TECHNOLOGY 25호

Cell Packing on the Cisco 12000 Series Router
ATM 셀 패킹 '대역폭 활용 쑥쑥'

최대 24% 성능 향상 … 시스코 12000·7500·7200 시리즈 지원
셀 연산(cell concatenation)이라고도 불리는 셀 패킹(cell packing)은 복합 셀릴레이(cell-relay) ATM(Asynchronous Transfer Mode) 셀들이 IP/MPLS 패킷 속에 쌓이게 되는 방식이다. 이를 통해 통신서비스 사업자들은 셀릴레이 전송 시 발생하는 대역폭 비효율성을 극복할 수 있다.


셀릴레이 '비효율적'
셀릴레이는 PSN(Packet-Switched Network) 대역폭을 사용할 때 다음과 같은 문제를 일으킨다.

셀릴레이는 모든 셀릴레이 패킷을 전환시키면서 PPS(Packet-Per-Second) 효율성을 떨어뜨린다. 예를 들어 6개의 ATM 셀이 전송되면, 코어는 사용된 6개 패킷과 6개 PPS를 전환시킨다. 그러나 6개의 ATM 셀들이 셀 패킹을 사용해 단일 패킷으로 패킹되면, 코어는 사용된 패킷 하나와 PPS 대역 하나를 전환시킨다. 통신서비스 사업자는 셀 패킹을 사용해 코어에 있는 PPS 대역폭을 줄일 수 있다.

셀릴레이로 인해 비효율적인 대역폭 활용 사례가 발생하기도 한다. 예를 들어, 통신서비스 사업자가 셀릴레이 ATM 셀 스트리밍을 Packet-over-SONET(POS) 인터페이스로 구성된 MPLS(Multiprotocol Label Switching) 코어를 통해 전송한다고 가정해보자. 입력 프로바이더 에지(ingress provider edge) 상에서 1바이트의 HEC(Header Error Checksum) 없이 52바이트 ATM 셀은 제어단어(control word) 4바이트, 가상회로라벨(Virtual Circuit label) 4바이트, 터널라벨(tunnel label) 4바이트, 시스코 HDLC(High-Level Data Link Control) 계층 2 헤더 4바이트로 프리펜드(prepend)된다. 52바이트 ATM셀의 경우 전체 오버헤드는 16바이트다. POS 파이버 네트워크에서 합산된 패킷 사이즈는 68바이트(ATM셀의 52바이트+오버헤드 16바이트)다. 이때, 셀릴레이의 대역폭 비효율성은 대략 23.52%(52/68%)가 된다.

셀 패킹을 앞선 말한 시나리오에 적용해보자. 6개의 셀을 단일 MPLS 패킷에 묶는다고 가정하면, 총 오버헤드는 여전히 16바이트지만, 페이로드가 312바이트로 대역폭 효율성을 약 4.87% 가량 개선시킨다. 그러므로 통신서비스 사업자는 셀 패킹을 사용해 대역폭 활용을 18.65%(23.52~4.87%)까지 개선할 수 있게 된다.

셀 패킹은 시스코 12000, 7500, 7200 시리즈 라우터에서 지원되지만, 본 기사는 4포트 ISE(IP Services Engine) ATM-over-SONET OC-12/STM-4와 4포트 ISE ATM-over-SONET OC-3/STM-1 라인 카드를 가진 시스코 12000시리즈에서 실행되는 내용을 주로 다룰 것이다.


그림1. 대역폭 향상 : ATM 셀들은 PSN 효율성을 향상시키며 MPLS 네트워크에서 패킹된다.


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셀 패킹 파라미터
셀 패킹은(셀 패킷 사이즈라고도 알려진) MNCP(Minimum Number of Cell Packing) 사이즈와 MCPT(Maximum Cell Packing Timer) 타임아웃이라는 두 가지 파라미터를 갖고 있다.

셀 패킹 커넥션을 준비하는 동안 MNCP 사이즈와 MCPT 타임아웃을 설정해야 한다. 이러한 정보는 입/출력 하드웨어 셀 패킹 FPGA(Field Programmable Gate Array) 속에 프로그램 돼 있다. 범위는 다음과 같다:

MNCP 사이즈 범위는 2~28 ATM 셀이다.

MCPT 값의 범위는 2~4095μs다(IOS-컨피규러블 범위).

MCPT 하드웨어 프로그래밍 범위는 50μs-25ms다(MCPT 타임아웃 단위는 50μs 인크리먼트 내외).

