본 논문에서는 공장자동화를 위한 제어네트워크로서의 스위칭 이더넷 네트워크의 성능을 분석한다. 스위칭 이더넷은 네트워크상에서의 충돌을 없앰으로써 실시간 데이터의 전송을 가능하게 하여 준다. 공장자동화 제어네트워크는 일반 컴퓨터 네트워크와는 달리 전송되는 데이터의 양은 적은 반면 실시간 전송을 요한다. 본 논문에서는 이더넷 스위치를 이용한 선형 및 트리 토폴로지의 네트워크에서 제어시스템이 요구하는 전송지연시간 요구를 만족하는지에 대해 분석한다.
이더넷 특유의 범용성과 라인 속도의 포워딩 기능을 제공하는 고성능 네트워크 프로세서의 등장으로 메트로 이더넷의 핵심 장비로 선보인 이더넷 스위치는 메트로 영역에서의 성공 여세를 몰아코어 영역까지 적용범위를 확장하고 있다. 이러한 이더넷 스위치의 시장 변화에 따라 세계 유수의 이더넷 스위치 벤더는 스위칭 용량에 있어서는 수 Tbps ∼ 수 십 Tbps, 라인 인터페이스 및 패킷 처리 능력에 있어서는 10 기가비트 이더넷을 넘어 이것의 후속 버전인 40 기가비트 이더넷 혹은 100 기가비트 이더넷을 수용하면서 캐리어 수준의 신뢰도를 제공하는 차세대 이더넷 스위치 개발을 가속화하고 있는 실정이다.(중략)
본 논문에서는 스위칭이더넷에서의 주기적 메시지에 대해 경성 실시간 통신을 위한 메시지 전송 모델을 제안하고, 각 메시지들을 마감시간 안에 전송하기 위한 메시지 스케쥴링 알고리즘을 제안한다. 제안하는 스케쥴링 알고리즘은 중앙노드 없이 동작하는 분산 알고리즘이고 스위치에 새로운 기능의 추가없이 송신자와 수신자 노드 사이에서 동작한다. 제안한 알고리즘은 새로운 주기적 메시지에 대한 전송요청이 오면 이미 스케쥴 되어 있는 주기적 메시지에 영향을 미치지 않고 송신 링크와 수신 링크에서 스케쥴링 가능한지 검사를 하고, 스케쥴링이 가능하면 전송 스케쥴을 생성한다. 본 논문에서 제안하는 스케쥴링 알고리즘은 스위칭이더넷에서 주기적 메시지에 대해 마감시간 내 전송을 보장하고, 새로운 메시지에 대한 동적인 추가가 용이하여 경성 실시간 시스템에서 유연한 메시지 전송 기법을 제공한다.
본고는 스위칭 기술과 스위칭 장비의 필요성, 특징 및 동작원리에 대해 서술한다. 특히 계층별 스위치의 개념, Transparent Bridging, Spanning Tree Protocol 등 동작원리에 대하여 서술한다. 또한 다양한 스위칭 기술을 살펴보고 앞으로 어떻게 발전될지를 살펴본다.
본 논문에서는 CAN네트워크와 Profibus 네트워크를 통합하기 위한 통합 프로토콜 게이트웨이를 설계, 구현하였다. CAN/Profibus 네트워크를 통합하기 위하여 스위칭이더넷을 백본 네트워크로 사용하였고, 각각의 필드버스 네트워크는 CAN/Ethernet 및 Profibus/Ethernet 게이트웨이를 이용하여 이더넷 스위치에 연결되며, 각 게이트웨이는 필드버스 프레임과 이더넷 프레임 사이의 변환을 수행한다. 또, 스위칭 이더넷 환경에서 게이트웨이 사이에 분산 경성 실시간 스케줄링 알고리즘을 적용하여 메시지의 실시간성을 만족할 수 있게 하였다. CAN/Ethernet 및 Profibus/Ethernet 게이트웨이 구현을 위해 실시간 메시지 전송을 지원하는 리눅스 2.6.31.12 Real-Time Patch 버전을 사용하였고, 실제 구현을 통해 메시지의 성공적인 변환과 실시간성을 확인할 수 있었다.
고속 네트워크 장비에 네트워크프로세서의 사용이 보편화되고 라우팅 기능과 패컷처리 기능을 분리하는 분산형 시스템 구조가 이용됨에 따라 대용량의 트래픽을 매우 빠르게 처리하는 향상된 성능을 보일 수 있으나, 제어평면과 데이터 평면 사이에 추가 메시지 교환이 필요하여 시스템 내부 통신 지연이 증가하는 문제가 발생한다. 본 논문에서 제안한 구조는 이더넷 프로텍션 스위칭 기술에 필요한 패킷 처리 기능 블록들을 효율적으로 배치하여 설계함으로써, 메시지 교환에 따른 지연의 증가에도 불구하고 단일 링크의 장애 발생 시 50 msec급 수준의 빠른 절체 성능을 보인다. 이에 따라 높은 신뢰성과 수십 기가비트의 광대역 전송이 요구되는 캐리어 이더넷 시스템에 적합한 선형 프로텍션 스위칭 기술의 설계 및 구현 방안을 제공할 수 있다.
