위성망 기반 고속인터넷 서비스 제공을 위한 PEP 기술동향

Technology Trends in PEP for Broad-Band Internet Service via Satellite Networks

저자
박만규, 신민수, 오덕길, 김재현 / 위성광대역통신연구실
권호
30권 3호 (통권 153)
논문구분
방송통신미디어 기술특집
페이지
64-73
발행일자
2015.06.01
DOI
10.22648/ETRI.2015.J.300307
초록
최근 위성통신은 물리계층의 고속 모뎀, 링크 계층에서의 고효율 패킷처리 기술 등의 발달로 양방향 광대역 멀티미디어 통신 서비스를 제공할 수 있는 기반을 마련하였다. 그러나 긴 전송 지연시간과 유선망에 비해 여전히 높은 패킷 손실률을 갖는 위성링크 고유의 특징은 현재 통신을 위해 가장 많이 사용하는 전송계층 프로토콜인 TCP(Transmission Control Protocol)를 여전히 위성망에서 제대로 동작시키기 어렵게 만들고 있다. 이에 본고에서는 위성망에서 TCP가 갖는 문제점을 해결하기 위해 도입된 PEP(Performance Enhancing Proxy) 기술에 대해서 관련 표준문서에서부터, 다양한 PEP 구성형태, 그리고 응용계층, 전송계층, 네트워크 계층에 따라 각각 적용된 PEP 주요 기술들을 살펴보고, 더불어 해외의 주요 PEP 제품들의 특징들을 분석함으로써 PEP 관련 전반적인 기술동향을 살펴보고자 한다.
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Ⅰ. 서론

최근 위성망은 다양한 고차 변조 및 코딩 비율의 사용, 효율적인 주파수 사용, 뛰어난 간섭제거 기술 등과 같은 물리계층 관련 기술의 적용과 높은 효율을 갖는 링크계층 데이터 처리(예, highly efficient encapsulation, fragmentation, Integrity check 등) 기술 등의 개발 성공에 힘입어, 지상망과 더불어 또 하나의 주요 통신 인프라로 자리 잡아가고 있다.

특히 위성통신 서비스의 경우 지상망이 닿기 어려운 섬, 오지 등과 같은 특수 지역을 비롯하여 항공, 배 등과 같은 이동체에 대해서 고속 데이터 서비스를 제공할 수 있는 장점이 있으며, 최근에는 자연재해로 인해 지상 네트워크가 붕괴되었을 때 신속하게 통신 서비스를 제공할 수 있는 내해재성을 갖는 통신망으로 부각되면서 활용의 폭이 증가하는 상황이다.

그러나 이와 같은 많은 장점에도 불구하고 위성망은 큰 BDP(Bandwidth Delay Product) 와 긴 전송 지연 시간, 유선망에 비해 여전히 높은 패킷 손실률 때문에 전송계층 프로토콜 중 가장 중요하게 사용되는 TCP (Transmission Control Protocol)가 동작하기에는 여전히 극복해야 할 문제점이 많은 네트워크이다. 사실 TCP는 유선망에서 패킷 손실이 없는 링크 조건을 가정하고 설계된 전송계층 프로토콜로써, TCP 자체의 혼잡제어(congestion control) 알고리즘은 패킷 손실과 혼잡을 구분하지 않고, RTT(Round Trip Time)에 따라 전송 속도를 제어하면서, 모든 패킷 손실에 대해서 동일하게 혼잡으로 처리기 하기 때문에 위성망에서는 불필요한 혼잡제어 상황, 빠르게 가용 대역폭을 점유하지 못하는 문제점이 발생하고 이로 인해 TCP가 제대로 동작하기 어렵다.

이를 극복하기 위해 위성망에서 TCP 성능 향상을 위한 여러 가지 방법이 제안되었는데, 크게 3가지 방법으로 구분 지을 수 있다. 첫 번째, 링크계층 기법으로써 ARQ(Automatic Repeat-Request), FEC(Forward Error Correction)와 같은 링크계층 프로토콜을 이용하여 TCP 데이터가 링크계층에서 전송계층으로 전송하기 전에 패킷 손실 등에 대한 보상처리를 해줌으로써 전송계층 프로토콜의 성능을 향상시키고자 하는 방법이 있다. 실제로 이와 같은 방법은 무선 이동통신망에서 베이스스테이션과 단말 사이에서 많이 사용되는 기법이지만 긴 RTT를 갖는 위성망에서는 사용하기에 적합하지 않다.

