QoS Enhancement Based on Link Quality in Tactical Data Link of KVMF

This paper suggests an algorithm to improve QoS by using DTR bit employed in the MIL-STD-188-220 protocol, when there is a multi-path between source and destination in the environment of KVMF tactical network supporting NCW. The MIL-STD-188-220 protocol can evaluate the link quality relatively but it cannot support optimal path selection for QoS. In order to solve this problem, we design an algorithm for selecting path using topology table which reflects measured DTR of path after the completion of transmission. The performance of the proposed algorithm has been evaluated by OPNET simulator. As a result of the simulation, it is found that QoS of proposed algorithm is enhanced higher than that of the MIL-STD-188-220 in the aggravated communication environment. First Author : 국방과학연구소 2기술연구본부 국방사이버기술센터, koohyung@add.re.kr, 정회원 * 국방과학연구소 2기술연구본부 ** (주)유큐브 기술연구소 논문번호:KICS2013-08-373, 접수일자:2013년 8월 30일, 심사일자 : 2013년 10월 28일, 최종논문접수일자:2014년 2월 4일 I. 서 론 현대전의 양상은 화력·기동의 플랫폼 중심에서 네 트워크 중심전(NCW : Network Centric Warfare)으 로 바뀜에 따라 보다 많은 전장정보를 신속하게 수집, 종합 분석하여 실시간 전장상황을 파악, 신속하게 지 한국통신학회논문지(J-KICS) '14-02 Vol.39C No.02 140 휘결심하고, 적보다 먼저 타격하기 위한 지휘·통제 결 심지원체계가 필요하다. 그러나 현재 한국군의 무기 체계는 다양한 전술데이터링크를 사용함에 따라 상호 무기체계간의 원활한 연동 및 상호운용이 어렵기 때 문에 신속한 지휘·통제 결심을 하는데 많은 제약이 따 른다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 최근 들어 다양한 형태의 통합 전술 데이터링크가 개발되고 있 으며, 한국군은 NCW를 대비하여 한국형 가변 메시지 포맷 (Korean Variable Message Format: KVMF) 전 술 데이터링크 기술 확보를 위하여 2004년부터 연구 개발을 추진 중에 있다 . 한국군과 미군에서 사용하는 대표적인 Ad-hoc 프 로토콜인 MIL-STD-188-220은 FM무전기를 사용하 여 중계기능을 수행할 수 있도록 해주며, OSI 7 계층 중 하위 3계층만을 정의하고 인터넷 계층(Internet Layer)이상의 계층은 상용 방법을 그대로 사용한다. MIL-STD-188-220 프로토콜은 수행되는 서비스에 관 한 정보를 송수신하기 위하여 상위 및 하위 계층 간에 상호 작용을 한다. 이러한 상호 작용을 통하여 전달되 는 매개변수로부터 수행되는 서비스가 요구하는 서비 스 품질(QoS: Quality of Service)을 확인할 수 있다. QoS는 인트라넷 헤더의 DTR(Delay, Throughput, Reliability) 비트로 표시하며, 우선도(Precedence)와 조합되어 데이터 링크 계층에서 운용 타입을 선택하 여 해당 서비스에 대한 QoS를 보장하도록 설계되었 다 . 하지만 송신지와 목적지 사이에 다중경로가 존 재하는 환경에서는 데이터 링크 계층에서 운용 타입 을 결정하더라도 QoS를 보장할 수 있는 경로를 선택 할 수 있는 지표를 제공하지 못하는 한계가 있다. 이를 극복하기 위해 본 논문에서는 다중 경로에서 MIL-STD-188-220 프로토콜이 선택적으로 제공하는 링크 품질(Link Quality) 기능 및 명확하지 않은 품질 측정 방안을 개선하기 위한 알고리즘을 제안하였다. 상대적인 수치로 통합적인 품질을 평가하는 Link Quality 기능을 [5] 구체적인 수치로 요구사항에 따른 품질을 제공함으로써 최적의 경로를 선택하게 되고, 이는 전체 망 성능을 향상시킬 수 있다. 