http://dx.doi.org/10.5573/ieie.2016.53.9.026 ISSN 2287-5026(Print) / ISSN 2288-159X(Online) 논문 2016-53-9-4 노드이중화를위한이중프로세스선형보호절체방법 (Dual Process Linear Protection Switching Method Supporting Node Redundancy ) 김대업 *, 김병철 **, 이재용 ** (Dae-Ub Kim, Byung Chul Kim c, and Jae Young Lee ) 요 약 현재전달망의핵심기술은링크또는노드장애가발생했을경우에경로이중화를통해 50ms 이내에망을복구하는 OAM 및보호절체기술이다. 개별통신사업자, 지방 / 중앙정부, 중요기업의전달망은장애에대한실시간망복구를위해보호서브네트워크를개별적으로설정, 관리되고있다. 그래서개별보호서브네트워크의종단노드에대해노드이중화를적용하여종단노드장애에대해대비하는것이중요하다. 하지만 MPLS-TP, 캐리어이더넷과같은패킷전달망에서선형보호절체가적용되는보호서브네트워크는이중노드상호연결방안이존재하지않는다. 비록이더넷링보호절체는이중노드상호연결방안을포함하고있지만이더넷링보호절체의기술적특성상연결노드에서장애가발생하면전이트래픽이급격하게증가될수있다. 본논문에서는보호서브네트워크에서연결노드이중화를위한선형보호절체적용방안을제시한다. 그리고링크와상호연결노드의장애에대한여러실험을통해제안된선형보호와링보호프로세스의다양한조합이어떻게다중보호서브네트워크에서서비스트래픽의복구탄력성에영향을미치는지를분석한다. Abstract The core technologies of the current transport network are OAM and protection switching to meet the sub-50ms protection switching time via a path redundancy when a link or node failure occurs. The transport networks owned by public network operators, central/local governments, and major enterprises are individually configured and managed with service resiliency in each own protected sub-network. When such networks are cascaded, it is also important to provide a node resiliency between two protected sub-networks. However, the linear protection switching in packet transport networks, such as MPLS-TP and Carrier Ethernet, does not define a solution of dual node interconnection. Although Ethernet ring protection switching covers the dual node interconnection scheme, a large amount of duplicated data frames may be flooded when a failure occurs on an adjacent (sub) ring. In this paper, we suggest a dual node interconnection scheme with linear protection switching technology in multiple protected sub-networks. And we investigate how various protected sub-network combinations with a proposed linear or ring protection process impact the service resiliency of multiple protected sub-networks through extensive experiments on link and interconnected node failures. Keywords : resiliency, linear, ring, protection switching, node redundancy * 정회원, 한국전자통신연구원 (ETRI), 충남대학교정보통신공학과 (Dept. of InfoComm Engineering, Chungnam National University) ** 평생회원, 충남대학교정보통신공학과 (Dept. of InfoComm Engineering, Chungnam National University) 본논문은미래창조과학부지원으로 ETRI 연구개발지원사업의일환으로수행하였음 (B0117-16-1008, Photonic Frame 기반패킷스위칭가능한데이터센터광네트워킹핵심기술개발 ). Received ; July 1, 2016 Revised ; August 22, 2016 Accepted ; August 29, 2016 Ⅰ. 