01. 교환 시스템
교환 시스템은 데이터를 최종 목적지까지 올바른 경로로 중개하는 교환기능을 제공한다.
연결형 서비스를 제공하는 회선 교환 방식은 음성 전화 서비스를 통해 발전했으며, 고정 대역폭의 전송률을 지원하므로 네트워크의 구조가 상대적으로 단순하다. 반면에 비연결형 서비스를 제공하는 패킷 교환 방식은 컴퓨터 네트워크를 통해 발전했으며, 가변 대역의 전송률을 지원해 네트워크 구조가 복잡하다.
회선교환 방식은 고정 대역으로 할당된 연결을 설정하여 데이터 전송을 시작한다. 따라서 회선에 할당된 고정 크기의 안정적인 전송률로 데이터를 전송할 수 있으며, 연결이 유지되는 동안에는 다른 연결에서 이 대역을 사용할 수 없다. 데이터의 전송 경로가 연결 설정 과정에서 확정되므로 라우팅 등의 작업이 상대적으로 쉽다.
패킷교환 방식은 컴퓨터 네트워크 환경에서 주로 이용한다. 데이터를 미리 패킷 단위로 나누어 전송하므로 패킷을 기준으로 교환 작업이 이루어진다. 패킷 교환 방식은 데이터 전송을 위한 전용 대역을 따로 할당하지 않기 때문에 가변 크기의 전송률을 지원한다. 패킷 교환에는 모든 패킷 경로를 일정하게 유지시키는 가상 회선 방식과 패킷들이 각각의 경로로 전송되는 데이터그램 방식이 있다.
1. 교환 시스템의 종류
전용 회선 방식에서는 송신 호스트와 수신 호스트가 전용으로 할당된 통신 선로로 데이터를 전송하지만, 교환 회선 방식에서는 전송 선로 하나를 다수의 사용자가 공유한다.
교환 회선 방식을 이용해 데이터를 주고받으려면 중간에 위치한 교환 시스템의 중개가 필요하다. 어떤 경로가 더 나을지는 전송 시점에서의 네트워크 혼잡도 등 여러 요인에 따라 달라진다. 특정 전송 선로에 데이터가 집중되지 않으면서 효율적인 경로를 선택할 수 있도록 하는 것이 교환기의 중요한 역할이다.
교환 회선을 이용하는 방식은 논리적 연결 설정 유무에 따라 크게 두 가지로 구분된다.
(1) propagation delay(전파 지연): A와 B 사이의 거리에 비례. 거리가 멀면 도착하는데 오래 걸림.
(2) queueing delay(대기 지연, processing delay): 라우팅 처리 시간, 이미 다른 메세지나 패킷을 처리하고 있을 때 기다리는 시간(혼잡도에 비례)
(3) transmission delay(전송 지연): 전송매체에 보내는 시간, Message 양에 비례
1.1 회선 교환
통신하고자 하는 호스트가 데이터를 전송하기 전에 연결 경로를 미리 설정하는 방식이다. 따라서 별도의 주소가 필요없으며, 연결 설정 과정에서 송수신 호스트 간의 경로가 결정되기 때문에 모든 데이터가 같은 경로로 전달된다. 회선 교환 방식은 고정 대역의 논리적인 전송 선로를 전용으로 할당받으므로, 안정적인 데이터 전송률을 지원한다.
1.2 메시지 교환
데이터를 전송하기 전에 경로를 미리 설정하기 않고, 전송하는 메시지의 헤더마다 목적지 주소를 표시하는 방식이다.
1.3 패킷 교환
송신 호스트는 전송할 데이터를 패킷이라는 일정 크기로 나누어 전송하며, 각 패킥은 독립적으로 라우팅 과정을 거쳐 목적지에 도착한다. -> parallel하게 전달하여 빠르게 전달가능
그러나 패킷의 크기를 무한정 작게 만들 수 없다. -> 패킷마다 앞에 header가 붙기 때문
- 전송 대역의 효율적 이용: 전송 대역을 공유하기 때문에 전송 선로의 이용 효율을 극대화할 수 있다.
- 호스드의 무제한 수용: 전송 대역이 부족해 연결 설정 요청을 수용하지 못하는 경우는 없다. 임의의 연결 요청에 고정 대역을 할당하지 않으므로, 이론상 호스트를 무한히 수용할 수 있다. 전송 대역을 사용하는 호스트의 수가 늘면 네트워크 혼잡도가 높아져 패킷의 전송 지연이 심화될 뿐이다.
