ATM의 구조와 데이터 전송 과정

 

비동기식 전송 방식 ATM (Asynchronous Transfer Mode)

 

https://slideplayer.com/slide/5737291/

 

ATM은 고속 네트워크에서 데이터, 음성, 영상 트래픽을 효율적으로 처리하기 위해 설계된 기술이다.

 

여러 유형의 트래픽(음성, 영상, 데이터)을 동시에 통합하여 (멀티플렉싱) 전송하고,

데이터를 고정된 53바이트 (헤더 5바이트 + 데이터 48바이트) 크기의 셀(패킷) 단위로 전송하는데

고정된 크기 덕분에 전송이 간단하고 처리 지연이 최소화되어 음성과 같은 실시간 데이터 전송에 유리하다.

 

 

 

또한 QoS (Quality of Service)를 지원하여 다양한 서비스 품질을 제공하기에, 음성 통화나 비디오 스트림 같은 실시간 서비스에 최적화되어있다.

 

 

 

 

 

 

 

ATM Cell

 

 

ATM Cell은 네트워크에서 데이터를 일정하고 효율적으로 전송하기 위해 설계된 기본 단위다.

5바이트 헤더(header)와 48바이트 페이로드(payload), 이렇게 고정된 크기의 53바이트로 이루어져 있다.

 

 

고정된 크기의 셀로 인해 처리와 전송이 일정하여 예측 가능한 성능을 보장할 수 있고

크기가 고정되어 있으므로 빠른 스위칭과 처리를 지원한다.

( 작은 고정 크기의 셀은 네트워크 지연과 처리 시간을 최소화하기 때문에 음성, 비디오 같은 실시간 데이터 전송에 유리 )

 

헤더 (5바이트)

헤더는 셀의 목적지와 경로를 식별(라우팅)하고 오류를 제어하는 데 사용된다. 주요 필드는 다음과 같다

• GFC (General Flow Control): 네트워크 흐름 제어에 사용(4비트).
• VPI (Virtual Path Identifier): 가상 경로 식별(8비트).
• VCI (Virtual Channel Identifier): 가상 채널 식별(16비트).
• PT (Payload Type): 페이로드 상태 표시(3비트).
• CLP (Cell Loss Priority): 셀 손실 우선순위 지정(1비트).
• HEC (Header Error Control): 헤더 오류 검출 및 교정(8비트).

 

페이로드 (48바이트)

데이터 전송의 핵심 역할을 담당하며 음성, 비디오 등 실제 데이터를 담고 있다. 

 

 

 

 

 

 

 

 

ATM의 구조

 

https://slideplayer.com/slide/8507301/

 

ATM 네트워크는 음성, 비디오, 데이터 트래픽을 통합적으로 처리하기 위해서  3개의 계층을 통해 데이터를 전송한다.

 

 

 

 

AAL (ATM Adaptation Layer) 

 

이 계층은 다양한 유형의 트래픽(음성, 데이터, 비디오 등)을 ATM 셀로 변환한다.

데이터가 다양한 애플리케이션으로부터 올 수 있으므로 이를 ATM 네트워크가 처리 가능한 형태로 변환하는 것이다.

 

 

이 과정에서 데이터를 48바이트 크기의 페이로드로 나누고, 각 셀에 필요한 헤더를 추가한다.

 

 

 

 

 

ATM Layer

 

Adaptation Layer에서 변환시킨 셀을 고정 크기의 ATM Cell 데이터로 캡슐화하는 계층이다.

 

여기에서는 셀에 경로 설정과 오류 제어를 담당하는 헤더(5바이트)를 추가한다.

이 헤더 부분에는 데이터 흐름을 관리하는 가상 경로 VPI, 가상 채널 VCI, QoS 정보가 들어있는데,

이 정보를 통해 각 셀을 올바른 목적지로 다중화(Multiplexing)하여 전송한다.

