[CN(2)] 컴퓨터 네트워크의 소개(2)(3)

이유정·2024년 4월 24일

컴퓨터네트워크

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지난 시간

지난 시간에는 네트워크의 역사 중 통신의 역사에 대해 알아봤다.
1) 우편
2) 봉화
3) 전보
4) 전화

컴퓨터 통신(Network)의 역사

네트워크의 모습

네트워크의 기술 구분
1) Network Edge
2) Network Core

단말 = 터미널 = nextwork edge(컴퓨터, 스마트폰, 네이버 서버 등등)

Network core
굉장히 기술적인 부분
ex) 어떻게 수백개 수천개의 network 단말기를 연결하는가? => 요즘은 수십억개
: 전세계 단말기를 인터넷이라는 틀 안에 묶어서 서비스 제공
확장성이 중요하다
: 어떻게 더 많은 단말을 지원하면서도, 네트워크가 견딜 수 있는가?

Network Edge 의 역사

우리는 Network Edge가 어떻게 발전해왔는지를 알아보려고 한다.

단말에서 네트워크를 연결하는 이 끝단 부분(last mile)들이 어떻게 변화해왔는가?

컴퓨터에서 데이터를 전송하려면 이런 플로피 disk를 사용하려니 답답하다.
멀리 보내려면, 직접 이 disk를 우편을 통해서 전달.

카페, 쪽지, 채팅, text기반 게임 등이 가정에 pc 많이 보급하게 된 중추적 역할 !
=> 통신은 많은 가치를 준다.
=> 네트워크를 이용한 컴퓨터 사용성 확장을 꾀하게 됨.

그때 당시 kt, 천리안 등 회사들이 core network로 자체적으로 서버를 운영했음.

문제는, 각 집에 있는 컴퓨터를 어떻게? network core까지 연결할 것이냐?

1) 기존 통신 수단 이용 (얼마나 성공할지 모르기 때문에 많이 투자 x) : 전화 => 모뎀 (Dial-up Modem)

: 전화선을 그대로 이용해서 데이터 통신 하는 것.

전화선이 어떤 데이터를 전달하기 위해서 있는건가? : 음성 정보!
(주파수 20HZ~20,000HZ : 그런데, 실제로 이만큼을 다 전송하진 않음. 고주파는 다 잘라서 전송. 약 20HZ~10,000HZ 까지 전송.(귀뚜라미 울음소리 안들리는 이유) => 더 많은 DATA 전송 위함. 사람의 목소리를 있는 그대로 최대한 전송하려고 하면은 더 많은 대역폭을 전송해야 하고, 더 많은 비용이 든다. 전화선을 더 싸구려 선을 쓸수록, 더 적은 대역폭의 주파수를 전송하려고 노력하면 할수록 비용이 적게든다는 뜻! )
Binary data (0,1)를 전화선에다가 가청주파수로 바꾼다.
전화선
10000HZ 이하의 음성정보만 송신하면 되니까 선이 가늘다.

데이터선
기가 BPS를 전송하려고 만든건 훨씬 두껍고 튼튼해보임.

컴퓨터랑 전화랑 같은 선을 사용한다. 그래서 컴퓨터 쓰다가 전화오면, 통신 끊김 ㅋㅋㅋㅋ 어찌됐든 이걸 전화국에 연결하고, 그 전화국에서 천리안이라는 서버에 연결한 상태를 나타낸 그림임.
정리)

전화를 걸어서 통신
음성 정보 === 데이터 정보(동일하게 전화선으로 전송)
Network core는 === 전화망 이였음.

2) DSL (Digital Subscriber Line)

전화선을 통신선로: Dial-up modem과 같이 전화선을 통신선로로 사용하는 건 똑같음.
Last mile : 마지막 1단계 까지만 전화선 사용. 즉, Network core는 별도로 존재.
(dial-up modem은 실제로 서버까지 연결되는 Network core 부분이 전화망 자체인데 DSL은 그렇지 않음.)

