광전송 네트워크의 이해

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[통신]

2018. 5. 11.


광전송 네트워크의 이해


광 통신이란 빛의 파장을 이용해 정보를 전송하고 교환하는 기술을 말한다.

때문에 광 네트워킹에 대한 이야기는 그 시작을 어디부터 해야 할 것인지 고민스럽다.

가장 기반이 되는 광원부터 광섬유의 동작 원리부터, 다양한 유형의 광소자 기술, 빛의 반사와 굴절,

광 케이블의 구조, LED, 레이저 등 상당히 많은 기초적인 지식이 필요하다.

이 같은 내용은 보다 전문적인 이론서에 맡기기로 하고,기본적인 광전송 장비와 화두가 되고 있는

기술 중심으로 풀어나가도록 하겠다.



광 네트워킹은 코퍼(copper) 중심의 네트워크 환경과 비교할 때 속도, 용량, 지원 거리 면에서 놀랄만한 혁신을 가져다줬다. 광 네트워크의 속도를 나타내는 단위로 OC를 들 수 있는데, 현재 가장 높은 단위는 OC-768로 40Gbps의 속도를 지원한다(표 1).




뒤에 나오겠지만 DWDM을 사용할 경우 하나의 파이버에서 1.6Tbps의 속도까지도 지원하니,

이 정도면 광 네트워킹에 있어서 속도의 한계는 무너졌다고 할 수 있을 것이다.


광 네트워킹이 이뤄지려면 대체로 신호-> 광변조-> 광증폭-> 광다중 -> 광검파 -> 신호의 단계를 거친다(그림 1).





WDM·OADM·증폭기

몇 가지 중요한 기술 요소를 살펴보면 가장 먼저 전기 장치와 광 장치 모두에 사용되는 멀티플렉싱을 들 수 있다. 흔히 MUX라고 부르기도 하는 기술이다. 멀티플렉싱 기법에는 3가지 방식이 나열되는데, 하나가 TDM이며, 다른 하나는 전자 장비에서 사용되는 FDM(Frequency Division Multiplexing), 그리고 광 네트워킹에서만 사용되는 WDM(Wavelength Division Multiplexing)을 들 수 있다. TDM과 FDM은 모두 전자와 광 네트워킹 모두에서 사용되지만 WDM은 광 장치에서만 사용된다.


WDM은 사용되는 신호(빛)의 파장을 분할하는 장치로, 예를 들면 1550nm 파장으로부터 1300nm 파장을 분리하고, 2개의 별도 신호를 각각 다른 파장대로 입력시켜 1개의 채널, 즉 광섬유 케이블을 통해 전송하고, 다시 통합된 이 신호를 받아 WDM을 통해 2개의 신호로 나눠 감지하도록 한다.
ADM(Add/drop Multiplexing)은 광 전송시 특정 노드에 필요한 데이터를 떨어뜨리고, 다시 남은 데이터를 결합시켜 이동하는 방식으로 필요한 광 신호를 추출한다(그림 2). DWDM에서 OADM(Optical Add/drop Multiplexing)은 비용과 안정성면에서 효과가 높기 때문에 매우 많이 사용되는 기술인데, OADM은 올 옵티컬 버전의 ADM으로, 이는 옵티컬 파장만을 애드/드롭한다. 이는 광으로부터 전자 신호를 변환하는 역할을 하지 않는다.




가장 많이 사용되는 아키텍처 SONET/SDH

현재 광전송 아키텍처로 가장 많이 사용되는 것은 SONET/SDH와 DWDM이다. SONET(Synchronous Optical Network)은 미국 RBOC의 공동 연구기관인 벨코어가 제안해 북미 표준이 된 디지털 전송 조직으로, 52Mbps를 기본단위로 n배(n=3,12...)의 속도를 제공한다. SONET은 북미식, SDH는 유럽식 표준으로 구분돼 있기는 하지만 두 표준은 세부적인 부분에서만 약간 차이가 있을뿐 거의 동일한 방식이기 때문에 함께 묶어서 SONET/SDH라고 표기하기도 한다.


