Access network: Digital Subscriber Line

Access network의 정의

: host(application을 run)를 core network의 edge router와 연결해주는 network

⇒ 가입 되어 있는 ISP(for internet 연결)의 edge router와 연결

= router와 host를 연결 시켜주는 network

• host device의 link type에 따라 다양한 access

  (smart phone에도 network link가 6-7개 내장, 집에선 residential, 학교에선 institutional, ... 하루종일 접속)

• KT가 집집마다 깔아놓은 구리 전화선(twisted pair)을 그대로 이용해 인터넷 망을 증설 → DSL

(특징) central office까지 dedicated (bandwidth를 다 내가 차지)

• 전화를 하던 망(voice가 가던 link)에 internet data를 전달

  집에선 splitt가 분리, central office(구 KT 전화국)에선 "DSLAM(Digital Subscriber Line Access Multiplexer)이 voice는 PSTN(telephone network), internet data는 Internet network로 분리

• uplink와 downlink의 속도 상이 (Asymetric DSL = ADSL) ⇒ downlink를 더 크게 증설

  ADSL의 사용자가 전화국에서 멀어지면 서비스 속도와 용량이 떨어지는 단점을 보완해 VDSL 등장

  VDSL: 요즘. 사용자가 전화국에서 멀어져도 Rbps 유지.

  FTTH (Fiber To The Home) : 요즘. KT가 2005년도에 FTTH 기술인 Fios 시행

• 거리에 따라 서비스 속도 (단위 시간당 사용할 수 있는 데이터 용량) 영향

• ADSL → HFC (1998) : Hybrid Fiber Coax (shared ⇒ capacity 공유)

  • ADSL의 twisted pair 대신 coax(동축) 사용

    home network ~ CMTS(Central Office) : coax

    CMTS ~ ISP : fiber

    : 첫 단은 coax(~central office, 많으면 5000가구 까지 share), 뒷단은 fiber(~ISP, 더 먼 거리까지 가능)

  • 실패: 애초에 cable network가 설치 되어 있어야 서비스 제공 가능

Enterprise access networks (Ethernet)

Layer 2 switch protocol로 통신 (부서끼리 통신)

: 내부 간 traffic이 많고 거리가 짧음

Ethernet cable의 coverage에 따라 switch로 묶음

• Fast Ethernet (~100Mbps)

• Giga bit Ethernet (~10Gbps)

Wireless access networks

• wireless LANs: 실내 ~30m 정도, stationary (선만 없음)

  ⇒ IEEE 802.11 b/g/n (Wifi는 alias): 현재 wifi 4,5,6까지 나옴. 11, 54, 450 정도 지원 (access pointer)

• Wide-area wireless access: ~km, mobile

  ⇒ 이동하면서도 끊김없이 인터넷을 사용하는 게 목표 (한 기지국의 coverage가 wide)

cf) 1G, 2G(아날로그 → 디지털. 단문), 3G(영상통화, 스마트폰: 단문-voice망, 장문-data망), 4G(속도), 5G(고용량)

Host: send packets of data

host는 msg를 보내는 게 목적. msg를 packets으로 쪼개서 core로 보냄

• application 계층의 msg → IP 계층에서 packets으로 (L bits)

  size (msg) ≥ size (packet) = L (bits)

• transmission delay: Lbits를 signal로 변환하는데 걸리는 시간

  = packet size(bits) = L / link transmission rate(bits per sec) = R (L/R)

  

cf) 네트워크에서 소요되는 네 가지 delay

• processing delay (node에서 processing, input 버퍼에서 output 버퍼로 switching 하는데 소요)
• queueing delay (output queue, 즉 output 버퍼에서 빠져나가기 위해 대기하는데 소요)
• transmission delay (bits를 signal로 변환하는데 소요)
• propagation delay (signal이 전송되는 데 소요)

msg를 packet으로 잘라 보내는 이유

1. Core Network Delivery Efficiency (retransmission)
   : 패킷 손실 시 손실 된 부분만 다시 보내면 돼서 retransmission이 효율적이다.
2. shared media multiplexing
   : access network는 보통 shared, 어느 한 user가 잡고 있지 않도록 여러 user의 패킷을 골고루 전송
3. parallel
   : 작은 size의 packet으로 쪼개 보내면 end to end delay 감축

Physical media

• bit: transmitter로부터 receiver까지 propagate
• physical link: transmitter ~ receiver
  • guided media:(wired) : copper, fiber, coax
  • unguided media(wireless) radio : propagates frelly

twisted pair (TP)

