공중교환전화망(public switched telephone network, PSTN)

[管韻]

공중교환전화망(public switched telephone network, PSTN)

이번 연재는 VoIP 시스템과 서비스 및 네트워크에 대한 여러 가지 기술적인 측면들과 시장동향을 살펴볼 것이다. 1회에서는 PSTN(Public Switched Telephone Network)에서 VoIP(Voice over IP)로의 음성망 진화 과정을, 2~3회에서는 VoIP 시스템의 기술적인 측면을 다룰 예정이다. 4~5회에서는 VoIP 시스템의 핵심 기능과 역할을 수행하는 IP-PBX(IP-Private Branch Exchange)의 기술, 시장동향에 대해서 논의하고 마지막 회에서 VoIP 시스템과 IP-PBX에 대한 결언을 맺고자 한다. 이번 호에서는 VoIP 시스템이 탄생하기 전까지 음성서비스 네트워크를 지배했던 PSTN의 구조와 기능 그리고 새로이 부상하고 있는 VoIP 시스템의 개념과 장점에 대해 알아본다.

현재 여러 대기업, SMB(Small and Medium Business) 및 관공서들이, 인터넷망을 통한 전화서비스인 VoIP (Voice over IP) 시스템 도입을 추진하고 있다. 시장조사기관 IDC는 2008년까지 VoIP 시장이 연평균 300%가 넘는 엄청난 성장세를 보일 것으로 예상하고 있으며, 실제 미국 및 일본의 많은 기업들은 기존 전화시스템을 VoIP 시스템으로 전환하고 있다. 우리나라 역시 2005년부터 SK C&C를 비롯한 여러 기관들이 VoIP 시스템을 도입했으며, 이에 따른 관심도 더불어 증가하는 추세다.

VoIP 시스템은 공용망인 인터넷망을 통해 양방향 음성서비스를 가입자들에게 제공하는 것으로, 사용자의 PC, PDA 및 기타 통신 장비가 IP 네트워크에 연결되어 있고, 음성을 송수신할 수 있다면 VoIP 서비스가 가능하다. 또한 PSTN (Public Switched Telephone Network)과 달리 여러 가지 부가서비스, 정책 및 관리도구를 제공할 수 있다는 점, 하나의 그룹 네트워크로 구축 가능하다는 점, 일반 전화에 비해 가격 경쟁력이 뛰어나다는 점 등 다양한 장점을 지닌다. 이에 전문가들은 국내 VoIP 시장이 2010년까지 폭발적인 성장을 보일 것으로 전망하고 있다.

PSTN 구조와 기능

PSTN은 전화의 창시자인 벨(Alexander Graham Bell)의 시대로부터 지속적으로 발전해 온 회선 교환방식 전화망의 집합체로, 전세계적으로 연결된 음성 위주의 공중 전화망 집합이다. 오늘날의 PSTN은 전화국에서 사용자까지의 종단 링크 부분을 제외하고는 대부분 디지털 방식으로 전환됐으며 여러 기술들이 혼재돼 있다.

위 그림에서 표시한 바와 같이 PSTN망은 크게 (1)액세스망, (2)교환기, (3)교환기 대 교환기간의 국간망 등 3개의 구성요소로 이뤄져 있다. 이제 각각의 구성요소에 대해 자세히 살펴보자.

(1) 액세스망

액세스망은 가입자의 전화에서부터 전화국에 설치된 교환기까지의 구간을 의미하며, 음성신호를 포함한 여러 통신신호들을 교환기까지 포괄적으로 전달하는 역할을 한다. 교환기 반경 4Km 안에 있는 가입자를 대상으로 설계하는 것을 기본으로 하며, 4Km가 넘는 오지 가입자들의 경우 RSS(Remote Subscriber Switch system)를 제공한다.

우리나라에서는 xDSL 신호 및 기타 통신신호들도 공동으로 PSTN의 액세스망을 이용하고, 이러한 신호들은 교환기가 아닌 인터넷망 및 기타 네트워크 장치 쪽으로 집선된다. 일반 유선전화기의 경우 이 액세스망의 교환기로부터 전원을 공급받기 때문에 정전 및 기타 비상상황에서도 신뢰성 있는 통신을 제공받을 수 있다.

