KR20020077573A - 레이어3 스위치칩과 인터페이스가 가능한 엠피엘에스모듈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 MPLS(Multi-Protocol Label Switching)이라는 스위칭 프로토콜을 하드웨어로 구현하는 방법에 관한 것으로, VHDL(Very high speed Hardware Description Language)라는 언어를 사용하여 상용 스위치 칩셋에 인터페이스가 가능한 하드웨어 모듈을 구성하며, 아직 표준화가 끝나지 않은 점을 감안하여 차후에도 변경이 가능하도록 FPGA(Field Programmable Gate Array)를 사용하여 구현하는 것에 관한 것이다.

본 발명의 MPLS구현 방법 중에 VHDL를 사용하여 MPLS이라는 스위칭 프로토콜을 하드웨적으로 구현하여 고성능, 빠른 스위칭 속도를 이룰 수 있도록 할 수 있는 장치로써, 상용 스위치 칩셋에 연결하여 레이어3 스위칭과 함께 사용이 가능한 것이 특징이라고 할 수 있다.

Description

레이어3 스위치칩과 인터페이스가 가능한 엠피엘에스 모듈{ MPLS Module interfacing with Layer3 Switch }

MPLS를 레이어3 상용칩셋에 연결이 가능한 하드웨어로 구현하여 레이어3 스위치와 함께 MPLS을 사용하여 보다 빠른고 효율적인 네트웍을 구성하는 장비의 개발에 있다. 만약 MPLS 표준안이 변경되더라도 하드웨어 변경 없이 새로운 표준안을 구현할 수 있다는 것 또한 중요한 목적이다.

< 스위칭 기술 >

1. Layer2 스위칭 기술 :

10BASE-T의 기술이 제정된 1990년경부터 LAN의 보급과 PC 및 워크스테이션의 급속한 보급에 따라 사진, 영상 등 멀티미디어 정보가 급속히 증가하고 있다. 이러한 정보와 접속되는 PC의 증가에 대응하여 기존의 HUB와 매체적으로 다른 'EtherSwitch' 라고 하는 새로운 스위치 기술이 등장하였다.

기존의 10BASE-T는 전화의 교환기와 같은 스타형의 토폴로지였지만 10BASE-T의 HUB에 접속된 모든 PC가 10Mbps를 공유하여 이용하는 매체 공유방식의 LAN이었다. 따라서 어떤 PC가 통신을 시작하면 다른 PC가 통신할 수 없는 상황이 되거나 접속하는 PC 수가 증가함에 따라 대역을 서로 차지하려고 경합하는 현상이 일어나 LAN상에서 통신을 하기 힘들게 되었다. 따라서 EtherSwitch 기술은 사무실에서 이용되고 있는 사설 전화교환기(PBX)처럼 스위치에 의해서 회선을 전용하고 데이터를 교환한다. 이들 기술은 '스위칭 HUB'(이하 스위치)로 새로운 시장을 형성해 여러 밴더가 차례로 참가함으로써 널리 확산되게 되었다.

스위치는 눈부시게 빠른 속도로 기능이 향상되고 있다. 스위치는 데이터 링크 층까지를 갖춘 브리지와 같은 기능을 갖고 있었기 때문에 Layer2 스위치라고도 한다. 스위치 내부에서 연결된 PC나 호스트의 MAC 어드레스를 기억하고 고속으로 회선을 스위치함으로써 어떤 포트에 들어온 프레임을 목적지 포트로만 보내게 된다. 이 기능에 의해 프레임의 충돌을 줄일 수 있어 사용되지 않는 다른 포트 사이에도 병행해서 프레임 교환이 가능하게 된다. 스위치 방식에는 컷스루(Cut-through) 방식과 저장 후 전송(Store-and-Foward) 방식이 있다.

컷스루 방식은 패킷 전체를 받기 전에 MAC 어드레스에 의해 전송하거나 필터링하는 고속 기술로 브릿지나 라우터에서 수행하는 Buffering Process가 생략된다. 대기시간을 최소화하기 위해서 컷스루 스위치는 전체 패킷을 수신하기 전에 각 패킷을 목적 포트에 전송하기 시작한다. 이 스위치 방식은 프레임 전송을 시작하기 전에 수신지 MAC Address를 읽기만 하면 되므로 패킷은 더 빠르게 처리되고, 대기시간은 짧은 패킷과 긴 패킷 모두에서 동일하게 낮은 수준을 유지한다. 이 방법은 전체 패킷이 도착할 때까지 기다렸다가 중계를 하는 저장 후 전송스위치 보다 대기시간을 줄여줄 수 있다. 엄격한 대기시간 기준 하에서 작동하는 컷스루 스위치는 패킷 충돌 및 CRC 에러가 생긴 패킷 등 각종 오류를 점검할 수 없다는 것이 단점이다.

