SONET (Synchronous Optical NETwork)
SONET은 다른 장거리 네트워크(WAN)에서 온 부하를 운반하기 위한 전달 network로 사용되는 장거리 network이다.
SONET 의 신호
SONET은 동기전송신호(STS)라고 부르는 전기적 신호방식 수준의 계층을 정의한다.
위의 표를 통하여 STS의 경우 보다 상위 레벨의 STS는 하뤼 레벨의 STS를 다중화 할 수 있다는 것을 알 수 있다.
SONET 장치
SONET은 다음과 같은 구조로 이루어진다.
STS MUX/DEMUX
STS MUX : 여러 개의 전기적인 발신지에서 온 신호를 다중화하여 해당하는 OC신호를 생성
STS DEMUX : 광 OC 신호를 해당하는 전기 신호들로 역다중화
Repeater
재생기는 중계기로써 수신된 광신호(OC-n)를 받아서 전기 신호로 재생한 다음 이 전기 신호를 해당 OC-n 신호로 변조
SONET 재생기는 현재 들어있는 overhead 정보의 일부를 새 정보로 대치
프레임 정렬, scrambling, 오류 검출, 모니터링등의 기능을 수행
ADM(Add Drop Mux)
ADM은 망 구성요소들 사이에 위치하여 동작하는 일종의 허브로 다른 발신지에서 온 STS들을 주어진 경로에 추가할 수 있으며, 또한 한 경로에서 필요한 신호를 제거하여 전체 신호를 역다중화 하지 않고도 새로운 방향으로 재설정 할 수 있다.
ADM은 타이밍이나 비트 위치에 의존하지 않고 각 stream들을 구별하기 위하여 주소와 포인터와 같은 헤더 정보를 이용
SONET Layer
SONET은 경로층, 회선층, 구간층, 광학층의 네가지 계층을 정의한다.
2계층까지 관리를 하기 때문에 기본적인 error, 경로 체크 외에는 복잡한 기능을 하지 않는다.
Path Layer
광 발신지에서 신호는 전기적인 형태에서 광 형태로 변환되며 다른 신호들과 다중화되고 하나의 frame으로 캡슐화된다.
광 목적지에서 수신된 frame은 역다중화되고 각각의 광신호들은 원래의 전기적인 행태로 재변환.
Path layer의 overhead는 이 계층에서 추가된다.
Line Layer
Line layer의 overhead가 이 계층에서 추가된다.
STS 다중화기와 ADM이 Line Layer 기능을 제공한다.
Photonic Layer
SONET은 빛이 있는 경우 1, 없는 경우를 0으로 나타내는 NRZ 부호화를 사용한다.
다음은 장치와 계층 사이의 관계를 나타낸 것이다. 그림에서 볼 수 있듯이 STS 다중화기는 4계층 장치이고, ADM의 경우 3계층, 재생기는 2계층 장치인 것을 확인할 수 있다.
SONET Frame
Gbps급 이상의 전송속도를 가지는 광케이블상에 digital signal들을 효율적으로 실어 보낼 수 있는 수단을 제공하고 있다. 또 동기식 시스템으로 설계되었기 때문에 전체 대역폭이 다양한 부채널들에 할당된 다수의 time slot들을 포함하고 있는 하나의 거대한 채널로 이용되며, 반송 프레임은 사용자 데이터 포함 여부에 관계 없이 125us간격으로 끊임없이 전송된다.
각 동기전송신호 STS-n은 8,000 frame으로 구성된다. 각 frame은 9 row와 90*n column을 가진 이차원적인 byte matrix이다.
SONET의 기본 전송단위인 STS(Synchronous Transport Signal)-1 은 90byte * 9byte의 2차원 논리적 배열구조를 가지는 frame으로,
전체 810byte 영역에서 36byte는 frame의 올바른 전송에 필요한 protocol overhead로 이용된다.
SONET에 대한 흥미로운 점은 각 STS-n 신호가 초당 8,000 frame의 고정된 비율로 전송된다는 것이다.
음성 신호를 샘플링하고 각 샘플당 8bit(1byte)를 사용하면, SONET frame의 각 byte가 디지털화된 음성 채널 하나에서 온 정보를 운반할 수 있다고 말할 수 있다. 다시 말하면, STS-1신호 하나는 동시에 774 음성 채널(810에서 overhead에 필요한 byte 제외)을 운반 할 수 있다.
위와 같은 frame이 초당 8000번(125us 간격) 전달되기 때문에 STS-1의 전송속도는 8000*810*8, 즉, 51.84Mbps이다.
프레임 당 36byte의 overhead가 있기 때문에 상위 계층 protocol에서 이용할 수 있는 순수한 date rate는 8000*774*8, 즉 49.536Mbps이다.
