[Computer network] Chapter 1, 2 - Network layer : Packet, Circuit, Virtual Circuit

1. Network layer

• Packetizing (패킷화) : 네트워크 계층의 주요 기능으로, 다음과 같은 과정을 동반한다.

  • 송신측 네트워크 계층은 소스의 데이터를 패킷으로 캡슐화한다.

  • 수신측 네트워크 계층은 역캡슐화를 거쳐 패킷에서 데이터를 추출한다.

  • 이 과정에서 네트워크 계층은 데이터를 출발지에서 목적지까지 변경하거나 사용하지 않고 운반한다.

    • 우체국을 생각해보자. 우체국은 송신지부터 수신지까지 단순히 전달만 책임진다.

• Forwarding (포워딩) : 라우터가 수신한 패킷을 적절한 포트로 이동시키는 과정이다.

  • 패킷이 라우터에 도착하면, 라우터는 해당 패킷을 어느 포트로 보낼지 결정한다.

    • 포워딩 과정에서 라우터는 포워딩 테이블을 참조한다.

    • 포워딩 테이블 : 각 목적지 주소에 따라 어느 포트로 보내야 하는지 매핑되어 있다.

  • 라우터는 결정한 포트로 패킷을 전달한다. 패킷은 여러 라우터를 거치며 이 과정을 반복하여 목적지까지 전달된다.

• Routing (라우팅) : 패킷이 출발지에서 목적지로 가는 경로를 결정하는 과정이다.

  • 패킷은 라우팅 알고리즘을 통해 네트워크 상에서 어떤 경로를 통해 목적지에 도달할지 결정된다.

포워딩은 라우터가 패킷을 전달할 방향을 결정하는 과정, 라우팅은 출발지에서 목적지까지의 전체적인 경로가 설정되는 과정이다.

포워딩 = 실제 운전

라우팅 = 네비게이션

1-1. packet-switched network (Datagram)

• Datagram 기반 네트워크 : 데이터그램 패킷 교환 방식은 인터넷 초창기에 고안된 개념이다. 이 네트워크의 패킷 전달 과정에 대해 알아보자.

  • 네트워크 계층 프로토콜이 각 패킷을 독립적으로 처리하기 때문에, 하나의 데이터를 구성하는 패킷들이 동일한 경로로 이동하지 않을 수 있다. <비연결 지향>

    • 각 패킷들은 논리적으로 연결되어 있지 않으며, 한 패킷이 지연, 소실 등의 문제가 발생해도 다른 패킷들에 영향을 미치지 않는다.

  송신측에서 패킷을 전송한 순서와 수신측에 도착한 패킷의 순서는 다를 수 있다.

• Forwarding process : 데이터그램 네트워크(비연결 지향 네트워크)에서 라우터의 포워딩 과정에 대해서 알아보자.

  1). 패킷이 라우터의 입력 인터페이스에 도착한다.

  2). 패킷은 SA(Source Address), DA(Destination Address), Data로 구성되어 있다.

  3). 라우터는 패킷의 목적지 주소(DA)와 매핑되는 출력 인터페이스로 패킷을 보낸다.

  장점 : 패킷의 이동 경로가 고정되지 않아 링크 사용률이 높다.

  단점 : 이동 경로가 고정되지 않기 때문에 딜레이에 따른 Jitter가 발생할 수 있고, 라우팅 테이블이 과도하게 커질 수 있다.

1-2. Circuit Switching network

• Circuit switching network : 서킷 스위칭 네트워크는 물리적 링크로 연결된 스위치들로 구성된다. 각 스위치는 여러 개의 링크로 이어져있다. 즉, 패킷은 여러 링크 중 한 개의 전용 채널을 통해 이동한다.

• 링크는 FDM(주파수 분할), TDM(시간 분할) 등의 방식으로 채널이 나뉜다.

• 이러한 네트워크의 대표적인 예시가 전화 회선이다.

• 서킷 스위칭 네트워크의 데이터 전송은 세 단계를 거친다.

  1). 연결 설정 : 두 통신 장치 간의 데이터 전송을 시작하기 전에 물리적인 경로를 설정한다. 이 경로는 하나 이상의 링크로 구성되며, 각 링크의 전용 채널이 할당된다.

