기가비트 이더넷(Gigabit Ethernet)의 이해

I. 서 론

최근에 와서 정보 처리의 많은 부분이 데스크탑 컴퓨터에 의해 이루어지고 있다. 이러한 데스크탑 컴퓨터들은 대부분 근거리 통신망(LAN: Local Area Network)으로 연결되어 있으며, 이들은 10Mbps의 이더넷(Ethernet)으로 연결된 경우가 많다. 또한 이러한 데스크탑 컴퓨터에서 처리하는 응용 서비스는 점점 복잡해 지고 LAN에 연결되는 개수도 많아져서 네트워크의 트래픽이 매우 빠른 속도로 증가하였다. 따라서 고속 네트워크의 필요성이 점차 증대되고 있다.
요즈음 사용 가능한 고속 LAN 기술 중에서 고속 이더넷(Fast Ethernet)이 가장 많이 사용되고 있다. 이것은 기존의 이더넷을 유연하게 100Mbps로 향상시킬 수 있기 때문이다. 최근에는 이러한 이더넷 기술을 발전시킨 초고속 네트워크 기술의 하나로 기가비트 이더넷이 등장하였다. 기가비트 이더넷은 고속 이더넷의 경우처럼 유연하게 초고속 네트워크를 구성할 수 있게 해 준다는 점에서 흥미롭다.
현재 네트워크 기술의 사용 현황을 보면, 1997년에 이더넷이 약 77%를 차지하고, 기타 ATM, FDDI/CDDI 및 토큰링 등이 13%를 차지할 것으로 IDC는 보고하고 있으며, 이러한 추세는 1999년 까지 계속될 것으로 예상하고 있다. 이처럼 이더넷은 네트워크 분야에서 매우 독보적인 위치를 고수하고 있다. 이처럼 많은 이더넷 사용자들 중에서 고속 네트워크로 성능 향상을 원하는 경우 여러가지 고속 네트워크 기술 중 어떤 기술을 선택해야 하는지와 비용은 얼마나 지불해야 하는가의 문제는 매우 현실적이며 심각한 상황이다.
따라서 본 고에서는 현재 비교적 저렴한 가격에 유연하게 고속 네트워크로 성능을 향상시킬 수 있어서 큰 관심을 끌고 있는 기기비트 이더넷에 대해 기술적인 측면과 표준화 현황에 대해 간략하게 살펴보고자 한다. 또한 기존의 고속 네트워크 기술인 ATM과의 장단점에 대해 비교해 보고자 한다.

II. 표준화 현황

표준화 문제는 통신이 단독적으로 동작하는 것이 아니라 상대와 서로 일정한 규약을 가지고 정보를 교환한다는 것이다. 이 규약이 다르면 서로 통신할 수 없으므로, 통신에서는 이 규약을 정하는 표준화 작업이 매우 중요하다. 따라서 기가비트 이더넷의 표준화 현황에 대해 먼저 살펴보자.
1996년 3월에 IEEE 802.3 위원회는 802.3z 기가비트 이더넷 표준화 프로젝트를 승인했다. 곧이어 1996년 5월에 11개 회사(3Com Corp., Bay Networks Inc., Cisco System Inc., Compaq Computer Corp., Grantie Systems Inc., Intel Corp., LSI Logic, Packet Engines Inc, Sun Microsystems Computer Company, UB Networks, VLSI Technology)가 참여하여 기가비트 이더넷 연합(alliance)을 결성하였다. 현재는 여기에 95개의 회사가 참여하고 있다. 이 연합은 개방적이고 호환성 있는 기가비트 네트워크를 제안한다는 취지 하에서, 현존하는 이더넷 및 고속 이더넷의 기술을 확장하고, 표준에 포함되는 기술적 제안들을 개발하고, 상호 운용성을 위한 테스트 절차 및 과정을 확립하는 것이 그 목적이다.