구리. for attenuation (감쇠) 감축

: two insulated copper wires (꼬은 걸 하나로 씀)

coaxial cable

구리. 꼬지 않고 동축

: two concentric copper conductors (HFC에 사용)

fiber optic cable

: low error rate, high-speed, tens of km

radio (wireless)

: radio link type

• microwave

• LAN

• wide-area

• satellite (Propagation delay 큼)

⇒ coverage(송수신자간 거리)에 따라 GEO, MEO, LEO 선택

Communication link에서 알아야 할 것

cable을 바라보는 시각

• effective distance: 제대로 성능을 발휘할 수 있는 거리 (link의 type이 결정)
• bandwidth: 어느 정도 용량의 data traffic까지 수용 가능한지 (bps)
• error ratio: error가 없어야 함

Core network: postal service (delivery)

가장 핵심적인 기술: packet/ circuit switching

: mesh of interconnected routers

(meshed network: 임의의 두 개를 골랐을 때 어떻게든 연결이 되어 있어야 함)

⇒ core network의 핵심, 지구 상의 누구와도 통신할 수 있도록, core network를 구성하는 router들이 meshed 상태 여야 함.

packet switching

hosts break application-layer messages into packets

core는 packet만 보내고 처리 (msg 몰라)

• 각 packet들은 full link capacity로 transmit 됨. (패킷 스위칭의 장점)
  • Virtual Circuit Packet switching
  • Datagram Packet switching (인터넷 지배)

(Datagram) Packet Switching functions

• routing: pkt의 헤더값을 보고 routing table 만듦

routing은 nation-wide한 관점으로 routing table 만듦

• forwarding: pkt을 다음 router의 output port로 전송 (=switching)

  → core network의 router 본연의 목적

routing을 통해 다음 router를 이미 알고 있고, 이에 기반해 forwarding

input port로 들어온 패킷을 어떤 output port로 내보내는 것 (local한 개념)

⇒ store-and-forward 들어온 패킷을 저장한 뒤 전달

Packet Switching: store-and-forward

• L-bit packet을 R bps 링크에서 비트에서 시그널로 전환하는데에 L/R sec가 걸림
• router의 input 버퍼에서 L bits 다 올 때까지 store-and-forward가 일어남

Ex. 1msg(3 pkts)의 e2e delay(2 hop transmission), Dtrans만 고려

⇒ L/R*4

⇒ 작은 size의 pkt으로 나누어 보내면 end to end delay 감축 (parallel)

Packet Switching: queueing delay, loss

한 port에는 input buffer=input queue와 output buffer가 모두 존재(들어오기도, 나가기도 하니까)

버퍼의 존재 이유: 연속적으로 처리해야 할 때, 프로세스들의 속도가 다르면 순차적으로 처리하기 위해 기다리라고 존재

⇒ output queue의 속도와 input queue의 속도 차에 기인

input queue의 arrival rate와 switching speed 보다 transmission rate가 떨어진다면 (Rin ≥ Rout) 버퍼 오버플로우 발생

arrival rate (bis) ≥ transmission rate 라면,

• packets will queue, wait to be transmitted on link
• packets can be lost if buffer fills up (buffer overflow) → loss 발생

queueing delay로 인해 loss가 생길 수 있다!

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Quiz

(8) 다음 각 문장의 참/거짓을 가리시오.

• xDSL(Digital Subscriber Line)은 구리전화선을 이용하여 인터넷 연결을 제공한다.

⇒ T. DSL은 KT에서 집집마다 놓은 전화선을 인터넷 통신망으로 사용한 것.

• ADSL 사용자는 전화국에서 가까울수록 사용 데이터용량이 더 크다.

⇒ T. ADSL의 전화국에서 멀수록 사용 데이터 용량이 작아지는 단점을 보완한 것이 VDSL이다.

전화국에서 멀수록 서비스 속도가 떨어진다 == 전화국에서 멀수록 사용 데이터 용량이 더 적다.

• HFC 기술은 케이블 TV 서비스가 제공되는 지역에서만 가능하다.

⇒ T. 기존에 케이블 TV 망이 설치된 곳에서만 HFC 기술을 사용할 수 있다는 것이 HFC 기술의 한계이다.

• Packet switching과 circuit switching은 인터넷의 edge network에서 사용되는 기술이다.

⇒ F. Packet switching과 circuit switching은 인터넷의 core network에서 사용되는 핵심 기술이다.

