Everything can be mobile, from end-hosts to applications (or processes). Today, more and more end-hosts that include mobile devices such as smartphones are being connected with IEEE 802.11 wireless LANs (WLANs or Wi-Fi). However, mobile users are experiencing poor service quality due to the large handoff delay when they roam between different wireless Access Points (APs). The large handoff delay causes the delay in application services, especially in real-time multimedia services, such as Voice over IP (VoIP) and video conferencing. This type of mobility problem is generally categorized as link-layer (Layer 2) mobility. When roaming between subnets, end-hosts and applications are experiencing changes in their IP addresses. This results in additional handoff delay and even causes connectivity losses on the application services. In the literature, this type of mobility problem belongs to network-layer (Layer 3) mobility.
In order to provide the mobility of possible things, the link and network-layer mobility is studied in this dissertation. First, as the link-layer mobility, a new handoff scheme called Directional Handoff (DH) is proposed, which uses the geomagnetic sensor embedded in mobile devices. The proposed DH scheme predicts the movement direction of a Mobile Station (MS) from the currently associated AP and performs active scanning with a reduced number of channels.
Second, as the network-layer mobility, a new IP mobility approach called Mobility of Everything (MoE) is proposed. The need for IP mobility is arising more and more due to the increasing number of mobile devices that embed two or more wireless connectivity technologies. Meanwhile, the Virtual Machine (VM) technology is being applied to native applications, which enables the live migration of an application as an alternative to the VM mobility. The proposed MoE approach unifies possible mobility cases by using a distributed mobility system. The approach uses a hash value as an object ID, which is used to identify the specific edge switch where the object is connected. Furthermore, the approach distributes the binding information of an object ID and IP addresses throughout the network.
Over the proposed mobility approaches, a retransmission scheme called Lightweight Retransmission Protocol (LRP) is proposed. The packet loss problem that occurs during the link and network-layer handoff procedures is another cause of restricting user mobility because the packet losses degrade the quality of video. Therefore, in order to improve the quality of real-time multimedia during the handoff procedures, the proposed LRP is needed in conjunction with the link and network-layer handoff procedures.
The proposed DH scheme is implemented on commercial Android smartphones, and its performance is evaluated in a real indoor WLAN environment. The experimental results demonstrate that the DH scheme reduces the handoff delay compared to the conventional handoff and selective scanning scheme. In addition, the proposed MoE approach is implemented on OpenFlow-enabled software switches, and its feasibility is evaluated in an emulation environment. The evaluation results demonstrate that the MoE approach achieves seamless handoff of end-hosts and applications while maintaining their IP addresses. It also achieves the scalability in terms of the number of concurrent mobile objects. Finally, the proposed LRP in conjunction with the DH scheme maintains quality for real-time video even in an environment with frequent link-layer handoffs.
단말에서부터 애플리케이션(또는 프로세스)에 이르기까지 모든 것의 이동성이 가능한 시대가 다가오고 있다. 최근, 스마트폰을 비롯한 다양한 모바일 기기 및 단말들이 WLAN 또는 Wi-Fi로 대표되는 IEEE 802.11 무선 네트워크를 사용하고 있다. 그러나 이동 사용자들은 여전히 무선 Access Point (AP) 사이를 이동하는 중에 큰 핸드오프 지연 시간으로 인한 서비스 품질 저하 문제를 겪고 있다. 이러한 핸드오프 지연 시간은 애플리케이션 서비스에 지연을 유발하는데, 특히 Voice over IP (VoIP), 화상 회의와 같은 실시간 멀티미디어 서비스에 심각한 지연을 유발한다. 이러한 이동성 문제를 일반적으로 링크 계층 (2계층) 이동성 문제라 한다. 링크 계층을 벗어나 서로 다른 서브넷 사이를 사용자가 이동하는 경우, 단말과 단말에 탑재된 애플리케이션의 IP 주소가 변경될 수 있다. 이러한 IP 주소 변경은 또 다른 핸드오프 지연 시간을 유발하며, 심할 경우 애플리케이션 서비스의 연결 끊김 현상을 유발할 수 있다. 일반적으로 이러한 IP 주소 변경으로 인한 이동성 문제를 네트워크 계층 (3계층) 이동성 문제라 한다.
