비동기 전송 방식

3. 프로토콜 구조

비동기 전송 방식(ATM) 프로토콜은 3개의 평면과 4개의 계층으로 구성된다.^[30] 각 평면과 계층의 역할은 '단계'와 '계층' 하위 섹션에 상세히 설명되어 있다.

ATM은 대기 지연과 패킷 지연 변동(PDV)을 최소화하기 위해 모든 ATM 셀을 동일한 작은 크기로 구성한다. 특히 음성 트래픽 전송 시 PDV 감소가 중요한데, 이는 디지털 음성을 아날로그 오디오 신호로 변환하는 과정이 실시간 컴퓨팅 처리이기 때문이다. 디코더는 균일하게 간격이 지정된 데이터 항목 스트림을 필요로 한다.

ATM 설계 당시 동기식 디지털 계층과 페이로드는 고속 광 네트워크 링크로 간주되었으며, 디지털 네트워크의 많은 비동기식 디지털 계층 링크는 미국에서는 1.544Mbit/s~45Mbit/s, 유럽에서는 2Mbit/s~34Mbit/s로 상당히 느렸다.

155Mbit/s에서 일반적인 전체 길이 1,500바이트 이더넷 프레임을 전송하는 데 77.42μs가 걸린다. 더 낮은 속도인 1.544Mbit/s T1 계열에서는 동일한 패킷을 전송하는 데 최대 7.8ms가 걸린다. 이러한 여러 데이터 패킷에 의해 유발되는 대기 지연은 7.8ms를 여러 배 초과할 수 있는데, 이는 음성 트래픽에는 용납할 수 없는 수준이었다.

ATM 설계는 지터가 낮은 네트워크 인터페이스를 목표로 했다. 셀은 데이터그램 트래픽을 계속 지원하면서 짧은 대기 지연을 제공하기 위해 도입되었다. ATM은 모든 데이터 패킷과 음성 스트림을 48바이트 조각으로 나누고 각 조각에 5바이트 라우팅 헤더를 추가하여 나중에 다시 조립할 수 있도록 했다.

48바이트라는 크기는 기술적인 이유보다는 정치적인 이유로 결정되었다.^[7][8] CCITT(현재 ITU-T)가 ATM을 표준화할 당시, 미국 측은 데이터 전송에 최적화된 더 큰 페이로드와 음성과 같은 실시간 애플리케이션에 최적화된 더 짧은 페이로드 사이의 좋은 절충안으로 64바이트 페이로드를 원했다. 유럽 측은 짧은 크기(4ms의 음성 데이터)가 국내 음성 통화에서 에코 제거가 필요 없도록 32바이트 페이로드를 원했다. 미국은 규모가 크기 때문에 이미 에코 제거기를 널리 배치하고 있었다. 대부분의 유럽 국가들은 결국 미국 측의 주장에 동의했지만, 프랑스와 일부 다른 국가들은 더 짧은 셀 길이를 고수했다.

48바이트는 두 제안 모두의 단점과 크기가 2의 거듭제곱이 아니라는 추가적인 불편함에도 불구하고 절충안으로 선택되었으며,^[9] 5바이트 헤더는 페이로드의 10%가 라우팅 정보에 지불해야 하는 최대 가격이라고 생각되었기 때문에 선택되었다.^[10]

3. 1. 단계

• 관리 평면 (Management Plane) - 망 관리를 담당
• 단계 관리 (Plane Management)
• 계층 관리 (Layer Management)
• 제어 평면 (Control Plane) - 제어 정보를 전송
• 사용자 평면 (User Plane) - 사용자 정보를 전송

3. 2. 계층

ATM 네트워크 참조 모델은 OSI 참조 모델의 하위 세 계층과 대략적으로 일치한다.^[19]

• 물리 네트워크 계층에서 ATM은 OSI 물리 계층과 동등한 계층을 지정한다.
• ATM 2계층은 OSI 데이터 링크 계층과 거의 일치한다.
• OSI 네트워크 계층은 ATM 적응 계층(AAL)으로 구현된다.

