Network Manias
Analyze Trends, Technologies and Market
Netmanias-Reports-son-no.12
MPLS 연재 (1) –
도시바의 CSR (Cell Switch Router)를 적용한 네트워크에서 라우팅 파라다임 분석
1999년 11월 23일
손장우
son@netmanias.com
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손 장 우 son@netmanias.com 1/7
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1994년 봄에 도시바가 IETF IP over ATM WG에 제출. RFC 2098: Toshiba\'s Router Architecture Extensions for ATM : Overview, Feb. 1997 RFC 2129: Toshiba\'s Flow Attribute Notification Protocol (FANP) Specification, April 1997
문제 제기: Classical IP over ATM (rfc 1577)의 문제점을 공략함. Classical IP over ATM에서는, LIS (Logical IP Subnet)내의 hosts간의 통신은 한 LIS마다 하나의 ATM ARP server를 두어 destination IP address에 대한 ATM address를 ARP server에게 물어봐서 얻은 후, 그 host로 ATM SVC(Switched Virtual Connection)를 설정하고 이 ATM SVC를 통해 IP 패킷을 전달한다. 이 때, 이 VCC을 direct VCC이라고 한다. 즉, 그림 1에서 호스트(ATM 호스트) X.1은 ARP server에게 X.5의 ATM address를 요구하여 이를 얻은 후 이 ATM address로 ATM routing/signaling protocol을 써서 가상회선을 설정(호스트와 호스트간, 즉, 종단간)하고 이를 통해 데이타를 전달한다(파란 점선) 따라서, 가상회선을 설정하는 데는 비교적 긴 시간이 소요되지만 설정된 후에는, 호스트와 호스트간에 ATM VCC(Virtual Channel Connection)이 설정되어 있으므로 고속 데이타 전달이 가능하다. 그런데, 이 구조에서, LIS내의 ATM host간 통신은 direct VCC을 통해 가능하지만, LISs간 통신을 위해서는 반드시 router를 거쳐야 한다(그림 1에서 빨간점선). 기술의 편의를 위해 그림 1의 실질적인/물리적인 토폴러지를, 찢어서, 그림 2처럼 논리적인 네트워크 토폴러지로 바꾸어 그렸다.
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그림 1. Classical IP over ATM 모델에서 LIS내와 LIS간 통신의 예 (물리적인 네트워크 그림) 그림 2. Classical IP over ATM 모델에서 LIS내와 LIS간 통신의 예 (논리적인 네트워크 그림)
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그림 3에서처럼 LIS X의 호스트 X.1에서 LIS Z의 Z.1으로 데이타를 전송하는 경우에, ; 호스트 X.1 -> 가상회선(VC) x:호스트 x와 라우터1간에 설정된 가상회선으로 여러개의 Layer 2 ATM 스위치를 경유함. -> 라우터 1(reassemble: ATM 셀을 재조립하여 IP 패킷을 추출함 -> Layer 3 IP forwarding: Longest prefix matching을 통해 next-hop router를 찾아냄 -> segmentation: 다시 ATM 셀로 만듬.) -> 가상회선(VC) y -> R2(reassemble -> IP forwarding -> segmentation) -> VC z -> 호스트 Z.1의 과정을 거친다. 위와 같은 데이타 전달 과정에서 두 가지 문제가 발생한다. 첫번째는 서브넷 X에서 서비넷 Y로 (서브넷 Y에서 서브넷 Z로) 데이타를 전달하기 위해서는 항상 라우터 1 (라우터2)을 경유해야 하며, 따라서 각 라우터로 네트워크 부하가 집중된다. 두번째는, 그렇다면 각 라우터의 성능이 이 부하를 감당할 수 있어야 하는 데, 이 당시 라우터는 그렇지 못하여 큰 문제가 되었다. 두 서브넷간에 존재하는 라우터에서 ATM cell을 재조립해 IP 패킷을 추출하고 이 패킷의 목적지 IP address에 대한 Next hop을 찾기 위해 라우팅 테이블에서 LPM (Longest Prefix Matching, 라우팅 테이블에서 패킷의 목적지 IP address의 prefix와 가장 길게 매치되는 엔트리는 찾는 과정)를 수행하고 다시 IP 패킷을 ATM 셀로 분할하여 해당 ATM VC을 통해 전송하는 이 과정이 전체 네트워크 성능의 병목이 되는 데 이 중 라우팅 테이블 룩업이 가장 큰 성능 저하(지연) 요소이다. 즉, 호스트와 라우터간 라우터와 라우터간에는 Layer 2 ATM 가상회선을 통해 고속 스위칭되지만 라우터에서 Layer 3 IP forwarding 과정이 느려 전체 네트워크의 성능을 저하시키는 것이다. 손 장 우 son@netmanias.com 4/7
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그림 3. Classical IP over ATM 모델에서 라우터가 네트워크 성능에 병목이 됨.
