TDMoIP
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컴퓨터 네트워킹과 통신에서, TDM over IP(TDMoIP)는 패킷 교환 네트워크(PSN)를 통한 시간 분할 다중화(TDM)의 에뮬레이션이다.TDM은 T1, E1, T3 또는 E3 신호를 말하는 반면 PSN은 IP 또는 MPLS 또는 원시 이더넷을 기반으로 한다.관련 기술은 회로 에뮬레이션으로, 셀 기반(ATM) 네트워크를 통한 TDM 트래픽 전송이 가능하다.
TDMoIP는 PW의 일종이다.그러나 가성비(ATM, Frame Relay, Ethernet 등)를 넘어 운반할 수 있는 다른 트래픽 유형과 달리 TDM은 실시간 비트 스트림이라 TDMoIP만의 독특한 특성이 있다.또한, 기존의 TDM 네트워크는 특히 음성 등급 전화 채널을 전송하기 위해 필요한 많은 특수 기능을 가지고 있다.이러한 특징들은 광범위한 전화통신 기능, 풍부한 표준화 문헌 및 잘 개발된 운영관리(OAM) 메커니즘을 지원하는 신호 시스템을 암시한다.PSN을 통해 TDM을 에뮬레이션할 때는 이 모든 요소를 고려해야 한다.
TDM PW를 구현하는 데 있어 한 가지 중요한 문제는 시계 복구다.네이티브 TDM 네트워크에서 물리적 계층은 TDM 데이터와 함께 매우 정확한 타이밍 정보를 전달하지만 PSN을 통해 TDM을 에뮬레이션할 때는 이 동기화가 존재하지 않는다.TDM 타이밍 표준은 정확할 수 있으며 이를 준수하려면 TDM 타이밍을 적응적으로 재현하기 위한 혁신적인 메커니즘이 필요할 수 있다.
해결해야 할 또 다른 문제는 TDMoIP PLC이다.TDM 데이터는 전용 채널을 통해 일정한 비율로 제공되기 때문에 기본 서비스는 비트 오류를 가질 수 있지만 데이터는 전송 중에 손실되지 않는다.모든 PSN은 패킷 손실로 인해 어느 정도 어려움을 겪으며 이는 PSN을 통해 TDM을 전달할 때 보상되어야 한다.
2007년 12월, TDMoIP는 RAD 데이터 통신의 Yaakov Stein 박사, Ronen Shashua, Ron Insler, Motti Anavi에 의해 저술된 IETF RFC 5087로 승인되었다.
배경
통신 서비스 제공업체와 기업 고객은 효율적인 이더넷, IP, MPLS 인프라에 음성 및 임대 회선 서비스의 구축에 관심이 있다.VoIP(Voice over IP)가 성숙하는 동안, 그것의 배치는 새로운 네트워크 인프라와 고객 시설 장비(CPE)에 투자를 필요로 한다.TDMoIP는 최신 패킷 교환 네트워크를 전송에 사용할 수 있는 마이그레이션 경로를 제시하지만 최종 사용자 장비를 즉시 교체할 필요는 없다.
TDMoIP는 1998년 RAD Data Communications(미국 특허 번호 673만1,649 참조)에 의해 처음 개발되었으며, 1999년 Utfors(텔레노르 인수 후)에 의해 스웨덴에 처음 구축되었다.Utfors는 1세대 TDMoIP 제품(IPmux-4)을 채용하여 TDM 전용 회선, TDM 임대 회선, 다양한 IP 및 이더넷 서비스를 포함한 번들 서비스를 제공하였다.2001년에 IETF는 PWE3 워킹 그룹을 설립하였는데, PWE3 워킹 그룹은 엣지 대 가사를 위한 아키텍처를 개발하고, TDM을 포함한 다양한 서비스에 대한 사양을 생산하기 위해 설립되었다.ITU, MPLS - 프레임 릴레이 연합을 포함한 다른 표준화 포럼도 가성비에 대한 표준 및 이행 계약서를 제작하는 데 적극적이다.
TDM 구조 취급
TDM은 G.702에 정의된 속도로 임의 비트 스트림을 운반하는 데 사용될 수 있지만, 각각 프레임이라 불리는 동일한 수의 비트를 포함하는 더 큰 단위로 비트 스트림을 운반하는 표준화된 방법이 있다.TDM 프레임은 프레임률을 음성 트래픽의 샘플링 주파수로 고정시켜 항상 초당 8000프레임이 존재하도록 한다. T1 프레임은 193비트와 256비트의 E1프레임으로 구성된다.
