반도체네트워크

2010 년 09월호

년 월호


Home > Application Review 상세기사 보기

FPGA를 이용한 100G OTN 구현(1)

관련 기업과 서비스 사업자들의 발표에 따르면 100G 시스템 구축이 마침내 시장에서 탄력을 받고 있는 것으로 보인다. 이의 가장 주된 요인은 고객들이 끊임 없이 계속해서 더 높은 대역폭을 요구하기 때문이다. 다수의 표준화 기관이 전송과 이더넷에 대해 또한 광 인터페이스에 대해 100G 표준을 승인하기 위한 준비작업을 하고 있다.

글/Rishi Chugh, Product Marketing Manager, Altera Corporation
Kevin Cackovic, Strategic Marketing Manager, Altera Corporation

관련 기업과 서비스 사업자들의 발표에 따르면 100G 시스템 구축이 마침내 시장에서 탄력을 받고 있는 것으로 보인다. 이의 가장 주된 요인은 고객들이 끊임 없이 계속해서 더 높은 대역폭을 요구하기 때문이다. 다수의 표준화 기관이 전송과 이더넷에 대해 또한 광 인터페이스에 대해 100G 표준을 승인하기 위한 준비작업을 하고 있다. FPGA는 유연성에 의해서 표준이 승인되기에 앞서 당장에 100G 시스템을 설계하고자 하는 얼리 어돕터 업체들을 위해서 중요한 역할을 한다. Altera의 Stratix IV GT FPGA는 40nm 기술 노드로 11.3Gbps 트랜시버를 통합함으로써 100G 전송 및 100G 이더넷의 과제들을 해결할 수 있도록 한다. 이들 FPGA는 100G 시스템을 설계하고 비용을 절감하고 출시시간을 단축하는 솔루션을 제공하는 이상적인 플랫폼이다.

개요

오늘날 네트워크는 처리량이 갈수록 증가함으로써 업체들이 첨단 시스템을 구축하고 관리하기가 점점 어려워지고 있다. 이와 같이 갈수록 높아지는 대역폭 요구를 수용하기 위해서 OTN(optical transport network)이 차세대 네트워크의 백본으로 자리잡고 있다. 광섬유가 가장 빠르고 가장 신뢰할 수 있는 매체로서 급격한 속도로 구리선 및 기타 매체를 대체하고 있다.
네트워크에서는 속도와 신뢰성 두 가지가 중요한 요소이다. 네트워크는 항상 가동 상태여야 하고 빨라야 한다. 하지만 네트워크의 처리량이 대대적으로 증가하고 있다. 데이터는 네트워크가 전송하는 것의 적은 비중을 차지할 뿐이다. 이제는 음성, 사운드, 멀티미디어가 네트워크를 통해서 전송되는 중요한 성분이 되고 있다.
그림 1에서 보듯이 총 IP 트래픽이 2007년에서 2012년에 이르면서 6배로 증가함으로써 2년마다 두 배씩 증가할 것으로 전망된다. 2012년에는 연간 트래픽 규모가 522 exabyte(1018 또는 zettabyte의 절반)에 달할 것이다. 이와 같은 급격한 증가의 주된 요인은 고화질 비디오와 고속 광대역 소비자 애플리케이션이 될 것이다.

높은 대역폭 요구 충족

최종 사용자들은 자신의 네트워크 서비스가 중단되는 것을 원치 않는다. 이들 사용자들은 화상회의가 텔레비전이나 전화와 마찬가지로 화면이나 사운드가 끊기지 않기를 바란다. OTN은 차세대 이더넷 네트워크 표준이자 요구되는 속도와 신뢰성을 제공하는 유일한 표준으로서 100 Gigabit Ethernet(GbE) LAN PHY를 지원할 수 있는 유일한 네트워크 백본 전송 층이다. 새로운 기술이 등장할 때까지는 OTN 표준이 가장 빠르고 가장 효율적이기 때문에 주류로 자리잡을 것이다. OTN이 제공하는 높은 속도는 자체로 상당할 뿐만 아니라 미래의 요구를 충족하도록 확장할 수 있다.
모든 형식의 전자 통신은 사용자가 전송하고자 하는 정보로서 패킷 혹은 패킷 스트림과 패킷을 전송하기 위한 전송 유형으로서 매체를 이용한다. 전송이 빠를수록 패킷이 더 빠르게 도착한다. 하지만 전송측과 수신측에서 문제가 발생하며 패킷이 분배할 수 있는 것보다 빠르게 도착한다. 그래서 효율을 높이기 위해서 통신 회사들이 OTN으로 전환하고 있다.