그런데 36byte의 overhead 가운데 시스템 관리를 위한 27byte를 제외한 9byte(Path overhead)는 SPE(Synchronous Payload Envelope)라 불리우는 SONET의 Payload에 포함된다. 따라서 SONET의 Payload 전송속도는 50.112Mbps이다.
SONET이 Gbps급 이상의 전송속도를 가지기 위해서는 이와 같은 frame들이 커다란 하나의 frame으로 다중화 되어야 하는데, 다중화는 STS-1 frame단위로 이루어지고 다중화된 frame은 STS-3, STS-12등과 같이 다중화에 포함된 STS-1 frame수로 표시한다.
Frame Format(STS-1)
path overhead는 종단대 종단을 위해서 계산된다.
여기에서 SPE는 사용자 data와 연관된 overhead(path overhead)를 포함하고 있다. 하나의 SPE가 하나의 STS-1 frame에 맞추어질 필요는 없고, 두 frame 사이에 분할될 수도 있다. 이것은 SPE의 가장 왼쪽 열인 경로 overhead가 구간이나 회선 overhead에 따라 정렬될 필요는 없다는 것을 의미한다. 경로 overhead는 SPE를 생성하기 위해서 사용자 data에 먼저 추가되어야만 하며, 그런 다음 SPE가 하나 또는 두 frame에 삽입될 수 있는 것이다.
SPE는 STS-1 frame에 캡슐화 되어야 한다. 이때 캡슐화는 두가지 문제를 일으킬 수 있는데 포인터(H1~H3)를 이용한 SONET에 의해 처리가 가능하다.
그 중에 하나의 문제가 Offsetting이다. 이는 H1, H2로 해결을 하는데,
SONET은 하나의 SPE가 일부분은 첫 frame에 있고 일부분은 두 번째 frame에 있는 두 frame에 걸쳐 있는 것을 허용한다. 이 경우는 캡슐화될 SPE가 현재 지나가고 있는 동기화된 frame과 시간적으로 정렬이 되지 않았을 때 발생한다.
이 때 SPE byte들은 두 frame으로 분할된다. 첫 byte 집합은 첫 frame에 캡슐화되고 두 번째 집합은 두 번째 framedp 캡슐화된다.
이때 SONET 다중화기가 frame에서 SPE가 어디에서 시작하거나 끝나는지를 어떻게 아느냐는 것이 중요하다.
이는 SPE의 시작을 정의하는 포인터 H1, H2를 사용하는 것이다. 끝은 각 SPE가 고정된 수의 byte를 가지고 있으므로 찾을 수 있다. 이렇듯 SONET은 STS-1 frame에 대하여 상대적인 SPE의 offsetting을 허용한다.
한 frame에서 각 SPE의 시작을 찾으려면 line overhead가 있다는 것에 유의하자.
Encapsulation-Justification(자리맞춤)
Payload의 전송율이 SONET의 전송율과 아주 약간만 다르다고 가정하자. 먼저
if (Payload의 전송율이 높을 때)
때때로 별도 byte 하나가 frame에 들어갈 수 없다는 것을 의미하며, 이 경우에 SONET은 이 별도 byte가
H3 byte에 삽입되는 것을 허용한다.
else if(Payload의 전송율이 낮을때)
때때로 별도 byte 하나가 frame에 남겨질 필요가 있음을 의미하며, SONET은 byte가 H3 byte의 다음 byte
가 되도록 한다.
STS Multiplexing
SONET에서 STS Multiplexing은 STDM을 사용하며, 네트워크 내의 모든 clock이 동기화를 달성하기 위하여 하나의 master clock에 맞춰져 있다.
Byte Interlieaving
STS-1신호가 하나의 STS-3 신호로 다중화 될 때, STS-3 신호의 각 3byte는 각각의 STS-1신호에서 온 1byte를 결합한 것이다.
이 때, STS-1 frame의 byte는 행의 위치를 유지하지만 다른 열로 이동된다는 것을 기억하자. STS-n frame의 열의 수는 STS-1 frame의 열의 수의 n배이다. 그러므로 STS-n 행 하나는 STS- frame의 n 행을 모두 수용할 수 있는 것이다.
STS-1 frame에서 온 overhead역시 하나의 STS-3 frame의 overhead를 생성하기 위해 함께 interleaving된다. Section과 Line은 다중화된 각 채널을 위한 자체적인 제어 byte를 유지하여 ADM 사용을 가능케 한다.
여기에서 Demultiplexing은 byte의 위치만으로 일을 수행하기 때문에 구현이 간단하다.
Section과 line overhead에서 설명한 것이 path overhead에 똑같이 적용되지는 않는다는 것에 유의하자. 이유는 path overhead가 두개의 STS-1 frame에 분할될 수 있는 SPE의 부분이기 때문이다. 그러나 byte interleaving은 SPE의 data 부분을 위하여 동일하다.
