네트워크 코어는 상호 연결된 라우터의 메쉬(mesh, 그물) 구조로 이루어져 있다.

• 이렇게 라우터들이 서로 연결되어 있으면, 데이터를 여러 경로를 통해 효율적으로 전송할 수 있다.

Packet Switching (패킷 스위칭)

호스트(서버, 클라이언트)는 어플리케이션 계층에서 생성된 메시지를 작은 데이터 조각인 패킷으로 나누고, 이를 통해 데이터를 전달한다.

• 패킷 전달
  각 패킷은 라우터 간의 경로를 통해 전달된다. 패킷은 출발지에서 목적지로 가는 동안 여러 라우터를 거쳐 전달되며, 각각의 라우터가 패킷을 다음 경로로 forwarding 한다.

• 전체 링크 용량 사용
  각 패킷은 해당 링크의 전체 용량을 사용하여 전송된다. 이는 패킷 전송 시 다른 패킷과 용량을 나누지 않으며, 최대 전송 속도로 전송된다는 것을 의미한다.

Store & Forward

패킷 전송 시간

• L/R 초 소요
  L bit의 패킷을 R bps(초당 비트 전송률)의 링크로 전송하는 데는 L/R 초가 걸린다.
  이는 패킷의 크기(L)가 클수록, 그리고 전송 속도(R)가 느릴수록 더 많은 시간이 소요됨을 의미한다.

• 예시) one-hop
  패킷이 7.5 Mbits이고, 전송 속도가 1.5Mbps라면, 하나의 패킷을 전송하는데 5초가 걸린다.

저장 및 전달

이 방식에서는 패킷 전체가 라우터에 도착한 후에야 다음 링크로 전송을 시작한다.
이는 패킷의 일부만 도착한 상태에서는 다음 단계로 전송을 시작할 수 없다는 것을 의미한다.

즉, 라우터가 패킷을 완전히 받은 후 다음 라우터로 전달하기 때문에 지연 시간이 발생한다.

종단 간 지연 (End-to-End Delay)

• end-to-end delay = 2L/R
  (전파 지연이 0이라고 가정할 때)

출발지에서 목적지까지 두 hop을 거친다고 가정했을 때, 전체 지연을 계산하는 공식이다.
(위 그림 참고)

Queueing Delay, Loss

패킷 스위칭에서 발생할 수 있는 큐잉 지연(Queueing Delay)과 패킷 손실(Packet Loss)에 대해 알아보자.

패킷 전송 속도 (Transmission Rate)

위 그림에서 A와 B에서 보내는 데이터는 100 Mbps의 속도로 전송되지만, 라우터는 1.5 Mbps의 낮은 전송 속도로 패킷을 다음 링크로 보낸다.

큐잉 (Queuing)

패킷이 라우터에 도착하면, 라우터는 이를 즉시 전송하지 못하고 대기시켜야 하는 경우가 발생할 수 있다.
이는 데이터가 너무 빨리 도착해 전송할 수 있는 링크의 용량을 초과할 때 발생한다.

도착 속도가 전송 속도보다 빠르면, 패킷들은 대기열(queue)에 쌓이고, 라우터가 처리할 수 있는 용량 내에서 전송되기를 기다려야 한다.

패킷 손실 (Packet Loss)

라우터의 메모리(버퍼)가 가득 차면 더 이상 새로운 패킷을 수용할 수 없게 된다. 이때, 라우터는 더 이상 새로운 패킷을 받아들이지 못하고, 이로 인해 패킷이 삭제된다.
이는 링크를 통해 처리할 수 있는 용량을 초과하는 패킷이 지속적으로 발생할 때 나타난다.

Routing & Forwarding

라우팅 (Routing)

라우팅은 패킷이 출발지에서 목적지까지 이동하는 경로를 결정하는 과정이다.
라우터는 라우팅 알고리즘을 통해 최적의 경로를 찾는다.

• 라우팅 알고리즘은 네트워크 상의 여러 경로 중에서 가장 효율적인 경로를 선택하는데 사용된다. 이를 통해 패킷이 목적지까지 신속하고 효율적으로 도달할 수 있다.

• 라우팅 테이블은 패킷의 목적지 주소에 따라 어떤 경로를 통해 전송할지를 결정하는 정보가 담겨있다.