서론전달망기술은전통적인회선기반네트워크기술인 SDH(Synchronous Digital Hierarchy) 기술에의해주도되어왔다. 하지만, 2000년대중반부터패킷트래픽의증가에따라 IP와 Ethernet 트래픽을효과적으로수용할수있는회선기반광전달망기술인 OTN(Optical Transport Network) 기술이개발되었을뿐만아니라메 (1324)
2016 년 9 월전자공학회논문지제 53 권제 9 호 27 트로영역과무선백홀영역의고신뢰패킷네트워크에서신뢰성을높이기위해이더넷 (Ethernet) 과 MPLS (Multiprotocol Label Switching) 의패킷전달기능을적용한패킷전달망기술도부각되었다. 광-패킷전달망기술은전통적인회선망데이터평면 OAM(Operations, Administration and Maintenance) 과보호절체기술을 OTN, 이더넷과 MPLS 데이터전달기술에적용하는것으로서, 이기술은경로상에장애가발생하여도장애상황을실시간으로감지하고, 보호절체프로토콜에의해트래픽을 50ms 이내에복구할수있는기능을제공하는네트워크기술이다. 그래서전통적인패킷스위치기술인이더넷과 MPLS 기술이캐리어이더넷과 MPLS-TP(Transport Profile) 같은패킷전달망기술로진화하고있고해당기술활용을위한국내연구도진행되고있다 [1]. 광-패킷전달망기술개발활동은 ITU-T (International Telecommunication Union-Telecommunication Standardization Sector) SG (Study Group) 15를중심으로 MEF (Metro Ethernet Forum), IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) 와캐리어이더넷에대한기술을협력하고 IETF (Internet Engineering Task Force) 와 MPLS-TP 에대한기술을협력하여국제표준화작업이진행되어왔다. 현재 ITU-T는이더넷, MPLS-TP와 OTN에대한기본적인 OAM과보호절체기능에대한국제표준화작업을완료하고, 추가로필요한기능들에대한확장작업이진행중이다. OAM기술은전통적인회선방식의 OAM 기능에뿌리를두고있으며, 각노드는데이터전송방식에적합한형태의 OAM 메시지를생성하여송수신한다. OTN 데이터평면의 OAM기능은 ITU-T Rec. G.709/Y.1331 [2] 와 G.798 [3] 에명시되어있고, 이더넷데이터평면의 OAM기능은 ITU-T Rec. G.8013/Y.1731 [4] 와 G.8021/ Y.1341 [5] 에명시되어있다. 그리고 MPLS-TP 데이터평면의 OAM기능은 ITU-T Rec. G.8113.1/Y.1372.1 [6], G.8113.2/ Y.1372.2 [7] 와 G.8121/ Y.1381 [8] 에명시되어있다. 주요 OAM기능은연결성체크 CC(Continuity Check), 연결성확인 (Connectivity Verification), 원거리장애검출 (Remote Defect Indication), 알람지시신호 (Alarm Indication Signal), 클라이언트신호장애 (Client Signal Fail), 손실측정 (Loss measurement), 지연측정 (Delay measurement) 등이있으며, 이중에서관리대상노드사이의연결상태를확인하는연결성체크기능이서비스보호를위해중요하게사용된다. OTN에서연결성 체크기능은 3ms의시간동안정상적인프레임을수신하지못하면장애상태를인지하고시스템에서보호절체기능을수행할수있도록이벤트를발생한다 [2 3]. 이더넷과 MPLS-TP 전달망에서는연결성체크주기 (CC_period) 가설정되고, K*CC_period 동안 CC 메시지가수신되지않으면네트워크장애상태를인지하고시스템에서보호절체기능을수행할수있도록이벤트를발생한다. 여기서, CC_period 는 3.3ms, K는 3.25 K 3.5의값을가진다. 보호절체기술또한 ITU-T를중심으로하여회선기반의 OTN 네트워크에적용할수있는 ODU(Optical Data Unit) 트레일 (Trail) 에대한선형보호절체 [9] 기술과 Shared 링보호절체 [10] 기술표준을제정하였으며, 이를바탕으로하여이더넷선형보호절체 [11] 기술과링보 호절체 [12] 기술표준을제정하였다. 또한, MPLS-TP 에대한선형보호절체 [13] 표준을제정하였다. 