광전달망 기술 및 표준화 동향

1. OTN 기술

OTN 기술은 신호 프로토콜에 무관하게 모든 형태의 클라이언트 신호를 효과적으로 수용하기 위한 래퍼(wrapper)를 제공하기 위해 고안된 점대점 프로토콜[6]이며, 하나의 광 채널로 100Gb/s 신호를 장거리 전송하기 위한 OTU(Optical channel Transport Unit)4 표준기술과 코히런트 광트랜시버 기술이 상용화됨에 따라서 광전달망의 핵심기술로 각광을 받고 있다. 현재의 광전달망은 다양한 서비스를 하나의 장비에서 동시에 수용하면서 사용자의 요구사항에 따라서 대역폭뿐 아니라 서로 다른 종류의 서비스나 프로토콜(이더넷, SONET /SDH, MPLS, IP, Fiber Channel)을 제공하기 위해서 망 가상화를 추진하고 있다. 특히, 데이터센터와 캐리어 사업자들은 사용자의 요구사항에 따라, 서로 다른 대역폭과 서비스를 이전과 동일하거나 보다 낮은 가격으로 빠르게 제공할 수 있어야 한다. 이러한 요구사항을 해결하기 위해서 국제 표준화기관인 ITU-T에서는 1.25Gb/s 단위로 대역폭을 증감할 수 있는 ODU(Optical channel Data Unit)flex 증감기술과 OTN 스위칭 기술에 대한 표준을 개발하였다[7].(그림 3)은 LO ODUk(k=0,1,2, 3,4,flex) 기반으로 다양한 서비스나 프로토콜의 클라이언트 신호를 독립적으로 수용하여 이를 하나의 HO ODUk(Optical channel Data Unit-k)에 다중화한 후 광 파장에 실어 전송하는 예를 보여준다. LO ODUk에 매핑된 클라이언트 신호들은 광전달망 내에서는 ODUk 스위칭만을 통해 전송되기 때문에 패킷 스위칭을 사용하는 기존의 시스템과 비교하여 저지연 특성을 가진다. 현재까지의 망 사업자들은 서로 다른 프로토콜이나 서비스는 서로 다른 광 채널을 사용하여 전송하였다. 그러나 ODUflex 증감 기술과 OTN 스위칭 기술이 개발됨에 따라서 서로 다른 프로토콜과 서비스를 하나의 광 파장에 다중화하여 전송할 수 있게 되어 망의 효율성을 극대화할 수 있다. 또한 운용측면에서도 서비스별로 별도의 광 파장을 추가할 필요가 없기 때문에 사용자의 요구에 빠르게 대처하고 운용 비용을 절감할 수 있다[8].

(그림 3)

광전달망에서 ODUk 기반의 다양한 서비스/ 프로토콜 수용

가. OTN 스위칭 기술

(그림 4)는 OTN 스위칭 기술을 광전달망에 적용한 예를 보여준다. 서로 다른 서비스나 프로토콜별 신호들을 각각의 대역폭에 맞게 설정된 ODU flex 신호에 매핑하거나 또는 동일한 목적지와 프로토콜을 가지는 다수의 클라이언트 신호들을 그루밍하여 하나의 ODUflex에 매핑할 수 있다. 여기서 ODUflex 신호는 1.25Gb/s 단위로 최대 100Gb/s까지 대역폭을 증가할 수 있다. 광전달망 내의 중계노드에서는 ODUk(k=0, 1,2,3,4,flex) 단위로 스위칭을 해준다. 이러한 ODUk 단위의 스위칭 기술은 대역폭 변경, 지연시간, 신뢰성 등에 대한 요구사항이 서로 다른 서비스들의 대역폭을 분류하고 이를 그루밍하여 ODUk에 매핑한 후 관리할 수 있게 해준다. 또한 보다 많은 저속의 서비스나 프로토콜 신호들로 100Gb/s 광 파장(최대 80개의 ODU0)들을 효과적으로 채울 수 있다는 장점을 가진다. 이러한 OTN 기술은 100G 코히런트 광 트랜시버 기술과 함께 초고속 장거리 광전달망에 적용된다.

