HMIPv6 & FMIPv6

Mobile IP와 관련된 표준이 몇 가지 된다.

크게 Local IP Mobility와 Global IP Mobility로 나누어서 자료를 살펴보면 큰 흐름을 파악하기에 도움이 된다. 

일반적으로 MIPv4, MIPV6 또는 DSMIPv6와 같은 것들은 모두 Global IP Mobility 제공을 위한 표준이다. 대신 단말도 Mobility를 위한 통신 Stack을 가져야 한다.

반면에 PMIP(Proxy Mobile IP)는 Local IP Mobility 제공을 위한 표준이다. 이동성에 있어서 제한이 있지만, 단말에 Mobility를 위한 별도의 통신 Stack이 없어도 된다는 특징이 있다.


아래의 글은 단말의 Handover시 발생하는 네트워크 접속 지연과 패킷 유실 문제를 해결하기 위해 2가지 방안을 설명하고 있다.

HMIPv6 & FMIPv6 

I. 개 요 

IP 기술의 활성화에 따라 차세대 통신망은 IP 기반의 핵심망을 기반으로 하여 다양한 종류의 액세스 망을 수용하는 형태로 발전하고 있다. 뿐만 아니라 액세스 망도 기존의 무선 LAN을 포함하여 IP 기술을 기반으로 하는 액세스 망들이 점차 주류로 등장하고 있다. 이러한 차세대 망 구조에서 효율적인 이동성 지원을 위해서는 IP 기술에 기반한 이동성 지원 기술이 필수적이다. 현재 대표적인 IP 이동성 프로토콜로는 Mobile IPv4/v6를 들 수 있다. Mobile IPv4는 이미 표준화가 대부분 완료되었으며 Mobile IPv6는 현재 표준화가 막바지에 이르고 있다.

Mobile IPv4/v6는 이동 노드가 홈망에서 사용하는 홈 주소 외에 이동 노드의 현 위치를 알려주는 CoA(Care of Address)를 가지며 이를 위치 변경 시마다 홈 에이전트 또는 상대 노드에 등록(또는 바인딩 갱신, Binding Update)함으로써 상대 노드(CN)나 홈 에이전트(HA)에 대한 연결성을 유지한다. 그러나 이러한 방법은 실시간성이 요구되거나 패킷 손실에 민감한 응용에서는 문제점을 가질 수 있다. 즉, Mobile IPv4/v6에서 이동 단말은 위치 변경 시마다 이동 단말로부터 먼 곳에 위치할 가능성이 있는 홈 에이전트나 상대 노드에 등록을 수행하여야 한다. 이 경우 이전 서브넷에서 새로운 서브넷으로의 등록이 완료되기 전까지는 상대 노드에 대한 연결성을 잃어버리게 되며 이로 인하여 패킷 손실과 지연을 가져오게 된다. 이러한 패킷 손실과 지연은 VoIP와 같은 실시간성이 요구되는 응용에서는 수용할 수 없는 정도가 될 수도 있다. 

이러한 문제를 해결하고 핸드오버 시 이동 단말에 대하여 심리스한 이동성을 제공하기 위하여 Mobile IP의 성능을 개선하기 위한 작업이 IETF의 mobileip WG을 중심으로 활발히 이루어지고 있다. 심리스 이동성은 IETF에서 핸드오버 시 패킷 손실을 최소화하는 스무드 핸드오버와 지연 시간을 최소화 하는 빠른 핸드오버를 모두 포함하는 의미로 정의되었다[1]. 본 고에서는 IP 기반의 차세대 망에서의 심리스 이동성을 지원하기 위해 이루어지고 있는 IETF의 연구 동향을 IETF mobileip WG에서 WG  문서로 작성되고 있는 기술들을 중심으로 살펴본다.

II. IP 심리스 이동성 관리 표준 기술

IETF에서의 심리스 이동성 기술에 대한 표준화는 크게 두 부분으로 나누어져 진행되고 있다. 첫번째는 지역적인 이동성 처리를 통해 등록 시간과 시그널링을 줄이는 지역 이동성 관리 접근 방식(local mobility management)이며 두번째는 2 계층 핸드오버 사전 정보를 이용하여 2 계층 핸드오버 완료 이전에 3 계층 핸드오버를 미리 수행하는 빠른 핸드오버 접근 방식이다 (fast handover method). 현재 표준화가 진행되고 있는 지역 이동성 관리 방법의 예로는 Mobile IPv4에서의 Mobile IPv4 Regional Registration[2], Mobile IPv6에서의 Hierarchical Mobile IPv6 mobility management[3]를 들 수 있다. 빠른 핸드오버 방법은 Mobile IPv4에서의 Low Latency Handoffs in Mobile IPv4[1], Mobile IPv6에서는 Fast Handovers for Mobile IPv6[4]가 대표적인 예이다.