100G OTN(OTU4)의 개요

원칙적으로 광 전송 장비를 통해 전송되는 100G 전송 패킷은 OTN 또는 이더넷 형식으로 캡슐화된 모든 유형의 100G 데이터 전송을 빠르게 하기 위한 것이다. 전체적인 트래픽은 대도시, 지역, 장거리 DWDM(dense-wavelength division multiplexing) 네트워크로 분배된다. ITU 연구 팀이 현재 역점을 두고 작업하고 있는 것은 기존의 100G 이더넷 표준인 IEEE 802.3ba를 활용하고 기존의 40G 및 10G 인프라를 통해 100G OTN을 구축하는 것이다. 이렇게 함으로써 더 높은 대역폭 요구를 충족하고, 시스템 복잡성을 감소시키고, 관리해야 하는 파장이 감소하고 전반적인 스펙트럼 밀도가 높아짐으로써 궁극적으로 비용을 절감할 수 있을 것이다. 현재의 100G 이더넷은 통상적으로 40킬로미터로서 100G 전송보다 거리가 짧다. 100G 이더넷과 100G 전송은 둘 다 더 낮은 비용으로 더 높은 성능을 가능하게 하는 더 신속한 연결성을 달성하기 위한 방안을 모색하고 있다.
OTN은 네트워킹 기능과 이들 기능을 가능하게 하는 프로토콜 요구로 이루어지며 광 매체를 통해서 체계적인 방식으로 정보를 전송한다. 이 글에서는 광섬유 케이블을 통한 이더넷 페이로드의 전송 및 네트워킹에 대해 살펴보고자 한다. SDH(synchronous digital hierarchy)와 같은 확립된 OTN 메커니즘이 넓은 의미로 여기에 포함될 수 있으나 이 글에서는 LAN over WAN 애플리케이션, 특히 40GbE 및 100GbE 애플리케이션(802.3ba)에 대해 살펴본다. (이 표준 및 워크 플랜을 위해서는 모든 새로운 OTN 기능과 관련 기술을 원격통신 표준화 분야(ITU-T 표준)에 속하는 것으로 간주한다.)
OTN은 일련의 광 네트워크 장비가 광섬유 링크로 연결된 것으로 이루어지며(그림 2참조), Recommendation G.872에서 지정하고 있는 요구에 따라서 클라이언트 신호를 전송하는 광 채널의 전송, 다중화, 루팅, 관리, 감시, 생존성 기능을 제공한다.
OTN의 특이한 점은 특정 클라이언트에 관계 없이(클라이언트 독립성) 어떠한 디지털 신호든 전송할 수 있다는 것이다. Recommendation G.805에서 기술하고 있는 기능 모델링에 따라서 이를 위해서는 그림 3에서 보는 것과 같이 광 채널/클라이언트 적응 시에 특정 서버 프로세스는 포함시키고 특정 클라이언트 프로세스는 제외시키도록 OTN 경계를 지정할 수 있다.
특정한 광 대역폭 채널에 이 유연한 클라이언트 시스템을 구현할 때 FPGA가 중요한 역할을 한다. OTN 구현의 관점에서는 다수의 독립적 포트들의 데이터를 애그리게이트함으로써 요구되는 대역폭을 제공한다. 표 1은 현행 OTN 표준이 지원하는 데이터 레이트를 보여준다. OTU4는 100G 라인 레이트를 추가할 것이다.

이더넷 프레임 전송

현재 이더넷이 사설 및 엔터프라이즈 분야의 주된 LAN 기술이며 공공 전송 네트워크를 통해서는 새로운 멀티프로토콜/멀티서비스 이더넷 서비스가 제공되고 있다. 일련의 IEEE 802 표준으로서 공공 이더넷 서비스 및 프레임 전송 표준 및 구현 안이 ITU-T 및 기타 기관에서 논의되고 있다. 이더넷은 서비스, 네트워크 층, 물리 층의 세 가지 주요 측면에서 설명할 수 있다.

서비스
(서비스 사업자에게) 공공 이더넷 서비스는 각기 다른 서비스 시장, 토폴로지 옵션, 소유 모델을 포함한다. 공공 이더넷 서비스는 채택하는 소유 모델과 토폴로지 타입으로 정의할 수 있다.
토폴로지 옵션은 라인 서비스, LAN 서비스, 액세스 서비스의 3가지 서비스 타입으로 분류할 수 있다. 라인 서비스는 실제적으로 포인트 투 포인트이며 이더넷 사설 및 가상 라인 등과 같은 서비스를 포함한다. LAN 서비스는 멀티포인트 투 멀티포인트로서 가상 LAN 서비스를 포함한다. 액세스 서비스는 hub-and-spoke 특성으로서 단일 ISP/ASP가 다중의 고객을 지원할 수 있게 한다. (공공 네트워크 관점에서 유사성에 의해서 라인 서비스와 액세스 서비스는 근본적으로 동일할 수 있다.)
이들 서비스는 각기 다른 서비스 품질을 제공한다. SDH와 같은 회선 교환 기술은 보장된 비트 레이트를 제공하며 MPLS 등과 같은 패킷 교환 기술은 최선의 트래픽에서부터 보장된 비트 레이트에 이르는 다양한 서비스 품질을 제공할 수 있다. 이더넷 서비스는 이더넷 MAC 층이나 이더넷 물리 층으로 제공될 수 있다.

