최근에 특정한 성능을 요구하는 응용(Application)을 운영하는 네트워크 환경에서 높은 가용성과 신뢰성이 요구되고 있다. 뿐만 아니라 실시간성과 보안 문제도 해결이 요구되고 있다. 본 연구의 목적은 오스트리아의 항공 교통 운항 통제를 위한 네트워크 응용을 이러한 ...

최근에 특정한 성능을 요구하는 응용(Application)을 운영하는 네트워크 환경에서 높은 가용성과 신뢰성이 요구되고 있다. 뿐만 아니라 실시간성과 보안 문제도 해결이 요구되고 있다. 본 연구의 목적은 오스트리아의 항공 교통 운항 통제를 위한 네트워크 응용을 이러한 사항을 고려하여 전국가적으로 통합하는 것이다. 다수의 운영 센터와 무선 송신탑이 국가적 인터넷 기반망(IP WAN)에 연결되어있는 네트워크 환경에서 다양한 응용을 높은 가용성, 신뢰성, 실시간성, 보안을 고려하여 통합하는 것이 본 연구의 목적이다.
다양한 응용 중에서 VoIP(Voice over Internet Protocol)이 항공 교통 통제의 목적으로 가장 큰 주목을 받고 있다. 네트워크 응용이라는 측면에서 VoIP는 일반적인 아날로그-디지털 스위치 통신 환경을 대체해가고 있다. IP 네트워크가 음성 통신뿐만이 아닌 화상 통신 및 다양한 부가 서비스를 제공함으로서 많은 통신사들이 PSTN(Public Switch Telephone Network)으로 전환중이다. 또한 인터넷의 제공 범위와 대역폭이 증가함으로써 VoIP로의 전환이 개인 또는 회사의 인터넷 사용자들에게 확산되고 있다. 그러나 VoIP 기술은 통신의 안전성이 최우선시 되는 통신 응용 환경, 즉 비상전화망 등으로 이제 막 진입하고 있는 시점이다. 네트워크상의 보안뿐만이 아닌 가용성이 항공 교통 관제에 큰 이슈로 부각되고 있다. VoIP 는 IP(Internet Protocol) 네트워크에서 라우터, 스위치, 게이트웨이 등의 구성요소에 기반을 둔다. 한 네트워크 노드나 링크에 결함(failure)이 발생하면 특정한 두 엔드시스템(Endsystem) 간에 새로운 경로(path)가 반드시 수 밀리초만에 재설정되어야 고가용성을 달성할 수 있다. 따라서 네트워크는 즉시 재구성(reconfigure) 할 수 있는 능력을 갖추어야 한다. 정적 라우팅 알고리즘이 해답이 될 수 있지만 동적 라우팅 기술을 이용하여 관리 및 운용의 복잡도를 낮출 수 있다.
일반적으로 계층 2나 계층 3의 네트워크 규약(Protocol)인 STP(Spanning Tree Protocol), RSTP(Rapid Spanning Tree Protocol), LACP(Link Aggregation Control Protocol), IS-IS(Intermediate System to Intermediate System Protocol), OSPF(Open Shortest First) 등이 수초 또는 수분이 소요되는 네트워크상 회복(Convergence)을 허용하는 환경에서 이용된다. 본 연구과제는 OSPF 라우팅 규약과 라우팅 규약과 별개인 Hello protocol, BFD (Bidirectional Forwarding Detection)을 위주로 연구가 진행되었다. COTS (Common off the shelf; 상용) 계층2 또는 계층3 네트워킹 하드웨어(Hardware)를 이용하는 토폴로지(Topology)에서 이 두 규약을 검증하고자 한다. 본 연구에서는 연구목표를 달성하기 위한 엔드시스템의 구성과 구현을 세부목표로 한다. 기반 네트워크구조를 바꾸지 않고 엔드시스템의 기능만으로 본 연구의 목표를 달성하기 위하여 엔드시스템간의 스위칭 시간 감소에 연구의 역량을 집중하고 있다. 그 결과로 가격대성능비를 만족하는 고가용성 네트워크가 달성될 것이며 밀리초(millisecond)단위의 회복시간을 가지게 될 것이다.
이에 덧붙여 추가로 성층권에 전개된 무선라우팅 장비에 의한 백업(Back-up) 네트워크를 구성하였다. HAP(High Altitude Platforms)이라 불리는 무인비행선, 무인비행기 등을 이용하고 이러한 무인장비에 무선라우팅 장비를 탑재함으로써 하나의 베이스 스테이션 역할을 할 수 있다. 이러한 HAP 들을 성층권인 고도 약 21Km 범위에 다수 전개함으로써 지상망의 붕괴 또는 이상동작시 효과적으로 기존 망을 백업할 수 있다. 본 연구에서는 이를 위하여 다수의 HAP이 지상 이동노드를 서비스하기 위하여 위치하여할 최적의 위치를 계산하는 문제에 집중하였다. Expectation-Maximization 알고리즘을 이용하여 지상 노드들을 클러스터링 하고 그 센트로이드에 HAP MBS를 배치하여 적절한 네트워크 구성을 실시하였고, 이렇게 실시된 구성방법이 ITU의 권고안을 만족함을 보였다. 추후의 연구는 지상망과 HAP 기반 백업망의 연동에서 시작하여 최종적으로는 서로 다른 두 망의 유연한 연결 및 통합에 있다고 판단된다.