*끊임없는 이동성 기술

1. 지역적인 이동성 처리 (local mobility management)
IPv4 : Mobile IPv4 Regional Registration
IPv6 : Hierarchical Mobile IPv6 mobility management

2. 빠른 핸드오버 접근 방식 (fast handover method)
IPv4: Low Latency Handoffs in Mobile IPv4
IPv6: Fast Handovers for Mobile IPv6

1. 지역 이동성 관리 방법

전술한 바와 같이 Mobile IP는 단말이 서브넷을 변경하는 경우 항상 홈망에 있는 홈 에이전트에 현재 위치에 대한 등록을 수행하여야 한다. 또한 경로 최적화 방법을 사용하거나 Mobile IPv6를 사용하는 경우 상대 노드에 대해서도 바인딩 갱신을 수행하여야 한다. 만일 이동 단말이 홈 망에서 먼 거리에 위치한 경우 이러한 등록 방식은 긴 등록 시간을 유발하며 망에 불필요한 트래픽을 유발시킨다. 지역 이동성 관리 방법은 이러한 문제를 해결하기 위하여 제안되었으며 기본 개념은 각 지역 도메인이 지역 이동성 에이전트를 가지며 지역 내의 이동성은 지역 이동성 에이전트가 처리하게 함으로써 홈 에이전트나 상대 노드에 이동  단말의 지역적인 이동성을 숨기는 것이다. 

지역 이동성을 구현하기 위한 방법으로는 Mobile IP를 계층적으로 구성하거나 게이트웨이를 두고 게이트웨이 하부에 Mobile IP와는 독립적인 이동성 관리 프로토콜을 운용하는 방법이 있다. 계층적 Mobile IP 방식의 대표적 예로는 Mobile IPv4에서의 Mobile IPv4 Regional Registration, Mobile IPv6에서의 Hierarchical Mobile IPv6 mobility management가 있다. 이와는 달리 글로벌한 이동성은 Mobile IP를 이용하지만 지역 이동성에서는 이동성 관리에 더 효율적인 호스트 기반 라우팅을 이용하는 방법도 있다. 이러한 방법의 대표적인 예로 Cellular IP, HAWAII를 들 수 있다. 그러나 이러한 호스트 기반 라우팅은 일반적인 IP 라우팅 규칙에 위배되는 것으로 아직은 IETF에서 활성화 되지 못하고 있다. 따라서 지역 이동성에 대한 표준화는 계층적 Mobile IP를 중심으로 이루어지고 있다.

본 고에서는 이 중 차세대 통신망에서 기본 프로토콜로 채택하고 있는 IPv6에서 지역 이동성 제공을 위하여 계층적인 구조를 이용하는 HMIPv6(Hierarchical Mobile IPv6)의 구조와 동작을 살펴본다. 전술한 바와 같이 Mobile IPv6는 서브넷을 이동할 때마다 상대 노드와 홈 에이전트에 대한 바인딩 갱신을 수행하여야 한다. 상대 노드에 대한 바인딩 갱신을 인증하기 위하여 사용되는 RR(Return Routability)의 경우 HA에 대한 바인딩 갱신과 동시에 수행되는 경우에도 최소 1.5 라운드 트립 지연(round trip delay)이 필요하다. 따라서 이러한 라운드 트립 지연으로 인하여 핸드오버 시에 서비스의 단절이 발생하게 된다. 또한 백본 망에서의 시그널링 트래픽 증가와 상대 노드 및 홈 에이전트에서의 무선 구간에서의 시그널링 증가를 가져온다. 따라서 지역적 이동성을 관리하는 지역 앵커를 도입한다면 바인딩 갱신에 필요한 지연을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 이러한 이동성 시그널링의 양을 줄일 수 있다.