모든 비트를 페이로드에 사용할 수 있는 미프레임 TDM과 달리, 프레임 TDM은 동기화를 위해 프레임당 일부 비트 수를 전용해야 하며 아마도 다양한 다른 기능(예: T1 프레임당 1비트, E1 프레임당 8비트)을 사용해야 한다.프레임 TDM은 종종 초당 8000개의 8비트 샘플로 구성된 여러 개의 음성 채널을 각 프레임에서 반복되는 시간 기록으로 멀티플렉싱하는 데 사용된다.이 작업이 완료되면 우리는 "채널화된 TDM"을 갖게 되고 추가 구조가 도입되어야 한다.
천천히 변화하는 채널 관련 신호 비트를 효율적으로 전송하기 위해 멀티 프레임 또는 슈퍼프레임으로 알려진 2차 구조를 정의한다.예를 들어 E1 트렁크의 경우, CAS 신호 비트는 16프레임의 멀티 프레임당 한 번 업데이트되며(2밀리초마다) T1 ESF 트렁크의 경우 슈퍼프레임은 24프레임(3밀리초)이다.다른 유형의 2차 구조도 공통적으로 사용된다.GSM 셀룰러 네트워크에서, 기지국 송수신기국(BTS)과 기지국 제어기(BSC)를 연결하는 Abis 채널은 몇 가지 프레임 대안이 있는 E1 링크인데, 모두 20밀리초의 기본 슈퍼프레임 지속시간을 가진다.
'구조화된 TDM'이라는 용어는 '프레임된 TDM'과 '채널화된 TDM'을 포함한 모든 수준의 구조를 가진 TDM을 지칭하기 위해 사용된다.
TDMoIP 전송은 TDM이 미포함 상태일 때 또는 프레임 또는 채널화되었을 때 "구조화-agnonistic"으로 표시되지만, 프레임과 채널화 구조는 전송 메커니즘에 의해 완전히 무시된다.이 경우 모든 구조 오버헤드는 페이로드 데이터와 함께 투명하게 운송되어야 하며, 채택된 캡슐화 방법은 그 위치나 활용을 위한 메커니즘을 제공하지 않는다.구조 인식 TDM 전송은 개념적으로 구별되는 세 가지 방법으로 TDM 구조를 명시적으로 보호할 수 있으며, 이를 구조 잠금, 구조 표시 및 구조 재조립이라고 부른다.
구조 잠금 장치는 패킷이 전체 TDM 구조 또는 그것의 배수/프레이팅으로 구성되도록 보장한다.구조 표시는 패킷이 기본 구조의 임의 파편을 포함할 수 있도록 허용하지만, 포인터를 사용하여 다음 구조가 시작되는 위치를 표시한다.구조 재조립 요소에서 TDM 구조물은 유입 시 추출 및 재구성될 수 있으며, 원래 구조물은 배출 시 수신된 구성 요소로부터 재조립된다.
TDMoIP 형식
TDMoIP는 PSN 수신 시 TDM 트래픽을 분할, 적응 및 캡슐화하고 PSN 송신 시 역연산을 수행하여 작동한다.적응은 PSN 송신에서 적절한 복원을 가능하게 하기 위해 페이로드(payload)를 수정하는 메커니즘을 의미한다.적절한 적응을 통해 TDM 신호와 타이밍을 복구할 수 있으며, 일정량의 패킷 손실을 수용할 수 있다.캡슐화는 적응된 페이로드(payload)를 기반 PSN 기술이 요구하는 형식의 패킷에 넣는 것을 의미한다.MPLS 사례의 경우, ITU-T 권장 Y.1413에는 패킷 포맷에 대한 완전한 설명이 포함되어 있다.
모든 경우에 TDMoIP 패킷은 PSN 헤더로 시작한다.이것들은 PSN 기술에서 사용하는 표준 헤더로, 예를 들어 UDP/IP의 20바이트 헤더 또는 MPLS의 라벨 스택이다.이러한 헤더 뒤에 다른 TDM PW를 디멀티플렉스하는 역할을 하는 4바이트 MPLS 유사 라벨인 "PW 라벨"이 나온다.PSN 헤더 뒤에 4바이트 TDMoIP "컨트롤 워드"가 나온다.제어 워드에는 16비트 패킷 시퀀스 번호(패킷 재주문 및 패킷 손실을 감지하는 데 필요), 페이로드 길이, 결함 상태를 나타내는 플래그가 포함되어 있다.