Within the last years, network applications requires higher availability and reliability for critical application environments. In addition, realtimeness and security issues also have been addressed. The purpose of this research is nationwide integrat ...

Within the last years, network applications requires higher availability and reliability for critical application environments. In addition, realtimeness and security issues also have been addressed. The purpose of this research is nationwide integration of network application for Air navigation control centers for the Republic of Austria with this critical requirement. There are big internet infrastructure between several operation centers and wireless transmission towers nationwide. With this networking environment, this research integrates various network applications over internet with the consideration of high availability, reliability, realtimeness and security.
Among the various applications, VoIP (Voice over Internet Protocol) calls the attention of Air navigation since voice communication is the most for the air traffic control. From the aspect of network application, VoIP replaces more frequently common analog and digital circuit switched communication technologies. Due to the use of the IP network not only for voice communication but also for numerous additional services, advantages for companies which extend their PSTN (Public Switch Telephone Network) by VoIP can get achieved. Additional, the internet coverage and bandwidth increase, forwards VoIP propagation among private and commercial internet users.
Actual VoIP technology makes its entrance in safety critical communication applications like emergency call systems. Hence not only network security but also availability issues arise for Air navigation control. VoIP operates on the base of IP (Internet Protocol) networks and therefore on the base of routers, switches, and gateways. If a node or link failure results in a communication breakdown, a new path between two endsystems should be found within milliseconds for availability issues. Therefore the underlying network has to reconfigure itself straight away. Even static routing algorithms can be an appropriate solution for this problem, the maintenance complexity decreases by using dynamical routing technologies. Common Layer 2 and Layer 3 network protocols like STP (Spanning Tree Protocol), RSTP (Rapid Spanning Tree Protocol), LACP (Link Aggregation Control Protocol), IS-IS (Intermediate System to Intermediate System Protocol), or OSPF (Open Shortest First) are commonly used in networks even a failover of some seconds or nearly a minute seems to be sufficient there. This VOLARE project takes a look at the OSPF routing protocol and the routing protocol independent Hello protocol BFD (Bidirectional Forwarding Detection). In a topology using COTS (Common off the shelf) Layer 2 and Layer 3 networking hardware its use for time critical VoIP applications is verified. Actually only the end-systems are of interest the switching time within the network between the end systems will be discussed. The result of this work should be a well-priced, highly available network which reaches failover times down to milliseconds.
In order to maintain high availability, another back-up network has been introduced. High Altitude Platforms (HAP) are one of the useful solution for carrying wireless network routers. In other words, those HAPS can work as mobile base stations (MBS). Deployed around 21Km height, multiple HAPS can back-up the terrestrial network in case of its corruption or any unavailable situation. In this research, we focused configuration problem of HAP based backup network. In order to place HAP　MBS on the proper location for maximum availability of network, Expectation-Maximization algorithm used in order to cluster ground nodes and HAP MBS were put on the centroid of each cluster. Our result meets the requirement of ITU recommendations and we guess it is one of the useful solution for backup network configuration. One of the possible next research will be the joint operation between terrestrial network and HAP based backup network and finallly seamless integration between those two networks.

