차세대 MAN (Metro Area Network)구축 기술  
분석(Analysis of Next Generation Metro Area Network)
2000년 09월 25일

손장우
son@netmanias.com
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최근에 이더넷이 고유의 영역인 LAN에서 벗어나 MAN과 WAN으로 그 영역을 확장해나가고 있다. 올해 들어 이더넷 기반으로 메트로 영역 네트워크를 구축하고 100Mbps의 이더넷 전용회선 서비스를 제공하는 서비스 사업자도 출현하고 있다. 본 논문에서는 이더넷 MAN에 대한 분석과 더불어 이더넷이 MAN로 나갈 때 경쟁해야 할 다른 MAN 구축 기술인 ATM 링, DPT 그리고 멀티서비스 SONET에 대해 분석하고 각 기술의 장단점을 기술한다.  
<이 Report는 전자공학회 학회지 2000년 10월호에 게재됩니다.>

[Content]  
서론 / 현 MAN 구조 / ATM 링 / POS와 DPT / 멀티서비스 SONET / Gigabit Ethernet 결론 / 참고문헌  

▣ 서론  
인터넷은 초기에 기존 음성망 인프라를 IP 전달망으로 이용하여 구축되어졌다. 90년대 후반에 들어 인터넷 사용자가 급증하면서 음성 트래픽 전송을 위해 설계되어진 기존망 구조로는 폭증하는 인터넷 데이터 트래픽을 수용하지 못하게 되었다.   따라서, 이와 같은 데이터 위주의 새로운 응용에 적합한 인터넷 인프라가 구축되어지고 있으며, 이미 가입자 액세스망과 인터넷 백본망은 ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line), Cable modem 그리고 TSR (Terabit Switch Router), DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing), OADM (Optical Add/Drop Multiplexer), OXC (Optical CrossConnect) 등의 도입으로 단일 사용자가 수 Mbps의 대역폭을 사용할 수 있게 되었고 백본망은 기가비트/테라비트급으로 광대역화 되었다.   또한 기업망의 경우 기가비트 이더넷의 도입으로 사용자는 10/100Mbps의 대역폭을 사용하며 서버나 스위치간에는 1000Mbps의 대용량 링크를 확보하게 되었다.  즉, 가정 가입자 액세스, 기업망 (LAN:Local Area Network) 그리고 백본망 (WAN: Wide Area Network)은 현재 충분히 고도화되었으며, 앞으로도 지속적인 업그레이드를 보장해줄 기술들이 제시되어 있다.  

그림 1. 인터넷 구조

그러나, LAN과 인터넷 백본을 연결해주는, 즉 대도시내에 로컬사이트(LAN 가입자 및 가정가입자 접속)들과 허브사이트(인터넷 백본 접속)를 연결해주는 네트워크인 메트로 영역 네트워크(MAN: Metro Area Network)은 여전히 기존의 TDM (Time Division Multiplexing) 기반의 SONET/SDH (Synchronous Optical Network/ Synchronous Digital Hierarchy)망으로 구축되어 있어 전체 인터넷 성능의 병목이 되며 SONET망 특유의 고비용 구조로 인해 높은 사용료를 지불해야 한다.  SONET/SDH망은 회선 교환망으로 SONET 서비스를 제공받는 두 노드간에 항상 회선(DS1, DS3 or STS-n)이 미리 설정되며 이 회선의 용량은 그 두 노드간에 독점된다. 음성 트래픽 (64Kbps PCM)과 같이 항상 일정한 율로 데이터가 발생하는 경우에는 이와 같은 회선 교환 방식이 적합하지만 인터넷 트래픽과 같이 버스티한 경우에는 큰 대역폭의 낭비를 가져오며 따라서, 사용자입장에서는 높은 사용료를 지불해야 한다[1]  이러한 문제는 SONET/SDH망이 원래 음성 트래픽 전송을 위해 설계되어진 망인데, 인터넷 서비스 초기에 서비스 사업자(SP)가 기존의 통신망 인프라를 이용하여 IP 서비스를 제공했기 때문에 발생한 문제이다. 이는 다이얼업 모뎀을 통한 인터넷 서비스 초기의 현상과 유사하다. 초기에는 PSTN (Public Switched Telephone Network)망의 한 부분에 ISP POP (Point-of-Presence)이 있고, 여기에 모뎀풀과 액세스 서버를 두어 다이얼 모뎀 사용자는 이 ISP POP으로 전화를 걸어 사용자 인증을 마친 후에 인터넷에 접속할 수 있었다. 이때에 발생한 문제가 바로 인터넷호가 PSTN망에 큰 부담을 준다는 점이었다.   즉, PSTN망을 설계할 때 즉, 망용량을 결정할 때 음성호의 지속시간을 평균 2~3분으로 가정하고 계산했는 데, 인터넷호의 경우 20~30분이 넘으므로 인터넷호로 인해 음성호가 차단되는 현상이 발생한 것이다. 이 예도 기존 음성전화망을 이용해 인터넷 서비스를 제공했기 때문에 발생한 문제로 이 논문에서 언급하려 하는 MAN의 문제와 유사한 이유에서 비롯된 것이다.  물론 초기에는 음성 트래픽이 데이터 트래픽보다 훨씬 많았으므로 망설계시 음성트래픽에 최적화시켜 설계한 것이 맞지만 현재와 같이 데이터 트래픽이 음성 트래픽량을 능가하는 현실에서는 데이터 트래픽 전송에 최적 화된 네트워크를 설계해야 한다.   이러한 SONET/SDH기반 MAN의 문제점을 인식하여 최근에 새로운 MAN 구조와 이 구조를 구현해주는 기술이 제시되어 지고 있으며 이 논문에서는 이러한 기술들을 분석하는 것이 목적이다.   본 논문의 구성은 다음과 같다. 2장에서는 SONET/SDH에 기반한 현재의 Metro area network의 문제점에 관해 살펴보고 3,4,5과 6장에서는 이에 대한 대안 기술로 제시되고 있는 ATM 링, DPT (Dynamic Packet Transport), 멀티서비스 SONET 그리고 기가비트 이더넷에 관해 분석하고 7장에서 결론을 맺는다.  

