Week1. 인터넷과 프로토콜 (Internet and Protocols)

1) 인터넷이란?

• 인터넷 --> Inter- + net(work) – 네트워크들의 연결
• 인터넷을 구성하는 요소 – HW, SW

HW

• 호스트나 서버.
• end hosts (각자 사용하는 컴퓨터 등)
• interconnection devices (라우터, 스위치, 리피터 등)
• links (유선링크구리, 광섬유/ 무선링크라디오 전파, 위성전파)

SW

• 운영체제
• 애플리케이션 프로그램
• 프로토콜
  --> 원래는 외교용어. 다른 나라의 정상끼리 만날 때, 어떤 식으로 맞이하고 대접할지를 프로토콜이라고 함.
  네트워크로 오면서 커뮤니케이션 프로토콜이라는 용어가 생김. 통신을 위해 반드시 지켜야 함.
  

프로토콜에는 프로토콜에는 어떤 것들이 포함되어 있는가?

- Message format

• 패킷 앞에 20byte의 헤더 정보가 붙게 되는데 이 헤더 정보의 포맷 같은 것을 메시지 포맷이라고 함.

- Order of messages

• 메시지를 주고 받으려면 연결이 먼저 되어야 한다든 지 등. 메시지를 주고 받는 순서

- Actions

• 메시지를 받았을 때 취해야 하는 액션.

네트워크 구성 요소

- Network edge

• 홈 네트워크, 기관 네트워크, 모바일 네트워크 등.

- Network core

• 엣지 네트워크들을 서로 연결해주기 위한 중간에 있는 네트워크. Ex)라우터, 스위치

2) 네트워크 엣지

액세스 네트워크 (Access Network)

호스트와 서버를 실제 연결해주는 네트워크

- Residential access network

• DSL(Digital Subscriber Line)
  전화망을 사용한 인터넷. 전화선이 전화국까지 접속하기 전에 스플리터가 디지털정보가 4kHz 이상의 주파수로 변환.
  그걸 다시 전달 전화국에 있는 멀티플렉서가 두 개의 파형을 분리해서 통화/디지털 데이터를 나눴음.
• Cable network
  전달하는 매체만 다를 뿐 DSL과 근본은 같음
• FTTH(Fiber To The Home)
  광케이블이 가정 바로 앞까지 깔리는 것. 각 가정에서 사용할 수 있는 통신 용량을 최대화 함.
  광케이블을 끌고 오면 각 가정이나 아파트 단지 같은 데에 optical network terminal이 설치가 되고
  이 터미널이 집 밖에서는 빛으로 데이터 전달, 집 안에서는 전자의 흐름으로 데이터를 전달하게끔 둘 사이를 변환한다.

- Institutional access network

• 기본적으로 이더넷을 기반으로 함. (쉽게 생각하면 랜카드)
• 각각 컴퓨터에 이더넷을 꽂고, 이더넷이 모아서 실제 외부 라우터에 연결을 하는 형태.
  기관내 내부망(웹이나 메일)도 다 이더넷 스위치를 통해 외부 인터넷에 접속 됨.

- Wireless access network

• Wi-fi (Wireless Lan) 와 Cellular network로 나뉘어짐.

--> 위와 같은 액세스 네트워크에 접속하는 호스트를 엔드 호스트(end host)라고 한다.

End host

• 각 엔드 호스트 마다 애플리케이션 유닛이 돌아감.
• 역할 : 보내는 쪽은 패킷 사이즈에 맞게 데이터를 잘라서 액세스 네트웍에 넣어주고, 받는 쪽은 잘려진 패킷들을 다시 모아서 다시 하나의 큰 파일로 만듦.
• 데이터를 전달할 때 중요한 것. Link transmission rate.
  높으면 높을수록 데이터를 빨리 보낼 수 있음. Link capacity, bandwidth라고도 부름.
  

유선 링크의 발전사

• 쌍꼬임선(Twisted pair) : 절연된 두 개의 구리선. 100Mbps ~ 10Gbps.
  외부에서 케이블에 영향을 줄 때, 두 선이 꼬여있으므로 두 선이 받는 노이즈의 정도가 거의 같다는 점을 이용함. (전압이 같이 올라가거나 내려감)
• 동축 케이블(Coaxial cable) : 금은동할 때 동 아님. 같을 동 임. 축이 같은 케이블.
  데이터 전달하는 구리선은 내부의 구리선, 외부의 구리선은 노이즈를 차단해줌.
  높은 bandwidth의 데이터 전달 및 사용할 수 있는 폭이 넓은 게 장점.
• 광섬유(Optical fiber) : 위에 두 개는 구리선으로 전류를 흘려서 데이터를 보내는 것인데, 광섬유는 빛을 보냄.
  구리 케이블을 이용한 통신에 비해 1.5배 정도의 전송 속도를 냄. 빛이라서 외부 노이즈도 적고 에러도 거의 없음.
  매년 발전하면서 우리는 더욱 높은 주파수 대역의 빛을 사용할 수 있어서 속도가 점점 증가함. (Nyquist bandwidth: 캐리어 주파수에 비례해서 bandwidth도 증가)
  신호 감쇠되는 것도 다른 것에 비해서 굉장히 낮음. 빛이라서 전자기적 잡음에도 영향 안 받음

