플레시오크로너스 디지털 계층 구조(PDH)에서 SONET과 동기식 광 전송 네트워크로 이어진 디지털 전화망의 역사와 설계를 살펴봅니다.
2026-10-12
1960년대까지 전화 통화는 아날로그 신호로 전송되었다. 가공선에 주파수 분할 다중화를 적용한 사례가 많았고, 때로는 동축 케이블도 사용되었지만, 전후 시기에는 매설 다심 전화 케이블이 우세해지기 시작했다. 이 망은 놀라울 만큼 잘 작동했다. 대륙 반대편까지의 장거리 통화도 여전히 상당히 잘 알아들을 수 있었다. 하지만 아날로그 반송파에는 근본적인 한계가 있었다. 통화 품질은 각 단계를 거칠 때마다 저하되었으며, 이미 전화 시스템의 명백한 미래로 보이던 민감한 디지털 연결에서는 이 문제가 훨씬 더 심각했다. 이것들은 전화선 위에 변조된 디지털 신호였다. 전화 시스템 자체는 여전히 이를 아날로그 통화로 처리했으며, 단지 품질에 특별한 주의가 필요한 통화였을 뿐이다.
제2차 세계 대전 중에는 장거리망의 많은 난제를 장거리 시스템 전체의 기반으로 디지털 신호 방식을 사용하면 크게 단순화할 수 있음이 분명해졌다. 1943년 Bell Labs는 SIGSALY라는 초기 암호화 음성 통신 시스템의 설계에 기여했다. 전쟁 초기의 “음성 스크램블러”와 기타 아날로그 기법과 달리 SIGSALY는 현대 암호화와 확연히 유사했다. 음성 데이터는 수치값으로 양자화되었으므로 디지털 산술을 사용해 이를 부호화할 수 있었다. 음성용 암호 시스템을 만들려는 과정에서 Bell Labs는 부수적으로 PCM 디지털 음성 전송을 위한 최초의 실용 시스템을 만들었다. 전쟁이 끝난 뒤에는 이 기술을 개선해 일반 서비스에 적용하는 것이 당연한 다음 단계였다.
그렇다고 해서 적어도 처음부터 직접 디지털 서비스를 뜻한 것은 아니었다. 가입자 루프의 대부분은 오늘날까지도 아날로그로 남아 있다. 디지털망의 초기 몇 년 동안에는 교환기조차 순수 아날로그 신호를 교환했다. 그러나 국사 사이에서는 아날로그 채널을 디지털 채널로 부호화함으로써 음질, 마이크로파 경로 과부하, 트래픽 경로 설정의 유연성에 이르는 문제를 해결했다. 1920년대에 주파수 분할 다중화가 그러했듯, 디지털화는 AT&T의 반송파 개념의 핵심 요소가 되었다. 이것이 상용 전화 시스템 최초의 디지털 반송파인 T-carrier가 1962년에 도입된 배경이다.
T-carrier에 관한 이전 글(이 주제에 조금이라도 관심이 있다면 읽어 보기를 권한다!)에서 나는 T1, T2, T3 등이 각각 DS1, DS2, DS3 등의 디지털 신호를 전달하는, 계층적으로 더 큰 대역폭의 연결이라고 설명했다. 이 계층적 개념을 빠르게 복습하고, 흥미를 위해 D1 채널 뱅크라는 추가 혼란도 보태 보자. D1 채널 뱅크는 24개 음성 채널을 디지털화하고 이를 DS1 신호로 다중화하는 물리 장비이며, 이 신호는 T1 반송파로 전송된다.
마찬가지로 DS1 신호 네 개는 DS2 신호 하나로 결합되어 T2로 전송될 수 있다. DS2 신호 일곱 개는 DS3 신호 하나로 결합되어 T3로 전송될 수 있다. 적어도 당시 기술로 도달할 수 있었던 범위에서는 계속 이런 식이다. DS2 계층은 대체로 D2 채널 뱅크에 대응하지만, 이후 개발된 채널 뱅크들은 용량뿐 아니라 기능도 추가했으므로 이 관계는 혼동을 부를 수 있다. D2 채널 뱅크는 96개 채널을 DS2 신호에 다중화할 수 있었지만, 일반 혼합 유료 서비스의 기술 요건을 만족하도록 오디오 채널의 전체 품질도 향상했다(D1은 원래 데이터급 전용선 같은 다른 용도가 아닌 일반 음성 채널용으로만 승인되었다).
이 개선을 위해 D2는 신호에 유입되는 양자화 잡음의 양을 줄여야 했다. D1 채널 뱅크는 샘플당 7비트 PCM 오디오를 사용했으며, 계산 결과 유료급 연결에는 샘플당 8비트가 필요했다 1. 어떤 면에서는 쉬워 보였다. DS1은 이미 8비트 단위를 사용했다. 하지만 PCM 샘플의 일부로 사용되지 않는 여덟 번째 비트는 신호 제어 용도로 예약되어 있었다. 문제없었다. D1 채널 뱅크는 어차피 신호 제어 대역폭 전체를 실제로 사용하지 않았으므로, 절충안에 맞게 편안히 줄일 수 있었다. D2 채널 뱅크는 대부분의 PCM 샘플에 8비트를 사용했지만, 여섯 프레임마다 각 샘플의 마지막 비트는 오디오가 아닌 신호 제어 용도로 예약했다. 이로 인해 양자화 잡음은 조금 늘고 신호 제어율은 크게 줄었지만, 두 결과 수치는 모두 허용 범위에 들었다. 완벽한 절충이었지만 기술적으로는 우아하지 않게 느껴진다. 어떤 의미에서 D2 채널 뱅크는 샘플당 7.833비트를 사용한 셈이다. 아야.