네트워크 층
이더넷 네트워크 층은 MAC 어드레스로 식별할 수 있는 개별 서비스의 이더넷 엔드 포인트 사이에 이더넷 MAC 프레임의 단대단 전송을 제공한다. 이더넷 MAC 층 서비스는 SDH VC나 OTN ODU 같은 회선 교환 기술을 통해서 또는 MPLS나 RPR 같은 패킷 교환 기술을 통해서 라인, LAN, 액세스 서비스로 제공될 수 있다. 이더넷 LAN 서비스를 위해서는 MAC 프레임을 해당 목적지로 전송하기 위해서 공공 전송 네트워크 내에서 이더넷 MAC 브리징을 수행할 수 있다. 이더넷 MAC 서비스는 IEEE 표준에서 정의하고 있는 물리적 데이터 레이트(10Mbps, 100Mbps, 1Gbps, 10Gbps, 100Gbps)로 한정되지 않으므로 어떠한 비트 레이트나 제공될 수 있다.

물리 층
IEEE는 이더넷에 대해서 특정한 물리 층 데이터 레이트와 일련의 인터페이스 옵션(전기 또는 광)을 지정하였다. 이더넷 물리 층은 투명 GFP 맵핑을 이용해서 공공 전송 네트워크를 통해 투명하게 OTN을 통한 10GbE WAN 신호나 SDH를 통한 1GbE 신호 등과 같은 신호를 전송한다. 이더넷 물리 층 서비스는 포인트 투 포인트 전용이며 항상 표준화된 데이터 레이트이다. 이더넷 MAC 층 서비스에 비해서 덜 유연하나 지연시간이 짧다.

캐리어 등급 이더넷 표준을 이용한 OTN 지원

이더넷은 원래 LAN 환경에 이용하도록 설계되었으나 지금은 백본이나 MAN(metro area network)에 널리 이용되고 있다. 이더넷은 높은 비트 레이트와 원거리 인터페이스, 이더넷 기반 액세스 네트워크, 네트워크 가상화, 확장성, 백본 제공자 브리지, 보호 기술의 신뢰성, QoS 트래픽 제어 및 트래픽 컨디셔닝, 네트워크 사업자의 네트워크를 지원할 수 있는 높은 비트 레이트 등의 다수의 측면에서 향상되었다. 뿐만 아니라 이더넷은 수월하게 멀티포인트 투 멀티포인트 연결성을 달성할 수 있다. 기존의 포인트 투 포인트 전송 기술로 이를 위해서는 n x (n-1) / 2 커넥션을 필요로 한다.
그림 4에서 보듯이 캐리어 이더넷(Carrier Ethernet)은 이더넷을 LAN의 경계를 넘어서서 WAN의 영역으로까지 확장하고자 하며 전체적인 통신 에코시스템을 활용하고자 하는 것이다. 고객들에게 과거에 ATM, 프레임 릴레이, 통신업체의 X.25 서비스가 그랬던 것과 같은 방식으로 사이트들을 연결하는 WAN을 제공하고자 한다. 캐리어 이더넷은 고객들이 데스크와 서버 룸에서 익히 보는 것과 같은 LAN 안의 이더넷이 아니다.
이더넷을 캐리어 이더넷 전송으로 이전하기 시작한 것은 오래지 않았다. 현재로서는 ITU-T가 이더넷 서비스 기반 캐리어 네트워크 시스템을 구축할 수 있는 옵션을 제공하고 있다. ITU-T 권고안에서는 Ethernet over Transport(EoT)에 대해 다루고 있는데 이의 전송은 PDH, SDH, OTN 등과 같은 전통적인 캐리어 기술이다.

OTN을 지원하기 위한 40G/100G 이더넷 아키텍처
IEEE 802.3ba는 40Gbps 및 100Gbps를 위한 표준을 개발하고 있다. 현재의 목표는 다음과 같다:
• 전이중 동작만 지원
• 802.3 MAC 표준을 이용하는 802.3/이더넷 프레임 형식 유지
• 현행 802.3 표준의 최소 및 최대 프레임 크기 유지
• MAC/PLS 서비스 인터페이스 상에서 10-12 이상의 BER 지원
• OTN에 대한 적절한 지원 제공
• 40Gbps의 MAC 데이터 레이트 지원
• 다음으로 40Gbps 동작을 지원하는 물리 층 규격 제공:
   - SMF로 10킬로미터 이상
   - OM3 MMF로 100미터 이상
   - 구리선 케이블 어셈블리로 10미터 이상
   - 백플레인에서 1미터 이상
• 100Gbps의 MAC 데이터 레이트 지원
• 다음으로 100Gbps 동작을 지원하는 물리 층 규격 제공:
   - SMF로 40킬로미터 이상
   - SMF로 10킬로미터 이상
   - OM3 MMF로 100미터 이상
- 구리 케이블 어셈블리를 통해 10미터 이상