Multicast WiFi에 대해 알아보자.

요즘 4차 산업의 핵심 화두는 IOT, AI, 5G 인 것 같다. 물리 세계로 내려오면 IOT 단말, UAV, UGV 등을 타겟으로 개발하게 되는데, 이는 필연적으로 1대N 제어, 혹은 N개의 제어 모듈이 M개의 기기를 무선으로 제어하게 될 것이다. 그렇다면 장치 간 무선 통신에 대해 연구가 수반될 필요가 있으며, 흔히 사용되는 무선 네트워크 장비인 WIFI는 이러한 기능이 가능할까?

 

이와 관련하여 Multicast Wifi에 관련하여 조사해보고자 한다.

 

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본문

용어의 정의부터 알고 가자.[1]

Unicast, Broadcast, Multicast는 네트워크의 통신 방식이라고 한다.

Unicast

1:1 통신, 네트워크 상의 특정 노드에게 정보를 송신하는 것을 의미한다.

Broadcast

1:All 통신, 네트워크 상의 모든 노드에게 정보를 송신하는 것을 의미

Multicast

1:N 통신, 네트워크 상의 모든 노드가 아닌 특정 다수의 노드에게만 정보를 송신하는 것을 의미한다.

IEEE 802.11

무선 랜, WiFi라고 부르는 무선 근거리 통신망(WLAN, Wireless Local Area Network)을 위한 컴퓨터 무선 네트워크에 사용되는 기술이다.

 

Multicast Wifi의 작동 방식[6]

멀티 캐스트에서, 송신자는 누가 수신자가 누구인지, 심지어 얼마나 많이 수신받는지 모른다. 의도한 수신자에게 닿을 주어진 트래픽 집합을 위해서 트래픽을 Multicast Groups에게 보낸다.트래픽은 송신자의 Unicast source IP와 선택된 Multicast group의 목적지 IP와 같이 보내진다.

수신받는 단에서는, 수신자는 Internet Group Management Protocal (IGMP)를 사용하여 multicast group을 구독한다. Multicast group에 가입하고 싶어하는 스테이션은 IGMP Membership report/Join message를 해당 그룹에게 보낸다. 그러면 멀티캐스트 패킷이 수신되면, 네트워크 장비는 의도한 수신자에게 패킷을 전달한다. IGMP snooping을 지원하지 않는 네트워크 장비는 같은 방법으로 패킷을 전달하지만 broadcast이다.

 

Multicast Wifi의 문제점

Wifi의 Muticast 의 잘 알려진 문제점은 다음과 같다. [2,3,6]

낮은 신뢰성 Low Reliability

Access Point에서 수신자로의 패킷에 대한 답신이 누락되기 때문에, Access Point는 재송신이 필요한지 알 겨를이 없다. 심지어 유선 인터넷 상에서 이러한 특성은 공통적으로 원치않는 높은 오차율을 유발하며, 수십년간 프로토콜이 사용가능함에도 불구하고 멀티캐스트 응용의 상대적으로 느린 적용에 한 몫했다. 무선 연결의 상황은 더 최악이며, 기저에 깔린 트래픽의 존재에 더욱 예민하다.

낮은 데이터 전송 속도 Low Data Rate

Access Point와 관련된 무선 스테이션에서, 잘 수신하기 위해 필요한 전력은 스테이션간 다양하다. Unicast에서의 목표는 목적지로의 데이터 전송 속도를 최대화하면서 전력 소비를 낮추는 데에 있다. Multicast에서의 목표는 멀티캐스트 패킷을 올바르게 받을 수신자의 숫자를 최대화하는 데에 있다. 이러한 목적을 위해서, 일반적으로 Access Point는 심지어 가장 먼 스테이션이 패킷을 수신받기 위해 충분한 전력 수준에서 더욱 낮은 데이터 전송 속도을 가져야만 한다. 결론적으로, 예를 들면 비디로 스트림의 데이터 전송 속도는 적어도 신뢰할만한 수신기의 환경 배치에 제약받는다.

높은 전파 간섭 High Interference

앞 절에 언급된 것과 같이, 멀티캐스트 전송은 일반적으로 많은 수신기에 unicast로 보낼 때보다 더 많은 전력 수준에서 진행된다. 높은 전력 수준은 직접적으로 더 큰 전파 간섭의 원인이 된다.

높은 전력 소비 High Power Consumption

멀티캐스트 전송의 특징 중 하나는 모든 스테이션이 멀티캐스트를 수신하기 위해 깨어나는 구성을 가져야만 한다는 것이다. 심지어 받은 패킷을 결국 버리더라도 말이다. 이러한 과정은 멀티캐스트 수신 스테이션의 전력 소비에서 상대적으로 큰 충격을 가진다.