이것은 Bell System의 엔지니어들에게도 비슷한 불편함을 주었을 테지만, 기존 장비와의 호환성을 위해서는 그 미학적 불쾌감을 감수할 만했다. D2 채널 뱅크가 1970년에 현장 배치될 무렵에는 엄청난 수의 D1 채널 뱅크와 T1 연결이 서비스 중이었다. 기존 T1 회선과의 하위 호환성은 확고한 요구 사항이었다. D2는 D1의 네 배인 96개 채널을 다중화했으며, 이 채널들을 T1 링크 네 개로 전송할 수 있었다. 실제로 처음에는 이것이 유일한 선택지였다. T2와 그 이후 반송파들은 D2 뒤에야 배치되었다. 이 하위 호환성은 업그레이드 경로를 제공했을 뿐 아니라 96채널 용량을 분할할 방법도 제공했다.
여기서 이것이 “계층 구조”를 완전히 다르게 설명하는 방식이기도 하다는 점을 알아차릴 수 있을 것이다.
계층 구조의 각 단계에서 배수가 왜 24, 4, 7, 6처럼 이렇게 일관성이 없는지도 궁금할 수 있다. 위에서 여섯 샘플마다 신호 제어 비트를 넣는다는 내용을 읽으며 “비트 도용 신호 제어”라는 개념에 관한 깊은 기억이 떠올랐을지도 모른다. 이는 다른 용도를 위해 가끔 비트를 빼내는 일반적 개념으로, T1에서 널리 사용되었다. 이 모든 것은 어떤 시스템이 설계된 것이 아니라 자라난 것임을 알리는 징후다. T1, T2, T3 등의 “디지털 계층 구조”는 우아하게 설계된 시스템이 아니다. 적어도 T4 시대 Bell Laboratories Record의 글들이 들리게 하는 만큼은 전혀 그렇지 않다. 이것은 대체로 우연의 산물이며, Dn 채널 뱅크의 역사가 이를 보여 준다. 새 채널 뱅크인 D3, D4는 각각 이전 장비보다 훨씬 많은 채널을 전달하도록 설계되었다. 또한 이전 채널 뱅크와 반송파의 사용 방식과 하위 호환성을 유지해야 했다. 하위 호환성을 갖춘 이 기하급수적 개선 과정은 디지털 계층 구조를 설계된 결과가 아니라 자연스러운 귀결로 이끌었다.
연속적으로 더 큰 다중화기 계층이라는 이 자연발생적 개념은 디지털 계층 구조를 설명하지만, 이제 타이밍과 동기화 문제를 고려해야 한다.
디지털 샘플링에 기반한 시스템에서는 여러 신호를 결합하려면 해당 샘플이 채취되는 시점을 알아야 한다. 여러 동시 전화 통화를 전송을 위해 하나의 디지털 다중화기로 결합하는 상황을 생각해 보자. 전화 통화가 D1(또는 D2, D3 등) 채널 뱅크에 도달하면, 채널 뱅크는 DS1(또는 상위) 출력 스트림을 구성하기에 적절한 시점에 모든 입력을 샘플링한다. 이 경우는 특별히 복잡하지 않지만, 디지털 스트림에 포함된 모든 통화가 같은 클록의 제어 아래 샘플링되어야 한다는 조건은 필요하다.
그렇다면 회선을 서로 다른 위치에서 디지털화해야 하는 경우는 어떨까? 한 도시에 작은 국사 두 곳이 있고, 이들이 다음 도시에 있는 중계국으로 국사 간 트래픽을 전달해야 한다고 하자. 명백한 방법은 각 지역 국사에서 통화를 디지털화하고, 디지털 신호로 한 국사(아마도 그 도시의 주요 도심 교환국)까지 보낸 뒤, 이 모든 디지털 신호를 결합해 중계 교환기로 보내는 것이다. 이를 채널 뱅크로 처리하는 것은 그다지 바람직하지 않았다. 첫 번째 디지털 구간에서 두 번째 구간으로 중계하려면 통화를 실제로 아날로그로 되돌렸다가 다시 디지털로 변환해야 했기 때문이다. 최초의 디지털 전화 회선은 이러했다. 완전히 점대점 방식이어서 디지털 영역에서 교환하거나 경로를 설정할 가능성이 없었다. 모든 교환기가 아날로그였고 디지털 회선이 그 사이의 회선을 더 조밀하게 만들었을 뿐이던 초기에는 큰 제약이 아니었지만, Bell Labs가 구상한 완전 디지털망의 구축은 막았다.
분명히 필요한 것은 이미 그 형태인 DS1 네 개를 받아 DS2 하나로 결합할 수 있는 어떤 종류의 다중화기였다. 이를 상위 계층에서도 반복하면 여러 국사 간 수요 수준에 맞춰 필요한 대로 트래픽을 결합하고 분리할 수 있는 시스템의 기반이 마련된다. 하지만 샘플 타이밍은 어떻게 할 것인가?
서로 다른 네 장소에서 온 DS1 스트림 네 개는, 적어도 1970년대에는 동기화되어 있지 않을 것이다. D1 채널 뱅크 네 대는 각자 자신의 샘플 클록으로 작동하며, 물리 세계의 불완전성 때문에 이 클록들 중 일부는 다른 것보다 약간 빠르거나 느리게 작동한다. 가상의 다중화기에 DS1 스트림 네 개가 도착했을 때, 이 네 스트림은 위상만 어긋난 것이 아니라 실제로 약간씩 다른 속도로 작동한다.
