컴퓨터 네트워크 - Mobile Network: Mobile IP, Cellular Network(Handoff)

K-MOOC에서 부산대학교 유영환 교수님의 “컴퓨터 네트워킹” 강의를 수강하며 적은 노트

Mobile Network

모바일 네트워크(moblie network): 한 액세스 포인트나 한 베이스 스테이션에 접속해 있던 사용자가 다른 쪽으로 이동했을 때, 통신의 단절이나 어떤 불편함을 느끼지 못한 채로 다른 베이스 스테이션이나 액세스 포인트로 연결이 될 수 있음

• ex) 동일한 서브넷 내의 base service set가 각각 다른 두 AP
  • 디바이스가 BSS 1에 있다가 BSS 2에 가도 IP 주소를 변경할 필요 X(같은 서브넷)
  • 그러나 다른 서브넷으로 이동할 경우 IP 주소가 변경되어야 하고 모빌리티 X
• no mobility 프로토콜
  • 블루투스: WPAN(Wireless Personal Area Network)의 일종
    • 마스터 디바이스와 슬레이브 디바이스가 일정 거리 이상 멀어지면 모빌리티 X
• high mobility 프로토콜
  • 휴대 전화망
• no mobility와 high mobility 중간
  • 와이파이: AP에 인증되어 자동 접속이 되므로 이동성이 있기는 하지만, 통신 도중 옮겨가면 문제 생김

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Mobile IP

모바일 IP: IP 주소가 다른 곳으로 이동해서도 계속 서비스 가능

• 서브넷 A에서 서브넷 B로 이동하면 서브넷의 ID가 다르기 때문에 외부 데이터그램이 찾아오지 못함
  • 이동하면 라우터에게 알려 서브넷 B로 보내 달라고 하는 경우: scalablity X
    • 서브넷 별로 라우팅 엔트리를 가짐
    • 노드들이 다른 서브넷으로 이동했다고 개별적인 IP에 대한 엔트리를 만들어 달라고 라우터들에게 요청: 라우터들이 관리해야 하는 엔트리 개수가 방대해짐
  • 따라서 엔드 시스템에서 알아서 하자
• 간접 라우팅(indirect 라우팅)
  • 서브넷 A에서 B로 이동하면 라우터들은 계속 A로 데이터그램 전송, A는 B에게 다시 전달해서 처리
    1. agent discovery: 홈에 있다가 foreign 네트워크로 이동했을 때 그 곳의 라우터(foreign 에이전트)를 발견하는 과정
    2. registration: agent discovery를 통해서 이동한 모바일 노드가 홈 에이전트에게 이동 사실 알림
    3. 간접 라우팅 실시
  • ex) 홈 네트워크: 128.119.40/24. 모바일 노드: 128.119.40.186
    1. agent discovery: foreign network(visited network)의 라우터 찾음
       • 에이전트가 자기 정보를 주기적으로 ICMP(Internet Control Massege Protocal) 메시지(타입 필드 = 9)로 브로드캐스팅.
         • CoA(care-of-address): 외부에서 들어온 노드를 케어하기 위한 address
         • 에이전트는 한 개 이상의 CoA를 가질 수 있음, 이 주소로 새로 온 노드에게 오는 데이터를 대신 받아 줌
    2. registration: 에이전트에게 CoA 하나를 골라 할당 요청
       • foreign 에이전트는 홈 에이전트에게 등록
       • 홈 에이전트는 원래 주소를 알리고 이동 사실을 확인하는 ACK
    3. 간접 라우팅: 라우터는 홈 네트워크로 데이터 포워딩
       • 홈 에이전트는 데이터를 encapsulation하여 foreign 네트워크로 전달
       • 원래 데이터그램을 페이로드에 담고, 목적지 주소는 CoA
       • foreign 에이전트는 이 데이터를 받고 노드에게 전송
• Co-located COA(CCoA): 새로운 주소를 노드에게 직접 할당하기도 함
• 다이렉트 라우팅
  • 간접 라우팅은 오버헤드 생길 수 있음
  • 서버가 홈 에이전트에게 모바일 노드 위치를 물어봐서 CoA 또는 CCoA를 받아 직접 전달
  • transparent 서비스는 아님: 클라이언트가 모바일 노드일 때와 아닐 때에 다른 방식으로 동작해야 함