두 번째 방법으로는 종단 간 기법(end-to-end solution)으로 위성망에 적합한 TCP를 설계하여 서비스 제공 장비와 사용자 단말에 직접 포팅하여 종단 간 TCP연결이 되도록 하는 방법이다. 이와 같은 방법을 위해 TCP-Peach, TCP-Cherry, TCPW-BR 등의 변종 TCP (TCP variants)가 설계되었고, 종단 간 TCP를 이용하는 것은 신뢰성 있는 패킷 전송이라는 TCP 본래의 목적에 부합하지만, 이를 이용하는 데 있어서 가장 큰 문제는 위성 TCP를 모든 사용자 단말에 적용시킬 수 있는 방법이 없다는 것이다. 이에 대한 대안으로 최근에는 계층적으로 보면 TCP 하위에 번들(Buddle) 계층을 적용하여 각 중간 노드 간에 패킷 전송을 스토어 앤 포워드(store and forward) 기법을 수행하도록 하는 DTN(Delay Tolerant Network) 방법도 종단 간 해법으로 제시되고 있다.

마지막으로 가장 현실적인 방법으로 PEP(Performance Enhancing Proxy)를 이용하는 것이다. PEP는 백본 구간, 위성구간, 사용자 구간으로 TCP를 각각 종단하여 구간별로 신뢰성 있는 전송이 가능하도록 하다. 그리고 빠른 혼잡윈도우(congestion window) 증가가 가능하도록 위성망 구간의 PEP에서 송신 TCP에게 ACK (acknowledgement) 응답을 대신하고, 쌍이 되는 또 다른 PEP는 전송된 패킷을 수신한 후 최종 수신 TCP에는 일반 TCP를 이용하여 패킷을 전달한다. 이렇게 위성망 구간에 대해서 투명성(transparency)을 제공하는 PEP를 사용하면 긴 전송 지연과 높은 패킷 손실률을 갖는 위성망에서도 무선 링크의 대역폭을 효율적으로 사용하여 좋은 데이터 통신 서비스를 제공할 수 있다. 이러한 장점 때문에 현재 PEP 기술은 위성망에서 광대역 멀티미디어 통신 서비스를 원활하게 제공할 수 있게 하는 가장 현실적인 방법으로 고려되고 있다.

Ⅱ. PEP 기술개요

위성망에서 사용하는 PEP는 전송 경로 상에 존재하는 특정한 성질을 갖는 링크나 서브 네트워크에 대해 독립적인 전송계층 프로토콜을 적용함으로써 전체적인 통신 서비스의 품질과 데이터 전송량을 향상시키는 기법을 말한다. 그리고 이와 관련된 표준 기술은 RFC 3135[1]와 RFC 3449[2] 문서에 정의되어 있다.

1. PEP의 특징

가장 많이 사용되는 3-split 연결 구조를 갖는 PEP는 (그림 1)과 같은 네트워크 구성을 가진다.

(그림 1)

3-split connection 구조의 PEP

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TCP 연결 구조를 살펴보면, 먼저 Web 서버, 파일서버 등과 같은 콘텐츠 제공 서버와 위성통신 시스템 중심국에 위치한 PEP 서버 간의 표준 TCP 연결 구간 (split-TCP1), 위성 링크에서 효율적으로 데이터를 보내기 위해 Enhanced TCP로 구성된 구간(split-TCP2), PEP 클라이언트와 사용자 PC 간의 표준 TCP 연결 구간(split-TCP3) 이렇게 3개의 구간으로 나누어 관리된다. 이러한 방식을 통해 PEP는 종단 시스템과 사용자 애플리케이션을 수정하지 않고 위성망을 보다 효율적으로 사용할 수 있도록 한다.

다음은 PEP가 위성통신 시스템의 한 부분으로 동작하면서 나타나는 주요 특징들이다.

  • •  Split Connections와 TCP 가속

    링크에 접속된 PEP 서버와 클라이언트의 연결을 최적화하기 위하여, 표준 TCP를 사용하는 종단 노드(콘텐츠 서버 또는 사용자 단말)에서 보내온 TCP 연결을 종료한 후, 이에 대응하는 연결을 Enhanced TCP를 이용하여 새로 연결 설정을 한다. 이를 통해 위성망에 연결되는 종단 노드를 RTT에 무관하게 동작시키면서 초기 TCP slowstart를 빠르게 진행할 수 있게 한다.

  • •  연결의 투명성(Transparency)

    PEP는 연결의 투명성을 보장하는 특성을 가지고 있다. Split connection을 통해 위성구간에 대해서만 위성망에 적합한 TCP를 이용하여 데이터를 전송하기 때문에 양 종단 노드에서는 자신의 TCP 연결이 종단되었음을 알 수 없고, 이를 통해 양 종단 장비의 시스템 설정이나 애플리케이션에 대한 수정이 필요하지 않도록 한다.

