LTE 망에서 IP 주소 할당 방법 II: 두 도시 모델
IP Address Allocation Schemes II: A Case of Two Cities


목 차

I. 시작하는 글
II. IP 주소 할당 종류 (Types of IP Address Allocation)
III. 유동 IP 주소 할당 (Dynamic IP Address Allocation)
IV. 고정 IP 주소 할당 (Static IP Address Allocation)
VI. 마치는 글





본 문서는 IP 주소 할당 방법의 응용편으로, 지역적으로 떨어져 있는 도시들로 LTE 망이 구축된 환경에서 IP 주소 할당 방법을 다룬다. 유동 IP 주소를 할당하는 경우, 사용자가 어디에서 접속을 하든 동적으로 P-GW가 정해지고 IP 주소를 할당받아 PDN에 연결된다. 반면에 고정 IP 주소를 할당하는 경우에는 항상 동일한 IP 주소를 할당받고 동일한 P-GW를 통해 PDN에 연결된다. 두 도시로 구성된 LTE 망을 예로 들어 IP 주소를 할당하는 방법과 절차를 설명하고, 차이점을 살펴본다.





2013년 8월 29일

www.netmanias.com

NMC Consulting Group (tech@netmanias.com)




 
약어표
APN Access Point Name
DNS Domain Name System
EMM EPS Mobility Management
ESM EPS Session Management
eNB Evolved Node B
EPS Evolved Packet System
HSS Home Subscriber Server
IMS IP Multimedia Subsystem
IMSI International Mobile Subscriber Identity
IP Internet Protocol
LTE Long Term Evolution
MME Mobility Management Entity
PCO Protocol Configuration Options
PDN Packet Data Network
P-GW Packet Data Network Gateway
S-GW Serving Gateway
UE User Equipment


 
I. 시작하는 글
IP 주소 할당 기술문서 1편[1]은 기본편으로 사용자 단말(UE)이 동일한 지역에서 다른 시간(t=t1, t=t2)에 LTE 망에 접속할 때 LTE 망이 사용자에게 IP 주소를 할당하는 방법을 살펴보았다. 2편은 1편의 응용편으로, 지역적으로 떨어진 도시들로 구성된 LTE 망에서 사용자 단말이 다른 지역에서 LTE 망에 접속할 때 IP 주소를 할당하는 방법을 설명한다. 이 경우에도 IP 주소를 할당하는 방법은 1편에서처럼 유동 IP 주소할당과 고정 IP 주소 할당으로 구분되지만, PDN(Packet Data Network) 연결점인 P-GW를 선택하는 과정과 P-GW 선택 방법에 따라 default 베어러 경로를 설정하는 과정이 추가로 설명된다.

LTE 망이 유동 IP 주소를 할당하는 경우, 사용자 단말은 어디에서 접속하든 해당 도시에서 동적으로 IP 주소(PDN 주소)를 할당받고 P-GW를 통하여 PDN으로 연결된다. 어느 도시에서든 IP 주소 할당 절차는 1편과 동일하게 수행된다. 반면에 고정 IP 주소를 할당하는 경우에는, 사용자 단말은 어디에서 접속하든 항상 같은 IP 주소를 할당받고 정해진 P-GW를 통하여 PDN으로 연결된다. 가입 프로파일에 의해 영구적인 IP 주소가 할당되는 점은 1편과 같으나, PDN 접속점인 P-GW가 고정됨에 따라 default 베어러 경로는 UE가 접속한 도시에서 설정될 수도 있고 다른 도시를 향해 설정될 수도 있다.

본 문서의 구성은 다음과 같다. II 장에서 IP 주소 할당 방법의 종류와 특징을 설명하고, III 장에서 유동 IP 주소 할당 방법을 IV 장에서 고정 IP 주소 할당 방법을 설명한다.

II. IP 주소 할당 종류 (Types of IP Address Allocation)
본 문서는 LTE 망 환경으로 EMM 시나리오[2]에서 다룬 두 도시(City 1, City 2) 모델을 적용하였다. City 1과 City 2에는 각각 MME, S-GW, P-GW가 있다. 각 P-GW는 독립된 IP pool을 가지며 HSS는 City 1에만 위치한다. 사용자 단말은 하나의 PDN(인터넷)을 이용하고, PDN 연결을 요청할 때 PDN 주소(IP 주소)와 함께 DNS 서버 IP 주소를 같이 요구하며, IP 주소 유형은 IPv4인 경우이다. 사용자 동작 시나리오는 다음과 같다:

① City 1에서 UE를 power-on하고 LTE 망에 접속하여 PDN(인터넷) 서비스를 이용한다.
② City 1에서 인터넷 서비스 이용을 마치고 UE를 power off한 후 City 2로 이동한다.
③ City 2에 도착 후 UE를 power-on하고 LTE 망에 접속하여 PDN(인터넷) 서비스를 이용한다.

