- 셀룰러(cellular)라는 용어는 셀룰러 네트워크의 영역이 전파 도달 능력에 따라 여러 개의 지리적 영역, 즉 셀(cell)로 나뉜다는 사실에서 비롯되었다.
- 각각의 셀은 셀 영역 안의 이동 장치(mobile device)와 신호를 주고받는 기지국(base station)을 갖고 있다.
- 하나의 셀이 담당하는 영역의 넓이는 여러 요소에 의해 영향을 받는다.
- 기지국과 단말기의 송신 강도
- 셀 내의 방해가 되는 건물
- 기지국 안테나의 설치 높이와 종류
아래 그림은 4G LTE(Long-Term Evolution) 네트워크 구조의 주요 요소를 보여준다.
셀룰러 통신 사업자의 네트워크에 연결되는 스마트폰, 태블릿, 랩톱 또는 IoT 장치 등이며, (고정된 온도 세선 또는 감시 카메라도 포함)
웹 브라우저, 지도 앱, 음성 및 화상회의 앱, 모바일 결제 앱 등이 실행되는 곳이다.
- UE(User Equipment)
- 전체 5계층 인터넷 프로토콜 스택을 구현한다.
- NAT을 통해 얻을 수 있는 IP 주소를 갖고 있는 네트워크의 종단점이다.
- 전 세계적으로 고유한 IMSI(International Mobile Subscriber Identity)라는 64비트의 식별자가 있다.
- 가입자가 속한 국가 및 홈 네트워크를 포함하여 전 세계의 셀룰러 사업자 시스템에서 가입지를 식별한다. (MAC 주소와 유사함)
- 이는 SIM(Subscriber Identity Module) 카드에 저장된다.
- SIM 카드는 가입자가 접속할 수 있는 서비스에 대한 정보와 해당 가입자의 키 정보를 암호화한다.
셀룰러 통신 사업자 네트워크의 가장자리에 위치하며, 무선 전파 자원 및 담당 영역에 속한 이동 장치를 관리할 책임이 있다.
- 이동 장치는 기지국과 상호작용함으로써 사업자의 네트워크에 접속된다.
- 무선 접속 네트워크에서 장치의 인증 및 자원(무선 채널)의 할당 기능을 조정한다.
- 무선 랜의 AP와는 다르게, 셀룰러 기지국에서만 수행하는 역할들은 다음과 같다.
- AP 이동 장치에서 게이트웨이까지 장치 고유의 IP 터널을 생성하고, 셀 간의 장치 이동성을 처리하기 위해 상호작용한다.
- 인접한 기지국들은 셀 사이의 간섭을 최소화하기 위해 무선 스펙트럼을 관리하기 위한 상호 조정 기능을 수행한다.
HSS의 네트워크를 홈 네트워크로 사용하는 이동 장치에 대한 정보를 저장하는 데이터베이스
- 제어 평면의 요소
- 이동 장치의 인증을 위해 이동성 관리 개체(MME)와 함께 사용된다.
S-GW와 PDN 게이트웨이(P-GW)는 이동 장치와 인터넷 사이에 위치하는 2개의 라우터다.
- 이동 장치에 NAT IP 주소를 제공하고 NAT 기능을 수행한다.
- 외부 세계에서 P-GW는 다른 게이트웨이 라우터와 마찬가지로 보인다.
- 셀룰러 사업자의 LTE 네트워크 안에서의 이동 노드의 이동성은 P-GW 뒤에 있는 바깥 세상에는 감추어진다.
이러한 게이트웨이 라우터 외에도 셀룰러 사업자의 all-IP 코어에는 전통적인 라우터 기능을 수행하는 라우터들이 존재한다.
- 제어 평면의 요소
- HSS와 함께 네트워크에 접속하려는 장치를 인증하는 데 중요한 기능을 수행한다.
- 이동 장치와 PDN 인터넷 게이트웨이 간의 데이터 경로에 터널을 설정하고, 사업자의 셀룰러 네트워크 안에서 활성화된 이동 장치의 셀 위치 정보를 유지 관리한다.
그러나 이동 장치의 데이터그램이 인터넷으로 전송되거나 들어오는 전달 경로상에 있지 않다. (아래 그림에서 확인 가능)
LTE 데이터 평면과 제어 평면의 요소
- 네트워크와 네트워크에 부착된 이동 장치 간의 상호 인증
- 네트워크는 부착된 장치가 실제로 주어진 IMSI와 연관된 장치라는 것을 알아야 한다.
- 이동 장치는 자신이 부착하고 있는 네트워크가 또한 합법적인 셀룰러 사업자 네트워크라는 것을 알아야 한다.
- MME가 이동 홈 네트워크에서 이동 장치와 홈 가입자 서버 HSS 사이의 중재자 역할을 한다.
- 로컬 MME는 이동 장치로부터 접속 요청을 수신하고, 이동 장치의 홈 네트워크 HSS에 접촉한다.
- 이동 장치의 홈 HSS는 로컬 MME에 암호화된 정보를 충분히 반환한다.
이동 장치로부터 게이트웨이 라우터로의 데이터 경로는
이동 장치와 기지국 사이의 무선 첫 번째 홉(first hop), 기지국과 서빙 게이트웨이(S-GW) 사이의 연결된 IP 터널, 서빙 게이트웨이, PDN 게이트웨이로 구성된다.
- 터널은 MME의 제어하에 설정된다.
- 장치가 다른 기지국으로 이동했을 때에 기지국에서 종료하는 터널 종단점만 변경되며, 다른 터널 종단점 및 터널과 관련된 서비스 품질은 변경되지 않는다.
이동 장치가 셀들 사이를 이동함에 따라, 기지국들은 이동장치의 위치에서 MME를 갱신할 것이다.
하지만 이동 장치가 수면 모드에 있지만 그럼에도 불구하고 셀 사이를 이동하는 경우, 기지국은 더 이상 해당 장치의 위치를 추적할 수 없다.
이 경우 페이징이라고 하는 프로세스를 통해 깨어난 장치를 찾는 것은 MME의 책임이다.
통신 사업자 코어 네트워크를 통한 회선 교환 음성 서비스를 지원
통신 사업자 코어 네트워크를 통해 회선 교환 음성 서비스와 패킷 교환 데이터 서비스를 별도로 지원
4G LTE는 all-IP 네트워크 구조이다.
