무선 LAN에서 QoS를 보장하기 위해 IEEE 802.11e에서는 폴링 메커니즘을 이용한 비경쟁 기반의 채널 접근 방식을 사용하는 HCCA 프로토콜을 제안하고 있다. 이번 호에서는 HCCA 프로토콜의 동작 메커니즘과 MAC 선택 기능에 대해 살펴본다. 또한 2005년 상반기로 예상되는 802.11e MAC의 표준화 완료 시기에 맞춰 무선 LAN 시장을 전망해본다.
정승화_한국루슨트테크놀로지스/LWS/책임연구원
EDCA(Enhanced Distributed Channel Access) 프로토콜은 8개의 사용자 우선 순위의 트래픽에 따른 차별화된 채널 접속을 지원하는 우선적(Prioritize) QoS(Quality of Service)인 반면, HCF(Hybrid Coordination Function) 비경쟁 채널 접속 방식인 HCCA(HCF Controlled Channel Access) 프로토콜은 액세스 포인트와 스테이션 간의 계약에 기반을 두고 패러미터(Parameterize) QoS를 지원한다.
패러미터에 의한 QoS 보장
HCCA 프로토콜은 무선 매체 접근에 대한 중앙 관리를 하기 위해 액세스 포인트에 위치하는 HC(Hybrid Coordinator)를 사용한다. HC는 무선 매체를 중앙에서 통합적으로 관리하기 때문에 스테이션 간 무선 매체에 대한 경쟁을 줄임으로써 네트워크의 효율성을 증가시킨다. HC의 제어에 의해 프레임 교환을 아주 짧고 일정한 전송 지연시간으로 유지할 수 있다.
따라서 HC는 EDCA 프로토콜에서의 CW(Contention Window)와는 다르게 네트워크 상의 트래픽이 증가해도 프레임간 전송 지연시간은 증가하지 않는다. 또한 동일 HC의 제어를 받지 않지만, 같은 주파수 대역을 사용하는 스테이션을 제외하고는 전송 프레임 간 충돌 가능성은 거의 없다. 패러미터 QoS 지원을 위해 응용 서비스로부터의 특정한 QoS 트래픽에 대해 개별 맞춤화된 QoS 패러미터로 적용하고 엄격한 전송 지연과 스케줄링 제어를 한다.
HCCA에서는 패러미터화된 QoS를 요구하는 어떤 프레임의 전송을 개시하기 이전에 트래픽 스트림(Traffic Stream)이라는 가상 연결(Virtual Connection)을 우선적으로 설정한다. 트래픽 스트림은 스테이션 투 액세스 포인트의 업링크, 액세스 포인트 투 스테이션 다운링크 또는 스테이션 투 스테이션 직접 링크 모두에 해당될 수 있다. 액세스 포인트와 스테이션간에 트래픽 스트림을 설정하기 위해서는 프레임 크기, 평균 전송 속도 등의 트래픽 특성, 그리고 지연 시간과 같은 QoS 요구 패러미터들이 상호 협상 과정을 통해 교환된다. 또한 HC는 호 제어 알고리즘을 구현해 특정한 트래픽 스트림을 해당 BSS(Basic Service Set)로 받아들일 것인지를 최종 결정하는 역할을 수행한다.
HC가 스테이션에 QoS CF-Poll 프레임을 전송할 경우, 해당 스테이션에게 허용된 서비스 제공 시간인 TXOP(The concept of transmission opportunity)를 정의한 TXOP 제한 값이 QoS 제어 필드에 포함된다. 즉, HC는 TXOP를 사용해 매체 접근 시간의 할당을 제어하는 기능을 수행한다. HCCA의 중요한 QoS 패러미터중 하나인 TXOP 제한 값은 TSPEC(Traffic Specification)에 의해 결정된다. TSPEC은 스테이션에 의해 요청되며, 액세스 포인트는 네트워크 상황에 따라 TSPEC의 요청에 대해 허용 또는 거절을 할 수 있다.
일단 트래픽 스트림이 설정되면, HC는 설정된 트래픽 스트림에 요구되는 무선 대역을 액세스 포인트와 스테이션간에 할당함으로써 계약된 QoS를 제공하려 한다. HCCA의 비경쟁 주기에서는 HC가 매체에 대한 전체적인 제어권을 가지고 있으며, 경쟁 주기에서도 필요하다면 PIFS()만큼의 유휴 시간 이후에 QoS CF-Poll 프레임을 전송해 매체 접근을 가능하게 할 수 있다. 즉, 경쟁 주기에서도 폴드 TXOP를 할당하기 위해 QoS CF-Poll 프레임을 전송함으로써 매체의 제어권을 획득하게 되는 것이다. 따라서 주기적으로 반복되는 HCF 슈퍼 프레임은 비경쟁 주기와 경쟁 주기를 모두 포함한다(그림 1).
