기서, TCP 패킷과 TCP ACK 패킷을 통합하여 새로운 SDU 를 생성할 수도 있다.
제 2 SDU(10, MS SDU #0)의 TCP 헤더에 상기 TCP ACK 정보가 통합되면, 제 2 SDU(10, MS SDU #0)의 TCP 헤더의 CRC 값이 변경된다. 따라서, 제 2 SDU(10, MS SDU #0)에 통합된 상기 TCP ACK 정보를 반영하여 TCP checksum(CRC)을 재 설정한다. 이후, TCP ACK 정보가 추출된 제 1 SDU(20, MS SDU #1)의 TCP ACK 패킷은 폐기시킨다.
이후, MAC 레이어에서는 TCP ACK 정보가 통합된 제 2 SDU(10, MS SDU #0)를 물리 계층으로 전달하기 위해, 제 2 SDU(10, MS SDU #0) 이용하여 MAC PDU를 생성한다. 상기 MAC PDU의 생성은 다음과 같이 이루어진다.
TCP ACK 정보가 통합된 제 2 SDU(10, MS SDU #0)에서, TCP ACK 정보가 통합된 TCP 헤더와 IP헤더를 이용하여 1 MAC PDU(15, MAC PDU #1)를 생성한다. 그리고, 상기 제 2 SDU(10, MS SDU #0)의 데이터 패킷(페이로드)를 이용하여 제 2 MAC PDU(25, MAC PDU #2)를 생성한다. 여기서, 각각의 MAC PDU(15, 25)에는 MAC 헤더와 MAC CRC가 포함된다. 여기서, IP 헤더와 TCP 헤더의 전송오류는 MAC PDU CRC를 이용하여 판단할 수 있다.
MAC 레이어는 TCP ACK 정보가 통합된 제 2 SDU(10, MS SDU #0)로부터 생성된 제 1 MAC PDU(15, MAC PDU #1)와 제 2 MAC PDU(25, MAC PDU #2)를 물리 계층으로 전달하고, 물리 계층에서는 상기 제 1 MAC PDU(15, MAC PDU #1)를 우선하여 전송하고, 이어서 상기 제 2 MAC PDU(25, MAC PDU #2)를 전송한다.
여기서, TCP ACK 정보가 통합된 제 2 SDU(10)로부터 제 1 MAC PDU(15)와 제 2 MAC PDU(25)를 생성하는 것은 TCP ACK 정보를 갖는 패킷의 유실 확률을 줄이기 위함이다.
구체적으로, 5% BLER 상황에서, 재 전송을 두 번까지 허용할 경우, 단말(MS)과 기지국(BS) 사이에서, 1500 바이트의 길이를 가지는 MAC PDU가 유실될 확률은 WiMAX(MAC)에서 10% 정도이다.
이것은 종래 기술과 같이, 40 byte 크기의 작은 TCP ACK 패킷이 별도로 전송되었을 경우보다 TCP ACK 패킷이 유실될 확률이 커질 수 있다. 그러나, 상기 제 1 MAC PDU(15) 와 제 2 MAC PDU(25)로 나누어 전송할 경우에, 제 1 MAC PDU(15)가 유실되면, 유실된 제 1 MAC PDU(15)만 재 전송이 이루어지게 된다. 따라서, TCP ACK 정보를 갖는 패킷으로 구성된 제 1 MAC PDU(15, MAC PDU #1)의 패킷 손실 확률은 0.5%되어, TCP ACK 패킷을 개별적으로 보내는 경우와 동등한 수준으로 낮아지게 된 다.
그리고, MAC PDU들(15, 25) 중에서 TCP ACK 정보가 포함된 제 1 MAC PDU(15)가 데이터 패킷(페이로드)이 포함된 제 2 MAC PDU(25)보다 우선하여 전송되므로, 수신부(다운링크인 경우에는 단말, 업링크인 경우에는 기지국)에서는 제 2 MAC PDU(25)의 수신여부와 상관없이, 제 1 MAC PDU(15)에서 TCP ACK 정보를 분리해낼 수 있다. 따라서, TCP ACK 패킷의 전송 지연을 보다 더 줄일 수 있다.
수신부에서 상술한 제 1 MAC PDU(15)와 제 2 MAC PDU(25)의 복원 메커니즘은 후술되는 ACK Extractor(200)에 대한 설명에서 상술하기로 한다.