연결신호
하지만 때로는 STS-1이 운반할 수 있는 것보다 높은 data율을 가진 신호를 가지게 된다. 이 경우 SONET은 n개의 STS-1 신호로 간주되지 않는 STS-n신호 생성을 허용한다. 이것은 STS-1 신호로 역다중화될 수 없는 하나의 STS-n 신호이다.
신호가 역다중화될 수 없다는 것을 정의하기 위하여 첨자 c(연결을 표시)가 신호의 이름에 추가된다.
예로 STS-3c는 3개의 STS-1신호로 역다중화 될 수 없는 신호이다. 즉 STS-3c 신호 내의 전체 Payload가 하나의 SPE라는 것을 의미하며, 이것은 path overhead가 단지 한 열(9 byte)만 가진 다는 것을 의미한다.
※ ATM cell을 운반하는 연결신호
ATM 망은 각 셀이 53 byte의 고정 크기를 가진 cell network이다. STS-3c 신호의 SPE는 ATM 셀들의 운반자가 될 수 있다. STS-3c의 SPE는 9*260 = 2340byte를 운반할 수 있으므로 각 53byte인 ATM cell을 대략 44개 수용할 수 있다.
Add/Drop Multiplexer(ADM)
ADM은 단지 해당 byte들을 제거하고 새로운 byte들로 대치(overhead 포함)한다.
SONET 망
SONET 장비를 사용하여 SONET 망을 만들 수 있고 이 망은 ATM이나 IP와 같은 다른 망으로부터 온 data를 운반하는 고속 backbone으로 사용될 수 있다. SONET 망은 다음과 같이 분류할 수 있다.
Linear Networks
하나의 STS MUX와 STS DEMUX로 만들어지며, Repeater는 중간에 추가될 수 있는 형태이다. 이때 신호의 흐름은 단방향이나 양방향이 될 수 있다.
Multipoint networks
여러 개의 단말들 사이에서 통신을 허용하기 위해 ADM들을 사용한다. 연결된 단말에 속하는 신호를 제거하고 다른 단말에서 전송된 신호를 추가한다. 이 역시 신호의 흐름은 단방향, 양방향이 될 수 있다.
APS(automatic protection switching, 자동 보호 교환)
선형망에서 고장에 대비하는 보호를 만들기 위해 APS를 정의한다. APS는 Line layer에서 정의되므로, 두 개의 ADM 또는 한 쌍의 STS MUX/DEMUX 사이에 존재한다. 주 회선이 사용될 수 없는 상황에 보호회선이 사용되는 방식이다.
다음과 같은 세가지 방안이 존재한다.
이 one-plus-one aps 방식은 평상시에는 2 line을 다 사용하는데 STS MUX는 양 쪽 회선에 동일 data를 전송하고 STS DEMUX에서는 2 line 중 더 좋은 품질을 가진 line을 선택한다. 이때 한 line에서 고장이 나면 신호를 잃게 되고 수신기에서는 다른 line이 선택된다. 이 때 고장회복이 순간적으로 이루어지지만 하나의 일을 하기 위해 두 배의 대역폭이 필요하므로 비효율적이다.
Path layer에서 이루어짐
one-to-one APS는 평상시에는 working line으로 data가 전송되며, 고장 시 수신기는 보호 line을 대신 사용하도록 역방향 채널을 사용하여 송신기에 알려준다. 고장회복이 one-plus-one APS 보다는 느리기는 하지만 보호회선이 업무회선을 대치하는데 사용되지 않을 때에는 data 전송에 사용될 수 있기 때문에 더 효율적이다.
Line layer에서 이루어진다.
one-to-many APS는 많은 업무회선을 위해 단 하나의 보호회선이 존재하여, 업무회선 중 하나에 고장이 발생하면 고장난 회선이 고쳐질 때까지 보호회선이 일을 책임진다. 만약 하나 이상의 업무회선이 동시에 고장 날 경우 보호회선이 그 중 하나만을 대치하기 때문에 one-to-one 방안만큼 안전하지 않다.
line layer에서 이루어진다.
Ring Networks
UPSR(unidirectional path switching ring, 단방향 경로 교환 링)
두 개의 링을 가진 단방향 네트워크. 하나의 링은 업무 링으로 사용되고 다른 하나는 보호링으로 사용된다. one-plus-one APS 방안과 비슷한 개념으로, 동일한 신호가 두 링에 흐르며 하나는 시계방향이고 다른 하나는 반시계 방향이다.
Path layer에서 감시가 이루어지기 때문에 UPSR이라고 불린다.
각 노드에서는 Path layer에서 전기적인 신호의 두 복사본을 수신하여 서로 비교한 후, 더 좋은 품질을 선택한다.
