DTM (Dynamic Transport Mode) 기술 분석
2000년 10월 12일

손장우
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이 글에서는 최근에 주목 받고 있는 MAN (Metro Area Network)영역에서 기존의 IP/ATM/SONET or IP/SONET에 대한 대안으로서 제시되고 있는 DTM (Dynamic Transport Mode) 기술에 관해서 살펴보겠습니다. 그림 1에 MAN 영역에서 적용 가능한 기술들의 프로토콜 스택을 나타내었습니다.   DTM은 MSPP (Multi-service provisioning platform) 기술중에 하나로도 분류되는 데, MSPP 벤더들의 기술은 약간씩 차이가 있으며 여기서는 MSPP기술을 따로 언급하지 않겠습니다.  

그림 1. MAN 경쟁기술

. IP over ATM over SONET/SDH . IP over SONET/SDH . IP over GbE over Fiber(DWDM) . IP over DTM over Fiber(DWDM) (Dynarc, Net Insight AB) . MSPP . ATM VP Ring (ADC) . DPT (Dynamic Packet Trnasport, Cisco)

첫번째 구조는 현재 순수 ATM 응용이 없기 때문에 현실적으로 가능성이 가장 희미한 구조입니다. 두번째(IP/ATM/SONET/Fiber, Overlay model)와 세번째 구조(IP/SONET/Fiber, POS)가 현재 MAN과 WAN에서 가장 널리 사용되고 있는 구조입니다. IP over ATM overlay 구조에서 ATM 스위치로는 뉴브리지(현 알카텔)의 MainsteetXpress 36170과 루슨트의 GX550이 가장 널리 사용되고 있으며 IP 라우터로는 시스코의 7500급, 10000 (edge), GSR(core)와 쥬니퍼의 M20,40,160(core)이 가장 보편적으로 보급되어 있으며, 최근에 쥬니퍼가 M5, 10을 출시하였으며 에지 영역에서 많이 사용될 것으로 보입니다.  세번째 구조(POS)에서는 역시 시스코와 쥬니퍼의 위에서 언급한 라우터가 절대적인 시장 독점을 하고 있습니다.  그 다음에, 비교적 최근에 제시된 기술로 DPT, DTM, GbE가 있으며 IP(L3)와 fiber(L1)사이에 위치합니다. (L2: IP packet을 프레이밍하는 기능)

본 문서에서는 이중에서 DTM에 관해 자세히 알아 보겠습니다. MSPP, ATM Ring, DPT와 GbE은 다음의 넷매니아즈 White papers를 참고하세요. (1. Optical Metro Market Forecast and Vendor List 2.차세대 MAN (Metro Area Network) 구축 기술 분석 3. Ethernet in Metro Area Networks, zipped ppt file (63 pages) 4. Ethernet MAN )  DTM은 스웨덴의 Dynarc와 Net Insight AB가 주도하는 기술로, 동적 타임 슬럿 할당 기능이 추가된 circuit switching 방식의 변종입니다.  

그림 2. DTM: Dynamic circuit switching

교환 방식은 크게 회선 교환(Circuit switching)과 패킷 교환(Packet switching)으로 나눌 수 있습니다.  
회선 교환방식은 데이타를 전송하기 전에 종단간에 회선을 설정하고 그 회선을 통신시간동안 독점하는 방식으로 전화망(PSTN)이 대표적인 예입니다.   통신시간동안 데이타를 전송하든 안하든 그 회선의 대역폭은 다른 사용자의 트래픽에 전혀 영향을 받지 않으며, 따라서, 엄격한 서비스 품질(QoS)를 보장해줄 수 있는 장점이 있으나, 데이타가 전송되지 않는 시간에는 그 대역폭이 그대로 낭비되므로 사용 요금이 매우 비싼 단점이 있습니다.  패킷 교환 방식은 전송 링크 용량을 여러 사용자의 트래픽이 통계적으로 다중화되어 공유함으로써 링크 링크 이용율을 얻을 수 있는 방식으로 주어진 용량으로 회선 교환 방식보다 훨씬 많은 수의 가입자를 수용할 수 있으므로 이용 요금이 저렴하고 네트워크 자원을 효율적으로 사용할 수 있는 장점이 있으나, 네트워크에 트래픽이 많은 경우에 회선 교환 방식에 비해서 서비스품질이 떨어진다는 단점이 있습니다.  DTM은 기본적으로는 회선 교환 방식이나 기존의 TDM(Time Division Multiplexing)/SONET과는 달리 대역폭을 유연하게 할당해줄 수 있으며, 동적으로(<1msec) 대역폭을 조정할 수 있는 큰 특징을 갖습니다. 또한 여분의 용량을 best-effort 트래픽들이 통계적으로 다중화하여 사용함으로써 네트워크 자원을 효율적으로 사용할 수 있습니다. 그러면 DTM에 관해 보다 자세히 알아보겠습니다.  

