CoAP 기반 IoT통신의 성능향상을 위한 가중치가 적용된 가변 RTO 알고리즘의 설계 및 성능평가 :Design and performance evaluation of weighted variable RTO(Retransmission Time Out) algorithm for improving the performance of IoT communication based on CoAP

하용준

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자료유형: 학위논문

저자정보: 하용준 (동명대학교, 동명대학교 대학원)

지도교수: 추영열

발행연도: 2019

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2019

CoAP 기반 무선통신 성능향상을 위한 가변 RTO 알고리즘

하용준 , 김영부 , 추영열 제어로봇시스템학회 논문지 2019.11 학술저널

CoAP 기반 IoT통신의 성능 향상을 위한 가변 RTO 알고리즘

하용준 , 김영부 , 김기욱 외 1명 한국통신학회 학술대회논문집 2019.06 학술대회자료

CoAP 기반 IoT통신의 성능향상을 위한 가중치가 적용된 가변 RTO 알고리즘의 설계 및 성능평가

하용준 컴퓨터미디어공학과 2019.01 학위논문

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다양한 사물인터넷(Internet-of-Things, IoT) 응용에서 무선 센서 네트워크(Wireless Sensor Network, WSN)와같이낮은계산성능과제한된메모리용량을갖는장비들의 활용이 증대되고 있다. 국제 인터넷 표준화 기구(Internet Engineering Task Force, IETF)에서는 이와 같이 제한된 성능을 가지는 장비들의 인터넷 웹서비스를 위한 경량화된 통신 표준으로 CoAP(Constrained Application Protocol)를 제안하였다. 그러나 CoAP는 전송계층으로 UDP(User Datagram Protocol)를 사용하고 있어 TCP(Transmission Control Protocol)와 같은 전송의 신뢰성을 제공하지 못한다. 이를 보완하기 위해 확인형(CON) 메시지 형식을 제시하였고 이 형식을 사용하는 통신에서는 수신 측에서 응답을 보내도록 규정하고 있다. 또한, 메시지 송신 후 일정 시간 내 응답이 없으면 재전송 과정을 수행한다. 재전송 타임아웃 값은 RTO(Retransmission Time Out) 매개변수에 설정된다. 그럼에도 불구하고 WSN에서는 그 제한된 성능으로 인해 통신 지연이 평균 통신 지연의 10배 이상인 경우가 발생한다. 통신 오류 시 재전송 과정으로 인해 발생하는 이러한 문제는 재난감시 및 공장자동화와 같이 실시간 처리가 요구되는 응용 영역에서는 심각한 문제가 된다.
본 논문에서는 이를 해결하기 위해 CoAP 통신 규약에 정의된 RTO 매개변수 값을 동적으로 설정함으로써 통신 지연과 통신 지연의 편차 및 분산(delay variance)을 줄이는 알고리즘을 제안한다. 통신 지연의 원인 중 하나는 잡음 등으로 인한 무선 네트워크 환경의 동적 변화이다. 제안하는 알고리즘에서는 일정 기간 또는 횟수의 통신 지연시간을 측정하여 그 평균값을 계산하고 이 값에 가중치를 적용하여 다음 재전송 과정의 타임아웃 값으로 할당한다. 이를 통해 네트워크 환경의 변화를 반영하여 통신 오류 시 재전송 과정에서의 지연시간을 줄이고자 한다. 다양한 실험을 통해 제안된 알고리즘의 성능을 평가하기 위해 IEEE 802.15.4 무선 센서 네트워크 기반의 CoAP 와 HTTP(Hyper Text Transfer Protocol), 프록시(Proxy) 기능을 구현하였다. 성능 색인으로는 통신 왕복 시간(Round Trip Time, RTT)을 사용하였다. 실험에서 CoAP 통신 과정의 RTT를 1,000번씩 측정하여 평균 RTT를 구하고, 이 평균 RTT를 다음 통신 과정의 RTO 값으로 설정하였다. 실험 결과, 평균 RTT에 대한 최대 RTT 비는 14.9에서 1.5로 줄었고 평균 RTT는 단일 홉 네트워크의 경우 14%, 두 홉 네트워크의 경우 9.1%, 세 홉의 경우 9.8% 각각 줄었다.