이 문제에 대한 현대적 해결책은 많이 상상할 수 있다. 아마도 비교적 큰 샘플 블록을 메모리에 버퍼링하고 그 버퍼에서 전송하는 방식일 것이다. 1970년대에는 사정이 단순하지 않았다. 첫째, 메모리는 관련 비트율에 비해 비싸고 느렸다. 둘째, 이렇게 광범위하게 버퍼링할 때 생기는 지연은 이전까지 완전 아날로그였고 따라서 빛의 속도에서 비롯된 지연 이상은 없었던 망에서 받아들일 수 없다고 여겨졌다.
이 문제의 해결책인 플레시오크로너스 디지털 계층 구조, 즉 PDH는 현대의 관점에서 이해하기 쉽지 않다. 망과 통신에 관한 많은 교과서는 PDH를 언급하지만, 흔히 짧고 피상적이어서 전체가 별로 말이 되지 않는다는 찜찜한 느낌을 남긴다. PDH는 두 가지 이유로 공감하기 어렵다. 첫째, 더 광범위한 기술 발전으로 인해 이제는 더 이상 존재하지 않는 문제 집합을 해결하기 위해 개발되었다. 둘째, 그런 제약 안에서조차 더 새로운 접근법이 이를 대체했다. PDH는 오늘날 누구도 설계하지 않을 것이며, 돌이켜 보면 이를 임시방편으로 생각하는 편이 가장 낫다. 원한다면 PDH는 디지털 채널 뱅크의 개발과 이후 디지털망 동기화를 위한 좋은 접근법의 개발 사이 간극을 잇는 과도기적 조치였다.
두 시스템이 동시에 설계되었더라면 더 편리했겠지만 실제로는 그렇지 않았다. AT&T가 디지털망을 위한 합리적 아키텍처를 갖추기 꼬박 10년 전부터 디지털 장거리 회선은 널리 사용되고 있었다. 1960년대 후반에는 이미 이 요구 사항들을 검토하고 있었고, 이는 계층적 망 아키텍처로서 PDH 개념으로 이어졌다. 하지만 그 망을 제공하는 실제 기술 대부분은 나중인 1970년대와 1980년대에 구축되었다. 한동안은 그냥, 알다시피, 작동하는 무언가가 있었다. 덕트 테이프 수리였다. 개념적 철사 묶음이었다.
그렇다면 PDH는 대체 무엇이었을까? 모든 교과서가 이 용어를 정의해야 하는데, 이는 이 말이 Bell Labs가 자신들의 설계를 설명하기 위해 만든 것이기 때문이다. 어원은 생략하겠다. 플레시오크로너스는 “거의 동기화된” 또는 “대략 동기화된”이라는 뜻이다. 그리고 그것이 바로 PDH였다. 약간의 느슨함이 있는 동기식 디지털 시스템이었다. 조금의 여유가 있었다.
DS1 신호는 1.544 Mbps이므로 네 개를 다중화하면 6.176 Mbps일 것이라 예상할 수 있다. 하지만 틀렸다. DS2는 실제로 6.312 Mbps다. 여기의 오버헤드는 플레시오크로너스에서 플레시오 부분에서 나온다. 그 작동 방식을 이해하려면 처음부터 다중화기의 설계를 살펴보아야 한다. AT&T 관행에서는 DS1 계층에서 DS2 계층으로 가는 다중화기를 M12라고 부른다. 말 그대로 1에서 2로 가는 다중화기라는 뜻이다. 실제로는 M13이 더 흔한 장비였던 듯하며, 내부적으로 M12 일곱 대가 M23 한 대에 입력되는 방식으로 구현된 경우가 많았다.
어쨌든 M12는 서로 다른 DS1 스트림 네 개를 입력받아 비트 인터리빙한다. 즉 출력의 매 네 번째 비트가 입력 중 하나에서 나온 다음 비트가 되도록 한다. 이는 이해하기 간단하며 사실상 버퍼링이 전혀 일어나지 않는다는 장점이 있다. 하지만 입력 중 하나가 약간 빠르게, 다른 하나가 약간 느리게 작동한다면 어떨까? 먼저 알아둘 점은 출력 스트림이 의도적으로 모든 입력보다 약간 빠르다는 것이다. 일반적인 PDH 시스템은 입력 속도에 플러스마이너스 50 PPM 변동을 허용했으므로, 출력은 입력 합계에 비해 적어도 50 PPM 빨라야 했다. 그래야 입력이 출력이 인터리빙할 수 있는 속도보다 빠르게 비트를 제공하여 다중화기가 결코 “뒤처지지” 않는다.
또 하나 알아둘 점은 다중화기가 채움 또는 _정당화_라 불리는 기능을 수행해야 한다는 것이다. _정당화_라는 용어는 더 기술적으로 들린다는 이유로 AT&T 내부에서 도입되었고, _채움_은 실제 엔지니어들이 더 선호했다는 이야기가 있다. 각 출력 프레임의 특정 부분은 표준에서 채울 수 있는 것으로 정의되며, 때로는 _간격_이라고도 한다. 이 구간은 다중화기가 실제 데이터를 넣거나 채움 비트(더 기술적으로 들리고 싶다면 정당화 비트)라고 하는 무의미한 데이터를 넣을 수 있는 곳이다. 다중화기는 간격에 실제 데이터를 넣을지 채움 데이터를 넣을지 선택함으로써 “실제” 출력 데이터율을 위아래로 조정할 수 있다. 그리하여 입력이 실제 속도에서 약간씩 오르내리는 “타이밍 잡음”에도 불구하고 올바른 평균값, 즉 입력들의 합계에 수렴한다.
