Search
Duplicate

컴퓨터 네트워크/ 대도시통신망과 메트로 이더넷

MAN의 개요

MAN(Metropolitan Area Network)는 LAN(Local Area Network)을 연결해 주는 역할을 하는 네트워크 구성 방법 중 하나이다. Metropolitan이라는 ㅁ라에서 느껴지듯이 하나의 대도시에 산재해 있는 기업 네트워크를 하나로 연동시켜 이들 간의 원활한 통신 서비스를 제공하고 또 백본(Backbone) 네트워크와 LAN들 간의 유기적인 접속을 제공하는 기능을 수행하는 것을 MAN이라고 한다.

MAN의 정의

MAN은 LAN과 LAN을 연결해 주며, 백본 네트워크로 가는 길목역할을 하는 네트워크 기술이라 생각할 수 있다.

MAN 토폴로지

MAN이 백본과 LAN의 다리 역할을 하려면 LAN과 LAN의 효과적인 연결 방법과 다수의 LAN 간의 원활한 통신 지원에 관한 문제를 동시에 해결해야 한다. 이러한 요구 사항을 반영하여 DQDB(Distributed Queue Dual Bus)가 정의되었다.
DQDB는 두 개의 버스를 연결하는 구조와 링형태(혹은 루프형태)의 토폴로지를 지원한다. 그림 3-1은 DQDB를 이용한 MAN의 구성을 보여준다.
DQDB는 그림 3-1과 같이 이중버스(Dual Bus) 형태로 구성되어 있고, 분산 큐(Distributed Queue)라고 하는 큐잉(Queueing) 방식을 이용하여 전송하기에 앞서 미리 준비된 큐에 데이터를 삽입하고 자기 차례가 되었을 때 전송하는 방식을 취한다.
기본의 MAN은 일반적으로 버스형 구조가 아닌 링형 구조를 갖고 있으며 ADM(Add/Drop Multiplexer)이라고 하는 장비를 이용하여 네트워크 구성요소들을 링으로 연결하고 있다. 그림 3-2는 링구조의 MAN을 전체 네트워크 구조와 함께 보여주고 있다.
그림 3-2에서 메트로 액세스 구간에는 일반 가입자나 기업들이 위치하고 있다. 즉 메트로 액세스 네트워크는 가입자 네트워크가 된다. 이러한 가입자들은 CO(Central Office)라고 불리는 가까운 전화국으로 연결되어 있으며 각 CO는 링 구조로 서로 연결되어 있다.
CO들은 POP(Point Of Presence)라고 하는 백본 네트워크와 연결시켜주는 대형 전화국과 연결되어 있으며 POP는 각 도시를 연결해주는 백본 네트워크로 데이터를 주고받는 역할을 하고 있다.

DQDB(Distributed Queue Dual Bus)

