Access Network

❓어떻게 End System을 Edge Router에 연결할까?

• 주거용 Access Networks

  • 주택에서 사용되는 네트워크로, 일반적으로 개별 가정이 인터넷 서비스 제공 업체(ISP)와 계약을 통해 연결된다.

• 기관용 Access Networks

  • 학교, 회사와 같은 기관에서 사용되는 네트워크이다.
  • 보통 이러한 네트워크는 더 높은 대역폭과 보안 수준을 요구하며, 종종 전용 라인을 사용한다.

• 모바일 Access Networks

  • 셀룰러 타워를 통해 제공되는 무선 연결 네트워크
  • 사용자가 이동 중에도 인터넷에 접속할 수 있게 해준다.

📍대역폭 (Bandwidth):

• 액세스 네트워크의 대역폭은 초당 전송 가능한 비트 수를 말하며, 이는 네트워크의 데이터 전송 속도를 결정한다.

📍공유 or 전용:

• 대역폭이 공유되는 경우 여러 사용자가 동일한 리소스를 사용하므로 트래픽이 많은 시간에는 속도가 느려질 수 있다.
• 반면, 전용 대역폭은 하나의 사용자 또는 조직만이 사용하는 대역폭으로, 더 일관된 성능을 제공한다.

위 내용을 인지한 후에 Access Network에 대해 알아보자.

Access Network: Digital Subscriber Line (DSL)

DSL은 기존의 전화선을 사용하여 인터넷 서비스를 제공하는 방식으로, 주거지와 작은 사무실에서 널리 사용된다.

DSL 연결의 주요 구성 요소

• DSL Modem
  사용자의 컴퓨터와 전화선을 연결하여 디지털 데이터를 전송 및 수신할 수 있게 하는 장치

• Splitter
  데이터 신호와 음성 신호를 분리하여 인터넷 사용 중에도 전화를 사용할 수 있도록 한다.

• DSLAN (DSL Access Multiplexer)
  중앙 사무실에 위치하며, 여러 사용자의 데이터를 받아 인터넷 서비스 제공업체(ISP)로 라우팅한다.

DSL 연결의 특징

• 기존 전화선 사용
  이미 설치된 전화선을 통해 인터넷 서비스를 제공하므로 별도의 케이블 설치가 필요 없다.

  • 데이터는 Internet으로 전송
  • 음성은 Telephone Net으로 전송

• 주파수 분할
  음성과 데이터는 다른 주파수에서 전송되기 때문에 동시에 전화 사용과 인터넷 사용이 가능하다.

• 전송 속도

  • Upstream Transmission Rate: 보통 1Mbps 이하
  • Downstream Transmission Rate: 보통 10Mbps 이하

Access Network: Cable Network

케이블 네트워크의 구성 요소

• Cable Modem
  사용자의 컴퓨터나 기타 장비를 케이블 네트워크에 연결하는 장치

• Spliter
  데이터와 TV 신호를 분리하여 TV 시청과 인터넷 사용이 동시에 가능하게 한다.

• Cable Headend
  지역 내에서 케이블 서비스를 관리하고 조정하는 중심지로, 모든 데이터와 TV 신호가 이곳을 통해 분배된다.

• CMTS (Cable Modem Termination System)
  케이블 헤드엔드에 위치하며, 가정에서 보내오는 데이터를 수신하고 인터넷 서비스 제공 업체(ISP)로 데이터를 전송한다.

케이블 네트워크의 기술적 특징

• 주파수 분할 다중화 (Frequency Division Multiplexing)

  • 다양한 채널이 다른 주파수 대역에서 전송된다.
  • 이를 통해 데이터와 TV 신호가 동일한 케이블을 통해 동시에 전송될 수 있다.

• HFC (Hybrid Fiber Coax)

  • 광섬유와 동축케이블을 결합한 네트워크 구조
  • 고속의 데이터 전송과 광범위한 서비스 지역을 가능하게 한다.

• 대역폭

  • 케이블 네트워크는 통상적으로 최대 30Mbps의 하향 전송 속도(Downstream transmission rate)를 제공하며, 상향 전송 속도(Upstream transmission rate)는 2Mbps이다.

케이블 네트워크와 DSL 비교

• 케이블 네트워크는 다수의 가정이 동일한 케이블 네트워크에 연결되어 있으며, 네트워크의 대역폭을 공유한다.

