ATM 교환기

<기출문제>

1. 개요

2. 기술적 특성

3. ATM 교환기원리, 회선교환기 및 패킷교환기 비교

 

<Background>

 ISDN

1. 배경

  - 전화는 단순히 음성전달만으로도 그 역할은 충분했지만 이제는 영상과 음향, 데이터, 문자까지 멀티적인 모습을 요구한다.

  - 이러한 정보들은 PSTN(공중전화통신망), CSDN(고속회선 교환망), PSDN(공중DATA통신망), TELEX망, FAX전용망으로 해결이 가능하다.

  - 하지만 이러한 서로 다른 형태의 서비를 이용을 하려면 각기 다른 회선이 필요하기 때문에 비효율적일 수 밖에 없다.
  - 이러한 개별망을 이용한 정보전송을 하나의 네트웍을 통하여 끝에서 끝까지 모두 디지탈로 전송할 수 있도록 하자는 생각이 바로 ISDN(종합정보통신망, Intergrated Services Digital Network) 이다. 즉, 교환기와 전송로 모두를 끝에서 끝까지 디지털화하여 종합서비스를 제공하는 셈이다

  - 다른 매체는 물론, 평범한 구리전화선 위에서도 디지털 전송을 할 수 있게 하기 위한 일련의 CCITT/ITU 표준

http://blog.daum.net/jamesan2020/15698984

 

http://rabbit3000.tistory.com/m/post/1141

 

 

 

2. ISDN의 물리적 구성

  - ISDN의 장치 구성을 보면, 크게 LE(Local Exchange), NT(Network Terminal), TA(Terminal Adapter), TE(Terminal Equipment)의 4가지의 기능장치로 구성됨

  - R point는 TE2/TA사이, S point는 TE1/NT2 사이, T point는 NT2/NT1사이, U point는 NT1/LE사이의 프로토콜을 의미한다

 

   - 물리적 채널 속의 논리적 채널: 물리적으로는 한 선로이지만, 논리적으로는 내부에 여러 갈래의 선로로 다시 나누어져 있음

        B: 음성 및 데이터를 전송하는 주 채널로서 64kbps의 기본 속도를 가지고 있다

        H: 고속데이터 전송을 목적으로 하는 채널로서 384kbps 이상의 속도를 가짐

        D: B/H 채널의 제어 및 전체적인 제어신호를 가진 논리적 채널

   - 이러한 논리적 채널은 하나의 물리적 회선속에 존재하며, 물리적으로 프레임속의 일정한 공간을 차지함으로써 구분되어짐(TDM 방식) 

 

 

3. ISDN 서비스

  - ISDN에는 두 종류의 서비스가 있는데, 가정이나 소규모회사에는 BRI (Basic Rate Interface)가, 많은 사용자를 위해서는 PRI (Primary Rate Interface) 서비스가 적합하다.

  - 두 종류 모두 여러 개의 B 채널과 한 개의 D 채널을 포함한다.

  - B 채널에는 데이터, 음성 및 기타 다른 서비스를 전송할 수 있으며, D 채널은 제어 및 신호정보를 전송한다.

 

 가. BRI(Basic Rate Interface) 

    - BRI는 64 Kbps 속도를 내는 2개의 B 채널과, 16 Kbps 속도를 내는 1개의 D 채널로 구성된다.

    - 그러므로, BRI 사용자는 최고 속도 128 Kbps까지의 서비스를 받을 수 있다.