이 설명이 이해되지 않았다면 같은 내용을 다른 방식으로 생각해 보자. DS2 출력 프레임은 DS1 입력 프레임 네 개가 삽입되는 네 개의 “슬롯”으로 이루어진다고 상상할 수 있다(비트 단위로 인터리빙되므로 직관적이지는 않지만 계산은 같다). PDH 설계에서 이 슬롯들은 모두 입력 프레임보다 약간 더 넓어서, 입력 프레임을 어느 방향으로든 조금 옮기거나 늘일 수 있는 “여유 공간”이 있다. 이는 다중화기가 빠른 입력을 “따라잡거나” 느린 입력의 프레임을 “늘여” 보낼 수 있게 한다. 원하는 대로 입력을 넣을 수 있는 넓은 슬롯으로 생각하면 “정당화”라는 용어도 더 의미를 얻는다. 텍스트를 정렬할 때처럼 비트를 이동하거나 그 사이에 여분의 공간을 추가할 수 있기 때문이다.
이 아이디어의 실제 구현은 상당히 복잡하다. 반대편의 역다중화기가 버릴 수 있도록 어떤 비트가 채워졌는지 알아야 하기 때문이다. 그래서 PDH는 고정된 위치에 간격을 지정했다. 제어 신호에는 고정 간격을 데이터에 썼는지 채움에 썼는지를 나타내는 플래그 집합이 포함되었다. 다중화기가 채울 수 있는 비트를 사용할지 결정할 때(입력이 출력 다중화기보다 앞서고 있는지에 따라) 프레임 끝에서 플래그를 올바르게 설정할 수 있도록 그 결정도 저장해야 했다.
PDH는 우아한 해결책은 아니었지만 해결책이었으며, PDH 접근법에 기반해 DS4 계층까지 다중화기가 설계되었다. 우리는 전국 규모 디지털 전화망을 구축할 수 있게 한 투박한 임시방편을 제공한 PDH에 큰 감사를 표해야 한다. 그렇지만 단점도 꽤 많았다.
첫째, PDH는 애초에 그다지 잘 표준화되지 않았다. PDH를 조사하기 어려운 이유는 미국의 실제 구현에 관한 결정적 세부 정보를 제공하는 문서가 많지 않고, 대개 요약, 개념도, 유럽 사례만 있기 때문이다. 내가 알기로는 2 Western Electric은 독립형 PDH 다중화기를 실제로 제공한 적이 없다. Western Electric의 대형 통합 시스템(예를 들어 마이크로파 반송파 장비 랙)에는 PDH 다중화기가 포함되었을 수 있지만, WE가 그것을 직접 만들었는지는 분명하지 않다. 내가 찾을 수 있는 PDH 다중화기의 광고와 가격 정보는 Farinon 및 NEC 같은 다른 공급업체의 것이다.
북미 관행에서 PDH는 강력하게 표준화된 적이 없는 듯하며, 제조업체별 장비 사이에는 구현 차이가 있었다. 이것이 PDH 장비에 관한 정보가 부족한 이유 중 하나일 것이다. 보통 PDH 다중화기 하나를 구매하는 것이 아니라 더 큰 시스템의 일부로 특정 모델을 지정했기 때문이다. 이는 PDH망이 AT&T가 기대했던 것보다 훨씬 덜 유연했음을 뜻한다.
해외로 눈을 돌리면 문제는 더 컸다. AT&T는 Bell Labs와 Western Electric이 고안할 수 있는 최선의 것을 배치하고 나중에 그것을 표준으로 보급하는 경향이 있었다. 유럽 통신사들은 새로운 미국 기술이 성숙하기 전에는 채택하지 않는 경향이 있었고, 이 덕분에 장비가 설치되기 전에 표준을 만들 기회를 얻었다. 따라서 유럽판 미국 전화 반송파는 종종 조금 더 낫고, PDH도 예외가 아니다. 실제로 미국, 유럽, 일본은 PDH 신호에 서로 다른 세 가지 계층 구조를 사용했다. 유럽 표준은 스트림 하나에 더 많은 채널을 넣었고(약 2 Mbps의 “E1”), 각 계층에 일관되게 4라는 배수를 사용했다. 유럽 PDH 관행은 CCITT에서 완전한 공개 표준까지 받았다. 일본 시스템은 미국과 같은 DS1 표준을 사용했지만 배수는 달랐다(4, 7, 6 대신 4, 5, 3, 4). 따라서 모든 것을 완전히 재다중화하지 않고는 PDH를 국제 통화에 사용할 수 없었다.
PDH의 또 다른 단점은 바로 그 재다중화와 관련됐다. 입력 프레임을 비트 인터리빙하고 일부 비트를 채운 뒤 비트 채움에 관한 플래그를 인터리빙된 스트림에 넣기로 한 결정은 PDH 다중화기가 사실상 입력 스트림을 “뒤섞는다”는 뜻이었다. 예를 들어 DS3 스트림에서 음성 채널 하나를 추출하고 싶다면 앞에 해야 할 일이 많았다. 당시 전자 기술로는 각 계층의 인터리빙과 채움 비트를 결정하기 위해 스트림을 분석하는 것이 현실적으로 불가능했다. 대신 DS3를 계층의 맨 아래까지 역다중화기에 통과시키고, 원하는 채널을 빼낸 뒤, 다시 끝까지 재다중화해야 했다. DS3에서 채널 하나를 빼내는 데는 높이 11.5피트 장비 랙 두 개가 필요할 수 있었고, 비트 도용 방식의 특성으로 양자화 잡음도 추가로 발생했다.
