네트워크 시뮬레이션 공방

TDMA 네트워크에서 데이터 전송을 위해서는 슬롯을 할당받아야만 하며 다음 그림은 그 절차를 보인 것이다. (논리적인 이해를 돕기위해 전파지연 시간은 무시하였다.)

동적 할당을 받아야하는 멤버 노드는 전송할 데이터가 있을 경우 제어 슬롯(control slot)을 이용하여 네트워크 제어기("TDMA 네트워크 제어기" 참조) 노드로 자원(슬롯) 할당 요청 메시지를 보낸다. 네트워크 제어기는 다음 프레임의 시작 시점에 고정 할당과 동적 할당("TDMA 자원할당 방식" 참조)에 대한 슬롯 할당을 수행하고, 슬롯 할당 정보를 멤버 노드들에게 알려준다. 멤버 노드는 자신이 할당받은 데이터 슬롯(data slot)을 사용하여 데이터를 전송한다.

TDMA 모델에서 각 노드별로 자원 할당 크기를 사전에 지정하지 않고, 동적 할당("TDMA 자원 할당" 참조)을 사용하여도 트래픽이 정상적으로 전달됨을 살펴보기로 하자. 다음 그림은 이를 확인하기 위한 TDMA 예제망 구조를 보인 것이며, "TDMA 예제(1) - 균등 고정 할당"의 예제망 구조와 동일하다.

TDMA 프로파일로는 Default를 사용하였으며, 고정 할당되는 슬롯의 수는 STA_1, STA_2, STA_3, STA_4 노드 모두 0으로 설정하였다. 
시뮬레이션을 수행한 후, 각 노드에서 할당받은 프레임당 슬롯수를 살펴보면 다음 그림과 같다. 노드별  슬롯 할당 수를 지정해주지 않았지만 노드별로 슬롯 할당이 이루어지고 있으며, 특히 100초 ~ 300초 구간의 STA_3 노드처럼 특정 시간대에 전송해야할 트래픽이 많은 노드에 슬롯이 더 많이 할당된 것을 알 수 있다. 

STA_1 노드에서 STA_2 노드로 향한 트래픽의 송수신량을 살펴보면 다음 그림과 같다. STA_1 노드에서 발생한 트래픽이 STA_2 노드로 모두 전달되었음을 보여준다.

STA_3 노드에서 STA_4 노드로 향한 트래픽의 송수신량을 살펴보면 다음 그림과 같다. STA_3 노드에서 발생한 트래픽(200Kbps)도 STA_4 노드로 모두 전달되었음을 보여준다.

고정 할당 방식에서도 노드별로 슬롯 수를 다르게 할당할 수 있다. 즉, 전송량이 많은 노드에는 슬롯을 많이 할당해주고, 전송량이 작은 노드에는 적게 할당해줄 수 있다. "TDMA 예제(1) - 균등 고정 할당"의 예제에서 STA_3 노드에는 필요한 양보다 작은 수의 슬롯이 할당되었기 때문에, STA_3 노드에서 STA_4 노드로 향하는 트래픽이 제대로 전달되지 못했다. STA_3 노드에 더 많은 슬롯을 할당해주어 이 문제를 해결할 수 있음을 확인해보기로 하자. 다음 그림은 이를 확인하기 위한 TDMA 예제망 구조를 보인 것이며, "TDMA 예제(1) - 균등 고정 할당"의 예제망 구조와 동일하다.

TDMA 프로파일로는 Default를 사용하였으며, 이 때 사용할 수 있는 44개의 데이터 슬롯을 STA_1 노드에 11개, STA_2 노드에 8개, STA_3 노드에 14개, STA_4 노드에 11로 나누어 할당하였다. Default TDMA 프로파일일 경우, 프레임("TDMA 프레임 구조" 참조) 길이는 100ms이고 슬롯당 데이터 전송량은 200Bytes이므로 14개의 슬롯을 할당받은 STA_3 노드의 최대 전송량은 224Kbps(= 200 Bytes * 8 bits/byte * 14 slots/frame * 1 / 0.1 frames/sec)이다. STA_3 노드에서 STA_4 노드로 향하는 트래픽의 양은 200Kbps이므로, 이번에는 STA_4 노드로 모두 전달될 것이다.
시뮬레이션을 수행한 후, 각 노드에서 할당받은 프레임당 슬롯수를 살펴보면 다음 그림과 같다. 설정해준 것처럼 STA_1 노드와 STA_4 노드가 11개, STA_2 노드가 8개, STA_3 노드가 14개의 슬롯을 매 프레임 할당받은 것을 알 수 있다.

STA_1 노드에서 STA_2 노드로 향한 트래픽의 송수신량을 살펴보면 다음 그림과 같다. STA_1 노드에서 발생한 트래픽이 STA_2 노드로 모두 전달되었음을 보여준다.

STA_3 노드에서 STA_4 노드로 향한 트래픽의 송수신량을 살펴보면 다음 그림과 같다. STA_3 노드에서 발생한 트래픽(200Kbps)도 STA_4 노드로 모두 전달되었음을 보여준다.

TDMA 모델에서 트래픽 전송이 어떻게 이루어지는지 예제망을 통해 살펴보기로 하자. 다음 그림은 4개의 노드로 이루어진 간단한 TDMA 예제망 구조를 보인 것이다.