저장 후 전송 방식은 스위치로 들어오는 각 프레임 전부를 버퍼에 저장, 에러점검 및 필터링 테이블을 점검하는 버퍼 기반의 기술이다. 효율성과 안전성을 요구하는 네트워크에서는 저장 후 전송 스위칭이 가장 적합하다. 저장 후 전송 스위치들은 CRC증명, 패킷 필터, 충돌 패킷 필터 등 탁월한 패킷 오류 점검 기능을 제공한다. 또한 수신되는 프레임을 내부 버퍼에 저장하고 전체 프레임이 도착할 때까지 전송을 늦춘다. 그러나 그 결과 이 스위치는 패킷 길이와 동일한 대기시간을 초래하여 성능저하를 가져올 수도 있다. 일단 패킷이 모두 도착하고 CRC점검이 끝나면 목적지 주소로 직접 전송되며, 이 전송 작업은 라우터나 브릿지를 사용할 때보다 더 신속하게 이루어진다.

현재 백본 네트워크에서 운용중인 스위칭 방식은 크게 두 가지로 나눌 수 있다. 그것은 프레임 스위칭(LAN 스위칭)과 셀 스위칭 방식이다. 프레임 스위칭은 사용자가 엔드 스테이션의 소프트웨어, 네트웍 카드(Network Interface Card), 케이블링 등의 투자를 보호하면서 LAN의 성능을 향상하는 효과를 제공한다.

셀 스위칭은 ATM 네트워크 환경에서 사용되는 트래픽 전송 방식으로 확정성과 멀티미디어 애플리케이션을 전송할 수 있는 기능을 담당한다. 이 스위칭 방식은 대부분의 스위치 제품을 통합한 가상 네트워크의 물리적인 토폴로지로부터 네트워크 어드레스를 사용자의 성격에 따라 트래픽의 흐름을 설정할 수 있는 기능을 구현한다.

1.1 LAN 스위칭 :

LAN 스위치들은 라우터 포트를 소모하지 않으며, 새로운 네트웍 카드를 요구하지도 않고, LAN 세그먼트의 성능을 향상시켜 준다. 스위치의 포트가 LAN에 추가되는 대로 전체 스루풋이 증가하며 네트워킹의 성능도 향상된다. LAN 스위치는 일반적으로 프레임 스위치로 알려져 있다. LAN 스위칭은 각 LAN을 스위치에 삽입할 때 목적지 MAC 어드레스가 기존에 인식한 어드레스 목록과 비교해 적절한 포트를 목적지에 전송한다. 그러나 LAN 스위치는 공유 메모리 또는 내부 버스를 통해 패킷을 전송하는 브리지와 달리 고속 스위칭 패브릭을 주변에 만든다. 이에 따라 LAN 스위칭은 낮은 스루풋, 낮은 레이턴시, 포트 당 저렴한 비용을 제공할 수 있다.

공유 허브를 LAN 스위치로 대체하면, LAN을 다중 세그먼트로 나누고 각 세그먼트에 모든 LAN 대역폭을 제공한다. 라우터를 바탕으로 한 세그먼트 작업처럼 스루풋은 스위치 포트에서 사용되며, 배선과 네트웍 카드 등 기존 투자를 보호하고, 애플리케이션과 네트워크 운영체제를 바꾸지 않고도 수행할 수 있다.

1.2 셀 스위칭 :

LAN 스위칭은 네트워크 주변에서 LAN 성능을 향상 시켜 주며, 백본의 혼잡을 완화하는 역할을 수행한다. 그러나 LAN 스위칭은 LAN의 속도와 아키텍처에 따라 제한을 받으며, 멀티미디어 전송에는 제한을 받는다. 하지만 멀티미디어 서비스 품질을 제공하기 위해서는 100Mbps 이상의 속도로 스위칭이 이뤄져야 하며, 고속 스위칭의 한 방법으로 ATM 셀 스위칭이 있다.

셀 스위치는 두 가지 측면에서 LAN 스위치와 다르다. 첫째, 셀 스위치는 프레임이 아니라 셀 트래픽을 전송한다. LAN 스위치의 프레임은 길이가 10 바이트에서 수천 바이트까지 전송이 가능하지만, ATM 셀은 53 바이트의 셀로 구성되어 있다는 점이다. 둘째, LAN 스위치는 프레임 트래픽의 연결성이 없는 반면, ATM 셀은 가상 회로를 통해 셀이 움직인다. 네트워크 상에서 프레임은 서로 분리된 다이어그램이며, 미리 정해진 경로를 보장 받지 못한 상태에서 전송된다. 네트워크 운용에 있어 일반적으로 별도의 대역폭을 요구하거나 서비스 품질(QoS)을 요구하는 워크그룹에서는 ATM LAN을 포함한다.

