이동 통신 사업자는 IP Transport 망(IP/MPLS Network)에 LTE 장비(eNB, S-GW, P-GW, MME, HSS 등)를 연결하여 LTE 망을 구축합니다. 

전국에 흩어져 있는 기지국(eNB)과 5~6개의 Regional POP에 위치한 LTE Core 장비(S-GW, MME 혹은 P-GW) 사이의 IP Transport 망을 Mobile Backhaul이라 부르며, 안정적인 이동 통신 서비스(Handover, VoLTE 서비스 등)를 위해 Mobile Backhaul은 일정 수준 이상의 품질(Delay, Jitter, Loss, Availability 등)을 유지/만족해야 합니다.

아래 그림은 Ericsson 자료를 인용한 것으로, 본 자료에 따르면 LTE 서비스를 위한 Mobile Backahul의 품질 기준을 아래와 같이 정의하고 있습니다.

• One-way Delay: 20ms 이하
• Jitter (Delay Variation): 2ms 이하
• Packet Loss Rate: 10에 -3승 이하
• Network Availability: 99.99%

출처: Mobile broadband backhaul: Addressing the challenge, Ericsson Whitepaper, May 2008

이번 시간에는 이동 통신 서비스를 위한 IP Transport 망의 성능 품질 측정/모니터링 기술에 대해서 소개해 드리도록 하겠습니다.

누가 어떻게 성능 품질을 모니터링하나?

LTE 트래픽(User Data, LTE 노드간에 Control Data)을 전달하는 스위치/라우터간에 Probe Packet(보통 UDP 기반)을 주고 받아 성능 품질을 측정할 수도 있고(그림 a), 별도의 라우터(Shadow Router라 부름)를 IP Transport 망에 연결하여 Shadow Router간에 Probe Packet을 주고 받아 성능 품질을 측정할 수도 있습니다(그림 b).

또한 Probe Packet에 QoS(CoS in Ethernet, DSCP in IP, EXP in MPLS packet) 값을 설정(marking)할 수 있어, 각 서비스 등급별로 성능 품질을 모니터링할 수 있습니다.

품질 측정은 주기적/지속적으로 이루어 집니다. 본 설정의 예는 1분마다 15개의 Probe Packet을 전송하고, 각 Probe Packet 간에 interval은 1초입니다.

• Probe-count = 15
• Probe-interval = 1 sec
• Test-interval = 45 sec

어떤 성능 품질을 모니터링하나?

• Delay (Latency): round-trip and one-way
• Jitter (Interpacket delay variance): one-way
• Packet Loss: one-way
• Packet Sequencing (packet ordering/out-of-sequence)

• T1: Source의 Control Plane(Route Processor)에서 Probe Request 패킷 전송 시각 (time of day)
• T2: Destination의 Line Card에서 Probe Request 패킷 수신 시각 (time of day)
• T3: Destination의 Control Plane에서 Probe Response 패킷(Probe Request에 대한 응답 패킷) 전송 시각 (time of day) 
• T4: Source의 Line Card에서 Probe Response 패킷 수신 시각 (times of day)
• T5: Source의 Control Plane에서 Probe Response 패킷 수신 시각 (time of day)

• Destination의 CPU 부하가 underload인 상황: RTT Delay = 15.0ms (이게 맞는 값)
• Destination의 CPU 부하가 overload(90%)인 상황: RTT Delay = 58.5ms (Destination이 과부하 상태라서 응답을 늦게 줌. 품질 측정 구간의 망 Delay가 아니라 성능 품질 측정을 위한 라우터의 CPU 과부하로 인한 잘못된 결과)

• Positive Jitter: Source에서 보낸 패킷들의 시간 간격(예. Inter Packet Interval = 10ms) 보다 더 큰 시간 간격(예. 15ms)으로 Destination이 패킷들을 수신 한 경우
• Negative Jitter: Source에서 보낸 패킷들의 시간 간격보다 더 짧은 시간 간격(예. 5ms)으로 Destination이 패킷들을 수신 한 경우 
• Zero Jitter: Source에서 보낸 패킷들의 시간 간격과 동일한 시간 간격(예. 10ms)으로 Destination이 패킷들을 수신 한 경우

■ LTE over IP Transport Network

• UE는 eNB, S-GW, P-GW와 형성된 EPS Bearer를 통해 인터넷과 통신함
  • UE ~ eNB: DRB
  • eNB ~ S-GW: GTP tunnel
  • S-GW ~ P-GW: GTP tunnel

■ Performance Measurement of IP Transport Network for LTE Service

• Mobile Backhaul의 성능 품질 측정을 위해 eNB와 연결된 Cell Site Switch(in Cell Site)와 S-GW가 연결된 Edge Router(in Regional POP)간에 Probe Packet을 주고 받아 Delay, Jitter, Loss를 측정함
• Regional POP(시/도)과 Core POP(서울)간에 성능 품질 측정을 위해 Edge Router와 Core Rotuer간에 Probe Packet을 주고 받아 Delay, Jitter, Loss를 측정함
• Core POP(서울)과 Internet Exchange(서울)간에 성능 품질 측정을 위해 Core Router와 Border Rotuer간에 Probe Packet을 주고 받아 Delay, Jitter, Loss를 측정함

■ Measurement Reporting to Management Server

• 이와 같이 측정된 성능 품질 데이터는 SNMP를 통해 주기적으로 Management Server로 전달되어 관리되고, 또한 각 라우터는 성능 품질 파라미터(Delay, Jitter, Loss)에 대한 Threshold를 설정하여, 성능 품질이 그 이하로 떨어지게 되면 SNMP Trap을 통해 Management Server에 바로 알림

글을 마치며

이와 같이 IP Transport 망에서 스위치/라우터간에 성능 품질 측정 솔루션을 Cisco에서는 IP SLA(Service Level Agreement)라 부르고, Juniper에서는 RPM(Real-time Performance Monitoring)이라 부르고 있습니다.

넷매니아즈에서 수행했던 SI(System Integration) 경험에 따르면, 네덜란드의 TPS 사업자와 말레이지아의 이동 통신사업자에서도 각각 주니퍼와 시스코 장비(Shadow Router)를 이용하여 Edge to Core, Core to Core 구간에서의 성능 품질을 관리하도록 하였습니다.