TXOP 소유자라고 불리우는 폴링된 스테이션은 QoS CF-Poll 프레임을 받으므로써 QoS CF-Poll 프레임에 정의돼 있는 TXOP 제한값만큼의 시간 동안 채널 접속에 대한 권한을 갖고 여러 개의 프레임을 전송한다. 이때 다른 스테이션도 비록 자신들에게 해당되지는 않지만 QoS CF-Poll 프레임을 받은 후에는 TXOP 시간과 일정 시간을 합해 자신의 NAV(Network Allocation Vector)를 설정하며, 이 시간 동안은 채널 접속에 대한 경쟁을 하지 않는다(그림 2).
결국 HC는 계약된 QoS 요구 사항을 만족하기 위해 QoS CF-Poll 프레임의 적절한 전송을 스케줄링해야 할 필요가 있다. 무선 매체는 시간 또는 위치에 따른 채널의 조건이 다양하기 때문에 효율적인 스케줄링 알고리즘을 만드는 것은 QoS를 지원하는데 있어서 중요한 요소 중 하나가 된다. 아주 우수한 스케줄링 알고리즘은 QoS 계약을 위반하지 않으면서 보다 많은 트래픽 스트림을 허용해 무선 네트워크의 성능을 향상 시킬 수 있도록 한다.
802.11e MAC의 선택 기능
앞에서 논의된 EDCA와 HCCA 프로토콜 이외에도 802.11e는 MAC 기능 향상을 위해 몇 가지 추가적인 선택 기능을 제공한다.
·CFB(Contention Free Burst) 방식
액세스 포인트나 스테이션은 매체 경쟁을 줄임으로써 효율성을 증가하기 위해 CFB(Contention Free Burst) 방식을 사용한다. CFB는 주어진 TXOP 시간이 남아 있고 전송해야 할 데이터가 있는 경우 사용된다. 기존 802.11에서는 또 다른 데이터를 전송할 경우 반드시 매체 접근을 위해 새로운 경쟁을 해야 하지만(그림 3a), 802.11e는 스테이션이 매체 경쟁없이 SIFS 시간 지연 후에 전송을 재기할 수 있도록 한다(그림 3b). 따라서 CFB는 DIFS와 백오프에 의한 오버헤드를 줄임으로써 효과적으로 성능을 향상시킬 수 있다. CFB는 EDCA와 HCCA에 의한 채널 접근 방식 모두에서 얻어지는 TXOP 시간 동안 사용된다.
802.11e는 주어진 TXOP 내에 전송 실패가 발생한 경우 액세스 포인트 또는 스테이션이 이를 복구할 수 있는 방법을 규정하고 있다. 즉, 다른 스테이션이 정상적인 경쟁 메커니즘을 통해 매체 접근 권한을 획득하기 이전에 TXOP 소유자가 전송을 재기할 수 있도록 한다.
또한 CFB는 802.11b와 802.11g가 혼합된 무선 LAN 환경에서 802.11g의 성능을 개선하기 위해 사용될 수 있다. 느린 전송 속도의 802.11b가 하나의 프레임을 전송할 수 있는 시간에 보다 빠른 전송 속도를 제공하는 802.11g 스테이션은 여러 개의 프레임을 동시에 전송할 수 있기 때문이다. 802.11b를 사용하는 스테이션에 할당된 하나의 프레임 전송시간과 동일한 시간으로 802.11g 스테이션에 하나의 TXOP가 할당될 수 있다.
일부 무선 LAN 업체들은 이미 자사 고유의 패킷 버스팅 기능을 구현했다. 그러나 802.11e는 다양한 장비업체의 장비간 호환성을 제공하기 위해 표준화된 버스팅 기능으로 CFB를 정의하고 있다.