VoIP 기술은 통신의 안전성이 최우선시되는 통신 응용 환경, 즉 비상전화망 등으로 이제 막 진입하고 있는 시점이다. 네트워크상의 보안뿐만이 아닌 가용성이 항공 교통 관제에 큰 이슈로 부각되고 있다. VoIP 는 IP(Internet Protocol) 네트워크에서 라우터, 스위치, 게 ...

VoIP 기술은 통신의 안전성이 최우선시되는 통신 응용 환경, 즉 비상전화망 등으로 이제 막 진입하고 있는 시점이다. 네트워크상의 보안뿐만이 아닌 가용성이 항공 교통 관제에 큰 이슈로 부각되고 있다. VoIP 는 IP(Internet Protocol) 네트워크에서 라우터, 스위치, 게이트웨이 등의 구성요소에 기반한다. 한 네트워크 노드나 링크에 결함(failure)이 발생하면 특정한 두 엔드시스템(Endsystem) 간에 새로운 경로(path)가 반드시 수 밀리초만에 재설정되어야 고가용성을 달성할 수 있다. 따라서 네트워크는 즉시 재구성(recon그림) 할 수 있는 능력을 갖추어야 한다. 정적 라우팅 알고리즘이 해답이 될 수 있지만 동적 라우팅 기술을 이용하여 관리 및 운용의 복잡도를 낮출 수 있다.
일반적으로 계층 2나 계층 3의 네트워크 규약(Protocol)인 STP(Spanning Tree Protocol), RSTP(Rapid Spanning Tree Protocol), LACP(Link Aggregation Control Protocol), IS-IS(Intermediate System to Intermediate System Protocol), OSPF(Open Shortest First) 등이 수초 또는 수분이 소요되는 네트워크상 회복(Convergence)을 허용하는 환경에서 이용된다. 본 연구과제는 OSPF 라우팅 규약과 라우팅 규약과 별개인 Hello protocol, BFD (Bidirectional Forwarding Detection)을 위주로 연구가 진행되고 있다. COTS (Common off the shelf; 상용) 계층2 또는 계층3 네트워킹 하드웨어(Hardware)를 이용하는 토폴로지(Topology)에서 이 두 규약을 검증하고자 한다. 본 연구에서는 연구목표를 달성하기 위한 엔드시스템의 구성과 구현을 세부목표로 한다. 기반 네트워크구조를 바꾸지 않고 엔드시스템의 기능만으로 본 연구의 목표를 달성하기 위하여 엔드시스템간의 스위칭 시간 감소에 연구의 역량을 집중하고 있다. 그 결과로 가격대성능비를 만족하는 고가용성 네트워크가 달성될 것이며 밀리초(millisecond)단위의 회복시간을 가지게 될 것이다.
본 연구과제의 초기 목표는 오스트리아의 국가 광대역망을 통하여 항공 교통 통제를 위한 고가용성과 고신뢰성의 VoIP 서비스를 제공하는 것이다. 그림 2는 오스트리아의 광대역 망 구성과 항공 통제 센터의 위치 및 그 연결을 보여준다. 본 연구과제의 최종 목표는 표준화된 네트워크 규약을 이용하여 항공 교통 운항 통제에 필요한 안전 우선 네트워크 응용을 기존의 광대역 국가망에 통합하는 것이다. 최종 목표는 안정성, 초이하 응답시간(Subsecond convergence time), 고가용성, 고신뢰성, 안전성 및 보안을 고려한 네트워크 응용의 구현이다. 본 연구는 항공 안전을 달성하기 위하여 기존의 네트워크 요소들이 응집되어야 하는, 항공 교통 운항 통제에 상용 IP 네트워크가 응용되는 예이다.
이에 덧붙여 본 연구자가 추가로 성층권에 전개된 무선라우팅 장비에 의한 백업(Back-up) 네트워크를 구성하였다. HAP(High Altitude Platforms)이라 불리는 무인비행선, 무인비행기 등을 이용하고 이러한 무인장비에 무선라우팅 장비를 탑재 함으로써 하나의 베이스 스테이션 역할을 할 수 있다. 이러한 HAP 들을 성층권인 고도 약 21Km 범위에 다수 전개함으로써 지상망의 붕괴 또는 이상동작시 효과적으로 기존 망을 백업할 수 있다. 본 연구에서는 이를 위하여 다수의 HAP이 지상 이동노드를 서비스 하기 위하여 위치하여할 최적의 위치를 계산하는 문제에 집중하였다.

