111

07/20/2002

지난 글(Metro Ethernet 개요, 05/17/2002)에서는 메트로이더넷이란 무엇이며, 그것이 급속하게 성장하고 있는 계기들, 그리고 국내에서 어느 사업자가 어떤 형태로 서비스를 제공하는지 알아보았었다. 이번 글에서는 메트로이더넷의 성장을 뒷바침할 수 있는 핵심기술들인 10GigE (gigabit ethernet), RPR, MPLS에 대해서 알아본다.

10GigE (10 Gigabit Ethernet)

10Mbps Ethernet이 소개된 이후, Fast Ethernet (100Mbps) 전성시대를 거쳐 현재 Gigabit Ethernet (1Gbps) (이하 1GigE) 시대에 이르러 있다. 이러한 1GigE가 일반기업에 널리 보급된 것은 아니지만, 적어도 ISP를 중심으로 한 통신사업자와 대규모 네트웍을 확보하고 있는 기업들에서는 매우 보편화되어 있는 상태이다. 그리고 이러한 1GigE는 확산은 자연스럽게 10GigE의 도입을 요구하고 있다.

그림1. 1998년,1999년에는 인터넷이용자의 증가 비율이 높았으며, 2000년,2001년은 인터넷이용자의 수가 많이 증가한 것을 알 수 있음.

국내 ISP에서 1GigE가 급속하게 된 계기는 2000년과 2001년에 초고속인터넷서비스 이용자들의 급격한 증가라고 할 수 있다. 초고속인터넷서비스 이용자들이 발생시키는 트래픽양은 전통적인 인터넷서비스이용자들이 발생시키는 트래픽양을 초과하고 있다. 따라서, ISP들은 Access 및 백본의 용량을 크게 증가시켜야 했으며, 그 수단으로 용량대비 비용이 경제적인 1GigE를 많이 이용하게 되었다. 그러나 증가하는 트래픽을 처리하기 위해 1GigE를 추가하는 방법만으로는 다음과 같은 한계상황을 맞게하고 있다.

- 네트웍 장비에서 이용할 수 있는 포트수가 제한되어 있어, 장비를 추가 설치해야 한다.
- 1개의 네트웍장비에서 처리할 수 있는 트래픽양이 제한되어 있어, 장비를 추가 설치해야 한다.
- 1GigE link가 많아져서 관리해야 할 link가 많아진다.
- 여러 개의 1GigE link간에 골고루 Traffic을 분산할 수 있도록 관리해야 한다.

그림2. 여러 개의 1GigE link들이 보다 큰 대역을 제공하는 link에 의해 단순화될 수 있으며, 그로 인해 투입되는 장비들도 줄어들게 됨

따라서, ISP에서는 1GigE link의 수를 줄여줄 수 있는 보다 많은 대역(bandwidth)을 제공하는 Interface를 필요로 하고 있으며, 1Gbps 이상의 대역을 제공하는 그리고 현재 즉시 이용할 수 있는 Interface는 OC48 /STM16 Interface 이다. OC48/STM16 Interface는 최대 2.5Gbps의 대역을 제공한다. 그러나, OC48 Interface 1port의 가격은 1GigE Interface 1port 대비 일반적으로 10배 이상인 경우가 대부분이어서 추가로 제공가능한 대역 대비 추가비용이 너무 커 경제적이지 못한 문제점을 안고 있다.

1997년부터 2001년 상반기까지 급속히 증가하던 인터넷트래픽이 2001년 하반기부터는 그 증가추세가 조금 완화된 상태이다. 그러나, 최근 ISP들이 메트로이더넷서비스를 PC게임방과 아파트단지를 중심으로 제공하면서 주춤했던 인터넷트래픽은 다시 큰 증가추세를 나타낼 것으로 판단되고 있다. 또한, 메트로이더넷서비스로 인해 통신사업자와 이용자간을 연결하는 인입구간의 회선대역증가로 인해 통신사업자들이 VOD와 같은 서비스를 계획하고 있다. 결국 이러한 트래픽증가는 ISP의 백본장비의 처리용량 및 백본회선의 용량 증설을 요구하게 될 것이다.