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Cellular Network Principles

휴대 전화망(셀룰러 네트워크)

• 휴대 전화망 이전의 무선 통신망: TV 방송, 라디오 방송
  • 안테나를 설치하여 강한 전파 발송, 각 수신기가 수신
  • 반경 80km 영역의 넓은 영역 커버
  • 채널을 여러 사용자가 나눠서 사용, 전체 서비스는 25개 정도의 채널을 할당할 수 있는 밴드위스
  • 영역에 비해 사용자가 적음
• frequency reuse: 이론 상으로 신호 세기를 잘 조절하면 영역을 나눠 구간 마다 25명 유저 서비스 가능, 즉 셀 개수에 비례해 서비스 가능한 사용자 수 증가
  • 셀: 하나의 베이스 스테이션이 감당하는 영역
    • 셀 사용 목적: 서비스가 사용할 수 있는 capacity를 늘리기 위함
    • 셀이 작을수록 Frequency reusability 높아짐
    • 셀 크기는 물리적 실제 크기가 아닌 셀 area 안의 사용자 수에 따라 결정
    • 셀 모양은 정육각형으로 각 베이스 스테이션 간의 거리가 같아 간섭의 영향도 같음. 전파는 실제로는 원형으로 전송됨
• 모바일 스위칭 센터: 베이스 스테이션 컨트롤러들을 모아서 유선 전화망의 전화국처럼 관리 해 주는 시스템
  • 베이스 스테이션들의 데이터를 모아 기존의 유선 전화망에 연결

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Handoff in Cellular Network

셀룰러 네트워크: 베이스 스테이션들이 데이터를 모아서 MSC(모바일 스위칭 센터)에 전달, 모바일 스위칭 센터가 전화망에 연결을 하거나 서빙 게이트웨이가 인터넷에 연결

handoff(handover): 기존의 베이스 스테이션으로 받던 서비스를 새로운 베이스 스테이션으로 서비스를 받을 수 있게, 사용자한테 어떤 특별한 interruption을 느끼지 않게 라우팅을 바꾸는 것

• 사용자에게 connectivity를 계속 유지
• handoff를 쓰지 않고 사용자 단말의 전송 에너지를 높여 계속 연결을 유지하는 방법도 있지만, 에너지 소모가 큼
• 사용자 이동 상황이 아니더라도 전체 로드 밸런싱을 위해 하기도 함

하나의 MSC에 있는 베이스 스테이션 간에 handoff

1. 유저와 old BSS 간 서로 신호 세기 측정값을 주고받음
2. 신호가 약해 연결이 끊어질 것 같다면 old BSS가 모바일 스위칭 센터에 handoff를 알림 A. 이동할 것 같은 다른 BSS 리스트를 알려줌
3. MSC는 new BSS 쪽으로 자원을 할당을 해서 사용자의 서비스를 할 수 있는 path 제작
4. new BSS는 MSC와 old BSS에게 채널이 준비되었음을 알림
5. old BSS는 모바일에게 handoff를 하라고 알림, 모바일 노드는 new BSS에게 요청 메시지
6. new BSS는 이를 받고 MSC에게 이 사실을 알려 다음부터는 해당 노드로 가는 데이터를 new BSS에게 전송
7. MSC는 old BSS에게 해당 노드가 사용하던 채널을 해제할 것을 알림

다른 MSC에 넘어가는 handoff

• 간접 라우팅으로 전달: home MSC와 anchor MSC

LTE에서 handoff: GSM(Global System for Mobile Communications)

• source eNB: 현재 접속해 있던 베이스 스테이션
• target eNB: 이동해 가는 베이스 스테이션
  1. Measurement control에서 신호를 서로 감지하여 신호 세기가 각각 점점 멀어지고 가까워지면 handoff 결정
  2. handoff request를 target eNB에 전송, target eNB는 수용하면 자원 할당 후 ACK 전송
  3. source eNB는 ACK를 받고 handoff를 시행하라고 유저에게 알림
  4. uplink 자원을 할당해 데이터를 주고받을 수 있게 함

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