PDH를 한계까지 밀어붙인 일은 두 가지였다. 첫째는 광섬유였다. AT&T는 광섬유 도입이 유명할 정도로 늦었으며, 1970년대의 디지털 계층 구조 문서는 이를 T-carrier, 마이크로파, 동축 케이블로 전송하는 것을 다뤘다. 우리는 이전에 동축 케이블에 관해 이야기했다. 하지만 L-carrier는 아날로그 시스템이었다. 디지털 동축은 T3, T4, T5 반송파로 등장했지만, 이들은 비교적 단거리였고 주로 짧은 국사 간 링크에서만 사용되었다.
그러나 상황은 바뀌고 있었다. DS3 장비가 전화 교환국에 등장할 무렵, 경쟁사들은 이미 광섬유를 평가하고 있었다. AT&T는 1976년 애틀랜타에서 실험적 DS3 광섬유 링크를 운용하며 조심스럽게 발을 들였다. 다음 해에는 AT&T와 경쟁사 GTE 모두 DS3 광섬유 회선을 운용했다(각각 시카고와 LA 지역). 외부 제조업체들은 1980년 무렵부터 광섬유 기반 T1 장비를 제공하기 시작했으며, 1983년 AT&T는 뉴욕에서 워싱턴까지 이어지는 다중 모드 광섬유 시스템을 보유했다. 사업 및 경쟁 요인에 관한 흥미로운 이야기는 생략하겠지만, 결론은 분명했다. 광섬유는 장거리 회선의 미래였다. AT&T 엔지니어들은 PDH 설계가 광섬유가 도달할 막대한 용량으로는 잘 확장되지 않는다는 점을 깨달았다. 더 나쁜 것은 복잡한 광섬유망에는 PDH에 없는 역량, 즉 다중화기에서 단일 채널을 추출하는 기능이 정확히 필요하다는 점이었다. 게다가 사용 중인 시스템에도 불구하고 PDH 신호를 광섬유로 전송하는 표준은 사실상 없었으며, 이는 호환성 문제만 더할 뿐이었다.
1983년에는 또 다른 일이 다가오고 있었다. 바로 분할이었다. 1980년대 중반 AT&T의 전면적 재편으로 Baby Bells가 독립 회사들로 분리되면서 PDH의 상호 운용성 문제는 훨씬 심각해졌다. Bell 운영 회사들(BOC)은 AT&T Long Lines뿐 아니라 결국에는 다른 BOC, 경쟁 전화 회사, 장거리 통신 사업자와도 트래픽을 쉽게 교환해야 했다. 그 트래픽이 대체로 느슨하게 표준화된 블랙박스 다중화기로 전송될 때는 이것이 매우 어려웠다. Bell System 분할 전에는 AT&T가 전체 망을 운영했고 다른 이들과 협력할 필요가 별로 없었으므로 미국 전화 통신의 많은 측면이 느슨하게 표준화되어 있었다. 1984년 이후 미국은 훨씬 유럽과 비슷해졌다. 기술이 널리 채택되려면 잘 정의되고 공개된 표준이 필요했다.
그것은 표준 기구를 뜻했다. 과거 모든 BOC가 사용한 관행을 발행하던 AT&T 부서는 분할 후 Bellcore라는 독립 회사가 되었다. Bellcore의 즉각적인 목표는 전화 회사들 사이에서 사용할 완전히 표준화된 디지털 인터페이스 집합을 개발하는 것이었다. 동시에 반송파 사업자와 장비 제조업체 집단은 광섬유 장비에 관한 ANSI 표준화 절차를 시작하기 위해 협회를 조직했다. 이들은 서로 다른 제조업체의 단말 장비를 함께 사용할 수 있도록 고속 디지털 광섬유의 산업 표준을 목표로 삼았다.
그 노력으로 Digital Hierarchy and Synchronization이라는 이름의 ANSI T1X1 작업 그룹이 만들어졌다. 1985년 Bellcore는 T1X1 위원회에 초안 표준을 제안했다. 그 이름은 SONET이었다.
먼저 전 세계 독자를 위해 약간의 맥락을 설명하겠다. PDH의 단점 중 하나는 국제 표준화가 부족하다는 것이었고, SONET은 같은 실수를 되풀이하지 않을 것이었다. SONET이 ANSI에 제안된 직후 CCITT에도 제안되었다. 역사적 이유로, 그리고 두 표준이 사실상 동일함에도 불구하고 SONET(Synchronous Optical Network)은 북미 표준이고 유럽 표준은 Synchronous Digital Hierarchy의 약자인 SDH라 불린다. SONET이라는 용어가 더 귀에 잘 들어오므로 이를 계속 쓰겠지만, SDH라는 이름이 SONET이 본질적으로 PDH와 같은 개념이되 실제로 동기식이라는 점을 더 잘 전달한다. 그뿐 아니라 기능도 더 풍부하고 표준화도 훨씬 잘되어 있다.
SONET은 디지털 계층 구조에서 더 높은 지점에서 시작한다. “최하위” SONET 계층은 Synchronous Transport Signal 1, 즉 STS-1이며, 일반적으로 Optical Carrier 1, 즉 OC-1로 전송된다. OC-1은 51.84 Mbps로 작동하며 신호 제어 오버헤드와 함께 PDH DS3 채널을 전달하기에 충분하다. 통신 역사에서 이 시점에는 채널 뱅크가 개선되어 50 Mbps는 예전의 50 Mbps가 아니었으므로, DS3는 고용량 전송 시스템의 기본 단위로 좋은 선택이었다. 이는 중요한 하위 호환성도 제공했다. DS3는 가장 널리 배치된 PDH 신호였으므로 STS-1 안에 DS3를 수용함으로써 SONET은 기존 PDH 링크를 SONET 대체망으로 터널링하는 쉬운 경로를 제공했다.