(그림 4)

OTN 스위칭이 적용된 광전달망에서의 데이터 전송 예

나. 광 트랜시버 기술

100G 코히런트 광 트랜시버 기술은 OIF PLL(Phy-sical and Link Layer) 워킹 그룹에서 표준화를 주도하고 있으며, 현재 DP-QPSK(Dual Polarization-Quad Phase Shift Keying) 변조방식의 코히런트 기술이 주로 사용된다[9][10]. 코히런트 광 트랜시버 기술은 색분산과 편광분산을 전기적으로 보정할 수 있으며, SD-FEC(Soft Decision Forward Error Correction) 적용이 가능하기 때문에 높은 대역폭과 장거리 전송을 위한 DWDM(Dense Wavelength Division Multiplexing)/ ROADM 백본망에 적용되고 있다.

현재 급성장하고 있는 또 다른 OTN 기술로는 메트로 100G OTN 기술이 있다. 메트로망은 10km 이내의 메트로 액세스망과 500km 이내의 메트로 코어망 그리고 1,000km 이내의 메트로 지역망(regional)으로 구분된다[11]. 일반적으로 메트로 시장은 장거리 백본망보다 2-3년 늦게 시장이 형성되나 2-3배 더 큰 시장규모를 가지며, 2017년 이후에는 백본망의 수요를 능가할 것으로 예상된다[12][13]. 메트로 100G OTN에서 가장 중요한 기술은 코히런트 광 트랜시버 기술로 단순히 백본용 장거리 기술의 성능을 낮추는 것이 아니라 저가격, 낮은 소비전력, 저지연, 높은 포트 밀도 등과 같은 메트로 요구사항을 만족시켜야 하기 때문에 다양한 변조방식을 지원하는 CFP(C Form-factor Pluggable) 또는 CFP2 형태로 발전해가고 있다. (그림 5)는 100G 코히런트 광 트랜시버 기술 발전방향을 보여준다[13].

(그림 5)

100G 코히런트 광 트랜시버 기술 발전방향[13]

2. MPLS-TP 기술

MPLS-TP 기술은 연결지향형 패킷 전달기술로써 패킷기술이 가지는 통계적 다중화의 장점은 유지하면서 패킷 전달경로의 신뢰성을 회선망 수준으로 높이기 위해 패킷 전달경로에 대한 OAM 및 보호절체 기능을 개선한 것이다[14]. ITU-T와 IETF(Internet Engineering Task Force)에서는 2012년 11월에 MPLS-TP OAM 표준화를 완료하고, 2014년 7월에 MPLS-TP 보호절체 기술에 대한 표준화를 완료함으로써 MPLS-TP의 주요 요소기술에 대한 정의가 마무리 되었다. MPLS-TP는 (그림 6)과 같이 MPLS를 기반으로 하고 T-MPLS 개발 시에 도출되었던 전달망을 위한 요구사항을 반영할 수 있도록 확장된 기술을 의미한다. MPLS-TP는 IP 포워딩 기능 없이 동작하는 것을 기본 전제로 하며, MPLS와 동일한 패킷 포워딩 방식을 사용하고 전달망 요구사항을 만족하기 위해 OAM 및 보호절체 기능이 추가되었다. 현재 MPLS-TP OAM의 프레임워크에서 정의된 관리 객체는 단대단 LSP(Label Switched Path)/PW (Pseudowire)를 기본으로 다양한 관리 객체를 정의하고 있다. MPLS-TP OAM 기술은 ITU-T에서 주장하는 이더넷 OAM에 기반한 방식과 IETF에서 주장하는 MPLS OAM에 기반한 방식이 각각 ITU-T 권고안 G.811.3.1과 G.8113.2로 제정되었으며[15][16], 두 방식에서 공통적으로 제공하는 기능은 다음과 같다[17].