따라서 LTE 프로토콜 스택의 상위 계층은 IP, TCP, UDP, 그리고 다양한 애플리케이션 계층 프로토콜들로 구성된다.
아래 그림은 LTE 이동 노드, 기지국, 서빙 게이트웨이에서의 사용자 평면 프로토콜 스택을 보여준다.
여기서 볼 수 있듯, 사용자 평면 프로토콜 활동의 대부분은 이동 장치와 기지국 사이의 무선 링크에서 발생한다.
LTE는 이동 장치의 링크 계층을 3개의 부계층으로 나눈다.
1️⃣ 패킷 데이터 융합(Packet Data Convergence)
- PDCP(Packet Data Convergence Protocol)는 무선 링크를 통해 전송되는 비트 수를 줄이기 위해 IP 헤더 압축을 수행한다.
- LTE 이동 장치가 네트워크에 처음 연결될 때
이동 장치와 이동성 관리 개체(MME) 사이의 시그널링 메시지 교환을 통해 설정된 키를 사용한 암호화/복호화 기능을 수행한다.
2️⃣ 무선 링크 제어(Radio Link Control, RLC)
- 링크 계층 프레임에 적용하기에는 너무 큰 IP 데이터그램의 송신 시 단편화 및 수신시 재조립을 수행한다.
- ACK/NAK 기반 ARQ 프로토콜의 사용을 통한 링크 계층에서의 신뢰성 있는 데이터 전송을 수행한다.
3️⃣ 매체 접속 제어(Medium Access Control, MAC)
- 전송 스케줄링을 수행한다. 이는 무선 전송 슬롯의 요청 및 사용 제어를 의미한다.
- MAC 부계층은 추가적인 오류 감지/정정 기능을 수행하는데, 여기에는 중복 비트 사용을 통한 순방향 오류 정정 기능이 포함된다.
위의 그림은 또한 사용자 데이터 경로에서 터널의 사용을 보여준다.
- 터널은 MME 제어하에 이동 장치가 처음으로 네트워크에 연결될 때 설정된다.
- 두 종단점 사이의 각 터널에는 고유한 터널 종단점 식별자(tunnel endpoint identifier, TEID)가 있다.
- (1) 기지국은 이동 장치에서 데이터그램을 수신하면 TEID를 포함한 GPRS 터널링 프로토콜을 사용하여 데이터그램을 캡슐화하고
(2) UDP 세그먼트로 터널의 다른 쪽 끝에 있는 서빙 게이트웨이로 보낸다. - (1) 수신 측에서 기지국은 터널링된 UDP 데이터그램을 캡슐 해제하고
(2) 이동 장치로 향하는 IP 데이터그램을 추출하여
(3) 무선 홉을 통해 해당 IP 데이터그램을 이동 장치로 전달한다.
LTE는 다운스트림 채널에서 주파수 분할 다중화와 시분할 다중화를 조합한 기술을 사용하는데,
이 기술은 직교 주파수 분할 다중화(frequency division multiplexing, OFDM)로 알려져 있다.
LTE에서 활성화된 각 이동 장치에는 하나 이상의 채널 주파수에서 / 하나 이상의 0.5 ms 시간 슬롯이 할당된다.
아래 그림은 4개의 주파수에서 8개의 시간 슬롯을 할당한 것을 보여준다.
- 각 주파수마다 10 ms 프레임 안에 구조화된 20개의 0.5 ms 슬롯
- 음영 표시 : 20 개의 슬롯 중 8개 슬롯의 할당된 모습
- 동일한 주파수에 있든 다른 주파수에 있든, 점점 더 많은 시간 슬롯을 할당함으로써 이동 장치는 점점 더 높은 전송 속도를 달성할 수 있다.
- 이동 장치 간의 슬롯 (재)할당은 밀리초마다 한 번씩 수행될 수 있다.
- 다른 변조 방식을 사용하면 전송률을 변경할 수도 있다.
이동 장치에 대한 특정 타임 슬롯의 할당은 LTE 표준에 의해 의무화되어 있지 않으나,
어떤 이동 장치가 주어진 주파수에서 주어진 시간 슬롯에 전송하도록 허용될 것인지에 대한 결정은 LTE 장비 공급자 또는 네트워크 운영자가 제공하는 스케줄링 알고리즘에 의해 결정된다.
이동 장치가 셀룰러 사업자의 네트워크의 접속하는 절차는 세 단계로 나뉜다.
1️⃣ 기지국과의 접속
- 이동 장치는 초기에 모든 주파수 대역의 모든 채널에서 기지국에 의해 5 ms마다 주기적으로 보로드캐스트되는 기본 동기화 신호를 검색한다.
- 기본 동기화 신호가 발견되면 이동 장치는 해당 주파수를 유지하고 보조 동기화 신호를 찾는다.
- 보조 동기화 신호에서 찾은 정보와 몇 가지 추가 단계를 거쳐서
이동 장치는 채널 대역폭, 채널 구성 및 해당 기지국의 셀룰러 사업자 정보화 같은 추가 정보를 찾을 수 있다.
- 보조 동기화 신호에서 찾은 정보와 몇 가지 추가 단계를 거쳐서
- 위 과정에서 찾은 정보로 무장한 이동 장치는 연결한 기지국을 선택하고, 해당 기지국과의 무선 홉을 통해 제어 평면의 신호 연결을 설정할 수 있다.
2️⃣ 상호 인증
- 기지국이 MME(Mobility Management Entity)에 접속하여 상호 인증을 수행한다. (이는 8.8.2절에서 자세히 살펴봄)
- 상호 인증을 통해 네트워크는 접속하려는 장치가 실제로 주어진 IMSI와 연관된 장치이며,
이동 장치는 접속 시도 중인 네트워크가 합법적인 셀룰러 사업자 네트워크임을 알 수 있다. - 상호 인증 단계가 완료되면 MME와 이동 장치가 서로 상호 인증되고, MME도 이동 장치가 연결된 기지국의 ID를 알게 된다.
3️⃣ 매체 이동 장치와 PDN 게이트웨이 간 경로 구성
- MME는 PDN 게이트웨이(이동 장치에 대한 NAT 주소도 제공함), 서빙 게이트웨이, 기지국에 연결하여 아래 그림에 포시된 2개의 터널을 설정한다.