Employment of devices such as WSN (Wireless Sensor Network) nodes, which have low computing power and limited memory size, has been increased more in various IoT (Internet of Things) applications. In order to get those devices with limited capabilities connected into Internet, IETF(Internet Engineering Task Force) proposed light-weighted standard communication protocol, CoAP(Constrained Application Protocol). However, reliable communication is unlikely to be achieved with CoAP because it adopts UDP (User Datagram Protocol) instead of TCP(Transmission Control Protocol) as the Transport Layer protocol. To cope with this flaw, IETF proposed confirmable(CON) message type, where a recipient of CON message type has to reply with response message. In addition, if there is no response from the recipient within predefined time, the sender goes through re-transmission process. The timeout value is set into RTO (Retransmission Time Out) parameter of CoAP. Nevertheless, communication delay in the worst case is more than 10 times average delay time. It happens during re-transmission process to deal with communication error, which can cause a serious problem in real-time IoT applications such as disaster prevention, factory automation, etc.
In this dissertation, I propose an algorithm that dynamically assigns RTO parameter value defined in CoAP specification to reduce the communication delay and its delay variance. Dynamic change of the wireless network environment has been considered as a reason causing communication. In proposed algorithm, delay times were measured during definite period of time or number of transmission to calculate an average delay time and set the average delay time to the timeout value for the next re-transmission process. With this scheme, the algorithm tried to adapt dynamic change of the network environment and was expected to be able to reduce the delay time during the re-transmission process caused from communication error. CoAP based on IEEE 802.15.4 WSN and HTTP (Hyper Text Transfer Protocol) were implemented to evaluate performance of proposed algorithm through various experiments. Performance index in the experiments was RTT (Round Trip Time). Every 1,000 RTT values were measured during the experiments to calculate average time delay and this average value was set to the RTO value for the next round. According to the experimental results, the ratio of the worst case RTT to average RTT was reduced from 14.9 to 1.5 and average RTT were also improved 14%, 9.1%, and 9.8% in the case of one hop network, two network, and three hop network, respectively.

Ⅰ. 서 론 1
1. 개 요 1
2. 연구 배경 및 목적 4
가. 연구 배경 4
나. 연구 목적 6
Ⅱ. CoAP 및 관련연구 동향 8
1. CoAP 표준안 8
가. CoAP 표준 8
나. CoAP 메시지 모델 9
다. 요청/응답 모델 12
라. 전송 파라미터 14
마. 관찰 옵션 16
2. CoAP 하위계층 18
가. 저속 개인용 무선망 18
나. IPv6 기반 저전력 무선 개인 네트워크 22
3. 관련 연구동향 27
가. CoAP의 혼잡제어 27
나. ISO 표준 발행-구독기반의 경량 메시지 프로토콜 30
다. CoAP의 분산 발행-구독 모델 32
라. CoAP 기반 IoT 통신의 구간별 성능 평가 34
마. 주파수 충돌회피를 통한 CoAP의 성능 향상 37
Ⅲ. 제안된 알고리즘 : 가중치가 적용된 가변 RTO 알고리즘 40
1. 가중치가 적용된 가변 RTO 알고리즘 42
가. CoAP 기반 IoT 통신의 문제점 42
나. 가변 RTO 알고리즘의 문제점 54
다. 가중치가 적용된 가변 RTO 알고리즘의 설계 59
Ⅳ. 실험 및 결과 분석 61
1. 실험내용 61
가. Cooja 시뮬레이터 및 실험환경 61
나. 가중치가 적용된 가변 RTO 알고리즘의 RTT 성능 측정 63
1) +3σ 가중치가 적용된 가변 RTO 알고리즘의 성능 측정 63
2) +6σ 가중치가 적용된 가변 RTO 알고리즘의 성능 측정 69
2. 실험 결과 분석 75
가. +3σ 가중치가 적용된 가변 RTO 알고리즘의 실험 결과분석 75
나. +6σ 가중치가 적용된 가변 RTO 알고리즘의 실험 결과분석 81
다. 실험 결과 종합 87
Ⅴ. 결 론 89
참고문헌 91
Abstract 94

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