HMIPv6에서는 이를 위하여 (그림 1)에서와 같이 앵커의 역할을 수행하는 MAP(Mobile Anchor Point)를 새로이 도입한다. 그림에서 AR은 무선 인터페이스를 가지는 액세스 라우터를 나타낸다. MAP은 개념적으로 지역적인 홈 에이전트로 동작하며 MIPv6에 대한 변경을 최소로 하면서도 성능 향상을 가져올 수 있다. 또한 MAP을 사용함으로써 동일한 MAP 영역 내에서의 이동은 상대 노드나 홈 에이전트에 숨겨지게 된다. 

HMIPv6에서 이동 단말은 3가지 주소를 가지게 된다. 즉, 홈 망에서 구성한 고유한 홈 주소(HoA), 액세스 망에서 구성한 CoA(LCoA) 그리고 MAP을 기반으로 구성한 CoA(RCoA)를 가진다. 상대 노드와 홈 에이전트는 이동 단말의 위치를 RCoA로 인식하며 이 주소로 데이터  를 전송한다. MAP은 RCoA와 LCoA 간의 바인딩 정보를 이용하여 데이터를 최종적으로 이동단말에게 포워딩 시켜준다. 

*HMIPv6 의 3주소

HoA   :홈 망에서 구성한 고유한 홈 주소
LCoA :액세스 망에서 구성한 CoA
RCoA :MAP을 기반으로 구성한 CoA

HMIPv6는 MAP이라는 새로운 엔터티를 도입하나 이동 단말에 대해서는 최소한의 확장만이 필요하고 상대 노드와 홈 에이전트에 대해서는 변경을 필요로 하지 않는다. 또한 Mobile IPv4에서 계층적인 구조를 제공하는 Mobile IPv4 Regional Registration과는 구조적인 유사성으로 인하여 자연스러운 발전이 가능하다는 장점을 가진다.

HMIPv6에서 바인딩 갱신은 지역 등록과 일반적인 등록으로 구분된다. (그림 2)는 HMIPv6에서의 등록 과정을 나타내었다. 

이동 단말이 MAP이 관리하는 영역에 진입하면 AR1에서 주기적으로 방송하는 라우터 광고 메시지를 받는다. 이 광고 메시지에는 AR1에 MAP의 영역 내에 있음을 알리는 MAP 옵션을 포함하고 있다. MAP 옵션이 포함된 라우터 광고 메시지를 받은 이동 단말은 AR1상의 CoA인 LCoA와 MAP 상의 CoA인 RCoA를 stateless auto-configuration 형태로 생성한다. LCoA와 RCoA를 구성한 후 이동 단말은 MAP에 대하여 LCoA를 소스 주소로 하고 MAP 주소를 목적지 주소로, RCoA를 홈 어드레스 옵션 주소로 하여 지역적 바인딩 메시지를 보낸다(1). MAP은 LCoA와 RCoA를 바인딩하며 바인딩이 성공적인지 아닌지(실패했을 경우 적절한 fault code 정보를 포함하는)를 가진 바인딩 확인 메시지를 이동 노드로 돌려준다(2). 지역적 바인딩이 성공적으로 이루어지면 이동 단말은 HA와 CN에 대하여 Mobile IPv6에서 규정된 바인딩 갱신을 수행한다. 이 바인딩 갱신 메시지는 소스 주소를 RCoA, 목적지 주소를 HA/CN의 주소로, 홈 어드레스 옵션에는 이동 단말의 홈 주소를 담아서 바인딩 갱신 메시지를 보내게 된다(3), (4). 만일 이동 단말이 MAP 영역 내에서 다른 AR로 이동하는 경우 HA/CN에 대해서는 동일한 RCoA를 가지므로 바인딩 갱신을 필요로 하지 않으며 LCoA를 갱신하는 지역적 바인딩 갱신만이 필요하게 된다(5). 따라서 동일한 MAP 영역 내에서의 이동 단말의 이동은 HA/CN에 투명하게 이루어지게 된다. 

*HMIPv6 절차
1. MN가 MAP지역 진입
2. MN가 LCoA, RCoA 생성
3. MN가 MAP에게 바인딩 메시지 전송  (1)
(src : LCoA, dst : MAP, opt : RCoA)
4. MAP는 LCoA, RCoA 바인딩 확인 메지시 전송 (2)
5. MN가 HA,CN에게 바인딩 메시지 전송 (3)
(src : RCoA, dst : HA/CN, opt : MN's HoA)

*MAP내 MN이동
MN가 MAP에게 LCoA 갱신 실시 O
MN가 HA/CN에게 RCoA 갱신 실시 X

등록이 완료된 이후 이동 단말로 전달되는 데이터가 있으면 이 데이터는 RCoA로 전달되며 MAP은 이 데이터를 터널링을 통해 이동 단말의 LCoA로 전달한다. 이동 단말이 상대 노드로 데이터를 전송하는 경우 MAP 간의 터널링을 통해서 전송하며, 상대 노드와의 직접적인 전송을 하고자 하는 경우 RCoA를 소스 주소로 하여 상대 노드로 직접 데이터를 전송할 수도 있다. 

