1. 컴퓨터 네트워크와 인터넷
'컴퓨터 네트워킹: 하향식 접근'이라는 책을 가지고 공부를 해볼까 한다.
https://book.naver.com/bookdb/book_detail.naver?bid=12500834
이 책의 목적은 컴퓨터 네트워킹의 역동적 분야에 대한 현대적 개요를 제공하는 것이다. 즉, 독자들에게 현재의 네트워크뿐만 아니라 미래의 네트워크를 이해하는 데 필요한 원리와 실제에 대해 제공하는 것이 목표인 것이다.
첫 번째 장은 컴퓨터 네트워킹과 인터넷의 개요를 제시한다.
1.1 인터넷이란 무엇인가?
인터넷이란 무엇인가? 이 질문에 답하기 위한 두 가지 방법이 있다.
- 인터넷의 구성요소를 기술
- 분산 애플리케이션에 서비스를 제공하는 네트워킹 인프라 구조 관점에서 기술
1.1.1 구성요소로 본 인터넷
인터넷은 전 세계적으로 수입억 개의 컴퓨팅 장치를 연결하는 컴퓨터 네트워크이다. 얼마 전만 해도 이들 컴퓨팅 장치는 주로 데스크톱 PC, 웹 페이지와 전자메일 같은 소위 말하는 서버들이었다. 그러나, 비 전통적인 인터넷 "사물들"이 인터넷에 연결되고 있다.
이들 모든 장치는 호스트 혹은 종단 시스템(end system) 이라고 부른다. 종단 시스템은 통신 링크(communication link) 와 패킷 스위치(packet switch)의 네트워크로 연결된다.
이들 링크는 동축케이블, 구리선, 광케이블을 포함한 다양한 물리 매체(physical media)로 구성된다. 이때 각각 링크들은 다양한 전송률(transmission rate)을 이용하여 데이터를 전송하며, 전송률은 초당 비트 수를 의미하는 bps 단위를 사용한다.
한 종단 시스템이 다른 종단 시스템으로 보낼 데이터를 가지고 있을 때, 송신 종단 시스템은 그 데이터를 세그먼트(segment)로 나누고 각 세그먼트에 헤더(header)를 붙인다.
이렇게 만들어진 정보 패키지는 컴퓨터 네트워크에서 패킷(packet) 이라고 부른다. 패킷은 목적지 종단 시스템으로 네트워크를 통해 보내지고, 목적지에서 원래의 데이터로 다시 조립된다.
패킷 교환기(또는 스위치)는 입력 토신 링크의 하나로 도착하는 패킷을 받아서 출력 통신 링크의 하나로 그 패킷을 전달한다. 패킷 스위치는 많은 형태와 특징이 있는데, 오늘날의 인터넷에서 가장 널리 사용되는 두 가지 종류로는 라우터(router)와 링크 계층 스위치(link-layer switch)가 있다.
링크 계층 스위치는 보통 엑세스 네트워크에서 사용되고, 라우터는 네트워크 코어에서 사용된다. 패킷이 송신 종단 시스템에서 수신 종단 시스템에 도달하는 동안 거쳐 온 일련의 통신 링크와 패킷 스위치들의 네트워크상의 경로(path) 라고 한다.
패킷 교환 네트워크는 여러 가지 면어서 운송수단을 전송하는 수송 네트워크와 유사하다. 여러 면에서 패킷은 트럭과 유사하고, 통신 링크는 고속도로 또는 도로와 유사하며, 패킷 교환기는 교차로와 유사하다. 마지막으로 종단 시스템은 빌딩과 유사하다.
종단 시스템은 ISP(Internet Service Provider)를 통해서 인터넷에 접속한다. 각 IPS는 패킷 스위치와 통신 링크로 이루어진 네트워크이다. ISP는 종단 시스템에게 다양한 네트워크 접속을 제공하며 네이퉈크와 비디오 서버를 인터넷에 직접 연결하도록 CP(Content Provider)에게 인터넷 접속을 제공한다.
인터넷은 종단 시스템을 서로 연결하는 것이므로 종단 시스템에 접속을 제공하는 ISP 들도 서로 연결되어야만 한다. 상위 계층 ISP는 광 링크로 연결된 고속 라우터로 구성된다. 상위 계층이든 하위 계층이든 각 ISP 네트워크는 따로 관리되고, IP 프로토콜을 수행한다.