하 지만 속도의 단위를 표기하는 방법은 각각 차이가 있는데, SONET은 광섬유 상에 디지털 신호를 전송하는 속도를 기준 속도의 배수로 표현한다. 기준 속도인 OC-1은 51.84Mbps이며, OC-2는 기준 속도의 두 배, OC-3는 기준 속도의 세 배가 된다.
SDH는 E1, T1, DS3 및 기타 저속 신호를 고속의 STM-N(N=1,4,16,64,256) 광신호로 TDM(Time Division Multiplex)을 기본으로 다중화해 전송한다. SDH는 북미의 표준인 SONET을 바탕으로 한 ITU-T 표준이다.


SONET은 이중 링 구성을 기본으로 한다(그림 3). 링을 구성하는 방법은 크게 두 가지인데, UPSR(Unidirectional Path-Switched Rings)와 BLSR(Bidirecional Line Switched Rings)다.


대략적으로 설명하자면 UPSR(Unidirection Path Switched Protect)는 두 노드 사이에 하나 이상의 경로(n개>1)를 설정해주고, 한쪽(Working)을 사용하다가 장애가 발생하면 다른 쪽(Protect)으로 바꿔주는 기능을 말한다. 즉, 소스(source)에서 두 개의 신호를 생성해 각 경로로 흘려보내고, 도착지(Destination)는 각각을 받아서 최적의 신호를 선택한다. 즉, 두 개의 회선이 똑같이 신호를 전달하고 받아보는 쪽이 그중 하나를 선택하는 것입니다. 이 방식은 절체속도가 빠르고, 받아보는 쪽에서 원하는 신호를 선택해주기만 하면 된다는 장점이 있다. 하지만 단점으로는 두 개의 경로에 동일한 신호가 흐르고 있기 때문에 그리 효율적인 방법은 아니다.


BLSR 는 워킹 상태의 회선으로만 트래픽이 흐르므로 한 회선이 양방향으로 동작한다. BLSR에서 각각의 노드는 회선을 워킹과 프로텍트로 나눠 규정짓고, 동작시킨다. 워킹에 장애가 발생하면 프로텍트가 워킹으로 절체돼 동작한다. 이 방식 역시 장단점이 있는데 우선, 프로텍트 회선에도 트래픽을 실을 수 있다는 점에서 회선 이용이 효율적이다. 반면 회선 절체 시간이 오래 걸리는 단점도 있다.






전송 속도 향상과 효율의 첨병 'DWDM'

WDM은 광 섬유를 이용해 기존의 통신보다 높은 대역폭을 얻기 위한 전송 기술로, 여러 신호를 각각 다른 파장으로 변조해 하나의 파이버를 통해 전송하는 방식이다.


DWDM은 사람의 머리카락보다도 가는 광섬유 한 가닥을 여러 개의 데이터 채널들 또는 파장으로 나눠 한꺼번에 전송할 수 있다. DWDM 용량을 최대한 활용했을 때 광섬유 한 가닥 당 약 100개의 채널이 나온다.


이 를 보다 쉽게 설명하자면, 각각 입력된 신호를 서로 다른 파장을 이용해 동시에 전송하는 것으로, 파장이 다르면 사람의 눈으로 보기에 여러 가지 색(파장)으로 구분돼 보이는 것을 이용하는 것과 같다. 이후 여러 가지 색(파장)으로 된 신호를 하나의 광케이블에 동시에 전송해 수신 쪽에서는 이를 각각의 색으로 분리하는 기술을 이용해 본래의 신호를 전송한다.


DWDM의 구성 요소에는 EDFA(Drbium Doped Fiber Amplifier), AWG(Arrayed Wave guide Grating), OADM(Optical Add/Drop Multiplexers)과 그 외에 여러 광 부품들이 있다.