  • 반면, DSL은 가정마다 중앙 사무실까지 전용 선을 사용한다.

• 케이블 네트워크는 일반적으로 DSL보다 높은 하향속도를 제공하지만, 사용자가 많은 시간대에는 속도 저하를 경험할 수 있다.

Access Network: Home Network

가정 네트워크는 여러 기기를 인터넷에 연결하는 데 사용된다.

주요 구성 요소

• 무선 기기 (Wireless Devices)

  • 스마트폰, 노트북, 태블릿 등
  • 무선으로 인터넷에 접속한다.

• 무선 액세스 포인트 (Wireless Access Point)

  • 무선 신호를 생성하여 무선 기기들이 네트워크에 접속할 수 있게 한다.
  • 종종 라우터와 결합되어 하나의 장치로 제공된다.

• 라우터, 방화벽, NAT (Router, Firewall, Network Address)

  • 인터넷 연결을 여러 기기에 분배
  • 네트워크 보안을 유지
  • 내부 네트워크와 외부 네트워크 간의 주소 변환을 관리

• 유선 이더넷 (Wired Ethernet)

  • 최대 1 Gbps의 속도로 유선 연결을 제공
  • 일반적으로 데스크탑 컴퓨터, 스마트 TV 등 고정된 장치에 사용

• 케이블 또는 DSL 모뎀 (Cable or DSL Modem)

  • 인터넷 서비스 제공 업체(ISP)의 중앙 사무소나 케이블 헤드엔드와 가정을 연결하는 장치

네트워크 작동 방식

• 무선 연결
  무선 액세스 포인트는 라우터에 연결되어 있으며, 무선 기기들이 네트워크에 접속할 수 있도록 2.4GHz 또는 5GHz 대역의 Wi-Fi 신호를 제공한다.

• 유선 연결
  유선 이더넷은 더 안정적이고 빠른 인터넷 접속을 제공한다. 일반적으로 게임 콘솔, 데스크탑 컴퓨터, 스트리밍 미디어 박스 등에 사용된다.

• 보안 기능
  방화벽과 NAT는 무단 접근을 방지하고, 사용자의 개인 정보와 데이터를 보호한다.

Enterprise Access Network

위 이미지는 기업 또는 기관에서 사용되는 이더넷 기반의 엔터프라이즈 액세스 네트워크의 구조를 보여준다.
이더넷은 IEEE 802.3 표준에 따라 구현되며, 다양한 기기의 네트워크 연결을 지원하는 데 널리 사용된다.

주요 구성 요소

• 이더넷 스위치 (Ethernet Switch)
  • 네트워크 내의 여러 장치들 사이에서 데이터 패킷을 전달하는 중앙 장치이다.
  • 이 스위치는 네트워크 트래픽을 관리하고, 각 장치에 적절한 대역폭을 할당하는 역할을 한다.

💡이더넷(Ethernet)이란?

• 지역 네트워크(LAN)에서 가장 널리 사용되는 기술이다.

• 기관 라우터 (Institutional Router)

  • 네트워크와 외부 인터넷 서비스 제공 업체(ISP) 간의 연결을 관리한다.
  • 기관 내부 네트워크의 출입구 역할을 하며, 외부 네트워크로의 데이터 전송을 가능하게 한다.

• 기관 메일 및 웹 서버 (Institutional Mail and Web Servers)

  • 이러한 서버는 기관 내에서 이메일과 웹 서비스를 호스팅한다.
  • 이를 통해 내부 커뮤니케이션과 정보의 배포가 수월해진다.

특징

• 전송 속도

  • 엔터프라이즈 네트워크는 다양한 속도로 구성될 수 있으며, 일반적으로 10Mbps에서 10Gbps까지의 전송률을 지원한다.
  • 이는 기관의 요구와 규모에 따라 달라질 수 있다.

• 유연성과 확장성

  • 이더넷 스위치를 사용함으로써, 네트워크는 새로운 장치가 추가되거나 기존 장치가 업그레이드 될 때 쉽게 조정할 수 있다.
  • 이는 기업 환경에서 효율적인 자원 관리를 가능하게 한다.

• 보안

  • 기관 라우터를 통한 관리 및 접근 제어는 네트워크 보안을 강화한다.
  • 또한, 내부적으로 관리되는 메일과 웹 서버는 데이터 보호 및 개인 정보 보호에 중요한 역할을 한다.