세가지데이터평면기술에모두적용되고있는선형보호절체규격은모두유사한형태이며, 이더넷과 OTN에서운용되는보호절체프로토콜은자동보호절체 APS (Automatic Protection Switching) 프로토콜이며, MPLS-TP 에서는보호상태조율 PSC (Protection State Coordination) 또는자동보호조율 APC (Automatic Protection Coordination) 프로토콜을사용하여선형보호절체상태관리및경로보호절체를수행한다. 이처럼다양한데이터평면의네트워크경로에대한 OAM과보호기술을지원하게됨으로서서로상이한데이터평면과동일한데이터평면에서서로다른보호절체프로토콜사이에연결과서로다른사업자간의보호, 복구서비스의연결이중요하게되었다. 그림 1. 전달망선형보호절체아키텍처 Fig. 1. Linear protection switching architecture in transport network. 하나의서비스트래픽은송신지에서수신지까지여러형태의경로전달기술을가진여러개의서브네트워크 (Subnetwork) 를경유하여전달될수있으며, 전달망의서브네트워크는 OTN, 이더넷, MPLS와같은상이한데이터평면기술로구현될수있다. 전달망은그림 1과 (1325)
28 노드이중화를위한이중프로세스선형보호절체방법김대업외 같이특정보호절체기술이적용된보호서브네트워크 (Protected Subnetwork) 를중심으로관리되며, 보호서브네트워크는각망관리자가원하는네트워크구조와데이터전송기술에따라적절한보호절체프로토콜이적용되는네트워크보호구간이다. 그리고하나의서비스트래픽흐름은서로다른망관리자가관리하는여러개의보호서브네트워크를통과하여서비스될수있다. 개별통신사업자, 지방 / 중앙정부, 중요기업의전달망은장애에대한실시간망복구를위해보호서브네트워크를개별적으로설정, 관리되고있다. 그래서개별보호서브네트워크의종단노드에대해노드이중화를적용하여종단노드장애에대해대비하는것이중요하다. 그래서최근보호서브네트워크의종단노드이중화를위해서두개의보호서브네트워크사이의이중노드연결기술의중요성이부각되고있으며 [14], 패킷네트워크에서도트래픽보호에대한연구로서지금까지듀얼호밍 (Dual-homing) 에대한연구가꾸준히진행되어왔다 [15 17]. 하지만 MPLS-TP, 캐리어이더넷과같은패킷전달망에서선형보호절체가적용되는보호서브네트워크는이중노드상호연결방안 DNI (Dual Node Interconnection) 이존재하지않는다. 비록이더넷링보호절체는이중노드상호연결방안을포함하고있지만이더넷링보호절체의기술적특성상연결노드에서장애가발생하며전이트래픽이급격하게증가될수있다. 그림 1은전달망에서공통적인선형보호절체아키텍처를보여준다. 보호서브네트워크의보호절체가적용되는구간에운영경로와보호경로를설정하고, 장애가없을경우에는운영경로로트래픽을운반하다가종단노드사이에경로또는노드장애가발생하면 OAM 관리지점에서연결성체크기능에의해장애를인지하여선형보호절체프로세스에통보하고선형보호절체프로세스가정해진규약에의해지정된경로로브리지실렉터를제어하여경로절체를수행한다. 현재제정된패킷전달망의선형보호절체기술들은운영경로와보호경로로송수신을선택하는기능을담당하는보호서브네트워크의종단노드에서장애가발행되면서비스가중단될수있다. 본논문에서는보호서브네트워크에서연결노드이중화를위한선형보호절체적용방안을제시한다. 그리고링크와상호연결노드의장애에대한여러실험을통해제안된선형보호프로세스와이중노드상호연결이가능한기존링보호프로세스의다양한조합이어떻게다중보호서브네트워크에서서비스트래픽의복구탄력성에영향을미치는지를분석한다. Ⅱ. 다중보호서브네트워크의연결 이장에서는두개이상의보호서브네트워크가존재하는경우, 보호서브네트워크사이에연결을위한보호절체의연결구조와보호절체프로토콜의연결방안에대하여논의한다. 그림 2는여러개의보호서브네트워크의상호연결을위한참조네트워크의예를도시한것이며, 단일노드상호연결방안 SNI(Single Node Interconnection) 과이중노드상호연결방안을모두고려하여가능한경우를도시한참조모델이다 [14]. 참조모델에서직사각형모양은논리적인노드이며, 두개의인접보호서브네트워크에연결된하나의물리적노드안에두개의논리적노드를구성하여각보호서브네트워크를보호할수있다. 각보호서브네트워크의보호를담당하는논리적노드인연결노드는각보호서브네트워크의논리적종단노드역할을수행하면서인접보호서브네트워크와연결을위한노드이다. 두개의보호서브네트워크의상호연결방안은보호서브네트워크3과 4의연결처럼한쌍의연결노드를거쳐단일노드상호연결과보호서브네트워크2과 3의연결처럼두쌍의연결노드를통해 2개의인접보호서브네트가연결되는이중노드상호연결이가능하다. 이중노드상호연결은각논리적연결노드에해당보호서브네트워크를위한보호절체프로세스가탑재된다. 그림 2. 다중보호서브네트워크의상호연결참조모델 Fig. 2. Reference Model for interconnection of Multiple protected sub-networks. 다중보호서브네트워크의상호연결주요목적은기존의보호서브네트워크에서하나의운영 (Working) 경로상에존재하는링크와노드의장애에대한실시간트래픽보호뿐만아니라, 각보호서브네트워크종단노드장애에대해서도서비스트래픽을보호하기위한것으로이논문에서는이중상호연결에주목한다. 현재전달망기술에서 ITU-T의 50ms 이하트래픽복구요구사항을만족시키는표준은선형보호절체와링보호절체기술이있으며, 그중에서링보호절체기술은 OTN의 ODU 공유링보호절체와이더넷링보호 (1326)
