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Nikkei X-TECH_2021.2.26

NTT, ‘아이온(IOWN)’의 슈퍼 네트워크를 뒷받침하는 기술
APN(All Photonics Network), 파장의 폭발을 막는다

NTT가 지금까지 없었던 규모의 큰 승부수를 띄우고 있는 ‘IOWN(Innovative Optical and Wireless Network)’ 구상. 이 IOWN(아이온) 구상에서 내걸고 있는 초고속∙대용량의 초저지연 네트워크를 실현하는 것이 ‘All-Photonics Network (APN)’이다. ‘1인 1파장’을 목표로 하는 APN 실현을 위해 해결해야 할 과제는 바로 대량으로 필요한 파장을 효율적으로 다루는데 필요한 기술이다. 현재 인터넷의 프로토콜(Protocol)인 TCP/IP도 걸림돌이 되고 있는 가운데, NTT는 과제 해결을 위한 연구개발에 박차를 가하고 있다.

-- 파장대 변환으로 중복 문제 해결 --
‘1인 1파장’을 목표로 하는 APN 실현을 위한 과제는 대량으로 필요한 파장을 효율적으로 다루는데 필요한 기술 개발이다.

파장 분할 다중화 방식으로 전송하는 WDM(Wavelength Division Multiplexing) 장치는 S밴드, C밴드, L밴드라고 하는 주로 3개의 빛 전송 파장대를 취급한다. WDM 장치 1대 당 최대 100개 이상의 파장을 취급할 수 있다. 로컬 면은 그렇다고 쳐도, 각 로컬 면으로부터 광신호가 집중되는 코어 면에서는 파장이 중복되는 문제가 많이 발생한다. 파장이 중복될 경우 종단간(End-to-end)의 광경로(Optical Path)가 만들어지지 못해 다른 파이버를 증설하는 등의 조치가 필요하다.

이러한 과제를 해결할 열쇠를 쥐고 있는 것이 파장대 변경 기술이다. 코어 면에서 파장이 중복되지 않도록 ph-EX를 통해 적절한 파장대로 변환한다.

“서로 다른 파이버 종별(種別)에서의 크로스 커넥트 및 파장 중복을 피할 수 있는 파장대 변환이 가능하다는 점이 ph-EX의 특징이다”(NW서비스시스템연구소 네트워크전송기반P 트랜스포트네트워크G의 세키(関) 주임연구원).

파장대 변환 기술 자체는 NTT 외 다른 사업체도 연구를 진행하고 있다. 예를 들어 후지쓰(富士通)는 2018년, 가장 사용 빈도가 높은 C 밴드에서 서로 다른 영역으로 변환하는 전광(全光) 일괄 파장 변환 시스템을 개발했다.

이 시스템은 주로 국사(局舍, 우체국이나 방송국 등의 건물) 및 데이터센터 간의 수 십 킬로미터의 중거리 통신을 상정하고 있다. 동작의 원리는 우선 변환하려는 신호(C 밴드)에 2가지 여기광(Excitation light)을 더해 파장이 혼재된 신호를 만든다. 비선형 광학 매질에 이 신호를 통과시킴으로써 새로운 파장 대역(L 밴드 등)의 광신호가 발생해 파장대가 이동한다. 광파이버로 전송한 후, 다시 파장 변환기에 통과시켜 C 밴드로 되돌린다. 후지쓰에 따르면 이 시스템의 사용으로 동일한 광파이버의 전송 영역을 3~10배 늘릴 수 있다고 한다.

-- 광대역을 증폭시키는 광증폭기도 개발 --
APN에서 C 밴드 이외의 전송 대역을 활용해나갈 경우, 폭 넓은 전송 대역에 대응한 광증폭기가 필요하다. NTT는 올 1월, 기존 기기보다 2배 이상 넓은 광전송 대역을 증폭할 수 있는 ‘광파라메트릭(Optical parametric) 증폭중계기’를 개발했다고 발표했다.

광파라메트릭 증폭중계기는 10.25THz폭이라는 폭넓은 전송 대역을 증폭시킬 수 있다. 기존의 광증폭기로 증폭 가능한 전송 대역은 약 4THz폭 정도이며, 광대역에 대한 대응이 과제였다. 새롭게 개발된 광파라메트릭 증폭중계기는 C 밴드뿐만 아니라 L 밴드와 S 밴드 등 복수 대역의 신호를 일괄적으로 증폭시킬 수 있다.

또한 입력된 WDM 신호 파장 수의 급격한 증감 등 불연속적인 변화에 대한 출력 신호의 변형도가 작다는 특징도 가지고 있다. 광 파라메트릭 증폭기는 응답 속도가 펨토(f)초 오더로 매우 빠르기 때문이다. APN에서는 광파이버 안의 파장 수를 유연하게 변화시킬 필요가 있다. 이번에 개발된 기술을 통해 APN 실현에 가까워졌다고 할 수 있다. Ph-EX 등의 광노드와 전송 라인인 광파이버 경로 내에 설치하는 것을 상정하고 있다.