Wireless access networks

무선 LAN (Wireless LANs)

• 주로 건물 내부에서 사용되며, 범위는 대략 30미터이다.

• 802.11b/g/n 등의 WiFi 표준을 사용한다.

  • 802.11b : 최대 11 Mbps
  • 802.11g : 최대 54 Mbps
  • 802.11n : 최대 450 Mbps

• 무선 액세스 포인트(기지국)을 통해 다양한 무선 기기들이 라우터에 연결되어 인터넷에 접속한다.

광역 무선 액세스 (Wide-Area Wireless Access)

• 통신사(셀룰러 운영자)가 제공하며, 수십 킬로미터의 범위를 커버할 수 있다.

• 일반적으로 1에서 10 Mbps 사이의 속도를 제공한다.

• 3G, 4G/LTE, 5G 등의 셀룰러 네트워크 기술을 사용하며, 각 기술 세대는 속도와 연결 안정성에서 차이를 보인다.

💡무선 LAN

• 사무실, 학교, 가정 등 제한된 공간 내에서 빠르고 효율적인 무선 연결을 제공한다.

💡광역 무선 액세스

• 넓은 지역을 이동하면서도 연결을 유지해야 할 때 유용하다.
• 예를 들어, 이동 중인 차량, 기차 또는 다른 공공 장소에서의 인터넷 접속에 적합하다.

Host: 데이터 패킷 전송

Host의 데이터 전송 기능

• 애플리케이션 메시지 처리:
  호스트는 애플리케이션(웹 브라우저, 이메일 클라이언트 등)에서 생성된 메시지를 받는다.

• 데이터 패킷으로 분할:
  이 메시지를 더 작은 청크, 즉 데이터 패킷으로 나눈다. 각 패킷은 L 비트 길이를 가진다.

• 패킷 전송:
  이 패킷들은 액세스 네트워크를 통해 전송된다. 패킷의 전송 속도는 R 비트/초 이다.

패킷 전송 지연

패킷 하나를 네트워크 링크로 전송하는 데 필요한 시간이다.
이는 패킷 길이 L을 링크의 전송 속도 R로 나누어 계산할 수 있다.

패킷 전송 지연 = L-bit 패킷을 링크로 전송하는 데 걸리는 시간 = $\frac{L(bits)}{R(bits/sec)}$

link transmission rate = link capacity = link bandwidth

Physical Media

물리적 매체는 데이터 신호를 전송하는 매체로, 유도 매체(guided media)와 비유도 매체(unguided media)로 나뉜다.

• Bits:
  송신기와 수신기 사이에서 전파되는 데이터의 최소 단위

• Physical link:
  송신기와 수신기 사이에 놓인 매체

• Guided Media:

  • 신호가 고체 매체를 통해 전파된다.

  • 이 매체에는 구리, 광섬유, 동축케이블이 포함된다.

  • 예: Twisted Pair(TP)은 구리선을 사용하며, 이 케이블의 종류에 따라 다양한 속도를 지원한다.

    • TP는 두 개의 절연된 구리선을 서로 꼬아 만든다. 이 구조는 전자기 간섭을 최소화하고, 신호의 왜곡과 손실을 줄이는데 도움을 준다.
    • Category 5: 최대 100 Mbps와 1 Gbps 이더넷 지원
    • Category 6: 10 Gbps 지원

  • 일반적으로 사무실 건물, 데이터 센터 등에서 네트워크를 구축할 때 사용된다.

  • 또한, 통신 회사가 광섬유를 통한 초고속 인터넷 서비스를 제공할 때도 사용된다.

• Unguided Media

  • 신호가 자유롭게 전파된다.

  • 주로 무선 통신에서 사용된다.

  • 예: 라디오 신호

  • 모바일 통신과 방송 서비스 제공에 주로 사용된다.

Physical Media: Coax

• 구조: 동축 케이블(Coaxial cable)은 두 개의 동심원 구리 도체로 구성되어 있다.

• 양방향성: 데이터를 양방향으로 전송할 수 있다.

• 광대역: 케이블 하나에 여러 채널을 사용할 수 있어 여러 데이터 스트림을 동시에 전송할 수 있다.

• 주로 케이블 TV, 인터넷 서비스 및 기타 네트워크 연결에 사용된다.
  비교적 저렴하고 설치가 간단하다.

