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Analyze Trends, Technologies and Market

손장우 son@netmanias.com
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기존의 ADSL 액세스망에서
VoD 서비스를 위한 IP QoS 제공 방안:
Net.com 솔루션 분석
2003년 6월 20일
손장우
son@netmanias.com
010-3460-5747
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최근 들어 \"Triple Play\" 서비스라는 개념이 활발히 논의되고 있습니다. \"Triple Play\" 서비스란 하나의 통신 사업
자가 하나의 액세스 라인을 통해 전화, 인터넷 그리고 방송 (Video on Demand, Broadcast TV) 서비스를 모두
제공하는 서비스입니다. TP 서비스는 원래 미국의 MSO (Multi-System Operator)들이 HFC (Hybrid Fiber Coaxial)
망을 통해 방송, 인터넷 (케이블 모뎀), 전화 서비스를 번들로 묶어 저렴한 비용으로 제공하면서 유명해진 서비
스입니다.
이러한 MSO의 TP 서비스로 인해 가입자는 Te l c o의 서비스를 전혀 받지 않아도 모든 통신, 방송 서비스를 다
받을 수 있게 된 것입니다. 따라서, Telco 입장에서는 시장을 수성하기 위해 그 동안 제공하지 않았던 방송 서
비스를 제공하여 자신들도 TP 서비스 프러바이더가 됨으로써 MSO와 경쟁에서 자신의 가입자를 빼앗기지 않
고 또한 새로운 이익 창출하려고 노력하고 있는 상황입니다.
Te l c o가 TP 서비스를 제공하기 위한 액세스망은 크게 두 가지로 나누어 고려해볼 수 있습니다. 첫번째는 기존
의 ADSL 액세스망(CO에 DSLAM이 있는 경우)을 이용하는 것이고 두 번째는 최근 새로이 도입되고 있는
VDSL과 Ethernet (DSLAM이나 Ethernet Switch가 Curb 또는 MDU에 위치하는 경우) 액세스망을 이용하는 방법
입니다.
이글에서는 기존의 ADSL 액세스망을 통해 방송 (Video on Demand, Broadcast TV) 서비스를 제공하기 위한 방
안과 이슈-특히, QoS (Quality of Service)이슈-에 관해서 살펴보도록 하겠습니다.
그림 1에 ADSL 액세스망을 통해 VoD 서비스를 하기 위한 망구조와 Home Network 구조가 나타나 있습니다.
CO에 위치한 DSLAM은 ADSL 가입자를 집선해서 ATM 스위치로 연결해주고 ATM 스위치는 여러 DSLAM으로
부터 집선되어온 트래픽을 B-RAS로 연결시켜줍니다. 여기까지는 순수 Layer 2 ATM 망입니다. B-RAS에서는
PPP 종단기능과 가입자 관리 기능, 인증 기능 등을 수행하며 IP 망과 연동을 해줍니다.
VoD streaming 서버는 B-RAS에 연결될 수 도 있고 Edge Router에 연결될 수 도 있으며 Internet의 임의의 위
치에서도 존재할 수 있습니다. 대개, 통신 사업자가 VoD 서비스를 자사의 가입자들을 대상으로 제공하는
SVoD (Subscription VoD)의 경우 첫번째나 두 번째의 위치에 존재하는 경우가 일반적입니다. Network Manias
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그림 1. Telco의 Triple Play Service 망 구조
기존의 ADSL 액세스망에서는 인터넷 접속점인 B-RAS (Broadband Remote Access Server)와 CPE modem간(즉,
B-RAS - ATM SW - DSLAM - CPE modem)에 한 가입자당 하나의 PVC (Permanent Virtual Circuits)가 설정되고
이를 통해 인터넷 서비스만 제공하고 있습니다. ADSL 가입자는 인터넷 액세스 서비스를 가정하기 때문에 모든
가입자의 PVC는 ABR로 설정됩니다. 따라서, DSLAM과 ATM 스위치는 모든 트래픽을 동등하게 처리하며 특정
PVC (즉, 특정 가입자)에 대해 우선 순위를 부여하여 차별화된 서비스를 제공하지 않습니다 (할 필요가 없는
것이지요). IP 망에서 보면 \"Best-Effort\" 서비스에 해당하는 서비스를 제공하고 있는 것입니다.
ADSL 가입자들이 인터넷만 사용한다면 큰 문제가 없지만 이 망을 통해 VoD 서비스를 제공하는 경우에는 문
제가 달라집니다. 인터넷은 실시간성을 요구하지는 않고 Thoughput만 안정적으로 나오면 큰 문제가 없습니다.