2016 년 9 월전자공학회논문지제 53 권제 9 호 29 절체두가지가있다. 특히이더넷링보호절체는현재의표준기술로이중노드상호연결에의해보호서브네트워크사이에노드이중화구성이가능하고, 노드장애에트래픽을보호할수있는노드이중화를제공하고있으며, 멀티링에대한문제점에대한연구도진행되어왔다 [18]. 그러나이더넷링보호절체기술은이더넷의출발지 (Source) 주소에대한학습 (Learning) 을완료할때까지데이터프레임을링네트워크안의모드노드에브로드캐스트 (Broadcast) 하는 FDB(Filtering Database) 플러쉬 (Flush) 운영문제 [19] 가있다. MPLS-TP 기술의경우는링보호절체기술이정의되지않았다. 선형보호절체기술은점대점 (Point-to-Point) 연결기술을기반으로하고있으며현재의보호절체가적용되는모든전달망에서사용할수있지만보호서브네트워크사이에이중상호연결을지원하지않는다. 선형보호절체가적용된보호서브네트워크의이중노드상호연결방안은전달망의모든데이터평면기술에서이중노드상호연결이가능하게하는중요기술이다. 1. 이중노드상호연결을위한이중프로세스선형보호절체방안이논문에서기존의 APS, APC 선형보호절체프로세스의보호절체프로토콜의수정없이 OTN, 이더넷, MPLS-TP 에모두적용할수있는이중노드상호연결선형보호절체방안을제시한다. 그림 4는본논문에서제시하는한쪽끝또는양끝에서이중노드상호연결을위한이중프로세스선형보호절체방안을도시한것으로이중노드상호연결을위해두개노드에각각선형보호절체프로세스를한쌍으로운용한다. 그리고이한쌍의연결노드는운영경로를포함하는연결운영노드와보호경로만존재하는연결보호노드로구분하고, 필요에따라좌노드처럼하나의물리적노드에두개의선형보호절체를탑재하여이중장애를관리한다. Ⅲ. 이중노드상호연결선형보호절체 그림 3는한쪽끝또는양끝에서이중노드상호연결을이용한보호서브네트워크에서기존선형보호절체만을적용한예로서그림 2의보호서브네트워크 2과 4에서선형보호절체를적용한아키텍처를자세히나타낸것이다. 이들경우에서선형보호절체프로세스가그림 3 에서좌노드와연결노드1에존재하고연결노드2는 OAM관리지점과보호절체프로세서가존재하지않는다. 그러므로상호연결을위한연결노드에장애가발생될경우, 선형보호절체프로세스가존재하는좌노드는운영경로와보호경로에모두장애가발생했음을인지하게되고, 이런경우선형보호절체프로토콜 [11] 에의해운영경로로트래픽을전달하도록하여트래픽보호가되지않을뿐만아니라서비스트래픽을인접노드로전달할경로가사라져트래픽을보호하지못하게된다. 그러므로이중노드연결에적합한새로운선형보호절체적용방안이필요하다. 마찬가지로그림 3 에서연결노드3, 6에선형보호절체프로세스가존재하고연결노드4, 5는보호경로가통과하는중간노드역할만수행한다. 그래서연결노드3, 6의장애에대해대응하지못한다. 그림 3. 한쪽끝에서 양끝에서이중노드상호연 결보호서브네트워크에서선형보호절체적용 Fig. 3. The application of Linear protection switching in DNI protected sub-network at one end at both ends 연결운영노드의선형보호절체프로세스는표준선형보호절체프로토콜및운영아키텍처를그대로준용하여운영경로와보호경로의장애에대한경로보호절체 (1327)
30 노드이중화를위한이중프로세스선형보호절체방법김대업외 를수행한다. 이중노드상호연결을위해운영경로와보호경로에모두장애가발생한경우에도원활하게보호절체를수행할수있도록추가적으로연동경로 OAM 관리지점과보호경로2를설정하고선형보호절체프로세스를추가하여이중프로세스구조를구성한다. 이추가된프로세스역시표준선형보호절체프로세스와동일한프로토콜로동작한다. 연동경로는연결운영노드와연결보호노드사이에관리지점을설정하여두노드사이의물리적인장애검출에이용하고이중경로장애또는노드장애가발생한경우트래픽우회경로로사용될수있으며보호경로와물리적으로같은경로를사용한다. 전달을담당하여보호도메인에서서비스트래픽이인접도메인으로전달될수있도록한다. 이를위하여연결보호노드의브리지실렉터는보호경로2로송수신되는트래픽이연동경로를통해연결운영노드로송수신될것인지인접도메인의연결보호노드로송수신될것인지를선형보호절체프로세스의결정에따라절체를수행한다. 본논문에서는이중프로세스를구분하기위하여운영경로와연결된선형보호절체프로세스를 1차프로세스로부르고, 보호경로2와연결된선형보호절체프로세스를 2차프로세스로부른다. 