블록 ACK(Acknowledgement)
기존의 802.11 MAC은 프레임을 성공적으로 수신한 후에는 ACK(Acknowledgement) 프레임을 전송한다. 블록(Block) ACK는 ACK 프레임을 받기 전에 여러 개의 데이터 프레임을 전송할 수 있도록 허용하는데, 이는 모든 프레임의 전송 과정에 발생하는 오버헤드를 감소시켜 무선 채널을 보다 효율적으로 사용할 수 있도록 한다. 블록 ACK는 액세스 포인트와 스테이션 간에 접속 설정과 협상 과정에 의해 개시된다. 블록 ACK가 설정되면 여러 개의 QoS 데이터 프레임들은 각 프레임간 SIFS의 시간 간격으로 CFB 방식을 사용해 전송된다. 802.11e에서는 두 가지의 블록 ACK 메커니즘으로써 각각 '즉각적인(Immediate)'과 '지연된(Delayed)' 방식을 정의한다.
·즉각적인 블록 ACK
즉각적인(Immediate) 블록 ACK 방식에서는 액세스 포인트나 스테이션이 주어진 TXOP 시간 내에 여러 개의 데이터 프레임을 CFB 방식으로 전송한다. CFB의 마지막 시점에 송신측은 블록 ACK 요구 프레임을 전송하며, 수신 측에서는 이전에 수신한 데이터 프레임들의 상태를 포함한 블록 ACK 프레임을 즉시 전송한다(그림 4a).
·지연 블록 ACK
지연(Delayed) 블록 ACK 방식에서도 즉각적인 블록 ACK 방식과 동일하게 CFB 방식으로 다수의 데이터 프레임을 전송한 후에 블록 ACK 요구 프레임을 전송한다. 그러나 수신 측은 블록 ACK 요구 프레임에 대한 응답으로써 블록 ACK 프레임이 지연됨을 알리기 위해 일반적인 ACK 프레임 만을 전송한다. 이후 해당 스테이션에게 새로운 TXOP가 할당될 때 송신측에 지연된 블록 ACK를 전송하게 된다(그림 4b). 지연된 블록 ACK 방식은 전체적인 지연을 향상하는 동시에, 신속히 ACK를 계산할 수 없는 낮은 성능의 시스템에 보다 많은 시간을 제공한다.
앞에서 살펴본 블록 ACK 방식 이외에도 실시간 전송을 요구하는 특정 애플리케이션에 사용할 수 있는 'No ACK' 방식도 802.11e에 정의돼 있다. No ACK 방식은 어느 정도의 프레임 손실을 감내하더라도 전송 지연에는 민감한 애플리케이션을 우선 전송하는 특징이 있다.
직접 링크 프로토콜
직접 링크(Direct Link)는 동일 네트워크에 있는 두 개의 스테이션이 액세스 포인트를 경유하지 않고 직접 데이터를 교환하는 방식이다. 기존 802.11 MAC에서는 하나의 스테이션이 동일 논리적 네트워크에 있는 다른 스테이션에게 프레임을 전송하기 위해 반드시 액세스 포인트를 통하게 돼 있다. 이 방식은 숨겨진 스테이션 문제와 같이 두 개의 스테이션이 서로의 무선 접속 범위를 벗어나 있는 경우에도 액세스 포인트를 경유해 통신할 수 있도록 한다. 하지만 이 방식은 직접 링크 방식에 비해 스테이션간 통신을 위한 무선 채널 대역을 약 절반정도 감소시키며, 전송지연에 민감한 트래픽을 효과적으로 지원할 수 없다.
802.11e에 정의된 DLP(Direct Link Protocol)는 두 개의 스테이션이 서로의 무선 접속 범위 내에 있을 경우, 스테이션 간 직접 프레임 전송을 할 수 있는 메커니즘을 제공한다. DLP의 동작 절차는 우선 직접 통신을 원하는 스테이션이 액세스 포인트에 DLP 요구 프레임을 전송함으로써 개시된다. 액세스 포인트는 DLP 요구 프레임을 상대 스테이션에 전달하고, 상대 스테이션으로부터 DLP 성공 상태를 포함한 DLP 응답 프레임을 수신해 DLP를 개시한 스테이션에게 전달한다. 이로써 액세스 포인트를 경우하지 않는 두개의 스테이션간 직접 통신이 시작된다(그림 5).
하지만 액세스 포인트가 DLP를 허용하지 않거나, 또는 상대 스테이션이 동일 네트워크에 위치하지 않는 경우에는 DLP 설정이 실패할 수 있다. 이 때 액세스 포인트는 'not allowed'나 'not present' 상태를 포함해 DLP를 개시한 스테이션에 DLP 응답 프레임을 전송한다. DLP 접속을 종료하기 위해서는 'DLP teardown' 메시지가 사용되며, 또한 DLP에 의해 연결된 스테이션은 일정 시간 이상 프레임 전송을 하지 않는 DLP 접속을 감시하기 위해 DLP 비활성 타이머(Inactivity Timer)를 유지한다.
