Computer Network Chapter 01

Jeong-yun Lee·2025년 3월 10일

Computer Network

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Chapter 01: Internet Overview and Roadmap

1.1 인터넷이란? (What is the Internet?)

🔹 1.1.1 "Nuts and Bolts" 관점

인터넷의 물리적/기술적 기반에 초점을 맞춘 관점.

✅ 핵심 구성 요소

호스트 (Host, End System)
네트워크에 연결되어 통신이 가능한 컴퓨팅 장치.
→ 예: 서버, 스마트폰 등
→ 네트워크 애플리케이션(Network Application)을 실행
통신 링크 (Communication Link)
데이터를 전달하는 물리적/무선 경로
→ 유선: 광섬유, 구리선
→ 무선: 전파, 위성
→ 전송 속도는 대역폭(Bandwidth)에 의해 결정됨
패킷 (Packet)
전송할 데이터를 작은 조각으로 나눈 단위
→ 데이터를 여러 패킷으로 나누어 전송하여 효율성 및 신뢰성 향상
→ 이 과정을 세그멘테이션(Segmentation)이라고 함
패킷 스위치 (Packet Switch)
패킷을 받아서 목적지로 전달하는 네트워크 장치
→ 예: 라우터(Router), 스위치(Switch)
→ 높은 신뢰성과 낮은 비용으로 데이터 전달
인터넷 (Internet)
네트워크들의 네트워크 (Network of Networks)
→ 다양한 인터넷 서비스 제공자(ISP, Internet Service Provider)들이 상호 연결되어 구성
프로토콜 (Protocol)
네트워크에서 데이터를 주고받기 위한 규칙의 집합
→ 예: TCP, IP, HTTP, 802.11 등
인터넷 표준 (Internet Standards)
IETF(Internet Engineering Task Force)가 RFC(Request for Comments) 문서를 통해 정의
→ 모든 인터넷 기술은 RFC를 통해 공식화됨
노드(Node) & 엣지(Edge)
- 노드(Node): 네트워크에 연결된 장치 (서버, 클라이언트, 라우터 등)
- 엣지(Edge): 두 노드를 연결하는 링크 (연결 경로)
- 노드와 엣지는 상호 의존적 관계이며, 네트워크의 기본 구조를 형성

🔹 1.1.2 서비스 관점 (Service View)

인터넷은 단순한 물리 네트워크를 넘어,
애플리케이션(web, VoIP, email 등)에 서비스를 제공하는 인프라(Infrastructure) 역할을 함.

각 앱은 프로그래밍 인터페이스(Programming Interface)를 통해 네트워크 기능에 접근
개발자는 네트워크를 직접 구성하지 않고도 앱 간 통신 구현 가능

🔹 1.1.3 프로토콜이란? (What is a Protocol?)

네트워크 개체 간에 메시지를 어떻게, 어떤 순서로 주고받을지 정의한 규칙

메시지 포맷, 순서, 송수신 동작을 명시
예: TCP에서는 연결 설정 3-way handshake, HTTP에서는 요청-응답 구조

1.2 네트워크 엣지 (Network Edge)

🔹 1.2.1 대역폭 (Bandwidth)

대역폭(Bandwidth)은 단위 시간당 전송 가능한 데이터의 양을 의미
단위: bps (bits per second)
대역폭이 클수록 더 빠른 데이터 전송 가능

🔹 1.2.2 DSL (Digital Subscriber Line) 방식 – 전용 회선 기반 접근

사용자는 전화선(구리선)을 통해 중앙 사무소(Central Office)의 DSLAM(Digital Subscriber Line Access Multiplexer)에 연결됨
전용 회선(Dedicated Line)이므로 다른 사용자와 회선을 공유하지 않음
음성과 데이터는 서로 다른 주파수 대역(Frequency Band)을 사용하므로 동시에 전송 가능

✅ 속도 특성

업스트림 속도(Upstream): 일반적으로 1 Mbps 미만 (최대 약 2.5 Mbps)
다운스트림 속도(Downstream): 일반적으로 10 Mbps 미만 (최대 약 24 Mbps)

🔹 1.2.3 케이블 네트워크 (Cable Network) – 공유 회선 기반 접근

주파수 분할 다중화(FDM, Frequency Division Multiplexing) 사용
→ 각 채널이 서로 다른 주파수 대역을 사용해 충돌 없이 전송 가능

동일한 케이블(Coaxial Cable)을 통해 TV, 데이터 등 다양한 신호를 전송
여러 사용자가 공유 케이블(Shared Cable)을 사용하여 ISP와 연결됨
이 구조를 케이블 분배망(Cable Distribution Network) 또는 공유 네트워크 구조라 함