종단 시스템, 패킷 스위치, 인터넷의 다른 구성요소는 인터넷에서 정보 송수신을 제어하는 여러 프로토콜(protocol)을 수행한다. 특히 TCP(Transmission Control Protocol)와 IP(Internet Protocol)는 인터넷에서 가장 중요한 프로토콜이다. 이러한 인터넷의 주요 프로토콜을 통칭하여 TCP/IP라고 한다.
1.1.2 서비스 측면에서 본 인터넷
애플리케이션에 서비스를 제공하는 인프라 구조로서 인터넷을 기술할 수 있다. 이들 애플리케이션은 서로 데이터를 교환하는 많은 종단 시스템을 포함하고 있기 때문에 분산 애플리케이션(distributed application) 이라고 부른다. 중요한 것은 인터넷 애플리케이션은 종단 시스템에서 수행된다. 이들은 네트워크 코어에 있는 패킷 교환기에서 수행되지 않는다. 패킷 교환기들은 데이터의 시작과 끝인 애플리케이션에는 관심을 갖지 않는다.
애플리케이션은 종단 시스템에서 수행되기 때문에 종단 시스템에서 수행되는 프로그램을 개발해야 할 것이다. 하지만 분산 인터넷 애플리케이션은 다른 종단 시스템에서 수행되는 그 프로그램은 서로 다른 데이터를 송신해야 한다. 인터넷에 접속된 종단 시스템들은 다른 종단 시스템에서 수행되는 특정 목적지 프로그램에서 데이터를 전달하도록 요구하는지를 명시하는 소켓 인터페이스(soket interface)을 제공한다.
소켓 인터페이스(soket interface)는 송신 프로그램이 따라야 하는 규칙의 집합이며 인터넷은 이 규칙에 따라 데이터를 목적지 프로그램으로 전달하게 된다. 인터넷 또한 송신 프로그램이 데이터를 목적지 프로그램에게 전달할 수 있도록 따라야 하는 소켓 인터페이스를 가지고 있다.
1.1.3 프로토콜이란 무엇인가?
프로토콜을 이해하기 위해 사람의 의사소통 과정을 비유해 설명해보겠다. 사람의 프로토콜에서는 상대방과 의사소통하기 위해 먼저 인사를 한다. 그 "안녕" 에 대한 일반 응답은 역시 "안녕" 메시지이다. 임시적으로, 처음 인사를 건넨 사람은 상대방의 "안녕" 응답을 통해 상대방이 자신과 대화할 의사가 있다고 판단한다. 하지만 부정적인 반응이 나온다면 상대방이 의사소통을 거부하거나 대화할 수 없음을 나타낸다고 볼 수 있다.
사람 프로토콜에서, 우리가 보내는 특정한 메시지가 있고, 수신된 응답 메시지 혹은 다른 상황에 대응해서 취학는 특정 행동이 있다. 사람이 다른 프로토콜을 수행한다면, 그 프로토콜은 상호작용할 수 없으며 원하는 작업을 수행할 수 없다. 네트워킹도 이와 마찬가지다. 즉, 어떤 일을 수행하려면 둘 이상의 통신 개체(entity)가 함께 인식하는 프로토콜이 필요하다.
네트워크 프로토콜은 사람 간의 프로토콜과 매우 비슷하다. 통신하는 둘 이상의 원격 개체가 포함된 인터넷에서의 모든 활동은 프로토콜이 제어한다. 컴퓨터 네트워크 프로토콜의 예를 한번 보자. 웹브라우저에서 웹 페이지의 URL 을 입력하면 컴퓨터가 연결 요청 메시지를 웹 서버에 보내고 응답을 기다린다. 웹 서버는 연결 요청 메시지를 받고, 연결 응답 메시지를 사용자에게 보낸다. 이제 웹 문서를 요청해도 좋다는 것을 확인하고, 컴퓨터는 웹 서버에서 얻으려는 웹 헤이지의 이름을 GET 메시지에 넣어서 보낸다. 마지막으로, 웹 서버는 사용자의 컴퓨터로 웹 페이지 내용을 전송한다.
1.2 네트워크의 가장자리
종단 시스템은 애플리케이션을 수행하므로 호스트라고도 부른다. 즉, 호스트 = 종단시스템이다. 호스트는 때때로 클라이언트(client)와 서버(server)로 구분된다. 비공식적으로 클라이언트는 데스크탑, 모바일 PC, 스마트폰 등을 의미한다.