본 논문의 구성은 2장에서 군 환경에서의 Ad-Hoc 네트워크 및 MIL-STD-188-220 프로토콜의 인트라넷 계층에 대하여 간략히 기술하고, 3장에서는 제안하는 알고리즘의 성능에 대한 평가 및 분석을 시뮬레이션을 통해 확인한다. 마지막으로 4장에서는 결론을 맺는다. II. 본 론 본 장에서는 군 환경에서의 Ad-Hoc 네트워크 및 MIL-STD-188-220 프로토콜에 대하여 간략히 기술하 고, 제안하는 알고리즘에 대하여 설명한다. 2.1 군 환경에서의 Ad-Hoc 네트워크 현재 육군은 네트워크 체제를 기반으로 지상 전술 C4I (Command, Control, Computer, Communication and Intelligence) 시스템을 정비 및 실현화 중에 있다. 지휘관이 전장에서 성공적인 지휘 및 통제를 하기 위 해서는 정확한 시간과 장소에 정확한 정보를 필요로 하며, 통신 수단을 이용하여 신속히 정보를 전파 또는 송신해야 한다. 또한 같은 망에 속한 단말기들이 데이 터를 전송할 때, 데이터 충돌 상황이 발생하지 않아야 한다. 군 환경에서의 각각의 노드는 모두 이동성이 있 는 모바일 노드이기 때문에 각각의 단위부대에 의한 Ad-Hoc 네트워크를 기반으로 NCW 환경이 완성될 수 있을 것이다. 그러나 이러한 모바일 노드의 이동을 전제로 구성된 Ad-Hoc 네트워크라 할지라도 각각의 모바일 노드가 가지고 있는 이동성에 의한 많은 제약 과 전체 네트워크의 불안정성을 완벽하게 극복하지는 못하고 있는 실정이다. 특히 산악 지형이 많은 우리나 라의 특성상 이동 노드의 일부 또는 전체가 수시로 네 트워크에 나타나거나 사라질 수도 있는 상황을 고려 하여 본 연구에서는 특정 경로에 대해 폐쇄구간을 지 정하여 유사한 환경이 될 수 있도록 고려하였다 . 2.2 MIL-STD-188-220 프로토콜 2.2.1 토폴로지 업데이트 및 경로 선택 토폴로지 업데이트 기능은 네트워크내 노드가 자신 의 개별 라우팅 트리를 이웃노드들에게 멀티캐스트하 여 토폴로지 정보를 얻고 관리하는 기능을 수행한다. 토폴로지 업데이트 데이터 구조는 그림 1과 같다 . 그림 2에서 Node Status Byte는 토폴로지 업데이 트 메시지를 송신 또는 중계한 발신자의 주소(인트라 넷 헤더의 발신자 주소에 나타난 주소)와 그 선행 노 드 사이의 링크를 묘사한다. Node Status Byte에서 LINK QUALITY 필드는 해당 노드와 선행 노드 사이의 링크의 품질 정보를 나 타낸다. 링크의 품질을 알 수 없는 경우 연결 품질이 0으로 설정된다. 링크 품질 값이 증가할수록 링크의 상태는 좋지 않다는 것을 나타낸다. HOP LENGTH 필드는 자신과 해당 노드의 거리를 나타내며, NR 필 논문 / KVMF 전술네트워크에서 링크 품질에 기반한QoS 향상 방안 141 Link Quality Description 0 Unknown 1 Best Link 2 3 4 5 6 Worst Link 7 Static Node 표 1. 토폴로지 링크 품질 값 Table 1. Topology Link Quality Value 그림 1. 토폴로지 업데이트 데이터 구조 Fig. 1. Topology Update Data Structure 그림 2. 노드 상태 바이트 Fig. 2. Node Status Byte 드는 중계 기능에 대하여 활성/비활성을 나타낸다. 마 지막으로 QUIET 필드는 설정이 되어 있는 경우 어떠 한 트래픽도 송신하지 않는다. LINK QUALITY 필드 가 7로 설정되어 있으면, 고정 노드이다. 고정 노드는 데이터 링크 주소가 미리 할당 되고, 네트워크에 들어오 고 나감으로써 인트라넷 토폴로지에 영향을 미치지 않 는다. 표 1은 토폴로지 링크 품질 값에 대한 표이다 . MIL-STD-188-220 프로토콜에서 경로 선택과정은 토폴로지 테이블을 기반으로 결정되며 절차는 다음과 같다. 토폴로지 업데이트 메시지를 수신한 지국은 각 필드를 확인하여 토폴로지 테이블을 작성한다. 토폴로 지 테이블은 인근 지국들의 정보를 저장하며, 상위 계 층에서 전송을 요청하는 메시지가 도착하면 목적지 주소까지의 경로를 탐색하는데 사용된다. 다중 경로가 존재하면 기본적으로 최소 홉 수(shortest path) 기반 으로 경로를 선택한다. 동일한 홉 수의 경로가 존재하 는 경우 표 1의 정보를 사용하여 경로를 결정할 수 있 다. 하지만 링크 품질 기능을 선택적(optional)으로 제 공하며 , 링크 품질의 수치는 정의하고 있으나 측정 방안은 구현의 쟁점 중 하나이다. 즉, 명확하지 않은 측정 방안으로 인해 링크 품질 기능은 개발사에 의존 하고 있는 상태이다. MIL-STD188-220 프로토콜에 서 링크 품질을 사용하지 않는 경우에 동일한 홉 수를 갖는 경로가 다수 존재하면, 링크 품질을 알 수 없기 때문에 일반적으로 후보 경로를 순차적으로 변경하여 전송을 시도한다.