[DCN] Ep.1 Introduction

Data Communications and Networking, 5th Edition By Behrouz .A Forouzan, McGraw-Hill Education

Introduction

• 첫 번째 섹션은 데이터 통신을 소개하고 데이터가 교환되었을 때의 그들의 컴포넌트와 타입을 정의한다. 이것은 또한 어떻게 다른 데이터 타입들이 표현되는가와 어떻게 데이터들이 네트워크를 통해 흘러가는가를 보여준다.
• 두번째 섹션은 네트워크들을 소개하고 그들의 기준과 구조들을 정의한다. 이 책을 통해 맞닥뜨리는 4개의 다른 네트워크 토폴로지들을 소개한다.
• 세번째 섹션은 다른 유형들의 네트워크들(LANs, WANs, 인터넷)을 대해 논의한다. 스위칭의 개념이 어떻게 작은 네트워크들이 큰 네트워크를 생성하기 위해서 결합되어 질 수 있는지 보여주기 위해서 이 섹션에서 소개되어진다
• 네번째 섹션은 인터넷의 간략한 역사를 포함한다. 3가지 시대로 구분되어진다. (초기 역사, 인터넷의 탄생, 오늘날 인터넷과 관련된 문제들)
• 다섯 번째 섹션은 표준과 표준 기구들을 포함한다.

1.1 데이터 통신(Data Communications)

우리는 통신할 때, 정보를 공유한다. 이러한 공유는 근거리(local)이거나 원거리(remote, 원격)이다.
개인 사이에서,원격 통신은 먼 거리에서 발생하는 반면에 근거리 통신은 면 대 면(직접적)으로 발생한다.
'Telecommunication'이라는 용어는 먼 거리에서 통신하는 것을 의미한다.
'Data'라는 단어는 정보를 생성하고 사용하는 집단들에 의해서 동의되어진 형태로 존재하는 정보를 의미한다.
'Data communication'은 유선과 같은 전송 매체의 형태를 통해 두 기기 사이에서의 데이터 교환을 의미한다.
데이터 통신의 효과는 다음과 같은 4개의 특징에 의존한다.

• 전송성 (Delivery) : 시스템은 반드시 올바른 목적지로 데이터를 전송해야 한다.
• 정확성 (Accuracy) : 시스템은 반드시 데이터를 정확하게 전송해야 한다.
• 시간성 (Timeliness) : 시스템은 반드시 적시에 데이터를 전송해야 한다.
• 파형 난조 (Jitter) : Jitter란 패킷 도착 시간의 변화(Variation)를 의미한다.

1.1.1 구성요소 (Components)

데이터 통신 시스템은 5가지 구성요소들을 가진다.

• 메시지(Message): 메시지는 동신되는 정보이다. (Text, Numbers, Pictures, Videos...)
• 송신자(Sender): 송신자는 데이터(메시지)를 보내는 기기이다. (Computer, Workstation, telephone handset...)
• 수신자(Receiver): 수신자는 데이터(메시지)를 받는 기기이다. (Computer, Workstation, telephone handset...)
• 전송 매체(Transmission medium): 전송 매체는 송신자와 수신자 사이의 메시지가 이동하는 물리적 경로이다.
• 프로토콜(Protocol): 프로토콜은 데이터 통신을 관리(Govern)하는 규칙들의 집합이다. (통신 규약 => 기기들간의 동의, 협의 등)

1.1.2 데이터 표현

• 텍스트(Text) : 데이터 통신에 있어서 텍스트는 비트 패턴임(비트들의 순서,절차).
  서로 다른 비트 패턴 집합 들이 텍스트 심볼을 표현하기 위해 설계되었음.
  => 이러한 집합들을 코드(Code)라고 부름./ code들을 표현하는 과정 => 코딩(Coding)
  32bits인 Unicode, 127bits의 ASCII(American Standard Code for Information Interchange)

• 숫자(Numbers) : 숫자 역시 비트 패턴으로 표현됨
  ASCII와 같은 코드들은 숫자를 표현하기 위해 사용되지 않음.
  숫자들은 수학 연산을 단순화하기 위해서 이진수로 직접적으로 변환됨.

• 이미지(Images) : 이미지 역시 비트 패턴으로 표현 됨.
  픽셀들의 행렬로 구성되어진다. (픽셀의 크기는 해상도와 관련있음).
  이미지가 픽셀로 구분되어 지면, 각 픽셀들이 비트 패턴과 연관되어 짐(00, 01, 10, 11)
  RGB(Red, Green, Blue), YCM(Yellow, Cyan, Magenta)으로 컬러값을 입힐 수 있음.

• 오디오(Audio) : 소리나 음악의 녹음과 방송을 의미함.
  연속적임.

