모든 내용과 이미지는 Computer Networking- A Top Down Approach-Pearson을 참고하였습니다.
Chapter 1.3
네트워크 코어와 패킷 스위칭
네트워크 코어란?
네트워크 코어는 인터넷의 중심부로, 패킷 스위칭과 링크를 통해 엔드 시스템(컴퓨터, 스마트폰 등)을 연결하는 역할을 함.
쉽게 말해, 인터넷을 구성하는 라우터와 스위치들이 패킷(데이터 단위)을 전달하는 경로임. 이 코어는 데이터를 전송하는 패킷 스위칭 기술을 사용함.
1. 패킷 스위칭 (Packet Switching)
정의:
패킷 스위칭은 데이터를 작은 패킷으로 나누어 네트워크를 통해 전송하는 방식임.
각 패킷은 독립적으로 경로를 찾아가며 목적지에서 다시 결합되어 원래의 데이터를 복원함.
패킷 스위칭의 작동 원리:
- 데이터 분할: 데이터가 긴 메시지일 경우, 이를 작은 패킷으로 나눔.
- 전송 과정: 각 패킷은 라우터와 스위치를 통해 전송되며, 각 링크에서 최대 전송 속도로 패킷을 보냄.
- 저장 후 전달 (Store-and-Forward): 라우터는 패킷의 모든 데이터를 받기 전까지 다음 링크로 전송하지 않음.
예시:
패킷이 100 Mbps 속도의 링크를 통해 전송되면, 패킷 크기(L)와 전송 속도(R = 100 Mbps)에 따라 전송 시간은 L/R(100 Mbps)
가 됨.
2. 큐잉 지연 및 패킷 손실
라우터가 여러 링크를 관리할 때, 패킷은 출력 버퍼에서 대기함. 만약 라우터가 다른 패킷을 전송 중이라면 새로운 패킷은 대기해야 함. 이 과정에서 큐잉 지연이 발생할 수 있음. 만약 버퍼가 가득 차면, 추가로 들어오는 패킷은 패킷 손실이 발생함.
이 그림은 패킷 스위칭 네트워크에서 출력 큐잉(Output Queueing)과 링크 혼잡(Congestion)을 설명하는 그림임.
- A와 B는 각각 100 Mbps 속도의 이더넷 링크를 통해 데이터를 전송함.
- 이 두 호스트(A, B)에서 보내는 패킷들이 출력 큐에 쌓이고 있음.
- 라우터는 15 Mbps 링크를 통해 C, D, E로 데이터를 보내야 하지만, 이 링크는 100 Mbps 링크보다 느림.
- 혼잡(Congestion)이 발생하며, 패킷이 큐에서 대기하는 큐잉 지연(Queuing Delay)이 발생함.
3. 포워딩 테이블과 라우팅 프로토콜
라우터는 패킷을 포워딩 테이블을 통해 어떤 링크로 보낼지 결정함.
패킷의 목적지 IP 주소를 확인하여 해당하는 링크로 전달함. 이러한 테이블은 라우팅 프로토콜에 의해 자동으로 설정됨.
4. 패킷 스위칭 vs. 회선 스위칭
- 패킷 스위칭: 링크 자원을 동적으로 공유하며, 사용자가 많더라도 비활성 사용자 자원을 재사용할 수 있음.
- 회선 스위칭: 통신이 시작되면 일정한 자원을 고정으로 할당하지만, 자원이 비활성 상태일 때도 사용 불가함.
성능 비교
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자원 활용의 유연성:
- 패킷 스위칭에서는 각 사용자가 네트워크에 데이터를 전송할 때만 자원을 사용함.
사용자가 비활성 상태일 때는 그 자원이 다른 활성 사용자에게 할당될 수 있음.
따라서 자원을 더 효율적으로 활용할 수 있음. - 회선 스위칭에서는 네트워크 자원이 통신이 시작될 때 고정적으로 할당되며, 사용자가 비활성 상태(예: 전화를 걸고 대기 중일 때)일지라도 그 자원은 다른 사용자에게 할당되지 않고 낭비됨.
- 패킷 스위칭에서는 각 사용자가 네트워크에 데이터를 전송할 때만 자원을 사용함.
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예시 ㄱㄱ:
- 회선 스위칭: 1 Mbps의 네트워크 대역폭이 있다고 가정할 때, 10명의 사용자가 통신을 시작하면 각 사용자에게 100 kbps의 고정 대역폭이 할당됨.
이때 각 사용자가 데이터를 보내지 않더라도 100 kbps는 여전히 해당 사용자에게 고정되어 낭비됨.
즉, 자원 낭비가 발생.
- 패킷 스위칭: 같은 상황에서 10명의 사용자가 1 Mbps의 대역폭을 공유한다고 가정.
하지만 이들 중 실제로 데이터를 전송하는 사용자는 몇 명뿐일 수 있음.
패킷 스위칭은 비활성 사용자의 대역폭을 필요에 따라 동적으로 다른 활성 사용자에게 할당할 수 있음.
이로 인해 더 많은 사용자가 동시에 네트워크를 사용할 수 있음.
예를 들어, 10명의 사용자 중에서 평균적으로 1명만 동시에 활성 상태라면, 패킷 스위칭에서는 그 1명의 사용자가 전체 1 Mbps 대역폭을 모두 사용할 수 있음.
반면, 회선 스위칭에서는 각 사용자에게 미리 고정된 100 kbps만 할당되므로, 활성 사용자가 있어도 그 이상의 대역폭을 사용할 수 없음. - 회선 스위칭: 1 Mbps의 네트워크 대역폭이 있다고 가정할 때, 10명의 사용자가 통신을 시작하면 각 사용자에게 100 kbps의 고정 대역폭이 할당됨.
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네트워크 혼잡 처리:
- 패킷 스위칭에서는 네트워크 혼잡이 발생할 수 있지만, 그럼에도 불구하고 사용자가 많지 않거나 패킷을 주고받는 빈도가 적은 경우 네트워크 자원을 더 효율적으로 활용할 수 있음.
- 회선 스위칭은 혼잡도가 적지만, 네트워크 자원이 고정적으로 할당되기 때문에 자원 활용의 효율성은 떨어짐.
- 패킷 스위칭에서는 네트워크 혼잡이 발생할 수 있지만, 그럼에도 불구하고 사용자가 많지 않거나 패킷을 주고받는 빈도가 적은 경우 네트워크 자원을 더 효율적으로 활용할 수 있음.
결론:
패킷 스위칭은 사용자들이 데이터를 주고받지 않는 비활성 시간 동안 자원을 다른 활성 사용자에게 재할당할 수 있으므로, 회선 스위칭보다 자원 활용이 훨씬 더 효율적임.
5. 인터넷의 구조: 네트워크의 네트워크
인터넷은 수많은 ISP(인터넷 서비스 제공자)들이 서로 연결된 네트워크의 네트워크임. 각 ISP는 고객-제공자 관계를 형성하며, 상위 계층의 ISP들은 서로 피어링(직접 연결)하여 트래픽을 교환함. 콘텐츠 제공자(예: 구글)는 자체 네트워크를 운영해 상위 ISP를 거치지 않고 직접 접속함으로써 비용을 절감하고 성능을 최적화함.
요약
패킷 스위칭은 네트워크 자원을 효율적으로 사용하며, 여러 사용자가 동시에 데이터를 전송할 수 있게 함. 인터넷의 복잡한 구조는 다수의 ISP와 피어링, 콘텐츠 제공자의 네트워크가 조화를 이루며 작동함.