MPLS-TP 선형보호절체 방식은 OAM과 달리 ITU-T와 IETF가 단일 국제표준을 제정하는데 합의하였고 그 결과 ITU-T 권고안 G.8131이 제정되었다. MPLS-TP 선형 보호절체 방식이 사용하는 APC(Automatic Protection Coordination) 프로토콜은 기존 이더넷 선형 보호절체 방식이 사용하는 APS(Automatic Protection Switching) 프로토콜 방식과 IETF에서 정의한 PSC (Protection State Coordination) 프로토콜을 개선한 것이다[18].

(그림 6)

MPLS와 MPLS-TP 범위

3. T-SDN 기술

T-SDN(Transport-Software Defined Network) 기술은 다중 도메인과 다중 계층으로 구성된 전달망에서 BoD(Bandwidth on Demand) 서비스, 망 복구 및 IP 트래픽 offloading을 신속하게 제공할 수 있어 SDN 기술분야에서 가장 경쟁력 있는 분야로 평가 받고 있다[19]. 현재까지의 T-SDN 기술은 다수의 업체들과 통신사업자들이 자체적인 PoC(Proof of Con-cept) 개념의 연구결과를 발표하였으며[20], 최근에야 표준화 단체들을 중심으로 프로토타입의 프로토콜을 시험하기 위한 시연이 진행되었다.

본고에서는 ONF와 OIF 멤버인 통신사업자와 장비업체들이 참여한 Global Transport SDN Interoperability Demonstration를 중심으로 T-SDN 기술을 설명한다[21]. 시연은 여러 대륙을 연결한 실제 네트워크 환경에서 실시되었으며, ONF의 OTWG에서 표준화 중인 T-SDN OpenFlow 프로토콜과 OIF 멤버인 업체들을 중심으로 NBI(Northbound Interface) 프로토콜인 VN 서비스 요청과 토폴로지 기능들이 시험되었다. 통신사업자로는 Verizon, TELUS, DT, China Mobile, China Tele-com이 참여하였으며, 장비업체로는 ADVA, ALU, Ciena, Coriant, FiberHome, Fujitsu, Huawei, NEC, ZTE가 참여하였다.

가. 네트워크 구성

T-SDN 시연을 위한 네크워트 구성은 (그림 7)과 같다. 제어 계층은 CVNI 인터페이스로 연결된 하위 레벨 컨트롤러(Domain controller)와 상위 레벨 컨트롤러(Parent controller)로 구성된다. 인프라 계층은 다중 도메인으로 구성되며, 각 도메인 컨트롤러는 여러 종류의 SBI 인터페이스(업체 버전, 오픈플로우 1.3, 오픈플로우 확장 버전)를 통해서 네트워크 노드와 연결된다. ONF에서는 이 인터페이스를 CVNI(Control Virtual Net-work Interface)와 구분하기 위해서 CDPI(Control Data Plane Interface)로 정의하였으며, 이들 두 인터페이스는 동일한 특성을 갖는다. 응용 계층은 통합 제어 기능을 포함하며, NBI 인터페이스를 통해서 제어 계층 내의 컨트롤러와 연결된다.

(그림 7)

T-SDN 네트워크 구성[21]

나. T-SDN OpenFlow 시험

OpenFlow는 1.3 버전을 코어로 사용하여 T-SDN 오픈플로우 규격들을 시험하였다. 광포트 제어기능과 매핑기능을 적용하여 1GbE/10GbE 신호를 ODU0/ODU2 프레임에 실어서 전달하는 기능이 시험되었다. 다수의 노드로 구성된 하나의 도메인을 두 가지 모델(단일 스위치 모델과 복수 개의 스위치 모델)로 추상화하여 상위 레벨 컨트롤러의 오픈플로우를 사용하여 경로 제어를 시험하였다. 시험 결과, 다수의 가상 노드들이 각각의 오픈플로우 인터페이스를 가질 경우, 도메인 컨트롤러가 이들을 상위 레벨 컨트롤러로 추상화하기 위해 너무 많은 오버헤드가 필요함이 확인되었다.