▣ 현재 MAN의 구조  
메트로 영역 네트워크 (MAN)는 TDM기반의 SONET/SDH 망으로 구성되어 있으며 가입자망(기업, 학교, 가정)과 인터넷 백본망을 연결시켜주는 역할을 한다. 그림 1에 보이듯이 각 로컬 사이트간의 트래픽 교환보다는 로컬 사이트에서 인터넷에 접속되어 있는 허브 사이트로 트래픽을 집선해주는 기능을 한다.  각 로컬 사이트에는 ADM(Add/Drop Multiplexer), DCS (Digital CrossConnect System)와 같은 SONET 전송장비와 DSLAM, ATM 스위치, IP 라우터 등이 위치한다. 허브 사이트는 메트로 영역내의 로컬 사이트들로부터 트래픽을 집중/분배하는 기능과 인터넷 백본으로 이 트래픽을 전달해주는 기능을 갖는다.   따라서, 메트로 네트워크쪽 링크와 백본쪽 링크를 모두 갖는다.   SONET망은 음성 트래픽을 전송할 목적으로 설계된 망으로 인터넷 데이터 트래픽을 SONET망을 통해 전송하면

(1) SONET망은 TDM기반의 회선 교환망이므로 버스티한 데이타 전송에 적합하지 않으며 따라서 사용 요금이 비싸다. 그림 2에 SONET링크의 대역폭이 사용되어 지는 상황이 도식적으로 표현되어 있다. 음성 트래픽의 경우 64 Kbps의 연속적으로 음성 샘플이 발생하여 SONET링크의 페이로드를 충분히 효율적으로 이용하며 일정한 전송 지연을 보장해준다. 그러나 인터넷 데이터 트래픽의 경우 데이터 발생이 그림에서 보이듯이 버스티하며 SONET링크 대역폭을 TDM 방식으로 사용하므로 대역폭의 낭비가 심하며 이는 고가의 사용 요금으로 이어진다.  
(2) SONET망에는 ADM와 DCS가 필요한 데, 이들 장비가 고가이다.  
(3) SONET망을 업그레이드하기 위해서는 SONET 링에 연결된 모든 ADM를 교체하거나, 화이버링을 새로이 포설해야 하는 데 이 모두가 매우 비싼 솔루션이다. 등의 문제를 갖는다.

그림 2. SONET 링크의 효율 문제
이로 인해 SONET에 대한 많은 대안 기술들이 제시되고 있으며 III장부터는 이에 대해 살펴보기로 한다.  

▣ ATM 링  ATM 링은 Bellcore GR-2837[9]에 근거한 기술로 ADC, Atmosphere (현 Ditech), Omnia (현 Ciena), Fujitsu, Nortel에서 이와 관련된 장비를 출시하고 있다.   ATM VP 링의 개념을 예로 설명하면 다음과 같다[10]. 그림 3에 20대의 DSLAM (Digital Subscriber Line Access Multiplexer)를 ATM 스위치로 연결시키는 예가 나타나 있다. 4개의 로컬사이트에 5대의 DSLAM이 존재하고 이중 3대는 DS3 링크(45Mbps)로 2대는 OC3 링크(155Mbps)로 SONET ADM에 연결되어 있다. 허브사이트에는 ATM 스위치가 있으며 이후에 NAS (Network Access Server)를 거쳐 인터넷에 접속된다.  