• 비디오(Video) : 사진이나 영화의 녹음이나 방송을 의미함.
  연속적인 독립체(Entity)로써 생성되어 질 수 있음. 또는 이미지의 조합이 될 수 있음

1.1.3 데이터 흐름 (Data Flow)

3가지 형태로 구분됨 (Simplex, Half-duplex, and full-duplex)

1. Simplex
   해당 모드는 단방향(unidirectional)임. 연결된 두 기기 중 단 하나만이 전송할 수 있음.
   (키보드(input)와 모니터(output)가 일종의 예시임)

2. Half-duplex
   각 스테이션은 전송과 수신을 할 수 있지만 동시에는 안됨.
   한 쪽이 전송중이라면, 다른 한 쪽은 수신만 됨. (vice versa)
   like a one-lane road with traffic allowed in both direction
   (ex. Walkie-talkie, CB(citizens Band)

3. Full-duplex (= duplex-mode)

• 모든 스테이션들은 동시에 송,수신을 할 수 있음.
  like a two-way street with traffic flowing in both directions at the same time.
  (ex. telephone network)
• 한 방향으로 가고 있는 신호는 다른 방향으로 가고 있는 신호들과 링크의 용량을 공유함.
  다음과 같은 2가지 방법으로 구현함.
  a. 각 링크가 물리적으로 분리된 2개의 전송통로(송, 수신)를 가지거나
  b. 채널의 전송 용량을 반으로 나누어 서로 반대 방향으로 흐르게 한다.

1.2 네트워크(Networks)

네트워크는 통신을 할 수 있는 기기 집합들의 상호연결이다.
여기서 기기들은

• 호스트(host) (= end system) : 대규모 컴퓨터, 데스크탑, 랩탑과 같은..
• 연결 기기(Connecting device) : 라우터(네트워크를 다른 네트워크와 연결하는), 스위치(기기들을 하나로 연결하는), 모뎀(데이터의 형태를 바꾸는 아날로그 <-> 디지털)
  등등을 의미함.

1.2.1 네트워크 평가 기준(Network Criteria)

• Performance
  성능은 다양한 방법으로 측정될 수 있음.
  - Transit time(전송 시간) : 한 기기에서 다른 기기로 메시지가 전송되는데 필요한 총 시간
  - Response time(응답 시간) : 질의와 응답 간의 걸린 시간
  성능은 유저 수, 전송매체의 유형, 연결된 하드웨어의 능력, 소프트웨어의 효율성 등에 의해 영향을 받는다.

또한 2가지 네트워크 요소로 평가될 수 있음. Throughput & delay.
우리는 출력량을 높이고 지연은 낮추고 싶음.
하지만, 이 둘은 서로 모순되는 관계임.
출력량(Throughput)이 높으면 지연율(Delay)역시 늘어날 수 밖에 없음.

• Reliability
  전송의 정확도 외에도, 네트워크의 신뢰도는 실패의 빈도, 실패 시 링크를 회복하는 시간, 재앙(Catastrophe)에서의 네트워크의 견고성(Robustness) 등에 의해 측정된다.

• Security
  네트워크 보안 문제는 인가되지 않은 접근으로부터 데이터를 지키는 것과 손상 및 개발(발전)로 부터 데이터를 지키는 것, 침해 및 데이터 손실로부터 복구를 위한 정책이나 절차를 구현하는 것을 포함한다.

1.2.2 물리 계층 (Physical Structures)

연결의 종류(Type of Connection)
네트워크는 둘 이상의 기기들이 링크를 통해 연결되는 것이다.
링크는 한 기기로부터 다른 기기로 데이터가 전송되는 통신 경로를 의미함.
통신이 이루어지려면, 기기들은 동시에 같은 링크에 물려 있어야함.

다음은 가능한 2가지 종류의 연결을 나타냄: point-to-point and multipoint

Point-to-Point
점대점 연결은 두 기기들간의 전용(dedicated)링크를 제공한다.
채널의 전체 용량은 오직 두 기기 간의 전송에만 사용됨.
적외선 리모컨으로 티비의 채널을 바꿀 때, 리모컨과 티비 사이에 점대점 연결이 설립됨.

Multipoint
다중 연결(= Multidrop)은 다수 개의 특정 기기들이 하나의 링크를 공유한다.
채널의 용량은 공간적으로나 시간적으로 공유되어짐.
여러 기기들이 동시에 링크를 사용한다면 공간적으로(Spatially) 공유됨.
만약 유저들이 교대로 해야한다면, 이것은 timeshared연결임

물리적 구조(Topology)
physical topology란, 물리적인 네트워크 형성 방법을 의미함.
네트워크 토폴로지는 각 노드들(=node, 기기들)간의 기하학적 표현임.

다음 4가지 기초적인 토폴로지를 보자: mesh, star, bus, and ring

Mesh Topology
매쉬 토폴로지는, 모든 기기들이 서로서로 dedicated point-to-point연결을 하고 있다.

dedicated란, 오직 연결된 두 기기간의 트래픽만을 전송한다는 뜻...