APSD(Automatic Power-Save Delivery)
APSD(Automatic Power-Save Delivery)는 기존 802.11의 절전 모드(Power Save) 메커니즘을 개선한 방식이다. APSD는 비콘 주기의 반복되는 패턴에 근거해 스테이션에게 액세스 포인트로부터의 프레임 수신을 위해 다운 링크에 대한 스케줄링을 할 수 있도록 한다. APSD가 활성화되면 액세스 포인트는 APSD 설정 시에 정의된 비콘 주기 수만큼 APSD 스테이션의 프레임을 버퍼링 한 후에 자신의 서비스 주기에 깨어난 스테이션에 버퍼링된 프레임을 전송한다. 이 방식은 전원을 사용하지 않는 데이터 송수신이 없는 대부분의 시간 동안 사용된다. 따라서 일정 시간 동안 데이터를 전송하는 VoIP와 같은 애플리케이션에 적합하다.
VoWLAN 시장 확산에 802.11e 표준화 완료가 관건
표준화 진행 속도가 빠르게 진행되는 무선 LAN 기술에 보조를 맞추기 어려운 상황이 간혹 발생한다. 2004년 6월 802.11i 보안 관련 표준화가 완료되기 이전에 몇몇 장비 업체에서는 802.11i 표준에 기반을 둔 제품을 출시했었다.
이제 802.11e에서도 802.11i와 유사한 상황이 재현되고 있다. 2004년 내에 802.11e 표준화가 완료될 것으로 예상했으나, 최종 표준안의 승인은 2005년 상반기 중으로 예상되고 있다. 그러나 음성 서비스나 비디오와 같은 멀티미디어 애플리케이션에 대한 요구가 증가하자 Wi-Fi 협회에서는 802.11e의 드래프트 버전에 기반한 WMM(Wi-Fi Multimedia) 인증 프로그램을 2004년 9월에 발표했다.
Wi-Fi 협회에서는 무선 LAN에서 멀티미디어 QoS 구현을 위한 요구 사항을 개발하고 여러 업체들의 제품간 호환성을 인증하기 위한 상호 호환성 시험을 수행하고 있다. 현재 WMM은 인증 프로그램의 대상으로 802.11e의 경쟁 기반 EDCA 프로토콜만을 채택하고 있다. WMM 인증 프로그램은 멀티미디어를 지원하는 무선 LAN 제품의 개발뿐 아니라, TV, DVD 플레이어와 같은 가전 제품과 무선 LAN 제품의 통합에도 촉매제가 될 것이다. 또한 2005년 상반기부터는 HCCA 프로토콜을 지원하는 WSM(Wi-Fi Scheduled Multimedia) 인증 프로그램을 시작할 예정이다.
최근에는 일부 장비 업체에서 WMM 인증 프로그램을 통과한 제품을 시장에 출시하고 있다. 이런 제품들은 802.11e 표준화가 완료되면, 드래프트 버전과 최종 표준안 사이에 변경된 부분에 대해 소프트웨어 다운로드를 통한 업데이트가 가능할 것으로 보인다.
802.11e는 기존 무선 LAN 서비스업체에게도 상당한 의미를 부여할 것으로 본다. 음성, 비디오와 같이 실시간 전송이 필요한 트래픽에 QoS를 제공함으로써, 서비스 업체는 접속 매체로서 무선 LAN을 또 다른 시각으로 바라보게 될 것이기 때문이다. 특히 VoWLAN와 같이 무선 LAN을 사용한 음성 서비스의 증가 추세는 802.11e 표준화에 지대한 영향을 받을 전망이다.
이상에서 살펴본 바와 같이 802.11e MAC은 기존의 802.11 MAC의 무선 채널 접근 방식을 개선해 향후 무선 LAN에서도 QoS를 지원할 수 있도록 하고 있다. 802.11e 표준이 완료되면 그동안 사용자의 발목을 잡고 있는 무선 LAN QoS 문제가 해결되면 무선 LAN 사용 범위와 활용도가 더욱 확대될 것이다. 이를 통해 무선 LAN에서의 음성, 비디오, 멀티미디어 애플리케이션과 같은 다양한 서비스가 제공돼 무선 LAN을 통한 새로운 수익 구조를 만들어 갈 수 있게 될 것이다.
출처 - http://www.ionthenet.co.kr