*메시지 전송
MN - MAP -CN
터널링 : [(CN|RCoA) LCoA|MAP ]

MN - CN
직접 전달 : RCoA|CN

2. 빠른 핸드오버 방법

빠른 핸드오버 방법은 핸드오버 시의 지연을 최소화 하기 위하여 2계층에서의 핸드오버 예상 정보를 바탕으로 2계층 핸드오버가 완료되기 전에 3계층 핸드오버의 일부를 수행하거나 또는 양방향 터널을 이용하여 3계층 등록을 미룸으로써 실시간 서비스를 지원하는 기술이다. 대표적인 빠른 핸드오버 방법은 Mobile IPv4에서의 Low Latency Handoffs in Mobile IPv4, Mobile IPv6에서는 Fast Handovers for Mobile IPv6를 들 수 있다. 본 고에서는 Mobile IPv6에서의 빠른 핸드오버 지원 방법인 FMIPv6(Fast Handovers for Mobile IPv6)에 대하여 살펴 본다.

Mobile IPv6는 핸드오버 시 새로운 CoA 주소를 생성하고 이에 대한 등록이 완료되기 전까지 이동 검출(Movement detection), IP 주소 구성(IP address configuration), 위치 갱신(location update)과 같은 필연적인 지연 요소를 가지게 된다. 이러한 지연들이 결합된 총 지연은 실시간 응용이나 손실에 민감한 응용에서 수용되지 못할 정도의 큰 지연이 될 수도 있다. FMIPv6는 이러한 지연을 줄이기 위한 기술로서 새로운 링크 검출 시 즉각적인 데이터 송신을 가능케 하며 새로운 링크에 부착되는 즉시 이동 단말로 패킷이 전달될 수 있도록 하는 것을 목표로 하고 있다. 

FMIPv6의 기본 구조는 (그림 3)과 같다. 그림에서 PAR은 이전 액세스 라우터(Previous AR), NAR(New AR)은 새로운 액세스 라우터를 각각 나타낸다. 

FMIPv6에서 이동 단말이 PAR에서 NAR로 이동하는 경우 이동 단말 또는 PAR은 2 계층 핸드오버가 완료되기 이전에 NAR의 2 계층 정보를 미리 얻을 수 있다고 가정된다. 이동 단말이 NAR의 2 계층 정보를 미리 얻으면 NAR에 대한 IP 계층 정보를 PAR에 요청하며 PAR은 미리 가지고 있는 NAR 정보를 이용하여 NAR에 사용될 새로운 CoA를 미리 구성하여 이동 단말에 알려주어 이동 단말이 새로운 링크에 부착되는 즉시 바인딩 갱신을 수행할 수 있도록 해준다. 또한 새로운 CoA에 대한 바인딩 갱신이 이루어지기 전까지의 패킷 손실을 막기 위하여 NAR과의 사이에 양방향 터널을 설정한다.

(그림 4)는 FMIPv6에서의 핸드오버 타이밍도를 보여준다.