• 라우터는 routing과 forwarding을 수행한다. 이 중 어떤 포트로 수신된 패킷을 또 다른 포트로 switching하는 행위는 routing에 해당한다.

⇒ F. 라우터 내에서 어떤 포트로 수신된 패킷을 또다른 포트로 switching 하는 행위는 forwarding에 해당한다.

routing: 라우팅 알고리즘을 기반으로 목적지 주소에 도달하기 위한 다음 라우터를 향한 link를 결정

forwarding: 라우터 내에서 라우팅 테이블을 참조해 결정된 link로 switching

• Packet switching 라우터에서 발생하는 queueing delay는 라우터의 input buffer에서 발생한다.

⇒ F. queueing delay는 라우터의 input buffer로의 arrival rate과 switching speed, 그리고 output 버퍼의 transmission rate 차이에 기인해 output buffer에서 발생한다.

• 2020년 현재 서울의 대부분 가정집은 ADSL 기술을 사용하여 인터넷에 접속하고 있다.

⇒ F. 현재는 주로 VDSL이나 FTTH 기술을 사용하여 인터넷에 접속한다.

(9) 집까지 fiber optic 케이블을 설치하여 residual access network 속도를 높인 기술을 무엇이라고 하는가?

⇒ FTTH (Fiber To The Home)

(10) Packet switching에서 resource(link BW) reservation을 하지 않기때문에 발생하는 delay는?

⇒ Queueing Delay

reservation 하지 않으니 shared link이기에 queueing delay 발생

(11) Circuit switching에는 있으나 packet switching에는 없는 delay는?

⇒ Call Setup Delay

(12) L-bit packet을 R bps 링크에 전송할때 transmission delay는?

⇒ L/R sec (데이터 크기/링크의 전송속도==대역폭)

(13) Packet switching을 지원하는 network 디바이스 (라우터)의 기본동작은 store-and-forward이다. Store를 하는 이유는? (즉, 라우터가 L bit가 모두 들어올때까지 기다린 후 처리하는 이유는?)

⇒ 헤더를 시작으로 한 packet 단위로 전송되기 때문에 하나의 packet이 모두 들어올 때까지 기다려야 한다.

(14) Packet switching에서 message를 보내고자 하는 호스트가 그 message를 작은 크기를 packet으로 나눠 전송하는 이유 두 가지는 무엇인가?

1. 작은 크기의 packet으로 나누어 전송해 오류 발생시 retransmission 효율을 높여 throughput(제대로 전송한 비트수)를 증가시킬 수 있다.
2. shared multiplexing. 메시지를 작은 크기의 패킷으로 나누어 여러 user들의 패킷을 골고루 전송할 수 있도록 함
3. parallel. end to end delay를 단축시킴.

(15) Sending host와 receving host 사이에 두개의 라우터가 있다고 하자. (총 3개의 링크) 각 링크의 bandwidth는 모두 R bps이다. 이때 L-bit packet 하나의 end-to-end delay는 몇초 인가? (하나의 packet만 전송된다고 가정하며 transmission delay만 고려.)

⇒ 3*L/R sec

(16) 다음은 패킷스위칭 네트워크를 구성하는 라우터가 store and forward 방식으로 패킷을 처리하는 동작을 라우터와 L-bit 패킷 입장에서 적은 것이다. 패킷이 A 포트에서 들어와서 B 포트로 나간다고 가정한다. 순서에 맞게 재배열하시오.

(1) L개의 bit들이 signal로 변환(transmit) 된다.

(2) L-비트 패킷이 A에서 B로 스위칭 된다.

(3) 패킷해더를 보고 목적지 주소로 보내지기 위해 라우팅 테이블을 검색한다.

(4) L개의 비트들이 A 포트의 buffer에 저장된다.

(5) L-비트 패킷이 B의 buffer (queue)에 한동안 저장되어 있다.

⇒ (4) → (3) → (2) → (5) → (1)

라우팅은 패킷이 라우터에 도착하기 전에 일어나므로 라우팅이 이미 끝나 테이블이 설정 되어 있다고 가정된다.

목적지에 도달하기 위한 라우터의 link가 연결된 output port로 스위칭 된다.

케이블에서 시그널로 전송된 패킷은 input port에서 bit로 변환된 후 라우터 안에서는 계속 bit로 처리된다. (bit가 input port 에서 output port로 switching 됨). 이후 output port 에서 다시 signal로 변환되어 케이블로 다음 라우터까지 전송된다.