IP 기반 Optical Networking

김재근 kimjg@etri.re.kr 교환•전송기술연구소 한국전자통신연구원 IP기반 Optical Networking

목차 • 통신 페러다임의 변화 • IP와 광통신의 결합 • IP기반 전광 네트워킹 • Optical Internet • WDM장비 개발 동향

통신페러다임의 변화 인터넷 관련 통계 데이터(1) • 인터넷 트래픽의 75%가 WWW • 레벨2 도메인 수: 3M (NW July 1998) • 호스트 수: 43.2M (NW January 1999) • IP 국가 : 206 (NW July 1998) • Web Sites : 3M (Jan 1999) • Web Pages : 700M • Worldwide ISPs : 8000 (미국만 4700이상) • 인터넷 트래픽 증가 율: 년간 100 - 1000%

통신페러다임의 변화 인터넷 관련 통계 데이터(2) • 현 인터넷 사용자 수 : 165M (NAU May 1999) • US/CANADA : 90.65M • EUROPE: 40.09M • ASIA/Pacific : 26.9M • LATIN AMERICA : 5.29M • AFRICA : 1.14M • Middle EAST : 0.88M • 2000년 말 인터넷 이용자 : 300M - 1000M • 인터넷 상거래 규모(Source: Forrester Research) • 1999년: 80억불 • 2002년 3270억불 • 2003년 : 18,000 - 32,000억불(전세계 경제의 약 10%)

데이타 와 음성 트래픽의 증가 추이 인터넷 트래픽의 폭발적인 증가(북미) 매 6개월마다 2배씩 증가 : 1998년에 이미 음성을 추월 2001년에 인터넷 트래픽 양은 35Tb/s로 예상(OLDY’98) 망사업자들은 2001년에 인터넷만을 위해서 2.5Gb/s급 ATM, SONET 도입계획 통신페러다임의 변화 R e l a t I v e L o a d Voice의 25배 300 200 Data 100 Voice의 5배 Voice 0 2005 2000 1995 [참고:Lightwave, Apr. 1998]

통신페러다임의 변화 Vint Cerf’s Inversion Today:you go through a Circuit switch to get to a packet switch. Tomorrow:you’ll go through a packet switch to get to a circuit switch. Future Look !

통신 패러다임의 변화 기존망 서비스 기본 서비스 : 전화 부가 서비스 : IP 서비스별 전용망 STM/ATM/PTM 전용망 통신이용요금 전화/데이터 위주의 종량제 전송로의 구성 단일파장 광전송로 전기적인 신호 다중 다양한 광신호 존재 PDH계위 SDH계위 Private Network COST”0” 통신페러다임의 변화 서비스의 IP통합화 IP기반 서비스 IP/ATM통합 체계 정보위주의 정량제 (전화무료) 완전 광통신망 전송로비용의 전송망의 광파장네트워킹

전송망의 진화 방향 통신망 사업자와 데이터망 사업자간 경쟁구도 형성 데이타망: 초고속 IP 기반 광전송방식 마련에 열중 IP Packet Over Fiber, 광기반의 초고속 Ethernet 등 IP Telephony 중점 개발 기존 SDH전송로를 이용한 IP 데이터의 효과적인 수용에 열중 IP Over SDH, IP over ATM 등 기존 공중망에 IP를 수용하기 위한 정합 방식 중점 개발 궁극적으로 “IP Over …. Over WDM over Fiber”로 귀착 Telephony와 데이터의 통합 전송망으로 진화 Circuit 및 Datagram기반 서비스를 동일 망에 동시 제공으로 전개 IP와 ATM간 경쟁 발전 기존 전화망 : ATM/SDH장비에 IP 데이터 수용 기존 데이타망 : 라우터/스위칭 장비에 SDH프래임/WDM 적용 미래 전송망: 음성과 데이터에 투명한 전광 전송망을 지향 IP Telephony WDM based Transparency IP와 광통신의 결합

WDM기반 IP 네트워킹 구조 IP와 광통신의 결합 Applications layer Vocie,Video, data, multimedia... IP switching/ routing layer IPoA ATM HDLC / Simple DataLink IPoS Gigabit Ethernet/ Fiber Channel IPoW Transport layer SDH/Sonet Open optical interface WDM(or Fiber) Optical layer

