네트워크 기술

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학습목표

• 회선 교환 시스템과 패킷 교환 시스템의 차이와 원리 이해
• 가상 회선과 데이터그램의 차이와 원리 이해
• LAN, MAN, WAN 의 구조 설명
• 네트워크 연동을 위한 인터네트워킹 기술 이해
• 네트워크 서비스 품질의 개요 설명

내용

• 교환 시스템
• LAN, MAN, WAN
• 인터네트워킹
• 서비스 품질(QoS)

교환 시스템

• 회선 교환 방식: 연결형 서비스를 제공 (e.g. 음성 전화 서비스)

  • 고정 대역폭의 전송률을 지원, 네트워크 구조가 단순
  • 연결이 유지되는 동안, 다른 연결에서 이 대역을 사용할 수 없음

• 패킷 교환 방식: 비연결형 서비스를 제공 (e.g. 컴퓨터 네트워크)

  • 가변 대역의 전송률을 지원해 네트워크 구조가 복잡, 전용대역(x)
  • 패킷 단위로 나누어 전송하므로 패킷을 기준으로 교환작업이 진행

• 프레임 릴레이, 셀 릴레이 교환 방식

  • 데이터의 전송 속도를 향상시키는 기술

교환 시스템의 종류

• 전용 회선 방식: 송신, 수신 호스트가 전용 통신 선로로 데이터 전송
• 교환 회선 방식: 전송 선로 하나를 다수의 사용자가 공유
  (e.g. 전화 서비스 -> 공중 전화망, 교환시스템의 중개 필요)

• 회선 교환: 데이터 전송 전에 양단 사이의 고정된 연결 경로를 설정
• 패킷 교환: 연결을 설정하지 않고 패킷 단위로 나누어 데이터를 전송
• 메세지 교환: 회선 교환과 패킷 교환의 중간형태

• 회선 교환 (Circuit Switching)

  • 데이터를 전송하기 전에 연결 경로를 미리 설정하는 방식
  • 모든 데이터가 같은 경로로 전달
  • 고정 대역의 전송 선로를 전용으로 할당 받아 안정적인 데이터 전송률 지원

• 메세지 교환(Message Switching)

  • 전송하는 메세지의 헤더마다 목적지 주소를 표시하는 방식
  • 교환기 단위마다 전체 메세지를 전달하는 방식: 모든 메세지 도착 후 다음 교환기로 전달
  • 송신 호스트가 전송하는 전체 데이터가 하나의 단위로 교환 처리됨

• 패킷 교환(Packet Switching)

  • 송신 호스트는 전송 데이터를 일정 크기의 패킷으로 나누어 전송, 각 패킷은 독립적 라우팅 과정을 거쳐 목적지에 도착

  • 장점

    • 전송 대역의 효율적 이용 (회선교환시스템은 전용회선을 사용하므로 전송선로 이용이 비효율적)
    • 호스트의 무제한 수용 (회선교환시스템에서는 전송대역이 부족하면 새로운 연결설정 요청이 불가능)
    • 패킷에 우선순위 부여

  • 단점

    • 중개기인 라우터 내부 버퍼에 보관할 대 지연발생
    • 여러 종류의 대기 큐를 거칠 때 기변지연 발생
    • 패킷마다 독립된 경로로 전달되므로 가장 늦게 도착하는 패킷의 전송지연에 영향 받음
    • 지터(Jitter): 패킷의 도착 지연 시간이 가변적. 각 패킷들의 지연 시간 분포를 의미
    • 패킷 경로 선택 방식: 정적 경로, 동적 경로

• 가상회선: 송수신 사이를 가상 연결 설정함, 연결형 서비스를 지원하기 위한 기능 (e.g. TCP)

  • 연결을 통해 전송되는 모든 패킷의 경로가 동일

  • 모든 패킷이 하나의 파이프로 표현되는 동일 경로로 전송되므로 패킷의 도착 순서 일정

  • 패킷의 도착순서가 바뀔 수 없음

  • 회션 교환 방식과 비슷하나, 전송의 단위가 패킷 단위로 이루어짐

    

