인터넷

인터넷은 분산 애플리케이션에 서비스를 제공하는 infrastructure로서, 네트워크의 네트워크(network of networks)다.

구성 요소

인터넷의 구성 요소를 통해, 컴퓨터 네트워크의 개요와 컴퓨터 네트워크에서 사용되는 용어를 살펴보자.

인터넷은 전 세계적으로 수십억 개의 컴퓨팅 장치를 연결하는 컴퓨터 네트워크다.
모든 장치는 인터넷 용어로 호스트(host) 혹은 종단 시스템(end system)이라고 부른다.

종단 시스템은 통신 링크(communication link)와 패킷 스위치(packet switch)의 네트워크로 연결된다. 이때 각각의 링크들은 다양한 전송률(transmission rate, 링크 대역폭)을 이용하여 데이터를 전송하며 전송률은 초당 비트 수를 의미하는 bps(bit per second) 단위를 사용한다. 한 종단 시스템이 다른 종단 시스템으로 보낼 데이터를 갖고 있을 때, 송신 종단 시스템은 그 데이터를 세그먼트(segment)로 나누고 각 세그먼트에 헤더(header)를 붙인다. 이렇게 만들어진 정보 패키지는 컴퓨터 네트워크에서 패킷(packet)이라고 부른다. 패킷은 목적지 종단 시스템으로 네트워크를 통해 보내지고 목적지에서 원래의 데이터로 다시 조립된다.

패킷 교환기(또는 스위치)는 입력 통신 링크의 하나로 도착하는 패킷을 받아서 출력 통신 링크의 하나로 그 패킷을 전달한다. 오늘날의 인터넷에서 가장 널리 사용되는 두 가지 패킷 스위치는 라우터(router)와 링크 계층 스위치(link-layer switch)가 있다. 두 형태의 스위치는 최종 목적지 방향으로 패킷을 전달한다. 링크 계층 스위치는 보통 접속 네트워크에서 사용되고 라우터는 네트워크 코어에서 사용된다. 패킷이 송신 종단 시스템에서 수신 종단 시스템에 도달하는 동안 거쳐온 일련의 통신 링크와 패킷 스위치를 네트워크상의 경로(route 혹은 path)라고 한다.

종단 시스템은 ISP(Internet Service Provider)를 통해 인터넷에 접속한다. ISP는 종단 시스템에게 케이블 모뎀이나 DSL 같은 가정용 초고속 접속, 고속 LAN 접속, 이동 무선 접속을 포함하는 다양한 네트워크 접속을 제공한다. 인터넷은 종단 시스템을 서로 연결하는 것이므로 종단 시스템에 접속을 제공하는 ISP들도 서로 연결되어야만 한다.

종단 시스템, 패킷 스위치를 비롯한 인터넷의 다른 구성요소는 인터넷에서 정보 송수신을 제어하는 여러 프로토콜(procotol)을 수행한다. 특히 TCP(Transmission Control Protocol)와 IP(Internet Protocol)는 인터넷에서 가장 중요한 프로토콜이다. 이러한 인터넷의 주요 프로토콜을 통칭하여 TCP/IP라고 한다.

인터넷에서 프로토콜의 중요성을 감안할 때, 상호 호환되는 시스템과 제품을 만들기 위해서는 표준화가 매우 중요하다. 인터넷 표준은 IEFT(Internet Engineering Task Force)에서 개발하며, IEFT 표준 문서를 RFC(requests for comments)라고 한다. 이들은 TCP, IP, HTTP, SMTP 같은 프로토콜을 정의하고, 현재 약 9,000개 이상의 RFC가 있다. 다른 기구들도 네트워크 구성요소에 대한 표준을 기술하며, 예를 들어 IEEE 802 LAN 표준위원회는 이더넷과 무선 와이파이(WiFi) 표준을 기술한다.

네트워크 구성

Network Edge

네트워크의 가장자리에 있는 종단 시스템(end-system)

• host(end-system)는 때때로 client와 server로 구분된다.

Access Network

종단 시스템을 그 종단 시스템으로부터 다른 먼 거리의 종단 시스템까지의 경로상에 있는 첫 번째 라우터(edge router)에 연결하는 네트워크

• 가정 접속: DSL 케이블, FTTH, 5G 고정 무선
  • DSL(digital subsriber line)과 케이블이 오늘날 가장 널리 보급된 광대역 가정 접속 유형이다.
  • 더 빠른 속도를 제공하는 미래 개술은 FTTH(fiber to the home)다.
  • 5G 고정 무선(5G fixed wireless, 5G-FW)은 서비스 제공자의 기지국에서 가정 내의 모뎀으로 데이터를 무선으로 전송한다.
• 기업(그리고 가정) 접속: 이더넷과 와이파이
  • 여러 유형의 LAN(Local Area network) 기술 중 이더넷 기술이 기업, 대학, 홈 네트워크에서 가장 널리 사용되는 접속 기술이다. 이더넷은 이더넷 스위치에 연결하기 위해 Twisted Pair(꼬임 쌍선)을 이용한다.
    
  • 무선 랜(wireless LAN) 환경에서 사용자들은 기업 네트워크(대부분 유선 이더넷을 포함)에 연결된 AP(acess point)로 패킷을 송신/수신하고 이 AP는 유선 네트워크에 다시 연결된다. IEEE 802. 11 기술에 기반한 무선 랜 접속은 와이파이라고 더 잘 알려져있다.
    
• 광역 무선 접속: 3G와 LTE 4G와 5G 이동 장치들은 이동 전화망 사업자들이 운영하는 기지국을 통해 패킷을 송수힌하는 데 사용하는 것과 같은 무선 infrastructure를 채택하고 있다. 와이파이(수십 미터 반경)와 달리, 사용자는 기지국의 수십 킬로미터 반경 내에 있으면 된다.