그림 3. DSLAM aggregation

기존의 방법은 4개의 로컬사이트에 위치한 20개의 DSLAM와 허브사이트의 ATM 스위치간에는 20개의 SONET 회선(12 DS3s, 8 OC3s)이 설정되며, 각 회선은 하나의 DSLAM과 ATM 스위치의 한 포트간의 트래픽 전달을 위해 전용된다.   따라서 각 DSLAM은 SONET 링 용량을 통계적으로 공유하지 못한다. 이때 ADM는 SONET회선을 add/drop시켜 동기식으로 다중화 (Synchronous Multiplexing)하는 장비로 DS1(1.544Mbps), DS3(45Mbps) 그리고 STS-n(n*51.84Mbps)의 계위 신호를 add/drop한다. (그림 4(a))  ATM 링은 ATM-ADM라는 장비를 통해 구현된다. 그림 4(b)에 보이는 ATM-ADM는 기존의 ADM가 SONET 회선을 단위로 신호를 add/drop하는 데 반해 ATM 가상회선 (Virtual circuit)단위로 add/drop한다. 즉, SONET 프레임은 채널화되어 있지 않으며(concatenated), ATM 셀의 VPI/VCI값을 보고 셀의 add/drop 여부를 결정한다.  ADM는 자신에게 할당된 프레임내 슬럿 즉 용량만을 사용할 수 있는 데 반해, ATM-ADM는 고정적으로 할당된 슬럿 개념은 없고 전송할 셀이 있으면 그대로 전송한다. 즉, SONET링상에서 각 DSLAM이 전송한 셀들이 통계적으로 다중화(statistical multiplexing)되는 것이다.  

  그림 4. ATM-ADM의 개념  
  그림 5. 통계적 다중화 효과

그림 5에서 통계적 다중화로 인한 대역폭 이득을 보여주는 그림이 나타나 있다. 위의 예에서 기존의 SONET ADM를 사용하는 경우 155Mbps×8 + 51.84Mbps×12 = 1.86Gbps정도의 용량이 필요하므로 OC48급 링을 구성해야 한다. 그러나 ADC[10]에 따르면, 이와 같은 다중화 효과로 인해 OC12c급으로 ATM 링을 구성하면 위의 트래픽을 처리할 수 있다.  

▣ POS와 DPT  POS (Packet over SONET/SDH 또는 IP over SONET/SDH)는 시스코에 의해 제안되어 현재 인터넷 백본망과 MAN에서 가장 많이 사용되어지고 있는 IP 전송 기술이다. POS의 제안배경은 당시 인터넷 백본망이 IP/ATM/SONET의 오버레이 구조의 비효율성에 기인한다.   따라서, 먼저 오버레이 구조에 관해 살펴본 후 POS와 DPT (Dynamic Packet Transport)구조에관해 기술한다.  

1. IP/ATM/SONET 오버레이 구조  
그림 6(a)에 IP/ATM/SONET 오버레이 네트워크 구조가 나타나 있다. SONET 전송망위에 ATM 교환망이 구축되고 이 위에 IP 데이터망이 오버레이되는 구조이다. ATM 스위치는 SONET ADM를 통해 SONET 전송망에 연결되며, ATM 스위치간에 SONET 회선(DS3, OC3)이 설정해줌으로써 ATM 교환망이 구축된다.   또한 IP 라우터는 ATM 스위치를 통해 ATM 교환망에 연결되며, 라우터간에 ATM PVC (Permanent Virtual Circuit)을 할당해줌으로써 IP 데이터망이 ATM 교환망상에 구축되는 것이다. 이 때, 라우터들은 다른 모든 라우터와 ATM PVC로 풀메쉬 형태로 연결된다. IP 패킷이 ATM 셀화되어 SONET 프레임으로 매핑되는 과정은 ietf rfc 1483[4], rfc 1557[5]를 따르며 그림 6(b)에 나타나 있다.  이 당시 ATM이 백본에 적용된 이유는 다음과 같다. ATM이 도입되기 전의 인터넷 백본망은 전용회선(DS1, DS3)으로 라우터들을 연결하여 구축하였는 데, 인터넷 트래픽이 증가하면서 링크용량의 한계에 부딪치자 155Mbps(즉, OC3c)의 고속 링크를 제공해줄 수 있는 ATM을 사용하게 된 것이다.   또한 ATM은 1.544Mbps와 45Mbps만 할당해줄 수 있는 TDM과는 달리 라우터간에 대역폭을 유연하게 할당해줄 수 있는 점도 장점이다. 물론 ATM은 QoS(Quality-of-Service)를 보장해줄 수 있는 능력을 가지지만 이 무렵에는 QoS제공 기능은 실질적으로는 사용되지 않았다.  또 하나의 ATM의 장점은 트래픽 엔지니어링이 가능하다는 점이다. 기존의 라우터상에서 동작하는 라우팅 프로토콜 (RIP, OSPF, IS-IS)이 망의 혼잡 상태에 상관없이 항상 목적지로의 최단 경로를 선택하여 포워딩하므로 망 자원을 능률적으로(골고루) 사용하지 못한다.   특정 지역(라우터, 링크)는 혼잡으로 패킷이 긴 지연과 큰 손실을 겪어도 특정 지역은 망자원이 충분해도 패킷이 이 지역으로 라우팅되지 않는 문제를 지닌다. 반면에 ATM을 사용하면, 라우터간에 ATM PVC를 설정할 때 망 전체에 부하가 균등히 퍼지도록 설정하여(보통, 수동으로 설정) 망 자원을 효율적으로 사용하면서 동시에 패킷의 지연이 줄고 손실이 감소하는 효과를 얻을 수 있다. 이러한 이유로 ATM은 백본망에 성공적으로 진입했다.  

