네트워크 시뮬레이션 공방

TCP에서의 재전송은 Timeout과 중복된(Duplicated) ACK의 두가지 요소에 의해서 제어되며, OPNET TCP 모델 또한 이 두가지 요소 기능을 모두 제공한다. 그 중 Timeout에 의한 재전송이 어떻게 수행되는지 살펴보기로 하자.
TCP 재전송 시험망을 다음 그림과 같은 토폴로지로 구성하고("TCP Window Scaling(1) - LFN에서의 동작"의 시험망 토폴로지 참조), Server 노드와 STA 노드 사이의 RTT는 100ms가 되도록 설정한다.

패킷 손실을 발생시키기 위해서 Packet Discard 노드의 Packet Discard Configuration 속성을 다음 그림과 같이 200초에 패킷 1개를 폐기하도록 설정한다.

STA 노드와 Server 노드의 TCP Window Scaling은 Disabled 시킨다. Timeout에 의한 재전송만을 명확하게 관찰하기 위해서, Server 노드의 TCP Fast Retransmit는 Disabled 시킨다.
다음은 재전송이 일어났음을 확인하기 위해서 Server 노드에서 송신한 Retransmission Count와 Retransmission Timeout을 보인 것이다.

201.5초에 재전송이 TImeout에 의해서 일어났으며, 사용된 RTO(Retransmission TImeout) 값은 1초임을 확인할 수 있다. 200초 무렵의 RTO 값이 1초인 것은 TCP 파라미터의 Minimum RTO 속성값이 1초이기 때문이며("TCP 재전송(1) - RTO 파라미터 설정" 및" TCP 재전송(2) - Timeout이 발생하지 않았을 때의 RTO 계산" 참조, 1초의 RTO 값이 사용되었음에도 실제 재전송은 거의 1.5초 이후에 수행된 것은 TCP 파라미터의 Timer Granularity가 0.5초이기 때문이다(Timer Granularity의 영향에 대해서는 이후의 글에서 다시 설명할 것이다).
다음 그림은 Server 노드의 CWND 크기 변화를 보인 것이다. CWND 크기가 200초 무렵까지는 계속 증가하다가 패킷 손실을 201.5초에  Timeout에 의해 감지하면서 크게 낮아진 것을 확인할 수 있다.

OPNET의 Erceg 모델은 IEEE 모델[1]을 사용한 것으로, 원래의 Erceg 모델[2]과는 약간 다른다. 물론, 이 IEEE 모델[1]은 WiMAX를 위해 정의된 것이므로 OPNET Erceg 모델은 표준에 잘 맞다고 볼 수 있다.

Gamma 계산시 OPNET Erceg 모델은 원래의 Erceg 모델[2]에 비해 간략화되어 있다. Shadow fading(s) 역시 OPNET Erceg 모델은 원래의 Erceg 모델[2]에 비해 간략화되어 있으며, 지정된 표준편차 값을 가지는 lognormal 분포함수를 이용하여 시뮬레이션 수행시에 랜덤하게 생성된다.
Frequency 보정 항목(PLf)과 Antenna Height 보정항목(PLh)은 원래의 Erceg 모델[2]에는 없고 IEEE 모델[1]에서 추가된 것이다. 이는 원래의 Erceg 모델[2]이 1.9GHz 주파수 대역을 사용하고 단말 안테나가 2미터 높이에 위치한 경우를 가정한 것이기 때문에, 그 차이를 보정해주기 위해서이다. Frequency 보정항목(PLf)은 [3, 4]에 기반한 것이며, Antenna Height 보정항목(PLh)은 [5, 6]에 기반한 것이다.

[1] V. Erceg, etal., "Channel Models for Fixed Wireless Applications," IEEE 802.16.3c-01/29r4, July 2001.
[2] V. Erceg, et al., "An empirically based path loss model for wireless channels in suburban environments," IEEE JSAC, vol. 17, no. 7, July 1999, pp. 1205-1211.
[3] Chu, T.-S. and Greenstein, L.J., "A Quantification of Link Budget Differences Between the Cellular and PCS Bands," IEEE Trans. Veh. Technol., vol. 48, no. 1, January 1999, pp. 60-65.
[4] Jakes W.C. and Jr. Reudink D.O., "Comparison of mobile radio transmission at UHF and X band," IEEE Trans. Veh. Technol., vol. 16, pp10-13, Oct. 1967.
[5] K.V.S. Hari, and Carl Bushue, "Interim Channel Models for G2 MMDS Fixed Wireless Applications," IEEE 802.16.3c-00/49r2, November 2000.
[6] Y. Okumura, E. Ohmori, T. Kawano, and K. Fukuda, "Field Strength and its Variability in VHF and UHF Land-Mobile Radio Service," Rev. Elec. Comm. Lab. No.9-10pp. 825 - 873, 1968.