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이 시점에는 PDH의 디지털 계층 구조 원리가 잘 확립되어 있었으므로 SONET도 정확히 같은 패턴을 따른다. 다행히 명명 규칙은 개선되었다. OC-3은 OC-1의 세 배 대역폭이고, OC-12는 OC-1의 열두 배 대역폭이다. OC-24, OC-48, OC-192, 심지어 OC-768도 널리 사용되었으며, 마지막 것은 38 Gbps가 넘는 페이로드를 달성한다.
SONET은 예상보다 복잡하거나, 적어도 다르다. SONET 프레임은 헤더와 본문으로 구성되지 않는다. 대신 PDH와 마찬가지로 모든 데이터가 다소 지저분하게 느껴지는 방식으로 인터리빙된다. 예를 들어 STS-1 신호에서 프레임은 프로토콜 오버헤드 3바이트와 페이로드 87바이트로 이루어지며, 90바이트 패턴이 아홉 번 반복되어 810바이트 프레임을 이룬다. 상위 계층은 더 큰 프레임을 사용하지만 같은 구조를 유지하며, 사실상 헤더를 각 프레임에 섞는다. PDH의 비트 단위 인터리빙처럼 이것은 지연을 관리하기 위해 수행된다. 헤더를 페이로드와 인터리빙하면 어느 지점에서도 전체 데이터 프레임을 버퍼링할 필요가 없다. 이 설계 결정 덕분에 SONET은 프레임 시간보다 짧은 지연을 제공할 수 있다.
이 설명은 SONET의 프로토콜 오버헤드 중 한 부분만 논하므로 지나치게 단순화되어 있다. 실제로는 서로 다른 목적을 수행하는 여러 계층의 오버헤드가 모두 함께 인터리빙된다. “최하위 계층” 오버헤드는 경로를 따라 각 재생기에서 다시 만들어지며(경로 손실을 보상하기 위해 광 신호를 복호화한 뒤 재부호화하는 장치), 상위 계층은 단말 장비에서만 처리되어 연결 품질 모니터링 같은 용도로 쓰인다.
이런 오버헤드 유형은 중요하다. PDH와 달리 SONET은 전체 물리 인프라에 관한 규격을 제공하기 때문이다. SONET은 사실상 언제나 소수의 표준 아키텍처 중 하나와 함께 사용되며, 각 아키텍처는 이중화를 제공하도록 설계되었다. SONET은 광섬유에서 단방향 신호 방식을 사용하므로 어떤 SONET 링크든 보통 활성 광섬유 두 가닥, 즉 각 방향에 한 가닥씩을 갖는다. 달라지는 것은 이중화 접근법이다. 자동 보호 기능이 있는 선형 경로에는 “예비” 광섬유가 두 가닥 있다. 단말 장비가 모니터링 프로토콜 오버헤드 신호를 통해 주 광섬유 쌍의 연결 품질이 더 이상 좋지 않음을 감지하면, 보조 쌍으로 자동 전환한다.
그러나 SONET에서 특히 흔하고 특히 독특한 것은 링이다. 단방향 링은 각 방향에 한 가닥씩 광섬유 두 가닥을 사용하지만, 각 광섬유는 원을 그려 원점으로 돌아온다. 원점에서는 각 프레임을 링 안으로 양 방향으로 전송한다. 링의 다른 위치에 있는 단말들은 각 방향에서 하나씩 받은 두 사본을 비교하여 더 나은 쪽을 사용한다. 이는 광섬유 중 하나가 손상되는 경우를 보호한다. 끊어진 광섬유의 “하류”에 있는 단말도 반대 방향으로 간 프레임은 여전히 수신할 수 있어야 한다.
이 보호 방식의 단점은 비효율적이라는 점이다. 모든 프레임을 두 번 보내므로 두 광섬유가 제공하는 이론적 최대 대역폭은 여전히 광섬유 한 가닥의 용량과 같다. 양방향 링은 프레임이 손실되었을 때 이를 감지하는 더 복잡한 모니터링 체계를 사용하므로, 미리 두 번 전송할 필요가 없다. 끊어진 광섬유는 감지되며, 링에 따라 반대 방향으로 보내거나 같은 방향에 할당된 두 번째 이중화 광섬유로 보낸다.
SONET의 링 아키텍처는 가장 흥미로운 특성 중 하나다. 단방향 링은 SONET망의 “라스트 마일” 구성 요소로 흔히 쓰인다. 예를 들어 인터넷 초기의 대기업을 생각해 보자. 100 Mbps 인터넷 연결이 필요했다면 가장 좋은 선택지 중 하나는 전화 회사에서 SONET 서비스를 구매하는 것이었다. 전화 회사는 전화 교환국에서 시작하고 끝나는 기존 링을 가져와, 그 어딘가에 고객의 구내를 어떻게 추가할지 결정했다. 링 형태는 광섬유 길이를 비교적 효율적으로 사용하면서 이중화를 가능하게 했다.
더 복잡하지만 더 효율적인 양방향 링은 일반적으로 더 복잡한 단말 장비를 둘 충분한 공간이 있는 전화 교환국 사이에 사용되었다.
링 토폴로지는 또한 SONET이 PDH보다 갖는 가장 큰 장점을 보여 준다. PDH와 달리 SONET 계층은 오버헤드와 프레임 데이터를 같은 위치에 유지하며, 개별 채널을 찾는 데 필요한 프레이밍 데이터에 대한 오프셋도 일관된다. 즉 고속 SONET 링크를 검사하여 특정 채널을 찾아 그 비트를 추출하는 것이 실용적이다. 채널이 있는 위치를 찾고 그 비트만 덮어써 스트림에 데이터를 삽입할 수도 있다. 이 패턴은 다중화기가 보통 일부 채널을 추가하고 다른 채널을 제거하므로 “추가-제거 다중화”라고 한다.