두 개의 ADM 사이의 링의 일부가 고장 나면, 다른 링이 data 흐름의 연속성을 여전히 보장가능하기 때문에 신속한 고장 회복을 하지만 하나의 일을 하는데 두 개의 링이 필요하기 때문에 효율적이지 않다. (대역폭의 절반이 낭비)
BLSR(bidirectional line switching ring, 양방향 회선 교환 링)
통신이 양방향이므로 업무회선으로 두 개의 링이 필요하다는 것을 의미한다. 또 한 보호 회선 역시 2개의 회선이 필요하다. 총 4개의 링을 사용하는데, 동작은 one-to-one APS 방안과 유사하다.
한쪽 방향 업무회선이 고장나면 수신노드는 고장난 방향에서의 위에 있는 노드에 보호 링을 사용하는 것을 알려주기 위해 역방향 링을 사용할 수 있다. 이때 고장 발견은 Line layer에서 이루어진다.
이러한 UPSR, BLSR을 조합하여 광대역 링 망을 구성할 수 있다.
MESH Networks
가상종속(VT, virtual tributaries)
현재의 디지털 계층구조 데이터율(DS-1 ~ DS-3)은 STS-1보다 낮다. SONET을 현재의 계층구조와 거꾸로 호환성이 있도록 만들기 위해, frame 설계에 VT시스템이 포함된다. VT는 STS-1에 삽입될 수도 있게 frame을 채우기 위해 다른 부분 payload와 결합될수도 있는 부분 payload이다. 한 발신지에서 온 data를 STS-1 frame의 86개 payload 열을 다 사용하는 대신에 SPE를 세분할 수 있으며 그 각각을 VT라고 한다.
VT1.5 : 미국 DS-1(1.544Mbps) 수용
VT2 : 유럽식 CEPT-1(2.048Mbps) 수용
VT3 : DS-1C(3.152Mbps) 수용
VT6 : DS-2(6.132Mbps) 수용
이 때 둘 또는 그 이상의 VT가 STS-1 frame 하나에 삽입될 때는 열 단위로 끼워 넣어진다. SONET은 각 VT를 식별하고 전체 열을 DEMUX하지 않고도 분리할 수 있는 기법을 제공한다.
SDH(Synchronous Digital Hierachy)
동기 디지털 계층구조(SDH)는 유럽(ITU-T)이 정의한 표준이다. SDH는 동기전송모듈(STM, synchron ous transport module)이라고 하는 SONET의 STS와 유사한 시스템을 정의한다. STM은 현재 사용되는 E회선과 같은 유럽식 계층구조와 STS 레벨과 호환성이 있도록 의도된 것이다. 이러한 목적으로 가장 낮은 STM 레벨인 STM-1은 STS-3와 정확하게 일치하는 155.520Mbps로 정의되어 있다.
- SDH는 125us 단위의 프레임 구조로 동기식 다중화 절차의 적용으로 byte 단위의 데이터 처리와 저계위 신호(DS0)의 엑세스가 용이하다.
- 프레임 구조는 270byte*9행으로 이루어져 있으며 전송속도는 270byte*9*8bit*8000Hz, 즉 155.52Mbps이다.
▷SOH : Section Overhead, STM-n 신호가 구성될 마지막 단계에 삽입된다. STM-n 신호의 전송 성능 표시, 운용 및 보수등을 목적으로 재생기, 다중화기 구간에서 삽입, 추출한다.
▷POH : Path Overhead, 9*1byte, 0.576Mbps, VC 신호가 구성될 때마다 삽입된다. 해당 VC가 조성되는 점과 해체되는 점 사이의 End-to-End 통신을 위해 사용한다.
▷STM-1 payload capacity : 9*260byte, 149.760Mbps
VC가 TU 또는 AU신호로 정렬될 때, TU 또는 AU 프레임 내에 VC가 시작되는 주소를 지정한다.
계층화의 구조를 도입하여 overhead를 체계화함으로써 통신망의 운용 관리를 효율적으로 수행할 수 있다.
SDH 계층의 overhead와 전송기능은 4단계로 나누어진다.
▷ Path : 두 단국의 다중화 장비 사이에 서비스를 전송
▷ Line : 물리매체를 통하여 VC-3, VC-4 path layer payload와 MSOH를 전송
▷ Section : 물리계층을 통하여 STM-n frame을 전송
▷ Physical : 물리매체를 통하여 광 또는 전기신호를 bit 단위로 전송
SONET & SDH의 장점 .
- 각 계위신호는 중간 다중화 단계를 거치지 않고 상위레벨로 직접 다중화 가능
- 향상된 네트워크 관리와 유지/보수 능력, 장치들 간의 비 호환성 문제 해결
- 두 통신지점 사이에 존재하는 설비가 간단하므로 매우높은 신뢰도를 제공
- 모든 계위신호들이 기존의 네트워크 내에서도 전송이 가능
- 응용분야로는 백본 망, 액세스 망, 가입자 망에 활용이 가능