    - 가정에 공급하기 위한 서비스  

 

  나. PRI(Primary Rate Interface)

     - 사용자에게 n개의 64 kbps B 채널과 1개의 64kbps D 채널을 제공하는 interface

     - 미국의 경우에는 23개의 B 채널과 64 Kbps 속도를 내는 한 개의 D 채널로 구성

     - 유럽의 경우에는 30개의 B 채널과 1 개의 D 채널로 구성된다

     - LE 사이의 전송방식 또는 대규모 데이터 전송을 필요로 하는 곳

 

 

   ADSL과 ISDN의 스펙트럼 충돌

http://www.pcwize.com/tech/telecommunications/adslxdsl.shtml

 

 

4. 광대역 종합정보통신망(Broadband ISDN)

  - ISDN은 기존의 전화선을 그대로 이용하는 N-ISDN과 광 통신망을 이용하는 B-ISDN으로 구분

  - 광대역 종합정보통신망으로 현재의 종합정보통신망(ISDN:integrated services digital networks)보다 훨씬 고도의 광범위 서비스가 가능하다.

  - 기존의 ISDN은 동선을 사용한 64kbps를 기본으로 한 통신망으로서, 광섬유에서도 최대 1.5M~2Mbps까지의 정보밖에 전송할 수 없다.

  - 그러나 TV 화상을 전송하는 데에는 수 10Mbps 정도가 필요하다.또한 구내의 LAN에서 사용되는 10Mbps의 이더넷(Ethernet) 또는 100bps의 FDDI(Fiber Distributed Data Interface)의 LAN간 상호 접속을 위해서는 100Mbps 이상의 전송속도에서도 사용할 수 있는 ISDN이 필요하다.

  - 이와 같은 TV 전송이나 LAN간 상호접속, 영상을 포함한 멀티미디어 통신 등에는 현재의 ISDN보다 10배 이상의 고속 전송이 가능한 ISDN이 필요하다. 이것이 바로 Broadband ISDN이다.

  - 광대역 종합정보통신망의 정보 전달방식은 회선전달방식과 패킷전달방식을 통합한 비동기식 전달방식(ATM:Asynchronous Transfer Mode)으로써 150Mbps부터 600Mbps의 초고속 대용량 데이터의 디지털전송이 가능해 영상통신, 멀티미디어 통신 등을 할 수 있게 한다

 

5. ADSL의 등장

  - 98년 ADSL이 나오기 전까지 ISDN은 21세기 정보강국을 향한 계획중 가장 중요한 핵심

  - 그렇지만, ADSL의 등장과 함께 가속화된 인터넷 열풍으로 ISDN은 그만 피기도 전에 사그라 들고 맘

  - 그럼에도 불구하고 이 서비스를 짚고 넘어가는 이유는 그 중간 단계에서 남긴 파생 기술(ATM같은)과 개념들이 여전히 인터넷이라는 것에 지대한 영향을 끼쳤기 때문

 

    

 

 

1. 지금까지의 교환 방식의 단점

2. ATM이란?

3. ATM Packet 또는 Cell 구조

4. ATM 계층 구조

  4.1 ATM Adaption Layer

  4.2 ATM Layer

  4.3 물리계층

5. ATM 통신방식의 특징

6. ATM 교환방식과 타 교환방식과의 비교

  6.1 회선 교환과 ATM의 차이

  6.2 패킷 교환과 ATM 의 차이

  6.3 Frame-Relay 와 ATM 의 차이

  6.4 ATM과 STM 방식과의 비교

 

1. 지금까지의 교환 방식의 단점

  가. 회선 교환 방식의 특징 (예: 전화망)

     - 가장 고전적인 회선 교환 방식은 회선 접속 후 정보량이 많든 적든 간에 고정적인 속도에 의해 전송 하므로 연속성이나 실시간이 요구 되는 음성통신에 알맞은 방식이나 한번 점유된 노드의 전송이 끝나기 전에는 다른 노드의 접속이 불가능한 단점 즉, 회선 효율성이 떨어지는 문제가 제기된다.

  나. 패킷 교환 방식의 특징 (예 : X.25 )

     - 패킷 교환 방식은 회선의 효율성을 강조 하기 위해 회선이 비기를 기다리지 않고 정보를 적당한 데이터 크기로 잘라 헤더에 수신처 주소,제어정보를 추가해서 전송 한다.