  • •  터널링(Tunneling)

    PEP는 사용자 TCP 패킷을 위성구간을 통과시키면서 필요에 따라 자유롭게 캡슐화하여 특정 링크(PEP 서버와 클라이언트 간에 링크)를 통과시킬 수 있다. 이는 PEP가 서버와 클라이언트를 위성구간에 삽입한 구조를 갖기 때문이다. PEP는 터널링 구간에 대해서는 성능 향상 및 보안을 도모할 수 있는 특별한 전송프로토콜을 정의하여 사용할 수 있다.

  • •  데이터 압축(Data Compression)

    PEP는 전송해야 할 데이터의 전체 양(bytes)을 감소시키기 위해 데이터 압축을 사용한다. 이를 통해 대역폭이 제한된 위성 네트워크 환경에서 보다 효율적으로 전송 대역폭을 이용할 수 있다. 데이터 압축은 전송효율을 증가시키는데 가장 효과적인 방법으로써 빠른 데이터 전달을 통해 링크의 효율성이 향상되고 서비스 대기 시간이 감소되어 서비스 응답 시간을 개선 할 수 있는 이점이 있다.

2. PEP 장비 구조 및 구성 요소

PEP는 하나의 서버와 다수의 단말이 연결되는 1:N의 네트워크 구조를 가진다. 다수의 클라이언트와 연결되어 세션(session)관리, 데이터 송수신을 담당해야 하는 PEP 서버는 중심국 내에 독립된 하드웨어 장비로서 고성능 및 안정성을 지원하는 리눅스 및 유닉스 계열의 OS를 사용하는 고사양의 서버로 구축된다.

반면 사용자 측에 구성되는 PEP 단말은 그 사용 목적에 따라 크게 2가지 구조를 갖는다. 첫 번째 구조는 소규모 또는 개인용 서비스를 위해 (그림 2)와 같이 PEP 클라이언트가 위성 단말(BSM ST: Broadband Satellite Multimedia Satellite Terminal)의 내부에 존재하여 동작하는 구조다. 위성단말이 임베디드 리눅스 기반의 소형 장비임을 고려하면 단말 내부에 존재하는 PEP는 소용량, 저속 서비스를 위한 구조이다[3][4].

(그림 2)

위성 단말 내부에 존재하는 PEP 구조

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두 번째 구조는 (그림 3)과 같이 PEP 클라이언트가 외부에 위치하여 이더넷 케이블로 위성 단말(BSM ST)과 연결되어 PEP 기능을 수행하는 독립형 PEP 단말 구조이다. 이는 독립적인 하드웨어 자원을 갖고 있기 때문에 학교, 또는 회사와 같이 다수의 사용자가 위성 서비스를 사용하는 경우에 적합한 구조이다[3][4]. (그림 4)는 중심국에서 위성 포워드링크 전송 장비(BSM Gate-way)와 중심국 PEP 서버와의 접속 구조를 나타낸 것이다.

(그림 3)

위성 단말 외부에 존재하는 PEP 구조

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(그림 4)

중심국에 위치한 PEP 서버 구조

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일반적으로 중심국에 위치한 PEP 모듈은 PEP 서버이며 단말들 쪽에 있는 다수의 PEP 클라이언트와 연결되기 때문에 성능이 좋은 단독형 서버 장비를 이용하여 구축된다. 사실 PEP는 연결 구조 측면에서 PEP 서버가 인터넷망에 있는 콘텐츠 서버와 인터넷으로 연결되고, PEP 클라이언트는 PEP 터미널에서 같은 LAN을 사용하는 호스트들과 연결된다는 것을 제외하면 PEP 서버와 클라이언트는 서로 유사한 구조로 되어 있다.

3. PEP 시스템 구성 시나리오

PEP 서버와 클라이언트를 어떻게 구성하는가 하는 시나리오는 ETSI TR 102 676[3]문서의 서비스 참조 모델을 분석하였다. 표준 문서에서는 4가지 경우의 PEP 시스템 구성 시나리오를 제시하고 있지만, 위성통신 서비스 제공을 목적으로 하는 경우에는 결국 PEP 클라이언트를 위성 단말과 연결시키고, PEP 서버는 중심국 내부에 구축함으로써 3-split 구조에서 2구간은 위성 구간만 완벽하게 분리해 내고 모든 제어권을 위성통신 시스템에 두는 첫 번째 구성 시나리오가 가장 적합하다.