이어서, 도 1에서, 기지국(BS)의 MAC 레이어에 구비된 ACK Extractor(200)에 대하여 설명하기로 한다.
ACK Extractor(200)는 단말로부터 MAC PDU가 수신되면, MAC PDU가 TCP ACK 정보를 포함하는지 확인한다.
구체적으로, MAC PDU들(15, 25)이 수신되면, 각 MAC PDU들(15, 25)의 MAC 헤더 이후, MAC PDU들(15, 25)의 페이로드를 확인하여, TCP/IP 헤더를 가지고 있거나, TCP 헤더의 Valid ACK field가 표시되어 있는지 확인한다.
만약, 제 1 MAC PDU(15)가 상기 조건을 만족하면, 상기 제 1 MAC PDU(15)에서 TCP/IP 헤더를 추출하고, 상기 TCP/IP 헤더에 포함된 TCP ACK 정보를 이용하여 송신부에서 송신한 원래의 제 1 SDU(20) 즉, TCP ACK 정보를 포함하는 TCP/IP 헤더 패킷으로 복원한다. 이후, 복원된 제 1 SDU(20)는 바로 네트워크로 전달된다.
이와 함께, TCP ACK 정보가 추출된 제 1 MAC PDU(15, MAC PDU #1)의 TCP/IP 헤더에 TCP/IP header checksum을 재 설정한다. 이는 TCP/IP 헤더에서 TCP ACK 정보를 추출되었으므로 이를 반영하기 위함이다. 그리고, TCP/IP 헤더의 Valid ACK를 Invalid ACK로 만든다. 즉, 제 2 SDU(10, BS SDU #0)의 Valid ACK를 Invalid ACK로 변경한다.
이후, 제 1 MAC PDU(15)의 TCP/IP 헤더 즉, 제 1 SDU는 SDU 리어셈블러 버퍼(SDU Reassemble Buffer)에 버퍼링 된다.
여기서, TCP 헤더, IP 헤더의 Valid ACK를 Invalid ACK로 만드는 것은, TCP ACK 정보 추출된 TCP/IP 헤더와 상기 제 2 SDU(10)의 데이터 페이로드를 포함하는 제 2 MAC PDU(25)를 reassemble하여 원래의 SDU를 복원할 때 TCP ACK 정보가 중복되는 것을 방지하기 위함이다.
이후, 수신된 제 2 MAC PDU(25)는 TCP/IP 헤더가 없으므로, 즉 TCP ACK 정보를 포함하고 있지 않으므로, SDU 리어셈블러 버퍼(SDU Reassembler Buffer)에 버퍼링 한다.
이후, TCP ACK 정보 추출된 TCP/IP 헤더와 상기 제 2 SDU(10)의 데이터 페이로드를 포함하는 제 2 MAC PDU(25)를 리어셈블(reassemble)하여 원래의 SDU를 복원한다. 이후, 원래의 TCP/IP 헤더 및 데이터 페이로드를 포함하는 복원된 SDU를 네트워크로 전달한다.
상술한 바와 같이, ACK Extractor(200)는 TCP ACK 정보가 originating TCP 또는 ACK Unifier(100)에 의해 크기가 큰 SDU에 포함되어 있을 때, ACK 정보는 전체의 SDU가 모두 전달되기 전이라도 TCP/IP 헤더 부분(상기 제 1 MAC PDU #1)이 에 러 없이 전달되자 마자 복원을 수행하고, 복원된 TCP ACK 패킷을 네트워크(TCP/IP Layer)로 전달한다. 이를 통해, TCP ACK 패킷의 지연과 손실을 감소시킬 수 있다. 이것은, 전체의 패킷이 모두 수신되기 이전에라도 TCP ACK 패킷이 수신되면, TCP ACK 패킷을 즉시 복원하여 네트워크로 전달할 수 있기 때문이다.
상술한, ACK Unifier(100)와 ACK Extractor(200)는 상호 동기화나 제어 없이 독립적으로 동작될 수 있다. 여기서, 단말(MS)과 기지국(BS)은 다운링크(DL)와 업링크(DL)에 따라 송신부 및 수신부의 역할이 전환될 수 있다. 따라서, 상기 ACK Unifier(100)와 ACK Extractor(200)는 단말(MS)과 기지국(BS)에 모두 구비될 수 있다.