(a) 망구조
(b) encapsulation 과정   그림 6. IP/ATM/SONET 망구조

2. IP/SONET (POS) 구조  
인터넷 트래픽은 계속하여 급증하여 IP 백본 링크 전송율이 기가급으로 확대되자, ISP(Internet Service Provider)들은 다음과 같은 몇 가지 측면에서 고민 및 문제에 부딪치게 된다.  첫번째는 ISP가 망 사업자(Transport network provider)로부터 요금을 내고 빌려 쓰는 SONET 전송 링크중 얼마만큼을 실질적인 유료 트래픽을 나르는 가에 대한 문제이다. 즉, IP/ATM/SONET 오버레이 망구조에서는 SONET 링크 용량 중 네트워크 오버헤드(ATM cell tax)가 차지하는 비율이 실질적으로 매우 크다는 점이다.   언뜻 보기에는 ATM 헤더 오버헤드가 5 바이트이고 페이로드가 48 바이트이므로 대략 10%정도의 대역폭이 네트워크 오버헤드로 버려지는 것처럼 보이지만 실제로 상용 ISP 백본망(MCI’s backbone OC-3 link, June 1997)에서 관측한 결과는 심각한 대역폭의 낭비를 입증해주었다.[3]  

표1. 인터넷백본에서 패킷사이즈분포  
표2. PPP/HDLC와 ATM의 오버헤드비율

표 1에 1997년 6월 25일에 MCI 백본 OC3 링크로부터 5분 동안(18×106 packets) , 6.7 GB) 관측된 패킷 사이즈의 분포가 나타나 있다. 40, 1500, 552, 44, 576 바이트의 5종류의 패킷이 주종을 이루었다(총 패킷수 중 71.5%).  표 2에 위의 5 종류의 패킷에 대한, IP/SONET 구조(POS구조는 이 절의 후반부에서 기술한다. 오버레이 망구조와의 비교를 위해 POS에 대한 설명없이 바로 비교 내용을 먼저 기술하겠다.)의 네트워크 오버헤드(즉, PPP/HDLC의 프레이밍 오버헤드)와 IP/ATM/SONET 오버레이 망구조의 네트워크 오버헤드 (즉, ATM 오버헤드)가 비교되어 나타나 있다. IP/SONET 매핑이 오버헤드가 훨씬 적은 데 이는 IP 패킷 길이에 관계없이 PPP/HDLC 오버헤드가 8 바이트로 일정하기 때문이다.  표 1에서 보듯이 인터넷 백본상의 IP 패킷의 45%가 40바이트이거나 44 바이트이다. 이러한 IP 패킷은 하나의 ATM 셀에 담겨 지지 않으며 따라서 이 두 종류의 패킷에 관한한 IP/ATM 매핑은 대단히 비효율적임을 알 수 있다.   표1의 5종류의 패킷에 대해 평균을 내보면 대략 25% 정도의 대역폭이 ATM 오버헤드로 낭비된다. 반면에, 동일 패킷 분포에 대한 POS 매핑 구조의 PPP/HDLC 오버헤드는 약 2%정도에 지나지 않는다.  즉, 2.5 Gbps의 OC48 링크중 ATM cell tax로 낭비되는 대역폭은 625 Mbps로 OC-12 링크하나분에 해당하며 PPP/HDLC 오버헤드로 낭비되는 대역폭은 50 Mbps로 DS3 링크 하나분에 해당한다. 이와 같은 관측에서 보면 현재와 같이 실 인터넷 트래픽이 기가급에 이른 상황에서 인터넷 백본에서 ATM을 사용하는 경우 대단히 비효율적임을 알 수 있다.  두번째 문제는 링크 전송율이 OC-48/192급으로 증가했을 때, 이 링크 속도를 지원하는 ATM AAL5 SAR기능의 구현이 지극히 복잡하고 어렵다는 점이다.  세번째 문제는 IP/ATM/SONET 오버레이 망구조에서 각 라우터는 ATM PVC로 풀메쉬 형태로 연결된다. 라우터 (또는 POP)의 수가 증가하면 이 라우터들을 상호 연결해주기 위해 소요되는 ATM PVC의 수가 O(N2)으로 증가하여 IP 백본망의 확장에 한계가 있다는 점이다.  네번째 문제는 Routing adjacency문제로 에지 라우터가 단일홉으로 다른 모든 에지 라우터와 ATM PVC를 통해 연결되어 있으므로 하나의 라우터에 라우팅 정보가 갱신되면 다른 모든 라우터의 라우팅 정보가 갱신되어야 하는 데 여기에 소요되는 route update complexity가 O(N3)으로 매우 복잡하고 라우팅 테이블이 안정화되는 데 긴 시간이 소요된다.  