다양한 중심국 PEP 구성 방법과 달리 PEP 클라이언트의 경우 위성단말(BSM ST)과 통합되어 동작하거나 독립된 단말 형태로 동작할 수 있으며, 연결 형태는 전송계층 프로토콜 측면에서 보면 모두 동일하게 콘텐츠 제공자와 PEP 서버 간의 연결, PEP 서버와 PEP 클라이언트 사이의 연결, PEP 클라이언트와 사용자 단말 (PC) 간 연결, 이렇게 세 부분으로 나누어진다. 또한, PEP 서버와 PEP 클라이언트 사이 연결에서 전송프로토콜은 위성망에 특화된 Enhanced 전송계층 프로토콜이 사용된다.

  • •  PEP 서버가 중심국에 있는 구성 시나리오

    (그림 5)는 가장 일반적인 구성 시나리오로 위성단말 장비 쪽에는 PEP 클라이언트가 존재하고 중심국 내에 PEP 서버가 존재해서 단말 측면에서 볼 때 PEP 서버와 1:1(PEP 서버 측에서는 1:N)로 연결되는 구성이다. 이와 같은 구성에서는 PEP 서버와 클라이언트까지 모두 위성통신 서비스 링크에 포함되며, 위성통신 서비스 관리자에 의해 직접 제어가 된다.

  • •  PEP 게이트웨이(Gateways) 구성 시나리오

    가장 일반적인 구성인 첫 번째 구성과 달리 PEP 게이트웨이 구성 시나리오에서는 PEP 서버가 중심국 외부에 다른 장비로 존재한다. 즉 중심국을 구성하는 구성품이 아닌 것이다. (그림 6)과 같이 PEP 서버는 수많은 사용자를 위해 인터넷 서비스 제공자(ISP)나 기업에서 별도로 동작시킨 것이다. 이 경우에도 일반적인 구성과 마찬가지로 종단 간 TCP 연결은 세 부분으로 나누어지는데 중요한 차이점은 PEP 서버와 위성중심국 사이의 통신은 광대역 유선 네트워크를 통해 연결된다는 것이다. 일반적인 연결을 하게 되면 위성통신 서비스 제공자 역시 다른 일반 사용자와 구분되지 않기 때문에 특별히 전용선이라든지 VPN(Virtual Private Network)과 같이 위성망을 사용하는 트래픽에 대해서 네트워크 계층에서 구분할 수 있는 방법을 적용하여 둘 사이의 독점적인 연결로를 확보해줘야만 원활한 위성통신 서비스가 가능하다.

  • •  다중 PEP 게이트웨이 구성 시나리오

    다중 PEP 게이트웨이가 있는 경우의 구성 시나리오는 (그림 7)과 같다. 복수 개의 서비스 제공자가 자신들의 서비스를 원활하게 공급하기 위해 각각 PEP 서버를 운용하는 경우나, 특별한 서비스를 제공하기 위해 특별 서버를 동작시키고 이를 위해 별도의 PEP 서버를 운용하는 경우이다. 이 경우 복수 개의 전용선 또는 VPN이 중심국에 연결되기 때문에, 중심국 라우터에서는 목적지에 따른 라우팅 설정이 필요하다.

  • •  Integrated PEP 시나리오

    앞에 보여준 3가지 구성 시나리오는 PEP 서버와 PEP 클라이언트가 각각 존재하는 분산형 PEP (distributed PEP)를 사용하여 위성통신 서비스를 제공하는 시나리오이다. 반면 Integrated PEP는 중심국 쪽에 하나만 PEP를 동작시켜 멀티미디어 서비스를 제공하게 하는 독립형 PEP 구성이다. 이 경우 TCP 연결은 서비스 제공자에서부터 Integrated PEP까지와 다시 PEP에서 단말까지 연결되는 2개의 TCP 연결구조만 갖게 된다. 이때 위성망에서 연결되는 TCP는 TCP Hybla와 같이 송신 측 TCP 프로토콜만을 수정하여 수시 측에서는 일반 TCP를 사용할 수 있도록 해야 한다.

    그러나 이와 같은 서비스 시나리오는 위성 단말이 최종 사용자 단말이 되는 휴대 위성단말 또는 특수 목적을 갖는 군용 위성 수신 단말 등에 적용되는 경우로서, 윈도우 OS 기반 PC를 사용하는 다수의 일반사용자 대상 위성통신 서비스를 목적으로 하는 경우에는 Integrated PEP를 사용하는 것이 적합하지 않다.