• 데이터그램: 비연결형 서비스, 패킷을 독립적으로 전송, 연결설정 과정이 없음, 서로 다른 경로 전송, 패킷의 도착순서는 뒤바뀜 (e.g. UDP)

  • 전송할 정보의 양이 적거나, 상대적으로 신뢰성이 중요하지 않는 환경에서 사용

  • (b)처럼 3번 패킷은 다른 경로로 전송 -> 네트워크 혼잡도에 따라 도착순서는 달라짐

    

프레임 릴레이와 셀 릴레이

• 프레임 릴레리 (Frame Relay)
  • 동일한 속도의 전송 매체로 고속 데이터 전송을 지원할 수 있도록 고안된 기술
  • 데이터 링크 계층의 기능을 단순하게 설계 가능
  • 2Mbps 전송률

• 셀 릴레이 (Cell Relay): ATM (Asynchronous Transfer Mode) 방식

  • 회선 교환과 패킷 교환 방식의 장점을 모아 고안

  • 프레임 릴레이 방식처럼 오류 제어에 대한 오버헤드를 최소화

  • 셀 이라는 고정 크기의 패킷을 사용 (프레임 릴레이 방식: 가변크기의 패킷)
    -> 패킷 처리과정에서의 오버헤드를 줄일 수 있음

  • 2~100Mbps 전송률

LAN, MAN, WAN

• LAN (Local Area Network)

  • 단일 건물이나 학교 같은 소규모 지역에 위치하는 호스트로 구성된 네트워크
  • 호스트간 간격이 짧아서 브로드캐스팅 방식으로 전송
  • 수십 Mbps~ 수 Gbps 전송속도

• 버스(Bus)형

  • 공유 버스 하나에 여러 호스트를 직접 연결, 브로드캐스팅 방식, 라우팅기능 없음, 목적지 호스트만 데이터를 버퍼에 보관하고 나머지 호스트는 데이터 버림

  • 이더넷 (Ethernet): 대표적 버스형 연결형태

    • 충돌(Collision)이 발생하는 것을 허용하는 대신, 충돌 후에 문제를 해결하는 사후 해결 방식

    

• 링(Ring)형

  • 전송 호스트의 연결이 순환 구조인 링 형태

  • 전송한 데이터는 링을 한 바퀴 돌아 송신 호스트로 되돌아 옴, 브로드캐스팅 방식

  • 둘 이상의 호스트에서 동시에 전송시 충돌 발생 -> 토큰(Token)이라는 제어 프레임을 사용해 충돌 가능성을 차단함: 토큰을 소유한 호스트가 송신 자격을 가짐

    

MAN (Metropolitan Area Network)

• LAN 보다 큰 지역을 지원 (도시 규모)

• 국제 표준인 DQLB (Distributed Queue Dual Bus) 구조 지원
  : 두 개의 단방향 선로가 존재

  • 분산 데이터 큐를 유지
  • 충돌 문제를 해결하기 위해 슬롯 링 개념을 변형한 FIFO 기반의 공유 슬롯 방식을 사용
  • ATM(셀 릴레이방식)과 호환이 가능하도록 53바이트의 프레임을 지원

WAN (Wide Area Network)

• 국가 이상의 넓은 지역을 지원하는 네트워크 구조

• 점대점 (Point-to-Point)으로 연결된 WAN 환경은 전송과 더불어 교환기능이 반드시 필요 (LAN과 MAN 구조에서는 브로드캐스팅 사용으로 교환이 필요없음)

• 연결의 수가 증가할수록 전송 매체 비용이 많이 필요함: 전송매체 사용비용

인터네트워킹

• 인터네트워킹: 둘 이상의 서로 다른 네트워크를 연결하는 기능

• 라우터: 네트워크를 연결하는 장비이며, 일반적으로 하위 3개 계층의 기능을 수행
  : 물리 / 데이터링크 / 네트워크 계층

• 게이트웨이(Gateway): 일반적인 용어

  • 리피터 (Repeater): 계층 1 기능을 지원

  • 브리지 (Bridge): 계층 2 기능을 지원

  • 라우터 (Router): 계층 3 기능을 지원, 경로 배정 기능을 수행

    