그리고 1차프로세스와 2차프로세스의연결부는운영경로와보호경로의장애조합을해당경로장애로인식하는가상운영경로2가존재하고운영경로와보호경로에모두장애가발생된경우를동시장애라고부른다. 이동시장애는 2차프로세스에서가상운영경로2의장애로인식하여동작한다. 그림 4. 한쪽끝에서 양끝에서이중노드상호연 결을위한이중프로세스선형보호절체방안 Fig. 4. The method of Linear protection switching with dual processes in DNI protected sub-network at one end at both ends 보호경로2는추가된두번째선형보호절체프로세스들사이에연결된경로이고물리적으로보호경로와동일한경로를사용하고연결노드장애발생시에트래픽 그림 5. 한쪽끝에서 양끝에서이중노드상호연 결을위한이중프로세스선형보호절체적용 Fig. 5. The application of Linear protection switching with dual processes in DNI protected sub-network at one end at both ends (1328)
2016 년 9 월전자공학회논문지제 53 권제 9 호 31 2. 이중노드상호연결을위한이중프로세스선형보호절체절차그림 5는한쪽끝또는양끝에서이중노드상호연결된보호서브네트워크에서연결운영노드의장애가발생한경우에이중프로세스선형보호절체기능을이용하여트래픽을보호하는예를도시한것이다. 그림 5 는한쌍의연결노드와단일노드로구성된보호서브네트워크에서이중노드상호연결을도시한예이다. 연결운영노드와좌노드사이에서장애가없는정상상태에서운영경로와보호경로상의장애에대한보호절체프로토콜은선형보호절체프로토콜 [9],[11],[13] 을따른다. 연결운영노드장애또는동시장애가발생한경우, 이중노드상호연결보호절체는아래와같이동작한다. 1-1) 좌노드의 1차프로세스에서운영경로와보호경로모두에장애 ( 두개의적색화살표들 ) 를인식하면서 1차프로세스는 2차프로세스에동시장애 ( 녹색화살표 ) 를통보한다. 1-2) 연결운영노드에서노드장애가발생한경우, 연결보호노드는연동경로장애를인식한다. 이때아직동시장애를인식하지못했으므로브리지실렉터는절체를수행하지않는다. 1-3) 좌노드의 2차프로세스가동시장애에의해가상운영경로2의장애를인식하여브리지실렉터를보호경로2(p2) 를사용하도록절체를수행하여보호경로 2(p2) 로트래픽을송수신하며, 2차프로세스의보호절체메시지에가상운영경로장애를나타내고보호경로2 사용을알리는 SF(w2) 보호절체메시지를송신한다. 1-4) 연결보호노드가보호경로2를통해 SF(w2) 를수신하면운영경로와보호경로에동시장애가발생했음을인지하고 2차프로세스는브리지실렉터를보호경로2(p2) 가인접도메인경로를사용하도록절체를수행하여보호경로2(p2) 의트래픽을인접도메인으로송수신될수있도록한다. 그림 5 는두쌍의연결노드의보호서브네트워크에서이중노드상호연결을도시한예이다. 2-1) 연결운영노드2의 1차프로세스에서운영경로와보호경로모두에장애 ( 두개의적색화살표들 ) 를인식하면 1차프로세스는연동경로를통해동시장애 ( 녹색화살표 ) 를 2차프로세서에통보하고, 연동경로를사용하도록브리지실렉터절체를수행하여연동경로로트래픽을송수신한다. 2-2) 연결운영노드3에서장애가발생된경우, 연결보호노드3은연동경로장애를인식한다. 이때아직동시 장애를인식하지못했으므로브리지실렉터는절체를수행하지않는다. 2-3) 연결보호노드2의 2차프로세스가연동경로를통해동시장애정보를수신하면가상운영경로의장애로인식하여 2차프로세스의보호절체메시지에가상운영경로장애를나타내고보호경로2 사용을알리는 SF(w2) 보호절체메시지를송신한다. 이때브리지실렉터는보호경로2(p2) 를통해연결보호노드3으로트래픽을송수신한다. 2-4) 연결보호노드3이보호경로2를통해 SF(w2) 를수신하면운영경로와보호경로에동시장애가발생했음을인지하고 2차프로세스는브리지실렉터를보호경로 2(p2) 가인접도메인경로를사용하도록절체를수행하여보호경로2(p2) 의트래픽을인접도메인으로송수신할수있도록한다. 위와같은과정에의해두쌍의연결노드에서보호서브네트워크의트래픽은보호경로2를통해안전하게보호된다. 그림 5 의연결운영노드1과그림 5 의연결운영노드3이노드장애가아닌운영경로와보호경로의동시장애가발생한경우에, 연동경로장애가없을수있으며, 1차프로세스에서감지한동시장애가연동경로를통해 2차프로세스로전달되고연결보호노드1의브리지실렉터를보호경로2(p2) 를사용하도록절체를수행하여보호경로2(p2) 로트래픽을송수신하며, 2차프로세스의선형보호절체메시지에 1차프로세스에동시장애를나타내는가상운영경로장애를알리는 SF(w2) 보호절체메시지를 2차프로세서에게송신하여트래픽을보호한다. 그러면연결보호노드1과 3이운영경로와보호경로에동시장애가발생했음을인지하고 2차프로세스는브리지실렉터를보호경로2(p2) 가인접도메인경로를사용하도록절체를수행하여보호경로2 (p2) 의트래픽을인접도메인으로송수신될수있도록한다. 노드장애가아닌동시장애의경우, 자신과연결될경로의동시장애를인식한노드는인접보호서브네트워크와연결된링크를폐색하여사용하지않아야한다. 본제안된방안은임의의서브보호네트워크에서장애가인접보호서브네트워크의경로절체를유발시키지않는다. Ⅳ. 다중보호서브네트워크에서보호절체연동설계현재실제전달망은여러통신사업자, 기업, 중앙 / 지방정부가개별적으로보호서브네트워크를구성하여 (1329)