현재 10GigE 표준화가 완료된 것은 아니지만, ISP들은 10GigE이 경제적으로 대량의 트래픽을 처리할 수 있는 수단으로 판단을 하고 있다. 실제 최근 출시된 10GigE Interface들의 가격은 10Gbps POS Interface 가격의 25% ~ 35%에 해당하고 있는 상황이다. 좀 더 10GigE Interface들이 많이 보급될 경우 현재 1GigE Interface의 3 ~ 4배 정도의 가격이 될 것으로 판단되고 있다.

10GigE 표준



XGMII: 10Gigabit Media Independent Interface
XAUI: 10Gigabit Attachment Unit Interface
XGXS: XAUI Extender Sublayer
XSBI: 10Gigabit Sixteen Bit Interfgace
MDI: Medium Dependent Interface
PCS: Physical Coding Sublayer
WIS: WAN Interface Sublayer
PMA: Physical Medium Attachment
PMD: Physical Medium Dependent
PCS: Physical Coding Sublayer

그림3. 10GigE layers

10GigE에 대한 표준화는 IEEE의 802.3ae Task Force에서 진행되고 있으며, 이 표준화와 관련하여 별도로 구성된 10Gigabit Ethernet Alliance (http://www.10gea.org/)에서 이 표준화작업을 지원하고 있다. 표준화 작업은 2000년초에 802.3ae Task Force가 발족되면서 시작되었고, 현재 final draft 작업을 거쳐서 2002년 중반에 표준화 작업이 마무리 될 것으로 예상되고 있다.

PMD 10GigE은 일반 Ethernet과 동일한 Frame Format을 이용하며, 따라서 거의 모든 특성이 동일하다. 다만, 통신매체로써 광케이블을 지원하며 또한 full-duplex만 지원한다. 10GigE가 이용하는 파장길이, 광케이블형태, 지원거리는 아래와 같다.

- 850nm serial, Multimode, 65meters
- 1310nm WWDM, Multi mode, 300meters
- 1310nm WWDM, Single Mode, 10Kmeters
- 1310nm serial, Single Mode, 10Kmeters
- 1550nm serial, Single Mode, 40Kmeters

PHY 10GigE에서는 Physical Layer(PHY)에 대해 LAN PHY와 WAN PHY를 정의하고 있는 것이 특징이다.

LAN PHY는 SONET Framing을 지원하지 않는 것으로 LAN PHY 환경을 위해서 몇 가지 매체 종류가 대안으로 고려되고 있다. 10GigE Interface는 아직 사용자 단말 시스템에 직접 연결되지 않기 때문에, 표준은 일차적으로 광섬유에 국한된다.

그림4. 10GigE PHY

WAN PHY는 SONET Framing을 지원하여 SONET과 호환이 될 수 있도록 정의된다. 비록 모든 SONET 표준과 완전한 호환성이 있는 것은 아니지만, 10GigE Interface가 SONET과 잘 접목될 수 있는 특징을 갖으며, 그 예로 일부 SONET 기능은 구현이 가능하다. OC-192 링크속도, SONET 프레이밍의 사용, 일부 오버헤드 프로세싱이 그렇다. 그러나 SONET의 몇몇 기능들은 피할 예정이다. TDM 지원,성능 요구조건, 관리 요건조건 등이 이에 속한다. 원래 음성 애플리케이션을 위해 설계된 SONET은 잘 정의된 속도 계층(초당51.840Mbps에서의 OC-1로부터 초당 9,953.281Mbps에서의 OC-192에 이르기까지)에서 운용되는 점대점 링크를 지원한다.

WWDM (Wide Wavelength-division multiplexing)을 이용하지 않는 경우 LAN PHY와 WAN PHY는 모두 동일한 특성을 갖는데, 다만 WAN PHY는 WIS (Wan Interface Sublayer)가 정의되어 있는 것이 다르다. WIS는 10GigE Interface가 직접 SONET/SDH 장비에 접속할 수 있는 기능을 제공하며, 10GigE WAN PHY는 다음과 같은 잇점들을 통신사업자에게 제공을 한다.