1.3 Layer2 스위치 내부 구조 :

스위치는 일반 허브가 제공하는 장비와 장비 사이의 단순한 연결과 전체 대역폭을 각각의 장비가 공유해서 대역폭의 분배가 일어나는 것에 반해, 두 개의 포트를 마치 직접 연결한 것과 같은 방식으로 데이터를 전송하여 대역폭 공유로 인한 전송속도의 저하를 막고, 기존의 대역폭을 유지하여 보다 빠른 네트워크 속도를 보장하는 네트워크 장비이다. 이처럼 할당된 대역폭을 네트워크 상의 모든 장비가 공유해 사용하는 일반 허브와는 달리 각각의 장비가 낼 수 있는 최대한의 대역폭을 확보해 주며, 최근 급증하는 네트워크 트래픽을 효율적으로 관리할 수 있는 장비가바로 ''스위치''라 할 수 있다. 또한 스위치는 데이터링크 장비로서 동시에 많은 수의 네트워크 장비 사이에 프레임 교환을 가능하게 해준다.

개념적으로 살펴본다면 스위치는 브리지와 유사하지만 스위치는 포트별 병렬성을 제공해 하나의 포트에서 다른 포트로 동시에 정보를 전송할 수 있는 기능을 제공한다. 브리지와의 차이점으로는 일단 많은 수의 포트를 제공하며, 동시에 수신되는 복수개의 프레임을 처리할 수 있으며, CPU와 탑재된 소프트웨어에 영향을 받는 브리지와는 달리 ASIC(Application Specific Integrated Circuit) 기반으로 하기 때문에 보다 빠른 속도의 스위칭이 가능하다.

Layer2 스위치의 전송 메커니즘을 살펴본다면 다음과 같다.

① 각 수신 프레임의 목적지 주소를 검사

② 주소 매핑 테이블을 참고해서 출력포트를 결정

③ 출력포트가 전송 가능하면, 이 프레임을 전송

그림 1. Layer2 스위치 내부구조

2. Layer3 스위칭 기술 :

현재 많은 이용자가 이용하고 있는 네트워크 시스템은 인터넷/인트라넷의 급속한 발전과 초고속 기가비트 이더넷의 등장과 보급, 나아가 이들을 이용한 새로운 시스템 환경에 의하여 네트워크상의 트래픽이 급속하게 증가하고 있다. 더욱이 멀티미디어 기술의 발전과 함께 네트워크에 대한 서비스 품질의 요구나 멀티캐스트 트래픽 제어 등의 기능이 요구되고 있는 상황이다.

기존에는 급증하는 트래픽을 스위치에 의하여 분산하고 PC나 호스트에 대하여 개별적으로 광대역을 제공하여 효율 좋은 네트워크를 구축하였지만, 인터넷과 같은 광역 네트워크가 되려면 라우터가 제공해 왔던 확장성이나 인텔리전트 기능 등, Layer3 이상의 기능이 필수 불가결하게 되었다. 이들 기능은 라우터를 사용하는 것으로 대응할 수 있지만, 기존의 라우터에서는 소프트웨어 기반으로 처리를 수행하고 있어 트래픽 증가에 따라 라우터에 부하가 걸릴 경우, 많은 패킷에 대한 충분한 처리가 행해지지 않고 라우터의 성능 저하를 초래하게 되는 문제가 있어 시대가 요구하는 고속 라우팅 환경을 실현하는 것이 어렵게 되어 있다.

따라서 라우터를 여러 개 경유함으로써 누적되는 데이터 전송에 대한 지연시간을 가능한 한 단축하고, 급속하게 발전하는 계층 2와 와이어 스피드를 유지하면서 고속으로 Layer3 처리를 수행하는 것을 목적으로 한 Layer3 스위칭 기술이 등장하였다. 이들 Layer3 스위칭의 실현방법은 각 벤더나 표준화 단체에 따라 다양하지만 기본적으로는 패킷별 처리와 컷스루 방식으로 대별된다.

패킷별 처리 방식은 기존의 소프트웨어 기반의 라우팅 처리를 ASIC 칩에 하드웨어화하여 패킷 기반에 의한 고속 라우팅을 실현하고 있다. 이 ASIC의 주요한 역할로는 MAC 어드레스나 라우팅 테이블의 검색 처리, MAC 어드레스의 변경, TTL 값의 감산, 체크섬 등 스위칭이나 라우팅 처리에서 필요한 처리가 포함되어 있다. 또한 ASIC 칩은 스위치 내의 모듈이나 인터페이스에 대하여 여러 개를 분산하여 내장하고 있다는 점에서 기존의 라우터에서 발생하고 있던 공유 CPU나 공유 메모리에 의한 문제를 분산 ASIC 환경에 의하여 개선하고 있다. 또한 각 모듈간을 접속하는 내부 구조도 스위칭 기술을 채택함으로써 기존 라우터의 공유 버스방식에 의한 병목 현상도 해소하고 있다. 이 내부의 스위칭 기술은 공유 메모리 방식, 매트릭스 스위치 방식, 공유 버스방식의 3종류로 대별되지만, 현재는 공유 메모리 방식이 일반적이다. 이상과 같이 패킷의 전송 처리는 그 처리를 ASIC에 의하여 간략화할 수 있지만, ICMP나 라우팅 프로토콜, 스패닝 트리 등의 네트워크 제어에 필요한 프로토콜 처리는 지금까지와 동일한 범용 마이크로프로세서를 사용하여 소프트웨어로 처리한다.