기가비트 이더넷의 표준안 중 802.3z는 1998년 7월에 승인/출판되었으며, 802.3ab는 1999년 상반기에 완료될 것으로 보인다. 참고로 (그림 1)은 IEEE 802.3의 표준화 그룹별 진행 상황을 나타내었으며, (그림 2)는 항목별 진행 상황을 나타내었다.

III. 기가비트 이더넷의 특성

1. 기가비트 이더넷의 구성

(그림 3)은 기가비트 이더넷의 기능별 구성 요소를 나타내었다. 기가비트 이더넷은 물리계층의 매체로는 광섬유(fibre-optic cable) 및 구리선(copper cable) 두 가지를 지원하며, 또한 각 매체의 인코더/디코더 부분과 MAC(Media Access Control), GMII(Gigabit Media Independent Interface)로 구성되어 있다. GMII는 MAC과 물리 계층의 중간에서 인터페이스로 Full-duplex/Half-duplex를 모두 지원하게 해주는 것으로 고속 이터넷의 MII(Media Independent Interface)를 확장한 것이다.



2. 물리계층(Physical Layer)

기가비트 이더넷의 물리계층은 기존 이더넷에서 사용하던 기술과 ANSI X3T11 Fibre Channel 규격을 혼용해서 사용하고 있다. 기가비트 이더넷은 최종적으로는 4가지의 매체(media)를 지원하게 될 것이며, 802.3z(1000Base-X)와 802.3ab(1000Base-T)에서 규정될 것이다.
1000Base-X 표준의 Fibre Channel의 물리계층을 근간으로 하고 있다. Fibre Channel은 워크스테이션, 슈퍼컴퓨터, 저장 장치, 기타 주변 기기 등의 연결에 사용하는 기술로 4개의 계층 구조를 가지고 있다. 이중 하위 2개의 계층인 FC-0(Interface and media)와 FC-1(Encode/Decode)를 기가비트 이더넷에서 사용하고 있다. 이것은 아마도 이미 인증된 기술을 사용하므로서 표준화에 걸리는 시간을 절약하려는 의도로 보인다.
1000Base-T 표준은 장거리 비차폐 구리선(long haul copper UTP)을 사용하는 것으로 25~100m의 4가닥 Category 5 UTP를 사용하는 것을 목표로 하고 있다. 현재 표준안을 제정 중에 있으며 1999년 상반기에 완성될 것으로 보인다.
<표 1>은 기가비트 이더넷의 종류별 매체를 나타내었으며, <표 2>는 케이블의 종류와 거리를 나타내었다.



3. MAC 계층

기가비트 이더넷의 MAC 계층은 이더넷의 CSMA/CD 프로토콜을 사용한다. 이더넷의 최소 프레임(frame) 크기는 64 바이트이다. 이것은 어떤 국(station)에서 프레임의 첫 비트가 케이블의 끝에 도달하기 전에 한 프레임을 완전히 전송해 버리는 것을 막기 위해서 이다. 따라서 충돌(collision)을 감지(detection)하는 최소한의 시간을 "슬롯 시간(slot time)"이라 하고, 이 시간 동안 전송할 수 있는 바이트 수를 "슬롯 크기(slot size)"라 한다. 이더넷의 경우, 슬롯 크기는 64 바이트이며 이것이 최소 프레임의 크기가 된다.
이더넷에서 케이블의 최대 길이는 2.5Km(최대 4개의 리피터(repeater)를 사용한 경우) 이다. 만일 속도가 증가하게 되면 송신에서는 프레임을 빨리 보내게 되고 그 결과 같은 크기의 프레임과 같은 길이의 케이블을 사용한다면, 어떤 국에서는 프레임 전송이 너무 빨라 케이블 끝에서 충돌을 감지하기 전에 프레임 전송이 끝나 버릴 수 있다. 따라서 이러한 문제를 해결하기 위해서는 케이블 길이를 최대로 유지하고 슬롯 시간을 증가 시키거나, 슬롯 시간을 유지하고 최대 케이블 길이를 감소시켜야 한다. 고속 이더넷의 경우, 최대 케이블 길이를 100m로 감소시키고 최소 프레임 크기와 슬롯 시간을 그대로 두었다.
기가비트 이더넷은 이더넷의 최소와 최대 프레임 크기를 유지하였다. 따라서 기가비트 이더넷은 고속 이더넷보다 10배 빠르므로 슬롯 크기를 유지하려면 최대 케이블 길이를 10m로 감소시켜야 하는 데 이것은 별로 바람직한 방법이 아니다. 그러므로 기가비트 이더넷에서는 슬롯 크기를 512 바이트 보다 크게 하였다. 그러나 이더넷과의 호환성을 유지하기 위해서는 최소 프레임 크기가 증가하지 않아야 하므로 "carrier event"를 확장 시켰다. 만일 프레임이 512 바이트보다 작으면 확장 심볼(extension symbol)로 채워 넣는다. 이것은 특수한 심볼로 유료 하중(payload)에서는 발생하지 않는다. 이러한 과정을 캐리어 확장(carrier extension)이라 한다.
기가비트 이더넷에서 캐리어 확장은 적정한 케이블 길이를 가지면서 802.3의 최소 및 최대 프레임 크기를 유지하여, 현재 사용하고 있는 802.3 네트워크와 상호 운용성(inter-operable)을 유지하기 위한 방법이다.
(그림 4)는 캐리어 확장을 사용한 이더넷 프레임의 형식을 나타내었다.




