LTE, WiBro, Wi-Fi의 Tunneling 기술 (2편)

Tunneling Protocol of LTE, WiMAX and Wi-Fi (Part 2)

March 28, 2012 | By 유창모 (cmyoo@netmanias.com)

코멘트 (10)

지난 시간에 이어 오늘은 단말의 이동성 지원을 위해 LTE, WiBro, Wi-Fi에서 사용되는 Tunneling 프로토콜에 대해서 알아 보도록 하겠습니다.

LTE Network: GTP Tunneling

■ IP Anchor는 누구?

P-GW(PDN Gateway)가 IP Anchoring이 되며 단말(UE: User Equipment)이 송수신하는 모든 패킷은 항상 P-GW를 통하게 됩니다.
그래서 LTE network 하부에 위치한 IP network은 단말의 IP 주소를 목적지로 하는 패킷은 항상 P-GW로 라우팅(포워딩)하게 됩니다. (그렇게 라우팅 구성을 해야 합니다)

■ Downstream (DL) 트래픽 흐름

[a] YouTube 서버에서 UE의 IP 주소를 목적지로 하는 패킷은 P-GW로 라우팅됩니다. 이 때 SIP(Source IP)는 YouTube이고, DIP(Destination IP)는 UE가 되겠죠.
[b] P-GW는 GTP Tunneling을 위한 헤더를 수신 패킷 앞에 붙이며, 이 헤더는 IP header, GTP header, UDP header로 구성이 됩니다. 이를 통해 IP network은 패킷을 UE의 IP 주소가 아닌 GTP Tunnel Header에 포함된 IP header의 목적지 주소인 S-GW(Serving Gateway)로 라우팅을 합니다.
[c] S-GW는 GTP Tunnel Header의 SIP를 자신으로, DIP를 eNB로 변경하며, 따라서 이 패킷은 eNB(eNodeB)로 라우팅됩니다.
[d] eNB는 GTP Tunnel Header 제거 후, 패킷을 UE로 전송합니다.

■ Upstream (UL) 트래픽 흐름

위 설명에서 SIP, DIP만 서로 바꾸어 생각하시면 됩니다. 즉,

UE -> eNB: SIP=UE, DIP=YouTube
eNB -> S-GW: GTP Tunnel Header내의 SIP=eNB, DIP=S-GW
S-GW -> P-GW: GTP Tunnel Header내의 SIP=S-GW, DIP=P-GW
P-GW -> YouTube: SIP=UE, DIP=YouTube

WiBro (WiMAX) Network: GRE & IPinIP Tunneling

■ IP Anchor는 누구?

HA(Home Agent)가 IP Anchoring이 되며 단말(MS: Mobile Station)이 송수신하는 모든 패킷은 항상 HA를 통하게 됩니다.
그래서 WiBro network 하부에 위치한 IP network은 단말의 IP 주소를 목적지로 하는 패킷은 항상 HA로 라우팅(포워딩)하게 됩니다. (그렇게 라우팅 구성을 해야 합니다)

■ Downstream (DL) 트래픽 흐름

[a] YouTube 서버에서 MS의 IP 주소를 목적지로 하는 패킷은 HA로 라우팅됩니다. 이 때 SIP(Source IP)는 YouTube이고, DIP(Destination IP)는 MS가 되겠죠.
[b] HA는 IPinIP Tunneling을 위한 헤더를 수신된 패킷 앞에 붙이며, 이 헤더는 IP header로 구성이 됩니다. 이를 통해 IP network은 패킷을 MS의 IP 주소가 아닌 IPinIP Tunnel Header에 포함된 IP header의 목적지 주소인 ASN-GW(ASN Gateway)로 라우팅을 합니다.
[c] ASN-GW는 IPinIP Tunnel Header를 제거하고, GRE Tunnel Header를 붙이게 되는데요. 이 GRE Tunnel Header는 IP header와 GRE header로 구성이 됩니다. 이를 통해 IP network은 이 패킷을 GRE Tunnel Header에 포함된 IP header의 목적지 주소인 BS(Base Station)로 라우팅합니다.
[d] BS는 GRE Tunnel Header 제거 후, 패킷을 MS로 전송합니다.