본 논문에서는 이동 가능한 객체에 이동성을 부여하기 위하여 링크 및 네트워크 계층에서의 이동성 문제를 다룬다. 먼저, 링크 계층 이동성 제공 기법으로서 방향 핸드오프(Directional Handoff) 기법을 새로이 제안한다. 제안하는 방향 핸드오프 기법은 모바일 기기에 내장된 지자기 센서를 사용하여 사용자(또는 모바일 단말)의 이동 방향을 예측하고, 예측한 방향을 토대로 이동 방향에 있는 AP의 채널에 대해서만 채널 스캐닝을 수행한다.
네트워크 계층 이동성 제공 방법으로서는 만물 이동성(Mobility of Everything (MoE)) 방법을 새로이 제안한다. 네트워크 계층(또는 IP 계층) 이동성은 최근 2개 이상의 무선 통신 기술을 갖춘 모바일 기기의 확산과 더불어 그 중요성이 증가하고 있다. 또한, 가상 머신 기술이 애플리케이션에 하나둘씩 적용됨에 따라 가상 머신 이동성 기술의 대안으로서 애플리케이션 이동성 기술이 주목받고 있다. 제안하는 MoE 접근법은 이러한 단말 IP 이동성과 애플리케이션 이동성 기술을 분산 시스템을 사용하여 하나로 통합하였다. 제안하는 방법은 하나의 이동 객체를 대표하는 해시값인 객체 ID를 주로 사용하여 패킷 라우팅을 수행하는데, 객체 ID는 객체가 현재 연결된 가장자리 스위치를 지적하는 데 사용된다. 또한, (객체 ID-연결 스위치) 바인딩 정보를 네트워크상에 분산 해시 테이블(Distributed Hash Table (DHT))을 사용하여 분산시킴으로써 단일 고장점 문제를 해결하고 확장성을 제공할 수 있다.
본 논문에서는 추가로 이러한 이동성 제공 기법들 상에서 동작하는 경량 재전송 프로토콜(Lightweight Retransmission Protocol (LRP))을 새로이 제안한다. 제안하는 LRP는 링크 및 네트워크 계층 핸드오프 과정에서 손실된 패킷을 재생 한계 시간 이전에 재전송하는 역할을 수행한다. 이러한 패킷 손실 문제는 비디오 서비스의 품질을 저하시키기 때문에 사용자의 이동성을 제한하는 또 다른 요인이 된다. 따라서 핸드오프 과정 중 실시간 멀티미디어의 품질을 향상하기 위해서는 제안하는 LRP를 링크 및 네트워크 계층의 이동성 제공 기법들과 함께 사용할 필요가 있다.
제안하는 방향 핸드오프 기법은 상용 안드로이드 스마트폰에서 구현되었으며, 그 성능은 실내 무선 랜 환경에서 평가되었다. 평가 결과는 방향 핸드오프 기법이 기존 핸드오프 기법 및 선택적 스캐닝 기법 대비 핸드오프 지연 시간을 효과적으로 줄이는 것을 확인할 수 있었다. 제안하는 MoE 접근법은 OpenFlow 프로토콜이 동작하는 소프트웨어 스위치에서 구현되었으며, 그 가능성을 에뮬레이션 환경인 Mininet을 통해 검증하였다. 검증 결과, 제안하는 MoE 접근법은 IP 주소를 유지한 체 단말 이동성뿐만 아니라 애플리케이션 이동성을 지원함을 확인할 수 있었다. 또한, 제안하는 MoE 접근법은 연결된 이동 객체 정보의 분산을 통해 확장성이 있음을 확인할 수 있었다. 마지막으로, 제안하는 LRP를 링크 계층 이동성 제공 기법인 방향 핸드오프 기법에 적용하였을 경우 단말이 잦은 핸드오프를 수행하더라도 실시간 비디오의 품질을 일정하게 유지함을 확인할 수 있었다.