"Riverbed Modeler 18.0 발표"에서 살펴본 것처럼, OPNET Modeler가 18.0 버전부터 Riverbed Modeler로 제품명이 변경되었다. 또한, 이름 변경과 더불어 로고와 심볼도 Riverbed 것으로 변경되었다.
다음 그림은 17.5 버전("OPNET Modeler 17.5 PL6 발표" 참조)의 메인 화면이며, 기존의 익숙하던 OPNET 로고와 심볼을 볼 수 있다.

다음 그림은 18.0 버전("Riverbed Modeler 18.0 발표" 참조)의 메인 화면이다. 로고는 모두 riverbed로 교체되었고, 기존의 OPNET 심볼도 더 이상 사용되지 않는다. OPNET이라는 이름이 역사속으로 사라졌음을 피부로 느낄 수 있는 증거인 셈이다.

SITL을 사용한 시뮬레이션 수행시 다음과 같이 패킷 억세스 에러 및 이와 연속된 Invalid Memory Access 에러로 인하여 시뮬레이션이 중단되는 경우가 있다.

이러한 문제가 발생하는 원인은 OPNET에서 처리할 수 없는 패킷이 실세계 장비로부터 유입되었기 때문이다. NetBIOS 패킷은 이러한 문제를 일으키는 대표적인 사례인데, 단순히 윈도우즈 PC를 SITL 포트에 연결시켜 두기만 해도 발생한다. 하지만, 대부분의 경우 NetBIOS 패킷은 시뮬레이션 목적과는 관련이 없는 경우가 많다. 이런 경우에는 NetBIOS 패킷이 OPNET으로 유입되지 않도록 SITL 패킷 필터("SITL 패킷 필터" 참조)를 설정해주면 간단히 문제를 해결할 수 있다.

OPNET이라는 명칭이 사라짐에 따라("Riverbed Modeler 18.0 발표" 참조), 본 블로그의 명칭도 "OPNET 시뮬레이션 공방" 대신 "네트워크 시뮬레이션 공방"으로 변경함.
앞으로 Riverbed(OPNET) Modeler를 언급할 때에는 17.5 버전까지는 OPNET(또는 OPNET Modeler)로, 18.0 버전부터는 Riverbed Modeler로 지칭할 것이다.

Erceg은 NLOS 환경에서의 pathloss 모델로서 다음과 같은 수식에 의해서 계산된다. Terrain Type에 따라 A(Hilly/Moderate-to-Heavy Tree Density), B(Hilly/Light Tree Density or Flat/Moderate-to-Heavy Tree Density), C(Flat/Light Tree Density)로 구분되며, 각 경우에 따른 계수값은 다음 그림과 같다.

Frequency 보정 항목(PLf)과 Antenna Height 모정 항목(PLh)은 원래의 Erceg 모델[2]이 1.9GHz 주파수 대역을 사용하고 단말 안테나가 2미터 높이에 위치한 경우를 가정한 것이기 때문에, 그 차이를 보정하기 위한 것이다.
이 pathloss 수식은 shadow fading을 포함하며, shadow fading 값은 GUI를 통해 설정된 표준편차 값을 이용하여 시뮬레이션 수행시에 랜덤하게 생성된다.
Erceg 모델의 입력값과 출력값을 개념적으로 살펴보면, 거리, 주파수, 기지국 높이, 단말 높이, 지형 종류를 입력받아서 shadow fading을 포함하는 pathloss 값을 결과값으로 출력한다.

[1] V. Erceg, etal., "Channel Models for Fixed Wireless Applications," IEEE 802.16.3c-01/29r4, July 2001.
[2] V. Erceg, et al., "An empirically based path loss model for wireless channels in suburban environments," IEEE JSAC, vol. 17, no. 7, July 1999, pp. 1205-1211.

UDP는 분할(segmentaiton) 및 재조립(reassembly) 기능을 제공하지 않으므로, UDP 패킷 크기를 초과하는 크기의 데이터는 전달할 수 없다. OPNET에도 이러한 UDP의 특성이 모델링되어 있어서, 일정 크기 이상의 데이터 패킷이 UDP로 전달되면, 패킷을 전송하지 않고 폐기한다. 따라서, 이 특성을 정확하게 이해하지 못하면, 사용자가 설정한 트래픽이 실제로는 시뮬레이션에 영향을 미치지 않을 수도 있으므로 주의하여야 한다.
다음 그림은 표준[1]에 정의된 UDP 패킷 구조를 나타낸 것이며, 2Bytes의 Length 필드로 표현할 수 있는 UDP 패킷의 최대 크기는 65,535Bytes이다. 따라서, UDP 패킷 헤더 8Bytes를 제외하면, UDP 페이로드의 최대 크기는 65,527Bytes가 된다.