- 원거리에 있는 통신장비간(스위칭허브 혹은 라우터 등)간을 Ethernet Frame의 변환없이 SONET/SDH을 이용하여 연결할 수 있다.
- SONET/SDH를 이용해 연결된 10GigE link를 SONET/SDH management tool을 이용해 관리할 수 있다.
- SONET/SDH의 fail-over 기능을 그대로 이용할 수 있어 장애에 빨리 대처할 수 있다.

그림5. dark filber를 이용해 10GigE Interface로 link들을 구성

다음의 그림5,6,7은 10GigE Interface가 Dark Fiber, DWDM, SONET등과 어떻게 함께 이용될 수 있는지를 보여주는 것들이다.

RPR (Resilent Packet Ring)


그림6. DWDM 장비를 이용해 10GigE Interface로 link들을 구성

RPR은 Ethernet-like Ring이며, SONET/SDH에서 제공하는 50msec 이내의 복구시간을 제공하는 기술이다. 또한 전송매체로서 SONET/SDH, DWDM등의 전송시설을 이용하거나, 순수한 광케이블(dark fiber)을 그대로 이용할 수 있는데 이것은 이미 투자된 것들의 활용을 극대화해 준다. 따라서, RPR은 메트로이더넷을 구성하는 중요한 수단으로 이용될 것으로 판단되고 있다. RPR에서 제공하는 기능은 다음과 같다.

- Ring Topology
- Ethernet Frame과의 단순한 mapping
- Single MAC layer & multiple physical layer options
- Support bridging and VLAN
- 50msec protection
- Fairness
- Spatial reuse
- Support Jumbo frame

그림7. SONET 장비를 이용해 10GigE Interface로 link들을 구성

RPR의 표준화는 IEEE 802.17에서 진행되고 있는데 2000년 12월에 Working Group이 결성되었으며, 1차 Draft가 2002년 1월에 발표되었다. 그리고 2003년 3월경에 표준화가 완료될 예정이다. 그러나 현재 RPR은 아니지만 그것과 유사한 기술인 SRP를 이용할 수 있다. SRP (Spatial Reuse Protocol)는 RPR의 pre-Standard 이며, Cisco사에서 표준(RFC2892)으로 제안하여 채택된 기술이다. Cisco사는 해당 기술을 몇몇 Chip 개발회사에게 제공하여 SRP Interface를 다른 장비제조업체에서도 생산할 수 있게 하고 있다. Cisco사의 의도는 RPR의 표준제정에서 유리한 위치를 차지하려는 것과 RPR 이전에 실제 이용자들로부 Feedback을 얻기 위한 것으로 판단되고 있다. 실제 SRP Interface는 Cisco 이외에도 Nortel, Riverstone Networks 사 등에서 출시를 하고 있다.

그림8. SRP - spatial reuse & ring wrap

SRP SRP는 그림8에서와 같이 2개의 Ring으로 구성되어 있으며, 각 Ring에서 Frame은 반대방향으로 흘러다닌다. 2개의 Ring 모두로 제어Frame과 Data frame이 전송될 수 있다. Physical Layer는 SONET/SDH, DWDM, Dark Fiber등을 모두 이용할 수 있다.

Token-Ring이나 FDDI에서는 token을 가진 노드 하나만 Frame을 전송할 수 있으나, SRP에 있는 노드들은 모두 동시에 Frame을 전송할 수 있다. 또한, Token-Ring/FDDI에서는 source 노드가 해당 frame을 폐기시키는 반면 SRP에서는 target 노드가 frame을 폐기시킨다. 이런 특성은 노드간 link의 대역이 불필요하게 소모되는 것을 최대한 방지해 준다. 단, broadcast/multicast frame은 source 노드에서 폐기시킨다.