▣ DTM frame  

  그림 3. DTM framing

DTM은 일단 Ring과 같이 링크를 공유하는 상황에서, 링크 대역폭을 circuit switching 방식으로 TDM (Time Division Multiplexing)처럼 단순히 타임 슬럿 단위로 공유하는 기술입니다. 이 때 타임슬럿은 두 노드간에 미리 할당되어 지거나, 트래픽이 노드에 도착했을 때 동적으로 할당될 수 있습니다.   TDM 방식은 프레임 구조가 정의되어야 하는데, DTM에서는 그림 3에 보이듯이 한 프레임이 125usec의 길이를 가지며, 프레임은 m+n개의 타임 슬럿으로 이루어지며 각 타임 슬럿은 64비트입니다.   따라서 한 타임 슬럿의 대역폭은 512Kbps(=64bit/125usec)가 됩니다. 여기서, m개의 타임 슬럿은 Control channel로 사용되며 링에 접속된 노드 수에 따라 갯수가 달라집니다. 나머지 n개의 타임 슬럿이 노드간의 데이타 전달을 위해 사용됩니다.   예를 들어, 링의 링크 용량이 1Gbps인 경우(즉, DTM 라우터의 광전송소자가 1Gbps의 전송율을 지원하는 경우) 프레임당 약 1950개(=1Gbps/512Kbps)개의 타임 슬럿이 정의됩니다. 이 때 50개의 노드가 링에 접속되어 있다고 가정하면 약 1900개의 타임 슬럿이 사용자 데이타 전달에 사용됩니다.  Control slot의 수는 링에 접속된 노드의 수만에 의존하기 때문에, 더 빠른 광전송 소자를 사용하면 DTM 네트워크의 Control overhead의 비율은 현저히 줄어든다는 장점이 있습니다.   즉, 만약, 6Gbps급의 광전송소자를 사용하면 총 11,718(=6Gbps/512Kbps)개의 타임 슬럿이 정의되며 이중 11668개의 타임슬럿이 데이타 슬럿으로 사용되므로 오버헤드율이 1Gbps일 때 2.5%에서 0.43%에 현격히 줄어듭니다.  

▣ DTM Channel 개념  
DTM에서 채널(Channel)이란 송신 노드와 수신 노드(들)간에 할당되는 타임슬럿의 집합으로 정의됩니다.  
이렇게 정의를 해놓으면 기존의 TDM과 동일한 정의같이 보이나, 다음과 같은 기존의 TDM과는 차별화되는 새로운 개념이 DTM에서는 제시됩니다.   Multi-rate: 512Kbps의 배수로 여러 전송율이 지원됩니다. 이는 한 타임 슬럿이 512Kbps이므로 여러개의 타임 슬럿을 할당해주면 사용자가 원하는 대역폭을 할당해줄 수 있는 것입니다. 타임 슬럿의 수에 따라, 512Kbps(1개), 1.024Mbps(2개), 1.536Mbps(3개), 2.048Mbps(4개),.....의 대역폭이 할당가능하여 높은 granularity를 제공합니다. 따라서, SONET/SDH처럼 타임 슬럿이 할당되는 것은 같으며 지원되는 전송율이 SONET/SDH(1.544Mbps, 45Mbps, 155Mbps, 622Mbps, 2.5Gbps)에 비해서 훨씬 유연합니다.  

또 하나의 SONET/SDH와 차별화되는 특징은 SONET/SDH은 망 구축시에 노드간의 용량을 할당해주고 이를 동적으로 재할당해주 못하는 데 반해, DTM에서는 통신 도중에 언제나 실시간(<1msec)으로 노드간 대역폭을 재할당해줄 수 있다는 장점을 갖습니다.   Multicast: 그림 4에 보이는 것처럼 한 노드에서 여러 노드로 전송이 가능합니다.(방송에 적합)  Fast Setup: 채널의 설정과 해지가 수 msec이내에 이루어집니다.  Simplex: 기본적으로 채널은 단방향으로 설정되며, 따라서 노드간 양방향 트래픽의 양이 다른 경우 채널 두개(1 to 3, 3 to 1)의 비대칭적으로 설정할 수 있습니다.  