포워딩 (Forwarding)

포워딩은 패킷이 라우터의 입력 포트로 들어온 후, 적절한 출력 포트로 전송되는 과정이다.
즉, 패킷이 들어왔을 때 그 패킷을 어느 포트로 보낼지를 결정하는 작업이다.

• 포워딩은 로컬 포워딩 테이블을 참조하여 패킷의 목적지 주소를 기반으로 해당 패킷이 어떤 출력 링크로 나가야 하는지 결정한다.

• 예시)
  목적지 주소가 0111인 패킷이 도착하면, 포워딩 테이블에서 0111에 해당하는 출력 링크(2번 링크)로 패킷을 전송한다.

라우팅과 포워딩 차이

• 라우팅은 패킷이 전체 네트워크에서 이동할 경로를 결정하는 전략적인 과정이다.
  라우팅 알고리즘이 경로를 계산하여 라우팅 테이블을 계산한다.

• 포워딩은 그 순간에 라우터로 들어온 패킷을 다음 경로로 전달하는 즉각적인 처리 과정이다.
  포워딩 테이블을 참조하여 패킷을 올바른 출력 링크로 보낸다.

Circuit Switching (회선 교환)

회선 교환은 패킷 스위칭과는 대조적인 방식으로, 전화 통신 시스템과 같은 전통적인 네트워크에서 자주 사용되었다.

회선 교환은 출발지에서 목적지까지의 전체 경로에서 전용 회선(회로)을 설정하여, 데이터가 해당 경로를 통해 독점적으로 전송되는 방식이다.
즉, 네트워크 리소스가 두 지점 간 통신을 위해 전용으로 할당된다.

회로 활당

위 그림에서는 각 링크에 4개의 회로가 존재한다고 가정하고 있다.

• 예를 들어, 한 통화(call)는 상단 링크에서 두 번째 회로를 사용하고 있고, 오른쪽 링크에서 첫 번째 회로를 사용한다.

• 이처럼 통신이 시작되면, 경로 상에서 회로들이 전용으로 할당되고, 다른 통신들은 그 회로를 공유하지 못한다.

전용 자연 (Dedicated Resources)

• 자원 공유 없음 (No sharing)
  회선 교환 방식에서는 해당 통신이 끝날 때까지 회로가 전용으로 사용되며, 다른 통신이 그 회로를 사용할 수 없다.
  이는 보장된 성능(지연 없이 일정한 전송 속도)을 제공한다.

  패킷 스위칭 방식과 달리, 대기 시간이나 혼잡이 발생하지 않는다는 장점이 있다.

• 비활성 회로 (Circuit Idle)
  통신이 사용되지 않는 동안에도 회로가 할당되어 있는 상태일 수 있다.

  즉, 사용되지 않는 회로도 다른 통신이 그 자원을 사용할 수 없다는 단점이 있다.
  이로 인해 네트워크 자원이 비효율 적으로 사용될 수 있다.

전통적인 전화 네트워크에서 사용

전통적인 전화 네트워크는 회선 교환 방식을 사용한다. 두 사람이 전화를 걸면, 두 사람 사이에 전용 회선이 설정되고, 통화가 끝날 때까지 이 회선은 다른 통신에 사용되지 않는다.

FDM vs TDM

회선 교환에서 자주 사용되는 두 가지 다중화 방식이 있다. 두 방식 모두 여러 사용자가 하나의 통신 회선을 공유할 수 있도록 하는 기술이다.

FDM (Frequency Division Multiplexing)

FDM(주파스 분할 다중화)은 주파수 대역을 여러 개의 작은 대역으로 나누어 각 사용자에게 서로 다른 주파수를 할당하는 방식이다.

• 예시)
  그림에서 4명의 사용자가 각기 다른 주파수 대역을 사용하고 있다. 각 사용자는 동시에 다른 주파수를 통해 데이터를 전송할 수 있다.

• 각 사용자는 전송 시간 동안 고유한 주파수를 독점적으로 사용한다.

• 주파수가 고정되기 때문에, 사용자가 데이터를 전송하지 않는 동아넹도 그 주파수 대역은 비활성화되어 다른 사용자는 사용할 수 없다.

• 장점)
  데이터가 계속 흐르고 있어 통신이 끊기지 않는다.

• 단점)
  주파수가 고정되어 있어 주파수 자원의 낭비가 발생할 수 있다.

TDM (Time Division Multiplexing)

TDM(시간 분할 다중화)은 시간을 여러 개의 작은 슬롯으로 나누어 각 사용자에게 교대로 시간을 할당한다.