또한 SRP Ring안의 특정 노드가 공유되는 Ring 전체의 대역을 과점(unfairly occupying)하는 것을 방지하기 위한 Bandwidth Fairness Algorigthm이 정의되어 있다. 또한 SONET에서는 노드간 대역을 정적으로 할당해야하며, 또한 정적으로 할당된 대역은 다른 곳에서 이용할 수 없는 단점을 가지고 있는 반면, SRP에서는 해당 노드에서 유발시키는 트래픽과 경유하는 트래픽 비율을 조절하는 방법을 이용하여 Bandwidth Fairness를 제공하고 또한 노드간의 대역이 효율적으로 이용될 수 있도록 하는 유연성을 제공한다.

그리고 IPS (Intelligent Protection Switching) Protocol을 이용하여 Link 장애를 감지하고 Link 장애를 감지한 장비에서 안쪽 Ring과 바깥 Ring을 중첩(Wrap)하여 Ring을 복구시키며, Ring 복구는 50msec 이내에 완료된다. 따라서 짧은 시간내에 손실되는 frame이 매우 적어 서비스에 상대적으로 적은 영향을 미치게 되는 장점을 갖는다.

그림9. SRP frame format

SRP Frame Format을 보면 일반 Ethernet Frame Format과 매우 유사한 것을 알 수 있다. SRP Frame에는 TTL, RI(Ring Identifier), Mode, PRI(priority), P (parity)등이 추가된 것을 알 수 있다.

TTL은 8bits이며, SRP frame이 looping되는 것을 차단해주는 역할을 한다. Ring이 Wrap될 수 있으므로 SRP Ring에는 최대 128개의 노드가 연결될 수 있다. RI (1bit)는 바깥 Ring (0)과 안쪽 Ring(1)을 구분해 주는 역할을 한다. Mode(3bits)는 Frame 종류를 구분한다.

000 Reserved
001 Reserved
010 Reserved
011 ATM cell
100 Control Message (Pass to host)
101 Control Message (Locally Buffered for host)
110 Usage Message
111 Packet Data

PRI(3bits)는 Frame의 우선순위를 정의하며, P는 TTL,RI,Mode,PRI에 대한 parity 역할을 한다.

MPLS (Multi-Protocol Label Switching)

MPLS는 Cisco와 IBM이 각각 1996년에 처음 제안을 하였고, 1997년3월에 IETF에서 Working Group이 결성되었다. 그리고 그 이후 MPLS와 관계된 많은 표준 RFC가 제정되었으며, 현재 많은 장비제조업체들이 MPLS 관련 상품을 공급하고 있다.

10GigE Interface가 고대역의 link를 경제적인 가격에 제공하는 역할을 하고, RPR은 SONET과 같은 빠른 복구시간을 제공하는 역할을 한다면, MPLS는 네트웍이 유연하게 사용될 수 있는 역할을 담당한다. 10GigE Interface가 네트웍구성 비용, 관리비용을 절감할 수 있게 하고, RPR이 네트웍의 안정성을 증가시킨다면, MPLS는 이미 구성된 네트웍을 효율적으로 이용될 수 있게 하고, 또한 추가적인 부가서비스를 제공하여 부가 수익을 창출할 수 있는 역할을 할 수 있다. MPLS를 이용한 부가서비스들은 지난호에서 언급한 바와 같이 End-to-End QoS서비스, 가상임대선서비스, VPN서비스 등이 있다. 여기에서는 MPLS를 메트로이더넷과 연관지어 간단히 알아보도록 하겠다.

그림10. hyperaggregation problem

MPLS가 처음에 등장하게 된 이유는 크게 3가지 이유에서다. 첫번째는 routing table 검색 및 전달을 단순화하여 packet을 빨리 전송하기 위해서다. IP routing table이 점점 커지면 routing table 검색에 많은 시간이 소요되기 때문이다. 그런데 2000년 이후 ASIC 기술이 발달함에 따라 routing table 검색이 ASIC에 의해 처리됨에 따라 routing table 검색시간은 더 이상 큰 문제가 되지는 않고 있다.

