패킷 스위칭 기술
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패킷 스위칭 기술(X.25,Frame Relay,ATM)
가. X.25 등장 배경
나. X.25 프로토콜 구조
다. PAD (Packet Assembler Disassembler)
라. X.25의 향후 전망
가. 프레임 릴레이 등장 배경
나. 프레임 릴레이와 X.25의 비교
다. 프레임 릴레이의 동작
라. LMI 확장
마. 프레임 릴레이의 향후 전망
3. ATM (Asynchronous Transfer Mode)
가. ATM의 등장 배경
나. ATM과 STM (Synchronous Transfer Mode)
다. ATM 셀 구조
라. ATM 참조 모델
마. ATM 향후 전망
시작하면서
이번에는 WAN(Wide Area Network)에서 사용되는 스위칭 기술에 대해서 살펴보겠다. WAN에서 사용되는 기술은 여러 가지가 있으나, 주로 기간망에 사용되며, 국내에 친숙한 기술들에 대해 기술의 발전 방향에 따라 X.25, 프레임 릴레이 및 ATM에 대해 살펴보겠다.
1. X.25
가. X.25 등장배경
초기의 컴퓨터 통신망은 전화망을 이용하는 것이 일반적이었다. 그러나 기존의 전화망만 가지고는 컴퓨터를 이용한 원거리의 고품질 데이타 서비스를 제공하기에는 다소 무리가 있었으므로 고품질의 데이타 서비스를 제공하기 위한 TELENET, TYMNET 같은 패킷교환망이 1970년대에 들어오면서 설치되기 시작하였다.
이와 같은 패킷망들은 사용자에게 망 서비스를 성공적으로 제공하였으나 서로 독립적으로 개발, 설치된 망들은 장비들간의 호환성이 문제가 되기 시작하였다. 이를 위해 전화회사들을 중심으로 표준 프로토콜이 제정되기 시작하였고, 그 중에 ITU-T에 의해 관리, 감독되며, 국제적으로 가장 널리 알려진 프로토콜이 X.25 이다.
나. X.25 프로토콜 구조
X. 25는 패킷으로 불리는 특정한 데이타 블럭을 통하여 통신하는데, 사용자의 전문은 이러한 여러개의 패킷으로 분할되어 전송되고 수신시는 수신한 여러개의 패킷을 합쳐서 사용자 전문을 만들게 된다.
X.25는 DTE(Data Terminal Equipment)와 DCE(Data Circuit-terminating Equipment)간의 점대점 인터페이스를 정의하고 있다. 즉 패킷망에 접속하기 위한 접속 규격을 정의하고 있는데 여기서 DTE는 사용자가 사용하고 있는 컴퓨터등의 장비를 말하고, DCE는 망사업자가 제공하고 있는 망접속장비이며 DCE는 패킷교환기에 연결되어 있다. X.25망의 일반적인 모델은 다음 <그림1>과 같다.
X.25는 OSI 표준모델의 1에서 3계층까지를 담당하고 있으며 <그림2>와 같다. X.25의 네트워크계층은 원격지 사용자와의 경로제어를 위한 주소체계로서 X.121을 사용하고 있으며, 데이타링크계층의 프로토콜로서 LAP-B (Link Access Procedure, Balanced) 그리고 물리계층의 프로토콜로서 X.21 bis를 사용하고 있다.
X.25는 연결지향형 프로토콜이므로, 통신을 수행하기 위해서는 먼저 양자간에 통신 연결을 확립하는 절차를 거쳐야 한다. 일반적인 X.25의 통신절차는 다음과 같다.
1) 발신자가 수신자에게 통신 연결요청을 전송한다.
2) 수신자는 수신된 연결요청을 받아들이거나 거부하게 된다. 만약 이 요청을 받아들이게 되면, 두 시스템은 전이중모드로 정보를 전송할 수 있게 된다.
3) 연결의 종료는 아무때나, 송수신자에 구분없이 통신 당사자 간에 의해 종료될 수 있다.