컴퓨터는 기본적으로 DSL 모뎀을 통해서 전화선을 공유하는데, 중간에 splitter가 있음.
기본적으로 전화국까지의 선은 공유하지만, 전화가 오는 신호나 DSL이 오는 신호는 약간 차이를 많이 둬가지구 컴퓨터 통신을 사용한다고 전화선을 사용하지 못한다든지의 불편함은 없음.

전화국 내부로 들어와서 일종의 시스템, DSL이라는 시스템을 통해서 이 신호가 또, 분기가 된다.

전화망
인터넷 Core 망

결론)
사실상 전화선로를 사용하지만 컴퓨터랑 연결되는 부분이랑 전화랑 연결되는 부분을 다시 음성 신호랑 비음성 신호로 나눈다.
결국,컴퓨터 통신이 1~8Mbps 의 전송률을 보일 수 있음.

동일한 선로지만, Dial-up 모뎀을 썼을 때는 약 10Kbps였는데, DSL은 10Mbps 가깝게 나온다.
=> 거의, 수백배 천백배 까지 속도 향상 이뤄냄
=> 비용은 최소한으로, 기존 망을 최대한 활용하면서 속도 향상 !
- 데이터 전송률이 높은 서비스, 멀티미디어 서비스를 인터넷을 통해 받을 수 있게 됨. 그전에는 cafe, 채팅, 쪽지 text 기반 서비스만 가능했었는데, 이제는 음악 스트리밍, 동영상 스트리밍이 가능해짐.

3) 케이블 모뎀

케이블 모뎀 탄생 이유:
컴퓨터 통신을 전화 서비스에서 독점을 하다보니까 케이블 tv 사업자들이 부러워함.
왜냐? 실제로 괜찮은 케이블 tv 선로를 집 앞까지 깔아놨기 때문임 !
그 당시, 전화선 말고 각 집으로 서비스 되는게 "전기,전력,케이블 tv"

즉, 전화선이 아닌 케이블 tv 선로로 통신 !

실제 전화선보다 훨씬 두꺼운 선로 (동축선)
- tv가 전송하는 데이터는 동영상임, 채널이 수백개를 전송해야함.
  => 케이블 tv를 위해서 깔아놓은 선로의 품질이 전화선보다 훨씬 좋음 !!!
  => 인터넷 서비스 제공 시작 !
컴퓨터 통신이 30Mbps 의 전송률을 보임. (DSL의 4배)
- 그렇다고 엄청 빠르지 않음. 왜냐하면 전화선은 얇긴 하지만 전화국부터 내 집까지 오는 선로 하나를 독점적으로 이용함. 하지만 케이블 tv선은 동축선 하나 지나가면은 여러 집이 쓰는 구조임. 왜냐? 내가 보는 케이블 100개 채널이나 옆집이나 거기서 거기임. 하나의 선으로 공유 !! 즉, 여러집이 공유하는 30Mbps임.

사용자 수가 굉장히 많이 늘어날 경우 모든 사용자를 만족시키는 것에 어려움이 있음.

4) FTTH(Fiber to the Home)

컴퓨터 네트워크를 위한 전용망을 가설할 필요성이 있다!

집 앞까지 광 케이블을 끌어오겠다.
: 인터넷 서비스 제공업체가 광섬유 케이블을 집안까지 끌어와서 고객의 가정 내부에 직접 연결하는 것

대역폭이 가장 높은 구리선의 형태는 사실, '동축선'이 대표적인 통신 선로임.

구리선은 도체라 전기적 신호를 전송
광섬유는 빛이 지나가는 선로임. 전자기파 그중에서도 가시광선을 신호로 전송

모든 신호라는 것이 주파수가 높으면 높을수록 더 많은 양의 data를 전송할 수 있다.

