2부7장 광역 통신망, 프레임릴레이 (Frame Relay)

지금까지 DTE와 공중 패킷 교환 데이터 망 (packet switched public data network) 간의 데이터 전송 표준 프로토콜로써 가장 많이 사용되었던 것은 X.25이다. X.25는 가상 회선의 연결과 해제에 사용되는 제어 패킷들과 사용자의 데이터 전송에 사용되는 데이터 패킷들이 같은 채널을 통하여 전송 (in-band signaling)되기 때문에 그것들이 각기 다른 채널로 전송 (out-of-band signaling)되는 방식에 비해 더 많은 오버 헤드를 갖게 된다.

또한, X.25는 가상 회선의 다중화가 계층 3 (패킷 계층)에서 수행되므로 이를 위해 데이터는 반드시 계층 3까지 도달하여야 하고, 흐름 제어와 에러 제어가 계층 2 (링크 계층)와 계층 3에 중복되어 있는 탓에 패킷들의 전달 과정에서 많은 오버 헤드를 발생시킨다.

이러한 X.25의 특징들은 전송매체의 전송 에러 율이 높을 때에는 적절한 방법이라고 할 수 있지만, 최근에 전송 에러 율이 급격히 감소하고 있으므로 앞으로의 통신 망에 맞는 좋은 프로토콜이라고는 말할 수 없을 것이다.

프레임 릴레이는 X.25가 갖는 오버 헤드를 제거한 프로토콜이다. 자세히 말하면, 데이터 패킷과 제어 패킷이 다른 채널을 통하여 전송되도록 하고 전체 계층을 2개로 구성하여 다중화가 계층 2에서 이루어지도록 하였다. 그리고, 망 내에서는 에러 제어나 흐름 제어를 수행하지 않으며 이것이 필요할 경우, 종단 사용자의 상위 계층에서 실시하도록 하였다. 이러한 이유로 프레임 릴레이는 X.25를 대치할 수 있는 새로운 프로토콜로써 등장하게 된 것이다.

프레임 릴레이는 기존의 X.25의 패킷 전송 기술을 고속 데이터 통신에 적합하도록 개선한 것으로 패킷교환방식의 장점인 통계적 다중화 방식의 효율성과 회선교환방식의 장점인 고속 전송의 특성을 결합했다. 프레임 릴레이는 순서 제어, 저장 후 전송, 에러 복구 등의 처리 절차를 생략하는 등 데이터 처리 절차를 단순화시킴으로써 Performance를 향상시켰다. 또한, 프레임 릴레이는 광대역 종합정보통신망인 ATM의 전 단계 고속 정보 교환 방식이라고 할 수 있다.

우선 Graphic Data의 전송, LAN의 급증, Client/Server환경 아래에서의 고객들의 고성능에 대한 요구가 급증했고, LAN의 순간적인 대량 데이터 (Burst) 전송의 필요성이 증가하게 되었다. 또한, 전송 회선 환경의 개선으로 망 내에서의 에러 검색, 에러 정정 등의 복구 과정이 불필요하게 되었으며, 단말 장비의 지능화로 OSI-7 계층의 하위 계층의 기능이 응용 계층에서도 수행할 수 있게 되었다.

1990년 The Group of Four라 불리는 DEC (Digital Equipment Corporation), Telecommunication회사인 Northern Telecom , LAN Bridge와 Router장비로 이름이 높은 Cisco, TDM과 최초의 Cell based Switching Mux로 알려진 Stratacom 회사가 Frame Relay에 대한 규격을 발표하였다.

그 후에, ANSI (American National Standard Institute) 에 의해 T1.606, T1.617, T1.618, CCITT (ITU-T) 에 의해 I.122, I.233, Q.922, Q.933, I.370, I.555가 발표되었고 현재는 1990년 10월 16일 17개 회사로 구성된 The Frame Relay (implementors’) Forum이 프레임 릴레이에 대한 표준화 작업을 진행하고 있다.