4. 셀의 구조

비동기 전송 방식(ATM)의 셀은 총 53바이트로, 5바이트의 헤더와 48바이트의 페이로드로 구성된다.^[29] ATM은 UNI와 NNI 두 가지 셀 포맷을 정의하며, 대부분 UNI 셀 포맷을 사용한다.

각 구성 요소에 대한 자세한 내용은 UNI 셀 구조와 NNI 셀 구조 하위 섹션을 참조하라.

4. 1. UNI 셀 구조

• GFC (Generic Flow Control, 일반 흐름 제어): 4비트 필드로, 초기값은 0000이다. 다양한 ATM 연결의 셀들 간에 다중화 및 흐름 제어를 위해 설계되었으나, 표준화되지 않아 항상 0000으로 설정된다.^[11]
• VPI (가상 경로 식별자, Virtual Path Identifier): UNI에서는 8비트, NNI에서는 12비트이다.
• VCI (가상 채널 식별자, Virtual Channel Identifier): 16비트이다.
• PT (Payload Type, 페이로드 유형): 3비트이다.
• 최상위 비트(MSB): 0이면 사용자 데이터 셀, 1이면 관리 셀이다.
• 사용자 데이터 셀의 경우:
• 비트 2: 명시적 전방 혼잡 표시(EFCI)로, 1이면 네트워크 혼잡 발생을 나타낸다.
• 비트 1 (최하위 비트): AAL5에서 패킷 경계를 나타내는 데 사용되는 ATM 사용자 간(AAU) 비트이다.
• 관리 셀의 경우:
• 다른 두 비트는 네트워크 관리 세그먼트, 네트워크 관리 종단 간, 자원 관리 및 향후 사용을 위해 예약된 유형을 나타낸다.
• CLP (Cell Loss Priority, 셀 손실 우선 순위): 1비트이다.
• HEC (Header Error Control, 헤더 오류 제어): 8비트 CRC(다항식 = X⁸ + X² + X + 1)로, 단일 비트 헤더 오류를 수정하고 다중 비트 헤더 오류를 감지하는 데 사용된다.^{[7][8][9][10]}

4. 2. NNI 셀 구조

5. 서비스 유형

비동기 전송 방식(ATM)은 ATM 적응 계층(AAL)을 통해 다양한 유형의 서비스를 지원한다. 표준화된 AAL로는 AAL1, AAL2, AAL5가 있으며, 드물게 사용되는 AAL3 및 AAL4도 있다.^[12] AAL1은 고정 비트 전송률(CBR) 서비스 및 회선 에뮬레이션에 사용되며, 동기화를 유지한다. AAL2부터 AAL4까지는 가변 비트 전송률(VBR) 서비스에, AAL5는 데이터에 사용된다. 특정 셀에 어떤 AAL이 사용되는지는 셀에 인코딩되지 않으며, 가상 연결별로 종단에서 협상하거나 구성된다.

ATM 네트워크에서 두 사용자가 셀을 전송하려면 연결을 설정해야 하는데, 이를 가상 회선(VC)이라 한다. VC에는 종단에서 관리적으로 생성되는 영구 가상 회선(PVC)과 필요에 따라 생성되는 교환 가상 회선(SVC)이 있다. SVC는 신호에 의해 관리되며, 요청 측에서 수신 측 주소, 요청 서비스 유형, 트래픽 매개변수 등을 지정한다. 이후 네트워크에서 호출 허용을 수행하여 요청된 리소스 및 연결 경로의 사용 가능 여부를 확인한다.

5. 1. 실시간 서비스

5. 2. 비실시간 서비스

6. 가상 회선 (Virtual Circuit)

ATM 네트워크는 두 통신 종단점 간에 연결을 설정하여 작동하며, 이러한 연결을 가상 회선(VC)이라고 부른다. 가상 회선은 PVC (Permanent Virtual Circuit)과 SVC (Switched Virtual Circuit) 두 가지 유형으로 나뉜다.^[13][14][15]

• PVC (Permanent Virtual Circuit, 영구 가상 회선): 네트워크 관리자가 수동으로 설정하며, 항상 연결이 유지된다. 통신이 빈번한 두 지점 간에 사용된다.
• SVC (Switched Virtual Circuit, 스위칭 가상 회선): 통신이 필요할 때마다 동적으로 연결을 설정하고 해제한다. 전화 통화와 같이 필요할 때만 연결이 필요한 경우에 사용된다.