양단간의 연결지향형 전송을 위해 X.25는 가상회선(Virtual Circuit) 기능을 제공하고 있다. 이는 기존의 전화망과 같은 방식으로 데이타 교환을 수행하지만, 물리적회선을 어느 한 사용자가 독점하여 사용하는 것이 아니고 여러 사용자가 공유할 수 있게 하는 기능을 제공한다.
즉 하나의 회선을 여러명이 공유하지만, 사용자에게는 마치 자기 혼자 회선을 사용하는 것처럼 느끼게 해주는 기능이다. 이러한 가상회선은 영구적으로 할당될 수도 있고(PVC : Permanent Virtual Circuit), 임시로 할당될 수도 있다. (SVC : Switched Virtual Circuit)
다. PAD (Packet Assembler Disassembler)
X. 25는 패킷이라는 특정한 데이타블럭을 통하여 정보를 전송하는데 DTE는 X.25를 통하여 정보를 전송할 경우, 전송할 정보를 패킷으로 분할하여 전송하게 된다. 그러나 패킷을 생성할 수 없는 시스템인 경우 즉 X.25인터페이스 기능을 가지고 있지 않은 시스템인 경우, PAD라는 장비를 통하여 패킷을 조립/분해하게 된다. 이 PAD와의 상호동작을 위한 표준은 X.28, X.3 및 X.29로 각각 정의 되어 있다.
라. X.25의 향후 전망
70년대와 80년대를 거치면서 X.25는 주요 기간망으로서의 그 역할을 훌륭히 수행해 왔다. 그러나, X.25 프로토콜이 망의 신뢰성이 낮은 환경을 위해 고안된 프로토콜로서 에러제어나 흐름제어기능 등 복잡한 기능을 가지고 있으므로 그 자체로 성능상의 오버헤드를 가지고 있고, 멀티미디어 데이타 보다는 일반 데이타를 위한 망으로 설계가 되었기 때문에, 현재의 에러가 거의 없는 망 구축이 가능한 통신기술과 멀티미디어를 위한 고속의 망을 요구하고 있는 추세를 감안할 때 전송속도나 서비스의 질면에서 현재의 사용자 요구사항을 수용하기에는 무리가 있는 것이 사실이다.
이를 위해, 프레임 릴레이나 ISDN, ATM등 고속의 신뢰성있는 망으로 대체되고 있는 추세이며, 이는 사용자들이 망에 접속하는 비율이 높으면 높을 수록 가속화될 것으로 예상된다.
2. 프레임 릴레이
가. 프레임 릴레이 등장 배경
프레임 릴레이는 처음에 ISDN을 사용하기 위한 프로토콜로서 1980년대 초반에 개발되었고 이는 ITU-T에 의해 표준안으로 작성되었다. 그러나 프레임 릴레이의 주요 개발은 1990년에 Cisco, StrataCom, Northen Telecom, DEC등의 4개회사가 연합하여 프레임 릴레이 기술을 개발하고 관련 장비를 출시함에 의해 이루어졌다.
이들 연합에서 개발한 기술들은 ITU-T에서 인정한 기본 프레임 릴레이 프로토콜을 따르며, 추가적으로 복잡한 인터네트워킹 환경을 지원하기 위한 추가적인 기능들을 제공하고 있다. 이러한 추가적인 기능은 LMI(Local Management Interface) 확장(Extension)으로 불린다.
프레임 릴레이 기술이 등장하게 된 주요한 요소는, LAN 및 광케이블의 사용이 일반화 되었고 이에 따른 고속의 망에 대한 사용자의 요구가 증대되었기 때문이다. 따라서 프레임 릴레이 기술은 이와 같은 환경에서 다음과 같은 요소를 지원하기 위해 설계되었다.
- 낮은 대기시간 및 높은 작업처리
- 사용자 요구에 따른 대역폭 할당
- 대역폭의 동적인 공유
- 기간망으로 활용
나. 프레임 릴레이와 X.25의 비교
프레임 릴레이는 X.25와 같이 사용자장비 (DTE)와 망장비 (DCE)간의 인터페이스를 통한 패킷교환방식의 서비스를 제공함으로 인해 X.25와 유사한 프로토콜로 인식될 수 있으나, 그 기능과 형식에 있어 상당히 다른 면을 가지고 있다.
