차량네트워크에서 지연감내형 네트워킹 연구동향

전술한 바와 같이 DTN 네트워크는 (그림 2)와 같이 전송 계층과 응용 계층 사이에 새로운 번들 계층이 도입된 DTN 노드들로 구성된다.

(그림 2)

DTN 통신 구조

종단 DTN 노드에서 응용 계층의 데이터는 번들 계층에 의해서 메시지 단위로 변환된 후 SF 형태로 동작하는 번들 프로토콜을 이용하여 홉간 통신으로 전달된다. 번들 계층 하부는 OSI 전 계층을 포함하는 다양한 네트워크 기술들이 존재할 수 있다. 응용은 번들 계층을 기반으로 동작하며 교환 메시지 최소화, 통신 중 단절 후 재시작 기능 등 통신 품질 관리를 위한 기능을 포함하여 설계된다.

이러한 DTN 구조는 일반적인 구조로 이를 차량네트워크에 그대로 적용하는 경우 여러 가지 비효율성이 있을 수 있다. 따라서 그동안 VDTN을 위해서 다양한 구조들이 제안되었으며, 그 중 (그림 3)과 같은 VDTN 구조가 가장 유력하게 고려되고 있다[11]. 이 구조에서 VDTN은 종단 사용자에 대한 연결을 제공하는 종단 노드(Terminal node), 차량과 같이 종단 노드 간에 메시지를 전달하는 이동 노드(Mobile node) 및 메시지 전송 효율을 높이기 위해 교차로에 위치하는 고정 노드인 전달 노드(Relay node)로 구성된다.

(그림 3)

VDTN 통신 구조

(그림 3)과 같이 VDTN 구조는 기존의 DTN 구조와는 달리 번들 계층이 네트워크 계층과 PHY/MAC 사이에 위치한다. 이를 통해 하나의 메시지에 다수의 IP 패킷을 포함시킬 수 있고, 데이터 프로세싱과 라우팅을 간략화시킬 수 있어서 시스템 복잡성을 낮추고 저비용 및 에너지 소모 감소를 달성할 수 있다.

또한, VDTN 구조는 (그림 3)과 같이 데이터 평면(BAD: Bundle aggregation and de-aggregation)과 제어 평면(BSC: Bundle signaling control)의 분리를 기본으로 한다. 송신단의 BAD는 전송하려는 IP 패킷을 번들 메시지 단위로 모으고 이를 데이터 평면을 통해 전송하고, 수신단의 BAD는 수신한 번들 메시지를 IP 패킷으로 재분리하는 기능을 수행한다. BSC는 VDTN 노드 간 연결 설정을 위한 시그날링 프로토콜로 상대 노드의 특성을 파악하고 데이터 평면에서의 데이터 전송을 위한 준비를 위한 제어 정보를 교환한다. 이러한 데이터 평면과 제어 평면의 분리를 통해 저장 용량이나 대역폭과 같은 데이터 평면에서의 자원과 에너지 소모를 절약할 수 있다.

<표 2>에 기존 DTN과 VDTN 간의 차이점을 간단히 정리하였다.

<표 2>

DTN과 VDTN 간 비교

DTN이나 VDTN과 같이 기존의 프로토콜 스택에 번들 계층의 도입은 필연적으로 중복 처리로 인한 오버헤드를 증가시키게 된다. 현재와 같이 IP 기반의 응용이 주가 되는 환경에서는 이러한 오버헤드는 비효율적일 수 있다. 이러한 오버헤드 문제를 해결하기 위해서 하이브리드 형태로 DTN과 IP를 지원하는 구조도 제안되었다. (그림 4)는 ‘IP-cum-DTN’이라는 게이트웨이 기반의 하이브리드 구조를 보여준다[12].

(그림 4)

IP-cum-DTN 통신 구조

(그림 4)와 같은 게이트웨이 기반의 하이브리드 구조에서는 IP 기반 응용은 만일 종단간 경로가 존재하면 IP 영역을 통해 데이터가 전달되며, 만일 그 경로에서의 단절이 발생하면 동적으로 DTN 영역을 선택하는 형태로 동작한다. 이를 통해 호스트에서는 기존의 IP 기반 응용을 그대로 사용할 수 있어 IP 기반 응용이 주를 이루는 환경에서의 전달 효율성을 향상시킬 수 있다.