(그림 5)

PEP 서버가 중심국에 있는 구성

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(그림 6)

PEP 서버가 중심국 외부에 있는 구조

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(그림 7)

다중 게이트웨이 PEPs

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III. PEP 적용 주요기술

PEP에서는 사용자 데이터에 대한 압축, 캐싱뿐만 아니라, 기존 TCP를 개량한 Enhanced TCP를 PEP 서버와 클라이언트 사이에서 트래픽를 전달하기 위해 사용할 수 있으며, 또한 PEP 서버와 클라이언트 사이에 터널링 기법을 적용하여 위성 네트워크에서 보다 효율적인 통신이 가능하도록 설계되었다. 이에 본 장에서는 PEP에서 사용하는 주요 기술을 계층(layer)별로 구분하여 좀 더 자세히 살펴본다.

1. 응용 계층(Application Layer)

PEP 응용 계층에 적용될 수 있는 대표적인 기술로는 자주 쓰는 데이터를 가까운 PEP 클라이언트 쪽에 미리 저장해 두는 데이터 캐싱(data caching) 기술과 사용자 데이터의 양을 줄이는 데이터 압축(data compression) 기술이 있을 수 있다.

  • •  데이터 캐싱(data caching) 기술

    데이터 캐싱 기술 중에 주목할 만한 기술로는 Riverbed 사의 WAN 가속기에 사용되는 SDR (Scalable Data Referencing)[5] 기술인데 이는 캐시에 저장된 데이터 중 변경된 부분이 있는 경우 변경된 데이터만 업데이트하여 WAN상의 트래픽를 획기적으로 줄여주는 데이터 캐싱 기술이다. Riverbed 자사 평가 결과로는 평균 15~20배로 네트워크 상의 데이터 전달 속도가 향상됨을 보였으며 윈도우 상에서의 File Sharing 서비스의 경우 200배까지 성능이 향상됨을 보였다[6].

  • •  데이터 압축(data compression) 기술

    데이터 압축 기술 중에 주목할 만한 기술은 Juniper Network사의 MSR(Molecular Sequence Reduction)[7] 기술이다. 이 기술은 데이터 스트림 내의 반복되는 데이터 패턴에 인덱스(index)를 부여하여 압축하고 이를 수신단에서 해당 인덱스에 대해서 압축 해제하여 데이터의 양을 획기적으로 줄인 기술이다. Juniper Network 자사 평가 결과를 보면 HTTP servers의 경우 전송 데이터를 96%까지 줄일 수 있음을 보였다.

2. 전송계층(Transport Layer)

PEP에 적용되는 가장 핵심 기술은 전송계층에 적용되는 Enhanced TCP, UDP 또는 자체 전송프로토콜을 이용하여 전송계층에서 빠른 속도로 데이터를 전달하는 기술이다. 응용계층에서 압축 및 캐싱을 통해 놀라운 성능향상을 보일 수 있지만, 응용계층의 경우 송신자와 수신자에 각각 쌍이 되는 특별한 응용 프로그램의 설치가 필요하다는 점에서 사용자가 불편해할 수 있다. 반면 전송계층에 PEP를 위한 기술을 적용하는 경우 사용자에게 어떠한 조작을 요구하지 않고, 직접 전송 속도를 향상시킬 수 있다.

  • •  SCPC-TP 기술

    우주 통신 기술 표준을 만들기 위해 설립된CCSDS(Consultative Committee for Space Data Systems)에서 우주에서 데이터 통신 시 발생하는 문제점을 극복하기 위해 SCPS-TP(Space Communication Protocol Specification-Tran-sport Protocol)를 설계하여 표준화하였다. SCPC -TP는 SatLabs[8]에서 PEP 기술로 내세운 I-PEP의 전송계층 프로토콜로 사용되고 있으며, Selective NACK, TCP Vegas, ECN-Echo, Win-dow Scaling, Header compression 기술 등이 적용되어 서버와 클라이언트에 모두 특별한 기능을 지원해야 하기 때문에 Distributed PEP 구조에서만 사용될 수 있다.

  • •  Split connection 기술과 Enhanced TCP

    PEP 전송계층 기술 중 가장 핵심이 되는 기술이며 Split connection 기술과 Enhanced TCP 기술은 인터넷 서비스 공급자에서부터 시작되어 위성 단말을 지나 사용자 PC까지 연결되는 하나의 TCP 연결을 3구간으로 나누고 위성 구간에 대해서는 특별히 위성망에 적합한 Enhanced TCP를 이용하는 기술이다. 위성망 구간에 사용될 수 있는 TCP는 TCP Hybla, TCP Peach, TCP Noordwijk와 같이 위성망의 긴 지연과 높은 패킷손실률에 강인한 TCP를 사용할 수 있다. Enhanced TCP는 위성 구간에만 삽입되어 동작하므로 원래의 송신 TCP나 수신 TCP에서 특별히 조치해야 할이 없기 때문에 위성통신 서비스에 매우 적합하다.