하지만 VoD나 Broadcast TV와 같은 Streaming 서비스는 실시간성을 요구하며 망에서는 VoD를 보는 시간 내
내 최소의 Delay, Jitter, Loss 를 보장해주어야 끊김없는-CATV망에서 TV를 보듯, Video tape을 빌려서 Video를
보듯-화질을 제공할 수 있게 됩니다.
ATM SW B-RAS Router
Internet
DSLAM
POTS Class5 SW
(PSTN)
8Mbps OC3 OC12
OC3
OC1
POTS
IP STB
modem
Hub
Splitter
Outside
Plant Copper
Twisted Pair
RJ11
ADSL Modem
Telephone
HSI Access
RJ45
TV on PC
IP STB IP STB
10/100 Hub
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ADSL 액세스망는 ATM망으로 기본적으로 패킷 네트워크이기 때문에 Congestion이 발생할 수 있으며 이 때 효
과적으로 QoS 제어를 해주지 않으면 VoD 의 서비스 품질을 보장해 줄 수 없고, 이렇게 되면 가입자들은 IP
VoD 서비스를 외면하게 될 것입니다. 따라서, ADSL 액세스망에서 VoD 트래픽에 대한 QoS 제공이 매우 중요
합니다.
ADSL 액세스망에서 Congestion이 발생하는 상황을 살펴보도록 하지요. ADSL 액세스망(Downstream방향)에서
Congestion Point는 B-RAS, ATM Switch, DSLAM의 Output port입니다. 시스템으로 인가되는 트래픽의 대역폭보
다 output port의 대역폭이 작으므로 순간적으로 특정 Output port로 트래픽이 집중되면 그 포트에서
Congestion이 발생합니다. 현재 ADSL 서비스는 가입자와 B-RAS간에 하나의 PVC가 설정됩니다. DSLAM과
ATM 스위치는 VPI/VCI값만 보고 ATM cell을 포워딩하기 때문에 VCI값이 달라야지만, 즉 다른 VCC (Virtual
Channel Connection)을 설정해야지만(예를 들어, 하나의 VCC 100은 ABR로, 다른 VCC 101은 CBR로 설정하면
DSLAM과 ATM 스위치가 두 VCC을 구분해서 처리할 수 있다.)서비스를 차별화시킬 수 있습니다.
따라서, 모든 가입자의 모든 응용의 트래픽은 동일하게 처리되며 VoD나 Broadcast TV 서비스와 같이 엄격한
Delay와 Loss 조건이 요구되는 트래픽을 차별적으로 대우를 해 줄 수가 없습니다. 즉, QoS가 보장되지 않는
것이지요.
VoD와 Broadcast TV 서비스를 현재의 ADSL 액세스망을 통해서 제공하기 위한 방법을 생각해 보지요.
1) PVC를 하나 더 설정해준다: 기존의 PVC (ABR or UBR)는 인터넷 서비스용으로 사용하고 새로운 PVC는
VoD나 Broadcast TV 서비스용으로 사용합니다. 이렇게 하면 ATM 장비 (DSLAM, ATM Switch)에서 두 개의
PVC (즉, 두 개의 응용 서비스)를 구분할 수 있으므로 서비스 차별화가 가능하여 VoD 서비스의 QoS를 보장해
줄 수 있습니다. 그러나, 현재 도입되어 있는 ADSL modem이 하나의 PVC만을 지원하고 있어 현실적으로 어
려운 방법입니다. 또한 새로이 생기는 응용 서비스마다 PVC를 추가적으로 설정해주면, ADSL 액세스망에서 관
리되어져야 할 PVC의 수가 폭증하여 관리의 문제도 있고 B-RAS의 안정적인 동작에도 부정적인 영향을 미치
게 됩니다. 또한 DSLAM이나 ATM Switch들이 통상적으로 지원하는 PVC의 수에도 한계가 있습니다.