이더넷 MTU가 1500바이트이므로 최대 MNCP 사이즈는 28ATM 셀이다. 28개의 패킹된 ATM 셀보다 더 크게 셀 패킹된 MPLS 패킷은 이더넷 인터페이스 상에서 탈락될 것이다. 시스코 IOS 소프트웨어 CLI(command-line interface)를 통해 MCPT 값을 2~4095μs까지 설정할 수 있다고 해도, 하드웨어 프로그램 가능 범위는 실제 50μs 인크리먼트 내외인 50μs~25ms다.

라벨 광고와 결합되는 동안, PE(provider edge)1와 PE2는 LDP 인터페이스 파라미터 영역을 세팅하면서 MNCP 사이즈를 변경한다. PE2의 MNCP가 PE1 상에서 수신되면, PE 상에서 미리 정의된 가상 회로(VC)/가상 경로(VP)/포트 데이터베이스 안에 저장된다. 프로바이더 에지 상에서 MNCP가 변화하면, 라벨을 회수하고 각각 엔드 상에서 모방된 가상 회로를 다시 만들어내야 한다. 이에 과거 값은 새로운 값으로 대체된다.

셀 패킹이 PE 상에서 지원되지 않으면(즉, MNCP가 1이면), PE2는 MPLS 패킷 당 단일 패킷을 보내야 하지만, 셀 패킹이 PE2 상에서 가능해지면 패킹된 셀을 받을 수 있다.

MCPT는 지역적으로 중요하며 이 범위는 일반적으로 ATM 링크 스피드 OC-3이나 OC-12로 결정된다. MCPT 타이머가 끝나면, 패킹이 아직 완료되지 않았다 해도 패킹된 셀은 즉시 MPLS 패킷으로 전송된다. 즉, 패킷 내부의 셀 숫자는 MNCP에 이르지 못한다.


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MPLS 네트워크에서 셀 패킹된 패킷의 수명
<그림1>은 MPLS 네트워크에서 패킹되는 ATM 셀을 나타내고 있다. 입력 프로바이더 에지에서 ATM 셀은 SAR(segmentation and reassembly) 칩 프로세싱을 위해 ATM 포트에 도달한다. SAR 칩은 ATM 셀을 AAL0, AAL5, OAM 셀로 각각 분류한다. 유효한 AAL0 셀을 위해 SAR 칩은 ATM 셀 헤드에서 나온 HEC 1바이트를 빼고 합산된 52바이트 ATM 셀을 셀 패킹 FPGA로 전송한다. 셀 패킹 FPGA는 MNCP와 MCPT로 설정된 파라미터에 기반한 셀을 패킹한다.

하나의 셀 팩을 만들기 위해 MCPT 타임아웃 전에, ATM 셀 유입이 이뤄지면서 셀 팩 사이즈로 설정된 수만큼 대기행렬에 들어간다. 그런 다음 FPGA는 제어 단어(CW)를 생성하고, AAL0 ATM 셀 유형을 지정하기 위해 T 플래그(T flag)를 암호화하며, 각 셀 팩 패킷용 시퀀스 번호를 만들어낸다. 남은 영역은 0으로 설정된다.

FPGA는 제어 단어를 셀 패킹된 패킷으로 프리펜드하고 패킷을 하드웨어 포워딩 ASIC으로 전송한다(제어 단어는 가상회선을 셋업하는 동안의 옵션이다. 두 PE가 CW 사용을 지원하도록 처리되는 경우, 다른 방식으로 삽입된다).

하드웨어-포워딩 ASIC은 VC와 터널 라벨을 얹어 코어-대면(core-facing) MPLS 링크로 패킷을 보낸다. 코어-대면 MPLS 링크는 2계층 헤더를 MPLS 패킷으로 프리펜드하고 MPLS 패킷을 파이버 네트워크에 놓는다. MPLS 코어에서 패킷은 ATM 셀+CW+VC 라벨+IGP 라벨+2계층 헤더를 묶은 하나의 팩으로 구성될 것이다. 터널 레이블은 끝에서 두 번째 홉(hop) 상에서 처리될 것이다. 출력 프로바이더 에지로 전송되는 패킷은 ATM 셀+CW+VC 라벨+2계층 헤더를 묶은 하나의 팩으로 구성된다.

출력 프로바이더 에지 상에서 코어-대면 MPLS 링크는 파이버 네트워크로부터 패킷을 추출하고, 계층 헤더를 제거하고, 패킷을 에지-대면 라인카드로 전송한다. 에지-대면 라인카드 상에서 하드웨어-포워딩 ASIC은 VC 라벨을 처리하고 합산된 패킷을 출력 셀 패킹 FPGA로 전송한다.