-- 효율적으로 파장을 분할 --
파장 변환에서 파장의 중복을 방지하는데 성공했다고 해도 현시점에서 공급 가능한 파장 수에는 한도가 있다. 이를 해결하기 위해 NTT는 대규모 네트워크에서 광경로에 파장을 효율적으로 분할해 사용 파장 수를 줄이는 연구도 추진하고 있다.

예를 들어 5개의 광경로에 각각 파장을 분할하는 것을 고려하고 있다. 패턴 1은 광경로 순서로 파장을 분할, 패턴 2는 사용하는 파장 수를 최소화할 수 있는 기술을 개발해 분할한다. 결과적으로 전자는 총 4개 파장을 필요로 하지만, 후자는 이보다 1개 적은 3개 파장만 있으면 된다.

실제 네트워크를 상정한 시뮬레이션에서도 결과의 차이는 뚜렷하게 나타났다. 파장 분할을 최소화하는 기술을 도입하지 않았던 경우보다, 1개의 광경로를 상정할 때마다 분할 방법을 순차적으로 정리한 경우가 사용 파장 수를 25% 정도 줄일 수 있었다고 한다.

광네트워크에 있어 파장은 물리적인 자원이기 때문에 효율적으로 활용하지 않으면 안 된다. 광경로 순서로 파장을 분할하는 것이 아닌 수요를 예측하면서 계획적으로 분할해야 한다.

NTT는 이러한 파장 분할 알고리즘을 복수의 최적화 기술을 조합하면서 구축하고 있다고 한다.

-- APN에서는 TCP/IP의 한계 표면화 --
APN에서 초고속∙대용량 통신을 확립한다고 해도 현재 인터넷의 프로토콜인 TCP/IP를 그대로 사용한다면 그 능력을 최대한 발휘할 수 없다. 그것은 “TCP는 패킷 소실 시 데이터 재전송을 통해 신뢰성을 확보한다. 하지만 이로 인해 지연이 초래된다”(미래네트연구소 프론티어커뮤니케이션연구부부장 다카스기(高杉) 주간연구원)라는 점 때문이다.

또한 TCP는 한번에 받을 수 있는 데이터 용량(윈도우사이즈)이 1G바이트까지로 규정되어 있다. 데이터 전송 후 상대방이 다 처리했는지 확인한 다음에 윈도우 사이즈를 확대할 수 있지만, IOWN이 상정하는 100기가비트/초의 고속통신에서는 충분하게 그 능력이 발휘되지 못한다. TCP/IP는 어떠한 환경 속에서도 연결된다고 하는 인터넷 시스템에 바탕을 두고 있기 때문에 고속도로와 같은 IOWN에서는 보틀넥이 되는 것이다.

NTT는 초고속∙대용량, 초저지연에 대응하기 위해 TCP/IP를 대체할 시스템으로 기존 HPC (High-Performance Computing)의 메모리 액세스에 사용되어온 RDMA(Remote Direct Memory Access)를 활용할 수 있는 가능성이 있다고 한다.

RDMA를 사용한 파일 전송은 TCP/IP를 사용한 경우에 비해 프로토콜 스택(Protocol Stack)이 심플하고 TCP와 같은 재전송이 발생하지 않는다는 점이 메리트이다. 실제로 NTT가 RDMA와 TCP/IP로 파일 전송 속도를 비교한 결과, RDMA가 2~9배 속도가 빨랐다고 한다.

-- RDMA의 과제는 보안 --
RDMA의 채택으로 재전송을 통해 신뢰성을 확보하는 TCP의 메리트는 사라진다고 할 수 있다. NTT는 이 점에 대해 APN에서는 광경로를 하나의 서비스로 점유함으로써 신뢰성을 확보할 수 있다고 한다. 또한 신뢰성을 한층 더 확보하기 위해, 예를 들어 영상 전송의 경우에는 2개의 독립된 광경로에 다중화한 데이터를 내보낸다. 이 경우 장애가 발생해도 전송이 도중에 끊기는 일이 없으며, 선택적으로 재전송하는 것도 가능하다고 한다.

이러한 메모리 액세스의 데이터 전송 기술에 대해 NTT는 제 1부에서 설명한 Disaggregate Computing과도 연계해 연구하고 있다. CPU 중심뿐만 아니라 메모리 중심의 컴퓨팅 기술은 IOWN 전체의 중요한 요소 기술이다.

한편, 현시점에서 RDMA의 과제로 떠오르고 있는 것이 시큐리티이다. HPC 영역에서 사용되어온 RDMA는 컴퓨터 본체 내 모듈 간 통신 등 보안 리스크가 낮은 경우에 적합하다. 대규모 네트워크의 경우, 정보 유출 가능성이 있다.

“HPC용 RDMA를 그대로 사용할 수 있다고는 생각하지 않는다. 전송 거리가 길면 과제도 당연히 늘어난다. RDMA를 튜닝하거나 그 외 다른 방법도 시야에 넣고 있다”(다카스기 주간연구원)라고 한다. 큰 틀이 정해지고 있는 APN은 앞으로 상세한 기술 검토를 하는 단계에 들어설 것이다.

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