 

 

 

 

 

Physical Layer (물리 계층)

 

ATM 셀을 물리적인 신호(전기적 또는 광학적)로 변환하여 전송하는 계층이다.

 

네트워크 하드웨어(스위치, 라우터) 간 데이터를 연결하여, 데이터를 실제 네트워크 매체(광섬유, 구리선 등)를 통해 전송한다.

 

또한 송신과 수신 간 동기화 및 오류를 검출한다.

 

 

 

요약

1. Adaptation Layer:
   • 애플리케이션 데이터를 받아서 ATM 셀로 변환.
   • 음성, 데이터, 비디오와 같은 트래픽을 구분하고 적절히 처리.
2. ATM Layer:
   • 셀 헤더를 추가하고, 각 셀을 네트워크 상에서 적절히 라우팅.
   • 가상 경로(VPI)와 가상 채널(VCI)을 통해 데이터 흐름 제어.
3. Physical Layer:
   • ATM 셀을 물리적 신호로 변환하여 전송.
   • 물리적 네트워크를 통해 셀을 전달.

 

 

 이와같은 계층을 거쳐서 다음의 과정을 수행한다.

 

1. 수집: 음성, 비디오, 데이터와 같은 다양한 트래픽이 네트워크로 입력
2. 변환: 적응 계층에서 데이터를 48바이트로 나누고, 트래픽 유형에 맞게 처리(AAL1~AAL5).
3. 셀 생성: ATM 계층에서 48바이트 페이로드 + 5바이트 헤더로 53바이트 ATM 셀을 생성.
4. 다중화와 전송 경로 설정: 가상 경로(VP)와 가상 채널(VC)로 셀을 다중화하여 전송.
5. 물리적 전송: 물리 계층에서 네트워크를 통해 셀을 전달.
6. 재조합: 수신 측에서 셀을 원래의 데이터로 재조합하여 복원.

 

 

결국 AAL 계층에서 데이터를 분할하고, ATM 계층에서 셀을 생성하며, 물리 계층에서 이를 신호로 변환하여 전송한다.

 

 

 

 

 

이를 종합하여 각 계층에서 이뤄지는 전체적인 데이터 전송 과정은 다음과 같다.

 

 

 

 

1. 데이터 수집

다양한 데이터 유형(예: 음성, 비디오, 데이터)이 각각의 소스에서 네트워크로 입력된다.
이 데이터들은 각기 다른 특성을 가지고 있지만, ATM 네트워크는 이를 모두 동일한 방식으로 처리할 수 있도록 설계됐다.

 

 

2. 데이터 변환 ( Adaptation 계층 )

수집한 데이터를 ATM Adaptation Layer (AAL)에서 트래픽 유형별로 데이터를 처리하여 ATM 셀에 맞게 변환한다.

• 음성과 같은 실시간 데이터는 AAL1(연속 전송)에 의해 처리.
• 비디오 스트리밍과 같은 트래픽은 AAL2(저지연 처리)에 의해 처리.
• AAL3/4는 연결 / 비연결 데이터 서비스를 지원한다.
• 데이터 트래픽(파일 전송 등)은 AAL5(신뢰성 보장)에 의해 처리.

 

처리된 데이터를 고정 크기(48바이트)의 페이로드 단위로 나누고, 이를 ATM 셀로 변환.

 

 

3. 셀 분할 및 생성 (Cell Segmentation)

Adaptation 계층에서 준비된 48바이트의 페이로드에 5바이트 헤더를 추가하여 53바이트의 고정 크기 ATM 셀을 생성한다.

 

이 때, 헤더에 포함된 정보

• VPI (Virtual Path Identifier): 가상 경로를 식별하여 전송 경로를 정의.
• VCI (Virtual Channel Identifier): 특정 채널의 연결을 식별.
• CLP (Cell Loss Priority): 네트워크 혼잡 시 우선순위를 통해 데이터 손실 여부 결정.
• HEC (Header Error Control): 헤더 오류 검출 및 복구.