FTTH상용화, IEEE802.11n 무선랜 기술의 상용화 등과 같은 초고속 전송기술의 발전에 따라 홈네트워킹 환경 또한 급격하게 변화하고 있다. 100Mbps를 초과하는 많은 홈네트워킹 기술들의 개발로 인해 홈게이트웨이에 보다 넓은 대역의 LAN 인터페이스를 요구하게 되었고, xDSL이나 케이블모뎀 기반의 가입자망과의 대역폭 차이는 고성능의 QoS 기능을 요구하게 되었다. 이러한 통신환경을 토대로 홈게이트웨이의 기능에 대한 요구사항을 분석하고 홈게이트웨이용 스위칭 칩의 개발규격을 도출하였다. 그리고 새로운 네트워크 기반의 비즈니스 모델을 개발하고자 하는 통신사업자의 요구사항과 QoS나 IPv6등의 다양한 네트워크 요구사항을 등을 유연하게 수용할 수 있으며, 칩의 기능과 성능을 수정하 또는 추가할 수 있는 네트워크 프로세서 기반의 기가빗 스위치 칩을 개발하였다. 개발 칩은 패킷 프로세서로 Layer 4까지 의 패킷헤드를 처리하고, 2기가빗이더넷 + 6패스트이더넷 포트를 갖도록 설계하였으며, FPGA를 이용하여 스위칭 칩의 기본적인 전송기능과 성능, Flow별 패킷 분류 및 패킷 필터링, 스케쥴링 기능 등의 시험을 통하여 설계한 칩의 기능과 성능을 확인하였다.
인터넷상의 망 장비는 크게 2 계층 스위치와 3 계층 라우터로 구분할 수 있으며, 2 계층 스위치는 IEEE 802.1D, IEEE 802.1Q 규격에 따라 수신된 이더넷(Ethernet) 프레임의 목적지 MAC 주소에 기반한 2 계층 스위칭 기능을 제공하며, 3 계층 라우터는 IETF 의 규격에 따라 수신된 이더넷 프레임의 목적지 IP 주소에 기반한 3 계층 라우팅 기능을 제공한다. 하지만 최근에는 기술의 발달에 따라서 엄연히 구분된 두 가지 기능을 하나의 시스템에서 제공하는 것에 대한 요구가 증가하게 되었다. 이에 본 논문에서는 가상 랜(VLAN) 기반의 2 계층 스위치에서 가상 인터페이스 기반의 라우팅 기능을 구현한 후, 라우팅 기능을 원하는 가상 랜 가입자에게 해당 가상 랜을 가상 인터페이스(Virtual Interface)에 맵핑하는 것에 의해서 3 계층 라우팅 기능을 제공하는 시스템 구조 및 제안된 시스템에서의 패킷 처리 절차를 제시하고자 한다. 본 논문에 제시된 방법에 의해서 가입자들은 저렴한 비용으로 인터넷 서비스를 제공받을 수 있으며, 망 사업자는 다른 가상 랜간의 통신을 위한 가상 랜 라우팅(VLAN Routing) 기능을 부가적으로 쉽게 제공할 수 있고, 해당 시스템의 인터페이스를 2 계층 스위치 포트 또는 3 계층 라우터 포트로 융통성있게 설정할 수 있다.
최근 대부분의 전송기술이 이더넷으로 통일되는 경향에 힘입어, 예전에 비하여 이더넷은 대단한 주목을 받고 있다. 본 연구에서는 최적의 MAC 코어 설계에 대해 연구하였는데, 이는 상위 계층 인터페이스, 전송엔진, 플로우 컨트롤 블록, 수신엔진, 정합 부계층, 초기설정 블록, 상태전송 블록, XCMII 인터페이스 블록으로 구성된다. 하드웨어 설계를 위해 10Gbps 이더넷 Data Link 계층의 MAC 코어를 C언어로 성능평가를 실시하여 내부 GIFO와 파라미터 초기값을 도출하였다 내부 FIFO는 $95\%$의 트래픽이 발생시 512 크기로 사용 가능하고, $97\%$의 트래픽이 발생시에는 1024 크기가 적합하였다. 성능결과를 토대로, VHDL 언어로 설계하여 검증하였다. 설계된 MAC 코어는 64비트의 데이터를 처리하고 168.549MHz를 지원하여 전송효율이 최대 10.78Gbps까지 지원하므로, 10Gbps 이더넷의 스위칭 장비의 인터페이스 모듈로 응용이 가능하다.
대용량 통신처리시스템은 정보이용자들과 정보제공센타들이 접속하는 이종망들의 연동을 통해 정보 서비스를 제공하고 있다. 이때 사용자 레벨의 서비스를 지원하기 위해서는 정보이용자와 정보제공센타간에 가상 경로를 제공해야 한다. 본 논문에서는 이더넷 백본 스위칭 기반의 대용량 통신처리 시스템 (AICPS+)에서 사용자 레벨의 가상회선을 제공하기 위한 통신처리 노드의 호접속 제어 프로토콜을 설명한다. 이 프로토콜에 의해 설정되는 가상회선을 통하여 정보이용자와 정보 제공센터들간에 데이터들이 투명하게 전달된다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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