무선 링크의 발전사

• 와이어리스는 여러 bandwidth를 쓸 수 있지만 와이파이에선 2.4GHz, 5GHz
  휴대폰 통신에서는 2G 대역 전후를 많이 씀.
• 5세대로 가면 30GHz ~ 300GHz 대역의 bandwidth를 사용할 수 있음.
  300GHz일 때 파장은 1mm, 30GHz일 때 파장은 10mm이기 때문에, 이 영역을 밀리미터 웨이브라고 부르기도 함.
  --> 내가 커버 해야 하는 range에 따라서 사용하는 주파수도 달라지고 그에 따른 프로토콜도 달라짐.

3) 네트워크 코어

• 엣지는 네트워크의 사용자 부분, 코어는 네트워크의 중간 부분
• Mesh : 노드들이 그물 형태로 이루어져 있는 것.
  어느 한 노드가 고장나거나 파괴되더라도 나머지 노드들이 통신하는 데 아무 문제 없도록 함.
• 하나의 라우터에서 다음 라우터로 계속 데이터를 포워딩 해주는 기능이 코어 네트워크의 주 기능.
• 라우터에서 패킷에 담긴 목적지 주소를 보고 판단하여 보냄.

코어 라우터에서 데이터를 전달하는 방식

1. 서킷 스위칭(circuit switching) : 회선 교환.

• 데이터 전달하기 전에 src와 dest간에 길을 설정하고 네트워크 자원을 예약해 둠. 다른 호스트가 끼어들 수 없음. 공유할 수 없음.
• 각각의 콜에는 자원 할당. 이 자원은 sharing이 안됨. 기존 전화망(유선전화망)에서 쓰였음. 아무 데이터가 흐르지 않더라도 제 3자가 그 자원을 사용할 수 없음.

2. 패킷 스위칭(packet switching) : 패킷 교환.

• 전체 데이터는 패킷으로 나뉘어져서 각각의 패킷은 dest주소를 갖고 별도로 취급이 됨.
• 전체 full link capacity를 가지고 전달이 됨. 패킷 사이즈가 L-bit, 링크 capacity가 R-bps라고 할 때
  이를 전달하기 위해 걸리는 시간은 L/R초.
• src에서 dest까지 전체 지연시간은 hop 수에 비례함.
  ex) 패킷사이즈 7.5Mbits, 링크 capacity 1.5Mbps. 1hop전달 되는 데 7.5/1.5 = 5초.
  src에서 dest까지 2hop이라고 하면 end-end delay가 10초. 5hop이면 25초.

패킷 교환망 vs 회선 교환망.

• 인터넷 서비스를 제공하는 사업자 입장에선 패킷 교환망. 더 많은 사용자를 수용할 수 있기 때문.
  우리가 인터넷을 사용할 때도 계~속 클릭하는 것이 아니기 때문에 실제 데이터가 전달되는 시간은 우리가 인터넷을 사용하는 시간에 비해서는 비율이 매우 낮음.
• 패킷 교환망의 단점 : 1Mbps link(=Transmission rate)에서 100kbps가 각자의 peak data라고 한다면,
  10명 이상의 유저가 동시에 active했을 때 통신 속도가 매우 느려짐. 하지만 이렇게 될 확률이 현저히 낮음.
  35명까지 한 link를 이용한다고 가정했을 때 0.04%정도
  --> 즉, 3.5배 이상의 유저들에게 서비스 가능
• 동시접속 문제가 아니더라도 패킷들은 중간 라우터에 도착하게 되면, 라우터가 패킷에 담겨있는 주소를 보고 결정해야 하는데, 그 동안 queue에 잠깐 저장 되면서 지연시간이 생긴다.
  그리고 queue는 사이즈가 무한하지 않아서 경우에 따라서는 라우터의 용량을 초과하는 데이터가 도착할 수 도 있고 이 경우는 패킷 손실이 발생할 수 있음.
• 서킷 스위칭, 회선 교환망은 항상 내가 필요로 하는 최대 용량 제공. 지연시간을 겪지 않음.

-> 그러므로, 회선교환망, 패킷 교환망은 각자 장단점을 갖고 있기 때문에 필요로 하는 형식의 네트워크 코어를 잘 선택해서 서비스 할 것.