  그림 4. DTM 채널

▣ DTM 채널의 설정  
DTM 채널은 송신 노드(Source node)가 수신 노드(들) (receiving node(s))에게 제어 메시지를 전달하여 설정합니다.  
예를들어, 노드 1이 노드 3으로 2.56Mbps의 채널, 노드 4와 5로 1.024Mbps의 멀티캐스트 채널을 설정하려 하면 노드3으로는 \"타임슬럿 10-14에서 데이타를 읽어라\" 그리고 노드 4와 5로는 \"타임 슬럿 22,23에서 데이타를 읽어라\"라는 제어 메시지를 보냅니다. 이렇게 해서 채널이 설정되면 노드 1은 데이타를 보내고 노드 3,4,5는 데이타를 수신할 수 있게 됩니다. 이러한 채널 설정 절차는 수 msec이내에 수행된다고 합니다.  Dynarc사의 DTM 시스템은 두 가지 방법으로 채널 설정이 가능한 데,   첫번째는 Traffic-driven 방식으로 트래픽양의 변화에 따라 동적으로 채널의 용량의 증설 또는 감소시키는 방법이 있습니다. 이 경우는 IP best effort 트래픽이 통계적 다중화되는 채널에 적용될 수 있습니다.  
두번째는 DTM 계층이 아닌 상위 계증에서 채널을 설정하는 방법으로 사용자의 트래픽 특성과 QoS요구사항에 따라 미리 채널을 설정하여 필요한 타임슬럿을 예약해 놓는 방법입니다. 이 경우는 VPN을 구축할 때 적용될 수 있습니다.  

▣ 다양한 응용의 서로 다른 QoS를 어떻게 보장해주는가?  
ISP는 보다 높은 수익을 창출하기 위해서는 현재의 best-effort 서비스 이외에 VoIP, VPN, IPTV 등의 새롭고 다양한 서비스를 자신의 IP 네트워크를 통해 지원해주어야 합니다. 또한 서비스별로 또한 사용자별로 과금을 할 수 있어야 합니다. 이렇게 하기 위해서는 서비스별로 서로 다른 QoS를 차별화하여 보장해줄 수 있어야 하며, 사용자별로도 계약한 대역폭을 보장해줄 수 있어야 하고 사용자 트래픽에 대한 보안 기능도 제공되어야 합니다. 이렇게 서비스별, 사용자별로 구분되게 서비스 품질을 보장해주고 대역폭을 보장해주어야 서비스별, 사용자별로 차별화된 과금을 할 수 있겠지요.   DTM은 이러한 문제를 풀기 위해 아래와 같은 기능을 제공합니다.  Traffic isolation : 한 채널상의 트래픽은 그 링크상의 다른 채널의 트래픽과 명시적으로 격리됩니다. 즉, 한번 채널이 설정되면 그 채널에 타임슬럿이 명시적으로 할당되고 그 타임슬럿을 다른 트래픽과 무관히 그 채널이 독점하므로 네트워크 자원을 두고 다른 트래픽과의 경쟁해야 하는 일이 없습니다. 따라서, TDM처럼 엄격한 QoS보장이 가능해지는 것입니다.  Multirate: 512Kbps의 정수배로 대역폭을 할당해줄 수 있어서 사용자는 자신의 회사규모에와 사용하고자하는 응용에 맞게 대역폭을 고를 수 있습니다.  Dynamic Bandwidth: 아주 재미있는 기능으로, 채널에 할당된 슬럿수를 통신중에도 동적으로 변경할 수 있는 기능입니다. 예를 들어, 웹써핑을 하다가 좋은 비디오 컨텐츠를 찾아서 실시간으로 그 비디오를 보게 되는 경우에 이 채널에 일시적으로 더 많은 타임슬럿을 할당해주고 비디오 감상이 끝난 경우에 다시 타임 슬럿을 반환합니다. 또는 본사와 지시간에 갑자기 온라인 화상 회의를 해야하는 경우 실시간으로 DTM 전용회선(VPN)의 대역폭을 증설시켜 회의를 하고 마친후에는 다시 대역폭을 원래 계양한 값으로 복귀시켜 놓을 수 있는 흥미있는 기능입니다.  Fast Channel Setup: 1msec이내에 채널을 설정/채널용량 변경/채널 해지가 가능합니다.  