차량 네트워크는 차량 간 짧은 접촉 시간과 높은 동적 토폴로지를 가지므로, 이러한 환경을 적절하게 지원하기 위한 라우팅 프로토콜 기술은 VDTN 구조와 함께 VDTN의 핵심 기술 이슈라고 할 수 있다. VDTN을 위한 라우팅 프로토콜은 기본적으로 DTN 라우팅 프로토콜들에 기반을 두고 있으며, 이를 차량 네트워크 환경에 맞게 적용하는 방향으로 개발되어 왔다.

DTN 라우팅 프로토콜은 크게 단일 복사본(Single-copy) 방법과 다중 복사본(Multiple-copy) 방식으로 나누어 볼 수 있다[13]. 단일 복사본 방식은 네트워크 노드 간의 포워딩 시 번들 메시지의 단일 복사본만을 유지하는 방식이다. 이 방식은 저장장치나, 대역폭 및 에너지 등의 네트워크 자원을 절약할 수 있으나 낮은 전달률과 큰 지연이 문제가 될 수 있다. 송신 노드가 수신 노드를 만날 때까지 번들을 운반하는 Direct delivery 방식, 처음 만나는 노드에 번들을 전달하는 First contact 방식, 노드의 위치 정보를 기반으로 목적지와의 지리적 거리를 줄이는 방식으로 전달하는 지리적(Geographic) 라우팅 방식이 대표적인 예이다. 반면에 다중 복사본 방식은 노드 간 접촉 시 번들 메시지를 다중으로 복사하는 방식이다. 각 번들 메시지의 복사본은 독립적으로 전달되므로 다중 경로로 인한 전달 확률이 높은 장점을 가진다. 또한, 다중 경로를 통해 최적의 전달 패스를 이용함으로써 전달 지연을 최소화할 수 있다. 반면에 네트워크 자원 소모 측면에서는 큰 비효율성이 존재한다. 다중 복사본의 대표적 예로는 노드가 전달해야 할 번들 메시지의 목록을 관리하며 노드 간 접촉 시 목록에 없는 모든 번들 메시지를 교환하는 Epidemic 방식, 플러딩(Flooding)을 제어하기 위해 번들 당 복사본을 만드는 수를 제한하는 Spray and Wait, 노드 간 접촉 시 전달할 번들과 오버플로(Overflow) 시 버려야 할 번들을 스케줄링하여 우선순위를 관리하는 MaxPro 등을 들 수 있다.

상기와 같이 다양한 프로토콜 중에서 차량 네트워크 측면에서 특히 관심을 가지고 볼만한 라우팅 프로토콜이 지리적 라우팅 프로토콜이다. 지리적 라우팅은 포워딩에 대한 결정이 기본적으로 수신자의 위치에 기반을 두는 라우팅 방식으로 전달할 데이터가 있는 노드가 다른 노드를 만났을 때 상대 노드가 최종 수신자의 위치에 더 가까이 있거나 가까이 갈 가능성이 높은 노드로 데이터가 전달되는 Greedy 라우팅 방식이다. 지리적 라우팅 프로토콜은 각 노드의 위치 정보에 따라서 라우팅을 수행하므로 네트워크는 상태 정보를 유지하지 않는 비상태형(Stateless) 방식이다. 따라서 타 방식 보다 단순하고 효율적이다. 즉, 동적인 차량 네트워크에서 구성하기 어렵거나 오버헤더가 큰 네트워크 토폴로지를 구성할 필요가 없고 네트워크 자원의 소모가 적은 단일 복사본 라우팅을 사용할 수 있다. 또한, 최근 대부분 차량이 내 비게이션 시스템과 같이 GPS 정보나 차량 경로를 기본적으로 활용할 수 있는 환경이 이미 구축되어 있어 각 노드의 위치정보 활용이 용이하다는 것도 지리적 라우팅의 장점이라고 할 수 있다. <표 3>에 지금까지 제안된 주요 지연감내형 지리적 라우팅 프로토콜들의 특성을 간략히 정리하였다.

<표 3>

지연감내형 지리적 라우팅 프로토콜 비교

차량 네트워크 환경에서 안정적 종단간 연결성을 가정한 호스트 기반의 TCP/IP 기술의 한계를 새로운 네트워크 기술인 정보중심 네트워크(ICN: Information centric networking)를 기반으로 극복하고자 하는 연구가 최근 등장하고 있다. ICN은 기본적으로 정보가 위치한 호스트가 아닌 정보 자체를 기반으로 통신하고자 하는 새로운 통신 방법이다. ICN은 기능적으로 데이터를 상당 시간 저장할 수 있는 네트워크 내 캐싱(In-network caching)을 기본 요소로 포함하고 있어 지연감내형 통신을 구조적으로 지원할 수 있다 특징이 있다.