2) VoD service request가 들어올 때마다 B-RAS와 CPE modem간에 SVC를 동적으로 생성한다: SVC (Switched
Virtual Circuit)를 설정한다고 함은 VoD 이용자가 VoD request를 보내면 ADSL 액세스망에서 이 서비스를 지원
할 수 있는지를 판단하여 망자원이 충분하면 Accept를 하고 그렇지 못하면 Reject를 합니다. Accept를 하면
SVC 경로상의 DSLAM과 ATM Switch에 이 SVC를 위한 자원 (버퍼, 전송 대역폭)을 예약(Resource
Reservation)합니다. 이후 VoD stream 이 이 SVC상으로 가입자 CPE modem까지 QoS 보장을 받으면서 전달
됩니다. 그런데, 현재 도입되어져 있는 CPE modem이 SVC를 지원하지 않으며 또한 DSLAM과 ATM Switch도
모두 SVC를 지원하는 것은 아닙니다. Network Manias
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즉, 기존의 ADSL 액세스망에서 서비스 차별화를 위해서는 가입자당 복수개의 VCC을 설정해주는 것이 정
답이지만, 현실적으로는 매우 어렵다는 것을 알 수 있습니다. 그렇다면, 어떻게 해야 기존의 ATM 인프라상
으로 하나의 PVC만을 이용하여 Flow level의 차별화된 IP QoS 서비스를 제공할 수 있을 까요?
Next Generation B-RAS 제품을 출시하고 있는 벤더들중에서 Net.com사는 ADSL 액세스망에서 다양한 응용들
의 서로다른 QoS요구 조건을 보장해줄 수 있는 재미있는 방안-IP/ATM hierarchical queueing and shaping-을 구
현했습니다. 여기서 소개하는 구조는 타 벤더-Juniper, Redback에서도 유사한 방식으로 구현되어 있습니다.
그림 2. Net.com의 B-RAS의 IP QoS 제어 구조
먼저, B-RAS와 각 DSLAM간에는 VP (Virtual Path)를 설정합니다 (예, DSLAM 1과 B-RAS간: VP1). 각 가입자와
B-RAS간에는 PVC가 설정됩니다.
POT
IP STB
modem
Hub
ATM SW B-RAS
DSLAM 2
8Mbps
IP Flow
Shaper
IP Flow
Queue
PPP encap.
& SAR
VC 1
Shaper
VP 1
Shaper
VC n
Shaper
VC 1
Shaper
VC m
Shaper
VP 3
Shaper
… … …
Quintuple Packet Classification
Transmission
queue
OC3
OC12
OC3
OC1
155Mbps
45Mbps
8Mbps
8Mbps
8Mbps
3Mbps
622Mbps
1 Gbps
2Mbps
155Mbps
8Mbps
DSLAM 2 ATM SW
8Mbps
8Mbps
155Mbps
45Mbps
DSLAM 1
DSLAM 3
… … …
Router
Internet
DSLAM 3
DSLAM 1 Network Manias
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B-RAS는 계층적 큐잉과 rate-shaping으로 ADSL 액세스망 전체에 걸쳐 QoS를 제어합니다. 인터넷으로부터 IP
packet이 들어오면 classification과정을 통해 어느 가입자의 어느 응용에 속한 패킷인지를 알아냅니다. 이 분류
화된(Classfied) 패킷을 해당 가입자의 flow queue에 저장을 합니다. 가입자별 flow queue는 6개가 존재하며 각
flow에 대해 rate을 shaping할 수 있습니다. 또한 한 가입자에 속한 서로 다른 flow들간에 우선 순위를 차등화
하여 어느 flow queue의 패킷을 먼저 전달할 것인지를 결정합니다. 선택된 패킷은 PPP encapsulation 과정과
SAR를 거쳐 ATM cell이 되어 VC 1 queue에 저장됩니다.
VC1은 가입자 1로 설정된 PVC를 의미하며, 가입자의 ADSL 회선이 8Mbps이면 VC 1 queue의 cell들은 8Mbps
로 shaping되어 VP 1 queue로 전달됩니다. VP 1 queue는 여러 VC로부터온 ATM cell들을 다중화하고, VP 1
queue도 역시 rate-shaping을 적용하며 VP 1의 BW가 155Mbps이면 155Mbps로 shaping을 합니다. 여러 VP
queue에서 전달되어져온 ATM cell들은 transmission queue에서 output link로 전달되어 져서 ADSL 액세스망으
로 유입되게 됩니다. Network Manias
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어떻게 QoS가 제어되는 가?
그림 3. B-RAS에서 VP shaping
B-RAS내에 VP shaper가 VP별로 존재하여 VP에 할당된 대역폭값(예, VP1의 경우 155Mbps)으로 Shaping을 적
용합니다. 이로 인해 순간적으로 DSLAM 1으로 트래픽이 집중되어 DSLAM 1으로 향한 트래픽이 155Mbps를
넘게 B-RAS로 인가되어도 B-RAS가 155Mbps이상으로는 전달하지 않기 때문에 ATM Switch의 DSLAM 1쪽의
Output port에서 Congestion이 발생하지 않습니다.