Custom Application을 이용하면 다음 그림과 같이 Transport Protocol을 UDP로 손쉽게 변경할 수 있다(Custom Application을 이용하여 트래픽을 설정하는 방법은 "OPNET 기초다지기" 3.2.2절 예제 참조).

다음 그림은 Custom Application을 이용하여 65,527Bytes와 65,528Bytes 크기의 데이터 패킷을 0.1sec 간격으로 발생시켜 UDP를 통해 전송하려고 하였을 때 UDP 계층을 거쳐 전달되는 트래픽을 측정한 것이다. 65,527Bytes 크기의 데이터 패킷을 발생시켰을 때에는 트래픽이 잘 전달되는 반면, 65,528Bytes 크기의 데이터 패킷을 발생시켰을 때에는 트래픽이 전혀 전달되지 않는 것을 확인할 수 있다.

이렇게 사용자가 설정해준 트래픽이 실제로는 네트워크로 전혀 전달되지 않고 UDP 계층에서 폐기되지만, 이는 UDP의 정상적인 동작이므로 시뮬레이션 수행시 에러 메시지는 발생하지 않는다. 다만, 패킷 폐기시 WARNING 메시지를 남겨주므로, Log Viewer를 통해 확인할 수 있다.

[1] RFC 768, "User Datagram Protocol," IETF, 1980.

지난 8월18일자(2014년)로 Riverbed Modeler 18.0 버전이 발표되었습니다(이전 버전에 관한 내용은 "OPNET Modeler 17.5 PL6 발표" 참조). "OPNET? OPNET Modeler? Riverbed Modeler?"에서 우려하였던 것처럼 OPNET Modeler라는 이름이 아니라 Riverbed Modeler라는 이름으로 발표되었으며, 버전 뒤에 따라붙던 PL(Patch Level) 표기도 사라졌습니다. 배포되는 방식도 기존처럼 Modeler, 모델 라이브러리, 사용자 매뉴얼이 별도의 파일로 나뉘어지지 않고, 하나의 파일로 통합되어서 제공됩니다.

Release note를 통해 변경 사항을 살펴보았습니다. 먼저 명칭 변경과 더불어서 제품 구조에도 큰 변화가 있는데, 그중 중요하다고 생각되는 항목은 다음 두가지 입니다.

- Flow Analysis가 Modeler로부터 제외됨
- ODK가 Modeler의 표준 기능으로 포함됨

Flow Analysis 기능은 이번 버전부터 Modeler에서 제거되었고, SteelCentral NetPlanner(예전의 OPNET Network Planner)를 통해서만 사용할 수 있게 되었습니다. Flow Analysis 기능은 Modeler의 기본 기능인 DES 시뮬레이션과는 성격이 다르기때문에 이러한 분리가 논리적으로는 맞는 것 같기는 합니다만, Modeler 사용자 입장에서는 매우 번거롭게 되었기 때문에 상당히 아쉬운 부분입니다.
ODK(OPNET Development Kit)는 기존에는 별도의 추가 모듈로 제공되는 기능이었는데, 이번 버전부터는 기본 기능으로 제공된다고 합니다. 사용자 입장에서는 환영할 일이네요. (OPNET 이라는 명칭이 모두 Riverbed로 변경되어 사라졌는데, 특이하게 ODK에서만 남아있네요)

다음으로 모델 및 Modeler에 대한 중요 업데이트 사항은 다음과 같습니다.

- WLAN : 802.11p WAVE Support
- WLAN : Hybrid Coordination Function (HCF) Enabled by Default
- LTE : Uplink Power Control
- MANET : Simplified Multicast Forwarding
- TMM : Urban Propagation Module
- SITL : Support for Parallel Simulations