1994년, 도시바는 Classical IP over ATM 모델의 약점 (다른 서브넷으로 데이타를 전달할 때 라우터를 경유해야 하다는 점) 공략하여 새로운 네트워크 라우팅 파라다임을 제시하였으며 이를 수행하는 핵심 장비가 바로 Cell Switch Router이다. 그림 4에 도시바에서 제시한 라우팅 파라다임이 나타나 있다. 그림 3과 비교해보면 Cell Switch Router (CSR)가 라우터의 자리를 대신하고 있음을 볼 수 있다. CSR는 Layer 3기능과 Layer 2기능을 모두 갖고 있는 장비로, OSPF,BGP와 같은 IP 라우팅 프로토콜이 올라가 있고, ATM 스위칭 기능도 가지고 있다. 그림 4에서 서브넷 X의 호스트 X.1이 서브넷 Z.1로 데이타를 전달하는 과정이 나타나 있다. 처음엔, 호스트와 CSR1간, CSR1과 CSR2간, CSR2와 호스트 Z.1간에 default VC을 통해 데이타가 전달된다. 이 때 CSR은, 기존의 라우터가 하던대로 똑같이,도착한 ATM셀들을 재조립하여 IP 패킷을 추출하고 라우팅 테이블을 룩업해 이 패킷의 next-hop 라우터를 찾아 낸다(hop-by-hop IP packet forwarding)(그림 4의 빨간선). 이 라우팅 테이블을 기존 라우터와 마찬가지로 OSPF, BGP같은 라우팅 프로토콜이 생성 및 관리한다. 이러다가, 특정 IP 패킷 흐름 (flow) 검출/감지되면(예를 들어 특정 {src IP address, dest IP address}의 패킷이 빈번하게 연속적으로 들어오면) 그 흐름에 그 흐름용 전용 가상회선(Dedicated-VC)을 할당해준다. 손 장 우 son@netmanias.com 5/7
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이 Dedicated-VC이 경로상의 모든 링크(호스트X.1-CSR1, CSR1-CSR2, CSR2-호스트Z.1)에 설정되면, 두 호스트간에는 Layer 2 ATM cut-through packet forwarding path가 제공되는 것으로 경로상의 어디에서도 IP 패킷을 뽑아보지 않으며 따라서 IP address lookup과정도 없어지게 되어 고속의 경로(그림 4에서 파란점선)가 설정되는 것이다. 즉, 일단 cut-through path가 설정되면, 경로상에 라우팅은 없고 스위칭만 있게 된다. (NHRP에서는 cut-thruogh path사 ATM 네트워크를 통해 설정이 되는 데 반해, CSR에서는 실질적인 cut-through path는 CSR내에서 설정된다.) CSR에서 데이타 전달과정을 정리하면 - CSR에 ATM셀이 도착 -> VPI/VCI 체크해서 VPI/VCI 룩업 테이블에 해당 엔트리가, * 있으면(dedicated-VC이 할당되었으면) -> 이 ATM 셀을 바로 스위칭 해버린다(VPI/VCI값을 바꾸고 해당 outgoing interface(dedicated-VC)로 스위칭 패브릭을 통해 전달한다고, 얘들을 모아서 IP패킷을 만들지 않고) * 없으면(dedicated-VC이 할당되어 있지 않으면) -> 이 ATM 셀들을 재조립하여 IP패킷 추출하여 packet-by-packet IP packet forwarding (라우팅 테이블에서 LPM수행해 next-hop라우터를 찾고 이 패킷을 분할해 ATM셀을 만들어 해당 outgoing interface(default-VC)로 전달) 손 장 우 son@netmanias.com 6/7
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그림 4. 도시바의 CSR (Cell Switch Router)
도시바에서는, 서브넷내에서 Dedicated-VC을 할당하는 방법으로 (1) VP기반(이웃하는 CSR간을 VP(Virtual Path)로 연결하고 a dedicated-VC이 요구될 때 이 VP내의 an unused VC를 하나 할당해주는 방법) (2) PVC기반 (네트워크 초기화시에, 이웃하는 CSR간에 PVC를 여러 개 설정해두고 a dedicated-VC이 요구될 때 이들중 않쓰고 있는 하나를 할당해주는 방법) (3) SVC기반 (a dedicated-VC이 요구될 때마다 ATM signaling 절차를 통해 SVC를 설정하는 방법)을 제시하고 있다. 흐름(flow)와 가상회선(VPI/VCI)간의 매핑을 위해 FANP (Flow Attribute Notification Protocol, 도시바에서 정의)을 사용한다. 정리: Cell Switch Router - Cell Switch Router구조에서 cut-through는 CSR내부에서 발생한다. - 고속 포워딩 엔진을 필요로 하지 않는다. - VC 병합(merging) 기능 없다. - ATM signaling protocol도 사용됨. (Dedicated-VC을 SVC기반으로 설정하면, 호스트와 CSR간, CSR와 CSR간에 SVC를 설정할 때 standard ATM signaling protocol을 사용한다.) - 패킷 흐름(flow)과 가상회선(VPI/VCI)간에 바인딩 정보를 다른 CSR(downstream CSR)에게 전달하기 위해 FANP라는 독자 프로토콜을 사용. - 기본적으로는, Traffic-driven approach. 손 장 우 son@netmanias.com 7/7