    다만, Split-TCP1 구간에서 빠르게 혼잡윈도우를 상승시키기 위해 미리 TCP ack(premature ACK)를 인접한 PEP 측에서 TCP 송신 노드로 보낸 상황이므로 원래 TCP의 원칙인 종단 간 reliability 보장이라는 대 명제가 훼손되는 만큼 반드시 이후 남은 구간(split-TCP2, split-TCP3구간)에서 강력한 재전송 기법이 포함되어 완벽한 패킷 전송이 이뤄져야 한다.

  • •  TFRC

    PEP가 사용되는 위성 구간의 전송프로토콜로써 Enhanced TCP를 사용하지 않고 UDP기반의 TFRC (TCP Friendly Rate Control)를 사용할 수 있다. TFRC는 UDP를 사용하면서 TCP처럼 전송 속도를 혼잡상황에 맞게 제어하는 전송프로토콜이다.

    위성 네트워크는 복잡하게 얽힌 유선 네트워크와 달리 위성이라는 특별한 자원을 사용하게 되며 엄격하게 사용 대역폭(Bandwidth)과 위성사용단말이라는 사용자로 제한되므로 위성 구간을 하나의 UDP connection으로 연결하여 여러 트래픽을 다중화(multiplexing) 및 집성(aggregation)하여 사용하게 되면 다른 플로우들과의 혼용이 없기 때문에 대역폭 사용에 대한 탐색이 필요 없다. 그러므로 TFRC를 이용하면 위성망에서 TCP보다 더 높은 전송효율을 얻을 수도 있다. 다만 전송프로토콜이 UDP이므로 특별한 재전송 메커니즘이 없기 때문에 손실 패킷에 대한 복구 및 재전송 기법은 추가로 구현되어야 한다.

3. 네트워크 계층(Network Layer)

위성 네트워크 중 고정위성을 사용하고 성형망인 경우, 네트워크 경로는 위성 게이트웨이와 단말 간 하나의 경로만을 갖는다. 또한 PEP의 서버와 클라이언트 설치 위치가 중심국과 단말국에 있고 둘 사이가 터널링으로 견고하게 연결된 경우에는 더욱더 특별히 고려할만한 라우팅 관련 네트워크 계층 기술은 없다. 그러나 메쉬 네트워크, 이동형 네트워크로 위성통신 서비스가 확대되는 경우에는 기존 네트워크와 동일하게 Dynamic 라우팅 기법, 모바일 IP 등의 기술이 적용된다.

그러나 PEP 기술 관련 네트워크 계층에서 고려되어야 할 사항은 사실 PEP 서버에 대한 IP 계층에서의 보안이 중요하다. 왜냐하면, 네트워크 계층 기술의 본래 사용 목적은 종단 간 연결을 위해 이동 경로는 능동적으로 가변되어 시간적으로 또는 비용적으로 가장 효율적인 이동 경로 갖도록 하는 것이다. 즉 데이터 전송 중 특정 경로에 문제가 생기면 자동적으로 새로운 경로를 찾아 종단 간 연결이 가능하도록 해야 한다. 이런 측면에서 PEP는 PEP 서버와 클라이언트라는 특정 노드를 전송 경로 안에 반드시 포함시켜야 함으로 전송 경로 상의 약점을 내포하고 있다. 그러므로 PEP 사용 시에는 특히 PEP 서버에 대해서 PEP 클라이언트와 연결 관계를 고려하여 PEP 클라이언트를 가장한 DDoS(Distributed Denial-of-Service) 공격에 대한 보안을 충분히 고려해야 한다.

4. Cross Layer 설계 적용

통신 시스템은 응용 계층에서부터 물리 계층까지 다양한 데이터 전송 관련 계층이 존재하고 그중 하나의 계층이 병목구간으로 존재하면 전체적인 통신 시스템의 성능은 저하되게 된다. 이에 최근에는 계층 간 서로 정보를 주고받으며 최상의 시스템 성능을 낼 수 있도록 cross layer 설계 기술이 적용되고 있다. 특히 PEP에서는 물리 및 링크 계층과 전송계층 사이 cross layering을 이용하여 매우 효과적으로 TCP 전송 성능을 향상시킬 수 있다.