(a) POS 망 구조
(b) encapsulation 과정   그림 7. POS 망 구조

IP/ATM/SONET 오버레이 망구조의 문제를 극복하기 위해 IP 패킷을 ATM을 거치지 않고 바로 SONET 프레임으로 매핑시키는 POS (IP over SONET/SDH, Packet over SONET/SDH) 구조가 제시되었으며 현재 대부분의 벤더들의 제품이 이를 지원하고 있다. 즉, IP/PPP/HDLC/SONET 구조를 체택함으로써 ATM cell tax문제를 제거하여 높은 링크 효율을 얻을 수 있으며 OC48, OC192의 초고속 링크의 지원이 IP/ATM/SONET 오버레이 망구조보다 훨씬 용이해진다.  POS라고하여 IP 패킷(3계층)이 바로 SONET 프레임(2계층)으로 매핑되는 것은 아니며 패킷 경계 추출 등을 위해 PPP/HDLC(2계층)가 사용된다. 즉, 실제 프로토콜 스택은 IP/PPP/HDLC/SONET/Optical(or WDM)로 구성된다.  PPP (Point-to-Point Protocol)[7]로 인캡슐레이션된 IP 패킷은 rfc 1662 [8]에서 기술된 HDLC-like framing 절차를 통해 프레임화 되고 이 HDLC 프레임은 rcf 1619 [6]에서 기술된 방식으로 바이트 단위로 SONET 프레임의 SPE (Synchronous Payload Envelope)로 매핑된다. IP 패킷길이에 상관없이 8바이트 (F/1+A/1+C/1+Protocol/2+FCS/2+F/1)의 고정된 PPP/HDLC 오버헤드만 요구되므로 SONET 전송 대역폭을 매우 능률적으로 사용할 수 있음을 알 수 있다.  앞 절에서 분석한 대로 IP/SONET구조는 IP packet을 전송하는 데 소요되는 네트워크 오버헤드가 평균 2%정도로 매우 작다는 점, AAL5 SAR기능이 필요없으므로 초고속 링크에 적합하다는 점, ATM의 확장성 문제(앞에서 언급한 ATM의 세번째와 네번째문제)가 ATM이 빠지면서 자연스럽게 해소된다는 점, 그리고 네트워크를 구축할 때 ATM장비/계층/망이 제거되므로 망구축비용이 절감되고 망관리가 용이해진다는 점 등의 장점으로 인해 선호되고 있으며, 현재 대부분의 벤더 제품(Avici, Charlotte, Pluris, Argon, Cisco, Juniper, Lucent, Nortel)에서 POS OC3/12/48을 지원하고 있으며 Juniper의 M160은 OC-192(10Gbps)까지 지원된다.  

3. DPT (Dynamic Packet Transport)  
(a) POS
(b) DPT   그림 8. POS와 DPT 비교
POS (Packet over SONET/SDH)망에서는 두 라우터간에 SONET 회선이 미리 설정되며 이 회선의 대역폭은 두 라우터만 독점한다(그림 8(a)). 액세스단의 DS1, DS3, OC3가 종단되고 IP 패킷이 추출되어 라우팅된 후 ADM로의 출력포트(허브사이트로의 SONET 회선상으로)로 전송된다.   이때, 로컬 사이트의 라우터의 출력포트에서는 통계적 다중화가 이루어지지만, SONET 링 대역폭의 서로 다른 로컬사이트의 라우터간에는 통계적 다중화가 이루어지지 않는다. 이 점에 착안하여 SONET 망의 대역폭을 효율적으로 사용할 수 있도록 패킷 개념을 도입한 것이 그림 8(b)에 보이는 DPT(Dynamic Packet Transport)이다.  그림 9에 DPT 인캡슐레이션 과정이 나타나 있다. POS가 ietf 표준의 지원을 받는 것과 달리 DPT는 시스코 독자 프로토콜로 다른 벤더의 장비와는 호환이 되지 않는다.  