- 이 단계가 완료되면 이동 장치는 기지국과 연결된 이 터널을 통해 인터넷과 IP 데이터그램을 송수신할 수 있다.
무선 장치는 전력 소모를 최소화하기 위해 (= 데이터 송수신 및 채널 감지를 위해 이동 장치의 회로가 켜져 있어야 하는 시간을 최소화하고자)
송수신하지 않을 때는 수면 상태로 들어갈 수 있다.
4G LTE에서 잠자고 있는 이동 장치는 두 가지 수면 상태 중 하나에 있을 수 있다.
- 불연속 수신 상태(discontinuous reception state)
- 유휴 상태(idle state)
- ‘약한 수면’
- 일반적으로 수백 밀리초의 비활성 기간 이후에 시작되는 단계이다.
- 이동 장치와 기지국은 이동 장치가 깨어나기 위한 주기적인 시간을 미리 예약한 후,
주기적으로 기지국에서 이동 장치로의 다운스트림 전송을 위해 채널을 능동적으로 모니터링한다.- 그러나 이 예정된 스케줄링 시간과는 별개로 이동 장치의 무선 부분은 수면 상태일 수 있다.
- ‘깊은 수면’
- 이 상태의 잠은 너무 깊어, 이동 장치가 수면 상태인 동안 통신 사업자 네트워크의 새로운 셀로 이동하는 경우 이전에 결합되었던 기지국에 알릴 필요가 없다.
- 따라서 이 깊은 잠에서 깨어날 때 이동 장치는
MME가 이동 장치가 과거에 마지막으로 결합했던 기지국 근처의 다른 기지국들로 브로드캐스트하는 페이징 메시지를 확인하기 위해 (잠재적으로 새로운) 기지국과의 결합을 재설정해야 한다.- 이러한 제어 평면 페이징 메시지는 기지국에 의해 해당 셀 내의 모든 이동 장치로 브로드캐스트된다.
- 이는 어떤 이동 장치가 패킷을 수신하기 위해 완전히 깨어나야 하고 기지국에 대한 새로운 데이터 평면 연결을 재성정해야 하는지를 나타낸다.
‘네트워크들의 네트워크’인 글로벌 셀룰러 네트워크는 어떻게 구성될까?
아래 그림은 사용자의 스마트폰이 4G 기지국을 통해 홈 네트워크(home network)에 연결되는 모습을 보여준다.
- 사용자 홈 네트워크는 홈 네트워크에 있는 하나 이상의 게이트웨이 라우터를 통해 다른 셀룰러 통신 사업자들의 네트워크와 글로벌 인터넷으로 연결된다.
- 모바일 네트워크 자체는 공용 인터넷 또는 IPX(Internet Protocol Packet eXchange) 네트워크를 통해 상호연결된다.
- IPX는 특히 ISP 간 네트워크를 연결하고 데이터를 교환하는 피어링을 위한 인터넷 교환 지점과 유사하게
셀룰러 통신 사업자를 상호연결하기 위한 관리 네트워크다.
- IPX는 특히 ISP 간 네트워크를 연결하고 데이터를 교환하는 피어링을 위한 인터넷 교환 지점과 유사하게
궁극적인 광역 데이터 서비스는 모든 지역에서 지원되며 유비쿼터스, 기가비트 연결 속도, 초저지연, 사용자 및 장치 수에 대한 제한 없는 서비스가 될 것이다.
- 5G는 4G에 비해 대략 10배의 최대 비트 전송률, 10배 빠른 지연 시간, 그리고 100배 이상의 트래픽 용량을 제공할 것으로 예측된다.
- 사용 주파수
- FR1(450 MHz~6 GHz)
- FR2(24 GHz~52 GHz) : 밀리미터파 주파수(millimeter wave frequency)
- 장점 : 훨씬 빠른 데이터 속도를 허용한다.
- 단점
- 기지국에서 수진기까지의 도달 범위가 훨씬 짧기에 농촌 지역에 부적합하며, 도시 지역에는 더 밀집된 기지국 배치를 필요로 한다.
- 대기 간섭에 매우 취약하다.
- 5G의 물리 계층(즉, 무선) 측면은 LTE와 같은 4G 이동 통신 시스템과 역방향 호환이 되지 않는다.
- 기지국 업그레이드나 소프트웨어 업그레이드를 통해 기존 스마트폰을 지원할 수가 없어,
5G로의 전환을 위해 이동 통신 사업자는 물리적 인프라에 상당한 투자를 해야 한다.
- 기지국 업그레이드나 소프트웨어 업그레이드를 통해 기존 스마트폰을 지원할 수가 없어,
- 증가된 대역폭과 적당한 지연 시간 감소를 제공한다. (4G LTE와 비교할 때 더 높은 다운로드 및 업로드 속도를 위함)
- 지연 시간에 매우 민감한 애플리케이션을 대상으로 한다. (e.g., 공장 자동화 및 자율 주행)
- 1 ms의 지연 시간을 목표로 한다.
- 감지, 측정 및 모니터링 애플리케이션을 위한 협대역 접속 유형이다.
- IoT 장치의 네트워크 연결 장벽을 낮추기 위해 전력 요구사항을 줄이는 데 중점을 두고 있다.
24 GHz~52 GHz 대역의 밀리미터파 주파수는 4G에 비해 데이터 용량이 100배 증가할 수 있는 잠재력을 제공한다.
데이터 용량(capacity)
= 셀 밀도(cell density, 셀/km^2 단위)
× 가용 스펙트럼(available spectrum, Hz 단위)
× 스펙트럼 효율(spectral efficiency, 각 기지국이 사용자와 얼마나 효율적으로 통신할 수 있는지, bps/Hz/셀 단위)
- 밀리미터 주파수는 4G LTE 주파수보다 범위가 훨씬 짧기에 더 많은 기지국이 필요하다. → 셀 밀도 증가
- 5G FR2는 4G LTE(최대 약 2 GHz)보다 훨씬 더 큰 주파수 대역(52 - 24 = 24 GHz)에서 작동하기 때문에 사용 가능한 스펙트럼이 더 많다.