교환기들 사이의 switching이 호 (call) 단위로 이루어지는 방식이며, 대표적인 예로는 전화를 들 수 있다. 이 방식은 호 연결이 설정되어 있는 동안은 송신과 수신 사이에 물리적인 전용선의 효과가 나타나기 때문에 사용 중인 회선은 다른 사용자가 사용할 수 없다. 그리고, 시 분할 다중화, 주파수 분할 다중화 방식을 이용하여 하나의 물리적인 전송 매체를 여러 사용자가 동시에 사용할 수 있도록 한다.

호 내에서 사용자가 전송하는 정보가 패킷으로 만들어져 전송되고, 교환기 사이의 switching이 패킷 단위로 이루어지는 방식이다. 이 방식은 각 교환기들이 일정한 길이를 갖는 패킷을 전송하는 방식으로 사용자 정보를 전송하므로 하나의 전송 매체에 여러 사용자의 패킷이 동시에 전송될 수 있다. 또한, 망 내 교환기들은 패킷이 중계될 때 에러 제어 및 흐름 제어 기능을 수행하기 때문에 회선 교환 방식에 비하여 더 낳은 전송 품질을 보장할 수 있다. 그 종류로는 데이터 그램 방식과 가상 회선 방식이 있다.

데이터 그램 방식에서는 모든 패킷이 독립적으로 취급되고 routing도 패킷 단위로 이루어지므로, 많은 양의 정보를 전송할 경우에 수신 측에 도착하는 패킷의 순서는 송신 측에서 전송한 순서와 다를 수 있다. 따라서, 수신 측에서는 도착하는 패킷을 계속 저장하고 그 순서를 맞추어야 하는 부담을 갖게 되지만, 송신 측과 수신 측 사이에 연결 설정이 필요하지 않으므로 가상 회선 방식에 비해 더 빠른 전송이 가능하다.

데이터 그램 방식과 다른 방식으로는 가상 회선 방식이 있다. 이 방식은 사용자가 데이터를 전송하기 전에 호 연결을 설정하는 과정을 거치도록 한 후 패킷들을 동일한 교환기를 통하여 전송되도록 하는 것이다. 패킷이 전송되는 경로가 일정하므로 마치 패킷이 전송되는 전용 회선이 있는 것과 같은 효과를 낳는다. 또한, 패킷들이 중계될 때 망 내 교환기들에서 에러 제어 및 흐름 제어 기능을 제공하므로 데이터 그램 방식에 비하여 더 낳은 전송 품질을 보장할 수 있다.

이러한 가상 회선 방식에는 가상 회선을 위한 망 내 교환기들 간의 연결이 사용자가 가상 회선 연결을 설정할 때 생성되어 해제할 때 제거되는 교환적 가상 회선 방식 (SVC, switched virtual circuit) 과 가상 회선을 위한 망 내 교환기들 간의 연결이 항상 이루어져 있어서 연결 설정 과정이 없이 즉시 데이터를 전송할 수 있는 영구적 가상 회선 방식(PVC, permanent virtual circuit)으로 나눌 수 있다.

DCE간 가상 회선이 존재해야 하는 Connection Oriented 데이터 전송을 함으로써 전용 회선을 이용하는 효과를 얻을 수 있으며, High Throughput & Low Delay 가 가능하다. 그 이유는, OSI-2 계층을 이용하고 최대 45Mbps까지의 속도를 낼 수 있으며 전송상의 에러를 사용자 측의 단말기에서 처리하기 때문이다. 또한, 전송 에러 발생 시에는 그 패킷을 폐기하고 다시 전송함으로써 고속의 액세스와 처리율을 보장할 수 있다는 것도 그 이유 중의 하나일 것이다.

또 다른 장점 중의 하나는 Logical Link를 지원한다는 것이다. 이 말은 하나의 물리적 회선에 PVC를 통해 여러 단말기 간의 통신이 가능하고, 동일한 회선 내에 다양한 Protocol을 수용할 수 있다는 뜻이다.

마지막으로 프레임 릴레이는 지리적으로 분산된 LAN들을 쉽게 연결할 수 있는 장점을 갖는다. 특히, Burst LAN traffic을 수용할 수 있고 접속 지역의 추가 및 삭제가 간편하며 전용선을 이용한 WAN 구성보다 가격이 훨씬 더 저렴하다.