구체적 사례를 살펴보자. 여러 해 전 나는 버지니아의 General Electric 공장에서 인턴으로 일했다. 시설의 주 인터넷 연결은 이미 업그레이드되었지만, SONET 서비스는 이중화와 구형 TDM PABX를 위해 여전히 활성 상태였다. 장비실에는 통신사 소유 추가-제거 다중화기가 건물이 실제로 링에 접속된 광섬유 인클로저와 함께 랙에 설치되어 있었다. 다중화기는 고객 구내 장비였으며, 우리 Cisco 라우터는 OC 광섬유로 다중화기의 “저속” 측에 연결되어 있었다. 반면 “고속” 측에는 링의 “이웃”으로 향하는 연결이 양방향에 하나씩 두 개 있었다. 통신사는 랙에 이 상황을 분명히 보여 주는 도면을 붙여 놓았다. 한 쌍의 광섬유는 National Radio Astronomy Observatory로, 다른 한 쌍은 National Geospatial Intelligence Agency로 갔다. 그 링에는 흥미로운 트래픽이 있었음이 틀림없다!
다중화기는 우리에게 할당된 SONET 링의 시간 슬롯을 찾아 이를 “제거”하여 저속 측으로 그 비트를 내보냈고, 저속 측에서 다시 같은 시간 슬롯에 “추가”되는 비트를 받았다. 링을 따라 있는 각 기관도 자신들의 채널에 대해 같은 작업을 수행했다.
SONET 링이 각 사용자를 “통과”해야 한다는 사실은 실질적 단점이었다. 한 고객의 추가-제거 다중화기가 고장 나면 다른 고객에게도 서비스 중단이 발생할 수 있었기 때문이다. 그래서 다중화기는 통신사 자산이었고, SONET 링은 언제나 어떤 형태의 자동 보호와 이중화를 갖추어 배치되었다. 하지만 결국에는 전화 회사 기술자가 때때로 보안 데스크에 나타나 SONET 장비의 유지보수나 수리가 필요하다고 하곤 했다.
SONET 링크의 어느 지점에서든 추가-제거 다중화를 수행할 수 있는 능력은 디지털 크로스커넥트도 가능하게 했다. 마침내 이것이 전국 디지털망의 원래 꿈이었다. 추가-제거 다중화기 두 대를 짝지으면, 한 SONET 회선의 채널을 다른 회선으로 완전히 디지털 방식으로, 거의 지연 없이 교환할 수 있다. 원격 재구성을 위한 Transaction language 1(TL1)이라는 관리 프로토콜과 결합하면, 디지털 크로스커넥트는 장거리망을 엄청나게 유연하게 만든다. 거대한 장거리 트래픽 묶음은 즉시 경로를 바꿀 수 있고, 주요 경로에 통합하거나 더 작은 경로들로 분산할 수 있다.
그렇다면 전체 동기화 문제는 어떻게 되었는지 궁금할 수 있다. PDH와 SONET의 가장 명백한 차이는 PDH가 플레시오크로너스인 반면 SONET은 동기식이라는 점이다. SONET은 적어도 특정 상호 연결망 안에서는 모든 단말이 동기화되어 작동할 것을 요구한다. 이는 정확히 PDH가 거부했던 요구 사항이다. 바뀐 것은 타이밍과 동기화의 최신 기술 수준이다.
플레시오크로너스 기술의 필요성을 없앤 몇 가지 요소가 함께 나타났다. 하나는 Bell System Reference Frequency의 도입이었다. 타이밍에 민감한 아날로그와 디지털 시스템 모두를 조정하기 위해 AT&T는 전국 시간 동기화 시스템을 도입했다. 1980년대에는 2048 kHz Bell System Reference Frequency가 장거리 인프라를 통해 거의 모든 전화 시설에 배포되었다. 다양한 시간 코드 시스템도 뒤따랐다. 같은 시기 GPS가 가동되기 시작했고, GPS 수신기는 비교적 저렴한 정밀 시간원이 되었다.
SONET 링의 대부분 단말은 링에서 타이밍을 얻었다. 단순히 신호를 따라가며 적절한 시점에 채널을 추가하거나 제거했다. 보통 전화 교환국에 있는 “마스터” 단말은 그 박자를 유지해야 했다. 초기에는 해당 국사의 원자시계나 다른 국사에서 오는 기준 신호에서 클록을 얻었을 가능성이 크다. SONET 후기에는 시간원이 BITS, 즉 Building Integrated Timing Supply일 가능성이 더 높았다. BITS는 기본적으로 전화국용 시간 서버이며, 일반적으로 GPS 수신기를 기준원으로 사용하고 이를 필요로 하는 장치에 몇 가지 서로 다른 유형의 TDM 시간 코드를 전송한다.
이 모든 조치에도 SONET은 여전히 약간의 편법을 쓴다는 점이 흥미롭다. 약간의 여유는 있다. SONET 프로토콜 오버헤드의 일부는 페이로드 프레임이 실제로 시작하는 프레임 내 오프셋을 나타내는 포인터다. 따라서 SONET 장치는 SONET 프레임에서 페이로드를 약간 늦게 시작하여 타이밍 오류를 수정할 기회를 만들 수 있다. 이 기능은 플레시오크로너스 환경에서도 SONET을 선택지로 유지하게 했고, PDH에서 SONET으로 비교적 빠르게 전환하는 데 도움이 되었다.