그림 9. DSP(SRP) 패킷 포맷
기존의 POS 구조에서 링대역폭이 회선단위로 할당되고 각 회선간에는 통계적 다중화가 불가능하다. 그러나 DPT에서는 각 사이트간에 회선이 할당되지 않으며 모든 사이트가 링대역폭을 공유한다.   따라서, DPT에서는 SONET 프레임은 채널화되어 있지 않은 연접(Concatenated) 신호-STS3c/STS12c/STS48c-만 사용하며 SONET 회선단위의 add/drop이 아니라 DPT 패킷단위로 add/drop을 수행한다. ATM 링이 VPI/VCI값을 참조해 목적지가 자기 사이트인 셀을 추출해내듯이, DPT에서는 DPT 헤더의 MAC 주소를 참조한다.  DPT에서는 SRP (Spatial Reuse Protocol)라는 MAC 프로토콜을 정의하여 사용하며 SRP는 DPT 패킷의 add/drop, 우선순위 부여, 멀티캐스팅 지원, 링으로의 액세스 제어, 공정성 보장, IPS (Intelligent Protection Switching) 등의 기능을 수행한다.  이와 같이 DPT는 SONET 링 대역폭에 대한 통계적 다중화를 허용함으로써 링 대역폭을 효율적으로 사용할 수 있다는 장점을 갖는다. 또한 DPT기능이 라우터의 라인카드에 들어감으로써 별도의 SONET 전송장비가 필요없이 망을 구축할 수 있다는 큰 장점이 있다.  ATM 링과의 차이점은 ATM 링은 ATM cell을, DPT는 DPT 패킷을 단위로 통계적 다중화를 수행한다는 점이고(즉, 셀 기반이냐 프레임 기반이냐의 차이), ATM 링은 전송쪽에서 ATM 개념을 수용한 접근 방식이고 DPT는 라우터가 전송모듈을 수용한 접근방식이라는 점이다.  DPT에서는 POS와 달리 각 사이트에 대역폭이 고정적으로 할당되지 않으므로 각 사이트가 링 대역폭을 공정하게 사용하게 해주는 기능이 필요하다.   또한 SONET링에서는 working fiber와 protection fiber를 두어 링크 절단이나 SONET 장비 또는 모듈 장애시에 대체 경로로 자동으로 경로를 바꿔주는 APS(automatic protection switching) 기능이 있는 데, DPT에서는 링대역폭을 효과적으로 사용하기 위해 두 개의 링을 모두 유효 데이터 전송에 사용하므로 새로운 protection switching 기능이 정의되어야 한다.   DPT에서는 이 두 문제를 SRP-FA (Spatial Reuse Protocol-Fairness Algorithm) 알고리즘과 IPS (Intelligent protection switching)을 통해 해결하며 이에 관해서는 [11][12]을 참조하길 바란다.  

그림 10. DPT 적용 예
DPT는 그림 10에 보이듯이 인터넷 백본, ISP POP내, MAN에서 전용선 액세스링 및 코어링, MAN에서 케이블모뎀 메트로 액세스링 및 메트로 코어링 등에서 적용될 수 있다.   ▣ 멀티서비스 SONET  앞에서 기술한 ATM 링과 DPT가 기존의 SONET의 비효율성을 개선하기 위해 SONET의 TDM기반의 회선 개념을 없애버리고 ATM이나 IP와 같은 패킷 개념을 적용하여 전송망 대역폭을 효율적으로 사용하려 하는 시도에서 제시된 기술이다.   따라서, 음성 트래픽과 같이 실시간성을 요구하는 트래픽도 데이터 트래픽과 같이 다중화되어 전송된다. 이 때 음성 트래픽의 서비스 품질을 보장해주기 위해서 ATM 링과 DPT는 음성셀/패킷에 전송 우선 순위를 부여한다.  멀티서비스 SONET 진영의 접근 방안은 모든 서비스를 하나의 기술(예, SONET, ATM 또는 DPT)로 통합하는 것이 아니라 여러 기술 또는 계층을 하나의 장비로 통합하는 방식이다. 즉, 하나의 장비가 기존의 TDM기반의 SONET도 지원하고 또한 데이터 기반의 ATM이나 IP도 지원한다.   이러한 멀티서비스 SONET에 관련해서는 Cerent (현 Cisco), Siara Systems (현 Redback), Chromatis Networks (현 Lucent), Geyser Networks, Mayan Networks, Sirocco (현 sycamore), Net Insight AB, Alidian Networks, Appian Communications, Astral Point Communications 등의 벤더들이 관련 제품을 출시 또는 출시 예정에 있다.   이 논문에서는 이 중에서 Siara Systems (현 Redback)의 접근 방안[14]을 기술한다.