1.2.1 접속 네트워크
오늘날 두 가지 가장 널리 보급된 광대역 가정 접속 유형은 DSL(digital sub-scriber line)과 케이블이다. 일반적으로 가정은 유선 로컬 전화 서비스를 제공하는 같은 지역 전화 회사(telco)로부터 DSL 인터넷 접속 서비스를 받는다. 따라서 DSL 을 사용할 때, 고객의 텔코가 ISP도 된다. 각 고객의 DSL 모뎀은 텔코의 지역 중앙국에 위치한 DSLAM을 이용한다. 가정의 DSL 모뎀인 디지털 데이터를 받아서 전화선을 통해 CO로 전송하기 위해 고주파 신호로 변환한다. 여러 가정으로부터의 아날로그 신호는 DSLAM 에서 디지털 포멧으로 다시 변환된다.
고객 쪽에 있는 스플리터는 가정에 도착하는 데이터와 전화 신호를 분리하고 데이터 신호를 DSL 모뎀으로 전송한다. 텔코 쪽의 CO에 있는 DSLAM은 데이터와 전화 신호를 분리하고 데이터를 인터넷으로 송신한다. 수백 혹은 수천 개의 가정들이 하나의 DSLAM에 연결된다.
DSL 표준은 12 Mbps 다운스트림과 1.8 Mbps 업스트림, 그리고 55 Mbps 다운스트림과 15 Mbps 업스틤의 다중 전송속도를 정의한다. 왜냐하면 DSL 제공자가 계층 서비스를 제공하는 경우 가정의 전송속도를 의도적으로 제한할 수 있기 때문이다. 또한 최대 전송속도가 가정과 CO 간의 거리, 꼬임쌍선의 규격, 전기적 간섭 정도에 따라 제한될 수 있기 때문이다. 일반적으로 가정이 CO로부터 8 ~ 16 km 내에 있지 않으면 가정은 다른 유형의 인터넷 접속을 고려해야 한다.
케이블 인터넷 접속은 케이블 TV 회사의 기존 케이블 TV 기반구조를 이용한다. 가정은 케이블 TV 서비스를 제공하는 같은 회사로부터 인터넷 접속 서비스를 받는다. 광케이블은 케이블 헤드엔드(head end)를 이웃 레벨 정션(junction)에 연결하며, 개별 가정과 아파트에 도달하는 데 전통적인 동축케이블이 사용된다. 각 이웃 정션은 보통 500 ~ 5,000 가정을 지원한다. 광케이블과 동축케이블 모두 이 시스템에서 채택하고 있기 때문에 흔히 HFC(hybrid fiber coax)라고 부른다.
케이블 인터넷 접속은 케이블 모뎀이라고 하는 특별한 모뎀이 필요하다. 케이블 모뎀은 보통 외장형 장치이고 이더넷 포트를 통해서 가정 PC에 연결된다. 케이블 헤드엔드에서 CMTS(cable modem termination system)는 DSL 네트워크의 DSLAM 과 유사한 기능을 제공한다.
송신된 아날로그 신호를 다시 디지털 포맷으로 변환하다. 케이블 모뎀은 HFC 네트워크를 2개의 채널, 다운스트림과 업스트림 채널로 나눈다. DSL 에서와 마찬가지로 접속은 비대칭이며, 보통 다운스트림 채널이 업스트림 채널보다 빠른 전송속도가 할당된다.
케이블 인터넷의 한 가지 중요한 특성은 공유 방송 매체라는 것이다. 여러 사용자가 다운스트림 채널에서 다른 비디오 파일을 동시에 수신하고 있다면, 각 사용자가 비디오 파일을 수신하는 실제 수신율은 다운스트림 전송률보다 상당히 작아진다. 반면에, 단지 몇 명만 접속하고 그들 모두가 웹을 탐색 중이라면 각 사용자는 전체 다운스트림 전송률로 웹 페이지를 수신할 수도 있다.
빠른 속도를 제공하는 미래 기술은 FTTH(fiberto the home) 구축이다. CO로부터 가정까지 직접 광섬유 경로를 제공한다. 각 가정으로 CO에서 하나의 광섬유를 제공하는데 다이렉트 광섬유(direct fiber)라고 한다. 가정에 가까운 곳까지 하나의 광섬유로 와서 이곳에서 고객별 광섬유로 분리된다. 이러한 스플리팅(splitting)을 수행하는 두 가지 경쟁적인 광신호 분배 네트워크 구조가 있다. AON(active optical network)과 PON(pas-sive optical network)이다.
FTTH는 Gbps 범위의 인터넷 접속속도를 제공할 수 있다. 그러나 대부분의 FTTH ISP는 서로 다른 전송속도를 제공하며, 빠른 속도일수록 비용이 많이 든다. DSL, 케이블, 그리고 FTTH가 가용하지 않은 곳에서(예: 시골지역), 1 Mbps 이상의 속도로 가정에 인터넷접속을 제공하기 위해 위성 링크를 사용할 수 있다.
