📍목차
- ADSL 기술을 이용한 액세스 회선의 구조와 동작
- 광섬유를 이용한 액세스 회선(FTTH)
- 액세스 회선으로 이용하는 PPP와 터널링
- 프로바이더의 내부
- 프로바이더를 경유하여 흐르는 패킷
1️⃣ ADSL 기술을 이용한 액세스 회선의 구조와 동작
본 포스팅에서는 인터넷 접속용 라우터를 거친 패킷이 액세스 회선을 통해 전화국과 통신사를 거쳐 인터넷 핵심부에 전달되는 과정을 다룬다.
액세스 회선이란, 인터넷과 LAN을 연결하는 통신 회선을 의미한다.
액세스 회선의 종류로 ADSL, FTTH, 전화 회선, 회사 전용 회선 등이 있으나,
대표적인 ADSL과 FTTH에 대해서만 살펴보자.
ADSL 기술에서 패킷의 흐름은 아래와 같다.
위 사진 4번에서 IP 패킷을 추출하여 중계 대상을 판단하는 부분은 이더넷의 라우터와 동일하지만,
ADSL 모뎀이 이더넷으로 연결된 경우 헤더에 MAC 헤더, PPPoE 헤더, PPP 헤더가 붙어 이더넷의 규칙에 따라 송신된다.
각 경유지에 대해 하나씩 알아보자.
🏳️ ADSL 모뎀(Asymmetric Digital Subscriber Line)
ADSL 모뎀이 패킷을 송신하면, ADSL 모뎀은 패킷을 셀이라는 작은 디지털 데이터 덩어리로 분할하여 저장한다.
셀로 분할하는 것은 ADSL 기술이 개발되던 당시 전화 회선의 개념에 기초한 ATM이라는 통신 기술에서 셀을 사용했기 때문이고, 그대로 셀을 사용하면 다른 통신 설비와 연계가 매끄럽기 때문이다.
셀을 저장하면 이를 전기 신호로 바꾸는데(위 사진의 8번), LAN에서보다는 보다 복잡한 방식으로 신호를 변환한다.
셀과 같이 사각형 신호는 파형이 무너지기 쉽고, 높은 주파수를 포함하고 있어 잡음의 양이 증가해 제어하기 어려워지기 때문이다.
이때 변환 방식으로 사용하는 기술을 변조 기술이라 하고, ADSL의 경우 진폭 변조와 위상 변조를 결합한 직교 진폭 변조 방식을 사용한다.
변환 방식을 상세히 서술하진 않겠지만, 원리는 다음과 같다.
직교 진폭 변조 방식은 신호의 진폭과 위상에 각각 1비트를 대응시켜 속도를 높이는 방식이다.
또한,
특정 주파수만 통과시키는 회로를 통해 주파수가 서로 다른 파를 혼합함으로써 속도를 높일 수도 있다.
추상적으로 서술하여 잘 와닿지 않는다면, ADSL은 직교 진폭 변조 방식을 통해 전송 속도를 높인다는 것만 기억해도 좋다.
🏳️ 스플리터
이렇게 전기 신호로 변환된 셀은 DSLAM에 도달하기 전에 스플리터라는 장치를 경유하는데,
스플리터는 전화 신호와 ADSL의 신호를 나누는 역할을 한다.
전화 회선으로부터 들어오는 신호는 음성 신호와 ADSL의 신호가 혼합되어 있기때문에,
일정 주파수를 초과하는 신호를 차단하여 ADSL의 높은 주파수 신호가 통과하지 못해 전화기에는 음성 신호만 흐르는 원리이다.
추가로, ADSL 모뎀에는 ADSL에 사용하는 주파수를 벗어나면 차단하는 기능이 있기때문에 스플리터가 이를 차단할 필요는 없다.
🏳️ DSLAM(DSL Access Multiplexer)
DSLAM이란, 전화국용 ADSL 집합 모뎀으로 다수의 ADSL 모뎀을 하나의 케이스에 넣은 기기이다.
신호가 DSLAM에 도착하면, 전기 신호는 다시 셀로 복원되고, 진폭과 위상을 조사하여 디지털 데이터로 복원된다.
DSLAM은 기본적으로 다수의 ADSL 모뎀에 해당하는 기능을 묶은 것이다.
다만 DSLAM이 사용자측의 ADSL 모뎀과 다른 점은, 사용자측의 ADSL 모뎀은 이더넷의 패킷 형태로 송수신하는 반면 DSLAM은 대부분 ATM 인터페이스를 가지고있어 셀의 형태 그대로 후방의 라우터와 주고받는다.
🏳️ BAS(Broadband Access Server)
DSLAM을 통과한 셀은 BAS라는 패킷 중계 장치에 도착한다.
BAS에도 ATM 인터페이스가 있기때문에 셀을 수신하고, 이를 원래의 패킷으로 복원한다.
