사물인터넷/ICT/4차산업혁명

Nikkei Networks_2023.9 특집 요약 (p36~43)

NTT의 차세대 네트워크 ‘IOWN’의 구조
금년 3월부터 상용 서비스 개시

NTT가 추진하는 차세대 네트워크 및 정보 처리 기반 구상인 ‘IOWN(Innovative Optical and Wireless Network)’의 형태가 조금씩 보이기 시작하고 있다. 올 3월에는 상용 서비스 제1탄인 지연 시간을 200분의 1로 단축한  전용선 서비스 ‘APN IOWN 1.0’을 개시. NTT 계열사들이 APN IOWN 1.0을 활용한 데모를 선보이며 선진성을 어필하고 있다.

예를 들어, 지난 7월에는 축구 중계 영상을 원격지에서 편집해 송신하는 실증실험을 일본 프로 축구 리그(J리그)와 공동으로 추진했다. 국립경기장(도쿄)과 도쿄 도 지요다(千代田) 구의 복합빌딩 ‘아키하바라 UDX’ 간을 APN IOWN 1.0으로 접속해 4K 영상을 전송. 아키하바라 UDX 측에서 카메라 영상을 전환하는 등의 조작을 한 뒤 다시 국립경기장에 돌려 보낸 동영상을 송신해도 지연이 전혀 느껴지지 않는 상황을 실증했다.

또한 6월에는 마쿠하리멧세(지바 시)에서 열린 통신 네트워크 전시회 ‘Interop Tokyo 2023’에서 원격지의 플레이어와 가상 탁구 경기를 하는 데모를 선보이며 위화감 없이 경기할 수 있다는 것을 어필했다.

IOWN은 어떠한 구상이며, 미래의 기업 네트워크에 어떤 효과를 기대할 수 있을까? 올 7월 시점에서 판명된 구조를 소개한다.

-- 세가지 기술 분야로 구성 --
NTT가 IOWN을 내놓은 것은 2019년. 대용량 데이터 통신이 더욱 늘어나는 2030년대를 상정해 광 기술을 활용한 고품질 통신 환경과 방대한 계산 자원 실현을 내걸었다. 주요 기술 요소는 3가지이다. ‘올포토닉스네트워크(All Photonics Network, APN)’, ‘코그니티브파운데이션(Cognitive Foundation, CF)’, ‘디지털트윈컴퓨팅(Digital Twin Computing)’이다.

첫 번째인 APN의 컨셉은 ‘네트워크에서 유저의 디바이스까지 모든 것에 광 기술을 적용한다’라는 것. ‘올 포토닉스(빛)’을 통해, ‘전력 효율 100배’, ‘전송 용량 125배’, ‘엔드 투 엔드 지연 시간 200분의 1’이라는 3가지를 목표로 한다.

두 번째인 코그니티브파운데이션에서는 다양한 IT 자원의 유연한 할당과 제어, 자동화를 실현한다. 예를 들어, 5G와 무선 LAN(Local Area Network), 위성통신 등 다양한 인프라를 통합 관리하면서 주변의 혼잡 상황 등을 바탕으로 최적의 무선통신 인프라를 자동적으로 선택하는 구조를 상정하고 있다.

마지막 디지털트윈컴퓨팅은 APN과 코그니티브파운데이션으로 구현한 IT 환경을 활용해 고정밀 시뮬레이션 등을 실현한다는 구상이다. NTT의 아라카네(荒金) IOWN 추진 실장은 “1개의 도시를 통째로 시뮬레이션 하는 것도 가능해진다”라고 말한다.

-- 가능한 ‘빛 그대로’ 전송 --
지금부터는 네트워크 인프라 분야의 APN에 대해 자세히 살펴보자. APN의 콘셉트는 현재의 인터넷과 비교하면 알기 쉽다.

현재의 인터넷은 라우터가 도중의 경로(패스)를 제어해 패킷을 행선지에 중계한다. 이 제어는 전기에 의한 처리이다. 유저 기업이 광섬유 회선을 사용하더라도 중간에 전기 처리가 여러 번 발생하게 된다. 그럴 때마다 광 신호를 전기 신호로 변환하고 처리가 끝나면 다시 광 신호로 되돌려야 한다.