컷스루 방식은 기존의 수신지 네트워크에 도달하기까지 존재하는 복수의 라우터를 경유하는 멀티 홉 환경에 대하여, 복수의 라우터를 경유하지 ??고 직접 데이터를 송신하는 송신측과 수신측과의 사이에 통신용 경로를 확립하고 단일 홉 환경을 실현하는 기술이다. 이 방식에 의하여 네트워크상에서 Layer2의 레벨에서 Layer3 이상의 내용을 해석할 수 있으므로, 기존의 멀티홉형과 같이 경유하는 라우터에서 수행되는 라우팅 처리에 의해 누적되는 지연시간을 큰 폭으로 줄일 수 있게 되었다.

다음 그림의 3계층 스위치는 위에서 언급한 2계층 스위칭의 기본 기능 외에 3 계층 패킷의 전송 처리의 부가기능을 결합한 것이다. 3 계층 스위치의 2가지 주요 기능은 라우트 처리 과정 및 패킷 전송 과정이다. 3 계층 패킷에는 IP, IPX. DECNet, AppleTalk등 여러 가지가 있다. 라우트 처리 과정은 패킷 전송을 위한 모든 라우팅 정보의 갱신 및 경로 설정이다.

그림 2. Layer3 스위치 내부구조

이러한 과정은 보통 3 계층 스위치내의 CPU에 의존하는 소프트웨어에 의해서 처리된다. 이 처리과정을 요약하면 다음과 같다.

① 라우팅 프로토콜 제어 (RIP v1, v2 또는 OSPF 라우팅 프로토콜)

② 라우팅 테이블(표) 갱신 (라우팅 프로토콜에 의해 형성된 라우팅테이블)

③ 3계층 스위칭 데이터베이스 갱신 (3 계층 프레임의 전송을 위한 최종

데이터 베이스)

패킷 전송 과정은 2계층 및 3 계층을 포함한 모든 패킷의 전송에 필요한 과정을 수행한다. 이 기능은 주로 하드웨어에 의해서 처리된다. 이 처리과정을 요약하면 다음과 같다.

① 2 계층 패킷 전송 (2 계층 스위칭)

② 2 계층 패킷 전송을 위해선 2계층의 목적지 MAC 를 사용한다.

③ 3 계층 패킷 전송 (3 계층 라우팅)

④ 3 계층 패킷 전송을 위해선 3계층의 목적지 IP 주소를 사용한다.

⑤ 각 HOP 상에서 목적지/발송지 MAC 주소 변경

⑥ TTL(TIME-TO-LIVE) 값 1 감소

⑦ 3 계층 CHECKSUM 재 계산

IP 패킷 스위칭은 3계층 스위치에서 하나의 IP 패킷이 입력되었을 때 이 패킷을 3계층(여기서는 IP 헤더)까지 분석하여 다음 목적지로 전송한다.

살펴본 바와 같이 3계층의 프레임을 분석하여 목적지에 도달 가능하도록 처리하는 스위치를 3계층 스위치라 부른다. 그리고 이러한 3계층 스위치중에서 3계층 패킷 스위칭을 위한 과정을 하드웨어 CHIP 으로 구현하여 그 속도가 속도가 높은 것을 고속(WIRE SPEED) 3 계층 스위치, 또는 고속 스위치 라우터라고 부른다.

MPLS 기술은 현재 IETF MPLS 워킹 그룹에서 표준화가 진행중인 기술로 고성능, 고기능의 패킷 전송을 실현할 수 있다.

레이블 스위칭 기술을 적용한 라우터(레이블 스위치 라우터)에서는 IP 패킷 흐름에 대하여 고정된 길이의 레이블의 할당과 할당된 고정 길이의 레이블 정보를 사용하여 패킷의 전송처리를 수행한다. 고정된 길이의 레이블로는 데이터링크 헤더 내의 정보를 사용하는 방법과 MAC 헤더와 IP헤더 사이에 Shim 헤더 필드라고 하는 고정된 길이의 레이블을 기입할 수 있는 헤더를 삽입하는 2가지 방식이 있다.