✅ HFC (Hybrid Fiber Coax) 사용 시 속도

업스트림 속도(Upstream): 최대 2 Mbps
다운스트림 속도(Downstream): 최대 30 Mbps

📌 DSL과의 차이점

DSL: 사용자와 중앙 사무소 간 전용 회선(Dedicated Access)
Cable: 사용자와 케이블 헤드엔드 간 공유 회선(Shared Access)
→ 사용량이 많은 시간대에 성능 저하 가능성 있음

1.3 네트워크 코어 (Network Core)

🔹 1.3.1 패킷 스위칭 (Packet Switching)

패킷 스위칭(Packet Switching)은 호스트가 응용 계층 메시지를 패킷(Packet)으로 나눈 뒤, 여러 라우터를 경유하며 전송하는 방식
각 패킷은 독립적으로 경로를 선택하며, 사전 연결 설정 없음
전송 속도는 링크의 대역폭(Bandwidth)에 의해 결정되며, 패킷 크기는 해당 링크의 최대 전송 단위에 맞춤

🔹 1.3.2 저장 후 전달 (Store & Forward)

Store-and-Forward: 패킷이 완전히 수신된 후에야 다음 링크로 전달
한 링크의 전송 시간:
$\text{전송 시간} = \frac{L}{R}$
→ L: 패킷 크기 (bits), R: 링크 속도 (bps)
예시:
L = 7.5 Mbit, R = 1.5 Mbps → 링크당 5초 소요
총 2링크를 거치면:
$\text{총 전송 시간} = 2 \times \frac{L}{R} = 10\ \text{초}$

🔹 1.3.3 큐잉 지연과 손실 (Queuing Delay & Packet Loss)

링크에 도착하는 패킷의 양이 링크 처리율을 초과하면, 큐(Queue)에 대기
버퍼(Buffer)가 가득 찰 경우 패킷 손실(Packet Loss) 발생 가능

🔹 1.3.4 핵심 기능: 라우팅 & 포워딩

✅ 라우팅 (Routing)

라우팅 알고리즘(Routing Algorithm)을 통해 출발지에서 목적지까지의 경로를 결정

✅ 포워딩 (Forwarding)

수신한 패킷을 라우터 내에서 올바른 출력 포트로 전달
즉, 다음 홉으로 패킷을 실제로 이동시키는 동작

🔹 1.3.5 회선 스위칭 (Circuit Switching)

송신자와 수신자 간 자원을 사전에 할당하여 전용 회선을 구성
전송 도중 다른 트래픽과 공유하지 않음 → 지속적 대역폭 보장
사용하지 않을 경우에도 자원이 유휴 상태로 낭비됨

✅ FDM vs. TDM

주파수 분할 다중화(FDM, Frequency Division Multiplexing)
→ TV, 라디오, 위성, 전화 등에서 사용
시분할 다중화(TDM, Time Division Multiplexing)
→ VoIP, 컴퓨터 네트워크 등에서 사용

🔹 1.3.6 패킷 vs. 회선 스위칭 비교

가정

링크 속도: 1 Mbps
각 사용자 요구 속도: 100 Kbps
사용자 활성 확률: 10%

분석

회선 스위칭(Circuit Switching)
→ 최대 10명까지 수용 가능
패킷 스위칭(Packet Switching)
→ 35명 사용자 중 11명 이상 동시에 활성일 확률:

P(X \geq 11) = \sum_{k=11}^{35} \binom{35}{k} (0.1)^k (0.9)^{35-k}

→ 약 0.0004의 확률로만 초과

패킷 스위칭은 버퍼를 이용한 대기로 더 많은 사용자 수용 가능

결론

패킷 스위칭은 자원 공유와 유연성 면에서 우수
다만 혼잡(Congestion) 시 지연(Delay), 손실(Loss) 발생 가능
→ 이를 해결하기 위한 혼잡 제어(Congestion Control)와 신뢰성 프로토콜 필요

🔹 1.3.7 인터넷 구조 (Internet Structure)

종단 시스템(End System)은 접근 ISP(Access ISP)를 통해 인터넷에 연결
ISP 간 상호 연결이 필요 → 복잡한 연결 구조 발생
정책 및 경제적 고려에 따라 인터넷 구조가 결정됨

구조적 확장

모든 Access ISP 간 직접 연결 시 연결 수:

O(N^2)

글로벌 ISP(Global ISP) 간 인터넷 익스체인지 포인트(IXP)와 피어링(Peering)을 통해 상호 연결
대형 콘텐츠 제공자(Google, MS 등)는 직접 네트워크를 구축하여 사용자에 서비스 제공

1.4 네트워크에서의 지연, 손실, 처리량 (Delay, Loss, Throughput in Networks)