두번째는 Traffic Engineering을 제공하기 위해서이다. 전통적인 IP routing 에서는 source address를 참조하지 않고 destination address만을 참조하여 목적지로 가는 최적의 경로를 선택하여 IP packet을 전달한다. 따라서 그림10에서와 같이 A와C, B와C간에 traffic이 송수신될 때 경로 R1-R2-R3에서는 병목현상이 발생되더라도 경로 R1-R4-R5-R3는 계속 유휴(idle) 상태를 유지하는 문제점을 안고 있다(이러한 현상을 hyperaggragation problem이라고 함). MPLS에서는 이러한 단점을 Traffic Engineering 기능을 이용해 해결할 수 있게 해 준다. 이러한 MPLS의 Traffic Engineering 기능은 기존의 ISP 혹은 메트로이더넷사업자들에게 중요한 의미를 갖는다.

그림11. MPLS header

세번째는 차별화된 서비스를 제공하기 위해서다. 차별화된 서비스라는 것은 QoS를 의미하며, 특정가입자 트래픽에 대한 우선순의 부여 및 우선 처리를 말하는 것이다. 이러한 QoS서비스는 MPLS header에 정의된 EXP bit과 RSVP, Traffic Engineering등을 결합하여 제공할 수 있다. EXP bit은 switching되는 packet에 대한 우선순위를 나타내며 병목발생시 이 우선순위에 따라 switching 될 수 있도록 하고, RSVP는 경로상의 자원(특히 대역)을 예약할 수 있도록 하며, Traffic Engineering에서는 경유해야할 중간경로를 지정할 수 있다.

그림12. IP address overlapping

만약 ISP 혹은 메트로이더넷사업자 네트웍에서 병목현상이 발생하는 구간이 전혀 없다면 QoS를 제공해야 할 필요도, Traffic Engineering을 해야할 필요도 없으므로, 결과적으로 MPLS가 중요하게 여겨지지 않을 것이다. 특히 국내통신사업자들과 같이 백본을 위한 충분한 Dark Fiber 혹은 전송시설이 있는 경우 더욱 그러하다. 그러나, MPLS가 국내통신사업자들에게 필수불가결한 요소로 간주되는 이유는 IP packet이 MPLS label header에 쌓여(encapsulation) 전달될 수 있다는 점 때문이다.

즉 그림12에서와 같이 A네트웍(1.1.1.0/24)과 C네트웍(2.2.2.0/24)간 통신, B네트웍(1.1.1.0/24)과 D네트웍(2.2.2.0/24)간 통신이 필요할 때 IP address 네트웍이 동일한 것이 있을 경우라도 MPLS header의 Label을 다른 것을 할당하여 MPLS label에 의해 스위칭되게 하면 된다. 이런 특성을 이용하여 메트로이더넷에 MPLS를 접목할 경우 가상임대선서비스(VLL: Virtual Leased Line) 혹은 VPN 서비스등을 제공할 있다.

맺음말

기존의 투자비용을 극대화하여 이용하고 경제적인 비용으로 충분한 시설을 추가확보하고, 그러한 가운데 최대한 많은 이익을 실현할 수 있도록 하는 것이 통신사업자나 큰 규모의 네트웍을 운영하는 기업들의 목적일 것이다. 10GigE Interface와 RPR, MPLS는 함께 접목되어 그러한 목표를 실현하는 중요한 수단으로 활용될 수 있을 것으로 판단한다. 특히 MPLS를 이용한 VPN기술이 성숙화되어 가고 있고, MPLS기술을 이용한 제품을 소개하는 장비제조업체들이 점점 많아져서 통신사업자들과 기업들은 보다 안정되고 좋은 MPLS 기능들을 활용할 수 있게 되어가고 있다. 그림13은 이번에 소개한 기술들이 함께 접목되어 활용되는 모습을 보인 것이다.

그림13. 10GigE, RPR, MPLS의 통합된 모습

[출처] [펌]Metro Ethernet: 10GigE, RPR, MPLS|작성자 박준태