 

Multicast Wifi 문제점에 대한 대안[2,6]

최소 데이터 전송 속도의 증가

높은 전송 속도는 전송에 소모되는 시간을 줄이며, 멀티캐스트 트래픽의 처리량을 증가시킨다. 이는 또한 배터리로 구동되는 장치가 프레임을 듣는데 사용해야만 하는 시간을 줄일 수 있다. 그러나 다른 설계나 배치 구성은 무선 네트워크가 이를 지원할 수 있음이 확실시되도록 만들어져야한다.

Multicast-to-Unicast Conversion(M2U)

M2U는 unicast 패킷이 답신을 주며, 손실을 방지하기 위해 필요하다면 재송신한다는 이점이 있다.

무선 AP의 다양한 벤더는 M2U를 지원한다.

802.11n을 이용하는 방법

더욱 신뢰성있으며 고수준의 신호-노이즈 비율을 제공한다.

논문[9] 읽기는 나중에..

 

 

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참고문헌

 

1. "손에 잡히는 방송통신융합 시사용어 - 멀티캐스트," terms.naver.com/entry.nhn?docId=3586911&cid=59277&categoryId=59279

2. Pekins, C., and BcBride, M., "Multicast Wifi Problem Statement," 2017. tools.ietf.org/id/draft-mcbride-mboned-wifi-mcast-problem-statement-01.html

3. Chandra R., Karanth S., Moscibroda T., Navda V., Padhye J., Ramjee R., and Ravindranath L., "DirCast : A Practical and Efficient Wi-Fi Multicast System," tools.ietf.org/id/draft-mcbride-mboned-wifi-mcast-problem-statement-01.html#rfc.section.2

4.  이상준, "기획연재) 데이터기반 스마트공장/데이터 기반 스마트공장 접근 방법 연재5 - 네트워크 구축 시 고려 사항," 생산제조 전문 매거진 MFG, 2020. www.mfgkr.com/archives/14594

5. Dujovne D., and Turletti T., "Multicast in 802.11 WLANs : An Experimental Study," RR-5947, INRIA, 2006, pp.23. hal.inria.fr/inria-00084130v2/document

6. Nathanwiens, "Mutlcast over Wireless," 2019. wirelesslywired.com/2019/05/02/multicast-over-wireless/

7. "IEEE 802.11," ko.wikipedia.org/wiki/IEEE_802.11

8. "802.11n," ktword.co.kr/abbr_view.php?nav=&m_temp1=4316&id=376

9. Kostuch, A., Gierlewski, K., and Wozniak, J., "Performance Analysis of Multicast Video Streaing in IEEE 802.11 b/g/n Testbed Environment," WMNC 2009, pp.92-105., 2009. www.google.com/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=&ved=2ahUKEwiEuJ-bi6zsAhWEE4gKHSt2CcQQFjAAegQIBBAC&url=https%3A%2F%2Flink.springer.com%2Fcontent%2Fpdf%2F10.1007%252F978-3-642-03841-9_9.pdf&usg=AOvVaw2CxSRLpCOilCHF3LCzg2Cg

 

참고문헌 요약

 

[2] Multicast Wifi의 문제점으로 낮은 신뢰성, 낮은 데이터 전송률, 높은 전파 간섭, 높은 에너지 소모 등을 소개하고, Wifi를 이용한 Multicast 문제에 대한 공통적인 대안으로 응답가능하며 손실을 막기위한 재전송을 하는 'Multicast 트래픽을 Unicast로의 전환(MC2UC)', 신뢰성 있고 더 높은 신호-노이즈 비율을 제공하는 '802.11n의 사용'을 소개한다.

[3] Multicast Wifi의 대안으로 DirCast를 제안한다. Dircast는 Muticast 트래픽을 Unicast로 변환하여 처리하는 방법의 일종이다.

[4] 스마트공장의 무선 네트워크 망 구축 시의 무선 네트워크 솔루션, 무선랜(WIFI), 산업용 무선통신, LoRA에 대해서 다루고, 이 3가지의 장단점을 비교한다.

[5] WiFi 네트워크의 배치는 폭발적인 속도로 계속 성장하는 동안, WiFi 호환 장치에서 멀티 캐스트 멀티미디어 전송 서비스는 여전히 개발의 초기 단계에 머물러 있다. 이의 범인은 IEEE 802.11 MAC 프로토콜, 특히 멀티캐스트를 사용할 때의 피드백 메커니즘의 부재이다. 최근 리더-기반 메커니즘이 이 문제를 극복하기 위해 제안되었다. 본 논문에서는 기간 멀티캐스트 전송 메커니즘의 특징을 계측하고 이의 결함을 분석한다.그리고 리더-기반 접근의 성능을 연구하고 표준 멀티캐스트 서비스와 성능을 비교한다.

[6] Multicast WiFi에 대해 설명하는 포스팅이다. Multicast에 대한 설명, 작동 방식, 문제점 그리고 대안에 대해서 소개한다.