그림 3. MPLS 헤더의 구조

레이블 스위치 기술을 적용하기 위해서는 IP 어드레스 정보를 레이블에 대응시킬 필요가 있고, 이 매핑 정보를 인접 레이블 스위치 라우터끼리 공유할 필요가 있다. 레이블에 대응시키는 IP 패킷 흐름에는 개별 어플리케이션 흐름과 같은 세밀한 흐름에서부터 수신측 네트워크가 같은 패킷 흐름과 같은 집성된 흐름까지 여러 가지 패킷 흐름이 있고 이들 패킷 흐름에 대하여 레이블을 할당할 수 있어야 한다.

레이블 스위치 시스템에서 레이블에 대응하는 패킷 흐름을 FEC(Forwarding Equivalent Class)라고 하며, 특정 레이블 스위치에서 같은 방식으로 처리될 L3 패킷의 집합을 말한다. 각 FEC에 레이블을 할당하여 같은 레이블이 부여된 모든 패킷은 동일하게 처리하도록 하며, FEC를 구분하는 방법은 다양하나 IP 어드레스 프리픽스를 이용하거나 호스트 어드레스를 이용하는 방법이 대표적이다. 또한 레이블스위치 라우터 간에 FEC와 레이블의 매핑을 확보하기 위한 프로토콜이 필요하다. IETF에서는 이것을 레이블 분배 프로토콜(Label Distribute Protocol)라고 한다.

그림 4. FEC (Forwarding Equivalent Class)

LDP에 의하여 레이블과 FEC의 대응이 확립되면 IP 어드레스를 사용하여 패킷 전송을 수행할 필요가 없게 되어, IP 어드레스의 라우팅 테이블을 검색하는 일 없이, 레이블 정보만으로 패킷 전송을 수행할 수 있게 된다. 이 레이블을 사용하여 패킷 전송을 수행할 수 있는 경로를 레이블 스위치 경로(Label Switch Path)라고 한다.

LSP를 확립하는 방법에는 다음의 4가지가 있다.

- 실제 패킷의 도착을 계기로 LSP의 확립을 수행할 것인가의 여부를 요구에 따라 판단한다.

- 라우팅 프로토콜에서 얻은 네트워크의 토폴로지 정보를 근거로 하여 LSP 확립을수행한다.

- RSVP와 같은 자원예약 제어 메시지를 네트워크에 통지하는 패킷 흐름에 대하여 자원 예약 제어 메시지를 사용하여 LSP 확립을 수행한다.

- 네트워크의 양호한 운영을 위해서 특정한 패킷 흐름에 대하여 수동 설정으로 LSP의 설정을 수행한다.

그림 5. LSP 확립 순서

레이블 스위치 기술은 고속/대용량 패킷 처리 기능의 실현 뿐만 아니라 다음의 부가적인 기능을 제공할 수 있다.

가상 사설망(Virtual Private Network) 기능 : LSP 내에서는 각 IP 패킷의 IP 어드레스를 이용하여 패킷의 전송처리를 수행하지 않으므로 LSP를 사용하여 전송되는 IP 패킷 어드레스는 반드시 글로벌 IP 어드레스일 필요가 없다. 따라서 사설 IP 어드레스를 사용한 동일 VPN에 속하는 복수의 사이트를 어드레스 변환 없이 상호 접속하는 것이 가능하다. 일단 사설 IP 어드레스를 사용하여 경로가 설정된 후에는 LSP에 의하여 IP 어드레스를 사용하지 않고 레이블 정보를 사용하여 패킷을 인터넷 상에서 전송할 수 있다.

그림 6. VPN 개요도

통신 품질 제어(Quality of Service) : 레이블 스위치를 적용한 네트워크는 LDP를 적용하는 코어 부분의 코어 라우터와 기존의 네트워크와의 경계에 위치하는 에지 라우터로 구성된다. 에지 라우터는 기존의 레이블 스위치 기술을 적용하지 않은 네트워크와 레이블 스위치 기술을 적용한 네트워크간을 상호 접속하는 경계 라우터가 된다. 이러한 구성은 통신 품질을 제어하는 Differentiated Service의 네트워크 구조와 거의 동일하고 레이블 스위치 기술과 Differentiated Service를 융합함으로써 코어 라우터에서 패킷 전송 스케줄링 처리를 보다 간편화, 대용량화, 고속화할 수 있다.

이러한 기능을 제공하는 레이블 스위치 기술은 현재 소프트웨어로 처리되고 있으며, 레이블 스위칭 기술을 적용한 하드웨어에 의한 고속 처리가 가능한 모듈을 실현할 수 있다면 기존의 소프트웨어에 의한 패킷 처리와 비교하여 고속, 고성능의 대용량 패킷 처리를 가능하게 할 수 있다.

이상과 같은 MPLS 기능을 기본으로 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제는 다음과 같다.

- OSPF와 같은 라우팅 프로토콜과 라우팅 테이블의 인터페이스 :

라우팅 프로토콜 에 의해 구성되는 라우팅 테이블의 효율적인 구성과 빠른 검색.

- 라우팅 테이블과 레이블의 매핑 : 라우팅 프로토콜에 의해 정해진 경로에

대응하는 레이블의 효과적인 할당를 하드웨어적으로 처리.