본 연구는 ICT 측과 Frequenties Corp. 측의 연구 협력에 의하여 이루어진 것으로, Frequenties Corp. 측의 요구사항을 만족하는 연구결과를 제시함으로써 연구가 종료되었고, Frequenties 측에서 타 분야의 새로운 요구사항을 제시함으로써 새로운 분야의 연구가 시작되 ...

본 연구는 ICT 측과 Frequenties Corp. 측의 연구 협력에 의하여 이루어진 것으로, Frequenties Corp. 측의 요구사항을 만족하는 연구결과를 제시함으로써 연구가 종료되었고, Frequenties 측에서 타 분야의 새로운 요구사항을 제시함으로써 새로운 분야의 연구가 시작되는 시점에 있다. 따라서 연구개발목표가 달성되었음을 Frequenties 측에서 인정하였다고 볼 수 있다.
본 연구의 주안점인 상용 장비만을 이용한 고신롸성 및 고가용성을 보장하는 기본망에서의 VoIP 연구는 중복되는 장비를 적절히 이용하여 그 목표를 달성하는 등 해당 분야의 기술발전에 기여하였다고 판단된다. 특히 유럽항공국의 항공교통통제에 요구되는 요구사항을 만족시킴으로써 관련분야에의 실질적 응용에 큰 기여가 있었다. 특히 링크 실패(link failure)와 장비 실패(device failure)를 분류하고, 각각의 상황에 따라 적절한 회복시간을 달성하였으며, 또한 이러한 결과가 기존의 리눅스(Linux)에서 Quagga 라우팅 대몬(Routing Daemon)등의 상용 제품을 이용하였다는 면에서 그 의미가 크다.
또한 연구책임자의 기존의 연구인 성층권 통신장비를 이용한 기존 네트워크의 백업(backup) 방식을 제시하고 이를 시도함으로써 새로운 연구를 시작하였다고 볼 수 있다. K-means와 Expectation Maximization 등의 알고리즘을 이용하여 이동 노드들을 적절히 클러스터링 하고 이를 ITU에서 제시한 기술 규약(specification)을 준수하도록 적절히 제어하였다. 또란 이동 노드들의 속도에 따라 어떤 노드가 한 클러스터에 속할 확률을 적절히 조정하여 노드의 이동성에 대하여 적절한 대비를 시도하였다. 즉, 이동중인 항공기의 항공 운항 통제가 필요한 상황에 대비하였다. 또한 다양한 속도를 보이는 이동 노드를 가지는 모빌리티 모델(Mobility Model)을 이용하여 지상 이동 노드에 대한 클러스터링도 가능함을 보였다. 따라서 실질적으로는 무인비행선인 클러스터헤드의 속도, 클러스터당 노드 개수, 클러스터 최대 반경 등을 적절한 수준에서 달성함으로써 클러스터링 결과의 안정화를 유지하려고 시도하였다. 이는 EM 클러스터링 알고리즘의 개선에서 비롯된 것으로 개선된 EM 클러스터링 알고리즘은 몇 가지 인자로 평가한 결과 장점을 보였다. 그러한 반면에, 보완해야 될 점으로서 클러스터의 최대 반경 수치는 150㎞를 모두 넘어서고 있음이 확인되었다. 이는 반경의 제한 문제를 해결하기 위하여 별개의 기법이 응용되어야 함을 의미한다. 이 반경 문제는 여러 가지 발견적 방법 중 적절한 클러스터의 분할-합병을 진행하는 방법으로 해결해 볼 수 있을 것이다. 이를 위한 좋은 기법 중의 하나가 BIRCH 알고리즘의 개념이며, 본 연구에서의 개선된 EM 클러스터링 알고리즘에 추가적으로 BIRCH의 개념을 감안한 계층적인 알고리즘을 고려하고자 한다. 향후 이러한 기술이 험지 및 오지의 네트워킹 기반구조 확보에 도움이 될 것으로 보인다.