가정 환경에서 LAN은 일반적으로 종단 시스템을 가장자리 라우터에 연결하기 위해 사용된다. 여러 유형의 LAN 기술이 있지만 이더넷 기술이 가장 널리 사용되는 접속 기술이다. 이더넷은 이더넷 스위치에 연결하기 위해 꼬임쌍선을 이용한다. 이더넷 스위치 혹은 상호연결된 스위치들의 네트워크는 이제 다시 더 큰 인터넷으로 연결된다.
점차적으로 사람들은 "사물들"에서 무선으로 접속하고 있다. 기업 네트워크에 연결된 AP로 패킷을 송신/수신하고, 이 AP는 유선 네트워크에 다시 연결된다. 무선 LAN 사용자들은 일반적으로 AP의 수십 미터 변경 내에 있어야 한다.
1.2.2 물리 매체
HFC는 광섬유 케이블과 동축케이블을 병합해서 사용하고, DSL과 이더넷은 동선(copper wire)을 사용한다. 한 종단 시스템에서 여러 링크와 라우터를 거쳐 다른 종단 시스템으로 한 비트가 전달되는 것을 생각해 보자. 이 비트는 여러 번에 걸쳐 전송된다. 따라서 비트가 출발지에서 목적지로 전달될 때, 일련의 송신기-수신기 쌍을 거친다.
각 송신기-수신기 쌍에 대해, 이 비트는 물리 매체(physical media)상에 전자파나 광 펄스를 전파하여 전송한다. 꼬임쌍선, 동축케이블, 다중모드 광섬유 케이들 등이 물리 매체의 예이다. 물리 매체는 두 부류, 유도 매체(guided media)와 비유도 매체(unguided media)로 나눌 수 있다. 유도 매체는 광섬유 케이블, 꼬임쌍선 혹은 동축케이블 같은 견고한 매체를 따라 파형을 유도한다. 비유도 매체는 무선 LAN 혹은 디지털 위성채널의 경우처럼 대기와 야외 공간으로 파형을 전파한다.
- 꼬임쌍선
가장 싸고 가장 많이 이용하는 전송 매체가 꼬임쌍선이다. 이 선은 100년 넘게 전화망에서 이용하였다. 이웃하는 쌍들 간에 전기 간섭을 줄이기 위해 선들이 꼬여 있다. 일반적으로 여러 쌍이 보호물에 싸여 한 케이블 안에 함께 묶여 있다. 이러한 한 쌍의 선이 하나의 통신 링크를 구성한다. UTP(unshielded twisted pair)는 빌딩의 컴퓨터 네트워크, 즉 LAN에 가장 많이 이용하는 매체이다. 오늘날 꼬임쌍선을 이용하는 랜의 데이터 전송률은 10Mbps 에서 10Gbps에 이른다.
- 동축케이블
꼬임쌍선처럼 동축케이블은 2개의 구리선으로 되어 있으나 두 구리선이 평행하지 않고 동심원형태를 이루고 있다. 동축케이블은 꼬임쌍선보다 더 높은 데이터 전송률을 얻을 수 있다. 동축 케이블은 케이블 TV 시스템에 흔히 사용된다. 동축케이블은 유도 공유 메체(shared medium)로 사용할 수 있다.
- 광섬유
광섬유는 비트를 나타내는 빛의 파동을 전하는 가늘고 유연한 매체다. 광섬유는 광역 유도 전숭 매체로 널리 아용하는데, 해저 링크에 광섬유를 이용한다. 하지만 장비는 고가이므로 랜이나 가정처럼 근거리 전송에는 이용하기가 어렵다.
- 지상 라디오 채널
라디오 채널은 전자기 스펙트럼으로 신호를 전달한다. 라디오 채널의 특성은 전파 환경과 신호가 전달되는 거리에 많은 영향을 받는다는 점이다.
- 위성 라디오 채널
통신 위성은 지상 스테이션이라는 둘 이상의 지상기반 마이크로파 송신기/수신기를 연결한다. 즉 정지위성과 저궤도 위성이 이용된다. 정지 위성은 지구 위 일정 위치에 영원히 머물고, 저궤도 위성은 지구에 가깝게 위치하고 지구 위 한 곳에 고정되지 않는다. 이것들은 달이 지구를 돌듯이 회전하며 지상구뿐만 아니라 서로 통신할 수 있다.