Network Core

인터넷의 종단 시스템을 연결하는 패킷 스위치들과 링크들의 연결망(mesh)

link와 switch의 네트워크를 통해 데이터를 이동시키는 방식에는 패킷 교환(packet switching)과 회선 교환(circuit swtching)이라는 두 가지 기본 방식이 있다.

Packet Switching (패킷 교환)

네트워크 애플리케이션에서 종단 시스템들은 서로 메시지(message)를 교환한다. host는 application-layer message를 패킷(packet)으로 쪼갠다. 송신 측과 수신 측 사이에서 각 패킷은 통신 링크와 packet switch(router와 link-layer switch의 두 가지 유형이 있음)를 거치게 된다.

network forwards(a.k.a. switches) packets from one router to the next, across links on path from source to destination

• store-and-forward (저장-후-전달 전송)

  대부분의 packet switch가 이용하는 방식으로, switch가 출력 link로 packet의 첫 bit를 전송하기 전에 전체 packet을 받아야 함을 의미한다.

  • packet transmission delay: 종단 시스템 혹은 패킷 스위치가 $L$ bit packet을 link에서 $R$ bps(비트/초)의 속도로 송신한다면, 그 packet을 전송하는 데 걸리는 시간은 $L/R$ 초다. (이때 $R$ bps는 link의 최대 전송률이다.)

• queueing

  

  packet queuing and loss:

  라우터에 도착하는 packet의 전송률(in bps)이 link의 전송률(bps)을 초과하는 시점에

  • packet은 출력 버퍼에서 대기해야 하며, 큐잉 지연(queueing delay)을 겪게 된다.
  • 라우터의 메모리(buffer)가 꽉 차 있다면, 도착하는 packet 또는 이미 큐에 대기 중인 packet을 폐기(drop)하는 packet 손실(loss)이 발생한다.

Circuit Switching (회선 교환)

종단 시스템 간에 통신을 제공하기 위해 경로상에 필요한 자원(버퍼, link 전송률)은 통신 세션(session) 동안에 확보 또는 예약(reservation)된다.

link 내 한 회선은 주파수 분할 다중화(frequency-division multiplexing, FDM) 혹은 시분할 다중화(time-division multiplexing, TDM)로 구현된다.

• FDM에서 각 회선은 지속적으로 대역폭(주파수 대역의 폭)의 일부를 얻는다.
• TDM에서 각 회선은 짧은 시간 동안(i.e. 슬롯 동안) 주기적으로 전체 대역폭을 얻는다.

Packet Switching vs Circuit Switching

회선 교환이 요구에 관계없이 전송 link의 사용을 할당하는 반면에 패킷 교환은 요구할 때만 link의 사용을 할당하기 때문에 패킷 교환의 성능이 회선 교환보다 더 우수하다.

전기통신 네트워크에서 추세는 패킷 교환으로 바뀌고 있으며, 오늘날의 많은 회선 교환 전화망이 패킷 교환 방식으로 전환되고 있다.

Network of Networks

종단 시스템(PC, 스마트폰, 웹 서버, 메일 서버 등)은 접속 ISP를 통해 인터넷에 연결된다.

접속 ISP는 DSL, 케이블, FTTH, 와이파이, 셀룰러(이동 통신)를 포함하는 다양한 접속 기술을 이용하여 유선 혹은 무선 연결을 제공한다.

이러한 접속 ISP들은 서로 연결되어야 하고, 이를 위해 네트워크의 네트워크(network of networks)가 탄생하게 되었다.

네트워크 프로토콜

프로토콜은 둘 이상의 통신 개체 간에 교환되는 메시지 포맷과 순서뿐 아니라, 메시지의 송수신과 다른 이벤트에 따른 행동들을 정의한다.

i.e. 통신하는 둘 이상의 원격 개체가 포함된 인터넷에서의 모든 활동은 프로토콜이 제어한다.

네트워크 프로토콜의 종류

• 통신 프로토콜(Communication protocols)은 TCP/IP나 HTTP와 같은 기본적인 데이터 통신을 포함한다.

• 관리 프로토콜(Management protocols)은 ICMP나 SMNP와 같은 프로토콜을 통해 네트워크를 유지 및 관리한다.

• 보안 프로토콜(Security protocols)은 HTTPS, SFTP, SSL을 포함한다.

프로토콜 계층화 (Protocol Layering)

네트워크 프로토콜의 설계에 대한 구조를 제공하기 위해, 네트워크 설계자는 프로토콜을 계층으로 조직한다.

계층구조의 장점

• 크고 복잡한 시스템의 잘 정의된 특정 부분을 논의할 수 있게 해 준다.
• 시스템의 다른 요소에 영향을 주지 않고 서비스 구현을 변경할 수 있다.

e.g. TCP/IP Model, OSI Model

TCP/IP vs OSI Model

공통점

• 계층별 역할
  • 캡슐화, 프로토콜 사용
  • 계층간 역할을 정의
• 통신 역할
  • 다중화(multiplexing), 역다중화(demultiplexing)
  • 페이로드 전송

차이점

• OSI 모델은 역할을 기반으로 각 계층을 구성하고, TCP/IP 모델을 프로토콜의 집합을 기반으로 구성된다.
• 전체적인 통신전반에 대한 표준화 방식이 OSI 모델이라면 TCP/IP 모델은 데이터 전송에 특화되어있다.

References

• Jim Kurose Homepage

• 컴퓨터 네트워킹 하향식 접근

• Figure 2. The logical mapping between OSI basic reference model and the...