🔹 1.4.1 Loss와 Delay의 발생 과정

라우터의 버퍼(Buffer) 내부에는 패킷 큐(Queue)가 존재
패킷 도착률이 링크의 전송률을 초과할 경우 → 지연 및 손실 발생

상황

패킷이 전송되는 동안 → 전송 지연(Transmission Delay)
패킷이 큐에서 대기하는 동안 → 큐잉 지연(Queueing Delay)
버퍼가 가득 찼을 때 도착한 패킷은 → 폐기(Packet Loss)

🔹 1.4.2 패킷 지연의 네 가지 구성 요소

총 지연 시간:

\text{Total Delay} = d_{\text{proc}} + d_{\text{queue}} + d_{\text{trans}} + d_{\text{prop}}

지연 종류	설명
처리 지연(Processing Delay)	오류 검사, 라우팅 결정 등 (보통 ms 미만)
큐잉 지연(Queueing Delay)	큐에서 대기하는 시간, 혼잡도에 따라 가변
전송 지연(Transmission Delay)	$L$ : 패킷 길이, $R$ : 링크 속도 → $L/R$
전파 지연(Propagation Delay)	거리 $d$ , 전파 속도 $s$ → $d/s$

🔹 1.4.3 Caravan 유추 비유 (Caravan Analogy)

자동차 → 비트(bit), 캐러밴 → 패킷(packet)

예시

자동차 속도: 100 km/h
톨게이트 지연: 차량당 12초
차량 수: 10대

총 시간 =

120\ \text{sec} + 60\ \text{min} = \boxed{62\ \text{분}}

속도 1000 km/h, 톨게이트에서 1분 소요 →
앞 차량이 빠르게 다음 톨게이트에 도착 가능 (병렬 처리 개념과 유사)

🔹 1.4.4 Queueing Delay와 트래픽 강도 (Traffic Intensity)

📌 비트 기반 수식

\text{Traffic Intensity (TI)} = \frac{L \cdot a}{R}

기호	의미
$L$	패킷 크기 (bits)
$a$	평균 도착률 (packets/sec)
$R$	링크 전송 속도 (bps)

해석

$TI < 1$ : 안정적, 혼잡 없음
$TI \approx 1$ : 경계 상황
$TI > 1$ : 혼잡, 큐잉 지연과 손실 발생

📌 큐잉 이론 기반 수식

\rho = \frac{\lambda}{\mu}

기호	의미
$\lambda$	평균 도착률
$\mu$	서비스율 (1초당 처리 가능한 패킷 수)

→ 두 수식은 다음처럼 연결됨:

\rho = \frac{a}{R/L} = \frac{L \cdot a}{R}

🔹 1.4.5 GPS와 푸아송 분포

GPS (Generalized Processor Sharing): 각 흐름이 최소 처리율 보장 → 대기 시간이 유한하게 제한됨(bounded)
푸아송 분포(Poisson Arrival): 시간 $t$ 동안 $k$ 개의 패킷이 도착할 확률

P(N(t)=k)= \frac{(\lambda t)^k e^{-\lambda t}}{k!}

→ GPS가 있으면 푸아송 분포 기반 도착에도 안정적인 처리 가능

🔹 1.4.6 실제 인터넷에서의 지연 및 경로

traceroute 도구를 통해 라우터별 왕복 시간 측정 가능

🔹 1.4.7 패킷 손실 (Packet Loss)

버퍼 용량 초과 시 패킷 폐기
TCP는 재전송, UDP는 무시

🔹 1.4.8 처리량 (Throughput)

단위 시간당 성공적으로 수신된 데이터 양 (bps)

용어	설명
순간 처리량 (Instantaneous Throughput)	특정 시점 처리 속도
평균 처리량 (Average Throughput)	일정 시간 동안의 평균

✅ 병목 링크 (Bottleneck Link)

전체 경로 중 가장 느린 링크가 전체 처리량을 결정

\min(R_c, R_s, R/10)

모든 지연/손실/처리량 요소는 혼잡 제어(Congestion Control) 및 신뢰성 보장 프로토콜 설계의 기반이 됨.

1.5 프로토콜 계층과 서비스 모델 (Protocol Layers, Service Models)

🔹 1.5.1 계층(Layer)의 개념

각 계층(Layer)은 자체 동작을 수행하며, 하위 계층이 제공하는 서비스에 의존하여 상위 서비스를 구현함
네트워크 구조를 계층화하면 복잡한 시스템을 모듈화(Modularization)하여 설계, 유지보수, 업그레이드가 쉬워짐

🔹 1.5.2 계층화의 필요성 (Why Layering?)