TDMA 프로파일로는 Default를 사용하였으며, 이 때 사용할 수 있는 44개의 데이터 슬롯은 4개의 노드에 균등하게 11개씩 고정 할당("TDMA 자원할당 방식" 참조)하였다. Default TDMA 프로파일일 경우, 프레임("TDMA 프레임 구조" 참조) 길이는 100ms이고 슬롯당 데이터 전송량은 200Bytes이므로 11개의 슬롯을 할당받은 노드의 최대 전송량은 176Kbps(= 200 Bytes * 8 bits/byte * 11 slots/frame * 1 / 0.1 frames/sec)이다.
데이터 트래픽 발생을 위해서는 demand 트래픽 플로우가 STA_1 노드에서 STA_2 노드로, STA_3 노드에서 STA_4 노드로 향하도록 각각 배치하였다. STA_1 노드에서 STA_2 노드로 향하는 demand 트래픽의 양은 150Kbps로, STA_3 노드에서 STA_4 노드로 향하는 트래픽의 양은 200Kbps로 설정하였다. 노드의 최대 전송량이 176Kbps이므로 STA_1 노드에서 STA_2 노드로 향하는 트래픽은 모두 전달될 것이고, STA_3 노드에서 STA_4 노드로 향하는 트래픽은 모두 전달되지 못할 것이다.
시뮬레이션을 수행한 후, 각 노드에서 할당받은 프레임당 슬롯수를 살펴보면 다음 그림과 같다. 설정해준 것처럼 모든 노드가 매 프레임마다 11개의 슬롯을 할당받은 것을 알 수 있다.

STA_1 노드에서 STA_2 노드로 향한 트래픽의 송수신량을 살펴보면 다음 그림과 같다. STA_1 노드에서 발생한 트래픽이 STA_2 노드로 모두 전달되었음을 보여준다.

STA_3 노드에서 STA_4 노드로 향한 트래픽의 송수신량을 살펴보면 다음 그림과 같다. STA_3 노드에서 발생한 트래픽(200Kbps)이 모두 전달되지 못하고, 일부(176Kbps)만 STA_4 노드로 전달되었음을 보여준다.

TDMA 네트워크에는 각 멤버 노드들에 대한 자원 할당을 제어하는 네트워크 제어기(Network Controller)가 필요하다. Riverbed(OPNET) Modeler TDMA 모델에서는 별도의 제어기 노드 모델을 사용하지 않으며, 모든 TDMA 노드는 네트워크 제어기로 사용될 수 있다.
어느 노드가 네트워크 제어기로 동작할지의 여부는 사용자 설정에 따른다. 다음 그림은 사용자가 TDMA 네트워크 제어기 동작 여부를 설정할 수 있도록 Riverbed(OPNET) Modeler에서 제공하는 속성 설정창을 보인 것이다. 하나의 TDMA 네트워크에는 한개의 네트워크 제어기만 동작하여야 하며, 복수 개의 네트워크 제어기가 동작하도록 설정해서는 안된다.

네트워크 제어기는 멤버 노드들에 대한 자원 할당을 제어하는 것외에 중계 역활도 수행한다. 네트워크 제어기 노드는 목적지가 자신이 아닌 데이터 패킷이 수신되면 다른 멤버 노드들이 받아볼 수 있도록 이를 다시 TDMA 네트워크로 재전송한다.

TDMA 자원(슬롯) 할당 방식은 고정 할당(static allocation) 방식과 동적 할당(dynamic allocation) 방식으로 구분될 수 있으며, Riverbed(OPNET) Modeler TDMA 모델은 이 두가지 방식을 모두 지원한다.

- 고정 할당: 각 노드의 트래픽 전송량과는 관계없이 사전에 지정된 크기의 슬롯을 매 프레임마다 계속 할당.
- 동적 할당: 각 노드는 트래픽 전송에 필요한 크기만큼의 슬롯을 제어 노드로 요청하고, 제어 노드는 매 프레임마다 가변적으로 슬롯 할당.

또는, 이 두가지 방식을 혼합하여 사용하는 것도 가능하다. 즉, 매 프레임마다 지정된 크기의 슬롯을 계속 할당하되, 해당 노드에서 더 많은 슬롯을 요청하면 추가적인 슬롯을 할당해주는 것이다.

Riverbed(OPNET) Modeler TDMA 모델("TDMA 모델 개요" 참조)에서 사용하는 TDMA 프레임 기본 구조는 다음 그림과 같다.

TDMA 채널에서는 일정 시간 간격마다 Epoch가 반복된다. Epoch는 프레임(frame)의 집합이며, 프레임은 사용자 데이터 전송을 위한 슬롯(slot)과 제어 메시지 전송을 위한 슬롯 그리고 오버헤드로 구성된다.

Riverbed(OPNET) Modeler에서는 OPNET Modeler 14.5 PL8 버전부터 TDMA 모델을 제공한다. TDMA 모델은 Riverbed(OPNET) Modeler에서 제공하는 다른 프로토콜 모델들과는 달리, 모델링 대상 표준(또는 규격)이 특정되어 있지 않다.
대상 표준 문서가 따로 없다는 점에서는 GRP 모델("GRP 개요" 참조)의 경우와 유사하다. 하지만, GRP 모델은 (비록 OPNET사에서 자체 개발한 것이기는 하지만) GRP라는 특정 프로토콜을 모델링 한 것인데 비해, TDMA 모델은 GSM이나 Link 16 등과 같이 TDMA 방식을 사용하는 프로토콜들을 모의하는데 공통적으로 사용될 수 있도록 범용적인 TDMA 개념[1]을 모델링했다는 점에서 큰 차이가 있다. 때문에, Riverbed(OPNET) Modeler TDMA 모델의 세부적인 구현 방식에 대한 참고 문헌은 매우 부족한 편이며, 구체적인 내용 확인은 TDMA 모델 User Guide와 코드 분석에 의존해야 하는 실정이다.

[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Time_division_multiple_access