WLAN 모델에서는 802.11p WAVE 방식에 대한 지원이 추가되었습니다. NS-3와 비교해보면 많이 늦은 편이긴 합니다만, 지금이라도 지원된다고 하니 다행스러운 일입니다. 그리고, WLAN 모델의 HCF Parameters 속성 기본값이 "Default"로 변경되었습니다(이전의 기본값은 "Not Supported"). 즉, WLAN의 QoS 기능이 이제 기본적으로 활성화된다는 의미이며, 기존 버전에서 사용하던 시나리오를 가져와서 사용하는 경우에는 주의해야할 것 같습니다.   
LTE 모델에서는 Uplink Power Control 기능을 사용할 수 있게 되었습니다.
MANET 모델에서는 IP 멀티캐스트 패킷을 효율적으로 전달할 수 있도록 중복되는 패킷을 검출하고 제거하는 SMF(Simplified Mulicast Forwarding) 기능이 추가되었다고 합니다.
TMM 모듈에서는 다양한 소재의 물체로 구성된 복잡한 3D 가상 환경에서의 무선 전파 효과를 모델링할 수 있는 Urban Propagation Module이 추가되었습니다. 지원되는 주파수 대역은 900MHz ~ 100GHz입니다.
SITL 모듈에서는 paralled simulation kernel에 대한 지원이 추가되었습니다. 이에 따라 패킷 변환 작업을 별도의 쓰레드에서 수행할 수 있게 되었으며, SITL에서의 시뮬레이션 수행 속도가 개선되었다고 합니다.
이외에도 여러가지 추가/변경된 사항들이 있지만, 현재 관심이 가는 내용이 아니라서 생략합니다.

OPNET WiMAX 모델은 TMM(Terrain Modeling Module)을 사용하지 않을 경우에 대하여 다음의 4가지 pathloss 모델을 별도로 제공한다.

- Free Space
- Suburban Fixed (Erceg)
- Outdoor to indoor and Pedestrian Environment
- Vehicular Environment

Free Space 모델은 LOS 환경에 대한 것으로 pathloss는 다음의 식으로 계산된다.

Suburban Fixed (Erceg) 모델은 NLOS 환경에 대한 것으로 IEEE Erceg 모델[1]에서 기술하는 pathloss를 적용하는 것이며, 다시 Terrain Type에 따라 A, B, C로 구분된다. 이 pathloss 수식은 shadow fading을 포함한다[2].

Outdoor to indoor and Pedestrian Environment 모델은 NLOS 환경에 대한 것으로 ITU-R M.1225[3]에 정의된 Outdoor to indoor and pedestrian test environment에서 기술하는 pathloss를 적용하는 것이다. 이 모델은 shadow fading에 대한 조건을 포함한다.

Vehicular Environment 모델은 NLOS 환경에 대한 것으로 역시 ITU-R M.1225[3]에 정의된 Vehicular test environment에서 기술하는 pathloss를 적용하는 것이다. 이 모델 역시 shadow fading에 대한 조건을 포함한다.

[1] V. Erceg, etal., "Channel Models for Fixed Wireless Applications," IEEE 802.16.3c-01/29r4, July 2001.
[2] V. Erceg, et al., "An empirically based path loss model for wireless channels in suburban environments," IEEE JSAC, vol. 17, no. 7, July 1999, pp. 1205-1211.
[3] ITU-R Recommendation M.1225, "Guidelines for evaluation of radio transmission technologies for IMT-2000," 1997.

Timeout이 발생하지 않았을 때의 Retransmission Timeout(RTO) 값 계산에 대한 OPNET에서의 구현 방식은 초기 표준[1]을 기본으로 하고, Roud Trip Time(RTT) 값 계산 과정은 Jacobson이 제시한 방식[2, 3]을 따른 것이다. (따라서, 최신 표준[6]에서 설명된 절차와는 약간 차이가 있다.)
즉, OPNET에서 사용하고 있는 RTO 및 Smoothed RTT(SRTT) 계산 절차는 다음과 같다(RTO 계산을 위한 상수값들을 변경하지 않고 "TCP 재전송(1) - RTO 파라미터 설정"에서 설명한 기본값을 사용하였을 때).

여기에서 LBOUND는 "TCP 재전송(1) - RTO 파라미터 설정"에서 살펴본 Minimum RTO 속성값이며, UBOUND는 Maximum RTO 속성값이다.
일반적인 통신망에서 RTT는 수백ms 이내이며, RTTVAR은 RTT보다 훨씬 작은 값을 가진다. 따라서, 대부분의 경우 RTO는 LBOUND에 의해서 결정된다.

[1] RFC 793, "Transmission Control Protocol," IETF, Sep. 1981.
[2] Jacobson V., "Congestion Avoidance and Control," In Proceeding of SIGCOMM '88, ACM, Aug. 1988.
[3] Jacobson V. and M. Karels, "Congestion avoidance and control," LBNL, Nov. 1988.
[4] RFC 1122, "Requirements for Internet Hosts - Communication Layers," IETF, Oct. 1989.
[5] RFC 2988, "Computing TCP's Retransmission Timer," IETF, Nov. 2000.
[6] RFC 6298, "Computing TCP's Retransmission Timer," IETF, Jun. 2011.
[7] Karn, P. and C. Partridge, "Improving Round-Trip Time Estimates in Reliable Transport Protocols," In Proceeding of SIGCOMM '87, ACM, Aug. 1987.