우선, 프레임 릴레이는 가상회선서비스를 지원함에 있어 통계적 다중화 (Statistical Multiplexing) 기능을 제공하고 있는데, 이를 통해 고정된 대역폭을 갖는 X.25에 비해 유연하고 효율적인 대역폭의 사용을 지원한다.
또한, 망의 성능을 높이기 위해 에러제어 기능을 단순화 시켰는데, 이는 통신기술의 발달로 인해 망의 신뢰도가 현저히 높아졌고 이러한 신뢰성이 있는 망구조하에서의 에러제어는 망의 성능을 저하시키는 요인으로 작용하고 있기 때문이다. 물론, CRC와 같은 에러를 검출하기 위한 기능은 가지고 있으나, 에러발생시 이를 위한 재전송과 같은 절차를 수행하지 않고 이를 위한 처리는 상위 프로토콜에 일임을 시킨다.
X. 25와 비교하여 프레임 릴레이의 또한가지 특징은 흐름제어기능을 단순화시킨 것으로서, 대부분의 상위계층 프로토콜은 그 자신의 흐름제어 기능을 가지고 있으므로 데이타 링크계층에서 흐름제어 기능을 갖는 것은 그 만큼의 중복성이 있기 때문이다. 대신에 네트워크의 자원이 적체상태에 있는 것을 사용자에게 알려주는 아주 간단한 기능만을 제공하고 있다.
프레임 릴레이와 X.25의 구조적인 차이는 OSI 참조모형으로 설명될 수 있다. X.25는 OSI 참조모형의 1에서 3계층까지를 담당하고 있는데 반해 프레임 릴레이는 1,2계층만을 담당하고 있다. 이는 각 노드에서 처리할 양이 적으므로 망의 성능을 향상시킬 수 있는 요인으로 작용하고 있다.
다. 프레임 릴레이의 동작
프레임 릴레이는 DLCI(Data Link Connection Identifier)를 통하여 주소를 식별하는데 LMI 확장의 글로발 주소가 사용되지 않는다면, 국지의 의미를 갖는 DLCI가 사용된다. 국지의 의미를 갖는다는 것은 통신 양 당사자가 같은 회선을 식별하는데 서로 다른 DLCI를 사용한다는 것을 의미한다. 서로다른 DLCI를 사용함에서 오는 문제는 프레임 릴레이 스위치가 해결하고 있다.
사용자 시스템은 프레임 릴레이망에 연결된 하나의 물리적 연결을 통하여, 여러 시스템과 가상회선을 통해 점대점 연결을 유지할 수 있다. 이러한 가상회선은 X.25와 마찬가지로 PVC와 SVC로 구분된다. 프레임 릴레이에서는 사용자에게 물리적 회선의 대역폭을 각 가상회선에 할당할 수 있는데, 이는 통계적 다중화방식에 의해 가능하다.
즉, 512Kbps의 대역폭을 가진 회선을 사용하여 512Kbps의 가상회선을 2개를 제공한다면, 실제적으로 512+512= 1024Kbps의 전송속도를 제공해야 하나, 이는 물리적 회선의 한계로 인해 불가능하다. 이를 위해 통계적 다중화방식을 사용하여 프레임 릴레이 교환기에서는 두개의 가상회선이 하나의 물리회선을 공유하도록 하고, 대역폭을 넘어서는 부분은 교환기의 임시버퍼에 저장한 후, 물리회선의 대역폭에 여유가 있을 때 전송한다. 만약, 버퍼가 넘치게 되면, 수신되는 데이타는 버려지게 되는데 이는 프레임 릴레이망을 사용하는 상위계층의 프로토콜에 의해 복구된다.
라. LMI 확장
기본 프레임 릴레이 프로토콜 기능에 덧붙여 인터네트워킹 환경에서 효율적으로 사용하기 위한 부가적인 기능을 제공하는 것을 LMI 확장이라 하며, 이는 다음과 같다.
1) 가상회선상태전문 : 새로운 PVC가 설정되거나 기존의 PVC가 삭제되는 등 PVC의 무결성에 관한 정보를 제공함에 의해 사용자 장비와 망간의 통신과 동기를 제공한다. 이러한 정보는 사용자가 존재하지 않는 PVC로 데이타를 전송하는 등의 오류를 막을 수 있다.