32 노드이중화를위한이중프로세스선형보호절체방법김대업외 운영중이며, 주요통신사업자망에연결된다. 이때 OAM과보호절체기술은서로연동되지않고종단되며, 연결노드에서장애가발생했을경우에는네트워크트래픽의실시간복구가어렵다. 그래서이장에서는이중노드상호연결이가능한이중프로세스선형보호절체기능과링보호절체기능을활용하여다중구간분할네트워크에서적절한보호절체연동을위한네트워크구조를설계한다. 실제많은전달망이링구조를가지고있는것을고려하여물리적으로링모양의보호절체연동네트워크설계를위해본논문에서는회선기술인 OTN 기술과링보호절체규약이없는 MPLS-TP 기술을배제하고링과선형보호절체규약을모두가지고있는이더넷데이터평면에서이더넷가상연결 EVC (Ethernet Virtual Connection) 기반데이터전달경로기술을사용하여최적의보호절체연동설계를고민한다. 제외한모든노드들은다수의클라이언트를가지는하나의서브넷을가진다. 우리는 e1.2, e2.2사이에하나의트래픽흐름 (F) 을성능분석을위해주목하고, 다음장에서노드장애에서기인한다중링크장애발생환경과보호서브네트워크내의경로장애환경에서각보호절체프로토콜이적용된다중보호서브네트워크의성능을분석한다. 그림 6을기반으로다중보호서브네트워크에서선형과링보호절체프로토콜을적용하여복구가가능한 3개의다중보호서브네트워크를그림 7과같이 4가지형태로모델링했다. 그림 7 는링보호절체기술에서정의하는링연결노드를연결노드로사용하여형성할수있는다중이더넷링구조를보여준다. 다중이더넷링구조는여러가지형태의계층적구조를가질수있고, 그에따라보호절체성능이달라질수있다. 여기서는기존의분석 [18] 에서다루지않았고본논문의주요해결목표인두개의서브네트워크에동시에장애를발생시키는연결노드장애와링크장애에대해서다루고, 그형상을그림 7 처럼하나의메이저링에두개의서브링이연결된형태로한정한다. 그림 6. 다중보호서브네트워크의참조모델 Fig. 6. Reference Network for Multiple protected sub-networks 그림 6은그림 2의참조모델을기반으로두개의기업망 (Enterprise Network) 과하나의통신사업자망 (Telecommunication Operator Network) 을가정하고각구간에서이더넷링보호절체 ERP (Ethernet Ring Protection), 이더넷선형보호절체 ELP (Ethernet Linear Protection) 와개선된이중프로세스이더넷선형보호절체 DP-ELP (Dual Process Ethernet Linear Protection) 를적용할수있는링토폴로지기반의다중보호서브네트워크의기준모델을도시한것이다. 각그림에서 3개의보호서브네트워크는하나의통신사업자망 (Telco network)(t1) 와 2개의기업망으로구성하고통신사업자망은 16개의이더넷노드로구성되고이노드들중에서두개의노드를이중연결노드로서사용하여각기업망과연결하며, 기업망에 4개의노드를더추가하여다중보호서브네트워크를구성하였다. DNI를 (1330)
2016 년 9 월전자공학회논문지제 53 권제 9 호 33 며, 이더넷링보호절체의멀티링연결방식에따라각링의 ERP 프로세스사이에가상채널 (Virtual channel) 로연결되어있다. 노드 e1.2, e2.2와 t12는각링의마스트 (Master) 노드로정의한다. 마스트노드는링이정상정태에서루프방지를위해한쪽링포트를폐색 (blocking) 한다. 링구조는하나의메이져링과두개의서브링으로구성된 3개의 ERP가적용되는다중보호서브네트워크이다. (c) (d) 그림 7. 다중보호서브네트워크에서 3ERP ERP+ 2DPELP (c) DPELP+2ERP (d) 3DPERP 이종보호절체적용모델 Fig. 7. Heterologous protection switching model 3ERP ERP+2DPELP (c) DPELP+2ERP (d) 3DPERP in Multiple protected sub-networks 그림 7,(c) 는그림 7 와동일한물리적환경에서성능분석을위하여물리적인링토폴로지에서 ERP와 DP-ELP 방법이혼재하는형태를보여주고, 그림 7(d) 는물리적인링토폴로지에서 DP-ELP 를이용한다중보호서브네트워크구조를보여준다. 1. 이더넷다중링보호절체에의한상호연결 이더넷링보호절체기술에서는장애가발생하면트래픽전달경로가변경되어야하고, 이과정에서 MAC 주소를갱신하기위해일시적트래픽폭주가발생한다. 그래서트래픽폭주를최소화하는연구가진행되어왔다 [18 19]. 