- 패킷에 우선순위 부여: 패킷 교환 방식을 이용하면 데이터의 전송 작업이 패킷 단위로 이루어져 패킷에 우선순위를 부여하기 편리하다.
패킷을 전송하는 과정에서 회선 교환 방식에 비해 더 많은 지연이 발생한다. 예를 들어, 전송 패킷을 라우터의 내부 버퍼에 보관하는 과정에서 지연이 생기고, 기타 여러 종류의 대기 큐를 거치는 과정에서 가변 지연이 발생할 수 있다. 또한 각각의 전송 패킷이 독립적인 경로로 전달되므로, 패킷마다 전송에 걸리는 시간이 일정하지 않을 수 있다. 따라서 전체 데이터의 전송 지연 시간을 가장 늦게 패킷의 전송 지연에 영향을 받는다. 각 패킷별로 지연되는 정도를 나타내는 지연 분포의 형태도 가변적일 수 밖에 없는데, 이런 가변적인 전송 지연의 분포를 지터라고 한다.
패킷 경로를 선택하는 방식은 정적 경로와 동적 경로가 있다.
2. 패킷 교환
2.1 가상 회선
연결형 서비스를 지원하기 위한 기능으로, 데이터를 패킷 단위로 나누어 전송하지만 송수신 호스트 사이에 가상 연결을 설정하므로 모든 패킷의 전달 경로가 동일하다. 따라서 이러한 방식에서는 패킷의 도착 순서가 뒤바뀔 수 없다.
가상 회선 방식이 회선 교환 방식과 비슷하다. 그러나 가상 회선 방식은 패킷 교환 방식을 기반으로 하기 때문에 데이터의 전송 단위가 패킷 단위로 이루어지는 반면에 회선 교환 방식은 패킷 기능을 지원하지 않는다. 이는 두 교환 방식을 구분하는 중요한 차이점이다.
2.2 데이터그램
비연결형 서비스를 이용해 패킷을 독립적으로 전송하는 것을 데이터그램방식이라 한다.
전송되는 패킷들이 독립적인 경로로 전달된다. 일반적으로 데이터그램 방식은 전송할 정보의 양이 적거나 상대적으로 신뢰성이 중요하지 않은 환경에서 사용된다.
송신 흐스트가 전송한 패킷은 출발한 순서와 무관하게 수신 호스트에 도착할 수 있다. 각 전송 경로의 속도는 네트워크 혼잡도에 따라 가변적이다.
02. LAN, MAN, WAN
1. LAN
소규모 지역에 위치하는 호스트로 구성된 네트워크이다. LAN은 MAN이나 WAN 환경보다 호스트 간의 간격이 가깝기 때문에 데이터를 브로드캐스팅 방식으로 전송한다.
1.1 버스형
공유 버스 하나에 여러 호스트를 직접 연결한다. 한 호스트가 전송한 데이터를 네트워크에 연결된 모든 호스트에 전송하므로, 브로드캐스팅 방식이다.
버스형에서는 전송 데이터가 모든 호스트에 전송되므로, 라우팅 기능이 따로 필요 없다. 각 호스트를 구분하는 호스트 주소를 사용하고, 전송 데이터에는 송수신 호스트의 주소를 표기한다.
둘 이상의 호스트에서 데이터를 동시에 전송하려고 하면 공유 버스에서 데이터 충돌이 발생한다. 해결방법에는 사전 해결 방식과 사후 해결 방식이 있다. 이더넷은 충돌이 발생하는 것을 허용하는 대신, 충돌 후에 문제를 해결하는 사후 해결 방식이다.
1.2 링형
전송 호스트의 연결이 순환 구조인 링 형태이다. 데이터는 시계나 반시계 방향으로 전송되며, 특정 호스트에서 전송한 데이터는 반드시 링을 한 바퀴 돌아 송신 호스트로 되돌아온다. 따라서 네트워크에 연결된 모든 호스트가 전송 데이터를 수신하는 브로드캐스팅 방식을 지원한다. 데이터를 송신한 호스트는 자신에게 되돌아온 데이터를 네트워크에서 회수할 책임이 있다.