• 예시)
  그림에서 4명의 사용자가 번갈아가며 일정한 시간 슬롯 동안 데이터를 전송하고 있다. 각 사용자는 특정한 시간 슬롯에서만 전송할 수 있다.

• 시간 단위로 교대하기 때문에, 주파수를 공유하면서도 다른 시간에 데이터를 전송할 수 있다.

• 각 사용자는 자신에게 할당된 시간 동안만 데이터를 전송할 수 있으며, 나머지 시간에는 대기해야 한다.

• 장점)
  주파수 대역을 효율적으로 사용할 수 있으며, 자원의 낭비가 적다.

• 단점)
  사용자는 자신의 시간 슬롯이 될 때까지 대기해야 하므로 지연이 발생할 수 있다.

Packet swithing vs Circuit Switching

1 Mbps의 링크가 주어졌을 때, 각 사용자는 100 kbps의 속도로 데이터를 전송할 수 있다고 하자. 이때, 각 사용자는 10%의 시간 동안만 활성(active) 상태로 데이터를 전송하고, 나머지 시간에는 비활성 상태이다.

회선 교환 (Circuit Switching)

• 회선 교환 방식에서는 각 사용자에게 고정된 대역폭이 할당된다. 따라서, 최대 10명의 사용자만 이 링크를 사용할 수 있다.
• 1 Mbps 링크를 100 kbps로 나누면, 10명의 사용자가 각자 고정된 대역폭을 할당받아 사용할 수 있다. 그 이상은 수용할 수 없다.
• 문제점)
  사용자가 10%의 시간 동안만 데이터를 전송하고, 나머지 90%의 시간 동안 그 대역폭은 사용되지 않더라도 다른 사용자는 사용할 수 없다.
  즉, 자원의 낭비가 발생할 수 있다.

패킷 스위칭 (Packet Switching)

• 패킷 스위칭 방식에서는 각 사용자가 필요한 때에만 네트워크 자원을 사용한다. 따라서 사용자의 10%의 시간 동안만 활성 상태이므로, 10명 이상의 수용자를 수용할 수 있다.
• 여러 사용자가 동시에 활성 상태가 아니므로, 패킷 스위칭 방식은 더 많은 사용자를 처리할 수 있다.
• 장점)
  사용자가 비활성 상태일 때, 그 대역폭은 다른 사용자에게 할당될 수 있기 때문에, 자원이 더 효율적으로 사용된다.

❔ Packet Switching이 더 좋은 걸까?

패킷 스위칭의 장점

• burst data에 적합
  패킷 스위칭은 불규칙적으로 전송되는 데이터를 처리하는 데 유리하다. 즉, 데이터를 간헐적으로 송신하는 환경에서 매우 효과적이다.
• 리소스 공유(Resource Sharing)
  패킷 스위칭에서는 네트워크 자원을 여러 사용자가 공유할 수 있어, 대역폭의 낭비가 줄어든다.
• 간편함, 호출 설정 없음(Simpler, No Call Setup)
  회선 교환과 달리 패킷 스위칭에서는 사전에 전용 회선을 설정할 필요가 없다. 즉, 데이터를 바로 전송할 수 있어 간단한 구조를 가진다.

패킷 스위칭의 문제점

• 과도한 혼잡(Congestion) 발생 가능성
  많은 사용자가 동시에 네트워크를 사용하면, 네트워크가 혼잡해져 패킷 지연 또는 손실이 발생할 수 있다.
• 이를 해결하기 위해서는 신뢰성 있는 데이터 전송과 혼잡 제어를 위한 프로토콜이 필요하다.
  예를 들어, TCP는 패킷 손실과 혼잡을 제어하는 데 중요한 역할을 한다.

패킷 스위칭에서 회선 교환과 같은 동작을 제공하는 방법은?

패킷 스위칭은 "회선처럼 동작하는 방법(Circuit-like behavior)"을 제공하는 것이 문제이다. 예를 들어, 오디오 및 비디오 애플리케이션에서는 고정된 대역폭을 필요로 하므로, 네트워크에서 이러한 대역폭 보장이 필요하다.
이러한 요구를 충족시키기 위한 솔루션은 아직 완전히 해결되지 않은 문제로 남아 있다.

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다음은 패킷 스위칭에서 발생하는 지연 계산에 대해 알아보자.