     - 각 PACKET마다 Destination을 지정해서 송신 하기 때문에 다중 전송이 가능해 졌지만 이경우 각 Packet은 교환기의 Software에 의해 처리 되기 때문에 상당량이 Buffer에 머물러야 하는 Delay Time문제 또한 데이터 폭주시 전송 시간의 변동이 커지는 것들이 문제로 제기 된다.

     - 패킷의 크기는 128~4096 Byte 범위의 유연성을 가져 정보의 속성에 따라 임의로 설정 할수 있는 장점이 있다.

 

The telecommunications companies are investigating fiber optic cross country and cross oceanic links with Gigabit/sec speeds, and would like to carry in an integrated way, both real time traffic such as voice and hi-res video which can tolerate some loss but not delay, as well as non real time traffic such as computer data and file transfer which may tolerate some delay but not loss. The problem with carrying these different characteristics of traffic on the same medium in an integrated fashion is that the peak bandwidth requirement of these traffic sources may be quite high as in high-res full motion video, but the duration for which the data is actually transmitted may be quite small. In other words, the data comes in bursts and must be transmitted at the peak rate of the burst, but the average arrival time between bursts may be quite large and randomly distributed. For such bursty connections, it would be a considerable waste of bandwidth to reserve them a bucket at their peak bandwidth rate for all times, when on the average only 1 in 10 bucket may actually carry the data. It would be nice if that bucket could be reused for another pending connection. And thus using STM mode of transfer becomes inefficient as the peak bandwidth of the link, peak transfer rate of the traffic, and overall burstiness of the traffic expressed as a ratio of peak/average, all go up. In the judgement of the industry pundits, this is definitely the indicated trend for multimedia integrated telecommunications and data communications demands of global economies in the late 90's and early 21st century

 

2. ATM이란?

  - 회선교환의 실시간성 및 패킷교환의 유연성을 통합시킨 연결지향적 패킷교환 복합기술

  - ATM 은 패켓교환 방식 처럼 패킷(셀)을 사용 하지만 그 길이가 53 Byte (48byte 테이터 + 5 byte 헤더)로 고정 되어 있다

  - 또한 회선 교환 방식 처럼 통신 경로,타임 슬롯 (VC,VP)의 원리를 이용하여 하드웨어에 의존한 Routing을 수행 한다.

  - 즉, ATM은 회선 교환과 패킷교환의 장점만을 흡수한 방식 이라고 할수 있다.

 

ATM is a packet switching technology where fixed size small packets are switched efficiently.

ATM uses virtual circuits - provides a reliable dedicated path during the whole session of transmission, offering the advantage of circuit switching, i.e. reliable connection, and can guarantee a specific QoS.

ATDM - how ATM does multiplexing.

<참조>

ATM의 역사적 의의

  -  1990년대 네트워킹 방식으로 가장 활발히 연구 발전된 역사적인 기술: ITU-T에서는 ATM 기술을 BISDN의 전송, 교환, 다중화 기술로 채택한 바 있음

  - 현재로는 IP 관련 기술의 발전으로 인해 그 활용 및 역할이 많이 축소되었으나 ATM 관련 기술은 많은 분야(MPLS 등)에서 기반 기술로 채택 적용되었음 

 

3. ATM Packet 또는 Cell 구조

      - 데이터를 53byte의 고정된 크기의 작은 Cell 단위로 전송(Cell 기반 스위칭 기술)

      - GFC(Generic Flow Control): UNI(User to Network Interface) Header에만 사용, Network 트래픽 조절, 4bits

      - PTI(Payload Type Identifier): 정보의 종류 표시, 3bits

      - VPI(Virtual Path Identifier): 경로 식별, 12bits

      - CLP(Cell Loss Prioriy): Cell 폐기 우선순위, 1bit

      - VCI(Virtual Channel Identifier): 채널 식별, 16bits

      - HEC(Header Error Control): 헤더 부분의 오류 검출 정정, 8bits

 

4. ATM 계층 구조

 

 