Physical Media: Fiber

• 재료: 광섬유는 빛 펄스(pulse)를 전송하는데 사용되는 유리 섬유로 구성되어 있으며, 각 펄스는 데이터 비트를 나타낸다.

• 고속 운영: 점대점(point-to-point) 고속 전송이 가능하며, 전송 속도는 수십 Gbps에서 수백 Gbps에 이른다.

• 낮은 오류율: 광섬유는 저자기 간섭에 강하며, 반복기(repeaters)가 멀리 떨어져 있어도 안정적인 데이터 전송이 가능하다.

• 고용량 및 장거리 통신에 주로 사용된다. 데이터 센터, 대규모 기업 네트워크, 통신 인프라 등에서 선호된다.

Physical Media: Radio

무선 통신의 특징

• 신호 전달: 전자기 스펙트럼을 통해 신호를 전송한다.

• 물리적 '선' 없음: 무선 통신은 물리적인 선 없이 공간을 통해 신호를 전송한다.

• 양방향 통신: 데이터를 양방향으로 전송할 수 있다.

전파 환경의 영향

• 반사(Reflection): 신호가 구조물이나 다른 물체에 의해 반사되어 전파 경로가 변경될 수 있다.

• 차단(Obstruction): 물체에 의해 신호가 차단될 수 있다.

• 간섭(Interference): 다른 신호원으로부터의 간섭이 신호 전달에 영향을 줄 수 있다.

무선 링크 유형

• 지상 마이크로파 (Terrestrial Microwave)

  • 최대 45 Mbps의 채널

• LAN (예: WiFi)

  • 54 Mbps의 속도

• 광역망 (예: 셀룰러)

  • 4G 셀룰러: 약 10 Mbps

• 위성 (Satellite)

  • 채널 당 수 Kbps부터 45 Mbps까지, 또는 여러 개의 더 작은 채널로 구성될 수 있다.
  • 270 밀리초의 종단 간 지연
  • 정지 궤도 대비 저고도 궤도

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Summary

Access Network

• DSL

  • 기존의 전화선을 사용하여 인터넷에 접속한다.

  • 음성과 데이터가 서로 다른 주파수를 이용하기 때문에 동시에 사용할 수 있다.

  • 하나의 가정은 전용 선은 사용하여 중앙 사무실까지 연결된다.

• Cable Network

  • 다양한 채널이 다양한 주파수 대역에서 전송되어, 인터넷과 TV 시청이 동시에 가능하다. (= 주파수 분할 다중화, Frequency Division Multiplexing)

  • Hybrid Fiber Coax: 광섬유와 동축케이블을 결합한 네트워크 구조로, 고속의 데이터 전송과 광범위한 서비스 지역을 형성할 수 있다.

  • 다수의 가정이 동일한 케이블 네트워크에 연결되어 있으며, 대역폭을 공유한다.

• Home Access Network

  • Wireless Access Point를 통해 무선 기기들이 연결된다.

  • 유선 이더넷을 통해 데스크탑, TV 등이 연결된다.

  • 케이블 또는 DSL 모뎀을 사용하여 인터넷 서비스 제공 업체(ISP)와 연결된다.

• Wireless Access Network

  • 무선 LAN은 주로 건물 내부에서 사용된다.

  • Wireless access point(기지국)를 통해 다양한 무선 기기들이 라우터에 연결되어 인터넷에 접속한다.

• Enterprise Access Network

  • 주로 이더넷 스위치를 사용하여 유연성과 확장성이 높다.

  • 기관 라우터를 사용하여 네트워크 보안을 강화한다.

• Wide-Area Wireless Access

  • 통신사(셀룰러 운영자)가 제공하며, 수십 킬로미터의 범위를 커버할 수 있다.

  • 이동 중에 사용할 수 있다.

Packet Transmission Delay

• 호스트는 애플리케이션으로부터 받은 메시지를 데이터 패킷으로 나누어 전송한다.

• 이때, 패킷의 길이 L-bit와 전송 속도 R bit/sec 에 따라 L/R 만큼 지연이 발생한다.

Physical Media

• 유도 매체: Coax, Fiber 등

  • 신호가 고체 매체를 통해 전파된다.

• 비유도 매체: Radio 등

  • 신호가 자유롭게 전파된다.

  • 전파 환경에 의해 반사, 차단, 간섭 등이 일어날 수 있다.

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지금까지 Network Edge에 대해 알아보았다.
다음은 라우터나 스위치 등 Network Core에 대해 알아보자.