지속적으로 많은 데이터를 처리하는 곳이나 장시간 계속되는 통신에는 적절하지 않으며,양단에는 가격이 비싼 라우터나 IBM FEP등 고기능 단말 장비를 설치해야만 한다. 또한, 전송로의 높은 품질이 요구되고 표준화된 폭주 제어 관리가 없기 때문에 프레임의 손실 위험이 있다.

다음으로 PVC, SVC모두 지원 가능한 X.25와는 달리 PVC만 제공되고 SVC는 제공되지 않으며 가변적 길이의 데이터 전송으로 인하여 delay에 민감한 voice나 video에는 적합하지 않다는 점 등이 있다.

프레임 릴레이 서비스는 프레임 중계 서비스 (frame relaying service)와 프레임 교환 서비스 (frame switching service)로 구분된다. 프레임 중계 서비스는 PVC설정 지원, 데이터의 송신 및 수신 기능, 에러 프레임 제거 등의 서비스를 지원하며 프레임 교환 서비스는 PVC설정 지원, 데이터의 송신 및 수신 기능, 에러 프레임 교정, UNI (user-to-network interface)에서의 양방향 흐름 제어 등의 서비스를 지원한다.

기본 프로토콜과 제어 프로토콜의 두 종류로 구분되는 프레임 릴레이의 프로토콜 구조에 있어서 프레임 중계 서비스는 기본 프로토콜을 이용하며, 프레임 교환 서비스는 제어 프로토콜을 이용하게 된다.

기본 프로토콜은 제어 프레임이 없기 때문에 에러 제어 및 흐름 제어의 기능 없이 사용자의 데이터만을 전송하게 된다.

Flag

Address Field

Information Field
(최대 4098Bytes)

Frame Check Sequence
(FCS)

Flag

위 표에서 Flag는 모든 프레임의 시작과 끝에 위치하여 프레임을 구분하는 역할을 하며,FCS는 2개의 CRC (Cyclic Redundancy Check)로 프레임의 에러를 검색하며 에러가 발생한 경우 해당 프레임은 제거된다. 각각의 길이는 1옥텟의Flag, 2~4옥텟의 Address Field, 2옥텟의 Frame Check Sequence이며, Information Field는 물론 가변적이다.

제어 프로토콜은 기본 프로토콜과는 달리 제어부 (Control Field)가 있어서 에러 제어 및 흐름 제어의 기능을 갖는다.

위 표에서 Control Field의 길이는 1/2옥텟이며 나머지는 기본 프로토콜과 같다.

위 표에서 C/R (Command/Response bit)는 기본 프로토콜에서는 사용되지 않고 제어 프로토콜에서 흐름 제어에 사용되며, EA (Extended Address bit)는 주소 영역의 추가 여부를 알리며 ‘0’ 은 추가를 의미하고 ‘1’ 은 끝을 의미한다.

또한, FECN (Forward Explicit Congestion Notification bit)과 BECN (Backward Explicit Congestion Notification bit)는 망 내의 혼잡을 제어할 목적으로 사용되는데, 특히 FECN은 데이터 진행 방향의 폭주 여부를 통보해주는 기능을 하며 BECN은 데이터 진행 반대 방향의 폭주 여부를 통보해주는 기능을 한다.

DE (Discard Eligibility bit)는 프레임의 폐기 가능 여부 표시 기능을 하는데, 그 절차는 우선 순위가 낮은 프레임을 set시킨 후 망 내에서 프레임들을 제거할 필요가 있을 경우 이 set된 프레임을 먼저 제거하는 원리이다. 여기에서 우선 순위가 낮다는 것은 사용자가 연결 설정 시 기술한 정도 이상의 traffic을 발생시킬 때나 종단 사용자의 장비에서 데이터가 중요하지 않은 것을 알 때를 의미한다.

DLCI (Data Link Connection Identifier)는 영구적 가상 회선 (PVC)을 구분하는 0부터 1023까지의 십진수의 Address로써 X.25와의 가상 회선 번호와 비슷한 기능을 하는데, 하나의 채널에 여러 개의 논리적인 프레임 중계 연결을 다중화 시키는 일을 담당하며 이 값은 프레임이 망 내의 각 노드를 경유할 때 값이 변경된다. 즉, 이 말은 가상 회선의 각 end points가 중복 없이 오직 한 개의 DLCI를 가진다는 뜻이다.