- 입력 패킷의 구분 : 특정 레이블 스위치에서 같은 방식으로 처리될 L3 패킷의

집합을 구분, 각 FEC에 label을 할당하여 같은 레이블이 부여된 모든 패킷은

동일하게 처리하도록 한다.

IP Address Prefix based

Host Address based

- 레이블 할당 : 특정 데이터 흐름에 대응하여 레이블을 할당

- 레이블 분배 : LSP를 설정하기 위해 인접 레이블 스위치로 레이블을 분배

- 레이블 회수 : 한정된 레이블을 효율적으로 제어하기 위해 사용되지 않는

레이블을 회수

- 레이블 검색 : 동작, 포트, outgoing 레이블 등 각종 정보를 빠르게 추출

- 패킷의 전송 : 레이블 스와핑에 따라 패킷을 다음 레이블 스위치로 전송

- TTL의 감소 : TTL 기능이 없는 LSR을 경유하는 경우에만 감소시키고

MPLS 도메인을 벗어나게 되면 그 값을 IP 헤더로 전달.

- Loop 처리 :

Loop survival: loop를 순환하는 패킷이 소모하는 자원의 한계를 설정

Loop detection: L2계층에서 loop가 형성될 수 있으나 추후 발견하여

루프 제거

Loop prevention: L2 계층에서 loop가 생기지 않도록 예방

- MPLS 모듈의 효율적인 제어를 위한 Register

- Layer 3 스위치와의 안정된 인터페이스:

- Network Switch Interface : Ethernet,

- Management Information Base :

Part of Multi-Protocol Label Switching and

Label Distribution Protocol

- 구현 언어 : VHDL

발명의 구성은 물리적인 부분과 논리적인 부분으로 나눌 수 있다. 물리적으로는 우선 레이어3 스위치 부분과 MPLS모듈 부분으로 나누어 진다. 논리적인 부분은 레이어3 스위치를 통제하는 부분과 MPLS모듈을 관리하는 부분으로 분할 된다.

물리적인 부분에서 레이어3 스위치 부분은 크게 Management부분과 Crossbar부분, Switch부분으로 나뉠 수 있다. Management부분은 Switch 분리할 수 있으며, 각각에 스위치는 메모리을 버퍼 메모리를 가질 수 있다. MPLS 모듈은 FPGA부분, SRAM부분, JTAG부분 등으로 나누어 질 수 있다.

논리적인 부분에서는 레이어3 스위치와 MPLS모듈을 관리하는 부분이 상호 보완적으로 구성되며, 대략적으로 Network Management부분과, Routing Control부분, Traffic Engineering부분, UDP/TCP/IP부분, Label Switching부분으로 나누어 진다.

최근 TCP/IP 기반의 인터넷 프로토콜이 컴퓨터 통신망의 실질적인 표준으로 확고히 자리 잡게 되면서 인터넷은 수천 만 명의 사용자를 연결하는 세계적인 공공 데이터 망으로 성장하였다. 특히 인터넷이 본격적인 상업망으로 전환되기 시작하면서 급격하게 양적인 팽창을 거듭하고 있으며, 더욱이 멀지 않은 미래에 정보 통신 기술과 컴퓨터, 지능형 전자 제품들이 보급됨에 따라서 인터넷의 수요가 폭발적으로 증가될 것으로 예상된다.

또한, 음성 및 비디오와 같은 멀티미디어 서비스와 다양한 실시간 응용 프로그램들의 등장으로 인해 인터넷에서는 서비스의 질적인 향상과 함께 높은 대역폭이 요구된다. 이에 따라 사용자에게 고속의 데이터 서비스를 제공할 수 있는 케이블 모뎀, xDSL (Digital Subscribe Line) 등의 다양한 고속 액세스 기술이 해결책으로 등장했으나 이러한 고속 액세스 기술의 등장은 이미 포화 상태에 있는 인터넷의 부하를 더욱 가중시키는 결과를 초래했다. 이러한 배경으로부터 인터넷은 새로운 변화를 수용하기 위한 새로운 방안이 요구된다. 하지만 이 같은 문제는 라우터의 패킷 처리 능력에 기인한 대역폭의 확장을 의미하는 것 뿐만 아니라 다양한 서비스의 요구 사항을 제공할 수 있는 새로운 개념의 네트워크 구조가 요구되는 것이다.

최근 이와 같은 인터넷의 새로운 변화를 수용하면서 고속화 (High-Speed)와 QoS 를 제공할 수 있는 차세대 인터넷 망으로 진화하기 위한 하나의 움직임으로써 기존의 LAN (Local Area Network) 트래픽 및 인터넷 트래픽을 고속으로 처리하고 다양한 부가 서비스를 제공할 수 있는 방식으로 IETF (Internet Engineering Task Force)의 MPLS (Multi-Protocol Label Switching) 기술이 있다. 이 기술은 기존의IP가 지니고 있는 많은 제약 사항을 해결할 수 있으며, 기존의 망에서 제공할 수 없었던 고속 서비스와 다양한 부가 서비스를 창출할 수 있기 때문에 망 사업자들로부터 차세대 인터넷으로 진화할 수 있는 새로운 핵심 기술로 평가 받고 있다.