     - PC로부터 송신된 데이터가 ATM 네트워크에서 어떻게 전송 되는지 대략적 흐름은 다음과 같다 

            송신측 PC → 페킷 데이터 →AAL (ATM Adaptation Layer) → ATM층 → 물리층 →  ATM 교환기 → 수신측 PC

     - 먼저 PC에서 전송된 일반 패킷 데이터는 AAL층을 통과 하며 48 byte씩 으로 분할되고 ATM층에서 5 byte의 헤더가 추가되어 53 byte의 ATM 셀을 형성 하게 된다.또한 물리층 에서는 비어 있는 곳에 이 셀들을 실어  SDH 프레임을 형성한다.

 4.1 ATM Adaption Layer

     - 상위 계층의 사용자 data를 ATM 네트워크게 맞게 변환

     - 데이터를 분리하여 ATM 사용자의 Cell로 분할하고 다시 재조립

     - ATM 네트워크에서 제공할 수 있는 서비스를 클래스별로 분류, 각 class에 따라 최적의 프로토콜을 사용하도록 제안

     - 4개의 Adaption Layer가 정의되어 있음

       가. AAL1

           - CBR(Constant Bit Rate) 제공

           - 연결 지향형 서비스 제공

           - 비압축 영상 또는 음성

       나. AAL2

           - VBR(Variable Bit Rate) 제공

           - 연결 지향형 서비스 제공

           - 압축된 영상 또는 음성

       다. AAL3/4

            - Connection oriented service와 Connectionless service를 제공

            - AAL5에 의해 대체

       라. AAL5

            - 데이터 서비스 제공

 

  4.2 ATM Layer

      - ATM Header 생성 및 추출

      - 주소 지정 기능(Establishment and Release VC)

           ● ATM 네트워크 구조

          NNI: Network-to-network interface (between two switches, inside an ATM network).

          UNI: User-to-network interface (between a user access device and a switch, on the edge of an ATM network).

         ● 전송 경로(Transmission Path, TP): 물리적 연경, 광케이블

         ● 가상 경로(Virtual Path, VP): 2개의 ATM 스위치 사이의 연결, VPI(Virtual Path Identifier, 가상 경로 식별자)는 셀의 다음 목적지인 VP를 표시함  

         ● 가상회선/채널(Virtual Channel/Circuit, VC): 데이터 전송 전에 반드시 VC가 먼저 연결이 되어야 함, VCI(Virtual Circuit Indentifier, 가상 연결 식별자) 셀의 다음 목적지인 VC를 표시함

 

      - ATM Switching(가상 채널(VPI, VCI)을 이용한 스위칭 기술)

http://ironbark.xtelco.com.au/subjects/DC/lectures/21

 

      - 혼합 제어(Congestion control)

  4.3 물리계층

      - 전송 매체의 특성에 맞게 bit를 발생   

 

5. ATM 통신방식의 특징

  가. 셀의 크기가 고정됨으로써 교환이나 다중화 처리가 용이

     - 셀의 크기가 고정되어 있기때문에 하드웨어적으로 빠른 교환이 가능

  나. 기본 전송 모드: STDM(Statistical TDM)

  다. 모든 데이터 전송은 접속 지향형(Connection Oriented)

  라. 트래픽 관리 및 혼잡제어 가능

       - ATM 네트워크에서 제공할 수 있는 서비스를 클래스별로 분류, 각 class에 따라 최적의 프로토콜을 사용하도록 제안

  라. 가상 채널(VPI, VCI)을 이용한 스위칭 기술

  마. ATM을 Cell들을 STM-1/4/16 등으로 다중화시켜서 전송

  바. IP datagram이 작은 cell로 나누어질 때 overhead가 증가하는 단점이 있음

  사. ATM 장비 자체가 고가임

 

 

 

6. ATM 교환방식과 타 교환방식과의 비교

  6.1 회선 교환과 ATM의 차이

      - 회선 교환의 경우 프레임을 미리 설정해 두며 사용되는 타임슬롯 (8 bit)의 위치가 고정적이며 정보량이 적은 경우 빈 타임슬롯을 만드는 경우가 생긴다

      - 또한 프레임 내에서 1,2,3과 같은 정수배의 타임 슬롯은 전송이 가능 하지만0.5,1.5등의 미세한 속도의 가변성을 얻을수 없다.