복잡한 통신 시스템을 잘게 나누어 이해하고 설계하기 쉬움
명시적인 계층 구조는 각 역할과 데이터 흐름을 명확히 설명함
예: 브라우저 개발자는 HTTP만 신경 쓰고, IP나 MAC은 몰라도 됨

🔹 1.5.3 인터넷 프로토콜 스택 (Internet Protocol Stack)

계층	설명
Application Layer	네트워크 애플리케이션 지원 (HTTP, DNS, SMTP 등)
Transport Layer	프로세스 간 데이터 전송 (TCP, UDP)
Network Layer	종단 간 데이터그램 라우팅 (IP, 라우팅 프로토콜)
Link Layer	인접 노드 간 데이터 전송 (Ethernet, Wi-Fi 등), 오류 및 충돌 제어
Physical Layer	비트 단위 전송, 실제 물리 매체 사용 (케이블, 전파 등)

📌 Packet Switching 기반 네트워크이므로:
지연(delay), 손실(loss), 순서 뒤바뀜(unordered) 등 불확실성 존재

✅ TCP의 역할

프로세스 간 논리적 연결(Logical Connection) 제공
포트 번호(port #)를 통한 다중 연결 관리
흐름 제어(Flow Control), 혼잡 제어(Congestion Control)
RDT (Reliable Data Transfer): 신뢰성 있는 데이터 전송 구현

🔹 1.5.4 OSI 7계층 모델 (ISO/OSI Reference Model)

계층	역할
Application	사용자 인터페이스 및 응용 처리
Presentation	데이터 표현, 인코딩/디코딩
Session	세션 관리, 동기화, 복구
Transport	종단 간 신뢰성 있는 전송
Network	주소 지정, 경로 선택
Data Link	프레임화, 오류 제어
Physical	비트 전송, 전기적/기계적 인터페이스

실제 인터넷에서는 대부분 OSI 모델이 아닌 Internet Stack(5계층) 구조를 따름

🔹 1.5.5 캡슐화 (Encapsulation)

각 계층은 상위 계층 데이터에 헤더(Header)를 추가하여 하위 계층으로 전달
각 계층은 고유한 데이터 단위 이름을 가짐

계층	데이터 단위
Application	메시지 (Message)
Transport	세그먼트 (Segment)
Network	데이터그램 (Datagram)
Link	프레임 (Frame)
Physical	비트 (Bit)

라우터(Router)는 Network Layer까지만 처리
스위치(Switch)는 Link Layer까지만 처리
→ Transport Layer는 일반적으로 종단 시스템(End System)에서만 다룸

참고) 데이터 세그멘테이션 유무에 따른 전송 시간 비교

✅ 문제 설정

데이터 크기: 8Mb (메가비트)
링크 속도: 2Mbps (메가비트/초)
거치는 스위치 수: 2개 → 총 3 홉 (송신자 → 스위치1 → 스위치2 → 수신자)
전송 방식: 저장 후 전달 (Store-and-Forward Switching)
비교 대상:
1. 세그멘테이션 없음 (Segmentation Off)
2. 세그멘테이션 있음 (Segmentation On, 예: 1Mb 단위)

🔹 ① 세그멘테이션 없음 (Segmentation Off)

흐름

8Mb 데이터를 2Mbps로 전송:

\frac{8\ \text{Mb}}{2\ \text{Mbps}} = 4\ \text{초}

각 스위치는 전체 데이터를 모두 받은 후에야 다음 홉으로 전송 시작
따라서 각 홉마다 4초씩 소요

\text{총 전송 시간} = 4 + 4 + 4 = \boxed{12\ \text{초}}

🔹 ② 세그멘테이션 있음 (Segmentation On)

설정

데이터: 1Mb 세그먼트 × 8개
각 세그먼트 전송 시간:

\frac{1\ \text{Mb}}{2\ \text{Mbps}} = 0.5\ \text{초}

파이프라이닝 구조

세그먼트	송신자 → 스위치1	스위치1 → 스위치2	스위치2 → 수신자
#1	0~0.5초	0.5~1초	1~1.5초
#2	0.5~1초	1~1.5초	1.5~2초
...	...	...	...
#8	3.5~4초	4~4.5초	4.5~5초

총 전송 시간:

\text{총 전송 시간} = \boxed{5\ \text{초}}

✅ 비교 요약

항목	세그멘테이션 없음	세그멘테이션 있음
총 전송 시간	12초	5초
처리 방식	직렬 처리 (Serial)	파이프라이닝 병렬 처리 (Pipelined)
효율성	낮음	높음

🔸 핵심 요약

세그멘테이션(Segmentation)을 적용하면 데이터를 작은 단위로 나눠서 병렬 전송(Pipelining)이 가능함.
Store-and-Forward 방식에서는 이로 인해 전체 전송 시간이 크게 단축되며, 네트워크 자원을 효율적으로 활용할 수 있음.

Jeong-yun Lee

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