- 스펙트럼 효율성을 두 배 늘리기 위해 17배의 전력 증가가 필요하지만, 5G는 그 대신 각 기지국에서 다중 안테나를 사용하는 MIMO 기술을 사용한다.
- 신호를 모든 방향으로 브로드캐스트하는 대신, 각 MIMO 안테나는 빔 형성을 통해 사용자에게 신호를 직접 전송한다.
- 이를 통해 동일한 주파수 대역에서 동시에 10~20명의 사용자에게 전송할 수 있다.
그러나 밀리미터파 신호는 건물과 나무에 의해 쉽게 차단되기 때문에
기지국과 사용자 간의 범위 간격을 메우기 위해서 스몰 셀 스테이션(small cell station)이 필요하다.
5G 모바일 음성, 데이터 및 인터넷 연결을 모두 관리하는 데이터 네트워크
- 인터넷 및 클라우드 기반 서비스와 더 잘 통합되도록 재설계되었다.
- 네트워크 전체에 분산 서버와 캐시를 포함하여 지연 시간을 줄였다.
- 새로운 5G 코어 사양은 모바일 네트워크가 다양한 성능으로 다양한 서비스를 지원하는 방식에 주요한 변화를 도입했다.
- 종단점 장비로부터의 데이터 트래픽을 중계
- 장치를 인증
- 장치의 이동성을 관리
- 모든 네트워크 요소(이동 장치, 셀, 기지국, MME, HSS, 서빙 게이트웨이, PDN 게이트웨이)를 포함한다.
5G 코어는 제어 평면과 사용자 평면의 완전한 분리를 위해 설계되었고, 이는 순전히 가상화된 소프트웨어 기반 네트워크 기능으로 구성된다.
따라서 사업자가 다양한 5G 애플리케이션의 다양한 요구사항을 충족할 수 있는 유연성을 제공한다.
제어와 사용자 평면 분리를 통해 패킷 처리를 네트워크 가장자리로 보내 분산시킬 수 있다.
5G 코어는 기본적으로 4G MME를 AMF와 SMF의 두 가지 기능 요소로 분리한다.
AMF는 최종 사용자 장치로부터 모든 연결 및 세션 정보를 수신하지만, 연결 및 이동성 관리 작업만 처리한다.
세션 관리는 SMF에 의해 처리된다.
제어와 분리된 데이터 평면과의 상호작용을 담당하며, IP 주소 관리를 담당하고 DHCP 역할을 수행한다.
2020년을 기준으로, 5G는 적용 초기 단계이며 많은 5G 표준들이 아직 확정되지 않았다.
5G가 궁극의 광역 무선 서비스를 향한 커다란 발걸음이 될지는 시간이 지나야 알 수 있을 것이다.
💡 이동 장치 = 시간에 따라 네트워크로의 접속점을 변경하는 노드
물리적인 이동 장치가 네트워크 접속점을 이동할 때 그 장치가 얼마나 활성화된 상태인가에 따라 다양한 문제들을 네트워크 계층에 제기한다.
이곳에는 네트워크 사이를 물리적으로 이동하지만 이때 이동 장치의 전원을 끄고 움직이는 이동 사용자가 위치한다.
전원이 켜져 있는 동안 하나의 네트워크에만 접속하며 이동하지 않고 머물기 때문에, 네트워킹 관점에서 이 장치는 이동 중인 것, 즉 모바일이 아니다.
이동 장치는 물리적으로 이동 가능하지만 동일한 접속 네트워크에 연결된 상태를 유지한다.
이러한 장치도 네트워크 계층 관점에서는 모바일이 아니다.
또한 장치가 동일한 802.11 AP 또는 LTE 기지국과 연결된 상태로 유지되는 경우, 해당 장치는 링크 계층 관점에서도 모바일이 아니다.
네트워크 관점에서 장치 이동성에 대한 관심은 여기서부터 시작한다.
- 이동 장치는 TCP와 같은 상위 레벨 연결을 유지하고, IP 데이터그램을 계속 보내고 받는 상태에서
- 접속 네트워크(802.11 WLAN 또는 LTE 셀)를 변경한다.
여기서 네트워크는 장치가 WLAN 또는 LTE 셀 간에 이동할 때 핸드오버(handover)를 제공해야 한다.
(하나의 AP/기지국에서 다른 AP/기지국으로 데이터그램을 책임지고 전달하는 것)
이동 장치가 여러 사업자 네트워크들 사이를 로밍하는 경우이다.
이때 사업자들은 핸드오버를 함께 협력해서 처리해야 하므로 핸드오버 절차가 상당히 복잡해진다.
모든 셀룰러 사용자는 자신이 가입한 통신 사업자라는 '집'이 있으며,
HSS(Home Subscriber Service)가 아래와 같은 가입자들에 대한 다양한 정보들을 저장하고 있음을 앞서 배웠다.
- 가입자가 접속할 수 있는 서비스에 대한 정보
- 통신에 사용되는 암호화 키
- 요금 청구 및 과금 정보
이동 장치가 홈 네트워크(home network)가 아닌 다른 셀룰러 네트워크와 연결되면,
그 장치는 방문 네트워크(visited network)에서 로밍(roaming) 중이라고 한다.
이때 홈 네트워크와 방문 네트워크 간의 조정 작업이 필요하다.
이동 장치가 홈 네트워크를 갖는다는 개념은 중요한 장점 두 가지를 제공한다.
- 홈 네트워크는 해당 장치에 대한 정보를 제공할 수 있는 단일한 위치를 제공한다.
- 로밍 중인 이동 장치와의 통신을 위한 조정 지점의 역할을 수행할 수 있다.
이동 네트워크 구조의 요소는 다음과 같다.
이를 통해 인터넷에 연결된 한 호스트가 직면한 난제를 살펴보자.
(장치 이동성을 지원하기 위한 근본적인 문제와 기본적인 해결방안들은 셀룰러 네트워크와 인터넷 모두에 동일하게 적용할 수 있음)
호스트는 통신자(correspondent)라고 불리며,
홈 네트워크에 있거나 방문 네트워크에 로밍 중인 어떤 이동 장치와 통신하기를 원한다.
모든 이동 장치에는 고유한 식별자가 있다고 가정한다.