(2) 교환기

PSTN의 핵심적인 역할을 담당하는 교환기는 가입자가 발신한 신호들은 전화국에 있는 교환기로 모아지는데, 이 때 교환기는 콜처리 방식에 따라 크게 기계식, 반전자식 그리고 현재 대부분의 전화국에 설치돼 있는 전전자식 등으로 나뉜다. 전전자 교환기는 다시 제어계와 전화가입자들의 아날로그 신호를 교환기 내부의 디지털 신호로 전환, 다중화하는 통화로계로 나눠 볼 수 있다.

통화로계의 집선장치는 가입자의 트래픽을 경제적으로 집선하는 장치로, 이를 통해 여러 통신신호들이 교환기로 집중된다. ISDN(Integrated Services Digital Network) 및 기타 신호에 대한 정합회로가 각각 존재해 교환기 내부의 패킷 처리기 부분으로 전송된다. 회선 스위치/패킷 처리기 부분은 교환기의 핵심적인 부분으로 입력 신호들을 각각 음성 혹은 데이터 신호로 분리한 뒤 각각의 신호들의 목적지를 파악해 중계선 회로로 보내게 된다.

회선 스위치 부분은 서킷 스위칭(circuit switching)으로 작동하며, 크게 동기식과 비동기식으로 구분할 수 있다. 동기식 교환기술은 개개 프레임의 특정 타임슬롯을 출력 데이터 스트림의 다른 타임슬롯으로 옮기기 위해 입력된 프레임의 타임슬롯을 메모리에 저장한 후, 출력 데이터 스트림의 해당 타임슬롯에 옮겨 전송함으로써 교환을 수행한다.

비동기식 교환기술은 타임슬롯을 콜 단위가 아닌 동적 배정으로 해 프레임에 실리는 셀에 포함된 논리적인 연결을 나타내는 레이블에 따라 교환이 이뤄진다. SDH(Synchronous Digital Hierarchy) 방식으로 이뤄진 중계선 회로부는 처리된 신호를 해당된 네트워크에 전달하는 역할을 담당하며, 망 동기장치는 전송과 관련된 동기부분을 처리하게 된다.

하단의 제어계는 통화로계의 각 부분을 제어하는 처리장치들의 집합이다. 제어계는 집중 제어방식과 분산 제어방식으로 나뉘며, 현재 우리나라 교환기의 대다수를 차지하는 TDX 계열은 분산제어 방식을 사용한다.

교환기 대 교환기 혹은 최상위 교환기까지의 전송 구간을 나타내며, 교환기 대 교환기 사이의 전송방식은 크게 PDH(Plesiochronous Digital Hierarchy) 방식과 SDH(Synchronous Digital Hierarchy) 방식으로 나뉜다.

PDH는 60년대 이후 전송구간의 다중화/고속화 논의 초기에 시작된 전송방식이다. 하지만 역 다중화시 기본 음성채널을 복원하고자 할 때, 각 채널이 정확한 타임슬롯을 할당받지 못해 레퍼런스 슬롯 등을 새로 설정해야 하는 등 불가피하게 여러 단계를 거쳐야 하는 문제가 야기된다. 이는 프레임들의 동기화를 위한 막대한 자원 소모와, 전체 네트워크를 모니터링 할 수 없게 되는 문제를 야기한다. 이러한 단점들로 인해 현재 PDH는 거의 사용되지 않는다.

각 나라별 PDH 전송방식의 속도를 나타내며, 가장 빠른 것은 유럽표준 방식으로 565Mbps의 속도로 전송 가능하다. SDH는 E1, T1, DS3 및 기타 저속 신호를 TDM (Time Division Multiplex)을 기본으로 해 고속의 STM-N(N=1,4,16...) 광신호로 다중화시켜 전송하는 방식의 표준이다. SDH는 주로 공중 전송망(Public Carrier Network)에서 사용되는데, 현재는 정부의 각 기관, 많은 국소 액세스를 필요로 하는 철도 및 전력회사 등과 같은 사설망(Private Network)에서 사실상 표준으로 사용하고 있다.