POTS
IP STB
modem
Hub
ATM SW B-RAS Router
Internet
8Mbps
IP Flow
Shaper
IP Flow
Queue
PPP
encap.
VC 1
Shaper
VP 1
Shaper
VC n
Shaper
VC 1
Shaper
VC m
Shaper
VP 3
Shaper
… … …

Transmission
queue
OC3
OC1
155Mbps
45Mbps
8Mbps
8Mbps
8Mbps
3Mbps
622Mbps
2Mb
155Mbps
8Mbps
DSLAM 2 ATM SW
8Mbps
8Mbps
DSLAM 1
DSLAM 3
ATM Swit ch의 DSLAM 1
쪽의 Output port에서
Congestion이 발생하지
않는다.
. .
1
DSLAM 2
DSLAM 3
DSLAM 1 OC3
OC1
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그림 4. B-RAS에서 PVC shaping
각 VC (가입자)별로 ADSL 서비스 대역폭 (1.5Mbps, 3Mbps or 8Mbps)값으로 rate-shaping을 적용합니다. 예를
들어 가입자 1의 ADSL 구간(DSLAM-to-CPE modem)의 대역폭이 8Mbps이면 VC 1 queue에서 8Mbps로
shaping을 겁니다. 따라서, DSLAM 1에서의 가입자 1의 queue에서는 8Mbps이상으로 트래픽이 들어오지 않기
때문에 DSLAM의 output port (ADSL port)에서는 congestion이 발생하질 않습니다.
이 두가지 shaping 동작(VP와 VC queue에 rate shaping 적용)으로 인해 ADSL 액세스망 (B-RAS -> ATM Switch
-> DSLAM -> CPE)에서는 congestion이 발생하지 않게 됩니다.
이제 B-RAS에서만 QoS가 보장되면 되는 데요, IP 망으로부터 유입되어 들어오는 패킷들은 classification
(L2/L3/L4)되어 해당 가입자의 해당 flow queue에 저장되고 가입자의 각 flow queue에 rate-shaping과 전송 우
선 순위 제어를 제공하여 flow간에 서비스를 차별화시켜 줍니다 (IP QoS). 이후 VC queue에 들어가 shaping된
후 다른 VC들과 함께 VP로 다중화되며, 각 VP들도 shaping된 후 output link로 다중화되어 전달됩니다 (ATM
POT
IP STB
modem
Hub
ATM SW B-RAS Router
Internet
8Mbps
IP Flow
Shaper
IP Flow
Queue
PPP encap.
& SAR
VC 1
Shaper
VP 1
Shaper
VC n
Shaper
VC 1
Shaper
VC m
Shaper
VP 3
Shaper
… … …
Transmission
queue
OC3
OC12
OC3
OC1
155Mbps
45Mbps
8Mbps
8Mbps
8Mbps
3Mbps
622Mbps
2Mbps
155Mbps
8Mbps
DSLAM 2 ATM SW
8Mbps
8Mbps
155Mbps
45Mbps
DSLAM 1
DSLAM 3
… … …
DSLAM 1에서의 가입자 1의 queue에
서는 8Mbps이상으로 트래픽이 들어오
지 않기 때문에 Congestion이 발생하
질 않는다.
Congestion이 발생하지 않도록
조절해서(8Mbps를 넘지 않게)
보내준다.
Quintuple Packet Classification
1 Gbps
DSLAM 2
DSLAM 3
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QoS).
만약, DSLAM 집선비를 1:1로 하여 8Mbps ADSL 가입자를 19가입자만 받으면 VP 1으로 VC들을 다중화할 때
congestion이 발생하지 않습니다. 따라서, 각 VC queue와 VP 1 queue에서는 queueing이 발생하지 않으며
queueing delay와 loss도 없습니다. 그러나, 현실적으로는 155Mbps의 uplink를 가진 DSLAM이 적게는 300가입
자에서 많게는 1400가입자 정도를 서비스합니다. 따라서, VP 1으로 다중화되는 VC의 수는 300 ~ 1400에 이르
게 됩니다.