6. 1. 라우팅

7. 트래픽 엔지니어링

대기 지연과 패킷 지연 변동(PDV)을 최소화하기 위해 모든 ATM 셀은 동일한 작은 크기로 구성된다. 특히 음성 트래픽을 전송할 때 PDV 감소가 중요한데, 디지털 음성을 아날로그 오디오 신호로 변환하는 것은 본질적으로 실시간 처리이기 때문이다. 디코더는 균일하게 간격이 지정된 데이터 항목 스트림이 필요하다.

ATM 설계 당시 155 Mbit/s 동기식 디지털 계층과 135 Mbit/s 페이로드는 고속 광 네트워크 링크로 간주되었으며, 디지털 네트워크의 많은 비동기식 디지털 계층 링크는 미국에서는 1.544~45 Mbit/s, 유럽에서는 2~34 Mbit/s로 상당히 느렸다.

155 Mbit/s에서 일반적인 전체 길이 1,500바이트 이더넷 프레임을 전송하는 데 77.42 μs가 걸린다. 더 낮은 속도인 1.544 Mbit/s T1 계열에서는 동일한 패킷을 전송하는 데 최대 7.8밀리초가 걸린다. 이러한 여러 데이터 패킷에 의해 유발되는 대기 지연은 7.8ms를 여러 배 초과할 수 있는데, 이는 음성 트래픽에는 용납할 수 없는 것으로 간주되었다.

ATM 설계는 지터가 낮은 네트워크 인터페이스를 목표로 하였다. 셀은 데이터그램 트래픽을 계속 지원하면서 짧은 대기 지연을 제공하기 위해 도입되었다. ATM은 모든 데이터 패킷과 음성 스트림을 48바이트 조각으로 나누고 각 조각에 5바이트 라우팅 헤더를 추가하여 나중에 다시 조립할 수 있도록 했다. 크기가 1/30로 줄어들면서 셀 경합 지터가 30배만큼 감소했다.

48바이트라는 선택은 기술적인 것이라기보다는 정치적인 것이었다.^[7][8] CCITT(현재 ITU-T)가 ATM을 표준화할 당시 미국 측은 데이터 전송에 최적화된 더 큰 페이로드와 음성과 같은 실시간 애플리케이션에 최적화된 더 짧은 페이로드 사이의 좋은 절충안으로 64바이트 페이로드를 원했다. 유럽 측은 짧은 크기(4ms의 음성 데이터)가 국내 음성 통화에서 에코 제거가 필요 없도록 32바이트 페이로드를 원했다. 미국은 규모가 크기 때문에 이미 에코 제거기를 널리 배치하고 있었다. 대부분의 유럽 국가들은 결국 미국 측의 주장에 동의했지만, 프랑스와 일부 다른 국가들은 더 짧은 셀 길이를 고수했다.

48바이트는 두 제안 모두의 단점과 크기가 2의 거듭제곱이 아니라는 추가적인 불편함에도 불구하고 절충안으로 선택되었다.^[9] 5바이트 헤더는 페이로드의 10%가 라우팅 정보에 지불해야 하는 최대 가격이라고 생각되었기 때문에 선택되었다.^[10]

7. 1. 트래픽 계약

• CBR(Constant Bit Rate, 일정 비트 전송률): 일정한 피크 셀 전송률(PCR)이 지정된다.
• VBR(Variable Bit Rate, 가변 비트 전송률): 특정 수준(PCR)까지 피크에 도달할 수 있는 평균 또는 지속 가능한 셀 전송률(SCR)이 지정되며, 문제가 되기 전에 최대 간격 동안 유지된다. VBR에는 실시간 및 비실시간 변형이 있으며, 버스트성 트래픽에 사용된다. 비실시간은 때때로 vbr-nrt로 약칭된다.
• ABR(Available Bit Rate, 가용 비트 전송률): 최소 보장 전송률이 지정된다.
• UBR(Unspecified Bit Rate, 비지정 비트 전송률): 트래픽은 남은 모든 전송 용량에 할당된다.