SDH는 CO(Central Office)간 전송에 널리 사용된다. ATM을 포함하는 모든 형태의 디지털 통신을 지원하고, 자체복구(self-healing) 기능이 있어 전세계 망 사업자들이 서비스에 이용하고 있다. 또 SDH 방식은 고속전송이 가능하다. 10Gbps의 전송속도는 PDH에서는 불가능에 가까운 속도로, 여러 네트워크가 혼재돼 존재하는 오늘날의 상황에서는 SDH가 가장 적합한 전송기술로 평가된다.

특히 PDH 체계와 비교할 때, 단순한 삽입/추출 기능으로 불필요한 역 다중화 및 재 다중화 과정이 제거되어 빠르고 신뢰성 있는 통신을 구현하며, 유용성과 수용량이 높아 임대된 회선들을 수분 내에 개통시킬 수도 있다. ATM 및 광전송 방식은 모두 SDH 방식의 하위 개념으로 표준화된 네트워크 구성요소의 설치가 용이하다.

SDH 표준은 광선로 속도와 프레임 포맷, SDH 표준을 사용하는 장비들에 대한 OAM & P (Operations and Administrative Maintenance and Provisioning) 기능을 규정한다. SDH의 기본 전송속도인 STM-1(Synchronous Transport Module-1)은 155.52Mbps이며, 보다 상위의 속도는 STM-1의 배수가 된다(STM-4는 4×155.52Mbps = 622.08Mbps).

현재 우리나라의 초고속 백본망은 STM-32인 10Gbps를 사용하고 있다.

PSTN에서의 콜 셋업 과정

실제 PSTN을 통해 전화통화가 구현되는 첫 단계는 <그림 4-1>과 같다. 이 단계에서 가입자 A가 전화기를 들게 되면 교환기 A가 다이얼 톤(Dial Tone)을 가입자에게 송신하고 가입자의 송신번호를 받아 목적지 경로를 결정하는 방식으로 가입자 A와 교환기 A 사이에 통신이 이뤄진다.

두 번째 단계는 국간 신호구간이다. 이 구간에서는 주로 No 7. 방식의 시그널링이 이용되며, 여러 네트워크가 혼재돼 있다. 현재 인터넷망 및 기타 무선통신망 등의 신호처리는 톨(Toll) 및 텐덤(Tandem) 교환기에서 처리하고 있고, 음성통신신호는 IAM(Initial Address Message)을 통해 응답자의 종단 교환기까지 같이 연결된다.

응답자의 전화기에 신호가 전달돼 가입자 B의 전화기에 벨이 울리는 것이 세 번째 단계다. 이 단계에서 ACM (Address Complete Message) 신호가 국간 전송구간을 거쳐 교환기 A로 전달되면 교환기 A는 ACM 신호를 링잉 톤으로 변화시켜 가입자 A에게 전송하게 된다.

마지막 단계로 가입자 B가 전화기를 드는 즉시 ANM(Answer Message)가 교환기 A에 전송되면, 이 순간부터 과금이 이뤄지고 이후의 통신은 설정된 경로를 통해 수행된다.

PSTN 한계점과 VoIP 대두

PSTN의 가장 큰 장점은 독점적인 망을 사용자에게 공급해 줌으로써 긴급통화와 보안, 통화품질을 보장해 준다는 점이다. 최선형(Best-effort) 개념의 서비스를 제공하는 IP 네트워크와 비교할 때 PSTN은 신뢰성 있는 음성통신 서비스를 가입자들에게 제공할 수 있다.

그러나 데이터 트래픽이 음성 트래픽보다 폭발적으로 증가하는 추세에 따라 고속 이더넷 전송기술을 포함한 패킷 전송기술이 발전하고, 모든 통신망을 통합하는 차세대 네트워크 BcN이 출현하는 등 현 시점의 급변하는 통신환경에서 PSTN은 분명한 한계를 지닌다.

가장 두드러지는 것은 비용측면이다. 물론 음성 서비스만을 고려할 때에는 PSTN이 최고의 성능을 보장해 주지만 같은 음성서비스라 할지라도 새롭게 망을 구성할 경우 회선당 비용이 인터넷망에 비해 많이 들어간다. 일례로 망 수용능력을 10배 늘린다고 할 때, PSTN은 10배의 비용이 필요하지만, 인터넷망은 3배의 비용으로도 가능하다. 따라서 인터넷망의 경우 서비스 제공자(ISP)에게 투자 및 유지보수에 있어 상대적인 비용절감 효과를 제공한다.