물론 이 경우에도 VP를 155Mbps로 shaping하고 VC를 8Mbps로 rate-shaping하여 ADSL 액세스망에서는
congestion을 발생하지 않도록 막을 수 있습니다(그리고, IP CoS도 제공할 수 있죠). 그러나, VC들이 VP로 다중
화될 때 문제가 발생합니다. 각 VC queue를 8Mbps로 shaping한다는 것은 8Mbps 이상으로 보내지 않겠다는
것이지 다른 VC들과 함께 다중화될 때 8Mbps를 보장해준다는 것은 아니라는 것이지요.
Net.com에서는 한 VP에 속한 VC (즉, 한 DSLAM에 연결된 가입자들의 PVCs)들을 VP로 다중화할 때 스케쥴
링 방식에 대해서 자세히 언급하고 있지는 않습니다. Network Manias
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여러 가지 스케쥴링 방식이 고려될 수 있겠지만, 지금부터는 제 나름대로 유추해본 방식을 이야기 해보겠습니
다.
예를 들어, 300가입자가 DSLAM 1에 연결되어 있고 각 가입자의 ADSL 서비스 대역폭은 8Mbps라고 가정을 해
보지요. 만약 Round-Robin 방식으로 각 VC queue를 서비스한다면, 300가입자가 모두 active 상태일 때 각 VC
queue는 155M/300 = 0.52Mbps의 대역폭만 보장받을 수 있습니다. 만약 가입자 1과 2가 2Mbps의 VoD 서비스
를 받고 있는 경우, QoS를 보장해주어야 할 Flow의 BW는 4Mbps이며 나머지 대역폭은 각 가입자에게 공정하
게 나누어 준다고 가정을 해보지요. 그러면 VC 1은 2M의 VoD 대역폭과 0.5M의 인터넷 대역폭을 보장 받으면
되고 아래 표와 같이 각 VC의 Service weight를 부여해주면 VoD 서비스의 서비스 품질도 보장되고 VoD가 사
용하고 있는 대역폭을 제외한 나머지 대역폭을 인터넷 트래픽들이 공정하게 공유하게 됩니다.
VoD Internet Weight
VC1 2Mbps (155M-4M)/300=0.5M 2.5M/155M
VC2 2Mbps 0.5M 2.5M/155M
VC3 0 0.5M 0.5M/155M
VC4 0 0.5M 0.5M/155M
VC5 0 0.5M 0.5M/155M
VC6 0 0.5M 0.5M/155M
… 0 0.5M 0.5M/155M
VC300 0 0.5M 0.5M/155M
4Mbps 151Mbps 1
이렇게 하기 위해서는 VoD 서비스에 대해서 CAC (Connection Admission Control)을 해주어야 하며, 이 결과를
토대로 동적으로 각 VC의 Service weight와 Flow queue의 shaping rate을 설정해줄 수 있어야 합니다.
또한 가입자별로 flow queue를 두므로 B-RAS 시스템이 관리해야 할 queue의 개수는 최대 (가입자수)*( 1VC
queue + 6 flow queue)개의 queue가 정의되고 관리되어야 합니다.
위의 파란 색으로 기술한 부분은 제가 생각한 간단한 스케쥴링 방식이며 각 벤더들은 이 보다 더 정교한 스케
쥴링 방식을 구현한 것으로 보입니다.
이 글에서는 기존의 ATM 기반의 ADSL 액세스망에서 VoD와 Broadcast TV와 같은 새로운 서비스를 제공하기
위해서 요구되는 QoS 보장에 관해서 살펴보았습니다. 개인적인 생각으로는 현재 국내 통신 사업자들이 시작하
고 있는 VDSL, Ethernet 액세스망과 같이 IP 기반으로 액세스망 환경을 구축하면 오히려 QoS 제공이 용이하Network Manias
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다고 생각하고 있습니다. 그러나, 기존의 ADSL 가입자중에서 상당 부분이 ATM 기반의 ADSL 서비스를 받고
있는 것이 현실이여서 ATM기반의 ADSL 액세스망에서 IP QoS 제공 방안에 관해서 살펴 보았습니다. QoS에
관한 한 최고의 기술인 ATM이 QoS (IP QoS)를 제공하기가 이렇게 어렵구나 하는 생각도 듭니다. 하여튼 차세
대 B-RAS의 도입으로 기존의 ATM 기반의 ADSL 액세스망에서도 IP QoS를 제공할 수 있다는 것을 알아보았
고 차세대 B-RAS가 QoS를 제공하는 방법에 관해 알아보았습니다. 다음 번 글에서는 IP 액세스망 환경에서
VoD, Broadcast 서비스를 위한 QoS 제공에 관해 살펴보도록 하겠습니다.