- 4G LTE 셀룰러 네트워크에서 이 식별자는 IMSI(International Mobile Subscriber Identity)와 관련 전화번호가 될 것이고,
이 정보는 SIM 카드에 저장된다. - 인터넷 사용자의 경우 이 식별자는 이동 IP 구조와 마찬가지로 홈 네트워크의 주소 범위에 있는 영구적인 IP 주소가 될 것이다.
통신자가 보낸 데이터그램이 해당 이동 장치에 도달할 수 있도록 하기 위해서 네트워크 구조에서는 세 가지의 기본적인 접근 방법이 있다.
이 중 후자의 두 가지 방법은 실제로 채택되어 사용되고 있다.
- 기존 IP 주소 인프라 활용
- 이동 장치로의 간접 라우팅
- 이동 장치로의 직접 라우팅
방문 네트워크에 있는 이동 장치로 라우팅하는 가장 간단한 방법은 기존의 IP 주소체계를 사용하는 것이다.
- 방문 네트워크는 이동 장치의 영구적인 32비트 IP 주소를 광고하여
데이터그램을 해당 이동 장치로 전달하는 데 사용할 경로가 있음을 다른 네트워크들에게 알린다.- ISP는 BGP를 통해 도달 가능한 네트워크의 CIDR화된 주소 범위를 열거하여 목적지 네트워크에 대한 경로를 광고한다.
- 이때 방문 네트워크는 매우 구체적인 주소를 광고함으로써 특정 이동 장치가 자신의 네트워크에 존재한다는 사실을 다른 모든 네트워크에게 알릴 수 있다.
- 인접 네트워크들은 라우팅 정보 및 포워딩 테이블을 갱신하는 일반적인 BGP 절차를 사용해 네트워크 전체에 이 정보를 전파한다.
네트워크 계층 인프라를 전혀 변경할 필요가 없다.
다른 네트워크들은 이동 장치의 위치를 알고 있으며,
포워딩 테이블들이 데이터그램을 방문 네트워크로 안내하기 때문에 데이터그램을 그 이동 장치로 쉽게 라우팅할 수 있다.
확장성
네트워크 라우터는 잠재적으로 수십억 개의 이동 장치에 대한 포워딩 테이블 항목을 유지 관리해야 하고,
다른 네트워크로 로밍할 때마다 장치 관련 항목을 갱신해야 한다.
좀 더 실용적이며 실제로 채택되고 있는 접근 방법은
이동 장치의 홈 네트워크를 통하여 이동성 관리 기능을 네트워크 코어에서 네트워크 가장자리로 밀어내어 옮기는 것이다.
이동 장치의 홈 네트워크에 있는 이동성 관리 개체인 MME는 이동 장치가 위치한 방문 네트워크를 추적할 수 있다.
(이 정보는 HSS의 데이터베이스에 있을 수 있음)
이동 장치가 위치한 네트워크를 갱신하기 위해서는 방문 네트워크와 홈 네트워크 사이에서 동작하는 프로토콜이 필요하다.
이동 장치는 방문 네트워크의 IP 주소가 필요하다.
여기에는
(1) 이동 장치의 홈 네트워크와 연결된 영구적인 IP 주소,
(2) 방문 네트워크의 주소 범위에서 새로운 주소의 할당
(3) NAT를 통한 IP 주소의 제공 등이 포함된다.
- (2), (3)의 경우, 이동 장치는 홈 네트워크의 HSS에 저장된 영구적인 식별자 외에 임시 식별자(새로 할당된 IP 주소)를 갖게 된다.
- NAT 주소를 사용하는 경우,
이동 장치로 향하는 데이터그램은 방문 네트워크의 NAT 게이트웨이 라우터에 도달하게 되면 NAT 주소 변환을 거쳐 해당 이동 장치로 전달된다.
그렇다면 데이터그램은 어떻게 주소를 찾아서 이동 장치로 전달될 수 있을까?
네트워크의 모든 라우터가 아닌 홈 네트워크의 HSS만이 이동 장치의 위치를 알고 있기 때문에,
단순히 목적지 이동 장치의 영구 주소를 데이터그램의 목적지로 지정하는 것은 안 된다.
이것에 대한 해결책으로는 직접 라우팅과 간접 라우팅이 있다.
간접 라우팅(indirect routing) 방식에서 통신자는 이동 노드가 홈 네트워크에 있는지 또는 방문 네트워크에 있는지 모르는 상태로
데이터그램의 목적지 주소를 단순히 이동 노드의 영구적인 주소로 설정한 후 네트워크로 전송한다.
즉, 송신하는 통신자는 이동 장치의 현재 이동 상태를 몰라도 되며, 이는 통신자에게 이동성에 대한 완전한 투명성을 제공한다.
- 데이터그램은 이동 장치의 홈 네트워크로 전달된다.
- (1) 홈 네트워크 게이트웨이는 데이터그램을 가로채서 HSS와 상의하여 이동 장치가 있는 방문 네트워크를 결정한 후
(2) 해당 데이터그램을 방문 네트워크의 게이트웨이 라우터로 전달한다.- HSS : 방문 네트워크와 상호작용하여 이동 장치의 위치를 추적하고 홈 네트워크의 게이트웨이 라우터를 관리한다.
- 게이트웨이 라우터 : 해당 네트워크에 집이 있지만 현재 방문 네트워크에 위치해있는 장치를 목적지 주소로 하는 데이터그램이 도착하는지 확인한다.
- 방문 네트워크의 게이트웨이 라우터는 데이터그램을 이동 장치로 전달한다.
- NAT 변환이 사용된다면 방문 네트워크 게이트웨이 라우터가 NAT 변환을 수행한다.
아래의 두 가지 목표는 홈 네트워크 게이트웨이가 통신자의 원래 데이터그램을 캡슐화하여 더 큰 데이터그램에 넣게 함으로써 충족될 수 있다.
- 홈 네트워크 게이트웨이는 도착한 데이터그램을 방문 네트워크 게이트웨이 라우터에게 전달해야 한다.
- 데이터그램을 수신하는 애플리케이션 입장에서는 데이터그램이 홈 네트워크를 통해 전달되었다는 사실을 인식하지 않는 것이 좋기에
통신자의 데이터그램을 원래 그대로 두는 것이 바람직하다.
