컴퓨터 네트워킹 하향식 접근 - Chapter 1, 3장 코어 네트워크

네트워크 코어

• 서로 연결되어 있는 라우터들의 mesh 
• 데이터는 어떻게 네트워크를 통해 전송되는가?
  • 회선 교환 (circuit switching)
    • 통화 당 전용 회로
    • 전화 네트워크
  • 패킷 교환 (packet switching)
    • 개별 "chunk"로 네트워크를 통해 전송된 데이터

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회선 교환 (Circuit Switching)

• 전화망의 경우
  • 송신자와 수신자 사이에 연결을 먼저 설정
  • 송신자와 수신자 사이의 경로에 있는 교환기들이 그 연결에 대한 연결 상태를 유지해야 하는 연결 → 회선
• 네트워크가 회선을 설정할 때 그 연결 동안 네트워크 링크에 일정한 전송률을 예약
  • 송신자는 수신자에게 보장된 고정 전송률로 데이터 전송 가능
• 각 링크가 n개의 회선을 가지는 경우, 각 링크는 n개의 동시 연결을 지원
• 종단간 연결이 사용되는 링크에 대해, 그 연결은 연결이 지속되는 동안 그 링크 대역폭의 1/n을 사용
  • 네트워크 자원들을 나누고, 자원을 소유한 요청이 자원을 사용하지 않으면 유휴 상태가 된다.
• 다중화 
  • 주파수 분할 (Frequency Division), FDMA로 사용
    • 링크의 주파수 스펙트럼을 링크를 통해 설정된 연결들이 공유
    • 각 연결에게 주파수 대역을 고정으로 제공
    • 전화망의 경우, 4 kHz 주파수 대역을 제공
  • 시분할 (Time Division), TDMA로 사용
    • 시간을 일정 주기의 프레임으로 나누고, 각 프레임은 고정된 수의 시간 슬롯으로 나눔
    • 네트워크가 링크를 통해 하나의 연결을 설정할 때, 그 네트워크는 모든 프레임 내의 한 시간 슬롯을 그 연결에 할당

 

[ 문제 ]
호스트 A에서 B로 회선 교환망을 통해 640,000 bits 의 파일을 전송하는데 걸리는 시간?

• 모든 링크는 1.536 Mbps
• 각 링크는 24 슬롯으로 나누는 TDM 방식을 사용
• 종단간 회선 설정에 500ms 소요

 

[ 답 ]

 각 회선은 1.536 Mbps / 24 = 64 kbps 전송률 가능
 파일 전송을 위해 640 Kbit / 64 kbps = 10 sec 소요
 회선 설정에 0.5 sec 소요
 파일 전송을 위해 총 10.5 sec 가 필요

 

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패킷 교환 (Packet Switching)

• 소스는 응용 계층 메시지를 패킷으로 알려진 작은 데이터 묶음으로 분할
• 각 패킷은 통신 링크와 패킷 교환기들을 통해 전달됨
• 사용자 A와 B의 패킷들은 네트워크 자원을 공유
•  각 패킷은 그 링크의 최대 전송률과 같은 속도로 전송됨
• 자원을 전용으로 사용하기 위해 대역폭을 조각으로 나누지 않는다.
• 자원 경쟁
  • 총 자원 수요가 사용 가능한 양을 초과할 수 있다.
  • 혼잡 : 패킷 대기열, 링크 사용을 위해 대기한다.
  • 저장 및 전달 : 패킷은 한 번에 한 홉씩 이동
    • 링크를 통해 전송
    • 노드를 전달하기 전에, 전체 패킷을 받는다.
    • 다음 링크에서 차례를 기다린다.

 

통계적 다중화 (Statistical Multiplexing)

• 패킷의 순서가 고정된 패턴을 따르지 않음 → statistical multiplexing
• TDM에서 각 호스트는 주기적으로 돌아오는 TDM 프레임에서 일정한 슬롯을 얻음

 

호스트 : 데이터 패킷 전송

호스트의 전송 기능

• 애플리케이션 메시지를 획득
• L 비트 길이의 패킷으로 자른다.
• 패킷을 R 전송율로 접근 네트워크에 보낸다.
  • 링크 전송률은 링크의 용량 즉, 링크 대역폭만큼이다.

패킷 전송 지연 = L 비트 패킷을 링크로 전송하기 위해 필요한 시간 = L (bits) / R (bits/sec)

 

저장 및 전달 (store and forward)

• 다음 링크로 전송될 수 있기 전에 전체 패킷이 라우터에 도착해야 한다. 
• R bps 링크로 L 비트의 패킷을 전송하기 위해서는 L / R 초가 걸림
• 지연 = (링크 갯수) * L / R 
  • 가정
    • 두 호스트 사이에 Q개의 링크들이 있다
    • 이 링크들 각각은 R bps의 속도를 가진다
    • 큐잉 지연과 종단간 전파 지연은 무시
    • 연결 설정 시간은 없다.
  • 총 지연 : QL / R초

예) L = 7.5 Mbits, R = 15 Mbps → delay = 15sec

 

 