사용자 단말(UE)이 City 1 또는 City 2에서 LTE 망에 초기 접속시 MME에게 PDN으로의 연결을 요청한다 . PDN 연결을 요청받은 MME는 PDN으로 접속할 P-GW를 선택하고, P-GW는 해당 PDN에서 UE가 사용할 IP 주소(즉, PDN 주소)를 결정한다. P-GW는 default 베어러가 활성화되는 과정에서 IP 주소를 UE에게 전달하고 UE는 이 IP 주소를 사용하여 PDN 서비스를 이용한다.

두 도시 모델에서 LTE 망이 IP 주소를 할당하는 방법은 1편에서 살펴본 것처럼 유동 IP 주소(dynamic IP address) 할당 방법과 고정 IP 주소(static IP address) 할당 방법이 있다. 유동 IP 주소 할당 방법은 III 장에서 고정 IP 주소 할당 방법은 IV 장에서 설명한다. IP 주소 할당 방법 별로 P-GW를 선택하는 방법과 IP 주소를 할당하는 주체는 표 1에서 나타낸다.

 
표 1. IP 주소 할당 방법
유동 IP 주소 (Dynamic IP Addr) 고정 IP 주소 (Static IP Addr)
IP 주소 할당 P-GW
(Local IP pool에서 IP 주소를 할당) HSS
(HSS에 저장되어 있는 IP 주소를 할당)
P-GW 선택 MME가 동적으로 선택
(P-GW 선택 정책에 따라 동적으로 P-GW를 선택) HSS에 있는 고정 P-GW를 선택
(HSS에 저장되어 있는 고정 P-GW를 선택)


III. 유동 IP 주소 할당 (Dynamic IP Address Allocation)
유동 IP 주소 할당인 경우, 망은 사용자가 망에 초기 접속할 때마다 동적으로 IP 주소를 할당한다. MME는 PDN에 접속할 P-GW를 선택하여 EPS 세션(즉 PDN 연결) 생성을 요청하고, P-GW는 PDN에서 UE가 사용할 IP 주소를 동적으로 결정한다. 그림 1은 두 도시 모델에서 유동 IP 주소가 할당되는 과정을 보여준다.


그림 1. 유동 IP 주소 할당 (Dynamic IP Address Allocation)

 
IP Provisioning at P-GW
P-GW1과 P-GW2에는 UE에게 할당할 IP 주소를 가진 IP Pool과 DNS 서버 IP 주소가 사업자에 의해 미리 설정되어 있다.




IP 주소(PDN 주소) 획득과 PDN 연결
Power on 후 UE는 해당 도시에 있는 MME로 PDN 연결을 요청한다. MME는 HSS로부터 가입 프로파일을 다운로드받아 UE가 고정 IP 주소를 사용하지 않음을 확인한다. MME은 local P-GW(P-GW1 또는 P-GW2)를 선택하고 P-GW는 IP pool에서 가용한 IP 주소를 선택하여 UE에게 할당한다. Default 베어러가 설정되는 과정에서 UE는 local P-GW로부터 UE IP 주소와 DNS 서버 IP 주소를 전달받고, local P-GW를 통해 PDN(인터넷)으로 연결되어 인터넷 서비스를 이용한다.


유동 IP 주소 할당 절차
City 1 또는 City 2에서 유동 IP 주소 할당 절차는 1편[1]과 동일하다([1]을 참조).

 
IV. 고정 IP 주소 할당 (Static IP Address Allocation)
고정 IP 주소 할당 방법에서는 UE가 PDN에서 사용할 IP 주소(PDN 주소)와 PDN으로 접속할 P-GW의 ID가미리 정해져서 가입 프로파일로 HSS에 저장되어 있다. 사용자가 어디에서 LTE 망에 접속하던지 MME는 가입 프로파일에 있는 고정 P-GW를 선택하고 P-GW는 가입 프로파일에 있는 고정 IP 주소를 할당한다. UE는 어디에서 망에 초기 접속하든 같은 IP 주소를 할당받고 default 베어러는 UE와 고정 P-GW간에 설정된다. 그림 2는 두 도시 모델에서 고정 IP 주소가 할당되는 과정을 보여준다.


그림 2. 고정 IP 주소 할당 (Static IP Address Allocation)

 
IP Provisioning at HSS
HSS에는 가입자 별로 가입 프로파일이 제공되어 있다. 가입 프로파일은 PDN 접속에 사용되는 PDN 타입, PDN 주소(IP 주소) 및 P-GW ID를 포함한다.



IP Provisioning at P-GW
P-GW에는 UE에게 할당할 DNS 서버 IP 주소가 미리 설정되어 있다.