음성 신호의 주파수: 20,000 hz 정도 (굉장히 낮은 주파수임)
가시광선 신호의 주파수: (굉장히 높은 주파수임)

교수님 말씀 ) 낮은 주파수 대역부터 나열 해놓은 것.
AM: kHz의 주파수 대역을 사용
FM: MHz의 주파수 대역을 사용
와이파이(Wi-Fi) 및 전화 통신: GHz 주파수 대역을 사용
광선 통신: 수백 THz(테라헤르츠)에서 수십 PHz(페타헤르츠)의 주파수 범위

즉, 광섬유가 보낼 수 있는 data양은 엄청남.

대역폭으로는 극강이다.
설치비용도 극강이다;;..
- 구리선은 꺾여도 되는데, 광섬유는 빛이 지나가기 때문에 꺾이면 단절됨
- 근데 구리선은 녹이 슬기 때문에 관리비용이 좀 들지만, 설치 비용은 낮음.
가시광선을 이용하기 때문에 까만 paint를 칠하기만 해도 밖에서 안으로 못들어감. 밖에서는 빛이 못들어감 주변의 잡음으로부터 안전하게 보호하는 것이 가능
- 모든 신호는 잡음이 적으면 적을수록 많은 data를 전달할 수 있음.
- 그런데, 전자기파는 주변으로부터 전자기적 잡음이 들어감.
  - 막을만한 효과적인 방법이 존재 x
요즘에는 많은 망 자체가 구리선 => 광선으로 옮겨가고 있음.
- 옛날에 비용이 상대적으로 비쌀 때는 높은 데이터의 대역폭이 필요한 곳에서만 광선을 썼었음.
  - (극단적인 core망에서만 사용 => 개인망으로까지 사용)
- 광선에 대한 단가도 점점 낮아지고, 설치비용도 점점 낮아지고, 모든 측면에서 싸지고 있음 !

우리나라는 lte 같은 것도 어딜가나 다 터지지만, 아직 미국은 시카고나 LA같은 대도시에도 안터지는게 많아. 하지만? 우리나라는 아직까지 SW 후진국임. 기반시설은 잘 되어있는데. SW 엔지니어로서 책임감과 사명감을 가져라. !

지금까지는 가정집을 위한 서비스였음.

5) 기타 Last Mile 통신기법

Wifi : 무선 공유기만 설치하면 선 없이도 통신
- 와아파이가 빠르다 하더라도, 정말 많은 사람들이 공유하고 있다면 서로 다른 기지국을 쓰고 있더라도 무선은 점유가 불가능하기 때문에 서로가 서로에게 잡음으로 작용.
  - 특정 채널에 1기가를 쓸 수 있다고 할지라도 두개의 기지국이 동일한 서비스를 하고 있다면 실제로 한 기지국당 500메가 이상을 서비스할 수 없음.
이더넷 : 유선 서비스
- 이더넷 케이블 (집에 인터넷 유선으로 설치할 때)
- 와이파이랑 이더넷이 속도가 비슷하지만(기가 bps?) 사실, 이더넷이 전송률이 더 빠르다. 이더넷은 전용선이고, 와이파이는 공유채널임.
3G, LTE ... : 무선 전화, 이동 전화 => 데이터
- 3G는 망 자체가 음성 최적화
- LTE는 데이터 최적화 (음성 자체를 데이터 위에다가 실어 보냄)

지금까지 살펴본건, 각각의 단말기들을 어떻게 네트워크에 연결할 것인가?
어떻게 마지막 한단으로 연결할 것인가? 에 대해 이야기한 것임.