WDM기반 전송망 계층구조 IP와 광통신의 결합 IP 망 All Optical Network (WDM망) SDH/ATM Network (B-ISDN망) 정 보 (IP over ATM) VP/VC ATM 층 IP 광 경로층 Optical Channel layer (IP over SDH) HDLC / Ethernet/ SDL SDH 경로층 Virtual Container Optical multiplex section layer 데이타링크층 WDM 전송 매체층 전송층 Optical regenerator section layer STM-N (IP over WDM) Physical media layer Regeneration Physical media layer Regeneration Physical media layer G.Ethernet, Fiber Channel (WDM) (SDH-Based)

IP기반 광 네트워킹 신호 (1) Optical SDH/SONET(IP over SDH) 특징 전화서비스 기반으로 강력한 생존성 유지 능력 기존 망으로부터 IP망으로의 점진적인 진화 유도 가능 기존 SDH전송망 관리, 유지보수 체계를 그대로 활용 IP 망과의 차이 IP망은 고유의 흐름제어, 버퍼링, 리라우팅 등으로 자체 분산된 생존성 보유 대칭성의 SDH전송로를 이용, 비대칭성의 IP 데이터 전달에는 한계 존재 Optical ATM(IP over ATM) 특징 IP를 포함하여 다양한 서비스의 통합 전달에 유리 IP의 QoS 통신 및 VPN구성에 유리 IP망과의 차이 패킷SAR, Queing지연, 링크계층복잡도, 루팅망구조에서 ATM이 유리 그러나 40Gb/s급 Wired speed로 IP라우팅되는 현 기술 상황에서는 ATM은 과도한 SVC 설정 시간 동안 데이터의 버퍼링 요구 TCP세션 맵핑 및 작은 SVC대역의 잦은 호제어 부담 --> 결과적으로 인터넷 백본망은 IP over ATM이 테라비트 라우터에 비해서 복잡도, Throughput 에서 뒤진다면 대용량 백본망에서 생존이 어려움 IP와 광통신의 결합

IP기반 광 네트워킹 신호 (2) Optical WDM (IP over WDM) 특징 물리 링크의 Point to Point 대용량 트래픽 연결 전달 IP계층과 물리계층간 정합부 기능의 단순화(SDL, HDLC Like등) 비대칭성의 IP 정보를 효율적으로 전달 전송망 장애시 별도의 망복구 기능 불필요 단점 IP 라우팅에 의한 광파장 선택 접속으로 IP라우터의 부하 과중 기존 전화망과의 친화/수용성 부족 Long houl WDM 시스템의 전송 프래임 형태 광증폭중계의 제한성: 200-300Km 마다 전기적 재생중계 소요 SONET/SDH프래임 기존 SDH망과의 완전한 호환성: 망 OAM, Signalling등 라우터 접속시 SDH로의 SAR수행은 Throughput및 성능저하 원인 새로운 “Fast IP”,“Slim SDH”정의 중: 프래임 크기를 패킷크기로 정합 표준 LAN프래임: Gigabit Ethernet(GE) / Frame Relay(FR) 기존 LAN과의 호환성: 컴퓨터간에 별도의 정합(SAR, 스터핑등)기능 불필요 IP망에서 GE인터페이스는 저가인 반면에 SDH종속신호부는 고가 새로운 GE프래임 정의 중: 오버헤드(현 25%)를 줄인 SDH 유사 동기식 코딩 IP와 광통신의 결합

IPoS프로토콜 구조 PPP Encapsulation PPP in HDLC-like Framing SONET/SDH Frame IP와 광통신의 결합 PPP IP Packet Pad Protocol 1~2 bytes 0~1500bytes HDLC-like Information Adrs CRC Cntl Flag Flag 7E FF 03 2~4bytes 7E STM-N O v e r h e a d Protocol 0~3: Network Layer Protocol 4~7: Low Volume Traaic 8~B: Network Control Protocol C~F: Link Layer Protocol VC-4c Payload