2) 멀티캐스팅 : 송신자가 하나의 전문을 다수의 수신자에게 전송할 수 있는 기능으로서 동시에 여러명에게 데이타를 전송해야하는 경로제어전문이나 ARP(Address Resolution Protocol)등에 유용하게 사용될 수 있다.
3) 글로벌 주소 : 사용자를 전체 프레임 릴레이 망에서 유일하게 식별할 수 있도록 주소를 부여하는 기능으로서 LAN과 유사한 주소체계를 유지하게 할 수 있다.
4) 간단한 흐름제어 : XON/XOFF 흐름제어 기능을 제공하는 것으로서 상위 프로토콜이 적체를 통지할 수 있는 기능이 없어서 어느 정도의 흐름제어 기능을 요구할 경우에 사용될 수 있다.
마. 프레임 릴레이의 향후 전망
프레임 릴레이는 기본적으로 망이 신뢰성이 있다고 보고, 에러제어나 흐름제어등의 기능을 간단화시켜 프로토콜의 효율을 높였다. 프레임 릴레이는 전용선을 사용하는 것에 비해 가격이 저렴하며, X.25에 비해서는 기술적으로 우위에 있다.
프레임 릴레이의 효율을 높이기 위한 많은 방안들이 표준화 그룹, 장비 제작자 및 망 사업자들을 통해 계획 또는 구현 중에 있으며, 이 같은 방안들이 실현되었을 때 프레임 릴레이는 보다 사용자에게 보편적으로 서비스를 제공할 것이다.
국내에서도 이미 프레임 릴레이 망이 구축되어 운용되고 있고 기존의 X.25를 대체할 것으로 예상되고 있으며, ATM으로 가기위한 중간단계로서 사용이 예상된다. ATM과의 연동을 위해 ATM 포럼과 프레임 릴레이 포럼에서 많은 작업을 수행하고 있으며, 이와 같은 상황으로 볼 때, ATM망이 구축된 후에도 상당기간 프레임 릴레이의 사용을 예상할 수 있다.
3. ATM (Asynchronous Transfer Mode)
가. ATM의 등장 배경
ATM 기술은 처음에 AT&T Bell Lab과 France Telecom의 연구소에서 1980년대 중반에 음성과 데이타를 패킷에 실어 전송하기 위한 기술로 소개되었다. 그러나 이러한 기술은 최소한의 지연시간을 가지면서 1초에 약 백만개의 패킷을 처리할 수 있어야 했으나 그때의 스위칭 기술로는 불가능한 일이었다. 이를 위해 기술진들은 VLSI기술을 적용하기 시작했고 시스템의 스위칭 능력을 높이고, 지연시간 및 버퍼사용을 쉽게하기 위해 패킷을 작고 고정된 길이를 갖도록 했다. (ATM에서는 이를 셀(Cell)이라 부름)
또한 프레임 릴레이에서 그랬듯이 에러제어나 흐름제어 기능은 상위프로토콜에 일임시켜 스위칭 속도를 늘렸음은 물론이다. 비록 ATM이 초기에 WAN을 위한 기술로 설계되었지만 LAN을 위한 기술로도 사용될 수 있으며 현재 ATM과 기존 LAN과의 접속을 위한 LAN Emulation V1.0의 사양이 발표되었다.
현재 ATM 기술은 멀티미디어 환경에 적용하기 위한 초고속정보통신망의 핵심기술로 자리잡고 있으며 ITU-T에서 B-ISDN을 구축하기 위한 기술로서 표준화되고 있다. 또한 1991년 결성된 ATM 포룸을 통해 많은 기술적 진보와 표준화가 진행중에 있다.
나. ATM과 STM (Synchronous Transfer Mode)
ATM의 기본 개념은 TDM(Time Division Multiplexing)을 사용하는 STM과 대비하여 설명할 수 있다.