상술한, 본 발명의 실시 예에 따른 TCP ACK 패킷 전송 및 수신 방법은 무선 링크의 특성과, TCP ACK compression에 의해 TCP ACK 패킷이 유실되거나 전송이 지연될 수 있는 확률을 줄일 수 있다. 또한, TCP 프로토콜의 변경 없이 모바일 WiMAX 단말(MS)과 기지국(BS) 사이의 무선 링크 자원을 소모를 줄일 수 있다.
상술한 본 발명의 실시 예에 따른 TCP ACK 패킷 전송 및 수신 방법이 상향링크(UL)에 적용되는 것으로 설명하였으나, 본 발명의 다른 실시 예에서는 본 발명의 TCP ACK 패킷 전송 및 수신 방법이 하향링크(UL)에도 동일하게 적용할 수 있다.
상술한, 본 발명의 실시 예에 따른 TCP ACK 패킷 전송 및 수신 방법과 이를 지원하는 장치는 모바일 와이맥스 네트워크뿐만 아니라, 다른 광대역 무선통신 네트워크 예를 들면, CDMA2000, 3GPP/LTE에도 동일하게 적용될 수 있다.
이어서, 본 발명의 실시 예에 따른 패킷 데이터 전송 지원 방법의 성능 검증 결과에 대하여 설명하기로 한다.
본 발명의 실시 예에 따른 TCP ACK 패킷 전송 및 수신 방법의 성능을 검증하기 위해, , IEEE 802.16e 와 WiMAX Network Working Group (NWG) 표준 에 기초한 End-To-End WiMAX 네트워크를 기준으로 하였다. 그리고, 네트워크 성능 시뮬레이터인 WISEW(WiMAX) (Wireless Integrated system Emulator for mobile WiMAX)를 이용하여, 본 발명의 TCP ACK 패킷 전송 및 수신 방법의 데이터 전송 성능을 측정하였다. 상기 WISEW는 WiMAX Forum의 모든 WiMAX 멤버들의 사용을 위해 WiMAX Forum에 의해 개발된 WiMAX 시뮬레이터를 검증하기 위한 유효한 도구로 알려져 있다.
패킷 데이터 전송 지원 장치에 의한 성능 향상을 분석하기 위해, 5Mbytes 파일을 교환하는 양방향 FTP를 적용하였고, ACK Unifier(100)와 ACK Extractor(200)를 WiMAX MAC ARQ scheme과 함께 사용되었다.
시뮬레이션에서는 다운링크를 위한 16QAM 1/2과 64QAM 5/6 modulation 그리고 업링크를 위한 16QAM 1/2를 가정하고, 편의를 위해 다운링크 무선 링크의 distortion만이 고려되었다.
도 2는 본 발명의 TCP ACK 패킷 전송 및 수신 방법을 적용하였을 경우와, 적용하지 않은 상태에서의 FEC 블록 에러율에 대한 다운로딩 TCP Goodput 향상을 나타내고 있다. 그리고, FEC 블록 에러율에 대한 MAC PDU 에러율도 나타내고 있다.
본 발명의 TCP ACK 패킷 전송 및 수신 방법을 적용하지 않은 경우, FEC 블록 에러율이 증가할 때 64QAM 다운링크(DL)와, 16QAM 다운링크(DL)의 데이터 성능이 비슷하였다. 그리고, FEC 블록 에러율이 1%에 도달하면 TCP Goodput 성능은 20% 이 하로 떨어지는 것을 확인할 수 있다. 여기서, 주목할 사항은 64QAM 다운링크(DL)가 16QAM 다운링크(DL) 보다 데이터 전송 성능이 우수하여야 하지만, 상술한 문제점들로 인해 실제의 데이터 성능에는 큰 차이가 나타나지 않았다.
이는 FTP 업로드에 크기가 큰 패킷에 의해 발생한 단말(MS)에서 기지국(BS)으로 전송되는 TCP ACK 패킷의 전송에 지연이 발생되기 때문이다. 이러한, TCP ACK 패킷의 전송에 지연은 결과적으로, TCP 성능을 제한시키기 때문에 64QAM 다운링크(DL)가 16QAM 다운링크(DL) 보다 더 높은 다운링크(DL) 대역폭(bandwidth)의 장점을 가질 수 없게 된다.