X.25의 프로토콜은 물리 계층, 링크 계층, 패킷 계층과 같이 3개의 계층으로 나누어지는 데 프레임 릴레이의 프로토콜은 이와는 달리 물리 계층, 링크 계층 등의 2개의 계층으로 구성된다.

OSI 참조 모델			X.25	Frame Relay
3계층	- 논리 채널 다중화 - 전송 오류 감지 - 재전송 제어		Layer 3	양측의 User System 에서 수행
2계층	상위 기능	- 순서 제어 - 타이머 관리 - 재전송 제어	Layer 2	양측의 User System 에서 수행
2계층	하위 기능	- 프레임 다중화 - 전송 에러 검출 - 0 삽입 및 삭제	Layer 2	Layer 2 핵심 (Core) 기능
1계층	- 전기적 신호 송수신		Layer 1	Layer 1

프레임의 종류에는 폐기 가능성에 따라 Green Frame, Amber Frame, Red Frame의 세 종류로 나누어 지는데, 그것들에 대한 설명은 다음과 같다.

Green Frame은 절대로 폐기되지 않는frame이며 Bc값 이내의 frame을 의미한다. 그리고, Bc값 이상 Be값 이내의 frame을 의미하는 Amber Frame은 DE가 설정된 frame으로 혼잡 (congestion)시 폐기될 수도 있으며 Red Frame은 DE가 설정되고 Graceful Discard feature가 setting된 frame으로 여기에서는 Graceful Discard feature가 disable되면 Red Frame은 무조건 폐기되고 Be값 이상의 frame이다.

앞에서 프레임의 종류에 대해서 설명할 때 Bc값과 Be값에 대해서 언급하였다. 이 장에서는 그것들에 대해 알아보기로 한다.

Bc (Committed Burst Size)값은 각 PVC마다 정의되는 것으로 Normal Condition상태에서 T시간 동안 Network이 받아들일 수 있는 (보장하지 않는) 최대 bits수를 말한다. 그리고, Be (Excess Burst Size)값은 Normal Condition상태에서 T시간 동안 Bc값 이상의 Network이 받아들일 수 있는 (보장하지 않는) 최대 bits수를 의미하는데 혼잡 (congestion)시에는 frame이 폐기될 수도 있다.

참고로 Normal Condition상태에서 보장하는 최저 전송 속도를 의미하는 CIR (Committed Information Rate)도 자주 언급되는데, 이것은 고객이 요구하는 회선 속도이다.

지금까지 간단하게 프레임 릴레이에 대해서 살펴보았다. 사실, 프레임 릴레이는 처음에 Frame-mode Bearer Service 라는 이름을 갖고 ISDN의 데이터 전송 프로토콜로서 시작하였으나, 차츰 향상되어 가는 성능과 저렴한 가격 때문에 독립적인 서비스를 지원하는 것이 가능하게 되었다.

프레임 릴레이는 높은 신뢰도를 갖는 전송 매체를 사용함으로써 에러 제어 기능을 망 내에서는 수행하지 않고 종단 DTE들 사이에서만 에러를 제어하도록 한 것이다. 그 결과, 망 내부 기능이 단순화 되었으며 따라서 망에서는 고속의 데이터 전송 기능을 제공할 수 있게 되었다.

그러나, 아직 까지는 해결해야 할 문제점이 많이 있다. 시간에 민감한 데이터의 전송에는 부적합하다는 점, 음성 및 영상 데이터 전송이 불가능하고 최대 45Mbps인 전송 대역폭이 미래의 통신망에는 충분하지 못하다는 점, 아직까지 표준화된 NNI (Network-to-Network Interface)를 지원하지 않음으로 인해서 서로 다른 기관에서 만든 망들의 연결이 어려울 수 있다는 점 등이다.

이러한 문제점을 해결하기 위한 꾸준한 노력과 약점을 보완할 수 있는 새로운 기술에 대한 연구가 계속해서 지속된다면 모든 이에게 사랑받는 범용적인 통신망으로써의 위치를 갖게 될 것이다.

제2부 원거리 통신망 입문(WAN)

제7장 광역 통신망, 프레임릴레이 (Frame Relay)