이후 패킷 앞부분의 MAC 헤더와 PPPoE 헤더를 버리고, PPP 헤더 이후 부분을 추출하여 터널링용 헤더를 붙여 터널링의 출구를 향해 중계(13번, 14번)한다.
이렇게 BAS를 통과한 패킷은 터널링용 라우터에 도달하여 IP 패킷 추출 과정을 통해 인터넷에 도달하게 된다.
2️⃣ 광섬유를 이용한 액세스 회선(FTTH)
패킷이 인터넷에 도달한 이후 과정을 살펴보기 전에, FTTH라는 액세스 회선을 간단하게 알아보자.
FTTH는 광섬유를 사용하며, 디지털 데이터를 전기 신호로 변환한 후, 전기 신호를 다시 광신호로 변환하여 광섬유 안에 통과시킨다.
수신측에서는 빛에 감응하여 밝기에 따라 전압을 일으키고, 이를 통해 다시 전기 신호로 변환하는 구조이다.
광섬유의 전달 방법에 있어 영향을 끼치는 요소 중, 중심 부분에 있는 코어의 굵기가 핵심적이다.
싱글 모드 vs 멀티 모드
코어의 굵기에 따라 크게 굵기가 가는 싱글 모드와 굵기가 굵은 멀티 모드로 나눌 수 있다.
-
싱글 모드 : 위상이 같은 각도 중 입사각이 작은 하나의 빛만 흐르며, 반사 횟수가 적어 이동 코스가 짧아진다.
-
멀티 모드 : 복수의 빛이 흐르며 반사 횟수가 많아 이동 코스가 길어진다.
이동 코스가 길어진다는 것은 신호 변형에 있어 취약하다는 것을 의미한다.
광섬유의 최대 케이블 길이는 이러한 모드의 성질에 따라 결정되며,
싱글 모드쪽이 변형이 적으므로 멀티 모드보다 케이블 길이를 길게 할 수 있게된다.
추가적으로, 광섬유는 한 개의 광섬유를 통해 파장이 서로 다른 복수의 신호를 흘리는 파장 다중 기능을 통해 진행 방향이 서로 다른 신호를 동시에 흘려보낼 수 있다.
3️⃣ 액세스 회선으로 이용하는 PPP와 터널링
다시 액세스 회선을 통과한 패킷이 BAS에 도착한 곳을 살펴보자.
본래 인터넷이란 다수의 라우터를 연결하여 만든 것이기 때문에, 액세스 회선또한 라우터에 연결해야한다.
액세스 회선이 각자에 특성에 맞춰 ADSL과 FTTH 형태로 나타나는 것과 같이,
라우터 또한 액세스 회선을 연결할 수 있도록 진화한 형태가 바로 BAS이다.
그렇다면, 어떤 형태로 진화했는지에 대해 알아보자.
BAS 기능 : 본인 확인 및 설정값 통지
ADSL과 FTTH의 액세스 회선은 로그인 동작을 통해 인터넷에 접근하게 되고,
이러한 로그인 동작의 창구 역할을 BAS가 담당한다.
이때 전화 회선에서 사용하는 PPP 구조를 발전시킨 PPPoE(Point to Point Protocol over Ehternet) 구조를 사용한다.
전화 회선에서는 RAS라는 인증 서버에서 사용자명과 패스워드를 검사하고,
인증에 성공한 경우 IP 주소 등 패킷 송수신에 필요한 설정값을 사용자에게 통지한다.
다만 전화 회선의 경우 전화번호에 따라 PC에 할당할 주소가 달라질 수 있는 반면,
ADSL이나 FTTH의 경우 BAS를 케이블로 고정적으로 접속하기 때문에 본인 확인 과정은 필요가 없다.
하지만, 본인 확인 과정을 남겨두면 사용자명에 따라 프로바이더를 전환할 수 있어 편리하다.
따라서 ADSL이나 FTTH에서도 이러한 구조를 채택하여 BAS를 통해 본인 확인 과정을 거친다.
추가로 PPP에는 이더넷에서의 프리앰블, FCS 등의 규정이 없는 등 이더넷과 PPP의 개념적인 차이를 메울 사양이 필요했고,
이를 PPPoE라고 칭했다.
BAS 기능 : 터널링
터널링이란, 네트워크에서 목적지를 향해 패킷을 통과시키는 터널을 이용한다는 것을 의미한다.
이는 소켓과 소켓 사이를 연결하는 TCP 커넥션의 개념과 동일하고,
터널링 실현 방식으로 TCP 커넥션을 사용하는 방식또한 존재한다.
이러한 터널링의 개념을 사용해 BAS와 ADSL/FTTH 접속 서비스 사업자의 네트워크 안에 터널을 만들고,
여기에 BAS를 연결하는 액세스 회선을 연결하면 사용자의 라우터부터 프로바이더의 라우터까지의 길이 생성되며,
여기에 패킷을 이동시킨다.