■ Upstream (UL) 트래픽 흐름

위 설명에서 SIP, DIP만 서로 바꾸어 생각하시면 됩니다. 즉,

MS -> BS: SIP=MS, DIP=YouTube
BS -> ASN-GW: GRE Tunnel Header내의 SIP=BS, DIP=ASN-GW
ASN-GW -> HA: IPinIP Tunnel Header내의 SIP=ASN-GW, DIP=HA
HA -> YouTube: SIP=MS, DIP=YouTube

Wi-Fi Network: Vendor Specific Tunneling

LTE, WiBro의 경우 단말의 이동성을 보장(통신의 끊김없이 이동이 가능)하는 "이동 통신"이라 표현할 수 있지만 Wi-Fi는 이동 통신 기술이라 표현하지는 않습니다. 태생의 차이라고나 할까요? Wi-Fi는 유선 Ethernet(IEEE 802.3)을 무선 Ethernet(IEEE 802.11)화 한 것 뿐이지 이동성을 염두하지 않았기 때문입니다.

하지만 Cisco, Aruba, Avaya, Meru등의 외산 벤더에서는 벤더 독자적인 터널링 프로토콜을 통해 Wi-Fi 단말의 이동성을 보장하기 위한 솔루션들을 제공하고 있습니다. 이 말은 곧, AP와 APC 사이의 터널링 프로토콜은 아직 표준이 없다는 것입니다.

Cisco의 경우 LWAPP(Lightweight Access Point Protocol)라는 이름의 터널링 프로토콜을 사용하며, 이를 RFC 5412로 표준화 하였지만 다른 AP 벤더에서 이 규격을 따르고 있지는 않지요.

■ IP Anchor는 누구?

APC(AP Controller)가 IP Anchoring이 되며 단말(STA: STAtion)이 송수신하는 모든 패킷은 항상 APC를 통하게 됩니다.
그래서 Wi-Fi network 하부에 위치한 IP network은 단말의 IP 주소를 목적지로 하는 패킷은 항상 APC로 라우팅(포워딩)하게 됩니다. (그렇게 라우팅 구성을 해야 합니다)

■ Downstream (DL) 트래픽 흐름

[a] YouTube 서버에서 STA의 IP 주소를 목적지로 하는 패킷은 APC로 라우팅됩니다. 이 때 SIP(Source IP)는 YouTube이고, DIP(Destination IP)는 STA가 되겠죠.
[b] APC는 제조사 고유 방식의 Tunneling을 위한 헤더를 수신 패킷 앞에 붙입니다. 이를 통해 IP network은 패킷을 STA의 IP 주소가 아닌 Vendor Specific Tunnel Header에 포함된 IP header의 목적지 주소인 AP(Access Point)로 라우팅을 합니다.
[c] AP는 Vendor Specific Tunnel Header 제거 후, 수신 패킷을 STA로 전송합니다.

■ Upstream (UL) 트래픽 흐름

위 설명에서 SIP, DIP만 서로 바꾸어 생각하시면 됩니다. 즉,

STA -> AP: SIP=STA, DIP=YouTube
AP -> APC: Vendor Specific Tunnel Header내의 SIP=AP, DIP=APC
APC -> YouTube: SIP=STA, DIP=YouTube

똑같은 무선 단말인데, 3GPP에서는 UE라고, WiMAX Forum에서는 MS라고, 그리고 IEEE/Wi-Fi Alliance에서는 STA라고 서로 다르게 부르는게 재밌네요.

다음 시간에는 IP 라우팅 네트워크 관점에서 LTE 핸드오버에 대해서 알아 보도록 하겠습니다.

이평호 2012-03-28 11:26:11

좋은 글과 그림 감사합니다.

하나 궁금한게 있는데요. 위 설명데로라면 비록 비표준이라지만 Wi-Fi도 LTE 처럼 handover가 되는 건가요?