한편, APN을 이용하는 차세대 네트워크는 가능한 한 빛 그대로 전송한다. 예를 들어, 유저 기업의 거점과 데이터센터(DC)에 광 전송 장치를 설치하고 장치 간에 빛의 파장 경로를 설정. 거점과 데이터센터 간의 교환을 광 신호 그대로 전송하기 때문에 라우터 등 전기적인 처리가 발생하는 통신기기가 필요 없다. 향후, 유저 기업 측의 통신기기나 디바이스에도 광 기술의 적용을 전망하고 있다.

-- 인터넷 소비전력이 6배 이상으로 --
그렇다면 왜 NTT는 APN을 추진하는 것일까? 그것은 기존 네트워크가 가진 몇 가지 과제들을 극복하기 위해서이다. 과제 중 하나는 소비전력. 최근, 네트워크나 데이터센터의 소비전력은 트래픽 증가와 함께 계속 늘어가고 있다.

과학기술진흥기구의 추정에 따르면, 현재의 상태로는 2030년 세계 네트워크의 소비전력은 2,400테라와트시에 달하게 된다. 2018년의 6배 이상이다. 데이터센터의 상황은 더욱 심각하다. 2030년에는 2,600테라와트시로, 2018년의 14배 이상으로 늘어난다.

두 번째 과제는 지연이다. 앞으로의 애플리케이션을 위해서는 통신 지연이나 흔들림을 가능한 한 배제할 필요가 있다. 예를 들면, 자율주행 시스템에서는 주행 상황에 따라 실시간으로 유연하게 자동차를 제어할 수 있어야 한다. 이 밖에도 원격 수술이나 e스포츠, 실시간형 스마트공장 등 지연이나 흔들림 방지에 대한 요구가 큰 애플리케이션은 여러 개 있다.

광 신호는 전기 신호보다 손실이 적어 전력 효율 향상을 기대할 수 있다. 또한 “전기 신호와 광 신호의 변환 처리가 발생할수록 지연이나 흔들림으로 인해 소비전력이 증가하기 쉽다”(NTT동일본의 비즈니스개발본부 마쓰모토(松本) 담당과장). 빛 형태 그대로 보낼수록 지연이나 흔들림도 억제할 수 있는 것이다.

-- 기가비트 동영상을 비(非)압축으로 전송 --
APN 콘셉트의 일부는 APN IOWN 1.0에서 이미 실용화되었다. 압축 처리가 불필요한 영상 트래픽을 동일한 현 내에서 전송한다는 조건에서 지연 시간 200분의 1을 실현. 흔들림도 제로라고 한다.

APN IOWN 1.0이 지연이나 흔들림을 억제할 수 있었던 주된 이유는 3가지이다. 하나는 패스 도중에 라우터나 스위치를 두지 않았다는 것. 유저 기업의 거점에 설치되는 종단 장치(광 전송 장치) 간에 광 파장을 이용한 패스를 설정. 경로 제어로 인한 지연이나, 빛과 전기의 변환 처리를 없애 지연을 억제했다. NTT동일본에 따르면, NTT의 광역 이더넷(Ethernet) 서비스와 비교해 지연이 3분의 1로 줄었다고 한다.

두 번째 이유는 대용량 동영상을 그대로 전달한다는 것. 인터넷 등 IP(Internet Protocol) 네트워크에서는 통상적으로 대용량 동영상을 압축해 송신한다. 대역을 절약하기 위해서이지만, 이 처리로 인해 지연이 늘어난다. 흔들림의 영향을 억제하기 위해 버퍼링 처리도 더해져 지연은 더욱 늘어날 수 밖에 없다.

APN IOWN 1.0은 100기가비트/초로 광대역이기 때문에 4K 영상에 해당하는 수 기가~십 수 기가비트/초의 데이터를 압축하지 않고 보낼 수 있어 압축이나 버퍼링 처리로 인한 지연이 없다.