차량 네트워크의 다중홉 통신을 위해 ICN을 활용하는 경우 기존 TCP/IP 기술에 비해 응용, 이동성 및 보안의 측면에서 장점을 가질 수 있다[3]. 먼저, 응용과 관련하여서는 기본적으로 차량 네트워크의 응용 성격이 도로 노면상태나 트래픽 상황과 같은 콘텐츠를 다루거나 정보 생산자에 독립적인 정보 중심적 성격이면 ICN의 기본 개념에 잘 부합한다. ICN은 또한 기본적 기능인 애니캐스트(Anycast)와 네트워크 내 케슁을 통해 차량이 필요로 하는 정보를 정보의 이름(Name) 기반으로 가장 가까운 저장소와 같이 가장 편리한 노드에서 가져올 수 있어 이동성 관리를 간략화시킬 수 있다. 또한, ICN은 SCF 기능을 구조적으로 지원하므로 이동성으로 인한 비연결 상태에 대해서도 효율적 대응이 가능하다. ICN은 보안 측면에서 호스트 기반의 TCP/IP에서의 채널 보안과는 달리 콘텐츠 자체에 보안을 적용함으로써 개선된 보안 기능을 제공할 수 있다.

(그림 5)는 WAVE 기반의 차량 네트워크에서 ICN를 적용한 구조의 예를 보여준다. 그림에서와같이 ICN은 네트워크 및 전송 계층에서 기존 TCP/IP를 대체하는 기술로 사용될 수 있다.

(그림 5)

WAVE 구조에서 ICN 적용 예

세계가 인터넷 기반의 정보 사회로 빠르게 바뀌어 감에 따라 인터넷에 대한 접속은 유엔이 정한 인간의 기본권의 하나로 간주되고 있다. 그러나 아직 전 세계적으로 인터넷에 접속할 수 있는 인구는 전체 인구의 40%에 머물고 있고 나머지 60%의 인구는 인터넷 접속이 어려운 열악한 환경 속에서 생활하고 있는 것으로 보고되고 있다[17]. 구글의 LOON 프로젝트와 페이스북의 internet. org 프로젝트가 이러한 열악한 네트워크 환경에서 인터넷 접속을 지원하기 위해 이루어지고 있는 연구개발의 대표적인 예이다. 지연감내형 차량 네트워크는 이러한 환경에도 유용하게 활용될 수 있는 기술이다.

차량전달 네트워크는 네트워크 인프라가 확보되어 있지 않은 열악한 네트워크 환경에서 차량이 직접 데이터를 전달하는 지연감내형 통신의 한 방법으로 벽지 지역에 저비용으로 인터넷 연결을 제공할 수 있다. DakNet[18]과 이를 발전시킨 KioskNet[19]이 대표적인 기술이라고 할 수 있다. (그림 6)은 실제로 인도와 캄보디아의 시골 지역에서 서비스가 이루어진 DakNet의 개념도이다.

(그림 6)

DakNet 개념도

그림에서 각 마을(Village)에 위치한 Kiosk는 인터넷에 대한 연결을 가지지 않기 때문에 버스와 DTN 프로토콜이 Kiosk와 인터넷 연결을 가지는 인근 타운 간의 연결을 위한 게이트웨이 역할을 수행한다. 이동 엑세스 포인트 역할을 수행하는 버스는 Kiosk를 통해 마을 사용자의 인터넷 접속 요청을 받아서 이를 인터넷 접속이 가능한 타운까지 전달하고 그에 대한 응답을 받아 다시 마을 지역으로 이동한 후 Kiosk로 전달한다. 이러한 차량전달 네트워크를 통해 이메일, 웹브라우징, 원격진료, 곡물 가격 정보, 세금 납부와 같은 다양한 인터넷 기반 서비스 제공을 위한 저비용 인프라를 구축할 수 있다.

차량전달 네트워크는 도로를 따라 이동하는 교통 인프라의 특성상 네트워크 노드가 랜덤하게 이동하지 않고 확률적인 라우팅을 수행하는 PRoPHET 라우팅 프로토콜이 사용된다. PRoPHET 라우팅 프로토콜은 접촉한 노드가 목적지 노드를 만난 그동안의 기록(Delivery predictability)에 기반을 두고 복사본을 전달하는 형태로 동작한다[20].