DQDB는 보통 반경 25km 이내에 있는 LAN의 상호 연결을 제공하는 기능을 수행한다.
이중 버스 구조를 갖는 DQDB에서는 버스의 양쪽 시작 부분에 53바이트의 슬롯을 주기적으로 생성하는 슬롯 생성기(Slot Generator)가 있다.
각 노드는 데이터 링크 계층 내의 MAC 계층 데이터를 48바이트씩 받아서 5바이트의 헤더를 붙인 후 53바이트를 만들어 가용한 슬롯에 실어 전송한다.
각 슬롯 헤더에는 데이터의 유무를 판별할 수 있는 B(Busy) 비트가 있고, 반대편 버스의 슬롯을 예약하는데 사용되는 R(Request) 비트가 있다.
그림 3-1의 버스구조를 보다 상세하게 설명하면 그림 3-3과 같다. DQDB는 그림 3-3에서와 같이 각 노드에 두 개의 버스가 연동된다. 버스 A의 관점에서 보면 노드 A는 노드 B에게 하향스트림(Downstream)이고 버스 B에서 보면 상향스트림(Upstream)이 된다.
이런 버스구조는 각 버스의 시작 노드에서 빈 프레임을 슬롯을 생성하여 버스 상에 전달하고 나머지 노드들은 빈 프레임을 받았을 때만 전송할 수 있다.
그러나 이런 방식은 버스의 마지막 부분으로 갈수록 가용 대역폭이 줄어드는 기아(Starvation) 현상이 발생하게 된다. 즉 버스의 출발 지점부터 앞선 노드들이 슬롯을 계속 사용해 버리면 마지막 노드는 전송기회를 갖지 못할 가능성이 높아진다.
이 문제의 해결책으로 분산 큐(Distributed Queue)가 고안되었다. 분산 큐 방식에서 각 노드는 자신이 연결된 각 버스 당 하나씩의 큐를 만들고, 해당 버스로 지나가는 슬롯을 살펴 다른 노드로부터 슬롯 예약 정보가 오면 해당 정보를 큐에 하나씩 삽입하고, 자신이 전송하고자 할 때 또한 슬롯 예약 요청 정보를 큐에 삽입하고 지나가는 슬롯에 예약 정보를 싣는다.
이렇게 하면 큐에는 자신의 슬롯을 전송하기 전에 다른 노드를 위한 슬롯이 몇 개가 지나가야 자신의 데이터를 전송할 수 있는지 알 수 있다. 그림 3-4는 분산 큐를 이용하여 각 노드들이 반대방향 버스를 통하여 예약하고 데이터를 전송하는 과정을 나타내고 있다.
노드 A는 버스 A에서 버스 B에 대한 전송 예약을 할 때 첫 번째로 예약을 했다. 이후 노드 A는 슬롯 생성기에서 최초의 슬롯을 받으면 예약된 첫 번째 가용 슬롯임을 인지하고 자신의 데이터를 슬롯에 실어 전송한다.
마찬가지로 B와 C, D도 각각 버스 A에서 예약한 순서대로 버스 B의 해당 슬롯에 자신의 데이터를 삽입하여 전송한다.
분산 큐 방식은 반대편 버스를 이용해서 사용 순서를 예약하는 방식으로 한 노드의 독점과 이로 인해 발생할 수 있는 다른 노드의 기아상태를 방지할 수 있다. 그림 3-5는 DQDB의 프레임 구조를 표현한 그림이다.
DQDB 프레임의 각 필드에 대해 살펴보면 다음과 같다.
B(Busy)
현재 셀에 유효한 데이터가 있는지 여부를 표시한다.
ST(Slot Type)
전송 슬롯의 두 가지 유형을 나타낸다. Data, Real-Time Data
R(Reserved)
추후 사용을 위해 예약된 필드이다.
PSR(Previous Slot Read)
슬롯을 읽은 노드에 의해 0으로 된다.
RQ(ReQuest)
3개의 비트를 이용하여 전송 우선권을 구분하는 것으로 각 노드에서 예약을 할 때 설정한다.
주소(Address)
MAN과 WAN에 사용되는 가상 채널 식별자(VCI: Virtual Channel Identifier)이다.
타입(Type)
일반 데이터, 제어용 데이터 등의 MAC 프레임 데이터에 대한 유형을 구분한다.
우선순위(Priority)
전송 우선순위를 명시한다.
CRC(Cyclic Redundancy Check)
에러검출용 필드이다. (x8+x2+x+1x^{8}+x^{2}+x+1)
그림 3-6은 DQDB의 동작방식을 상세히 보여준다. 그림 (a)는 버스 B에서 생성된 슬롯에 노드 B가 예약을 하여 R 비트가 설정된 것을 보여준다. 이것은 노드 B가 버스 A를 이용하여 자신의 데이터를 전송하고자 하는 것을 나타낸다.
이때 그림 3-6의 오른쪽은 각 노드의 큐의 상태를 보여준 것이다. 노드 B는 자신이 슬롯을 예약하여 R 비트를 설정한 반대편 큐에 자신이 전송할 차례를 삽입한다.
그림 (b)를 보자. 버스 B의 슬롯은 노드 A를 지난다. 노드 A는 슬롯을 받아 예약 비트가 설정되어 있는 것을 확인하고 마찬가지로 반대편 큐에 그 사실을 삽입한다.
이렇게 하면 노드 A는 버스 A에서 생성되는 슬롯을 노드 B가 사용할 것임을 알게 되며 그림 (c)와 같이 버스 A에서 생성된 슬롯을 그냥 통과시킨다. 그리고 자신의 큐에 삽입된 노드 B의 전송예약 정보를 삭제한다.
노드 B는 이 슬롯을 받아서 자신이 사용할 것임을 알고 데이터를 포함시켜 전송하게 된다. 이때 데이터가 포함되어 있다는 것을 알리기 위해 Busy 비트(B)를 설정하여 전송한다.
그렇게 되면 노드 C와 D는 B 비트가 설정되어 있음을 알아차리고 데이터 전송을 하지 않는다.
그림 3-7은 보다 복잡한 상황에서의 DQDB 동작과정을 보이고 있다. 각 노드들의 큐에는 몇 개의 예약정보가 삽입되어 있다. 각 노드의 좌측 상단 큐는 버스 A에대한 예약을 표시하는 큐이며, 우측 하단의 큐는 버스 B의 예약 상태를 나타내는 큐이다.
각 슬롯의 R은 예약비트 Busy 비트를 나타낸다. 이 상태에서 양쪽 슬롯 생성기에서 각 하나씩의 슬롯이 생성되었다.
이러한 상황에서 시작하여 그림 3-8에서처럼 노드 D가 버스 B에서 생성된 슬롯에 예약을 수행하였다. 또한 버스 B 상에 하나의 슬롯이 통과했으므로 예약상황을 알리던 큐에서 하나를 삭제 했다.
버스 A를 보자. 버스 A에서 역시 노드 A는 자신의 전송순서가 아니라는 것을 알고 생성된 슬롯을 통과시키며 버스 A의 예약상황을 알리는 큐에서 하나를 삭제한다.
그림 3-9의 버스 A는 노드 B가 버스 A의 슬롯에 자신의 데이터를 삽입하고 B비트를 설정, 버스 A에 대한 예약 큐에서 잣니의 예약 정보를 삭제한 상태이다.
한편 버스 B에서는 노드 C가 새로운 슬롯을 받고 예약비트가 설정되어 있음을 확인한다. 노드 C는 곧 버스 A의 예약 큐에 새로운 예약정보를 삽입하고 해당 슬롯을 통과 시킨다.