출력 셀 패킹 FPGA는 제어 단어를 때어내고 FIFO 버퍼를 사용해 52바이트 ATM 셀 패킹된 패킷을 ATM 셀로 언팩(unpack)한다. 그 후 52바이트 ATM 셀은 SAR 칩으로 전송된다.

출력 SAR 칩은 FPGA에서 52바이트 ATM 셀을 받아, 53바이트 ATM 셀을 만들기 위해 1바이트 HEC를 ATM 셀 헤더에 추가한다. ATM 셀은 출력 ATM 고정 가상 회선 상의 선으로부터 전송된다.



시스코 12000 시리즈 라우터 셀 패킹 지원  
시스코 12000 라인 카드 : 4포트 IP 서비스 엔진 ATM over SONET OC-12/STM-4
: 4포트 ISE ATM over SONET OC-3/STM-1
시스코 120000 섀시 : 모두 지원
소프트웨어 : 시스코 IOS 소프트웨어 릴리즈 12.(27)S1 이상
셀 패킹 전송 모드 : 가상 회로 연결 모드
: 가상 경로 연결 모드
: 포트 연결 모드
실행, 관리, 유지(OAM) : F4와 F5에서 분할 루프백과 오류 관리
: F4와 F5에서 오류 관리
QoS : CLP(Cell loss priority) 분류
: EXP(Experimental) 마킹
: ATM 포럼 트래픽 관리 4.0과 4.1(가상 회로 정책, 큐잉, 세이프)
: 정책 실행 기반 셀 패킹
: WRED(Weighted Random Early Detection)와 MDRR(Modified
Deficit Round Robin)
: 출력 듀얼 CLP 스레쉬홀드 큐 제한
스위칭 타입 : 유사 회선(pseudowire)
: 로컬 스위칭


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셀 패킹 설정 및 검증
셀 패킹 환경 설정의 세 가지 경우는 VC 모드, VP 모드, 포트 모드다. 셀 패킹 검증은 아래와 같다.

<예시 1>의 경우 PE1과 PE2는 셀 패킹 VC 모드로 설정되고 MNCP는 6개 셀이다. 그리고 MCPT는 100μs이고, 트래픽은 OC-3 라인 비율에서 양방향 성격을 띤다.

예시 1 : 셀 패킹 VC 모드 설정
PE1#sh running-config interface ATM 5/0
Building configuration...
Current configuration : 286 bytes
!
interface ATM5/0
atm mcpt-timers 50 100 200
pvc 0/32 12transport
cell-packing 6 mcpt-timer 2
encapsulation aa10
xconnect 203.203.203.203 1 encapsulation mpls
!
end
PE2#sh running-config interface ATM 2/2
Building configuration...
!
interface ATM2/2
atm mcpt-timers 50 100 200
pvc 0/32 12 transport
cell-packing 6 mcpt-timer 2
encapsulation aa10
xconnect 201.201.201.201 1 encapsulation mpls
end


셀 패킹 VP 모드 설정 예시
<예시 2>에서 PE1은 셀 패킹 VP 모드로 설정되고 PE2 설정은 대칭형이다. MNCP는 6개 셀이고, MCP는 100μs이다.

예시2
PE1#sh running-config interface ATM 5/0
Building configuration...
Current configuration : 263 bytes
!
interface ATM5/0
atm mcpt-timers 50 100 200 << 밀리세컨드 단위로 3대의 독립적인 타이머
atm pvp 1 12transport
cell-packing 6 mcpt-timer 2 << MNCP 6과 MCPT 100 밀리세컨드
xconnect 203.203.203.203 1
encapsulation mpls
end


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셀 패킹 포트 모드 설정 예시
<예시 3>에서 PE1은 셀 패킹 포트 모드로 설정되고 PE2는 대칭형이다. MNCP는 6개 셀이고 MCPT는 100μs이다.

예시3
PE1#sh running-config interface ATM 5/0
Building configuration...
Current configuration : 238 bytes
!
interface ATM5/0
atm mcpt-timers 50 100 200
cell-packing 6 mcpt-timer 2
xconnect 203.203.203.203 1 encapsulation mpls
end

예시 1에서 셀 패킹 검증:

PE1#sh atm cell-packing
average average
circuit local nbr of cells peer
nbr of cells MCPT
type MNCP rcvd in one pkt MNCP
sent in on pkt (μs)
ATM5/0 vc 0/32 6 6
6 6 100

PE2#sh atm cell-packing
average average
circuit local nbr of cells peer
nbr of cells MCPT
type MNCP rcvd in one pkt MNCP
sent in one pkt (μs)
ATM2/2 VC 0/32 6 6
6 6 100


셀 패킹 구축의 중요성
셀 패킹을 구축하려고 계획할 때 네트워크 트래픽 패턴과 SLA(Service-Level Agreements) 상에 기반한 MCPT와 MNCP 값을 고려해야 한다. 추가적인 레이턴시와 지터는 최상의 MCPT와 MNCP 값을 선택함으로써 컨트롤될 수 있는 셀 패킹 기간 동안 유발된다.