SDL(Simple Data Link) 구조 Lucent Technology사에서 제안한 프로토콜 표준화 기구( IETF, Bellcore, T1X1, OIF) 에서 국제표준으로 추진 중 IP over SDH의 문제점 해결 나쁜 BER환경에 대한 적응성 가변 패킷 길이 확장성 IP over SDH, IP over Fiber에 잘 적응 CRC-16기반 프래임 사용 IP와 광통신의 결합 Packet Length …….. Packet Length Packet……….. CRC-16 Packet SDL 프래임

Fast-IP의 특징 FAST(Framed ATM over SDH/SONET Transport) - IP ATM Forum에 의해 1999년 말까지 규격화 작업 예정 IP기반 서비스를 지원하도록 ATM성능 개선 차원에서 작업 DiffServ(Differentiated Services) 정보를 ATM신호에 맵핑 Guaranteed Frame Rate Service를 포함하여 TM v4.1규격 기 증명된 IP 대비 ATM의 이점을 유지 QoS 보장 VC단위의 보안성과 트래픽 고립 망관리 및 트래픽관리 Bandwidth on Demand 프로토콜 내용 ATM헤더의 4바이트만으로 64K바이트 데이터까지 전송 허락 기존 ATM전송과 완전한 backward compatibility유지 여러 응용을 위해 보다 큰 효율성 제공 IP와 광통신의 결합

OIF(Optical Interworking Forum)의 연구방향 Optical Interworking을 위한 Open Forum 장치공급자, 장치사용자, 서비스사업자 등으로 구성된 국제민간 표준단체 여타 국제표준기관/단체(ITU-T, ANSI, ATM Forum등)와 표준화 협력 임무 광연동망(Optical internetworks)의 구조 모델 데이터망과 광통신장치간 인터페이스 망보호 및 복구 광연동망의 OAM&P 시스템 레벨 물리접속 규격 초기 임무 SONET/SDH프래임을 통한 IP전달(POS: Pack over SDH) 155M, 622M, 2.5G, 10Gb/s 의 POS 규격 국사내 응용을 위한 저가격의 10Gb/s 접속 규격 SONET/SDH 기반 물리계층 규격 현재 망과의 상호 호환성 IETF와 협력을 통한 패킷의 맵핑 IP와 광통신의 결합

IP/Fiber Mapping방식별 비교 IP와 광통신의 결합 IPv4/v6 PPP ATM ATM Ethernet HDLC Like SDL SDH SDH SDH Fiber(WDM) (IPoS) 고정프래임 고정 길이 PTMP운용 기존망활용 (IPoA) ATM Signaling Cell Tax 통일된OAM&P (IPoA over SDH) 현재 운용중 ATM Signalling Cell Tax 분산 OAM&P (PPP over SDH) 현재 운용중 PTP운용 BER에 취약 패킷 확장형 (IPoW) 고정프래임 고정길이 PTP운용 최대전송효율

광 네트워킹 모델(Premises Interface) 광네트워킹 백본망 노드 고속 Premises Interfaces의 수는 WAN의 수 이상이 존재 Data Equipment Optical Bandwidth Management 용량에 따른 효율적인 Premises Interfaces DWDM Transmission To WAN (Wide Area Network)

전광 네트워킹 개념 광네트워킹 기존망 미래 전광망 Network-oriented User-oriented Network with Enhanced flexibility Direct Photonic Connection (Photonic Transport) Multihop Connection (Node-by-Node Electrical processing) Store and forward Non- Storage Passive Node (Wavelength Routing Active Node Network is closed Network is open 광전달노드 전기적인 전달노드

광통신 기반 미래망의 변화 광네트워킹 기존망 미래 전광망 Photonic Transport Router Photonic Transport Router Edge Network IP ATM Core Network SDH PDH Backbone IP Router SDH ATM Simple & high Quality Network - Large Throughput - Minimum Delay - Optical Layer Restoration - Carrying Different Signal Formats

WDM 네트워킹 요소 단일모드 광섬유 의 Spectral Window 1550nm대 : EDFA 증폭에 의한 장거리 전송 1310nm대 : 전기적 중계전송(Metropolitan, Campus망) 850nm 대 : 전기적 중계전송 (Metropolitan, Campus망) 1550nm 파장대의 광섬유 DSF(Dispersion Shifted Fiber) NDSF(No Dispersion - ; SMF) NZDSF(Non-Zero DSF) Laser 극히 좁은 파장대에서 안정된 동작을 하는 고성능 레이져 매우 높은 온도 안정성을 갖는 레이져 외부변조기를 이용한 신호변조 광 필터를 이용한 Out band 간섭 신호 제거 광증폭기 EDFA: C-band(1530-1560nm), L-band(1570-1600nm) Tellulite / Flouride: 광대역성이나 온.습도 및 광섬유 접속에 문제 존재 광네트워킹