SMDS(Switched Multimegatib Data Services)

SMDS는 MAN에서 고속통신을 지원하기 위해 고안된 서비스이다. SMDS는 비연결(Connectionless) 지향형 고속 통신서비스를 제공하며 1.5Mbps ~ 45Mbps를 지원하는 광 선로기반 링 구조에 근간을 두고 있다.
또한 다수의 LAN들을 연결할 때 완전 그물형(Full-Mesh) 형태로 연결하는 것은 비효율적이기 때문에 SMDS는 스위칭 시스템을 이용하여 보다 효율적인 LAN간 통신 서비스를 제공한다. 그림 3-10은 완전 그물형으로 구성된 LAN간 연결을 보여주고 있다.
그림 3-10에서와 같이 완전 그물형으로 네트워크를 구축하는 것은 상당한 비용을 필요로하며 또한 비 경제적이다. T1이나 T3급의 임대회선(Leased Line)을 이용하여 구성할 경우 상당한 임대비용을 지불해야 하고, 더욱이 비싼 임대회선을 100% 활용한다는 보장을 할 수도 없다.
TDM(Time Division Multiplexing) 전송 방식만을 지원하는 T1과 T3 라인은 다중화(Multiplexing) 방식에 기인하여 가격이 높을 수 밖에 없다.
그래서 서비스 제공업체에서는 DQDB를 이용하여 LAN을 스위칭 시스템에 연결하고, 데이터그램 기반의 스위칭 기법을 사용하여 좀 더 넓은 대역폭을 제공하면서 좀 더 많은 사용자를 확보할 수 있고, 사용자 입장에서는 비싼 임대회선 비용을 절감하여야만 하였다.
그림 3-11은 SMDS를 이용하여 구현한 예를 보여주고 있다.
일반적으로 가입자는 자신의 네트워크 내에 가입자 댁내 장치 CPE(Customer Premises Equipment)를 갖고 있다. 이것은 가입자 소유의 네트워크 장비인데, 일반적으로 라우터를 일컫는다.
그림 3-11에서 LAN의 종단 라우터는 CPE가 된다고 할 수 있다. SMDS에서 DQDB를 이용하는 부분은 SMDS 내부에서 가입자 네트워크 CPE까지가 된다.

현대의 MAN

현재의 MAN, 특히 국내에 구축되어 있는 MAN은 대부분 링형태로 구성되어 있다.
MAN에서 SONET/SDH를 사용하여 링형태로 백본 네트워크와 가교역할을 하는 구간을 메트로 코어(Metro Core)라 하고, 가정이나 기업에서 메트로 코어로 접속 기능을 제공하는 지역을 메트로 액세스(Metro Access)라 한다.

MAN의 역할

MAN은 그림 3-12에서와 같이 롱홀이라 불리는 백본 네트워크와 메트로 액세스구간을 연결시켜주는 역할을 한다. 이것은 네트워크의 계위에서 주로 언급되는 내용인데, 그림 3-12를 통해 MAN 구성 요소의 역할을 살펴보면 다음과 같다.
그림 3-12에서 보는 바와 같이 메트로 코어는 메트로 액세스 네트워크와 다른 메트로 액세스 네트워크 간을 연결하는 기능과 메트로 액세스 네트워크와 백본 네트워크(롱홀: Long-haul)을 연결해 주는 기능을 동시에 수행한다.
백본 네트워크로 직접 연결하지 않고 메트로 코어 네트워크를 거쳐 백본 네트워크로 접속되기 때문에 트래픽이 불필요하게 백본 네트워크로 직접 나가는 것을 방지해 주면서 백본 네트워크 내에서의 대역폭 낭비를 줄이는 역할도 동시에 수행한다.