캐리어 확장은 이더넷과의 상호 운용성을 유지하는 매우 간단한 해결책이기는 하지만 대역폭을 낭비하게 된다. 작은 프레임을 보내려 할 때에도 최고 488바이트까지 채워 넣어야 한다. 이것은 결국 성능의 저하를 초래한다. 많은 수의 작은 프레임을 사용하게 되면 극한적인 경우 고속 이더넷의 수준으로 성능이 저하하게 된다. 이것을 방지하기 위하여 "프레임 연속(Frame Burst)"을 사용한다. 프레임 연속은 "캐리어 확장의 확장"으로, 어떤 국이 여러 개의 프레임을 보낼 때 첫 프레임이 캐리어 확장이 필요할 때 사용하게 된다. 다음 프레임들은 연속해서 최소 IPG(Inter Packet Gap)에서 연속 타이머(Burst timer)가 종료될 때 까지 전송한다. (그림 5)는 프레임 연속의 동작을 나타내었다.

4. GMII(Gigabit Media Independent Interface)


GMII는 물리 계층과 MAC 계층 사이에 존재하는 것으로 어떤 물리 계층에서도 MAC 계층을 사용할 수 있게 해 준다. 이것은 고속 이더넷에서 사용하고 있는 MII(Media Independent Interface)를 확장한 것으로 10, 100, 1000Mbps의 데이터 처리 속도를 지원한다. 또한 GMII는 독립된 8 비트의 데이터 송×수신 경로를 가지고 있어서 full-duplex와 half-duplex를 공히 지원할 수 있다.
GMII는 캐리어의 존재를 표시하는 것과 충돌이 없다는 것을 표시하는 2개의 상태를 가리키는 신호를 제공한다. 조정 서브레이어(Reconciliation Sublayer)는 이러한 신호들이 MAC 서브레이어에게 물리 신호(PLS: Physical Signaling)의 인자(primitive)로 이해하도록 한다. GMII는 같은 MAC 콘트롤러를 사용하면서도 다양한 형태의 매체를 사용할 수 있게 해준다.
GMII는 다음과 같이 3개의 서브레이어로 구성되어 있다.
○ PCS(Physical Coding Sublayer)
○ PMA(Physical Medium Attachment)
○ PMD(Physical Medium Dependent)
(그림 6)에 기가비트 이더넷의 프로토콜 구조를 나타내었다.



IV. 기가비트 이더넷의 적용

현재 사용하고 있는 이더넷에서 기가비트 이더넷으로 전환하기 위한 방법으로 대략 3가지 시나리오를 생각할 수 있다.
먼저 가장 간단한 방법으로 (그림 7)과 같이 사용하고 있는 스위치와 스위치 간의 링크를 기가비트 이더넷으로 대체하는 것이다.