Queueing 구조

  그림 6. DTM 노드의 큐잉 구조

그림 6에 DTM 노드 2와 노드 5에 Enterprise 네트워크이 접속되어 있는 예가 나타나 있습니다. 여기서 노드 2의 구조를 보면서 DTM이 제공하는 QoS 구조가 어떻게 되었는 지 알아보겠습니다.  DTM 노드에 Ethernet(10Mbps/100Mbps)으로 혹은 T1/T3 인터페이스를 통해 패킷이 들어오면 패킷의 헤더 정보 {destination IP address, source IP address, TOS/DSCP field, Protocol type, destination port number, source port number, VLAN ID, incoming interface}를 참조하여 지금 도착한 패킷이 어느 가입자의 패킷이며 무슨 응용의 패킷인지를 알아냅니다(Multi-Field Packet Classification).   예를 들어, 회사 A에서 온 ftp 패킷이면 그림에 보이는 위에서 세번째 큐에 저장을 합니다. 이런식으로 모든 도착 패킷은 정해진 큐에 저장됩니다. 이후, DTM 링상의 노드 3에서 DTM프레임이 들어오면 각 가입자(회사 A, 회사 B)별로 미리 할당되어 있는 타임 슬럿에 해당 패킷을 실어 이를 다시 노드 1로 전송합니다. (DTM링이 시계방향으로 운용된다고 가정할 때)  만약, 회사 B에서 트래픽이 버스티하게 나오는 경우에, DTM 채널(회사 B-회사 D간 통신을 위해 노드 2와 노드 5간에 설정된 채널)은 이 버스티 트래픽을 shaping해주는 역할을 자연스레 수행하게 됩니다.  그림의 예에서 회사 A에서 회사 C간에 DTM 채널은 3.584Mbps의 대역폭(즉, 7개의 타임 슬럿)이 할당되어 있습니다. DTM프레임내에 항상 고정된 위치에 고정된 개수의 타임슬럿이 할당되며 따라서 대역폭이 TDM처럼 확실하게 보장되는 것입니다.   다른 회사에서 순간적으로 아무리 많은 트래픽이 DTM네트워크에 유입이 되어도 전혀 영향을 받지 않게 됩니다.(Traffic isolation) 또한 회사 A에서 유입된 트래픽중에서도 응용별로 분리해서 이 간에도 우선순위를 부여하는 기능을 가지고 있습니다.   즉 회사 A에서 순간적으로 VoIP, best-effort 트래픽이 몰려들어와서 125usec마다 7개씩 할당된 타임슬럿으로는 트래픽을 다 처리하지 못해 큐잉이 발생할 때, VoIP 트래픽을 우선적으로 채널에 실어 나름으로써 VoIP 트래픽의 QoS를 보장해줄 수 있는 기능입니다(prioritization of traffic on a single channel).  

▣ VPN 제공 기능  
VPN (Virtual Private Network)은 공중 인터넷망을 통해 본사와 지사간에 사설망을 구축하는 서비스입니다.  VPN은 기존의 TDM 기반의 전용회선을 대체해나갈 기술로 공중 인터넷 패킷망을 이용해 구축되므로 사용요금이 현재의 회선 교환 방식으로 제공되는 전용회선보다 훨씬 저렴할 것으로 예측되어 큰 시장이 형성될 것으로 보입니다. 이 VPN 서비스를 제공하기 위해서는 QoS와 보안이 가장 중요한 풀어야할 과제입니다.  DTM은 이러한 문제를 Traffic isolation, DTM channel의 개념으로 풀고 있습니다. 즉, DTM이 TDM과 같이 타임슬럿 개념으로 운영되기 때문에 사실상 기존의 TDM망에서 제공하는 전용회선의 QoS와 보안상의 장점을 그대로 상속한다고 볼 수 있습니다.   즉, 두 사이트(본사와 지사)간에 DTM channel을 할당해주면 2계층에서 보안이 해결되며 할당된 타임슬럿을 망부하 상황에 무관하게 독점하므로 QoS도 자연히 보장됩니다.  여기에, 기존 TDM/SONET기반 전용회선보다 차별화될 수 있는 기능으로 전용회선의 용량을 실시간으로 증설할 수 있다는 점을 들 수 있습니다. 또 두 사이트간에 10Mbps를 할당받은 경우에, 회사내 특정 이벤트가 있는 시간동안 일시적으로(몇시간 또는 몇일정도) 100Mbps로 증설하여 사용하고 다시 10Mbps로 복귀할 수있는 동적인 대역폭 설정 기능이 장점입니다.   또, 10Mbps의 용량을 응용별로 나누어서 사용할 수 있다는 점, 즉, 음성 트래픽에 우선순위를 주어 통화품질은 보장하면서 데이타통신도 함께 병행할 수 있다는 장점을 갖습니다.  