이상적인 조건임을 가정해볼 때, 다음은 각각 MNCP 사이즈 2와 28개의 셀에 필요한 이론적인 MCPT 타임아웃 값이다. 이러한 사례는 입력 트래픽이 엔진 3 ATM OC-3이나 OC-12 인터페이스 상의 회선 속도에 있다고 추정한다. 셀 패킹 네트워크 디자인을 위한 툴로 <공식 1>을 사용해볼 수 있다.

공식 1:
이론적인 MCPT(μs)=MNCP_사이즈(cell) / 입력_트래픽_속도(cell/s)

사례 1:
MNCP 사이즈=2 셀
OC-3 회선 속도 입력 트래픽 속도=353208cps
공식 1을 사용하면, 이론적인 MCPT=5.662μs

사례 2:
MNCP 사이즈=28 셀
OC-3 회선 속도 입력 트래픽 속도=353208cps
공식 1을 사용하면, 이론적인 MCPT=79.27μs

사례 3:
MNCP 사이즈=2 셀
OC-12 회선 속도 입력 트래픽 속도=1412832cps
공식 1을 사용하면, 이론적인 MCPT=1.416μs

사례 4:
MNCP 사이즈=28 셀
OC-12 회선 속도 입력 트래픽 속도=1412832cps
공식 1을 사용하면, 이론적인 MCPT=19.82μs

앞서 계산된 MCPT 값은 이론상의 값이긴 하지만, 네트워크 디자인 계산 시 50μs 인크리먼트 내외 50μs~25ms의 하드웨어 프로그램 가능 범위를 계산에 넣을 필요가 있다. 셀 패킹이 MCPT를 준비하는 동안 ATM 스위칭, 네트워크 전파지연, 대기시간과 스케줄 지연, 혼잡 지점에서 레이턴시나 지터의 원인이 되는 CTD(Cell Transfer Delay)를 위한 예산이 필요하다.

앞서 나온 계산은 셀 패킹이 대역폭을 향상시키는데 도움이 된다는 사실을 보여준다. 그러나 보다 많은 셀을 패킹하면, 패킹되는 셀은 어느 쪽이든 먼저 일어나는 셀들이 패킹용으로 수신되거나 MCPT가 완료될 때까지 기다려야 한다. 이 셀은 부가 CTD(레이턴시), 셀 시간 지연편차(Cell Delay Variation;CDV 혹은 지터)를 처음 도입하게 된다.

시스코 IOS 소프트웨어는 MCNP와 MCPT 값 범위를 사용자들이 설정할 수 있도록 트레이드오프(tradeoff)를 조절하기 위해 유연한 노브(knobs)를 제공하며, 깐깐한 SLA 조건을 만족시키기 위해 CTD와 CDV의 최적화를 허용하고 있다.

(사용자 네트워크 인터페이스(UNI)가 CTD, CLR, CDV가 실행되는 장소인) CBR과 VBR-RT 같은 실시간 트래픽 ATM 서비스 카테고리의 경우, SLA 상의 셀 패킹에서 나온 CTD와 CDV를 최대한 활용하려면(2~5개까지의 셀로 이뤄진) 최저 패킹을 사용하AUS 된다.

(UNI QoS 실행이 필요하지 않은 곳인) VBR-NRT와 UBR 같은 비-실시간 트래픽 ATM 서비스 카테고리의 경우, SLA 바운더리 내부에서(10개 이상의) 셀을 패킹할 수 있다.

결론은 셀 패킹이 ATM 셀을 연결함으로써 PSN 효율성을 향상시킨다는 점이다. 셀 패킹은 도입된 CTD와 CDV의 능률을 올리기 위해 MNCP와 MCPT 같은 유연한 노브를 제공하고 있다.



추가자료
 


■ 시스코 IOS 소프트웨어 릴리즈 12.0(30)S 12000, 7500, 7200 시리즈 AToM
    cisco.com/packet/174_5d2
■ 시스코 IOS 소프트웨어 릴리즈 12.0(30)S 12000, 7500, 7200 시리즈 계층 2 QoS
    cisco.com/packet/174_5d3
■ PWE3 ATM 트랜스페어런트 셀 전송 서비스
    ftp://ftp.rfc-editor.org/in-notes/internet-drafts/draft-ietf-pwe3-cell-transport-04.txt



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