WDM 네트워킹 망 요소 OADM OXC 광중계기 광네트워킹 WDM WDM Add/Drop SW DeMUX MUX Ramdas WDM WDM Optical SW DeMUX MUX Add-Drop Ramdas 3R (전기 신호) 광/전 변환 (전치증폭) WDM 전/광 변환 (전력증폭) WDM ( )은 광증폭중계기

광네트워킹 형상(2000년대 초) 광네트워킹 OADM IPoW STM/SDH 미래광신호 Terabit Router MPLS SW Optical Packet SW Access Network 현재 광신호 SDH MUX Router Access Network ATM SW Leased Line Optical Networking GE/FC ATM/SDH OXC OXC IPoS IPoS • Add-drop • Routing • Switching IPOA ATM Any Type Optical OADM : Open Optical Interface IPoW: IP over WDM IPoS: IP over SDH IPoA: IP over ATM G.E.: Gigabit Ethernet FC: Fiber Channel

Optical Internet 전현적인 광 인터넷(Optical Internet)의 구성(예1) • 광 인터넷이란 ? 고성능 네트웍 라우터에 접속된 광섬유 상의 임의의 광파장에 네트웍 링크 계층이 전용으로 연결되는 인터넷 • 광 인터넷의 기본 구조(예) • 고밀도 WDM을 이용, 고성능 라우터에 개별 파장으로 직접 접속 • 인터넷 트래픽과 밀접한 정합을 통해 직접 트래픽 엔지니어링 가능 • 인터넷 트래픽의 비대칭성과 기존 전화망 트래픽의 신뢰도 고려 전통적인 SDH장치 전통적인 SDH장치(전화) Working Line 기존 전화 트래픽 우선순위가 높으며 1:1 절체 가능토록 구성 WDM WDM 라우터(인터넷) 3 x STM-N TX 2 x STM-N RX Protection Line 우선순위가 낮은 트래픽 광섬유절단시 데이터 버퍼링, 패킷 손실 비대칭형 파장할당 할당파장 가변

Optical Internet 전형적인 광인터넷 (Optical Internet)노드(예) • 통신망 사업자의 전통적인 SDH서비스를 지원하면서 • 2개의 라우터를 적용하여 • 라우터 A: 보호 광링크상의 “By pass”, “Cut thru”용 단방향 데이타링크 종단 • 라우터 B: 전통적인 “Hop by hop”라우팅 및 자국 가입자 서비스 제공 WDM MUX 기존전화망루트 DCS Working Fiber Working Fiber Router To Local GigaPOP (ATM, SDH, WDM) To Local GigaPOP (ATM, SDH, WDM) WDM MUX Transponder Rege- nerator Protection Fiber Protection Fiber 비대칭파장 통과루트

광인터넷(Optical Internet) 구성(예 2) Packet over SDH 물리적인 메쉬연결 PTP연결 높은 상호 연결 이상적인 high-fill low-mesh연결 다수 라우터간 접속 다수 링크간 트래픽분산 Ethernet over SDH 비연결성 네트워킹 분산 공유 통신 이더넷 인터페이스 망자원 공유를기반으로 하는 트래픽 고유 full-mesh연결 대역확장 및 공유 Optical Internet Layer 3 Router Layer 2 IPoS Layer 1 SDH-ADM Packet over SDH Ethernet over SDH Layer 3 Router Layer 2 EoS Layer 1 SDH-ADM

광인터넷(Optical Internet) 구성(예 3) OXC OXC OXC OXC OXC OXC OADM OADM OADM OADM OADM Optical Internet DWDM Mesh National Network To Commercial Internet(ISP) IP or ATM Switch IP over ATM Regeional Network ADM HDWDM Ring SDHRing WDM Ring ADM IP over WDM IP over SDH PSTN Network Gigabit Ethernet Switch GigaPOP Router