구 현은 여러 파장을 MUX(AWG)에서 다중화하고, 장거리 전송을 위해 OA(EDFA)에서 광신호를 증폭하며, 일부 특정 파장만 애드/드롭하기 위해 OADM이 놓이게 되며, 또한 선로(광섬유)의 손실을 보상하기 위해 필요한 구간에 리피터(EDFA)를 설치해 광신호를 증폭한다. 이후 수신된 여러 파장을 OA(EDFA)를 통해 증폭한 후 DEMUX(AWG)에서 역 다중화해 수신한다.


여 기서 중요한 요소인 광 증폭기에 대해서만 조금 더 살펴보도록 하자. 광 증폭기는 DWDM뿐 아니라 광 네트워킹에 있어서 기본으로 사용되는 기술인데, 그 종류도 EDFA, 반도체 광 증폭기, 라멘 증폭기 등 다양한다. DWDM에는 EDFA(Erbium Doped Fiber Amplifier)가 사용되는데, 이는 에르븀이라는 특수한 물질을 광섬유에 도핑하고 레이저로 펌핑해 약한 광 신호를 직접 증폭하는 역할을 한다(그림 4). 반도체 레이저 증폭기에 비해 손실이 50dB 미만이며, 빛의 편광 상태와 관계없이 증폭한다. 광섬유와의 접속 손실이 1.5dB 정도로 낮고, 강도 변조 시에 채널 누화가 적다. 고속 신호 전송에도 열화되지 않고 잡음 지수가 이론적 한계인 3dB 정도로 낮다는 장점이 있다. 하지만 펌프 광의 분리가 어렵고, 집적이 쉽지 않은 단점도 있다. 파장의 길이가 1530∼1563nm인 C-대역폭에서 가장 잘 작동하지만, 1570∼1610nm의 L-대역폭에서도 이용할 수 있다.





DWDM의 적용 유형
DWDM의 애플리케이션에는 장거리 전송(Long Haul Transmission)과 시내국간 전송(Metro DWDM)이 있다. DWDM 은 초기에 장거리 구간에서 매력을 보였다. 송수신 광섬유의 채널 수와 광 증폭기를 줄일 수 있으며, 뿐만 아니라 시내 국간 망에 2.5Gbps나 10Gbps 링이 여러개 겹쳐 있는 것을 DWDM을 이용하면 간단하게 정리할 수 있다.


현재 DWDM은 1575-1605nm의 L-밴드 파장대까지 사용해 하나의 광섬유에 10Gbps×160채널 즉 1.6Tbps를 전송하는 장비가 나와있다.
DWDM 네트워크는 버스, 메시, 링 등의 다양한 형태로 구성될 수 있다. 하지만 실제로 구현되고 있는 대부분의 DWDM 네트워크는 링 구조를 사용하고 있다. 링을 사용하는 가장 큰 이유는 이미 많이 사용되고 있는 SONET이나 FDDI(Fiber Distributed Data Interface) 네트워크의 물리적 토폴로지가 링 구조이기 때문이다.


장거리 DWDM 시장의 중요 조건은 용량이다. 이에 따른 주요 적용분야는 장거리 국내 망과 해외 네트워크 연결이며, 네트워크의 중요 두 노드 간의 용량은 테라비트의 용량을 지원해야 한다. 이에 따라 매년 많은 수의 채널이 증대되고 있다.


또한 이에 따른 DWDM 필터, 광 분리기(Optical Isolator), 분산 보상(Dispersion Compensation), 튜너블 레이저(Tunable laser) 등 광 소자들의 기술 발달도 필수적이다.


장거리에서의 종속신호들은 대부분 SDH/SONET, POS 기본의 장비를 연동해 대량의 데이터를 전송하는데 사용되고 있다.
최 근 몇 년 동안 사용자들이 요구하는 대역폭은 거의 100배 이상 증가했고 인터넷 사용자 수는 그 이상 증가했다. 이런 인터넷 트래픽의 증가는 기존 액세스 트렁크 즉 E1, DS-3 등의 대역폭으로는 감당할 수 없어 많은 병목 현상을 초래했다. LAN은 이미 10Mbps에서 1Gbps까지 대역폭을 확장했으며, 통신업체들의 트렁크도 2.5Gbps 또는 10Gbps까지 확장해 놓은 상태다. 하지만 사용자들과 통신업체들을 연결하는 액세스 단의 WAN 구간은 여전히 낮은 대역폭을 이용해 트래픽을 전송하고 있다.