반면, 본 발명의 TCP ACK 패킷 전송 및 수신 방법을 적용한 경우, 64QAM 다운링크(DL)가 16QAM 다운링크(DL) 보다 더 높은 다운링크(DL) 대역폭(bandwidth)의 장점을 가지는 것을 확인할 수 있다.
FEC 블록 에러 비율이 0인 경우, 16QAM 1/2 다운링크(DL)에서는 종래 기술 대비 40%의 데이터 전송 성능을 얻을 수 있었다. 그리고, FEC 블록 에러 비율이 0인 경우, 64QAM 5/6 다운링크(DL)에서는 종래 기술 대비 90% 이상의 데이터 전송 성능을 얻을 수 있었다.
다운링크(DL)에서 블록 에러율이 증가할 때 데이터 전송 성능 향상이 감소하는 것은 저하된 다운링크로 인해 지연된 TCP ACK 패킷의 영향이 감소하기 때문이다.
FEC 블록 에러율이 1%에 도달할 TCP Goodput 성능 향상은 나타나지 않으나, 동일 서비스 플로우를 가지는 다른 데이트 트래픽과 TCP ACK 패킷을 통합하여 전송 함으로써, 무선 링크 대역폭(air-link bandwidth)을 줄일 수 있다.
상술한 본 발명의 실시 예에 따른 모바일 와이맥스 네트워크에서의 TCP ACK 패킷 전송 지원 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있다.
한편, 본 발명이 속하는 기술분야의 당 업자는 상술한 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로, 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 TCP ACK 패킷 전송 및 수신방법과 이를 지원하는 TCP ACK 매니저를 나타내는 도면.
도 2는 본 발명의 TCP ACK 메지지 전송 및 수신 방법을 적용 시, 데이터 전송 성능을 나타내는 도면.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10, 20: SDU 15, 25: MAC PDU
30: 전송 큐(queue) 40: SDU 리어셈블러 버퍼(SDU Ressembler Buffer)
100: ACK Unifier 200: ACK Extractor

Claims (24)

  1. 상위 계층으로부터 TCP ACK 패킷과 데이터 패킷을 각각 수신하는 단계;
    수신된 TCP ACK 패킷과 데이터 패킷들 중에서 동일 큐(Queue)에 버퍼링 된 TCP ACK 패킷과 데이터 패킷을 통합(unification)하여 MAC PDU를 생성하는 단계; 및
    상기 MAC PDU를 물리 레이어로 전송하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 TCP ACK 패킷 전송 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 통합(unification)은
    상기 동일 큐에 버퍼링 된 TCP ACK 패킷의 TCP 헤더에 포함된 TCP ACK 정보와 상기 동일 큐에 버퍼링 된 데이터 패킷의 TCP 헤더에 포함된 헤더 정보와의 결합인 것을 특징으로 하는 TCP ACK 패킷 전송 방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 MAC PDU는
    상기 TCP ACK 패킷의 TCP 헤더에 포함된 TCP ACK 정보와, 상기 데이터 패킷의 TCP 헤더에 포함된 헤더 정보가 통합된 TCP 헤더를 포함하는 제 1 MAC PDU와;
    상기 데이터 패킷의 데이터 페이로더를 포함하는 제 2 MAC PDU를 포함하는 것을 특징으로 하는 TCP ACK 패킷 전송 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 TCP ACK 정보는 ACK sequence number, valid ACK를 포함하는 것을 특징으로 하는 패킷 TCP ACK 패킷 전송 방법.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 TCP ACK 정보를 반영하여 상기 통합된 TCP 헤더 내의 TCP checksum(CRC)을 재 설정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 TCP ACK 패킷 전송 방법.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 TCP ACK 정보를 반영하여 상기 통합된 TCP 헤더에 valid ACK를 설정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 TCP ACK 패킷 전송 방법.
  7. 제 3 항에 있어서,
    상기 TCP ACK 패킷을 폐기하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 TCP ACK 패킷 전송 방법.
  8. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1 MAC PDU와 상기 제 2 MAC PDU 각각은 MAC 헤더 및 MAC CRC를 포함하는 것을 특징으로 하는 TCP ACK 패킷 전송 방법.