또 다른 시나리오는 네트워크가 서버로 집중되어 있는 경우, (그림 8)과 같이 스위치와 서버 간의 링크를 기가비트 이더넷으로 대체하면 된다.
만일 백본으로 10/100Mbps 스위치를 사용하고 있다면, (그림 9)와 같이 백본 스위치를 100/1,000Mbps 스위치로 대체하면 된다.




V. ATM과 기가비트 이더넷

ATM(Asynchronous Transfer Mode)이 소개되었을 때 155Mbps의 대역폭을 가지므로 고속 이더넷보다 대략 1.5배 정도 빨랐으며, 새로운 응용 서비스, 특히 멀티미디어 서비스의 경우 매우 이상적으로 생각되었다. 한편, ATM 측에서는 LANE(LAN emulation)과 IOPA(IP over ATM) 등으로 이더넷 이뮬레이션을 추진하였다. 반면에 Ethernet/IP 측에서는 RSVP (Resource Revervayion Protocol)과 RTSP(Real-time Streaming Transport Protocol) 등으로 ATM의 기능들을 제공하려고 하였다. 그러나 두 기술은 그들 고유의 기능들과 각각의 장점들이 있다는 것은 분명한 사실이다.
ATM의 경우, LAN, WAN, 백본 등에 사용될 수 있어서 유연하고 확장성이 좋은 장점이 있다. 이더넷은 오랫동안 LAN에서 독보적으로 사용되어 왔다. 기가비트 이더넷이 이제 막 시장에 진출하려고 하므로서 양측의 경쟁은 피할 수 없어 보인다. 현재 대부분의 워크스테이션과 PC 들은 고속 네트워크에 접속되어 있지 않다. 따라서 대규모 네트워크에서 스위치와 서버들 간의 네트워크와 백본에서 이들의 경쟁이 매우 치열할 것으로 생각된다.
ATM은 기가비트 이더넷에 비해 다음과 같이 몇가지 이점이 있다. 먼저 ATM은 현재 기가비트의 속도를 지원하지는 못하지만 향후 빠른 속도를 지원하기 위한 버전에 대한 계획이 확립되어 있고, 이미 많이 사용되고 있다는 점에서 유리하다. 또한 ATM은 QoS(Quality of Service)에 강점이 있고, CBR(Constant Bit Rate)이 있어 다양한 응용 서비스를 지원할 수 있다.
하지만 기가비트 이더넷에도 유리한 점이 있다. 기가비트 이더넷의 강점은 그것이 바로 이더넷이라는 것이다. 현재 사용하고 있는 이더넷에서 기가비트 이더넷으로의 전환이 ATM의 경우 보다 매우 쉽다는 것이다. 또한 속도면에서도 현재 ATM이 622Mbps를 지원하는 데 비해 기가비트 이더넷은 ATM에 비해 거의 2배 정도 빠른 속도를 지원하고 있다.
현재로서는 어느 한쪽이 다른 한쪽을 완전히 물리치고 승리할 것인지는 판단하기 어렵다. 이것은 사용자들이 각각의 장점들 중에서 어떤 것을 선택할 것 인지가 관건이 될 것이다.


VI. 결 론

본 고는 기가비트 이더넷의 기술적인 특성 및 표준화 등에 대해 간략히 살펴 보았으며 ATM과의 장단점에 대해서도 살펴 보았다. 기가비트 이더넷은 제 3 세대의 이더넷 기술로 1,000Mbps의 속도를 제공한다. 또한 기존의 이더넷과 호환성을 유지해 줌으로 현재의 네트워크를 유연하게 고속 네트워크로 향상 시킬 수 있게 해 준다. 이제 막 탄생한 기가비트 이더넷이 기존의 고속 네트워크 기술인 ATM 및 FDDI와 어떻게 경쟁하여 자기 자리를 잡을지는 좀더 지켜봐야 할 것이다.


기가비트 이더넷(Gigabit Ethernet)의 이해

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