7. 2. 트래픽 제어 (Traffic Policing)

7. 3. 트래픽 성형 (Traffic Shaping)

8. ATM의 역사와 현재

ATM은 1990년대에 전화 회사와 많은 컴퓨터 제조업체에서 인기를 얻었다. 그러나 10년이 끝날 무렵에는 인터넷 프로토콜(IP) 기반 제품의 더 나은 가격 대 성능 비가 실시간 및 버스트 네트워크 트래픽 통합을 위해 ATM 기술과 경쟁하고 있었다.^[20] FORE 시스템즈(FORE Systems)와 같은 회사는 ATM 제품에 집중한 반면, 시스코 시스템즈(Cisco Systems)와 같은 다른 대규모 공급업체는 ATM을 옵션으로 제공했다.^[22] 2005년에 이 기술을 홍보해 온 무역 단체인 ATM 포럼(ATM Forum)은 다른 기술을 홍보하는 그룹과 합병되어 결국 브로드밴드 포럼(Broadband Forum)이 되었다.^[24]

컴퓨터 네트워크보다 전기 통신 업계의 기존 기술과 아이디어를 바탕으로 표준화되어 글로벌 통신망부터 사설 LAN까지 통합하고 ATM으로 대체하려는 광범위한 준비가 이루어졌다.

초기 ATM은 차세대 고속망에 적합하게 설계되었으나, 1Mbps 이하의 회선 속도에서는 충분한 이점이 없었을 뿐만 아니라, 512kbps 회선 속도에서는 통신 서비스 품질 자체에 영향을 미칠 정도였다. 초기 국내 ATM 응용 분야는 512k 회선에 32채널 분량의 음성 대역을 확보하는 정도였으며, 본격적인 데이터 통신 용도의 수요와는 거리가 멀었다. 90년대 중반에는 차세대 고속 ISDN(B-ISDN)으로 기대되었으나, 당시 일본 국내 대기업 통신 사업자들은 512kbps에서 충분한 성능을 발휘하지 못하는 제품을 사양에서 제외했기 때문에, 일본 시장을 기대했던 해외 업체들은 힘을 잃게 되었다. 게다가 ATM 스위치가 고가여서 일반 가정에는 보급되지 못했고, ATM 포럼의 사양 제정이 계속 지연되고, 개발 핵심 기술자들이 L3 스위치 업체로 이직하는 등의 문제가 발생했으며, 100BASE-TX의 보급과 1000BASE의 전망이 보이자 ATM 포럼은 일시적으로 붕괴 상태에 빠졌다.

ATM은 차세대 주류가 되지 못하고 제한적으로 사용되었다. ATM의 설계 사상 중 가상 회선 식별자를 사용한 셀 교환은 MPLS로 계승되었고, 범용 2계층 패킷 스위칭 프로토콜로서 라우터를 통한 IP 통신망에서 이용되고 있다.

속도 보장을 내세운 통신사 서비스의 대부분은 ATM 백본(ATM backbone)을 기반으로 한다. ADSL과 같은 DSL에서도 다중화를 위해 널리 사용되고 있으며, 이 분야에서는 실용적인 요구에 잘 부합한다고 할 수 있다. 또한, 속도가 다른 회선을 하나의 물리적 회선으로 다중화할 수 있는 장점을 활용하여 W-CDMA 방식 등의 이동통신 백본에도 사용되고 있다.

9. 무선 또는 모바일 ATM

무선 ATM은 무선 접속망을 갖춘 ATM 코어 네트워크로 구성된다. ATM 셀은 기지국에서 이동 단말기로 전송된다. 이동성 기능은 코어 네트워크의 ATM 스위치 (크로스오버 스위치^[26]라고 함)에서 수행되는데, 이는 GSM 네트워크의 이동전화 교환국과 유사하다.