  9. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1 MAC PDU 및 제 2 MAC PDU를 물리 계층을 통해 전송하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 TCP ACK 패킷 전송 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 2 MAC PDU에 우선하여 상기 제 1 MAC PDU를 전송하는 것을 특징하는 TCP ACK 패킷 전송 방법.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 동일 전송 큐(queue)에 대기 중인 복수의 패킷들은 동일 서비스 플로우(SF) 또는 동일 커넥션 아이디(CID)를 가지는 것을 특징으로 하는 TCP ACK 패킷 전송 방법.
  12. TCP ACK 패킷이 통합된 데이터 패킷을 포함하는 MAC PDU를 수신하는 단계;
    수신된 MAC PDU에 TCP/IP 헤더 및 ACK 필드가 존재하는지 확인하는 단계;
    상기 TCP/IP 헤더 및 ACK 필드가 존재하면, 상기 MAC PDU로부터 TCP/IP 헤더를 추출하는 단계; 및
    추출된 TCP/IP 헤더를 이용하여 TCP ACK 정보를 포함하는 패킷을 TCP ACK 패킷을 복원하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 TCP ACK 패킷 수신 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 ACK 필드의 존재여부는 TCP/IP 헤더의 valid ACK를 확인하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 TCP ACK 패킷 수신 방법.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 TCP ACK 정보가 포함된 TCP ACK 패킷을 네트워크로 전달하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 TCP ACK 패킷 수신 방법.
  15. 제 12 항에 있어서,
    상기 TCP ACK 정보가 추출된 TCP/IP 헤더의 TCP header checksum을 재 설정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 TCP ACK 패킷 수신 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 TCP/IP 헤더의 Valid ACK를 Invalid ACK로 변경하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 TCP ACK 패킷 수신 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 TCP/IP 헤더를 SDU 리어셈블러 버퍼(SDU Reassembler Buffer)에 버퍼링 하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 TCP ACK 패킷 수신 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 TCP/IP 헤더가 존재하는지 않는 MAC PDU가 수신되면,
    SDU 리어셈블러 버퍼에 버퍼링 된 TCP/IP 헤더와 상기 TCP/IP 헤더 및 ACK 필드가 존재하는지 않는 MAC PDU를 리어셈블(Reassemble)하여 원래의 데이터 패킷으로 복원하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 TCP ACK 패킷 수신 방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    복원된 원래의 데이터 패킷을 네트워크로 전달하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 TCP ACK 패킷 수신 방법.
  20. 동일 전송 큐(queue)에 대기 중인 복수의 패킷들 중에서, TCP ACK 정보를 포함하는 제 1 패킷과, 데이터 페이로드를 포함하는 제 2 패킷을 검출하는 검출부; 및
    상기 제 1 패킷의 TCP ACK 정보를 추출하여 SDU의 TCP/IP 헤더를 구성하고, 상기 제 2 패킷의 데이터 페이로드를 추출하여 상기 SDU의 페이로드를 구성하는 패킷 통합부를 포함하는 것을 특징으로 하는 TCP ACK 패킷 전송 지원 장치.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 TCP ACK 정보를 반영하여 상기 SDU의 TCP 헤더에 포함된 TCP checksum(CRC)을 재 설정하는 것을 특징으로 하는 TCP ACK 패킷 전송 지원 장치.
  22. 제 20 항에 있어서,
    상기 TCP ACK 정보를 반영하여 상기 SDU의 TCP 헤더에 valid ACK를 설정하는 것을 특징으로 하는 TCP ACK 패킷 전송 지원 장치.
  23. 수신된 MAC PDU에 TCP/IP 헤더 및 ACK 필드가 존재하는지 확인하고, 상기 TCP/IP 헤더 및 ACK 필드가 존재하면, 상기 MAC PDU로부터 TCP/IP 헤더를 추출하는 패킷 추출부; 및
    추출된 TCP/IP 헤더를 이용하여 TCP ACK 정보를 포함하는 TCP ACK 패킷을 복원하는 패킷 복원부를 포함하는 것을 특징으로 하는 TCP ACK 패킷 수신 지원 장치.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 TCP ACK 정보가 포함된 TCP ACK 패킷을 네트워크로 전달하는 것을 특징으로 하는 TCP ACK 패킷 전송 지원 장치.
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