 

 

 

4. 전송 경로 설정 (스위칭 및 전송)

ATM Layer는 데이터 흐름을 위한 가상 경로와 가상 채널을 설정한다.

동일한 경로를 공유하는 여러 채널을 통합(멀티플렉싱)하여 셀 단위로 데이터를 고속 전송한다.

• 가상 경로(Virtual Path, VP): 여러 가상 채널(VC)을 묶어 네트워크 대역폭을 효율적으로 사용.
• 가상 채널(Virtual Channel, VC): 데이터 흐름을 식별하여 셀이 목적지까지 정확히 전달되도록 보장.

 

 

 

5. 물리적 전송

Physical Layer에서 ATM 셀을 실제 네트워크 매체(광섬유, 구리선 등)를 통해 전송한다.

 

셀은 네트워크 장비(스위치, 라우터)를 통과하며 최적의 경로로 전달되는데

혼잡 상황에서도 셀의 우선순위(CLPT) 정보를 사용하여 중요한 데이터가 우선 전송된다.

 

 

 

6. 데이터 재조합 (수신 측)

 

목적지에 도달한 ATM 셀은 헤더 정보(VPI/VCI)를 기반으로 올바른 순서를 확인하고 재조립된다.

 

수신쪽의 적응 계층(AAL)에서 데이터를 원래의 형태로 복원한다.

(음성은 음성으로, 비디오는 비디오로, 데이터는 파일이나 웹 트래픽으로 복원)

 

 

 

 

 

 

 

 

트래픽 유형

 

ATM 시스템은 다양한 트래픽 유형을 효율적으로 처리하기 위해 트래픽 유형(CBR, VBR, ABR, UBR)과 QoS 매개변수(CDV, CLR, PCR 등)를 설정한다.

 

고정 비트 전송률 CBR, 가변 비트 전송률 VBR 등의 매개변수들은 굳이 따로 외울필요는 없어보이고.. 필요하면 그때 따로 검색해보자.

 

 

 

이와 같은 매개변수들을 굳이 설정하는 이유는

ATM 시스템에서 각 트래픽 타입(음성전화, 비디오, 인터넷 데이터)마다 셀 지연 변동(CDV), 셀 손실률(CLR), 셀 지연(CDT)에 대한 민감성이 다르기 때문이다.

 

 

 

트래픽 유형별 QoS 민감도

 

트래픽 유형	셀 지연 변동 (CDV)	셀 손실률 (CLR)	셀 지연 (CDT)
1. 음성 전화	매우 민감	매우 민감	매우 민감
2. 비디오 컨퍼런싱	매우 민감	민감	민감
3. 비디오 요구사항	민감	민감	덜 민감
4. 인터넷 데이터	덜 민감	덜 민감	덜 민감

 

대화의 흐름이나 음질, 실시간 여부 등에 따라 지연 및 데이터 손실 등에 민감한 정도가 다름을 보여주는 표다.

 

 

 

 

 

여기에서 QoS의 매개변수는 사용자 중심 매개변수와 네트워크 중심 매개변수 이렇게 2개로 분류된다.

다시 한번 수많은 매개변수들이 있지만, 그 중 사용자 매개변수인 SCR과 MCR의 차이를 비교해보자.

 

 

 

SCR와 MCR의 주요 차이

항목	SCR (Sustained Cell Rate)	MCR (Minimum Cell Rate)
정의	지속 가능한 평균 셀 전송 속도	보장된 최소 셀 전송 속도
목적	네트워크의 효율성을 유지하며 평균 전송 속도를 안정화	네트워크 상태와 관계없이 최소 전송 속도를 보장
사용 대상	실시간 데이터 전송 애플리케이션	최소한의 데이터 전송률이 중요한 애플리케이션
주요 특징	평균값으로 측정되며 지속적인 대역폭 사용 보장	네트워크 혼잡 상황에서도 최소 속도를 유지
사용 사례	음성 통화, 비디오 스트리밍	파일 전송, 비실시간 데이터 서비스

 

 

SCR은 사용자가 요청한 평균 전송률을 나타내며, 주로 지속적인 전송 품질을 요구하는 실시간 애플리케이션에 사용된다.