그림 11. Siara Systems의 통합 개념
  기존의 메트로 네트워크이 SONET ADM, DCS, ATM 스위치, IP 라우터 등의 개별 장비로 구축되어졌고 이를 통해 음성 서비스, 전용회선(인터넷 액세스, 사설망 데이터망 구축) 서비스가 제공되어져 왔다.  멀티서비스 SONET 진영은 궁극적으로는 모든 서비스가 IP 패킷으로 제공되는 것은 확실하나, 현재로서는 음성은 TDM기반 회선으로 서비스하고 데이터만 패킷으로 통계적 다중화하여 서비스하는 것이 적합하다는 주장이다.   따라서, 현재처럼 여러 계층의 망이 중복되어 구축되는 것도 문제이지만 DPT처럼 하나의 기술로 음성과 데이터를 모두 서비스하는 것도 현재로서는 음성 서비스에 대한 서비스 품질 보장에 문제가 있어 이 또한 적합하지 않다는 주장이다.  그림 11에 보이는 것처럼 Siara는 전송링크의 용량을 STS-1단위로 회선용과 패킷용을 구분한다. 예를들어 OC3링크의 경우 하나의 STS-1채널은 음성트래픽을 나르는 TDM채널로 사용하고 나머지 두개의 STS-1채널은 데이터 트래픽을 통계적 다중화하여 전송하는 채널로 사용한다.   시스템내부에는 회선과 패킷용으로 두개의 스위칭 패브릭을 두고 라인카드에서 도착한 트래픽이 음성 트래픽인 경우에는 TDM crossconnect모듈로 전달하여 여기에서 다른 라인 카드에서 들어온 음성 트래픽과 TDM 방식으로 다중화 된다.   데이터 트래픽인 경우에는 IP 어드레스 룩업 절차를 거쳐 해당 출력단 포트로 포워딩되고 여기서 다른 라인카드에서 들어온 패킷들과 통계적 다중화되어, 할당된 STS-n 프레임으로 매핑되어 출력 링크로 전달된다.  즉, Siara의 구조는 음성 서비스는 TDM기반 표준 SONET (64Kbps 표준 음성)으로 제공하여 서비스 품질을 보장해주고, 데이터 트래픽은 현재처럼 TDM기반(예를들어, 각 가입자에게 T1, T3회선을 독점적으로 사용할 수 있도록 할당)으로 제공하지 않고 여러 가입자의 트래픽을 통계적 다중화함으로써 전송 링크 효율을 높일 수 있다는 장점이 있다.  

  그림 12. 복수개의 링 연결 예
Siara의 스마트에지 800은 최대 6개의 링을 구성할 수 있다. 그림 12에서 두 개의 액세스링이 하나의 코어링으로 연결되는 상황을 살펴보자. 기존의 방식으로는 3개의 ADM와 하나의 DCS 그리고 하나의 라우터가 최소한 필요하다. 즉 5대의 장비가 필요한 데, 멀티서비스 SONET 진영은 이러한 장비를 하나의 장비로 통합함으로써 망구축 비용을 현격하게 줄일 수있게 된다.  

▣ Gigabit Ethernet  이더넷은 LAN에서 적용되어 온 대표적인 기술로 최근에는 MAN과 WAN으로 그 영역을 확장해 가고 있다. 특히, 올해 초 10 Gigabit Ethernet Alliance가 결성되고 IEEE HSSG에서 10 기가비트 이더넷 표준화 작업에 들어감에 따라서 더욱 힘을 받고 있다.   Extreme, Riverstone, Foundry, Cisco 등의 벤더들이 이더넷의 메트로 영역으로의 확장을 주도하고 있으며, 미국에서는 이미 이더넷 기반으로 메트로 네트워크를 구축하고 상용서비스를 제공하는 Yipes, Telseon과 같은 사업자가 출현하였다. 국내에서도 GNG 등의 사업자들이 이더넷 기반으로 네트워크를 구축하고 있다.  이와 같이 최근에 LAN 영역이 아닌 MAN, WAN 영역에서 이더넷이 각광받는 이유는,
(1) SONET과는 달리 패킷 교환 방식이므로 링크 대역폭을 공유를 통해 효율적으로 사용할 수 있다. 즉, 서로 다른 사용자가 전송한 프레임을 동일 링크를 통해 통계적 다중화함으로써 링크당 가용 사용자수가 전용회선을 제공하는 SONET망에 비해 매우 많다. 따라서, 대역폭당 비용이 저렴하다.  
(2) 이더넷은 LAN 시장에서 대단히 성공한/평정한 기술로 이미 대량 생산 시스템속에서 생산 및 관리되고 있다. 따라서, 관련 칩과 장비의 가격이 싸다.   (3) 이더넷은 관리 및 운용이 용이하며 오랫동안 LAN영역에서 사용되어 오면서 망운영자 및 관리자에게 매우 익숙해져 있다.  
(4) 이미 LAN의 95%가 이더넷이므로 MAN, WAN을 이더넷 기반으로 구축하면 프로토콜 변환 등의 네트워크 오버헤드가 제거된다는 점 등이다.


  그림 13. 이더넷 기반 통합망 구조
그림 13에 이더넷 기반 메트로 네트워크의 프로토콜 스택이 나타나 있다. 그림에서 보듯이 기존의 SONET망은 필요없고 이더넷 스위치에 WDM 모쥴을 추가하고 이를 다크 파이버(dark fiber)를 통해 연결함으로써 메트로 영역 네트워크를 비교적 간단하게 구축할 수 있다.  이로 인해 서비스 사업자는 매우 저렴한 비용으로 전용회선(인터넷 액세스, 사설망 구축, ASP 액세스) 서비스를 제공할 수 있게 된다.   실제로 이국에서 T1(1.544Mbps) 전용선의 월사용 요금이 약 $1,500선이고 T3(45Mbps)의 경우 $5,000~6,000선인 데 반해, Telseon의 경우 100Mbps의 이더넷 전용회선의 사용료가 월 $2,500이고 Yipes의 경우 100Mbps의 이더넷 전용회선의 사용료를 $1,000로 책정하고 있다. 그림 14에 Telseon의 네트워크 구조가 나타나 있다.  