PDN 주소(IP 주소) 획득과 PDN 연결
Power on 후 UE1은 해당 도시에 있는 MME로 PDN 연결을 요청한다. MME는 HSS로부터 가입 프로파일을 다운로드받아 UE가 고정 IP 주소와 고정 P-GW를 사용함을 확인한다. 이들을 이용하여 EPS 세션(PDN 연결) 생성 및 EPS 베어러 설정 절차를 시작한다.
이로써 UE1은 어디에서 LTE 망에 접속하든 고정 IP 주소를 할당받고, P-GW1으로 default 베어러 경로가 설정되고, P-GW1을 통해 PDN(인터넷)으로 연결되어 인터넷 서비스를 이용한다. 각 도시에서 default 베어러 경로는 다음과 같이 설정된다.

• City 1: UE1 - eNB - S-GW1 - P-GW1
• City 2: UE1 - eNB - S-GW2 - P-GW1

고정 IP 주소 할당 절차
그림 4는 두 도시 모델에서 고정 IP 주소 할당 절차를 나타낸다.





그림 3. 고정 IP 주소 할당 절차
•
• City 1에서
1) [UE1  MME1] PDN (인터넷) Connectivity 요청
City 1에서 power on 후 UE1은 MME1으로 PDN Connectivity Request(PDN Type=IPv4, PCO=DNS Server IPv4 Address Request) 메시지를 전송하여 PDN 연결을 요청한다. IPv4 주소와 함께 PCO 필드에 의해 DNS 서버 IP 주소가 요청된다.
2) [MME1  HSS] LTE 망에 등록 요청
MME1은 HSS로 Update Location Request 메시지를 전송하여 UE1이 MME1의 제어를 받음을 알리고 망에 등록한다.
3) [MME1  HSS] 가입 프로파일 전달
HSS는 UE1이 MME1에 등록되어 있음을 파악하고, MME1으로 Update Location Response(IMSI, PDN Type=IPv4, PDN Address=Static UE IP(1.1.1.1), P-GW ID=P-GW1) 메시지를 전송하여 UE1의 가입 프로파일을 전송한다. 이 가입 프로파일은 UE1에게 부여한 고정 IP 주소와 P-GW ID를 포함한다.
4) ~ 5) [MME1  S-GW1  P-GW1] 세션 생성 요청
MME1은 HSS로부터 UE1의 가입 프로파일을 수신하여 UE가 고정 IP 주소(1.1.1.1)와 고정 P-GW ID(P-GW1)를 가짐을 파악한다. HSS로부터 수신한 고정 IP 주소와 UE로부터 수신한 PCO를 포함하는 Create Session Request(IMSI, PDN Type=IPv4, PDN Address=Static UE IP(1.1.1.1), PCO=DNS Server IPv4 Address Request) 메시지를 발생하고 P-GW1으로 전송한다.
6) ~ 7) [MME1  S-GW1  P-GW1] 세션 생성 응답
P-GW1은 UE1이 부여받은 고정 IP 주소와 DNS 서버 IP 주소를 포함하는 Create Session Response (IMSI, PDN Type=IPv4, PDN Address=Static UE IP(1.1.1.1), PCO={Primary DNS IP, Secondary DNS IP}) 메시지를 MME1으로 전송한다..
8) [UE1  MME1] Default 베어러 Context 활성화 요구
MME1은 UE1에게 Activate Default EPS Bearer Context Request (PDN Type=IPv4, PDN Address=Static UE IP(1.1.1.1), PCO={Primary DNS IP, Secondary DNS IP}) 메시지를 전송하여 default 베어러 context를 활성화 시킬 것을 요청한다. 이 ESM 메시지는 UE1 고정 IP 주소(1.1.1.1)와 DNS 서버 IP 주소를 포함하며, EMM 메시지인 Attach Accept 메시지에 포함되어 전송된다.
9) [UE1] PDN 서비스를 이용할 IP 주소 획득: 고정 IP 주소
UE1은 고정 IP 주소와 함께 DNS 서버 IP 주소를 획득하고, UE1과 P-GW1 간(UE1 – eNB – S-GW1 – P-GW1)에 default 베어러가 설정된다. 이제 UE1은 City 1에서 PDN(인터넷)에 연결되고 고정 IP 주소를 이용하여 언제든 인터넷 서비스를 이용할 수 있다.

UE1이 인터넷 서비스 이용을 끝내고 power off하여 LTE 망에서 detach되고, City 2로 이동하여 다시 power on 한다.