역할: OXC(Optical Cross-Connect) 유연하고 단순화된 테라급 전달망 구성 지향 백본망은 2010년에 수십 개 노드에 총 162T급 트래픽 예상 Optical dynamic routing 을 통한 유연성 높은 전송망 구성 파장 단위의 유연한 전송대역 할당 및 전송망 재배치 파장 단위의 점대 다지점 전송(Optical full Mesh) 망 장애시 파장단위의 자동우회로 (Optical SHM) 구성 광 링크 종류에 무관한 투명한 접속 및 전달로 구성 PDH, SDH, ATM 기반의 기존 광 링크 수용 IPoW, IPoS, IPoA, Gigabit Ethernet등 IP망 광 링크 수용 User/Private 망 등의 광 링크 수용 Photonic Network의 One Point 종합관리 지향 파장 단위의 전용선 관리 전광전송망의 통합운용관리 기존 전기적 DXC장치의 대역처리 한계 극복 전송대역 급증에 부응할 수 있는 OXC 도입 Optical Internet

역할: OADM(Optical Add-Drop Mux) 2000년대 초반 수백Giga~수Tera 급 지역 전송망의 핵심장치 지역내 백본망의 총 트래픽은 ‘05년에 2T, ‘10년에 16.2Tb/s급 예상 지역내 노드당 총 전송양은 ‘05년에 200G, ‘10년에 1.5Tb/s급 구축 예상 지역간 노드당 총전송양은 ‘05년에 3.2T, ‘10년에 24.5Tb/s급 구축 예상 전송로는 지역내 30개 노드, 지역간 20개 노드를 상호 연결 예상 지역내: 10 노드단위의 자기치유 링 (3 Mnlti-ring) 구조 지역간: 5 노드 단위의 메쉬망 (4 Multi-mesh) 구조 이때 전송링크의 전송 속도는 안전율 3, 액세스율 0.5 가정 하에서 지역내: ‘05년에 200G x 10 = 2 Tb/s급 링형 전송로 필요 지역간: ‘10년에 24.5T / 5 = 4.9Tb/s 점대점 전송로 필요 다양한 Intra/Inter - Backbone Network 구성 점대점 전송로: WDM단국 점대 다지점 전송로: WDM-ring, WDM-linear, SDH-ring 초고속, 고 신뢰도, 저가의 백본 간선망 구축 저렴성, 투명성, 유연성 높은 Optical multi-drop 망 망장애시 실뢰성 높은 실시간 복구망(Optical SHR) Optical Internet

OADM Lucent: OLS-400G, 10G 40채널, 2.5G 80채널급, Wavewrapper채용, ‘99말 상용 Corvis: 400G-DWDM, 2.5G 160채널, 10G 40채널, 3,200Km 광증폭중계 능력 Hitachi: AMN-6100, 10G 32채널(320G급), 상용 Pirelli: WaveMux: SMF, DSF, LSF, LEAF, TrueWave+ 상에서 500Km 전송시험 Pirelli & AT&T Labs: 40G 4채널(160G급)의 75Km SMF전송 데모, 10G 32채널(320G)의 375Km 전송시험 중 Nortel: 160G-DWDM, 10G 160채널(1.6Tb/s급), 2000년 상용화 Bell Labs: WaveStar-40G, 40G 40채널(1.6T급), TrueWave RS OF, 분산 라만증폭, Prototype 단계 Ciena: 2T-WDM, 10G 200채널(2.5G, 622M 혼용 가능), 2000년 개발 OXC Alcatel: 1650 OXC, Optical Gateway Manager, 파장전용선관리, 2000년 개발 전광파장변환기 적용 4x4 OXC 실험모델 데모단계(Supercomm’99) Nortel: OPTera Connect DX, 9212 STS-1(500G), OPTera Connect HDX: 10G - 40G Wavelength 서비스, 2000년 개발 Tellium: Aurora-512 OXC, 2.5G x 512채널 (1.28Tb/s급), 현장시험 ASARTE & TI: 72 x 72 OXC 상용, MEMS(Micro Electromechanical System) WDM 시스템 개발 현황(‘99.6.현재)

IP 기반 Optical Networking