본논문의그림 7 는 3개보호서브네트워크가 ERP에의해보호되는 3ERP 네트워크라부르고, 링형태의통신사업자망은 16개의이더넷노드에 16개의 ERP 프로세스를운영한다. 이중에서 4개노드는인접링과이중노드상호연결을위해서연결노드로사용된다. 인접기업망과통신사업자망은이중노드상호연결에사용되는 2개의노드를공유하며, 이노드는각노드마다링연결을위하여 2개의 ERP 프로세스가존재하 2. 이종의보호절체프로토콜에의한상호연결이더넷링보호절체는이미여러전달망장비에서사용되고멀티링을이용하여다중보호서브네트워크에서노드장애에대한복구방안이마련되어있지만, 전이트래픽에대한이슈가존재한다. 그림 7,(c) 는 3개의보호서브네트워크전체에링보호절체가적용되지않도록링과선형보호절체가혼재된경우를도시한것이고이전의멀티링구조와물리적으로동일한노드로구성한것이다. 그림 7 의경우, 통신사업자망은링기반의 ERP를적용하고두개의기업망은 ELP가운용되는보호서브네트워크에서본논문에서제안한 DP-ELP 가적용되며상호연결이가능한모델로 ERP+ 2DPELP라부른다. 그림 7(c) 의경우, 통신사업자망은 DP-ELP를적용하고기업망은 ERP가적용되어 2ERP+DPELP 라부른다. DP-ELP 구간에서트래픽흐름은 DP-ELP 구간의운영 (Working) 경로를통해전달되고, 그림 5처럼이중노드상호연결을통해두개의논리적보호경로들이운영경로와물리적으로분리된경로에설정되며연동경로를통과하는것과통과하지않는두개의논리적보호경로가적용된다. 3. 이중프로세스선형보호절체에의한상호연결그림 7(d) 는네트워크에서링노드를모두제거하고 DP-ELP 를이용하여 3개의보호서브네트워크를구성한것을도시한것으로본논문에서는 3DPELP 라고부른다. 트래픽흐름 F 은 DP-ELP 구간의운영 (Working) 경로를통해그림 7 (c) 와같은경로로구성되고, 연결노드사이에연결링크도물리적으로하나의링크만연결되고, 논리적으로구분된경로들로보호절체적용에필요한경로가구성된다. 1:1 선형보호절체를사용하고있으므로, 두개의보호경로는정상상태에서대역폭을소모하지않는다. 그림 7에서각보호서브네트워크에서이중노드상 (1331)
34 노드이중화를위한이중프로세스선형보호절체방법김대업외 호연결을제외한네모상자는 ELP 프로세스를탑재한노드이며, 원형모양은 ERP 프로세스가운용되는노드이다. 연결노드에서보호절체프로세서는격자가추가된네모상자또는원형모양으로표시하였다물리적인링토폴로지에서 ERP가적용되는보호도메인에서는심플하게하나의가상랜에서서비스트래픽이다점대다점연결이가능하지만, ELP 프로세스가적용되는 DP-ELP 보호서브네트워크는클라이언트트래픽보호를위해각노드사이에논리적풀-메쉬 (Full-mesh) 형태로점-대-점운영, 보호경로가여러개설정된다. Ⅴ. 성능분석 그림 7의참조모델에대한성능분석은 OPNET [20] 시뮬레이터를이용하여분석한다. 각모델에대한복구성능은 OPNET에서제공하는상업적인이더넷스위치에 ERP, ELP와 DP-ELP 프로토콜을구현하여분석한다. 통신사업자망에서각노드의연결링크는 20km 10G 전이중링크를사용하며, 기업망의각노드는 10km 1Gbps 전이중링크를사용하였다. 일반노드에연결된각서브넷은 1000개의클라이언트가연결된네트워크이다. 클라이언트가발생시키는트래픽은다른서브넷으로고루분산송신되며, 평균 0.8Mbps의대역폭을가진다. 생성된트래픽들은송신지와수신지가양방향통신을수행하고, 양방향모두동일한노드와링크를통해전달된다. 앞장에서기술한 3개의보호서브네트워크를관통하는트래픽흐름 F는평균 0.8Gbps 전송량으로전달된다. 그리고각노드의데이터및보호절체메시지의서비스시간은각각 10 mpps (million packets per second) 와 0.01 mpps이다. 그리고장애는경로의양방향장애를유발하며, 각노드에서보호절체프로세스가장애를인식하기위해약 10ms가소요되며, 임의의시간에 20개 ELP가동시에동작할때, 평균트래픽복구시간은장애인식시간을포함하여 20ms를넘지않는다 [21]. (c) (d) 그림 8 다중보호서브네트워크에서 3ERP ERP +2DPELP (c) DPELP + 2ERP (d) 3DPERP 모델에서링크및노드장애발생 Fig. 8. zailurecasesof 3ERP ERP + 2DPELP (c) DPELP +2ERP (d) 3DPERP mode linmultipleprotectedsub -networks