      - 반면, ATM의 경우 셀을 필요할 때 필요한 만큼 보낼수 있다. 즉,셀 간의 순서가 바뀌더라도 셀 헤더 내의 정보에 의해 자유 자재로 전송이 가능하다.

      - 또한, 전송 속도 에서도 64Kbps,128Kbps등의 정수배의 타임슬롯을 사용하는 것이 아니라 64Kbps,70Kbps등 임의의 속도가 가능할뿐 아니라 송신중에도 그것을 변화 시킬수 있다.

 

  6.2 패킷 교환과 ATM 의 차이

       - ATM은 53byte의 고정 셀을 사용하는 반면 페켓 교환은 패켓 크기가 128~4096 의 가변성을 가지며 ATM은 하드웨어에 의한 Routing을 하지만 패킷 교환은 소프트웨어에 의존 한다.

       - 이 경우 패킷교환은 교환기의 CPU능력에만 의존 하므로 고속 전송에는 적합하지 않다.

       - ATM은 53byte의 셀로 제어를 단순화 하고, HCV(Header Converter)를 통과한 VCI(Virtual Channel Identifier)에 의한 간단한 Routing을 수행 하므로 고속전송이 가능해 진다.

 

http://www.tibs.co.kr/network/5/atm.htm

  6.3 Frame-Relay 와 ATM 의 차이

     - 패킷 교환의 대표적인 프로토콜 X.25 에서는, 각 Switch간의 데이터 전송일 경우 매번 패킷의 순서와 FLOW를 제어한다.

     - Frame-Relay 는 이런 기능들을 END단말에 맡기고 Switch간의 전송오류등 기능의 간략화를 통한 고속전송을 행한다.

     - ATM의 경우 이런 기능들 조차 단말에 맡기고 단지 셀 베이스 에서의 다중,분리등 만을 처리한다.

     - 가능한 한 전송구간 에서의 처리를 생략 함으로써 초고속전송을 실현 하는 것이 목적이다.

  6.4 ATM과 STM 방식과의 비교

      가. ATM(Asynchronous Transfer Mode)

         - 의미있는 정보인지를 인식할 수 있는 셀(Cell)의 단위로 정보를 전송

         - STM과 달리 정보를 비동기적으로 보낸다.

         - 보낼 정보가 없을 경우에는 빈 셀을 보내어 다중화기에서 이를 폐기하고 정보 셀을 삽입통록 한다.

         - 통계적 다중화(STDM)의 결과로 채널 사용 효율이 높다

     나. STM(Synchronous Transfer Mode)

         - 채널들을 묶어 프레임화하며, 프레임은 주기적으로 계속 반복된다

         - 각 채널은 프레임 내에서 같은 위치에서 반복된다.

         - 정보 발생 유무에 관계없이 계속 타임 슬롯이 나타나므로 채널의 사용효율이 저하되고 타입 슬롯에 낭비를 가져온다

http://lily.mmu.ac.kr/lecture/03it/report/ATM/ATM.htm

https://archive.icann.org/en/tlds/biz5/03_D13_1/03_D131.HTML

 

 

http://www.inrialpes.fr/planete/people/elsayed/msc/ch2.pdf

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

http://www.tibs.co.kr/network/5/atm.htm

http://telem.openu.ac.il/students/courses/c20398/atmproj/home.htm#What is ATM

http://www.inrialpes.fr/planete/people/elsayed/msc/ch2.pdf

http://ironbark.xtelco.com.au/subjects/DC/lectures/21/

http://rabbit3000.tistory.com/m/post/1141