더 큰 데이터그램은 주소가 지정된 방문 네트워크의 게이트웨이 라우터에 전달되고,
이후 캡슐화를 해제하여 더 큰 데이터그램 내에서 원래의 데이터그램을 복원하여 이동 장치로 전달된다. (이는 위 3단계에서 진행됨)
이동 장치가 통신자에게 데이터그램을 보내는 것을 고려해보자.
그림의 맥락에서 이동 장치는 NAT 변환을 수행하기 위해 방문 게이트웨이 라우터를 통해 데이터그램을 전달해야 하는데,
방문 게이트웨이 라우터는 어떻게 데이터그램을 통신자에게 전달할까?
여기에는 아래처럼 두 가지 옵션(4a, 4b)가 있다.
- 4a : 데이터그램을 홈 게이트웨이 라우터로 다시 터널링하여 거기에서 다시 통신자에게 전달할 수 있다.
- 4b : 데이터그램은 방문 네트워크에서 통신자로 직접 전달될 수 있다. (로컬 브레이크 아웃(local breakout))
✅ 이동 장치에서 방문 네트워크로의 프로토콜
이동 장치는 방문 네트워크와 결합해야 하며, 마찬가지로 방문 네트워크를 떠날 때 결합을 해제해야 한다.
✅ 방문 네트워크에서 홈 네트워크로의 HSS 등록 프로토콜
방문 네트워크는 홈 네트워크의 HSS에 이동 장치의 위치를 등록해야 하며,
HSS에서 얻은 정보를 장치 인증을 수행하는 데 사용해야 한다.
✅ 홈 네트워크 게이트웨이와 방문 네트워크 게이트웨이 라우터 사이의 데이터그램 터널링 프로토콜
송신 측은 통신자의 원래 데이터그램을 새로운 데이터그램 내에 캡슐화한 후 목적지로 전달한다.
수신 측에서는 게이트웨이 라우터에서 캡슐화 해제 및 NAT 변환을 거쳐 원래 데이터그램을 이동 장치로 전달하는 작업을 수행한다.
간접 라우팅 방식은
이동 장치를 목적지로 하는 데이터그램은 통신자와 로밍 중인 이동 장치 사이에 훨씬 더 효율적인 경로가 있는 경우에도
일단 먼저 홈 네트워크로 전달된 다음 방문 네트워크로 전달되어야 하기 때문에 비효율성을 가지고 있다.
직접 라우팅(direct routing) 방식은 간접 라우팅 방식의 삼각 라우팅 문제를 해결할 수 있으나, 추가적인 복잡도가 발생한다.
- 1, 2단계 : 통신자는 먼저 이동 장치가 위치해 있는 방문 네트워크를 발견한다.
- 이는 이동 장치의 홈 네트워크 HSS에 질의함으로써 수행되고,
이동 장치의 방문 네트워크가 HSS에 등록되어 있는 것으로 가정한다.
- 이는 이동 장치의 홈 네트워크 HSS에 질의함으로써 수행되고,
- 3단계 : 통신자는 데이터그램을 이동 장치의 방문 네트워크로 직접 터널링해서 전달한다.
- 통신자가 HSS에게 이동 장치의 방문 네트워크를 질의하기 위해서(1, 2단계), 이동 사용자 위치 파악 프로토콜이 필요하다.
- 이동 장치가 이동할 때마다 통신자를 미리 갱신해주려면 추가적인 프로토콜 매커니즘이 필요하다.
- 간접 라우팅에서는 홈 네트워크 HSS를 갱신하고, 터널의 종단점을 새로운 방문 네트워크의 게이트웨이 라우터로 변경함으로써 문제를 쉽게 해결한다.
- 직접 라우팅에서 통신자는 세션이 시작될 때 HSS에게 단 한 차례만 문의하며 이후에 변화된 정보를 알기 어렵기에 문제의 해결이 쉽지 않다.
- 이동 장치가 한 방문 네트워크에서 다른 방문 네트워크로 이동하면
통신자는 데이터그램을 새로운 방문 네트워크로 전달해야 한다는 것을 어떻게 알 수 있을까?
오늘날의 4G/5G 네트워크에서의 이동성을 지원하기 위해 어떤 요소들이 어떻게 상호 협력하면서 동작하는지 알아보자.
차량에 탑승한 이동 사용자가 스마트폰으로 4G/5G 방문 네트워크에 접속하여 원격 서버로부터 HD 비디오 스트리밍을 시작한 후,
하나의 4G/5G 기지국 셀 영역으로부터 다른 셀 영역으로 이동하는 시나리오를 생각해보자.
- 이동 장치와 기지국 결합
- 이동 장치는 방문 네트워크의 기지국과 결합한다.
- 이동 장치에 대한 네트워크 요소의 제어 평면 구성
- 방문 네트워크 및 홈 네트워크는 이동 장치가 방문 네트워크에 존재함을 나타내는 제어 평면 상태를 설정한다.
- 이동 장치에 대한 포워딩 터널의 데이터 평면 구성
- 방문 네트워크와 홈 네트워크는 홈 네트워크의 PDN 게이트웨이를 통한 간접 라우팅을 사용하여,
이동 장치와 스트리밍 서버가 IP 데이터그램을 송수신할 수 있는 터널을 설정한다.
- 방문 네트워크와 홈 네트워크는 홈 네트워크의 PDN 게이트웨이를 통한 간접 라우팅을 사용하여,
- 한 기지국에서 다른 기지국으로의 이동 장치 핸드오버
- 이동 장치는 한 기지국에서 다른 기지국으로 핸드오버를 통한 방문 네트워크 결합 지점을 변경한다.
- 이동 장치는 점차 이러한 기지국에 대한 더 많은 정보를 획득한다.
- 이동 장치는 해당 지역의 기지국에서 전송되는 기본 신호에 대해 모든 주파수 영역에서 수신한다.
- 이동 장치는 궁극적으로 결합할 기지국을 선택하고, 해당 기지국과 제어 신호 채널을 초기 설정한다.
- 결합의 일부로서 이동장치는 홈 네트워크 및 다른 가입자 정보, IMSI(고유 식별자)를 기지국에 제공한다.
이동 장치와 기지국 간 신호 채널이 설정되면 기지국은 방문 네트워크의 MME와 접촉할 수 있다.