먼저 이동 단말이 NAR로의 이동을 감지하면 PAR로 NAR에 대한 정보를 요청하는 RtSolPR 메시지를 보낸다(Mobile Initiated). 이때 RtSolPr 메시지에는 NAR에 대한 링크 계층 ID 가 포함된다. 무선랜의 경우 이 ID는 NAR의 (B)SSID가 될 수 있다. RtSolPr 메시지를 받은 PAR은 미리 가지고 있던 NAR에 대한 정보를 이용하여 NCoA를 구성하며 이를 PrRtAdv 메시지를 통해 이동 단말로 전달한다. 이때 PAR과 NAR은 서로 통신할 수 있으며 서로에 대한 정보를 공유하고 있다고 가정된다. 만일 이동 단말이 아닌 PAR이 이동 단말의 이동을 감지한다면 PAR은 RtSolPR 없이 NAR에 대한 정보를 담은 PrRtAdv 메시지를 이동 단말에 전달한다(Network Initiated). PrRtAdv 메시지를 받은 이동 단말은 이전 CoA와 NAR에 대한 바인딩을 요청하는 FBU(Fast Binding Update) 메시지를 PAR로 보낸다. PAR이 FBU를 받게 되면 NAR과의 양방향 터널의 설정을 위하여 NAR로 HI 메시지를 보낸다. HI 메시지는 또한 새로 구성한 CoA에 대한 검증을 NAR에 요구한다. NAR은 HACK 메시지를 응답함으로써 양방향 터널을 구성하며 새로운 CoA에 대한 확인을 한다. PAR은 NCoA에 대한 확인을 FBACK를 통하여 이동 단말로 전달하며 이동 단말의 이전 CoA로 전달되는 패킷을 인터셉트하여 양방향 터널을 통하여 NAR로 포워딩 한다. NAR에서 이동 단말에 대한 새로운 링크가 형성되면 이동 단말은 자신의 존재를 알리는 FNA(Fast Neighbor Advertisement)를 라우터 요청 메시지에 담아 전달한다. 만일 이동 단말이 FBACK을 받지 못하였다면 라우터 요청 메시지를 통해 이동 단말은 새로운 CoA에 대한 확인을 NAR에 요청하며 NAR은 NAACK 옵션을 가지는 라우터 광고를 통하여 새로운 CoA를 확인한다. 이후 NAR은 이동 단말로 데이터를 전달하며 이동 단말은 새로운 CoA를 이용하여 Mobile IPv6에 규정된 바인딩 갱신 과정을 수행한다. 만일 이동 단말이 새로운 라우터에 머무르는 시간이 바인딩 갱신에 충분치 않다면 PAR이 앵커 역할을 그대로 수행하고 양방향 터널의 종점을 NAR이 아닌 새로운 액세스 라우터로 이동시키는 삼자간 핸드오버 방법(Three Party Handover Method)이 사용될 수도 있다. 이 경우 앵커 액세스 라우터에 대한 정보는 NAR에서 새로운 라우터로 HTT(Handover To Third) 메시지를 이용하여 전달되며 새로운 양방향 터널(PAR과 새로운 라우터 간)이 생성된 후 이전 양방향 터널(PAR과 NAR 간)은 제거된다. 

3. 기타

앞에서 설명한 HMIPv6와 FMIPv6는 심리스 이동성 제공을 위한 가장 대표적인 기술로서 현재 IETF mobileip WG의 WG 그룹 문서로 작업이 진행중이다. 이 두 문서 외에도 심리스 이동성을 위하여 여러 가지 개인 문서들이 제출되고 있다. 이 문서들 중 대표적인 것은 라우터 요청 시 라우터 광고가 라우터 간의 충돌을 방지하기 위하여 랜덤한 지연을 가지고 광고함으로 인해 생기는 지연을 줄이기 위한 방법[5], Stateless 주소 자동 생성 후 수행하는 DAD(Duplicate Address Detection) 과정에서 발생하는 지연을 최적화 시키는 방법[6], 이동 검출에 소요되는 지연을 줄이는 방법[7] 등을 들 수 있다. 이외에도 IETF의 seamoby WG에서는 mobileip WG 보다는 상위 계층에서의 심리스 이동성 지원을 위하여 이동 단말이 이동할 후보 액세스 라우터를 발견하는 프로토콜[8], 핸드오프 시 컨텍스터 정보를 미리 전달하기 위한 프로토콜[9]에 대한 표준화를 진행하고 있다. 

III. 결 론

본 고에서는 IETF에서 진행되고 있는 심리스 이동성 표준 기술을 mobileip WG에서 WG 문서로 진행되고 있는 두 개의 문서를 중심으로 살펴보았다. 이러한 심리스 이동성 기술은 IP 기술을 기반으로 하는 액세스 망들이 속속 등장할수록, 또 실시간성이나 낮은 패킷 손실을 요구하는 응용이 늘어날수록 그 중요성이 더욱 커질 것으로 전망된다. 따라서 이 분야에 대한 많은 연구가 필요하다. 특히 지금까지 제안된 여러 가지 기술들이 각각의 장점을 가지므로 이들의 장점을 적절히 결합하여 좀 더 효율적인 심리스 이동성을 제공할 수 있는 방법의 개발이 필요할 것으로 생각된다.