  2). 데이터 전송 : 두 장치 간에 데이터 전송이 이루어지는 단계. 설정된 전용 경로는 데이터 통신이 끝날 때까지 유지된다.

  3). 연결 해제 : 데이터 통신이 끝나면 할당된 경로(채널, 링크)를 해제한다.

장점 : 통신이 끝날 때까지 경로가 고정되기에 딜레이가 적어 Jitter 예방에 효과적이고, 라우팅 테이블이 필요 없다.

단점 : 링크 사용률이 떨어질 수 있다.

1-3. Packet vs Circuit

• Circuit Switching

  • 고정된 물리적 경로가 존재한다.

  • 모든 패킷은 동일한 경로를 통해 이동한다.

  • 대역폭 예약 방식이므로 대역폭이 낭비될 수 있다.

  • 각 스위치나 라우터가 패킷을 임시로 저장하지 않고 고정된 경로를 통해 바로 전달한다.

• Packet Switching

  • 고정된 물리적 경로가 없다.

  • 패킷들이 독립적으로 이동한다.

  • 대역폭 예약이 없다. 따라서 대역폭 낭비가 적다.

  • 각 스위치나 라우터가 패킷을 잠시 저장한 후, 다음 경로로 전달한다.

2. Virtual-Circuit network

• Virtual Circuit Network (가상 회선 네트워크) : 연결 지향형 서비스이다. 데이터에 속한 모든 패킷들 간에 관계성이 존재한다. 이 방식은 Circuit과 Packet의 중간 형태로 볼 수 있다.

  • 데이터 전송 전, 가상 연결이 설정된다. 이는 패킷이 이동할 논리적 경로(가상 경로)가 정의되는 것이다.

  • 패킷에는 출발지 주소와 목적지 주소 외에도 가상 회선 식별자(Virtual circuit identifier)가 포함된다.

    • 가상 회선 식별자 : 설정된 가상 경로에 대한 정보를 포함한다. 이는 스위치, 라우터가 포워딩을 효과적으로 하도록 돕는다.

  • 연결 설정 후, 한 데이터에 속하는 모든 패킷은 설정된 가상 경로를 따라 이동한다.

    • 패킷들 간의 관계가 존재하기 때문에, 패킷들이 순서대로 전송 및 수신된다.

    • 패킷은 이동하는 동안 경로를 변경할 필요가 없다.

• Forwarding Process : 포워딩 과정을 알아보자.

  • 라우터가 포트 1을 통해 패킷을 수신한다.

    • 패킷에는 가상 회선 식별자(L1)가 포함되어 있다.

  • 라우터는 포워딩 테이블을 조회한다. 테이블에는 (입력 인터페이스, 라벨)과 매핑된 (출력 인터페이스, 새로운 라벨)에 대한 정보가 존재한다.

  • 패킷의 라벨은 변경되며, 패킷은 포트2를 통과해 다음 라우터(목적지)를 향해 이동한다.

    • 출발지 주소와 목적지 주소는 관심 대상이 아니다.

    • 가상 경로로 설정된 네트워크의 데이터만 필요하다. 따라서 기존 패킷 네트워크보다 포워딩 테이블의 크기는 작아진다.

  • 미리 설정된 경로를 따라 데이터가 이동하므로, 라우팅은 가상 경로가 설정될 때 한 번만 이루어진다.

2-1. 가상 회선 네트워크 작동 예시

가상 회선 네트워크가 어떻게 작동하는지 자세한 예시를 통해 알아보자.

• Sending request packet in a virtual-circuit network : 송신지 A에서 목적지 B로 이어지는 가상 회선을 설정한다.

• Sending Acknowledgments in a Virtual-Circuit Network : B가 가상 회선이 설정된 것을 확인하고, Ack 패킷을 보내 A에게 이를 알린다. 이때 네트워크의 각 라벨(가상 회선 식별자)이 결정된다.

• Flow of one packet in an established virtual circuit : 가상 회선 설정이 완료되고, 패킷이 실제로 이동한다.