다. 서비스 API 시험

서비스 API(Application Programming Interface)는 REST(Representational State Transfer)와 JSON(Java-Script Object Notation)을 기반으로 구현되었으며, 사용자에게 커넥션 서비스를 제공한다. 다양한 종류의 애플리케이션을 공통으로 사용하기 위해서 다음과 같은 서비스 API들을 시험하였다.

시험 결과, 실제 네트워크에 적용하기 위해서는 도메인 사이의 링크 discovery와 selection 자동화가 요구되었다. 또한, 'cloud-burst' 시나리오에 대응하여 안전하고 효율적인 가상 네트워크 서비스를 제공하기 위해서는 인증, 권한 부여 및 자원 스케줄링 기술개발이 요구된다.

라. 토폴로지 API 시험

NBI API인 토폴로지 API는 형상 정보를 네트워크 오케스트레이터에게 제공하는 기능을 수행한다. 토폴로지 API를 시험하기 위해서 다음과 같은 4개의 토폴로지 오브젝트와 라이프 사이클을 제어할 수 있는 동작들이 정의되었다.

마. 향후 계획

Global transport SDN 시연 이후, OIF와 ONF는 애플리케이션과 T-SDN 컨트롤러를 연결시키는 NBI 인터페이스에 대한 IA(Implementation Agreement) 작업에 착수하였다[22]. 여기에는 서비스 요구 사항, 토폴로지를 위한 API, 경로 계산과 링크 자원관리를 위한 API들이 포함될 예정이며, OpenFlow와 non OpenFlow 기반의 네트워크 환경에 모두 적용 가능한 방안이 제공될 것으로 예상된다. 또한 개발자와 사용자의 편의성을 위해 단일 프로토콜과 언어를 선정할 예정이다.

1. OTN Beyond 100G

OTN B100G 표준화는 2012년 9월 ITU-T SG15 정기회의에서 별도의 G.709 OTN B100G 이슈 리스트를 작성하는 것이 합의된 이후 현재 <표 1>과 같이 정리되었다[23]. ITU-T에서는 IEEE에서 표준화가 진행 중인 400G 이더넷을 그대로 수용하기 위해 IEEE와 보조를 맞추어 표준화를 진행 중에 있으나, 서비스사업자와 망사업자들로부터 OTN B100G에 대한 요구가 빠르게 증가하고 있어 보다 빠른 표준 진행을 위해 크게 3개의 항목(400G 이더넷 표준과 무관한 항목, 400G 이더넷 표준에서 규격화될 것을 기반으로 하는 항목, 400G 이더넷 표준을 기다려야 되는 항목)으로 분류하여 표준화를 진행 중이다[2]. 400G 이더넷과 무관한 항목으로 현재까지 정의된 B100G의 주요 항목들은 다음과 같다.

<표 1>

표준화 항목(living list)

(그림 8)은 현재까지 ITU-T에서 정의된 OTN B100G 신호 매핑 및 다중화 방식을 보여준다[2]. IEEE에서 정의하고 있는 400G 이더넷을 포함한 100Gb/s 이상(B100G)의 CBR(Constant Bit Rate) 클라이언트 신호들은 ODUflex에 BMP(Bit-synchronous Mapping Pro-cedure) 매핑된 후 ODUCn에 다중화되며, 100Gb/s 이상(B100G)의 패킷 클라이언트 신호들은 ODUfelx에 GFP-F(Frame-mapped Generic Framing Procedure) 매핑된 후 ODUCn에 다중화된다.

(그림 8)

OTN B100G 매핑 및 다중화 방식[2]

반면에, 기존의 클라이언트 신호들은 직접 OPUCn에 GMP 매핑되거나 상위의 ODUk (k=2,3,4)에 매핑/다중화된 후 OPUCn에 GMP 매핑된다. 현재까지 정의된 OTUCn 프레임 구조는 (그림 9)와 같다. OTUCn 프레임은 8xn 바이트의 고정 stuff 바이트를 가지며 종속 슬롯들은 OPUCn 페이로드 영역에 1-바이트씩 인터리빙된다. OTUCn의 전송속도는 아래와 같다.