통신선로의 종류

구리선

전화선 : 일반 얇은 pair선(신호를 전송하기 위해서는 전위차를 이용하기 때문에 선이 2가닥 필요함(-선, +선))
이더넷 : twisted pair선(전화선보다 더 좋음)
- 고성능 이더넷: 여러가닥의 twisted pair => pair간 플라스틱 벽을 치고 => 전체 케이블에 알루미늄과 쉴드를 친다. (실제 동축선은 아니지만 더 높은 전송률을 하게 한다.)
케이블 tv선 : 동축선(-선을 원통형으로 직조를 해서, 원통안에 정 가운데 신호선을 박아넣음. 즉, 겉을 싸고 있는 구리망이 -이고, 가운데 신호선이 + (신호선에 잡음이 안들어가게 구리망이 쉴드쳐준다.))

광섬유

단위전송률의 가성비가 더 높음
- 한가닥의 광섬유가 보낼 수 있는 데이터의 전송률이 엄청나다. 구리선보다 비싸지만 보내는 데이터가 엄청나기 때문에 가성비가 더 높음.
높은 주파수, 넓은 가시광선 대역을 쓰기 때문에 전송률이 높다.
잡음에 강하다.
설치비용은 비쌈. 한번 설치하면 반영구적이야. 잘 안깨짐. 녹이 안슬어서 유지보수 비용이 적게 들어. 근데 충격을 받거나 꺾이면 깨지는 특성이 있긴함.

무선 (공기)

잡음이 엄청 많다.
공유채널(두 장비가 무선으로 통신하면 그 공기를 독점할 수 없음.)
- 무선은 뻥튀기가 많이 됨. (엄청 많은 전송률을 많은 사람들이 나눠씀, 잡음도 큼)

지금까지 정리한 것.

전화통신과 컴퓨터 통신 차이

네트워크라는 것, 전화통신(음성통신,아날로그통신)과 컴퓨터 통신(데이터 통신, 디지털 통신)으로 패러다임이 분리된다.
음성정보 vs 데이터 정보

음성정보는 Circuit Switching에 적합
데이터정보는 Packet Switching에 적합

Circuit Switching

1.시작과 끝이 명시적으로 구분

통화 버튼 누르면 시작, 종료 버튼 누르면 끝
2.꾸준히 정보가 전송된다. (시작~끝)
시작~끝까지 선로 자원을 점유
- 전화통화를 하면 수신채널, 송신 채널이 잇음. 이 링크 사용량이 50%씩 된다. 꾸준히 자원을 사용하기 때문에 전화를 할 때는 꽤 많이 사용한다는 뜻. 그 자원을 계속적으로 할당받고 꾸준히 사용하는 것이 좋음.
인천~춘천 의 선로를 이용하는 사용자는 엄청 많기 때문에 좋은 선로 하나를 깐다.
그리고 그 선로를 사용자들이 나눠서 쓴다.
시분할 전송 방식 한다. (시간을 나눠서 각 사용자들이 씀)
- ex) 0.1초마다 3번에 해당하는 시간은 독점적으로 사용
라디오는 하난데 다른 주파수에 따라 다른 방송이 나오는 것(주파수 분할 방식)
- 같은 선로를 사용하지만 서로 다른 주파수를 사용한다

전화국과 전화국을 연결하는 선은 고급선

하나의 선 안에 여러개의 통화를 전송할 수 있는 선
선로 상에 수많은 채널이 있음 (시분할)
- 만약에 천개를 담을 수 있으면 천개의 채널이 있음.
3번 라인 => 73번 라인 => 69번 라인 => 7번 라인
- 이 자원을 독점적으로 점유

Circuit 초기화 비용이 높다.
자원을 점유할 때 과금은 시간 단위로! (ex) 통화시간)

결론)
시작점과 끝점을 연결해서 계속적으로 자원을 점유해서 재사용하는 시스템

Packet Switching

시작과 끝이 모호함.

사이트에서 다른 사이트로 갔을 때, 기존에 접속했던 사이트에 대해서 끊어진걸까 아닐까는 애매함.

컴퓨터가 네트워크랑 연결
네트워크에 여러개의 서버들이 (네이버, 구글, 페이스북) 연결되어있음.