<그림3>에서 보듯이 TDM을 사용하고 있는 STM에서는 각 사용자에게 고정적으로 슬롯을 할당하여 자기에게 할당된 슬롯에만 데이타을 보낼 수 있으나, ATM에서는 빈 슬롯이 있을 경우 이 슬롯에 테이타를 동적으로 할당하여 전송할 수 있다. 따라서 STM의 경우에는 사용자에게 할당하는 대역폭의 합이 물리회선의 대역폭을 초과할 수 없으나, ATM의 경우에는 사용자에게 할당하는 대역폭의 합이 물리회선의 대역폭을 초과할 수 있다.
이 경우, 실제로 대역폭을 초과하는 것은 아니고 ATM 교환기에서 적당한 버퍼기능을 유지하고 있어서 사용자에게는 대역폭을 초과하는 것처럼 보이는 것이다. 즉, 1024Kbps의 대역폭을 가지고 있다면, ATM에서는 사용자에게 512Kbps의 가상 회선을 2개이상 할당하는 것이 가능하다.
다. ATM 셀 구조
ATM은 5바이트의 헤더와 48바이트의 데이타를 포함하는 총53바이트의 고정된 길이를 갖는 셀이라는 자료구조를 통해 통신을 수행하는데 그 구조는 <그림4>와 같다.
ATM 교환기에서는 5바이트의 헤더를 분석하여 목적지를 결정하고 전송되게 되며, 이 헤더의 형식은 UNI(User Network Interface; 가입자장비와 ATM 스위치간 인터페이스)와 NNI(Network Network Interface; ATM 스위치와 ATM 스위치간 인터페이스)인 경우에 따라 다르다.
라. ATM 참조 모델
ATM의 참조모델은 <그림5>에서 처럼 3개의 계층으로 구분되어 있으며, ATM 물리계층은 OSI 참조모델의 물리계층과 유사하며, ATM 계층과 ATM 적응(Adaption) 계층은 OSI 참조모델의 데이타링크계층과 약간 유사하다. ATM 적응계층의 상위프로토콜은 OSI 트랜스포트계층 및 응용들로 구성되어 있다.
ATM 물리계층은 전송매체를 통한 비트스트림의 전송과 수신을 제어하는 부분으로서 송수신동기를 유지하기 위한 시간정보에 관련된 매체종속적인 PMS (Physical Medium Sublayer)와 셀경계를 유지하며 헤더 에러제어 코드 및 특정한 물리매체에 ATM 셀을 전송하기 위한 프레임화를 담당하고 있는 TCS(Transmission Convergence Sublayer)로 구분된다.
ATM 계층은 ATM 셀의 헤더정보를 참조하여 ATM 망을 통해 연결을 확립하고 전송하는데 필요한 기능을 수행한다.
ATM 적응계층은 상위계층의 정보를 전송시에는 셀로 분할하고, 수신시에는 셀을 조합하여 상위계층에게 전달하는 역할을 수행한다. ATM 적응계층은 여러가지 사양이 존재하는데, 음성과 비디오 정보 등을 지원하는 AAL (ATM Adaption Layer)1, AAL2 그리고 일반 데이타통신을 담당하는 AAL3/4 및 AAL5로 구성되어 있다.
마. ATM 향후 전망
스위칭 기술의 추세는 패킷 스위칭에서, 프레임 스위칭을 거쳐 셀 스위칭으로 옮겨가고 있으며, 기술이 발전할 수록 이는 가속화될 것이다. ATM 기술은 다양한 멀티미디어 정보를 수용할 수 있는 고속의 망으로 각광을 받고 있으며, 차세대의 초고속 정보통신망인 B-ISDN의 기반 기술로서 굳건한 입지를 계속 유지할 것으로 예상된다.
ATM은 대규모 망의 기간망으로서 혹은 어느 한 조직체의 기간망으로서의 활용은 현재 실용화 단계이다. 이에 따라 기존 사용자계의 망인 LAN과의 연동을 필수적이며, LAN과 ATM과의 연동을 위한 방안이 표준 사양으로 정의되어 있고 관련 제품 군도 다양하게 출시될 것이다. 현재의 기술 진보 속도로 판단할 때, 인터넷 백본이 ATM망으로 대체되는 것은 먼 훗날의 일이 아니다.
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