최근 무선 통신에서는 변화하는 무선 채널 환경을 극복하기 위해 적응적으로 전송 modulation과 coding rate를 바꾸는 ACM(Adaptive Coding and Modulation)기술을 필수적으로 사용하고 있다. 이 경우 물리/링크 계층에서 강우 등의 이유로 전송 모드(mode)를 변경하는 경우, cross layer 설계가 적용되지 않으면, 전송계층 TCP에서는 물리계층의 변화를 알 수 없기 때문에 TCP의 혼잡 윈도우를 현재 변경된 물리계층 속도에 맞게 제어하지 못한다. 이렇게 되면 물리계층 링크와 TCP 전송 속도(transmission rate)와의 부조화로 인해 전송계층 단에서의 오버슈팅(over shooting)으로 인한 불필요한 패킷 손실이 생기거나, 링크 대역폭을 최대로 사용하지 못하는 비효율(under-utilization)이 발생하게 된다. 이런 문제점을 해결하기 위해서는 (그림 8)과 같이 물리/링크계층에서 ACM 동작을 하면서 발생되는 전송 모드 변화 상태를 TCP에 전달해 주고 TCP는 이를 고려한 혼잡제어 알고리즘을 통해 위성통신 시스템의 성능을 향상시킬 수 있다.

(그림 8)

Cross layer 설계를 적용한 순방향 링크

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Ⅳ. PEP 주요 사용제품 분석

위성망을 이용해 서비스를 제공하거나, 관련한 솔루션을 제공하는 전문 업체의 경우 다음과 같이 모두 자체 개발한 PEP 솔루션이 있는 상황이다.

  • •  PEP 주요 사용 제품들

    - Cisco 1841[9]

    - Comtech Turbo IP G2[10]

    - XipLink[11]

    - Newtec EL 820 PEP-Box Terminal[12]

    - Riverbed Skipwar[13]

    - Viasat Compact XPEP[14]

    - Advantech wireless PEP[15]

    - Rockwell Collins IPTM-2050[16]

    - MediaSputnik 2402 series[17]

PEP 주요 상용 제품들은 위성망에 적합하도록 빠르게 혼잡 윈도우를 증가시키는 Large Initial window size, Large Maximum window size, 패킷 손실과 네트워크 혼잡을 구분한 congestion control 알고리즘, 빠른 재전송 기법 등이 적용된 Optimized TCP가 적용되고, 더불어 Caching, Header Compression, Data Compression 기술들이 적용되어 전송되는 트래픽의 양을 줄여 단위 시간당 최대한 많은 데이터를 보낼 수 있도록 하는 기술들이 적용되어 있다. <표 1>은 주요 사용 제품들의 특성을 비교한 것인데, Comtech, Xiplink, Riverbed사의 PEP가 다양한 기술이 적용되어 타사와 비교하여 좋은 성능을 나타냄을 알 수 있다.

<표 1>

> 주요 상용제품 특성 비교[18]

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V. 결론

위성망에서 원활한 양방향 광대역 멀티미디어 통신 서비스를 제공하기 위해서는 3-split 연결구조를 갖는 PEP 장비를 적용하는 것은 필수적이다. PEP 장비에는 통신 계층별로 응용계층에서의 캐싱, 데이터 압축 기술이 필요하고, 전송계층에서는 split connection 구조, Enhanced TCP와 같은 위성망에 특화된 전송계층 프로토콜 기술, 네트워크 계층에서는 PEP 서버와 클라이언트 사이의 터널링 기법, PEP 서버 보안 기술, 추가적으로 Cross layer 설계까지 다양한 기술이 적용된다. 이와 같이 다양한 기술이 적용된 PEP는 사실 위성망에서만 사용되는 것이 아니라, 유선망, 무선망에서도 빠른 서비스 응답, 데이터 압축 등을 적용한 효율적인 대역폭 사용 등의 목적으로 이미 많이 사용되고 있으며, 현재도 수 많은 관련 제품 회사가 치열하게 경쟁 중이다.

이처럼 넓은 활용범위와 높은 부가가치가 기대되는 기술이지만 안타깝게도 현재 국내 기술 상태는 열악한 위성 서비스 시장과 네트워크 장비에 대한 높은 외산 의존도로 인해 PEP 관련 기술 개발은 거의 전무한 상태이며, 지금이라도 PEP 기술 개발에 대한 관심과 투자가 절실히 필요한 상황이다.