이런 병목현상은 고객들로 하여금 더 높은 대역폭을 요구하게 됐고, 이런 요구사항은 DWDM(Dense Wavelength Division Multiplexing) 기술의 보급과 함께 MAN이라는 새로운 시장을 탄생시켰다. MAN은 일반적으로 수도권을 중심으로 한 네트워크로 정의되며, 거리상으로는 100Km 이내의 네트워크를 의미한다


메트로 시장의 특징은 다음과 같이 몇 가지가 있다. 먼저 고객의 요구가 다양하고 사이트가 장거리 구간에 비해 매우 많다는 것이다. 메트로 네트워크는 기업 고객에게 기간 망과도 같은 의미이므로 이 네트워크에서는 데이터 통신, 기존의 음성통신, TDM, 비디오 그리고 ESCON/ FICON과 같은 매우 다양한 트래픽 타입을 수용할 수 있어야 한다



이더넷 기술과의 접목 'RPR'

RPR는 광 네트워킹 링의 새로운 표준으로 개발되고 있는 네트워크 토폴로지다. 이더넷 기술의 빠른 변화에 따라 발생된 기술로서 MAN과 WAN 애플리케이션 내에서의 패킷 스위칭을 향상시키기 위해 광 네트워킹의 용이한 유동성, 효율성, 신뢰성을 이용한 새로운 MAC 기술이라고 말할 수 있다. RPR는 일반적으로 2계층에 기반을 두고 있으며, 3계층 프로토콜과 어드레스 독립적인(address-independent) 기술이라고 소개할 수 있다.


사용자는 링에 RPR 기술을 사용함으로써 10/100/1000Mbps의 속도로 동작하는 표준 이더넷 UNI(User Network Interface)를 접속할 수 있으며, 이런 인터페이스는 가상 LAN, QoS 기능 등을 제공할 수 있다.


IEEE 802.17 RPR 워킹그룹은 2000년 11월에 결성돼 지난해 표준화 작업을 완성했다. RPR 표준은 시스코 진영의 갠돌프(Gandalf) 드래프트와 노텔 진영의 알라딘(Alladin) 드래프트가 다윈(Darwin) 드래프트로 통합됐다.


그동안 RPR 표준 제정 과정에서 논란이 됐던 부분은 대역폭 관리와 보호(protection) 방식이였는데, 대역폭 관리는 갠돌프 진영의 컨제스천 관리(congestion management)와 알라딘 진영의 컨제스천 회피(congestion avoidance) 두 가지가 모두 다윈 드래프트로 채택됐다.


보호(protection) 구조는 패킷 스티어링(packet steering)이 다윈 드레프트의 기본 사항이고, 패킷 래핑(packet wrapping)이 옵션 사항으로 정해졌다. 패킷 스티어링은 링 상에서 장애가 발생할 때 소스 노드에서 다시 보내는 방법이고, 패킷 래핑은 링 상에서 장애가 발생할 때 반대 방향으로 돌아가는 형태다. RPT는 패킷 스티어링을 채택하고 있다.


다음 시간에는 최신 전송 기술로 도입 여부를 놓고 논란이 계속되고 있는 MSPP와 OXC 등에 대해 알아보고, FTTH 기술로 주목받고 있는 PON과 CWDM에 대해서도 소개한다.



참고 자료
- 온더넷 2001년 5월 광 네트워크의 역할과 미래
- Optical Networks second edition
- Optical Networking A Beginner's Guide
- 정보통신과 네트워크의 이해
- 온더넷 2001년 11월 메트로 WDM의 개념과 전략



http://www.ionthenet.co.kr