토큰이라는 제어 프레임을 사용해 충돌 가능성을 차단한다. 데이터를 전송할 호스트는 전송용 토큰을 확보해야 한다. 네트워크는 토큰이 하나만 존재하도록 설계되므로, 특정 시간에 데이터를 전송할 수 있는 호스트는 하나뿐이다. 따라서 호스트 사이에 충돌이 발생할 가능성을 미리 차단할 수 있다. 토큰은 네트워크에 연결된 호스트를 모두 순환하도록 설계되었기 때문에 모든 호스트가 동등한 전송 기회를 갖는다.
2. MAN
LAN보다 큰 지역을 지원한다. DQDB 구조를 지원한다. 두 개의 단방향 선로가 존재하며, 이 전송 선로를 통해 모든 호스트가 연결된다.
3. WAN
국가 이상의 넓은 지역을 지원하는 네트워크 구조이다. LAN과 WAN의 구성에서는 전송 호스트가 공유 버스를 이용한 브로드캐스팅을 지원하기 때문에 교환의 개념이 필요없다. 그러나 점대점으로 연결된 WAN 환경에서는 전송과 더불어 교환 기능이 반드시 필요하다.
WAN에서는 호스트 사이의 거리가 멀기 때문에 연결의 수가 증가할수록 전송 매체를 많이 사용하므로 비용이 많이 든다.
03. 인터네트워킹
둘 이상의 서로 다른 네트워크를 연결하는 기능을 인터네트워킹이라고 한다.
두 개의 네트워크를 연결하는 장비는 역할이 어느 계층에 속하느냐에 따라 종류가 달라진다. 일반적으로 물리 계층, 데이터 링크 계층, 네트워크 계층의 기능을 수행하며, 특별히 네트워크 계층까지의 기능을 수행하는 장비는 라우터이다.
게이트웨이: 일반적인 용어
- 리피터: 계층 1 기능을 지원, 비트 신호를 증폭
- 브리지: 계층 2 기능을 지원, 서로 다른 종류의 LAN 연결 가능, 중개 기능
- 라우터: 계층 3 기능을 지원, 경로 배정 기능을 수행, 교환 기능, 경로 배정
1. 브리지
양쪽 LAN이 모두 이더넷을 사용하면 프레임 헤더를 해석하는 간단한 작업을 통해 쉽게 중개할 수 있다. 하지만 종류가 다르면 프레임 변환 등의 복잡한 과정이 필요하다.
브리지를 이용해 LAN과 LAN 사이에 데이터를 중개할 때 각 LAN에서 사용하는 MAC 계층이 다를 수 있다. 이때는 브리지에 MAC 헤더를 해석해 변환하는 기능이 필요하다.
1.1 트랜스페런트 브리지
- 라우팅 기능을 사용자에게 투명하게 보여줌
- 브리지 사용자는 프레임에 라우팅 정보를 추가하지 않아도 됨
- 브리지의 수행 동작
- 프레임의 송수신자가 동일 방향에 위치하면 수신 프레임 무시
- 프레임의 송수신자가 다른 방향에 위치하면 수신자 방향으로 프레임 중개
flooding 알고리즘
라우팅 테이블이 비었을 때, 목적지 방향을 모를 때는 Source 방향을 제외한 나머지 방향에 전달
역방향 학습 알고리즘
Source를 보면 Source 방향을 브리지가 알 수 있다.
스패닝 트리
루프가 생기지 않도록 경로를 끊는 역할 -> 이중 경로에 의한 잘못된 라우팅 정보가 발생할 수 있다.
1.2 소스 라우팅 브리지
링 구조의 네트워크에서 사용한다. 송신 프레임 내부에 수신 호스트까지 도달하기 위한 모든 경로를 기술함으로서, 중간 브리지에 필요한 라우팅 정보가 프레임 자체에 포함된다.
2. IP 인터네트워킹
인터넷에서 네트워크를 연결하는 방식이다.
라우터끼리는 직접 연결되어있고 라우터는 프로토콜 변환 가능을 수행하며, 양쪽 MAC 계층이 다르면 프레임 변환 기능이 필요하다.
라우터를 거치는 동안에 전송되는 패킷이 특정 MAC 계층에서 전송하기에 너무 크면 패킷의 분할과 병합 과정이 이루어진다.
04. 서비스 품질
1. QoS 개요