 

MCR은 네트워크가 혼잡하더라도 반드시 보장되어야 하는 최소 전송률을 정의하며, 데이터 무결성을 보장하는 데 사용된다.

 

 

 

 

 

 

 

 

ATM 네트워크의 Plane

 

 

ATM 네트워크는 User Plane, Control Plane, Management Plane이라는 세 가지 주요 Plane으로 구성된다.

이 구조는 데이터 전송과 네트워크 관리, 제어 기능을 명확히 분리하여 효율적이고 안정적인 서비스 제공을 목표로 한다.

 

 

 

 

User Plane

 

실제 데이터 전송을 담당한다.

사용자 데이터가 이 경로를 통해 전송되며, 데이터의 흐름과 변환이 이뤄진다.

위에서 배운 Layer들로 구성되어 있다.

 

 

 

 

Control Plane

 

연결 설정, 관리 및 해제를 담당한다.

네트워크에서 데이터 전송 전에 경로를 설정하고, 전송이 끝난 후 연결을 해제한다.

또한 네트워크의 상태를 모니터링하고 트래픽 관리를 한다.

 

여기에서 Control Plane은 User Plane의 데이터 전송과 별개로 동작한다.

 

 

 

 

Management Plane

 

네트워크와 시스템의 관리를 담당하는 계층으로, 네트워크 운영을 위한 설정과 유지보수를 한다.

이 계층은 네트워크의 트래픽 상태를 분석하고, 자원 배분을 조정하여 전체 시스템의 효율성과 안정성을 유지한다.

 

 

 

Management Plane은 두 가지 주요 구성 요소로 나뉜다.

 

1. Layer Management
   • 각 계층의 관리 기능을 수행한다.
     • 오류 검출: 네트워크에서 발생하는 문제를 감지.
     • 성능 모니터링: 계층별 작동 상태를 확인.
     • 설정 수정: 네트워크 설정을 최적화하거나 수정.
   • 예를 들어, ATM Layer에서는 셀 포워딩 문제를 감지하고 이를 해결하는 작업을 수행한다.
2. Plane Management
   • User Plane과 Control Plane의 관리와 조정을 담당하며, 시스템 전반에 걸친 효율적인 자원 운영을 보장한다.
   • 주요 작업
     • 자원 할당: 네트워크 자원을 적절히 분배하여 서비스 품질을 유지.
     • 유지보수: 네트워크 상태를 실시간으로 점검하고, 안정적인 운영을 지원.
     • 상태 모니터링: 트래픽 흐름과 네트워크 성능을 지속적으로 관찰.

 

 

 

 

 

이러한 ATM 구조는 각각의 Plane(User Plane, Control Plane, Management Plane)으로 명확히 분리되어 있어, 각 Plane이 자신의 역할에 집중함으로써 네트워크의 효율성과 안정성을 극대화한다.

 

User Plane은 데이터 전송에만 집중하여 사용자 데이터를 빠르고 안정적으로 전달하며,

Control Plane은 연결 설정 및 관리 작업에만 집중하여 네트워크 경로 설정과 상태 관리를 책임진다.

이러한 분리 덕분에 각 Plane이 독립적으로 작동하며, 효율적인 작업 수행이 가능하다.

 

 

 

또한 각 계층은 독립적으로 관리될 수 있으므로, 새로운 서비스 추가나 네트워크 확장이 필요할 때 유연하게 대처할 수 있다.

예를 들어 음성, 비디오, 데이터와 같은 서로 다른 특성을 가진 트래픽을 하나의 네트워크에서 효율적으로 처리할 수 있다.

 

 

게다가 Management Plane을 통해 ATM 네트워크는 다양한 서비스 요구 사항을 충족하면서도 높은 수준의 신뢰성과 효율성을 유지할 수 있다.