-- 타이밍을 정하여 신호를 보내 --
세 번째 이유는 타이밍을 정해서 신호를 보내는 것이다. 유저 기업의 디바이스와 종단 장치 간에 설치되는 'OTN Anywhere'라고 불리는 장치가 그 역할을 맡는다.

OTN Anywhere는 디바이스가 송신하는 이더넷 프레임을 OTN(Optical Transport Network)이라는 규격으로 전송하기 위한 장치이다. 이더넷 프레임을 받으면 OTN 프레임에 매핑(수용)해 종단 장치로 보낸다. “OTN을 베이스로 함으로써 저지연 및 흔들림 제로를 실현할 수 있다”(NTT 네트워크이노베이션센터).

OTN은 복수의 신호를 다중화할 때, TDM(Time Division Multiplexing)이라고 불리는 방식을 사용한다. 일정 시간 간격으로 1종류씩 순서대로 신호를 송신하는 구조로, 그 시간에는 1개의 신호가 대역을 전유(專有)한다. 어떤 신호의 송신 시간이 연장되어 다른 신호의 송신이 지연될 걱정이 없으며, 흔들림도 방지할 수 있다.

-- 광 전송 장치를 기능 별로 분리 --
APN IOWN1.0은 전용선을 이용한 서비스이지만, APN 자체는 “미래에는 온디멘드로 광 파장의 패스를 설정하는 것을 목표로 하고 있다”(NTT 네트워크서비스시스템연구소). 이를 위해 NTT는 IOWN 추진단체인 ‘IOWN Global Forum’에서 검토한 ‘Open APN’이라고 부르는 규격으로 APN을 정리했다.

Open APN에서는 통신 사업자가 주로 기간 네트워크로 운영하는 광 전송 장치인 ROADM(Reconfigurable Optical Add-Drop Multiplexer)에 대해 기능 별로 분리하는 아키텍처를 제안. ROADM이 구비한 기능에는 전기 신호를 광 신호로 변환하는 ‘트랜시버(송수신기)’, 광 신호의 파장을 다중화하거나 분리하는 ‘합분파(合分波)’, 다중화한 광 신호를 파장 단위로 제어하는 ‘광 크로스 커넥트’ 등이 있다.

이것을 Open APN에서는 다음과 같이 분리하는 사양을 상정하고 있다. 트랜시버 기능의 ‘APN-T’, 합분파 등의 기능을 담당하는 게이트웨이인 ‘APN-G’, 광 크로스 커넥트나 다른 광 전송 네트워크와의 접속에 사용되는 ‘APN-I’ 등이다. 이러한 기능들을 동적으로 제어하는 것이 ‘APN-C’이다.

-- APN 전제의 신형 컴퓨터 --
APN에서는 전술한 바와 같이 유저 기업의 디바이스나 데이터센터의 서버 등에도 광 기술을 적용하는 것을 목표로 하고 있다. 이와 관련해 NTT는 APN을 전제로 한 새로운 컴퓨팅 아키텍처인 ’Data Centric Infrastructure(DCI)’를 검토하고 있다.

DCI에서는 서버를 구성하는 CPU(Central Processing Unit)나 GPU(Graphics Processing Unit) 등의 액셀러레이터와 같은 다양한 IT 자원을 분리해 각각을 유연하게 할당할 수 있도록 할 방침이다.
 

기존의 아키텍처는 물리 서버 단위로 확장해야 하기 때문에 낭비가 발생하기 쉬웠다. 예를 들어, AI로 데이터를 처리하기 위해 GPU를 증강하고 싶은 경우 다른 IT 자원도 증강할 수밖에 없다. 동작 효율에도 낭비가 발생한다. GPU 처리만 필요할 때에도 CPU를 경유해야 하기 때문이다.

물리 서버를 초월한 데이터 교환에서는 통상적으로 외부 네트워크를 통한 통신이 필요하다. 서버 내부의 메모리로의 액세스와 비교하면 속도가 저하되기 쉽다.