패킷 교환 vs 회선 교환

• 패킷 교환 반대론자
  • 가변적이고 예측할 수 없는 지연 때문에 실시간 서비스에 부적당
• 패킷 교환 옹호론자
  • 회선 교환보다 대역폭을 보다 효율적으로 공유
  • 더욱 간단하고, 효율적
  • 구현하는데 비용이 적게 든다.
• 패킷 교환이 회선 교환보다 더 많은 사용자들이 네트워크를 사용할 수 있다.
• 예시)
  • 1 Mbit 링크를 공유
  • 각 유저들 :
    • 유저들이 사용할 때, 인당 100 kbps를 요구
    • 시간당 10%의 유저들이 사용한다고 가정
  • 회선 교환
    • 10명의 유저 사용 가능 (1Mbps / 100kbps)
  • 패킷 교환
    • 35명의 사용자 가정
    • 11명 이상의 사용자가 사용 중일 확률은 약 0.0004
    • 10명 이하의 동시 사용자가 있다면(이 확률은 0.9996)
      • 이 경우 데이터 도착률은 1Mbps보다 작거나 같다
      • 회선 교환의 경우와 마찬가지로 지연 없이 링크를 통과
      • 10명 이상의 동시 사용자가 있는 경우 통합 도착률이 링크의 출력 용량(1Mbps)을 초과, 출력 큐가 커짐
        • 확률은 매우 적다.
      • 따라서 패킷 교환은 거의 항상 패킷 교환과 같은 성능을 가지면서, 사용자 수는 3배 이상을 허용한다.
• bursty data일 떄 패킷 교환이 더 훌륭
  • 자원 공유가 효율적
  • 간단하고, 회선 설정할 필요가 없다.
• 혼잡 제어가 발생할 수 있어서, 패킷 지연과 손실이 일어날 수 있다.
  • 신뢰성 있는 데이터 전송을 위해 혼잡 제어 같은 프로토콜들이 필요하다.

 

메시지 분할 (Message Segmenting)

• 분할과 재조립(segmantation and ressembly)
  • 송수신측 설계를 복잡하게 하지만, 분할을 통해 더 많은 이점을 얻음
• 메시지 교환
  • 메시지를 분할하지 않는 패킷 교환
• 장점
  • 메시지 교환으로 얻는 지연보다 훨씬 적은 종단간 지연을 얻는다. (pipelining)
  • 비트 오류 발생의 경우, 메세지는 전체가 버려지지만, 패킷은 오류 패킷만 버려진다. 
• 단점
  • 제어 정보의 전달
    • 송수신자의 식별자, 패킷 또는 메시지 식별자와 같은 정보들이 패킷 또는 메시지 헤더에 포함
    • 데이터의 바이트당 헤더 오버헤드의 양에 있어서 메시지 교환보다 패킷 교환의 경우가 더 높다.

 

포워딩 (forwarding)

출발지부터 목적지까지 라우터를 통해 패킷들을 보내는 것

 

가상 회선 네트워크(Virtual Circuit Network) :

• 가상 회선 번호에 따라 패킷을 전달하는 네트워크
• 가상 회선 (VC)
  • 소스와 목적지 호스트 사이의 경로 : 일련의 링크들과 패킷 교환기들
  • 가상 회선 번호 : 경로 상의 각 링크에 대해 하나의 번호를 할당
  • 경로 상의 각 패킷 교환기 내에 VC 번호 전환 테이블의 엔트리로 구성
• 각 패킷은 (가상회선 ID)를 포함하고, 태그는 다음 홉(next hop)을 결정
• 호 설정 시간에 고정된 경로가 결정됨
• 라우터들은 진행 중인 연결에 대해 상태 정보 유지

 

경로 상의 각 링크마다 VC 번호가 바뀌는 이유

• 링크마다 번호를 바꿈으로써, VC 필드의 길이를 줄일 수 있음
• VC 경로 상의 각 링크에 대해 서로 다른 VC 번호를 허용함으로써 네트워크 관리 기능이 간편해짐
  • 경로 상의 모든 링크에 대해 공통의 번호가 요구되면, 교환기들이 연결에 사용될 VC 번호 협의를 위해 추가적인 메시지 교환을 해야 함 

 

데이터그램 네트워크 (datagram network)

• 호스트의 목적지 주소에 따라 패킷을 전달하는 네트워크
• 각 패킷은 헤더에 목적지 주소를 포함
• 각 패킷 교환기는 목적지 주소를 외부로 나가는 링크로 매핑하는 라우팅 테이블을 가지고 있음
• VC 네트워크와 비교하여, 교환기 내에 연결 상태 정보를 유지하지 않음
• 세션 동안 경로는 변경될 수 있음

 

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네트워크들의 네트워크

• 호스트들은 ISP들을 통해 인터넷에 연결된다.
• ISP들끼리 서로 연결되어 있어야 한다.
  • 그래서 어디에 있는 두 호스트라도 서로 패킷을 주고받을 수 있게 된다
• 그 결과 네트워크들의 네트워크는 매우 복잡하다
  • 진화는 경제적 요인과 국가 정책에 의해 이루어진다
• ISP들끼리 모두 서로 연결되지는 않는다. (N^2)
  • global ISP에 각 접근 ISP들이 연결하는 방식
    • global ISP를 1개만 할 수 있는 사업이라면, 경쟁자가 생길 것이다.
  • 각 ISP를 만들고, ISP간 peering link를 사용하여 IXP (Internal Exchange Point)에 연결한다.

 

 

• tie-1 사업용 ISPs (ex: Level 3, Sprint, AT&T, NTT) : 전 세계적, 국가적 범위를 갖는 상업용 인터넷 서비스 제공 업체
• 콘텐츠 제공자 네트워크(ex: 구글) : 자체적인 네트워크를 운영하여, 데이터 센터를 직접 인터넷과 연결한다.