2016 년 9 월전자공학회논문지제 53 권제 9 호 35 (c) 그림 9. 기업망의링크장애에따른 평균링크이용 률 트래픽흐름 F의평균지연시간 (c) 트래픽흐름 F의평균수신프레임수 Fig. 9. Link failures in enterprise network: average link utilization, average delay of flows F, and (c) average number of received frames of flows F. 첫번째시험은그림 7처럼상기구성된 4가지의다중보호서브네트워크에서링크장애가발생했을경우에대한것으로성능분석을위해시뮬레이션 3초지점에서우측기업망의 e2.3, e2.4사이링크에서장애를발생시키고 OAM 장애인식시간후에매 40msec 마다통신사업자네트워크와기업네트워크에서링크이용률을측정하고, 서비스종단노드사이의지연과수신된프레임의수를분석한다. 그림 9 에서 3DPELP와 ERP+2DPELP의경우, 링크장애에대해해당보호서브네트워크의연결노드를포함한모든노드가 ELP 프로세스에선형보호절체를수행하고, 절체동작과정에인접보호서브네트워크에전이트래픽을보내지않는다. 하지만 3ERP의경우서브링의장애로인해메이져링의노드도영향을받기때문에전이트래픽이약 27% 까지급격하게증가한다. 이것은서브링내에장애가발생하는경우, 기존의링네트워크내에포워딩토폴로지가더이상유효하지않아이더넷링보호절체기능이전달테이블의기존학습된 MAC 주소를한꺼번에소거하고, 새로운링토폴로지를구성하는과정에서다수의이더넷프레임이링노드들에서복제되기때문이며, 3ERP의네트워크보호모델에서는통신사업자망과우측기업망의 MAC주소가모두갱신되는현상에기인한다. 2ERP+DPELP 의경우는링노드의규모가작은기업망에서만 MAC주소를갱신하여전이트래픽의양이상대적으로작다. 그림9 와 (c) 는트래픽흐름 F의평균망지연과평균수신프레임수를나타내는것이다. 링보호절체가적용된네트워크구조에서는전이트래픽에의해약 200msec동안망지연이발생되고지연의정도는전이트래픽의양과관련이있다. 그리고링보호절체의전이트래픽과망지연은 2ERP+DPELP 경우약 10%, 3ERP의경우약 67% 순간프레임의손실을야기한다. 두번째장애시나리오는첫번째시험후전체네트워크가충분히안정화된시점 ( 시뮬레이션 5초 ) 에서트래픽생성기를재시작후, 6초시점에그림 8과같이통신사업자망과좌측기업망의이중노드상호연결에사용된노드 (t2) 에서장애가발생하여해당노드와연결된모든링크에서동시에장애가감지되도록한다. 해당노드장애에대해첫번째시험과동일지표의성능을분석한다. 그림 10 에서 3DPELP 경우에만전이트래픽을발생하지않는다. 이는연결노드장애로인해좌측기업망과통신사업자망에동시에경로장애가발생하기때 (1332) (1333)
36 노드이중화를위한이중프로세스선형보호절체방법김대업외 문에이더넷링보호절체가적용된나머지 3개의네트워크보호모델에서는 MAC 주소갱신이발생하기때문이다. 노드장애에의한 3ERP의전이트래픽은 30% 를넘는다. 이는그림 9의경우보다장애인지속도가빨라순간적으로전이트래픽의복제가빠르게진행되기때문이다. 그림 10 와 (c) 의트래픽흐름 F의평균망지연과평균수신프레임수는평균링크이용률처럼보호네트워크모델에서링노드의개수에영향을받는것을알수있다. 그리고그림9와그림10 에서장애가발생한후, 장애를감지하는시간동안은모든보호네트워크모델에서보호절체를수행하지못해트래픽흐름의단절이발생한다. Ⅵ. 결론 (c) 그림 10. 연결노드장애에따른 평균링크이용률 트래픽흐름 F의평균지연시간 (c) 트래픽흐름 F의평균수신프레임수 Fig. 10. Interconnection node failure: average link utilization, average delay of flows F, and (c) average number of received frames of flows F. 본논문에서는광패킷전달망에서두개의인접보호서브네트워크사이에연결노드를이중화하기위한이중프로세스선형보호절체방안을논의했다. 이중프로세스선형보호절체는기존선형보호절체프로토콜의상태천이방법과메시지전달방법을수정없이적용할수있고, 패킷전달망에서수요가높은 sub-50ms Dual-Homing 에대한해법으로사용될수도있다. 그리고이더넷전달기능을사용하는전달망에서링과선형보호절체규약을모두적용하여다중보호서브네트워크의서비스트래픽연동설계를위해여러개의보호서브네트워크의연동모델을제시하고모델별로성능을분석했다. 링크장애와노드장애실험을통해서복구시간에영향을줄수있는평균링크이용률, 평균망지연과평균수신프레임등의실험결과를분석했을때, 멀티링보호절체를통한다중구간연결보다는링보호절체적용네트워크의수를줄이거나, 싱글링또는링보호절체를사용하지않는새로운다중보호서브네트워크사이의트래픽연동방안을고려할필요가있음을알수있다. 링보호절체만으로다중보호서브네트워크를연결하여구성하는것은경우에따라전체망의많은노드들이전이트래픽을복제하므로지양하는것이좋고, DP-ELP 를혼용하여전체링노드의개수를줄이는것이바람직하다. REFERENCES [1] K.-K. Lee at al, Reliable Methods of Interoperability between Packet Transport Networks and IP (1334)
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