MME는 이동 노드를 대신하여 상태를 설정하기 위해 홈 네트워크 및 방문 네트워크 모두에서 여러 가지 4G/5G 요소들을 참고하고 구성한다.
- MME는 IMSI 및 이동 장치에서 제공한 다른 정보를 사용하여 해당 가입자에 대한 인증, 암호화, 가용한 네트워크 서비스 정보를 검색한다.
- 해당 정보는 MME의 로컬 캐시에 있거나, 이동 장치가 최근에 접속한 다른 MME에서 검색되거나, 이동 장치의 홈 네트워크에 있는 HSS에서 검색될 수 있다.
- MME는 이동 장치가 현재 방문 네트워크에 존재함을 홈 네트워크에 있는 HSS에 알리고, HSS는 데이터베이스를 갱신한다.
- 기지국과 이동 장치는 둘 사이에 설정될 데이터 평면 채널에 대한 매개변수를 선택한다. (제어 평면 시그널링 채널이 이미 작동 중임)
MME는 아래 그림과 같은 이동 장치에 대한 데이터 평면을 구성한다.
2개의 터널
- 기지국과 방문 네트워크의 서빙 게이트웨이 사이
- 해당 서빙 게이트웨이와 이동 장치의 홈 네트워크에 있는 PDN 게이트웨이 라우터 사이
→ 4G LTE는 이런 형태의 대칭 간접 라우터를 구현한다.
이동 장치에서 들어오고 나가는 모든 트래픽은 장치의 홈 네트워크를 통해 터널링된다.
4G/5G 터널은 GPRS 터널링 프로토콜(GPRS Tunneling Protocol, GTP)를 사용한다.
GTP 헤더의 TEID(Tunnel Endpoint ID)는 데이터그램이 속한 터널을 나타내므로, 터널 종단점 간에 GTP에 의해 여러 개의 흐름이 다중화 및 역다중화될 수 있다.
핸드오버(handover)는 이동 장치가 한 기지국에서 다른 기지국으로 결합을 변경할 때 발생한다.
- 이동 장치가 송수신하는 데이터그램은 초기에(핸드오버 전에) 연결된 현 기지국(출발지 기지국)을 통해 이동장치로 전달된다.
- 핸드오버 이후에는 또 다른 기지국(목적지 기지국)을 통해 이동 장치로 라우팅된다.
기지국 간의 핸드오버는 이동 장치가 새로운 기지국과 송수신하게 될 뿐만 아니라
기지국 축면에서 서빙 게이트웨이-기지국 간 터널의 변경을 초래한다.
이동 장치는 주기적으로 현재 기지국의 비컨 신호와 들을 수 있는 주변 기지국의 신호 특성을 측정한다.
측정 결과는 이동 장치의 현 기지국(출발지 기지국)에 초당 한 번 또는 두 번 보고되는데,
측정 결과와 주변 셀의 이동 통신 부하 및 기타 요인에 기초하여 현재 기지국은 핸드오버를 시작하도록 요구할 수 있다.
아래 그림은 이동 장치의 출발지 기지국에서 목적지 기지국으로의 핸드오버 절차를 나타낸다.
- 현 기지국(출발지 기지국)은 목적지 기지국을 선택하고, 목적지 기지국으로 핸드오버 요청 메시지를 보낸다.
- (1) 목적지 기지국은 해당 이동 장치와 그 서비스 품질 요구사항을 지원하기 위한 충분한 자원이 있는지 확인한다.(3) 목적지 기지국은 출발 기지국에게 핸드오버 요청 승인 메시지로 응답하는데, 여기에는 이동 장치가 새로운 기지국과 결합하는 데 필요한 모든 정보가 포함되어 있다.
- (2) 존재한다면 해당 이동 장치를 위한 무선 접속 네트워크의 채널 자원(e.g., 시간 슬롯) 및 기타 자원을 미리 할당한다.
- 출발지 기지국은 핸드오버 요청 승인 메시지를 수신하고, 목적지 기지국의 ID 및 채널 접속 정보를 이동 장치에게 알려준다.
- 이 시점에서 이동 장치는 새로운 목적지 기지국과 데이터그램을 송수신하기 시작할 수 있다. (즉, 이동 장치의 입장에서는 핸드오버가 완료된 것)
- 네트워크 입장에서는 해야 할 일이 좀 더 남아 있다.
- (1) 출발지 기지국은 데이터그램을 이동 장치로 전송하는 것을 중지하고, 대신 수신한 터널링된 데이터그램을 목적지 기지국으로 전달한다.
- (2) 목적지 기지국은 이들 데이터그램을 나중에 이동 장치로 전달한다.
- (1) 목적지 기지국은 MME에게 자신이 이동 장치를 서비스하는 새로운 기지국이 될 것임을 알린다.
- (2) MME는 다시 서빙 게이트웨이와 목적지 기지국에 차례로 신호를 보내
이전 기지국(출발지 기지국)이 아닌 새로운 기지국(목적지 기지국)에서 종료하도록 서빙 게이트웨이-기지국 터널 종단점을 재설정한다. - 목적지 기지국은 터널이 재구성되었음을 이전 기지국(출발지 기지국)으로 다시 확인해주어,
이전 기지국이 해당 이동 장치와 관련된 자원을 해제할 수 있게 한다. - 이 시점에서 목적지 기지국도 이동 장치에 데이터그램 전달을 시작할 수 있다.
(핸드오버 기간에 출발지 기지국에서 목적지 기지국으로 전달된 데이터그램을 포함함) - 또한 이동 장치로부터 외부로 나가는 데이터그램을 수신하여 이를 터널을 통해 서빙 게이트웨이로 보낼 수 있다.
오늘날의 4G LTE 네트워크의 로밍 구성은 미래의 5G 네트워크에서도 사용될 전망이지만,
5G 네트워크는 훨씬 더 작은 셀 크기로 조밀해질 것이다.
따라서 많은 실시간 5G 애플리케이션에서 작은 핸드오버 시간이 매우 중요해질 것이다.
셀룰러 네트워크 제어 평면을 SDN 프레임워크(5장)로 변경한다면 고용량, 저지연의 5G 네트워크 제어 평면을 구현할 수 있을 것으로 믿어진다.