SONET은 현대 시대까지 살아남을 만큼 빠르지만, 이제는 분명히 구형 기술이다. 38 Gbps는 무시할 수 있는 수치가 아니며, 여전히 많은 일반적인 장거리 연결과 비교해도 유리하다. SONET이 시대를 드러내는 지점은 실제 망 페이로드다. SONET 링에는 실제로 무엇을 넣는가?
물론 SONET의 어느 계층이든 64 Kbps 전화 채널을 아주 많이 넣을 수 있다. “원시” T1 신호를 사용하거나, 같은 기본 광 신호를 쓰되 전화 신호 제어(예를 들어 수화기 들림 상태)와 상호 운용성을 더 잘 표준화하는 ISDN을 통해 그렇게 할 수 있다. 하지만 OC-1조차 672개 채널을 제공하며, 이는 거의 누구에게나 필요한 전화 통화 수보다 많다. 1980년대 상용 SONET 서비스의 동력은 데이터였다.
SONET 자체는 믿을 수 없을 만큼 프로토콜 중립적이다. 특이한 프레이밍 구조의 이유 중 하나는 다음 계층 프로토콜 프레임의 크기, 속도, 타이밍에 구애받지 않기 때문이다. SONET은 기본적으로 모든 연결을 불투명한 직렬 스트림으로 취급하므로, 개념적으로는 거의 무엇이든 그 위에 실을 수 있다.
SONET은 ISDN과 같은 시기에 발전했으므로 둘은 밀접하게 관련되어 있다. 1980년대 후반 SONET이 배치되던 때에 “광대역 ISDN” 계획은 Asynchronous Transfer Mode(ATM)를 만들었다. ATM은 SONET 같은 고속 연결 위에서 셀이라고 하는 작고 고정 크기의 패킷 다수를 다중화하는 가상 회선 교환 프로토콜이다. 한때 ATM은 광역망의 지배적 프로토콜이 될 유력 후보였다. 그러나 그렇게 되지는 않았고 IP가 지배하게 되었다. 다만 ATM이 IP를 전송하는 매력적인 방법이 될 만큼 충분히 정착되기 전은 아니었다. ATM 위의 IP는 꽤 흔했으며, 실제로 비교적 최근까지 DSL의 표준 방식으로 남아 있었다.
다른 선택지도 있었다. Packet over SONET은 SONET 기반 PPP 연결 표준으로, 거의 무엇이든 전송할 수 있었지만 흔히 IP에 사용되었다. 더 새로운 서비스로는 이름 그대로 작동하는 Ethernet over SONET이 있다.
인터넷은 SONET의 강력한 사용 사례를 제공했지만 동시에 도전 과제도 되었다. SONET은 고정 속도 채널을 매우 높은 신뢰성과 매우 낮은 지연으로 처리하는 데 중점을 둔 전화 산업 안에서 설계되었다. IP 기반 인터넷은 그 반대, 즉 비교적 높은 지연과 낮은 신뢰성의 채널 위로 가변 속도 연결을 기회주의적으로 이동시키는 방식을 받아들였다. 그 결과 SONET을 통한 인터넷 서비스는 어색해졌다.
우선 느린 경향이 있었다. 이유는 대역폭 할당이었다. SONET 링에서 시간을 얻는다는 것은 채널을 할당받는다는 뜻이며, 사용 여부와 상관없이 그 채널에 대해 연중무휴 비용을 낸다. 가상 결합이라는 기술은 STS-1 같은 SONET의 하위 구성 요소를 임의의 방식으로 결합하여 원하는 거의 모든 대역폭을 만들 수 있도록 개발되었다. 하지만 SONET의 모든 Mbps는 다른 고객이 사용할 수 없는 Mbps였다. 비용을 지불해야 했다. 나중에는 가변 대역폭 할당 시스템이 개발되었지만, 복잡했고 큰 차이를 만들 기회를 놓쳤다.
SONET의 고정 대역폭 설계는 전화 산업의 주력 분야인 실시간 미디어에는 탁월했지만, 아이러니하게도 정보 혁명에는 실시간 미디어가 없었다. 인터넷 연결은 일반적으로 이를 전송하기에는 너무 느리고 신뢰성이 낮았다. 실시간 미디어가 돌아왔을 때는 IP 연결이 너무 빨라져서 순수한 속도로 트래픽 엔지니어링의 부재를 만회할 수 있었다. 느리지만 신뢰성 높은 방식은 거의 매번 빠르지만 신뢰성 낮은 방식에 졌다.
SONET에는 전화 산업 망 아키텍처의 전형적인 문제점도 모두 있었다. 1990년대에 이르면 IP 기반 망 장비는 ATM 및 SONET 장치보다 더 저렴하고 사용하기도 쉬웠다. 신생 인터넷 서비스 제공업체들은 경쟁 동기가 훨씬 강했고, 비SONET 서비스의 가격을 낮췄다.
SONET은 OTN, 즉 Optical Transport Network로 표준 지위에서 대체되었다. OTN은 2.5 Gbps에서 시작해, 글쎄, 원하는 만큼 높은 속도까지 올라가는 디지털 계층 구조를 위한 ITU 표준이다. 800 Gbps “OTUC8”은 현재 서비스 중이다. OTN은 더 빠를 뿐 아니라 Ethernet 같은 가변 패킷 연결을 훨씬 더 효율적으로 수용하도록 설계되었다. 그리고 물론 OTN조차 Ethernet 프레임을 광섬유로 직접 전달하는 방식과의 경쟁에서 밀리고 있다.