DTN 표준화는 2000년 초 인터넷 표준 전 단계 작업을 주로 수행하는 기관인 IRTF(Internet Research Task Force) 하에서 DTN 관련 연구를 담당하는 DTNRG (Delay Tolerant Networking Research Group)라는 그룹이 생성되어 관련 기술 논의 및 표준화 작업을 수행하여 오다가 지난 2016년 작업을 최종적으로 마무리하였다. DTNRG 활동을 통해 DTN 구조[7] 및 번들 프로토콜[8]과 같은 DTN의 기반 기술에 대한 표준화가 이루어졌으나 차량 네트워크 부분까지는 진행하지 못하고 작업이 마무리되었다.

차량 네트워크와 관련해서는 그동안 BoF(Birds of a Feather) 형태로 작업이 진행되던 ITS 기술 관련 그룹이 최근 IETF(Internet Engineering Task Force) 내에 새로운 작업반(WG: Working Group)을 신설하였다. IPWAVE(IP Wireless Access in Vehicular Environments)라는 이름으로 2016년 말에 설립된 이 작업반에서는 대표적인 차량 네트워크 기술인 IEEE 802.11 OCB(Outside the Context of a Basic Service Set) 기반 기술에 인터넷 연결을 위해 IPv6를 적용하는 경우 해결하여야 하는 문제점에 대해 논의를 진행하고 있으며[21], 현재 IPv6를 차량 네트워크에 적용 시의 문제점 분석에 대한 작업들이 주로 이루어지고 있다[22]. 그러나 IPWAVE 작업반의 경우 주로 IPv6 기반의 차량 네트워크 기술을 초점을 맞추고 있어 본 고에서 다루고 있는 지연감내형 통신 관련 논의는 아직 다루어지지 못하고 있는 상황이다.

지연감내형 통신과 관련된 또 하나 주목할 만한 그룹으로는 IRTF의 ICNRG를 들 수 있다. Ⅲ장에서 전술한 바와 같이 ICN은 기본적으로 지연감내형 통신 특성을 가지고 있다. ICNRG는 ICN을 위한 기술적 이슈 발굴과 더불어 새로운 네트워크 프로토콜인 ICN를 실제로 적용하기 위한 다양한 시나리오를 개발하는 작업을 수행하였다[23]. 이 작업을 통해 차량 네트워크를 ICN의 적용을 통해 장점을 가질 수 있는 유력한 분야의 하나로 제시하였다.

2000년 초 이후 현 TCP/IP 기반의 인터넷 기술의 한계를 극복하기 위해 연구가 미래 인터넷이라는 이름으로 전 세계적으로 활발히 진행되었다. 이러한 연구의 대표적인 예가 미국 과학재단의 지원으로 수행된 NDN과 MobilityFirst 프로젝트이다. 두 프로젝트는 기본 네트워크 구조 설계 이후, 다음 단계로 새로운 네트워크 기술을 적용하기 위한 응용 분야를 적극적으로 개발 중이며 차량 네트워크가 유력한 적용분야 중 하나로 고려되고 있다.

최근 네트워크 환경이 빠르게 통신 노드들의 이동성이 증가하는 방향으로 변화하고 있기 때문에 두 미래 인터넷 구조는 모두 지연감내형 통신을 기본적으로 지원하는 구조로 설계되었다. NDN의 경우 ICN의 네트워크 내 케슁 기능을 포함하고 있어 지연감내형 통신 기능을 기본적으로 제공한다. NDN 프로젝트에서는 NDN을 자동차 네트워크 환경에 적용한 V-NDN 기술을 개발하여 차량 네트워크 환경에서의 성능의 우수성을 증명하였으며 이를 오픈소스로 배포했다[24]. MobilityFirst는 기본적으로 무선 위주의 환경에서 지연감내형 통신을 지원하기 위해 설계된 네트워크 구조로 차량 네트워크를 위한 MobilityFirst 기반의 통합적인 구조를 제안하였다. MobilityFirst는 식별자와 주소 간 매핑 시스템인 GNRS(Global name resolution system), 지역적 저장소 및 지연 바인딩(Late binding)을 통해 지연감내형 통신을 구조적으로 지원하며 시뮬레이션을 통해 대규모 차량 네트워크 환경을 효율적으로 지원할 수 있음을 증명하였다[25].