DCI에서는 랙 단위로의 확장을 상정한다. 1대의 노드에 복수의 마더보드나 액셀러레이터를 탑재해 “용도에 따라 필요한 자원을 할당할 수 있도록 한다”(NTT 소프트웨어이노베이션센터).

-- TCP/IP를 사용하지 않고 원격 통신 --
DCI의 아키텍처를 기본으로 한 노드와 APN을 조합하면 고속 분산 컴퓨팅 환경이 실현된다. 원격의 DCI 간을 APN으로 접속하고, 네트워크 인터페이스를 탑재한 액셀러레이터가 RDMA(Remote Direct Memory Access)라고 불리는 기술로 직접 데이터를 주고받는다.

양 측의 메모리 데이터에 직접 액세스 하는 구조를 통해 TCP(Transmission Control Protocol)/IP를 사용하지 않고 통신할 수 있게 된다. 빛 그대로 운반하는 APN의 효과와 맞물려 원격에서도 고속 통신이 실현되기 때문에 원격의 노드 사이가 하나의 대형 컴퓨터처럼 움직일 가능성이 있다.

-- ‘광전융합’ 개발에 매진 --
DCI의 아키텍처를 실용화하는 데 있어서는 CPU가 탑재된 보드와 다른 IT자원 보드의 접속에 광기술을 도입해야 한다. CPU 등의 칩 간이나 칩 내부에도 광 기술을 적용함으로써 한층 더 고속화 및 저소비전력화를 기대할 수 있다.

NTT는 광 기술과 전기 기술을 융합시킨 ‘광전융합’ 기술을 통해 새로운 디바이스 개발을 단계적으로 추진하고 있다. 2030년 이후에는 칩 내부까지 광전 융합 기술을 적용할 계획이다.

하지만 실용화까지의 과제는 많다. “디바이의 개발은 물론, 디바이스를 안정적으로 생산하는 기술 개발도 필요하다”(NTT의 아라카네 IOWN 추진 실장). 과제들을 극복할 수 있게 된다면 초고속이면서 저소비전력의 네트워크가 실현될 수 있게 될 것이다.

-- Open APN으로 기기 선택도 유연하게 --
Open APN는 기기 배치 장소의 유연성이 높아진다는 특징뿐만 아니라 광 네트워크 사양의 오픈화라는 중요한 특징도 가지고 있다.

기존의 ROADM은 광 크로스 커넥트나 합분파, 트랜시버 등의 기능이 한 장치에 탑재된 수직 통합형이었다. 이러한 수직 통합형은 다른 벤더 제품과의 상호 접속이 어려워 ‘배타적’이 될 수 밖에 없었다.

한편, Open APN에서는 사양에 준거하는 기기 간의 상호접속이 가능하다. NTT는 광 전송 장치의 오픈화를 추진하는 ‘Open ROADM MSA’ 등과 같은 단체의 성과를 적극적으로 활용할 방침이다.

상호 접속이 담보되면, “트랜시버나 광 크로스 커넥트 등의 기능 별로 최적의 제품을 선택할 수 있게 된다”(NEC 네트워크솔루션사업부). 즉, 기기 선택의 유연성이 높아지는 것이다.

-- 수냉(水冷) 기술을 최초로 채택 --
Open APN의 아키텍처에 준거한 제품은 NEC나 후지쓰 등이 이미 발매했다. NTT는 APN-I, APN-G, APN-T에 대응하는 각 장치들을 SpectralWave WX 시리즈’로 판매. 후지쓰는 APN-T에 대응하는 ‘1FINITY T900’과 APN-I와 APN-G의 기능을 갖춘 기간 네트워크용 장치 ‘1FINITYL900’ 등을 판매하고 있다.

“’후가쿠(富岳)’ 등의 슈퍼컴퓨터 개발에서 키워온 독자적인 수냉 기술을 광 전송 장치에서는 처음으로 T-900에 채택했다”(후지쯔의 포토닉스시스템 사업본부). 냉각 능력은 기존 공랭(空冷) 시스템의 2배라고 한다.

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