▣ 결론  
DTM은 회선 교환 방식의 장점과 패킷 교환 방식의 장점을 혼합시킨 좀 낯설지만 새로운 개념의 전송 및 교환 방식입니다. DTM 관련 제품이 출시되기 시작한 것은 좀 됬지만 올해 들어 실제로 ISP망(외국)에 도입되고 있으며 국내에서도 도입을 검토중인 기술입니다.   이글은 DTM이 생소한 분들에게 DTM의 기본 개념을 설명드리기 위해서 작성하였습니다. 서두에서 말씀드린 바와 같이 DTM은 MAN영역에서 도입될 것으로 보이며, 이 시장에서 ATM, POS, Gigabit Ethernet, MSPP, ATM Ring, DPT등의 기술과 경쟁해야 합니다.   향후, DTM 장비를 이용한 네트워크 구축 방안에 관해 기술하도록 하겠습니다. 이 글을 읽으신 분중에서 DTM에 관해 나름대로 정리하신 문서가 있거나 또는 DTM 관련한 좋은 자료를 갖고 계신 분은 메일로 보내주시거나 자료실에 올려주시면 고맙겠습니다.  

▣ 참고문헌  
1. Tutorials/White Papers    
Dynamic Synchronous Transfer Mode (DTM) Fundamentals and Network Solutions, Net Insight AB [html] [pdf]  
Distributed Switching and Routing, Dynarc white paper  
Business class VPNs, Dynarc white paper, 121 KB  

2. Vendors
Press Release | NET INSIGHT in the press

3. Other articles on DTM   .
Tech Talk--Getting Fat, Internet Telephony, October 1, 2000  
Tele2, by using the Net Insight solution, can offer \"fatband,\" high-speed, and quality IP services using Ethernet at 10/100 Mb/s (megabits per second) and streaming studio-quality video over an optical network at speeds of 270 Mb/s.  
Dynamic Advances for Optical IP Networks, Telecommunication Magazine, 08/2000 (Dynarc DTM 개념 기술) (see Figure8T21)  
Vendors Serve Up Provisioning Smorgasbord, LightReading, JUNE 14, 2000  
Dynarc Intros Optical IP Services Router, LightReading, JUNE 06, 2000 (Dynarc 5116)
DTM could be the answer to delivering true QOS in fiber optic networks, Internet Telephony, May 8, 2000 (see Figure 1, 2, 3)  
Bandwidth dynamics: DTM further attempts to break into the U.S. market, Internet Telephony, May 1, 2000 (Dynarc DTM)
Net Insight Develops ASIC, LightReading, APRIL 27, 2000  
Tech Update: New broadband technology boosts backbone convergence, By ERIK EKLUND, Network World Fusion, 03/22/99. (see Figure0322)  . Dynarc Brings Quality Control to MANs, LightReading, FEBRUARY 24, 2000 (Dynarc 50 access switch출시)  
Circuit Switching is Back, LightReading, FEBRUARY 02, 2000  
Swedish trio touts ATM alternative, By Jeff Caruso, Network World Fusion, 01/18/99  
My Ultimate Backbone , LightReading White Papers, 1/18/2000 (Net Insight)  
Networking for the New Millennium: After ATM, What?, Telecommunication Magazine, 01/2000 (DTM과 ATM 비교)  
Dynarc (www.dynarc.com) -- Dynarc 500 DTM Switch Offers Voice/Data Migration Alternative, Telecommunication Magazine, January 2000 (Dynarc 500, Product of the Month)  
The Truth About Convergence and IP, Internet Telephony, May 8, 2000