제어 단어 뒤에 TDMoIP 페이로드가 나온다.구조 불가지론 전송(SAToP)의 경우 이것은 단순히 미리 정해진 수의 TDM 옥텟인 반면 구조 잠금 형식의 경우 페이로드(Payload)는 정수 수의 TDM 프레임이다.구조 표시 및 구조 재조립을 위해 TDMoIP는 ATM을 위해 원래 개발된 검증된 적응 메커니즘을 사용한다.이러한 페이로드 유형의 선택에서 부수적인 이점은 ATM 네트워크를 통해 전송되는 회로 에뮬레이션 서비스와의 연동을 단순화한다는 것이다.정적으로 할당되고 일정한 비트 전송률(CBR) TDM 링크의 경우 TDMoIP는 ATM 적응 계층 1(AAL1)을 채용한다.ITU-T 표준 I.363.1과 ATM 포럼 규격 atm-vtoa-0078에 정의된 이 메커니즘은 ATM을 통해 CBR 서비스를 운반하기 위해 개발되었다.AAL1은 TDM 데이터의 연속적인 스트림을 작은 48바이트 셀로 분할하고 그 셀에 시퀀싱, 타이밍, 오류 복구, 동기화 정보를 삽입하는 방식으로 작동한다.TDMoIP는 패킷에 임의의 수의 AAL1 셀을 결합할 수 있다(이 셀은 ATM 셀이 아닌 AAL1 셀이며, 즉, 5바이트 "셀세"를 포함하지 않는다).TDMoIP는 패킷당 다중 셀을 허용함으로써 대역폭 효율성(패킷당 셀 수가 증가하면 패킷당 셀 수가 증가함)을 위해 버퍼링 지연(패킷당 셀 수가 감소함)의 유연한 트레이드오프를 촉진한다.동적으로 할당된 TDM 링크의 경우, 시간 간격의 활성화에 의해 정보 속도가 달라지는지 또는 음성 활동 감지에 의해 TDMoIP는 ATM 적응 계층 2(AAL2)를 채용한다.ITU-T 표준 I.363.2에 정의된 이 메커니즘은 ATM을 통해 가변 비트 전송률(VBR) 서비스를 전송하기 위해 개발되었다.AAL2는 각 TDM 시간 슬롯을 짧은 미니셀에 버퍼링하여 시간 슬롯 식별자와 길이 표시를 삽입하고 시퀀싱한 다음 유효한 정보를 전달하는 경우에만 이 미니셀을 전송하는 방식으로 작동한다.TDMoIP는 모든 활성 시간 슬롯의 미니셀을 단일 패킷으로 연결한다.TDMoIP는 CCS(Common Channel Signaling) 데이터 등 HDLC(High-Level Data Link Control) 데이터를 전달하는 시간 슬롯에 대해 유휴 상태가 아닌 데이터의 확장을 캡슐화하는 특수 적응 기능을 갖추고 있다.
지연
전화 네트워크는 엔드투엔드 지연을 심하게 구속한다.ITU-T G.114/G.131은 적절한 에코 제어를 제공한다고 가정할 때 최대 150ms의 단방향 전송 시간이 보편적으로 허용된다고 기술하고 있다.이러한 제약조건은 단대단 지연의 주요 구성요소가 전기 전파 시간("광속 지연")인 TDM 네트워크에서는 문제가 되지 않는다.이와는 대조적으로 IP 기반 시스템은 일반적으로 다양한 형태의 지연을 추가하는데, 그 중 하나는 패킷을 형성하는 데 걸리는 시간(패킷화 지연)에 기초하고 있는데, 이는 패킷 크기를 데이터 속도로 나눈 것에 비례한다.패킷 크기를 너무 작게 만들 수 없거나 패킷 헤더 오버헤드가 압도적으로 증가할 것이다.IP 시스템에 의해 도입된 또 다른 형태의 지연은 재생 지연으로, 패킷 지연 변동을 완충하고 원활한 플레이아웃을 보장하기 위해 수신자에 추가해야 한다.대역폭 효율성이 매우 높은 VoIP 시스템도 음성 코덱에 알고리즘 지연 시간을 수십 밀리초 더 추가할 수 있다.역사적으로, 잘못된 구현은 추가적인 운영 시스템의 지연을 증가시켰고, 이는 실제의 다른 지연과 함께 전파 지연을 고려하기도 전에 100 ms에 근접하기도 한다.
반대로 TDMoIP는 TDM 옥텟을 음성 압축 알고리즘이 없고 결과적으로 알고리즘 지연이 없는 페이로드에 직접 매핑한다.TDMoIP가 추가한 패킷화 지연 시간은 패킷당 셀 수에 따라 다르지만 단일 VoIP 흐름에 비해 전체 멀티플렉스의 데이터 전송률이 높기 때문에 일반적으로 단일 밀리초 범위에 있다.그러나 TDMoIP와 VoIP 간에 플레이아웃 지연 고려사항이 크게 다르지 않기 때문에 두 가지 모두 패킷 지연 변동이 제어된 경로(강력한 초과 프로비저닝 또는 "QoS")에서 가장 잘 작동한다.