넷매니아즈 2012-03-29 10:29:11

LTE나 WiBro의 경우, P-GW/HA가 진정한 IP Anchor가 되어 서울에서 부산으로 이동을 해도 IP Anchor가 변하지 않는데요.

Wi-Fi의 경우는 좀 다릅니다.
일단 APC가 커버할 수 있는 AP 개수에 제한이 있어서(예. 하나의 APC가 500개의 AP 커버), 이 APC 커버리지 밖으로 가게 되면 APC간에 또 다른 터널링(예. IPinIP Tunneling between APCs)을 해 주어야 합니다.

예를 들어, AP1는 APC1 커버리지이고, AP2는 APC2 커버리지에 있는 상황에서 단말이 AP1 -> AP2로 이동을 하면
UL 흐름: 단말 -> AP2 -> APC2 -> APC1 -> Internet
DL 흐름: Internet -> APC1 -> APC2 -> AP2 -> 단말

그리고 handover 관점에서 가장 중요한 것은 단말이 이동 하는 과정에 packet loss가 없어야 한다인데요.
Wi-Fi의 경우, Inter APC handover(APC간에 handover)가 발생을 하면 loss가 꽤 발생하는 것으로 알고 있습니다.

참고로 Wi-Fi에서는 단말의 이동을 "로밍"이라 표현합니다.

넷매니아즈 2012-05-01 10:06:10

LTE GTP 터널 패킷의 GTP와 UDP 헤더 위치가 잘못되어 있어 수정했습니다.

이정훈 2012-08-10 10:33:36

인터넷을 하기 위한 IP의 할당은 LTE P-GW가 하게 되는 거죠.?
IP 할당 과정은 어떻게 되는건가요?

넷매니아즈 2012-08-10 12:57:23

네, 맞습니다. P-GW가 IP Pool을 가지고 있어 단말(UE)에 IP 주소를 할당해 줍니다.
유선 액세스, Wi-Fi, WiMAX(WiBro) 모두 DHCP 프로토콜로 단말에 IP 주소를 할당해 주지만,
3GPP 표준인 LTE는 DHCP를 사용하지 않고 단말이 LTE 망에 접속하는 과정에서 IP 주소를 할당 받게 되어 있습니다.

자세한 내용(IP 할당 과정)은 아래 블로그 링크를 클릭해 보셔요.
■ LTE: UE의 IP 주소 할당 절차 - 유동 IP 주소: https://www.netmanias.com/bbs/view.php?id=blog&no=291
■ LTE: UE의 IP 주소 할당 절차 - 고정 IP 주소: https://www.netmanias.com/bbs/view.php?id=blog&no=292
■ LTE 초기접속 호 흐름: https://www.netmanias.com/bbs/view.php?id=blog&no=260

이정훈 2012-08-10 17:13:48

답변 감사합니다.

이지윤 2014-01-25 11:29:16

격이 다른 설명에 항상 감사하고 있습니다.
사업자별로 PGW가 여러개 있는 걸로 알고 있는데, 다른 PGW에 속한 eNB로 handover 하면 IP 주소가 바뀌어야 하는 건가요?

Netmanias 2014-01-27 10:03:42

안녕하세요? 이지윤님,
좋은 말씀 감사합니다.
맞습니다. 사업자별로 PGW는 여러개가 있습니다. 국내 통신사업자의 경우 2지역(예. 서울, 대전)에 각각 여러대의 PGW가 위치해 있습니다. 하지만 통신 중인 UE의 이동으로 인해 (1) eNB, (2) S-GW, (3) MME는 변경될 수 있지만 IP anchor에 해당되는 PGW는 변경되지 않으며 따라서 UE IP 주소 역시 변경되지 않습니다.

chofox78 2017-06-16 14:45:20

항상 많은 도움됩니다.

감사합니다.

이가람 2022-04-28 14:05:29

좋은 자료 감사합니다. 많은 도움이 되었습니다!

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