패킷 교환과 회선교환

패킷 교환(Packet switching)

패킷 교환(Packet switching)은 컴퓨터 네트워크와 통신의 방식 중 하나로 현재 가장 많은 사람들이 사용하는 통신 방식입니다. 작은 블록의 패킷으로 데이터를 전송하며 데이터를 전송하는 동안만 네트워크 자원을 사용하도록 하는 방법을 말합니다.

정보 전달의 단위인 패킷은 여러 통신 지점(Node)을 연결하는 데이터 연결 상의 모든 노드들 사이에 개별적으로 경로가 제어됩니다. 이 방식은 통신 기간 동안 독점적인 사용을 위해 두 통신 노드 사이를 연결하는 회선 교환 방식과는 달리 짤막한 데이터 트래픽에 적합합니다.

패킷 교환의 장단점

장점

• 회선 이용률이 높다
• 고 신뢰성, 고품질, 고효율이다

단점

• 경로에서의 각 교환기에서 다소의 지연이 발생한다
• 패킷별 헤더 추가로 인한 오버헤드 발생 가능성

Store-and-Forward

패킷 교환망은 Store-and-Forward 방식을 사용하기 때문에 데이터가 들어오는 속도와 나가는 속도를 맞출 필요 없이 각 스테이션에 맞도록 속도를 조절할 수 있습니다.

그렇다면 Store-and-Forward 방식이 뭘까요?

패킷 스위칭 네트워크에서는 라우터가 패킷을 온전히 다 수신한 후 저장을 한 다음 아웃 바운드 링크(전송하는 쪽의 링크)로 패킷을 내보낼 수 있는 데 이를 Store-and-Forward 라고 합니다.

Source에서 R bits/sec (bps)의 속도인 링크상으로 L bits의 패킷을 전송한다면 패킷을 전송하는데 걸리는 시간은 L/R 초입니다. 예를들어 링크가 1초에 100 비트를 보낼 수 있다면 100 bps가 되고, 패킷의 총 비트 수가 100 바이트라 하면 100바이트는 800비트이기 때문에 800/100 = 8초가 됩니다.

만약 Source에서 Destination 사이에 N개의 링크를 거쳐야 한다면, N * L/R이 될 것입니다.

Delay

실제로 패킷이 링크에서 보내지는데 걸리는 delay 말고도 고려해야 할 다른 delay들이 있습니다.

라우터에 발생하는 delay들을 정리해 보면 4가지가 있습니다.

• Processing Delay : 패킷헤더를 조사하고 그 패킷을 어디로 보낼지를 결정하는 시간

• Queuing Delay : 패킷은 큐에서 링크로 전송되기를 기다리면서 큐잉 지연을 겪는다

• Transmission Delay : 패킷의 길이를 L비트, 라우터 A에서 B까지의 링크 전송률은 Rbps라면, 전송지연은 L/R이다 (=패킷의 모든 비트를 링크로 밀어내는데 필요한시간)

• Propagation Delay : 일단 비트가 링크에 전해지면 라우터 B까지 전파되어야한다. 링크의 처음부터 라우터 B까지의 전파에 필요한 시간. d/s(d는 라우터 A와 B사이의 거리. s는 링크의 전파속도). 이는 빛의 속도와 같거나 그보다 조금 작다

위의 4개의 Delay를 다 합친 시간이 노드 상에서의 Delay(nodal)이 됩니다.

Loss

위의 그림을 보면 A와 B가 라우터에 10 Mbps로 패킷을 전송한다. 하지만 라우터는 1.5 Mbps로 수신한 패킷을 다시 송신합니다.

만약 A와 B가 보내는 패킷의 양이 많아지면 (트래픽이 많아지면) 라우터의 Queue에 대기하는 패킷이 많아지게 될 것입니다. 하지만 queue의 크기는 한정되어 있다. 때문에 queue가 다 차버렸을 경우 그 뒤에 오는 패킷은 손실이 될 수 있습니다.

때문에 보통 수신받는 쪽의 링크 전송률보다 송신하는 쪽의 링크 전송률이 높아야 합니다.

회선 교환(Circuit switching)

패킷 교환에 반대되는 개념이 바로 회선 교환 입니다. 패킷교환을 인터넷이라고 생각하고 회선교환을 전화기라고 생각하면 쉽게 이해 가능합니다.

회션 교환 네트워크에서 종단 시스템 간에 통신을 제공하기 위해 경로상에 필요한 자원은 통신 세션동안에 확보 또는 예약됩니다. 반면 패킷 교환방식은 이들 자원을 예약하지 않습니다.

회선 교환은 쉽게 말해 전화망이라고 생각하면 됩니다. 어떤사람이 다른사람과 전화통화를 하고 있으면 이 사이에 누군가가 끼어들수는 없습니다.

회선 교환의 장단점

장점

• 통신은 안정적. 다른 요인에 의해 통신이 방해 받지 않는다.
• 대용량의 데이터를 고속으로 전송할 때 좋음
• 전송 지연이 없으며, 데이터 전송률이 일정함

단점

• 네트워크 자원(network resource)을 많이 소모한다. 비효율적

주파수 분할과 시분할 다중화

회선교환의 단점을 극복하기 위해 다중화라는 개념이 나왔습니다. 대표적으로 주파수 분할 다중화와 시분할 다중화가 있습니다.

주파수 분할 다중화 : 한 전송로의 대역폭을 여러개의 작은 채널로 분할하여 여러 단말기가 동시에 이용하는 방식. 채널간에 상호간섭을 막으려면 보호 대역이 필요.

시분할 다중화 : 전송로 대역폭 하나를 시간 슬롯으로 나눈 채널에 할당하여 채널 몇개가 한 전송로의 시간을 분할해서 사용.

하지만, 다중화된 링크 속의 각각의 채널은 같은 시간에 하나의 통신에만 사용되기 때문에 조금 나아졌다 뿐이지 패킷교환에 비해 비효율적인거는 마찬가지입니다.

마침

패킷교환은 네트워크에서 아주 기초적인 내용이므로 다루고 넘어가야 한다고 판단했습니다. 다음시간에는 본격적으로 OSI 7계층에 대해 다뤄보도록 하겠습니다.

References

• 위키피디아 패킷 교환 : https://ko.wikipedia.org/wiki/%ED%8C%A8%ED%82%B7_%EA%B5%90%ED%99%98
• 위키피디아 회선교환 : https://ko.wikipedia.org/wiki/%ED%9A%8C%EC%84%A0_%EA%B5%90%ED%99%98
• [네트워크] 패킷교환? _ Packet Switching에 대하여 : https://security-nanglam.tistory.com/178?category=800892
• Packet switching 더 자세히... : https://bnzn2426.tistory.com/61
• 패킷 교환 네트워크에서의 지연, 손실과 처리율 : https://wogh8732.tistory.com/15