(그림 9)

OTUCn 프레임 구조[2]

2. OTN 공유메쉬 보호절체

OTN 공유메쉬 보호절체는 광전달망에서 ODUk 단위의 운용경로에 대응하는 보호경로들이 망 자원을 공유하며, 장애 발생 시 우선순위에 따라서 보호절체를 수행하는 기술로 ITU-T SG15에서 G.odusmp로 진행 중에 있다[24]. ODU 공유메쉬 보호절체 표준 승인은 2014년을 목표로 하였으나, 다중화 구조를 설정하는 단계와 보호절체를 활성화하는 단계를 동시에 처리하는 1-stage 프로토콜과 이를 각각 처리하는 2-stage 프로토콜이 첨예하게 대립하고 있어 1년 이상 합의를 이루지 못하고 있다.

현재 총 5가지의 ODU 공유메쉬 보호절체 프로토콜들이 논의 중에 있으며, 이들의 특징을 <표 2>에 요약하였다[25]-[28].

<표 2>

ODU 공유메쉬 보호절체 프로토콜 비교표

(그림 10)은 ODU 공유메쉬 보호절체의 개념도를 보여준다. 실선은 운용경로를 나타내며, 점선은 이에 대응하는 보호경로를 나타낸다. 데이터 평면 프로토콜에 의해 운용경로에 대응하는 보호경로를 미리 할당한 후 장애 발생 시 in-band 시그널링에 의해서 미리 할당된 보호경로를 활성화한다.

(그림 10)

OTN망에서의 ODU 공유메쉬 보호절체

3. MPLS-TP 표준화 동향

MPLS-TP표준은 패킷 전달망과 캐리어 이더넷망에 적용을 목표로 2008년 ITU-T와 IETF가 공동으로 작업을 시작하였다. 그러나 MPLS-TP의 핵심기술 중 하나인 OAM 기술 표준화에서 갈등을 빚어, 결국 2012년 11월 WTSA 회의에서 이더넷 OAM에 기반한 방식과 MPLS OAM에 기반한 방식이 모두 승인되어 각각 G.8113.1과 G.8113.2로 표준이 만들어졌다. OAM 기술 표준화 이후 진행된 보호절체 기술 표준화에서도 기존 ITU-T 방식과 IETF 방식이 충돌하였으나, 지난 2013년 2월 ETRI의 주도로 기존 IETF의 PSC 방식[29]의 문제점과 미비한 기능을 보완하고 망 운영자 입장에서 기존 ITU-T G.8031의 APS 방식과 동일하게 운용할 수 있는 APC 방식의 표준안을 IETF에 2013년 3월 제출하여 RFC 최종 승인을 완료하였다. IETF에서 최종 승인된 RFC와 동일한 내용으로 작성된 G.8131 표준이 2014년 ITU-T에서 승인되었다[30]. 복수의 국제표준으로 제정된 MPLS-TP OAM 기술과 달리 보호절체 기술은 단일 국제표준으로 추진됨으로써 관련 통신망 장비와 망사업자의 편의를 도모할 수 있게 되었다.

4. T-SDN 표준화 동향

초기 SDN에서 집중 논의되었던 사설망과 데이터센터망은 대부분 분산 제어방식의 이더넷 장비로 구성되었기 때문에 OpenFlow 기반의 중앙집중 제어방식이 매우 효율적이었다. 그러나 GMPLS(Generalized Multi-Pro-tocol Label Switching) 기반의 전달망은 이미 데이터 평면과 제어 평면이 분리되어 중앙집중방식으로 제어되고 있기 때문에 차별화된 SDN 표준기술이 필요하게 되었다. 이에, ONF는 T-SDN을 수용할 수 있도록 오픈플로우 규격을 확장하는 방향으로 표준화를 추진하고 있다. 반면에, IETF는 GMPLS 기술들을 재사용하거나, 호환이 가능한 T-SDN 표준을 추진하고 있다. ONF는 T-SDN 표준화를 추진하기 위해서 2013년 3월에 OTWG(Optical Transport Working Group)를 구성하여 오픈플로우 기반의 전달망 제어 구조를 정의하고 T-SDN을 지원하기 위한 확장된 오픈플로우 표준을 추진 중이다. 현재, T-SDN use cases 문서와 요구사항을 완료하였으며, T-SDN 구조 문서 및 추가의 T-SDN 오픈플로우 규격을 작성 중에 있다[31]. T-SDN을 위한 확장 오픈플로우 규격은 OpenFlow 권고안(OF)에 포함될 예정이다. OF 1.4 버전에는 광 포트에 대한 상태 정보 및 제어 메시지가 포함되어 있으며, OF 1.5 버전에는 보호절체, 디스커버리, OAM 등의 오픈플로우 메시지가 포함될 예정이다.

