무선 기반 소형 임베디드 시스템을 위한 경량 TCP/IP 스택의 구현 = Design and implementation of a compact TCP/IP stack for small embedded systems used in wireless network

국문 초록 (Abstract)

최근 무선 네트워크의 확산과 함께, 무선 인터페이스를 지원하는 임베디드 시스템이 증가하고 있다. 이러한 임베디드 시스템 중에는 CPU나 메모리 등의 자원이 매우 제한된 소형 시스템도 있다.
소형 임베디드 시스템은 일반적으로 RTOS(Real Time Operating System)와 같은 소형 운영체제를 사용하기 때문에, TCP통신을 수행하기 위해서 소형 운영체제에 구현되어 있는 네트워크 스택을 이용한다. 또는, 소형 기기에 적용될 수 있도록 비교적 가볍게 만들어진 독자적인 네트워크 스택을 포팅해 사용하기도 한다.
그러나, 소형 운영체제의 네트워크 스택이나, 소형 기기를 위해 구현된 네트워크 스택은 TCP 통신을 수행하는데 불필요한 부분을 많이 포함하고 있다. 또한, 유선 네트워크만을 고려한 TCP 혼잡 제어 알고리즘만을 사용하고 있다. 따라서, 링크 특성상 패킷 손실이 자주 발생하는 무선 네트워크에서 소형 임베디드 시스템이 TCP 통신을 수행하게 되면, 모든 패킷의 손실의 원인을 네트워크 혼잡 상태로 판단하고, 혼잡 윈도우를 큰 폭으로 감소시켜 대역폭의 감소를 초래한다.
따라서, 본 논문에서는 TCP 통신에 필수적인 프로토콜 처리만을 지원하도록 하여 오브젝트 파일의 크기를 줄이고, 패킷 생성 방법을 개선시켜 TCP와 IP 프로토콜 처리 과정을 최소화시켜 기존의 소형 임베디드 시스템에 사용되고 있는 네트워크 스택에 비해 대역폭은 높으면서도 CPU는 적게 사용하는 경량 TCP/IP 스택을 구현하였다. 또한, 무선 네트워크의 특성을 고려한 TCP 혼잡 제어 알고리즘을 적용해, 소형 임베디드 시스템이 무선 네트워크에서도 높은 대역폭을 유지할 수 있도록 하였다. 그리고 임베디드 시스템에서 널리 사용되고 있는 임베디드 리눅스와 소형 임베디드 시스템에서 사용되는 Micro C/OS-II[1]의 네트워크 스택과 함께 실제 무선 통신 실험을 통해 성능을 비교, 분석한 결과를 제시하여 경량 TCP/IP 스택의 우수성을 검증한다.
논문의 구성은 다음과 같다. 2장에서는 현재 소형 임베디드 시스템에서 TCP 통신을 수행하기 위해 사용하는 네트워크 스택과, 무선 네트워크 기반의 TCP 혼잡 제어 알고리즘 및 혼잡 윈도우 증가 방식에 대해 설명한다. 3장에서는 임베디드 리눅스 및 Micro C/OS-II의 네트워크 스택과 함께, 경량 TCP/IP 스택의 구조 및 구현 방법에 대해 설명한다. 4장에서는 3장에서 구현한 경량 TCP/IP 스택을 평가하기 위한 실험 환경과 실험 결과를 통해, 그 성능을 비교, 분석하고, 마지막으로 5장에서는 결론 및 향후 과제를 제시한다.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 1
• 2. 관련 연구 4
• 2.1 무선 네트워크에서의 성능 향상을 위한 TCP 혼잡 제어 알고리즘 4
• 2.1.1 Westwood+ 5
• 2.2.2 TCP Veno 5
• 2.2 RFC 3465에 따른 혼잡 윈도우 증가 방식 7
• 2.3 소형 임베디드 시스템을 위한 기존의 TCP/IP 스택 8
• 2.3.1 기존의 TCP/IP 스택에 관한 연구 8
• 2.3.2 Micro C/OS-II의 네트워크 스택 10
• 3. 경량 TCP/IP 스택의 설계 및 구현 11
• 3.1 TCP Veno 알고리즘의 적용 11
• 3.2 경량 TCP/IP 스택의 기능 및 전체 구조 13
• 3.3 리눅스와의 인터페이스 메커니즘 15
• 3.3.1 리눅스의 사용자 계층과의 인터페이스 메커니즘 15
• 3.3.2 리눅스의 사용자 계층과의 인터페이스 메커니즘 18
• 3.4 경량 TCP/IP 스택의 구현 20
• 3.4.1 Connection Control Block(CCB) 20
• 3.4.2 프로토콜 처리 과정의 최소화 26
• 4. 실험 및 결과 분석 35
• 4.1 오브젝트 파일(Object File)의 크기 38
• 4.2 대역폭 41
• 4.3 CPU 사용률 45
• 5. 결론 및 향후 과제 49
• 6. 참고 문헌 51