또한, 각 link들은 양방향 통신이 가능해야 함. (duplex-mode == full-duplex)

즉, Mesh topology를 구성한다는 것은 n(n-1) / 2 개의 duplex-mode link가 필요하다는 뜻임.

장점 :
- 전용 링크를 사용한다는 것은 각각의 연결들이 각자의 데이터 로드를 보장한다는 것이므로, 링크가 복수개의 기기들에 의해 공유되어 질 때 발생하는 통신 문제를 제거할 수 있다.
- 매쉬 토폴로지는 견고하다. 한 링크가 사용할 수 없게 되더라도 전체 시스템에 장애를 일으키지 않는다.
- 프라이버시와 보안에 장점을 가진다. 전용 링크를 사용함으로, 의도된 사용자만 메시지를 볼 수 있음.
- 점대점 링크는 오류 식별과 오류 고립(분리)을 쉽게 만든다.
(의심되는 링크들을 피하도록 트래픽을 라우팅 할 수 있음)
=> 이러한 기능은 네트워크 관리자가 오류가 발생한 정확한 지점이나 원인과 해결책을 찾는데 도움을 준다.

단점 :
- 모든 기기들이 서로서로 연결되어야만 하기 때문에, 설치와 재연결이 어려워진다.
- 실제 사용 가능한 물리적 공간보다 더 많은 배선이 필요할 수 있다.
- 각 링크를 연결하기 위한 하드웨어(I/O ports and cable)들이 비쌀 수 있다.

Star Topology
스타 토폴로지는 허브라고 불리는 중앙 제어 장치와 각각의 기기들이 점대점 연결 링크를 통해 연결되어있는 구조이다. 이 때, 각각의 기기들은 서로 연결되지 않음.
=> 기기들간의 직접적인 데이터 전송이 안되므로, 중앙 제어 장치를 거쳐서 전송해야 함.

장점

• 허브와 연결만 하면 되므로 매쉬 구조보다 저렴하고 설치 및 재구성에 용이함.
• 한 링크에 문제가 생겨도 다른 링크에 영향을 주지 않으므로 견고함.
  => 허브가 작동하는 한, 문제를 모니터 할 수 있고, 결함 있는 링크를 우회할 수 있음.

단점

• 한 가지 큰 단점은 모든 기기들이 하나의 허브에 물려 있다는 점이다.
  => 허브가 죽으면 모든 시스템이 죽음.

LANs, High-speed LANs에서 사용됨

Bus Topology
멀티포인트 연결임.
백본(Backbone)역할을 하는 하나의 긴 케이블이 네트워크 상의 모든 기기들을 연결함.

drop line은 메인 케이블과 기기 사이에서 실행되는 연결.
tap은 메인 케이블과 잇대어진 부분이나 메인 코어에 연결하기 위한 연결부.

신호가 백본을 통해 전송될 때, 일부 에너지는 열로 변화하는데 이로 인해서 멀면 멀 수록 약해진다.
탭의 개수와 탭들간의 거리가 제한되어 진다.

장점

• 설치가 편리하다.
  => star 구조의 경우 4개의 기기들이 연결되려면 허브와 연결되기 위해서 각기 다른 4개의 길이의 케이블이 필요함. 하지만, bus 구조의 경우 메인 케이블과 가장 가까운 길이의 케이블이 필요함.
  

단점

• 재연결과 오류 분리가 어렵다
• 새로운 기기를 추가하기 어렵다 (백본의 수정이나 대체가 요구 되어짐)
• 탭에서의 신호 반사가 품질 저하에 영향을 줄 수 있다 (케이블에 연결된 장치의 수와 간격을 제한하여 제어할 수 있음)
• 버스 케이블의 결함이나 손상은 모든 전송들을 멈출 수 있음

버스 구조는 초기 LANs에서 사용되었지만 지금은 사용하지 않음 (Chapter13에서 알아보자)

Ring Topology
링 토폴로지는 각각의 기기들이 각자 자신이 양쪽에 있는 기기들간에만 점대점 연결을 하는 것임.
신호들은 목적지에 다다를 때까지 기기들을 통해서 링을 따라 한 방향으로 흘러감.
각 기기들은 리피터를 포함하고 있음

장점

• 상대적으로 설치와 재구성이 쉬움(추가와 삭제를 위해서 오직 두 연결만을 변경하면 됨).
• 오류 고립이 단순화 되어 있음(한 기기가 특정 시간 내에 신호를 받지 못하면 알람을 보낼 수 있음)

단점

• 한 station이 제 기능을 하지 못하면, 전체 네트워크가 사용할 수 없게 됨.
  => 이 취약점은 dual ring이나 결함 지점을 단절 시킬 수 있는 switch를 사용하여 해결할 수 있음