  그림 14. Telseon의 메트로 네트워크 구조[13]
이더넷 스위칭 네트워크의 문제는 비연결 지향적(connection-less)인 이더넷 기반 스위칭 네트워크에서 서로 다른 사용자(기업)의 트래픽간에 격리 및 보안이 필요하다는 점인 데, 이더넷의 VLAN (Virtual LAN)기술을 이용하여 공중 교환망상에서 \"closed user groups\"을 생성해 줌으로써 이 문제를 해결하고 있다(즉, 현재는 이더넷 기반 메트로 네트워크는 2 계층 네트워크이며 IP 라우팅은 필요없다).   VLAN은 확장성에 문제가 있으므로, Telseon은 올해 후반에 connectionless Layer 2 switched network에서 connection개념을 제공해주기 위해 MPLS(Multi-protocol Label Switching)를 적용할 예정이다.  

▣ 결론  
이 논문에서는 최근에 새로이 조명되고 있는 메트로 영역 네트워크 구조에 관해 다양한 솔루션들을 분석하였다. 현재 SONET/SDH기반의 메트로 영역 네트워크는 인터넷 전체 구조에 있어서 성능 병목이 가장 심한 영역이며 고가의 인터넷 사용료를 지불하게끔 하는 고비용 구조를 갖는다. 이에 대한 대안으로 많은 기술들이 제시되고 있으며 대표적인 기술로 ATM 링, DPT, 멀티서비스 SONET 그리고 최근에 급부상하고 있는 기가비트 이더넷을 들 수 있으며 본 고에서는 이들 기술에 대해 분석하였다.  여기서 분석한 기술들은 어느 하나가 절대적으로 다른 기술에 비해서 우월하다고 단정지을 수는 없다. 이러한 기술들은 네트워크를 구축하려고 하는 서비스 사업자 (SP)가 그 네트워크를 통해 주로 서비스하려는 응용이 무엇인가에 따라 그 응용에 상대적으로 더 적합한 기술로서 제시될 수는 있을 것이다.   예를 들어, ATM기반의 ADSL 서비스를 제공하는 사업자는 로컬 사이트의 DSLAM과 허브사이트의 ATM 스위치/RAS간에 트래픽 집선망으로서는 ATM 링이 적합하며, 음성 서비스와 인터넷 서비스를 모두 제공하는 사업자의 경우에는 멀티서비스 SONET이 적절하고, 큰 대역폭을 요구하며 주로 데이터 서비스를 제공하는 사업자의 경우는 기가비트 이더넷이 적합하다고 판단된다.  궁극적으로는 모든 네트워크 인프라가 IP 전송에 최적화된 구조로 진화해 나갈 것이나 그 과정에 있어서 다양한 기술들이 적용되고 그 생명을 유지해 나갈 것으로 보인다. 국내에서도 네트워크의 진화 및 발전 동향을 지속적으로 주시하고 이를 토대로 다음 세대의 네트워크 시장을 선도할 수 있는 능력을 배양해야 할 것이다.  

▣ 참고문헌  
[1] Walter J. Goralski, SONET: second edition, McGraw-Hill, 2000.  
[2] Tsong-Ho Wu and Nariaki Yoshikai, ATM Transport and Network Integriaty, Academic press, 1997.  
[3] Jon Anderson, James S. Manchester, Antonio Rodriguez-Morai, and Malathi Veeraraghavan, \"Protocols and Architectures for IP Optical Networking,\" BLTJ, Jan.-Mar. 1999.
[4] ietf rfc 1483: Multiprotocol Encapsulation over ATM Adaptation Layer 5, July 1993.  
[5] ietf rfc 1557: Classical IP and ARP over ATM, January 1994.  
[6] ietf rfc 1619: PPP over SONET/SDH, May 1994  
[7] ietf rfc 1661: The Point-to-Point Protocol (PPP), July 1994  
[8] ietf rfc 1662: PPP in HDLC-like Framing, July 1994  
[9] Bellcore GR 2837: ATM VP Functionality in SONET Rings  
[10] ADC Telecommunications Inc. white paper, “Cellworx Service Transport Node (STN): Next Generation SONET/SDH, “ Aug. 2000. (http://www.adc.com)  
[11] Cisco white paper, “Dynamic Packet Transport Technology and Applications Overview,” 1999.  
[12] Cisco Networkers 2000 presentation, “Deployment and Design Issues for IP over Optical Networks,” 2000. (http://www.cisco.com/networkers/nw00/pres)  
[13] Telseon white paper, “Telseon IP Service: Enableing E-Commerce through Instant Bandwidth,” Aug. 2000. (http://www.telseon.com/pdfs/Telseon_Technical_White_Paper.pdf)  
[14] Siara white paper, “Migrating from TDM to Data Networks,” (http://www.siara.com/en-US/products/se800_datasheet.html)