두 번째로 PSTN은 대역폭이 넓지 않으므로 오늘날의 대용량 데이터 전송에 적합하지 않다.

초고속 인터넷 서비스를 제공하는 xDSL 시스템은 액세스망은 PSTN과 공유하지만 전체적인 시스템은 다르며, PSTN의 데이터 송수신에 이용되는 다이얼업 모뎀(Dial-up Modem)의 최대 전송속도는 64Kbps로 고정돼 있으므로 VoIP, BcN 등 차세대 네트워크와는 달리 멀티미디어 데이터 처리에 한계가 있다. 또 IP 네트워크와 같은 유연한 구조가 아니기 때문에 용량을 늘리기 위한 새로운 기술의 접목이 어렵고, 단순 변경만으로는 VoIP 등 차세대 네트워크로의 변화를 꾀할 수 없다.

VoIP 시스템은 PSTN과 비교해 볼 때 기본적인 음성 서비스 품질면에서 불안정한 것이 사실이다. 하지만 서비스 제공자와 이용자 모두에게 중요시되는 비용 문제와 멀티미디어 데이터 사용량의 폭발적 증가추세는 VoIP를 차세대 음성통신 영역의 선두주자로 자리매김하게 하는 원동력이 되고 있다.

차세대 네트워크 음성통신 시스템 ‘VoIP’

VoIP 시스템은 인터넷망을 이용해 음성통신을 제공하는 네트워크와 서비스를 지칭한다. 즉, 음성 데이터를 인터넷 프로토콜의 데이터 패킷으로 전송하는 기술, 네트워크, 음성통화 서비스 등 모든 것을 포괄한 개념이다. VoIP 시스템을 통해 음성전화 서비스를 제공하기 위해서는 일반 PSTN에 접속해 있는 가입자와의 상호 인터페이스를 지원하고, 전송지연에 민감한 데이터 스트림의 서비스 품질이 보장돼야 한다.

<그림 5>에서 나타낸 바와 같이 상호 인터페이스를 지원하기 위해서는 일반전화망인 PSTN과 인터넷망의 접합점에 게이트웨이 장비가 필요하다. 게이트웨이 장비는 패킷으로 전송된 음성 신호를 PSTN망에 적합한 TDM 신호로 변환하고, 그 역변환을 수행한다. 또한 VoIP에서는 IP-PBX가 PSTN의 교환기처럼 콜 셋업, 프로세싱 및 서비스 품질 보장 측면에서 핵심적인 역할을 수행한다. 이때 IP-PBX는 애플리케이션 서버와 연동해 다양한 부가 서비스를 제공할 수 있다.

VoIP 시스템은 파일전송을 주목적으로 설계된 인터넷망에서 운용되므로 음성통화와 같은 실시간 정보전송을 위해 특별한 통신규약이 필요하다. 대표적인 프로토콜로는 H.323, SIP, Mcg 등이 있으며, 각각의 프로토콜은 특성에 따라 다르게 사용되고 있다.

이번 호에서는 PSTN에서 VoIP 시스템으로의 음성통신 진화과정에 대해서 살펴봤다. 다음 호에서는 VoIP 시스템의 기본 프로토콜인 H.323과 SIP를 중심으로 VoIP 기술을 상세히 알아보도록 하자.

출처: https://civan.tistory.com/139 [행복만땅 개발자]

[管韻]

오래선 전화선으로 PC 통신을 하던 시절 폭탄 전화요금을 내야 했습니다. 그때는 전화기에 "용건만 간단히" 문구를 전화기에 붙이기도 했습니다. 전산실은 전용회선으로 데이타 통신을 하며, 백업라인으로 PSTN을 구축하기도 합니다. 제가 일하던 시절 은행전산망 장애로 영업장 업무중단이 되는 일이 많았습니다. 아날로그 통신에서 디지털 통신으로 바뀌면서 데이타 통신망을 단말기로 제어하는 시대가 되었습니다.