MAN의 구성

MAN은 주로 링 구조로 되어 있다. 링은 SONET/SDH 기반의 이중링으로 구성되어 있는데, SONET을 사용하는 이유는 다수의 메트로 액세스 구간의 트래픽을 처리해야 하는 부담과 광범위에 걸쳐 있는 네트워크의 안정성과 신속한 복구 때문이다.
SONET은 TDM을 기반으로 운용되는데 그 이유는 SONET이 음성 통신 네트워크에서 출발했기 때문이다. 즉 SONET은 전화 네트워크를 지원하기 위해 설계되었기 때문에 TDM을 기반으로 운영되며 현재는 이러한 SONET을 컴퓨터 네트워크에 활용하고 있다.
SONET 링에서 중요한 역할을 하는 요소로는 앞서 말한 ADM(Add/Drop Multiplexer)이라는 장비가 있다. 이것은 링 내에서 흐르는 데이터들을 특정 CO(전화국)로 보내주거나 특정 CO에서 링 내로 유입되는 트래픽을 다중화해서 링으로 실어주는 역할을 한다. 그림 3-13은 SONET/SDH 망에서의 ADM의 동작을 설명하고 있다.
ADM은 링에서 특정 데이터를 추출해서 CO로 전달해 주며, CO가 링으로 데이터를 보내면, ADM은 이 데이터와 CO로 전달되지 않고 ADM을 그대로 통과(Bypass)하게 되는 데이터들을 다중화하여 링으로 전송하는 기능을 수행한다.
ADM이 제공하는 기능을 이용해서 CO는 불필요한 데이터들을 받아 보지 않아도 된다. 따라서 CO가 링 내의 모든 데이터를 검사해야 하는 오버헤드가 감소하여 네트워크 효율을 향상시킬 수 있다.
일반적으로 소규모 광 네트워크에서는 ADM을 필요로 하지 않는다. 소규모 네트워크에서 발생되는 트래픽은 각 노드(또는 호스트 등의 통신 장비)들이 충분히 처리할 능력이 되기 때문에 굳이 비싼 ADM을 도입할 이유가 없다. 그러나 MAN처럼 대규모의 데이터를 처리해야 하는 네트워크에서는 ADM은 필수 요소가 된다.
이렇게 MAN의 네트워크는 SONET의 링으로 이루어져 있으며, 광통신을 주 전송매체로 한다는 특징이 있다. 넓은 대역폭을 제공하는 광통신은 대용량 데이터를 빠르게 전송할 수 있어 MAN에는 매우 적합한 통신 방법이다.
SONET의 이중 링 구조에 대해 살펴보면 다음과 같다. SONET은 두 개의 링 중 하나를 데이터 전송용으로 사용하고, 다른 하나(복구용 링)는 데이터 전송 회선에 문제가 생겼을 경우 예비 데이터 전송을 위해 사용한다. 그림 3-14는 이러한 이중 링 구조를 이용하여 장애를 신속하게 복구하는 SONET의 특징을 도시하고 있다.

MAN의 문제점

MAN은 TDM 기반의 SONET/SDH의 회선 교환 네트워크(Circuit Switching Network) 형태로 이루어져 있다. SONET은 음성 서비스를 위해서 설계된 네트워크이기 때문에 64kbps를 기반으로 하는 음성 트래픽에 적합한 구조를 갖고 있다. 이러한 이유로 인해 데이터 통신 서비스를 제공하는데는 몇 가지 단점이 있다. 이를 이용하여 구축된 MAN의 문제점에 대해 살펴보자.
(이하 생략 - TDM 기반 SONET/SDH, 가입자 네트워크 접속형태 변화, 인터넷 서비스 사업의 형태 변화, 멀티미디어의 발달)

메트로 이더넷

메트로 이더넷은 앞서 말한 MAN이 갖고 있는 여러 문제점을 해결하면서 고속의 광대역 네트워크 서비스에 대한 요구에 대응하고자 도입된 기술 중 하나이다.
즉 기존의 ATM, SONET 등과 같은 장비들이 혼재해 있는 네트워크를 기업 환경에서 폭넓게 사용되고 있는 이더넷 기술을 활용하여 단순화 시키고 병목현상을 해결하고자 도입을 하였다.
메트로 이더넷 서비스는 ISP(Internet Service Provider)가 데이터 링크 계층 프로토콜로 이더넷 프로토콜을 사용하는 네트워크 서비스를 사용자에게 제공하는 것이며, 메트로 이더넷은 이러한 메트로 이더넷 서비스를 위해 구성된 ISP가 보유한 네트워크를 의미한다.
그러나 메트로 이더넷이 현재의 네트워크를 완전히 대체하는 것은 아니다. 메트로 이더넷이 사용하는 매체는 MAN 구간에 설치되어 있는 다크 파이버(Dark Fiber)이다. 광섬유를 지하에 매설할 때에는 매설 비용이 많이 들기 때문에 매설 당시의 수요량 이상을 설치한다. 마치 나중을 대비해 하수도관을 커다란 파이프로 묻는 것과 같은 이치이다.
(이하 생략)