무선 ATM의 장점은 계층 2에서 수행되는 높은 대역폭과 고속 핸드오프이다. 1990년대 초, 벨 연구소와 NEC 연구소는 이 분야에서 활발하게 연구했다.^[27] 캠브리지대학교 컴퓨터 연구소의 앤디 호퍼도 이 분야에서 연구했다.^[28] 무선 ATM 네트워크의 기술을 표준화하기 위해 무선 ATM 포럼이 구성되었다. 이 포럼은 NEC, 후지쯔, AT&T를 포함한 여러 통신 회사의 지원을 받았다. 모바일 ATM은 GSM 및 WLAN을 뛰어넘는 광대역 모바일 통신을 제공할 수 있는 고속 멀티미디어 통신 기술을 제공하는 것을 목표로 했다.

참조

_[1] 간행물 Telcordia Notes on the Network Telcordia Technologies 2000-10-01
_[2] 서적 The User Network Interface (UNI) Prentice Hall PTR 1995
_[3] 웹사이트 Recommendation I.150, B-ISDN Asynchronous Transfer Mode functional characteristics http://www.itu.int/r[...] ITU
_[4] 서적
_[5] 서적 An Introduction to ATM Networks https://books.google[...] John Wiley & Sons 2001-11-28
_[6] 서적 ATM : Theory and Application McGraw-Hill 1995
_[7] 서적 Proceedings of TriCom '93 1993-04-01
_[8] 서적 STACKS, Interoperability in Today's Computer Networks https://archive.org/[...]
_[9] Class notes CS442 Communications and Networking: Miscellaneous Topics http://cse.uaa.alask[...] University of Alaska
_[10] 기술 보고서 B-ISDN (Broadband Integrated Services Digital Network) http://repositories.[...] Center for Pervasive Communications and Computing, UC Irvine 2011-06-03
_[11] 웹사이트 ATM Cell Structure https://technet.micr[...] 2017-06-13
_[12] 웹사이트 A Brief Overview of ATM: Protocol Layers, LAN Emulation, and Traffic Management https://www.cse.wust[...] 2021-07-21
_[13] 간행물 Guide to ATM Technology https://indigothemes[...] Cisco Systems 2011-06-02
_[14] 간행물 Guide to ATM Technology https://indigothemes[...] Cisco Systems 2011-06-02
_[15] 웹사이트 What is VPI and VCI settings of broadband connections? http://www.techlinei[...] Sujith 2010-07-01
_[16] 간행물 Traffic control and congestion control in B ISDN International Telecommunication Union 2004
_[17] 간행물 Traffic control and congestion control in B ISDN International Telecommunication Union 2004
_[18] 서적 The User Network Interface (UNI) Prentice Hall PTR 1995
_[19] 웹사이트 Guide to ATM Technology for the Catalyst 8540 MSR, Catalyst 8510 MSR, and LightStream 1010 ATM Switch Routers https://www.cisco.co[...] Cisco Systems 2011-07-19
_[20] 뉴스 Netheads vs Bellheads https://www.wired.co[...] 2011-09-24
_[21] 뉴스 Land Rush Reaches the Headend https://archive.org/[...] Cahners 2024-11-30
_[22] 뉴스 What's in store for FORE? https://books.google[...] 2011-09-24
_[23] 뉴스 Optical Ethernet firms brave stormy industry seas https://books.google[...] 2011-09-24
_[24] 웹사이트 About the Broadband Forum: Forum History http://www.broadband[...] 2011-09-24
_[25] 웹사이트 The Wireless ATM Debate https://archive.toda[...] 2013-06-15
_[26] 서적 Wireless ATM and Ad Hoc Networks http://www.barnesand[...] Kluwer Academic Press 1997
_[27] 논문 WATMnet: a prototype wireless ATM system for multimedia personal communication https://www.research[...]
_[28] 웹사이트 Cambridge Mobile ATM work http://www.cl.cam.ac[...] 2013-06-10
_[29] 서적 Data and Computer Communications 7th Edition PEARSON Prentice Hall 2013-04-18
_[30] 서적 Data and Computer Communications 7th Edition PEARSON Prentice Hall 2013-04-18
_[31] 서적 Data and Computer Communications 7th Edition PEARSON Prentice Hall 2013-04-18