IETF에서는 SDN/NFV(Network Functions Virtualization) 기술과 관련되어 여러 개의 BoF가 제안되었으며, 일부 BoF(Birds of a Feather)는 워킹 그룹(I2RS: Routing system, SFC: Service function chaining 등)으로 승인되어 활발하게 표준화 활동을 수행하고 있다. 그러나 대부분의 SDN 표준은 이더넷을 포함한 패킷망에 대한 표준으로 L0(WDM), L1(OTN), L2(MPLS-TE/TP)를 포함하는 전달망에 대한 표준은 논의되지 않았다. 2014년 11월 제 91차 IETF 회의에서 멀티 도메인 전달망에 대한 가상 네트워크 서비스를 표준화하기 위해서 ACTN(Abstraction and Control of Transport Networks) BoF가 개최되었다[32]. ACTN에서는 (그림 11)처럼 T-SDN 컨트롤러를 3개의 SDN 컨트롤러 레벨(CNC(Control Network Controller), VNC(Virtual Net-work Controller), PNC(Physical Network Controller))로 구성하고 CNC와 VNC 간 인터페이스를 CVI(CNC-VNC Interface)로 그리고 VNC와 PNC 간 인터페이스를 VPI(VNC-PNC Interface)로 정의한다. 각 컨트롤러 레벨의 운영 주체는 CNV는 고객(Customer), VNC는 서비스 사업자, PNC는 망 사업자로 각각 정의된다. 또한, 고객의 종류를 가정, 기업, ISP, MVNO(Mobile Virtual Network Operator) 및 정부 등으로 다양하게 가정하며, 서비스 사업자는 다중의 망 사업자 도메인에 걸쳐서 고객에게 가상망 네트워크 서비스를 제공한다. 망사업자는 물리 인프라 자원을 소유하고 서비스사업자에게 네트워크 자원을 제공한다.

(그림 11)

ACTN에서 정의하고 있는 T-SDN 컨트롤러 모델[32]

ACTN은 대표적으로 다음과 같은 워크플로우 과정을 표준화한다. 먼저, CNC는 고객의 요구에 의하여 가상망 사업자인 VNC에게 가상 네트워크 서비스를 요구한다. 이때 연결설정에 필요한 end points 정보와 같은 파라미터들을 포함한다. VNC는 고객의 가상 네트워크 요구사항들을 네트워크 인프라에 적용하는 기능(CNC에서 요구한 VN 설정, 변경, 삭제)을 수행한다. PNC는 VNC로부터 가상 네트워크 설정을 요청 받아서 실제적인 물리 망 인프라에 연결을 설정한다.

ITU-T SG15는 2013년 7월 정기회의에 T-SDN 표준을 시작하였으며, Q.12와 Q.14에서 제어 평면 구조에 관한 표준 권고안(G.asdtn: Architecture for SDN control of Transport Networks)을 작성 중에 있다. G.asdtn은 T-SDN의 요구사항과 구조를 정의하고 있으며, G.8080의 ASON(Automatically Switched Op-tical Network) 표준[33]을 기반으로 T-SDN 컴포넌트, 제어 네트워크, 관리 기능 및 보호절체 기능을 포함하고 있다. 2014년 11월 SG15 정기회의에서는 Q.9, Q.12, Q.14가 공동으로 T-SDN 보호절체와 복구에 대한 논의를 시작하였다.