짧막한 요청과 응답이 있음. (많은 양의 데이터를 사용하지 않음. 카톡하고 끝 이런 느낌)
우편시스템과 비슷
내가 편지 봉투에다가 보내는이, 받는이 적어서 보내면 끝.
- 추가적인 데이터가 있을수도 없을수도 있지만

패킷당 부하가 높음

모든 데이터 패킷 안에다가 보내는 정보, 받는 정보를 다 넣어야 함.

초기화 비용이 낮음
과금이 옛날엔 패킷당 과금, 데이터량 과금 => 요즘은 한달에 얼마

결론)
패킷 하나하나에다가 보내는 정보, 받는 정보 적고 그 정보에 따라서 그 패킷을 전달하는데 의의.

+재미)
유튜브 동영상을 오래봐도 Circuit switching이 아니라 Packet Switching이다. 그렇기 때문에 네트워크 상황 안좋을 때 영상 끊김. 패킷을 계속적으로 보내는 형식이니까 ㅋㅋㅋ 만약 circuit switching 즉 전화선로처럼 하나의 선로를 독점적으로 점유하고 있다면 엄청난 비용을 부담해야 한다.

우리가 컴퓨터네트워크를 배운다는 것은 "어떻게 우리가 Packet Switching 시스템을 이용해서 컴퓨터네트워크를 꾸리는가 ? " 인 것.

프로토콜

프로토콜은: 컴퓨터 네트워크에서 장치들 간의 통신을 위해 사용되는 규칙, 규약, 표준의 모음

데이터를 어떻게 전송, 수신, 처리해야 하는지 정의
여러 계층으로 나뉘며 각 계층이 특정한 기능을 담당

프로토콜 주요 분류

응용 계층 프로토콜 (Application Layer Protocols)
: 사용자가 직접 이용하는 서비스나 응용 프로그램을 위한 프로토콜

HTTP(HyperText Transfer Protocol): 웹 페이지 전송을 위한 프로토콜.
FTP(File Transfer Protocol): 파일 전송을 위한 프로토콜.
SMTP(Simple Mail Transfer Protocol): 이메일 전송을 위한 프로토콜.
DNS (Domain Name System): 도메인 이름을 IP 주소로 변환하는 프로토콜.

전송 계층 프로토콜 (Transport Layer Protocols)
: 호스트 간 데이터 전송을 신뢰성 있게 수행하는 프로토콜

TCP : 연결 기반의 신뢰성 있는 데이터 전송 프로토콜.
UDP : 비연결 기반의 비신뢰성 데이터 전송 프로토콜.

인터넷 계층 프로토콜 (Internet Layer Protocols)
: 네트워크 간 데이터를 라우팅하는 프로토콜

IP(Internet Protocol) : 패킷을 네트워크를 통해 전달하는데 사용되는 프로토콜.
ICMP(Internet Control Message Protocol): 네트워크 진단 및 오류 메시지를 위한 프로토콜.
ARP(Address Resolution Protocol): IP주소를 MAC 주소로 변환하는 프로토콜.

네트워크 엑세스 계층 프로토콜 (Network Access Layer Protocols)
: 실제 네트워크 인터페이스와 통신하기 위한 프로토콜.

Ethernet : LAN에서 널리 사용되는 프로토콜.
Wi-Fi : 무선 네트워크 프로토콜.
PPP : 직렬 통신을 위한 프로토콜.

프로토콜의 특징

규약 : 데이터 구조, 패킷 형식, 메시지 교환 순서 등을 정의함으로써 통신을 일관성 있게 함.
상호 운용성 : 이기종 시스템 간 통신을 가능하게 함.
확장성 : 새로운 기술과 요구 사항에 맞게 확장 가능.

프로토콜 스택

OSI 모델: 국제표준화기구(ISO)가 개발한 7계층의 참조 모델.
TCP/IP 모델: 인터넷에서 사용되는 프로토콜 스택 모델로 4계층 구조.

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