오늘날의 인터넷에는 4G/5G 셀룰러 네트워크에서 접했던 것 같은 ‘이동 중인’ 사용자를 위한 서비스 유형을 제공하는 널리 사용되는 인프라는 없다.
그러나 이동 IP 구조 및 프로토콜은 20년 이상 인터넷 RFC로서 표준화되어 왔으며, 새롭고 더 안전하며 일반화된 이동성 지원에 대한 연구가 계속되고 있다.
✅ 에이전트 발견
이동 IP는 외부 에이전트가 네트워크에 결합하려는 이동 장치에게 이동성 지원 서비스를 광고하는 데 사용하는 프로토콜을 정의한다.
이러한 서비스에는 이동 장치가 외부 네트워크에서 사용하기 위한 COA(care-of-address) 제공,
이동 장치의 홈 네트워크에 있는 홈 에이전트에 이동 장치 등록, 이동 장치로의 데이터그램 송수신 등과 기타 서비스가 포함된다.
✅ 홈 에이전트와의 등록
이동 IP는 이동 장치의 홈 에이전트에 COA를 등록 및 취소하기 위해 이동 장치 및 외부 에이전트에서 사용하는 프로토콜을 정의한다.
✅ 데이터그램의 간접 라우팅
이동 IP는 데이터그램이 홈 에이전트에 의해 이동 장치로 전달되는 방식을 정의한다.
여기에는 데이터그램을 전달하고 오류를 처리하기 위한 규칙과 여러 형태의 터널링이 포함된다.
이 장에서는 링크 계층(페이딩이나 다중 경로, 숨은 터미널 등과 같은 무선 채널의 특성)과
네트워크 계층(네트워크 접속점이 동적으로 바뀌는 이동 사용자의 존재)에서 무선 네트워크와 유선 네트워크 간에 상당한 차이가 있음을 알았다.
그렇다면 트랜스포트 계층과 애플리케이션 계층에도 차이가 있을까?
어떤 면에서는 무선 링크가 존재하는 네트워크에서 TCP와 UDP가 사용될 수 있다는 생각이 맞을 수도 있다.
그러나 특히 TCP 트랜스포트 프로토콜은 유선 네트워크와 무선 네트워크에서 전혀 다른 성능을 보이는 경우가 많으며, 성능 면에서 그 차이가 뚜렷하다.
TCP는 송신자와 수신자 간의 경로에서 손실되거나 오류가 생긴 세그먼트를 재전송한다.
이동 사용자의 경우 아래의 상황 때문에 손실을 겪을 수 있다.
- 네트워크 혼잡 (라우터의 버퍼 오버플로)
- 핸드오프 (이동 노드의 새 네트워크 접속점으로 세그먼트를 재라우팅해주기 위한 지연 때문)
어떤 경우든지 간에 TCP의 수신자에서 송신자로 전송되는 ACK는 세그먼트가 성공적으로 수신되었는지 여부만을 알리며,
세그먼트가 손실된 경우에는 그것이 어떤 이유 때문인지 송신자는 알지 못한다.
어떤 이유든 송신자는 해당 세그먼트를 재전송한다.
TCP의 혼잡 제어 메커니즘도 이유와는 관계없이, 무조건 혼잡 윈도를 감소시키는 것으로 반응한다.
하지만 무선 네트워크에서는 비트 오류가 훨씬 많이 발생하는데,
비트 오류나 핸드오프로 인해 손실이 생겼을 경우 TCP 송신자는 혼잡 윈도를 감소(즉, 송신율 감소)시킬 필요가 없다.
실제로는 패킷이 혼잡을 겪지 않고 종단 간의 경로를 따라 여유 있는 라우터 버퍼를 이용해 제대로 전달되고 있을 수도 있다.
따라서 1990년대 초중반에 연구자들은 무선 링크의 높은 비트 오류율과 핸드오프로 인해
무선 환경에서는 혼잡 제어와 관련된 TCP의 무조건적인 반응이 문제가 될 수 있음을 알게되었다.
이 문제를 해결하기 위해 다음 세 가지 접근 방법을 사용할 수 있다.
✅ 지역 복구(local recovery)
비트 오류가 발생했을 때 오류 발생 지점(e.g., 무선 링크)에서 복구해주는 것이다.
이런 방법으로는 802.11 ARQ 프로토콜 또는 ARQ와 FEC를 모두 사용하는 방법이 있다.
하지만 이 방식에서 TCP 송신자는 세그먼트가 무선 링크를 거쳐서 전달되고 있음을 전혀 알지 못한다는 문제점이 있다.
✅ TCP 송신자의 무선 링크 인지
지역 복구에서의 문제점을 해결하기 위한 한 가지 대안으로서 TCP 송신자와 수신자가 무선 링크를 인지하게 해서
유선 네트워크에서의 혼잡으로 인한 손실과 무선 링크에서의 오류나 핸드오프로 인한 손실을 구분하게 하는 방법이 있다.
즉, 유선 네트워크에서의 혼잡으로 인한 손실에 대해서만 혼잡 제어를 하는 것이다.
✅ 연결 분리 방법(split-connection approach)
무선 사용자의 종단 간 연결을 2개의 트랜스포트 계층 연결(하나는 무선 사용자와 AP 간에, 다른 하나는 AP와 목적지 종단점 간에 설정)로 분리한다.
따라서 종단 간 연결은 무선 부분과 유선 부분으로 분리된다.
무선 구간의 트랜스포트 프로토콜은 표준 TCP 연결 또는 UDP 위에서 동작하도록 고안된 복구용 프로토콜일 수 있다.
이 방법은 셀룰러 네트워크에서 널리 사용되고 있고, 이 방법을 통해 많은 성능 향상이 있었다.
무선 스펙트럼의 공유 특성으로 인해
무선 링크(특히 셀룰러 무선 링크)를 통해 동작하는 응용에게 대역폭은 매우 부족한 자원이다.
비록 무선 링크 환경이 애플리케이션 계층의 개발에 해결해야 할 어려운 문제를 주기는 하지만,
무선 링크가 제공하는 이동성 덕분에 다양한 종류의 위치 인식 또는 문맥 인식 애플리케이션이 가능해졌다.
또한 무선 이동 네트워크는 향후 유비쿼터스 컴퓨팅 환경 실현에서 아주 핵심적인 역할을 하게 될 것이다.
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