이러한 시점에서 본 기술이 개발됨으로써 얻을 수 있는 효과는 다음과 같다.

- 확장성

IETF의 MPLS W/G에서는 각 MPLS 노드가 유지하는 LSP의 수는 N개의 목적지에 대해 O(N)의 확장성을 가져야 한다고 규정하고 있다. 이를 일반화하면, N개의 LER에 대해 하나의 출력 링크에서 단일 방향으로 요구되는 최대 레이블의 수로 정의될 수 있다.

MPLS에서는 동일한 목적지 LER로 가는 트래픽은 출력 링크에서 하나의 레이블로 병합될 수 있고, 필요한 최대 레이블의 개수는 N-1개가 되므로 O(N)의 확장성을 달성할 수 있다. 또한 최대 LER의 개수는 2K≥N-1을 만족해야 하고, 이로부터 최대 LER의 개수는 N≤2K-1개가 된다. 여기서 K는 shim 헤더의 레이블 필드의 크기이다.

만일, 서비스 클래스 별로 QoS를 제공하는 경우, 목적지 LER이 같고 동일한 서비스 클래스에 속하는 트래픽을 병합하면 최대 레이블의 개수는 C(N-1)개가 된다. 또한 여러 서비스 클래스를 하나의 LSP로 매핑하고, 서비스 클래스를 구분하기 위해 shim 헤더의 EXP 필드를 사용하면, N-1개의 레이블만이 필요하다.

기술한 최대 LER의 수는 이론적인 개수를 나타내며, 실제로는 각 포트에서 지원되는 연결의 수를 고려해야 하며, 레이블 확장성은 대규모 망의 전개에 있어 중요한 요구사항이 된다.

- 안정성

MPLS에서 안정성과 관련된 기술적인 이슈로는 먼저 L2 루핑(looping)을 들 수 있다. MPLS는 IP 라우팅 정보를 그대로 사용하기 때문에 LSP 에서 루프가 발생할 수 있고, 이로 인해 망 자원의 낭비와 안정성에 중대한 영향을 미칠 수 있다. 보통 L2 루핑을 처리하는 방법으로는 루프 생존(loop survival), 루프 감지(detection), 루프 방지(prevention)가 있다.

루프 생존은 루프가 존재하더라도 루핑 트래픽에 의해 소모되는 망 자원의 양을 제한하는 방법으로, 전통적인 IP 포워딩에서는 TTL 필드 값을 감소시켜 이를 달성한다. shim 헤더에 TTL 필드가 있는 패킷 MPLS에서만 적용될 수 있는 기법이다.

루프 감지는 제어 패킷인 LDCP(Loop Detection Control Packet)을 사용하여 루프를 발견하고 제거한다. LDCP는 입구 LER로부터 출구 LER까지 IP 계층에 의해 포워딩되는 패킷이며, LSP 상의 LSR이 TTL 필드를 감소시켜 IP 계층에서 루프를 감지한다.

루프 방지는 LSP를 설정할 때 L2 루프의 형성을 미리 방지하는 기법으로, 각 LSR은 출구 LER에 도달하기 위해 거치는 하위 노드의 ID 목록을 유지하며, 이 LSR ID 목록을 상위 노드에게 전파한다. 하위 노드로부터 수신되는 LSR ID 목록에 자신의 ID가 없는 경우에만 그 LSR을 자신의 하위 노드 LSR로 사용함으로써 루프가 발생하는 것을 미리 예방한다.

- 트래픽 엔지니어링

트래픽 엔지니어링은 트래픽 흐름의 전달 경로를 제어하여 망 자원의 활용성을 높이고, QoS를 지원할 수 있는 능력을 제공한다. 이를 위한 MPLS의 장점은 목적지 기반 포워딩에 제약받지 않는 CR-LSP(Constraint-based Routed LSP)의 설정과 링크 오류, 트래픽 속성의 변화에 따른 새로운 경로로의 리라우팅(rerouting)이 CR-LDP와 확장 RSVP 같은 IP 시그널링 프로토콜에 의해 쉽게 수행될 수 있다는 점이다.