앞서 설명했듯 BAS를 통해 설정값을 통지받는 경우, 인터넷 접속용 라우터를 사용하면 설정값을 사용자 PC가 아닌 라우터가 받게 되어 PC에 글로벌 주소를 할당할 수 없다.
이 경우 PC에는 프라이빗 주소를 할당하고, 인터넷 접속용 라우터에서 주소 변환 기능을 통해 인터넷에 중계한다.
PPPoE 이외 방식
-
PPPoA : MAC 헤더와 PPPoE 헤더를 붙이지 않고 패킷을 그대로 저장한다.
MTU가 짧아지지 않는다는 장점이 있다. -
DHCP : PPP 구조를 활용하지 않고, 설정값을 BAS에서 사용자측에 통지하는 방식이다.
PPP 구조가 아니기 때문에 셀을 활용하지 않으며, 이더넷 패킷을 그대로 ADSL 신호로 변환한다.
4️⃣ 프로바이더의 내부
🏳️ POP와 NOC
이렇게 BAS를 통과한 패킷은 프로바이더측의 라우터에 도착한다.
인터넷은 여러 프로바이더가 상호 접속한 형태이며, ADSL이나 FTTH의 액세스 회선은 사용자가 계약한 프로바이더 설비 POP(Point of Presence)에 연결된다.
참고로, 프로바이더란 KT, SK, LG U+ 등 인터넷 서비스를 제공하는 ISP(Internet Service Provider)를 의미한다.
프로바이더측 라우터 역시 POP에 위치하며,
사용자가 액세스 회선을 통해 POP에 연결된 형태는 아래와 같다.
이때, POP 내의 라우터는 전용 회선, 다이얼업 회선(전화 회선), PPPoE 등에 따라 다르게 구성된다.
모든 POP는 NOC라는 설비에 연결된 모습을 볼 수 있는데,
NOC는 프로바이더의 핵심이 되는 설비로서, POP에서 들어온 패킷이 모여든다.
개인 사용자용 인터넷 접속 라우터에 비해 압도적으로 많은 패킷이 중계되므로, NOC에 설치된 라우터는 일반적으로 전송률이 만 배 이상 차이난다고 한다.
통신 회선
광섬유를 매설하고 유지하는데에는 큰 비용이 들기 때문에, 광섬유를 소유하는 것는 극소수의 대형 프로바이더이다.
그러면 그 외의 프로바이더는 어떻게 광섬유를 이용할까?
광섬유를 소유하는 회사는 광섬유의 능력을 세분하여 그 중 하나에 데이터를 흘린다.
이를 활용하여,
광섬유의 일부를 고객에게 대출하는 통신 회선 서비스를 통해 사업을 운영한다.
따라서 광섬유를 가지고 있지 않은 프로바이더는 통신 회선을 통해 NOC와 POP를 연결하게 된다.
5️⃣ 프로바이더를 경유하여 흐르는 패킷
프로바이더 내부를 알았으므로, 프로바이더끼리 접속하는 모습을 살펴보자.
물론 라우터의 핵심 기능인 라우팅 테이블을 통한 중계 대상 판단 과정을 통해 웹 서버측의 POP에 있는 라우터로 패킷을 전달하게 되는데, 이때 라우팅 테이블에 경로를 자동 등록하는 방법을 알아보자.
BGP(Border Gateway Protocol)
라우터가 자동적으로 경로 정보를 교환하는데 사용하는 구조를 BGP라고 한다.
BGP는 경로 정보의 내용에 따라 크게 두 가지 유형으로 나뉜다.
-
Transit : 접속 상대에게 모든 인터넷 경로를 통지한다.
위 사진을 기준으로D가E에게 트랜지트를 실행하면,E는D를 통해 모든 프로바이더에 패킷을 보낼 수 있게 된다. -
Peer : 두 프로바이더가 서로의 네트워크에 관한 정보만 통지한다.
이 경우, 당연히 상대 네트워크로 갈 패킷만 흐르게 된다.
IX
위 사진에 나타난 IX에 대해 알아보자.
IX란, 프로바이더의 중심이 되는 설비를 의미한다.
모든 프로바이더를 1 대 1로 접속하기엔 불편하기 때문에, IX를 경유하여 접속하면 통신 회선의 수를 억제할 수 있다.
👏 마무리
프로바이더 간 접속 과정이나 IX 경우 방법 등은 다양하지만, 결국 패킷은 서버측의 프로바이더에 도착한다.
이후 패킷은 서버측의 POP를 경유하여 서버측의 네트워크에 흘러들어가는데,
다음 포스팅에서는 이에 대해 알아보자.
참고 자료
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