• City 2에서
10) [UE1  MME2] PDN (인터넷) Connectivity 요청
UE1은 MME2로 PDN Connectivity Request(PDN Type=IPv4, PCO=DNS Server IPv4 Address Request) 메시지를 전송하여 PDN 연결을 요청한다. IPv4 주소와 함께 PCO 필드에 의해 DNS 서버 IP 주소가 요청된다.
11) [MME2  HSS] LTE 망에 등록 요청
MME2는 HSS로 Update Location Request 메시지를 전송하여 UE1이 MME2의 제어를 받음을 알리고 망에 등록한다.
12) [MME2  HSS] 가입 프로파일 전달
HSS는 UE1이 MME2에 등록되어 있음을 파악하고, MME1에서 UE1 context를 삭제하고(그림에서는 생략됨) MME2로 Update Location Response(IMSI, PDN Type=IPv4, PDN Address=Static UE IP(1.1.1.1), P-GW ID=P-GW1) 메시지를 전달하여 UE1의 가입 프로파일을 전달한다.
13) ~ 14) [MME2  S-GW2  P-GW1] 세션 생성 요청
MME2는 HSS로부터 UE1의 가입 프로파일을 수신하여 UE가 고정 IP 주소(1.1.1.1)와 고정 P-GW ID(P-GW1)를 가짐을 파악한다. HSS로부터 수신한 고정 IP 주소와 UE1으로부터 수신한 PCO를 포함하는 Create Session Request(IMSI, PDN Type=IPv4, PDN Address=Static UE IP(1.1.1.1), PCO=DNS Server IPv4 Address Request) 메시지를 발생하여 P-GW1으로 전송한다. 이 메시지는 S-GW2를 거쳐 City 1에 있는 P-GW1으로 전달된다.
15) ~ 16) [MME2  S-GW2  P-GW1] 세션 생성 응답
P-GW1은 UE1이 사용하는 고정 IP 주소와 DNS 서버 IP 주소를 포함하는 Create Session Response (IMSI, PDN Type=IPv4, PDN Address=Static UE IP(1.1.1.1), PCO={Primary DNS IP, Secondary DNS IP}) 메시지를 MME2로 전송한다.
17) [UE1  MME2] Default 베어러 Context 활성화 요구
MME2는 UE1에게 Activate Default EPS Bearer Context Request (PDN Type=IPv4, PDN Address=Static UE IP(1.1.1.1), PCO={Primary DNS IP, Secondary DNS IP}) 메시지를 전송하여 default 베어러 context를 활성화 시킬 것을 요청한다. 이 ESM 메시지는 Attach Accept 메시지에 포함되어 전송된다.
18) [UE1] PDN 서비스를 이용할 IP 주소 획득: 고정 IP 주소
UE1은 고정 IP 주소와 함께 DNS 서버 IP 주소를 획득하고, UE1과 P-GW1 간(UE1 – eNB – S-GW2 – P-GW1)에 default 베어러가 설정된다. City 2에 있는 UE1은 City 1에서 PDN(인터넷)에 연결되어 인터넷 서비스를 이용한다.










V. 마치는 글
LTE 망은 사용자 단말이 망에 초기 접속할 때 사용자가 가입한 서비스에 따라 PDN(예, Internet, IMS)으로 PDN connectivity(IP connectivity)를 제공하고 detach될 때까지 유지함으로써 사용자에게 “always-on IP connectivity”를 제공한다. PDN connectivity는 UE에게 PDN에서 사용할 IP 주소를 할당함을 의미하며, PDN별로 PDN connectivity를 제공하므로 PDN별로 IP 주소를 할당하게 된다.
본 문서에서는 EMM 시나리오[2]의 두 도시 모델에서 LTE 망에서 IP 주소를 할당하는 방법을 살펴보았다. 유동 IP 주소 할당인 경우, 언제 어디에서 망에 초기 접속하든 접속망의 MME가 선택한 P-GW가 IP 주소를 동적으로 할당하고, 사용자는 매번 다른 IP 주소를 할당받게 된다. 고정 IP 주소 할당인 경우에는 HSS에 provisioning된 가입 정보(고정 IP 주소, 고정 P-GW ID)에 의해 매번 같은 IP 주소가 할당되고 같은 P-GW를 통해 PDN으로 연결된다.

참고문헌
[1] 넷매니아즈 기술문서, “LTE 망에서 IP 주소 할당 방법 (1편) – 기본”, July 2013, https://www.netmanias.com/ko/?m=view&id=techdocs&no=5807
[2] 넷매니아즈 기술문서, “사용자 경험에 기반한 EMM 시나리오와 11가지 EMM Case들”, September 2011, https://www.netmanias.com/ko/?m=view&id=techdocs&no=5303
[3] 3GPP TS 23.401, “General Packet Radio Service (GPRS) Enhancement for Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN) Access”
[4] NMC 컨설팅 내부 리포트, “E2E LTE Network Design”, August 2010.