용어해설

Enhanced TCP 일반 유선망과 다른 특성을 갖는 망(예, 위성망)에서도 해당 링크의 대역폭을 충분히 사용할 수 있도록 설계된 변형 TCP

Cross layer 설계 OSI 7계층을 기준에서 서로 다른 계층끼리(예, 링크계층과 전송계층) 해당 계층에서만 획득될 수 있는 정보를 계층 간에 교환토록 하여 전체적인 시스템의 성능을 향상시키고자 적용하는 시스템 설계 기법

약어 정리

ACM

Adaptive Coding and Modulation

ARQ

Automatic Repeat-Request

BDP

Bandwidth Delay Product

BSM ST

Broadband Satellite Multimedia Satellite Terminal

CCSDS

Consultative Committee for Space Data Systems

DDoS

Distributed Denial-of-Service

DTN

Delay Tolerant Network

FEC

Forward Error Correction

MSR

Molecular Sequence Reduction

PEP

Performance Enhancing Proxy

RTT

Round Trip Time

SCPS-TP

Space Communication Protocol Specification-Transport Protocol

SDR

Scalable Data Referencing

TCP

Transmission Control Protocol

TFRC

TCP Friendly Rate Control

VPN

Virtual Private Network

[1] 

J. Border et al., “Performance Enhancing Proxies Intended to Mitigate Link-Related Degradations,” Network Working Group, RFC 3135, June 2001.

[2] 

H. Balakrishan et al., “TCP Performance Implications of Network Path Asymmetry,” Network Working Group, RFC 3449, Dec. 2012.

[3] 

H. Cruickshank, R. Mort, and M. Berioli, “Interworking between Performance Enhancing Proxies and Broadband Satellite Multimedia (BSM) Security Architecture,”PSATS, vol. 15, 2009. pp. 132-142.

[4] 

ETSI TR 102 676, “Satellite Earth Stations and Systems (SES); Broadband Satellite Multimedia (BSM): Performance Enhancing Proxyes(PEPs),” Technical Report, Nov. 2011.

[5] 

Riverbed SDR, http://aramidesign.com/portfolio/flash/ riverbed/flashDemo.swf

[6] 

Riverbed WAN Optimizer Performance, http://www.r iverbed.com/products/wan-optimization/

[7] 

Juniper Network MSR, http://forums.juniper.net/jnet/a ttachments/jnet/wx/19/1/analyzing_msr_techbrief.pdf

[8] 

SatLabs Group, http://satlabs.org/

[9] 

Cisco 1841, http://www.cisco.com/c/en/us/products/ro uters/1841-integrated-services-router-isr/index.html

[10] 

Comtech TurboIP-G2, http://www.comtechefdata.co m/files/manuals/mn-pep-pdf/CD-TURBOIP-G2.pdf

[11] 

XipLink, https://artes.esa.int/sites/default/files/Presen tation_XipLink-PEP-BSM-workshop-Dec2-2008-public.pdf

[12] 

Newtec EL840 PEP-Box Terminal, http://www.newt ec.eu/backend/files/leaflet/EL840%20PEP-Box%20S erver%20Leaflet.pdf

[13] 

Riverbed SkipWare, http://global.riverbed.com/kr/pro ducts/technology/skipware.php

[14] 

ViaSat Compact xPEP, https://www.viasat.com/gover nment-communications/information-assurance/comp act-xpep

[15] 

Advantech Wireless PEP-P9160, http://www.advant echwireless.com/wp-content/uploads/PB-P9160-00 1-13150.pdf

[16] 

Rockwell Collins IPTM-2050, https://www.rockwellc ollins.com/Data/Products/EW_and_Intelligence/SIGIN T/IPTM-2050_IP_Traffic_Manager.aspx

[17] 

PEP Server MediaSputnik 2402 Series, http://www.m sp.ru/en/product/2402.shtml

[18] 

J.-H. Kim, “Performance Enhancing Proxy for Sate-llite Communications,” May 2014, http://winner.a jou.ac.kr/publication/data/invited/140507.pdf

(그림 1)

3-split connection 구조의 PEP

images_1/2015/v30n3/ETRI_J003_2015_v30n3_64_f001.jpg
(그림 2)

위성 단말 내부에 존재하는 PEP 구조

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(그림 3)

위성 단말 외부에 존재하는 PEP 구조

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(그림 4)

중심국에 위치한 PEP 서버 구조

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(그림 5)

PEP 서버가 중심국에 있는 구성

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(그림 6)

PEP 서버가 중심국 외부에 있는 구조

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(그림 7)

다중 게이트웨이 PEPs

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(그림 8)

Cross layer 설계를 적용한 순방향 링크

images_1/2015/v30n3/ETRI_J003_2015_v30n3_64_f008.jpg
<표 1>

> 주요 상용제품 특성 비교[18]

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