타이밍 복구
기본 TDM 네트워크는 계층적 시간 분포에 의존한다.네트워크 어딘가에 1 x 10^-11의 장기 정확도를 가진 최소한 하나의 매우 정확한 1차 참조 시계가 있다.Stratum 1 정확도를 제공하는 이 노드는 Stratum 2 정확도로 2차 노드에 기준 시계를 제공한다.그런 다음 2차 노드는 Stratum 3 노드에 대한 시간 참조를 제공한다.이 시간 동기화 계층은 네트워크 전체의 적절한 기능을 위해 필수적이다.
PSN의 패킷은 PDV(패킷 지연 변동)로 알려진 임의 구성요소를 가진 지연으로 목적지에 도달한다.그러한 네트워크에서 TDM 전송을 에뮬레이션할 때, TDM 패킷을 TDM 최종 사용자 장비에 전달하기 위해 일정한 속도로 데이터를 판독할 수 있는 지터 버퍼에 배치함으로써 이러한 무작위성을 극복할 수 있다.문제는 TDM 소스 시간 참조를 더 이상 사용할 수 없고, 데이터가 지터 버퍼의 "클록아웃"되는 정확한 속도를 알 수 없다는 점이다.
특정 경우에 타이밍은 PW의 양쪽 끝에 있는 TDM 장비에서 도출될 수 있다.이 시계들은 각각 매우 정확하기 때문에 반드시 높은 순서에 동의한다.문제는 TDMoIP 터널의 한쪽 면에 매우 정확한 시간 기준이 있을 때 발생한다.타이밍을 전달하는 물리적 레이어를 정의하는 ATM 네트워크의 경우 동기식 잔류 타임스탬프(SRT) 방식을 사용할 수 있지만 IP/MPLS 네트워크는 물리적 레이어를 정의하지 않으므로 클럭의 정확도를 지정할 수 없다.
따라서 대부분의 경우 유일한 대안은 "적응적 시계 복구"라고 알려진 기술인 TDMoIP 트래픽만을 기반으로 시계를 복구하는 것이다.이는 PDV에 의해 숨겨지지만 소스 TDM 장치가 클럭에 의해 결정된 일정한 속도로 비트를 생산하고 있기 때문에 가능하다.따라서 시계 복구 작업은 무작위 PDV의 영향을 부정하고 원래 비트 스트림의 평균 전송 속도를 포착하는 "평균화" 프로세스다.
패킷손실
트래픽 엔지니어링과 서비스 품질(QoS)의 적절한 적용이 패킷 손실을 최소화할 것으로 예상되지만, 패킷은 때때로 송신지에 질서 정연하게 도착할 것이다.그것들은 또한 PSN 내에서 완전히 삭제되었을 수도 있다.위에서 설명한 TDMoIP 제어 단어에는 손실되거나 잘못 정렬된 패킷을 감지하고 처리하기 위한 16비트 시퀀스 번호가 포함되어 있다.손실된 패킷의 경우 TDMoIP는 TDM 타이밍을 유지하기 위해 보간 패킷을 삽입해야 한다.잘못 정렬된 패킷은 다시 정렬되거나 삭제되거나 보간될 수 있다.
임의 패킷의 삽입은 TDM 타이밍을 유지하기에 충분할 수 있지만, 음성 애플리케이션에서 패킷 손실은 틈이나 오류를 유발하여 피동, 짜증 또는 심지어 알아들을 수 없는 말을 야기할 수 있다.패킷 손실이 음성 품질에 미치는 정확한 영향과 패킷 손실 은폐 알고리즘의 개발은 VoIP 커뮤니티에서 상세 연구의 대상이 되었지만, 그 결과는 TDMoIP 사례에 직접 적용되지는 않는다.이는 VoIP 패킷이 일반적으로 음성 신호의 80개(10ms)에서 240개(30ms) 사이의 샘플을 포함하는 반면 TDMoIP 패킷은 적은 수의 샘플만 포함할 수 있기 때문이다.TDMoIP 패킷은 매우 작기 때문에 손실된 음성 샘플 대신 상수 값을 삽입하는 것이 허용된다.입력 신호가 0평균(즉, DC 성분이 포함되지 않음)이라고 가정하면 이 상수가 0으로 설정되었을 때 최소한의 왜곡이 발생한다.또는 보다 정교한 접근법은 누락된 표본의 값을 최적으로 예측해야 한다.