그림 7. MPLS Traffic Engineering

반면, 트래픽 엔지니어링을 위한 요소 기능 중의 하나인 CR(Constraint-based Routing)은 자원의 가용성과 토폴로지 정보를 종합하여 트래픽의 QoS를 만족하는루트를 계산하고, 라우팅 테이블을 구성하는 기능을 갖기 때문에 MPLS 모듈 자체가 CR을 수행하는 것은 아닌 것이다. 즉, MPLS에서는 CR-LDP를 이용하여 각 노드에게 자원(대역폭)을 요청하고, 예약하여 자동적으로 CR-LSP를 설정하는 기능과 리라우팅, 트래픽 포워딩을 지원한다. MPLS에서 라우팅 룩업과 제공 서비스는 레이블의 참조만으로 이루어지므로 IP 헤더 룩업과 같은 복잡한 MF(Multifield) 분류(classification) 과정이 필요 없고, CR-LSP의 on demand 설정이 가능하다.

- QoS 제공

MPLS에서의 QoS 제공은 트래픽 요구사항을 만족하는 루트를 결정하고 각 노드에서 대역폭을 정량적으로 예약하는 방식과 기존의 IP 라우팅 프로토콜에 의해 결정되는 루트를 따라 트래픽을 전달하면서 차별화된 서비스 제공이 가능하다.

- 멀티캐스트

MPLS 멀티캐스트의 기본 개념은 IP 멀티캐스트 트리를 멀티캐스트 LSP에 매핑하고, 트래픽을 L2에서 다수의 출력 인터페이스로 레이블 스위칭 하는 것이다. 즉, L2에서 패킷 복사가 이루어지고 입/출력 레이블 교환에 의해 다음 홉으로 포워딩 하는데, 유니캐스트 LSP와 같이 특정 멀티캐스트 트래픽을 분리할 수 있게 된다.

그림 8. MPLS 멀티캐스트

이와 같이 트래픽을 분리할 수 있는 장점은 전송 프토토콜로서 UDP를 많이 사용하는 멀티캐스트에서 더욱 중요한 의미를 갖는다. 즉, TCP는 패킷의 손실이 발생하는 경우 윈도우의 크기를 줄여 흐름 제어를 하는데, 이로 인해 링크 대역폭의 상당 부분은 UDP 트래픽에 의해 점유되어 TCP의 처리율(throughput)이 저하된다. 따라서 MPLS는 멀티캐스트 UDP 트래픽과 TCP 트래픽을 별도의 LSP를 사용해 분리함으로써, TCP 트래픽의 처리율을 높일 수 있는 효과적인 방안이며, 이는 MPLS 멀티캐스트가 제공하는 유용한 장점이다.

- VPN

VPN의 기본 개념은 원격지간에 L2 또는 L3 터널을 설정하고, IP 패킷을 터널링시키는 것이다. MPLS에서 두 지점간의 터널은 단순히 LER간에 LSP를 설정함으로써 가능한데, 이는 입구 LER이 패킷에 적용하는 레이블에 의해 패킷 전달 경로가 결정되기 때문이다. 터널로서 LSP를 사용할 때의 장점으로는 먼저, 다른 터널링 기법과는달리 MPLS에서는 별도의 L2, L3 터널링 프로토콜이 필요없다는 점이다. 즉, MPLS 자체에서 LSP 터널의 설정과 유지를 위한 LDP, 레이블 교환과 같은 L2 터널링 메커니즘을 제공한다.

- 기존 기술과의 차별성

유니캐스트, 단말과 단말 또는 단말과 서버간 접속, 최선형 서비스로 대변되는 현재의 인터넷 서비스는 향후 멀티캐스트, CUG간 접속, QoS 기반 서비스로 확대되어 갈 것이고, 이러한 변화를 주도할 서비스로는 VPN, VoIP, 전자상거래 등을 들 수 있다. 이와 같은 IP 부가 서비스는 막대한 수익을 창출할 것으로 예상되며, MPLS는 멀티캐스트, VPN을 지원하기에 적합한 망 기술이다. 또한 IP를 기반으로 하는 기술이기때문에 IP 를 지원하기에 매우 용이한 구조와 개념적 특성을 갖는다.

패킷 MPLS가 ATM MPLS에 비해 상대적으로 IP망에 적용하기가 더 적합하다. 이는 패킷 MPLS가 확장성과 안정성 측면에서 보다 우수하고, ATM MPLS에서는 ATM SAR 구현의 복잡성으로 인해 속도를 높이기가 어려운 문제점을 내포하고 있기 때문이다.

개발한 MPLS 모듈은 하부 계층과는 독립적으로 운용될 수 있기 때문에 기존 인터넷 백본망의 IP 전달 기술과 인프라를 그대로 이용하면서, MPLS를 통해 기 구축된 망을 점진적으로 업그레이드 할 수 있음을 의미한다. 따라서 망 구축 비용과 관리 측면에서 막대한 효과를 볼 수 있다.

Claims (1)

1. 네트워크 스위치에 있어서, MPLS 모듈을 장착할 수 있는 것, FPGA라는 칩셋을 사용하여 표준안이 변경되더라도 하드웨어 변경 없이 새로운 표준안을 사용할 수 있다는 것.