브리지

• 연결되는 LAN이 다른 종류일 경우 프레임 해석, 변환 등의 복잡한 작업 필요

• 브리지에 연결되는 LAN 종류 만큼 MAC/물리 계층을 처리해야 함

  

트랜스패런트 브리지 (Transparent Bridge)

• 라우팅 기능을 사용자에게 투명하게 보여줌

• 브리지 사용자는 프레임에 라우팅 정보를 추가하지 않아도 되며, 필요한 라우팅 과정은 브리지가 자동으로 수행함. 설치과정에서 하드웨어 조정이나 소프트웨어 변경, 주소, 라우팅 테이블 관련 사항을 고려할 필요가 없음

  

*LAN1에서 전송한 프레임의 목적지가 LAN1이면 중개 불필요, 목적지가 LAN2이면 2번 포트로 중개, LAN3이면 3번 포트로 중개

*LAN4로 가는 경우 브리지 B2의 중개 필요 -> 라우팅 정보 필요함

*호스트 g -> 호스트 e로 가는 경우, 브리지 B2는 포트 2에서 포트 1으로 중개해야 함

라우팅 테이블 (Routing Table)

• Flooding 알고리즘을 사용해 입력된 프레임을 모든 포트 방향으로 전달
  (들어온 포트로는 전달하지 않음) -> B1 브리지의 경우, 받은 프레임 송신 호스트 주소가 c이면, 2번 포트에 연결되었다고 판단

• LAN이 동작하면서 자동으로 생성

• 역방향 학습 (Backward Learning) 알고리즘: 네트워크 동작과정에서 라우팅 정보를 얻는 방식

-> 그림 3-13에서 호스트 c 가 LAN2로부터 LAN4로 이동하는 경우, 호스트 c의 라우팅 정보가 수정됨

스패닝 트리 (Spanning Tree)

• 네트워크의 비순환 구조

• 스패팅 트리 알고리즘: 비순환 구조를 지원하는 알고리즘
  (이중 경로에 의한 잘못된 라우팅을 방지하고자) -> 임의의 브리지를 최상위 브리지인 루트(root)로 지정하고, 루트 브리지로부터 모든 브리지까지 최단 경로 트리를 구성하는 방식으로 진행

소스 라우팅 브리지 (Source Routing Bridge)

• 트랜스패런트 브리지

  • 공유 버스에서 구현되는 CSMA/CD 방식과 토큰 버스 방식에서 사용
  • 사용자 입장에서 간편하지만, 효율적이지 못함

• 소스 라우팅 브리지

  • 링 구조의 네트워크에서 사용
  • 송신자가 전송 프레임 내에 경로 정보를 제공: 라우팅 정보를 송신 호스트가 제공
  • 브리지는 프레임 내의 정보를 이용하여 중개

IP 인터네트워킹

• 인터넷에서 네트워크를 연결하는 방식
• 패킷 중개 기능은 IP 프로토콜이 수행, 송수신 호스트는 TCP/IP 응용 프로그램을 이용하여 통신 수행

• 양쪽 MAC 계층이 다르면 라우터는 패킷 변환 기능이 필요
• 필요시 패킷 분할과 병합 과정도 수행

인터넷 라우팅

• 고정 경로 배정 (Fixed Routing)

  • 송수신 호스트 사이에 영구 불변의 고정 경로를 배정

  • 장점: 간단하지만 효율적인 라우팅이 가능

  • 단점: 트래픽 변화에 따른 동적 경로 배정이 불가능

  • 가정: R3, R7 선로는 고속 통신 지원. Net.2가 Net.4보다 덜 붐빔

    

• 적응 경로 배정 (Adaptive Routing)

  • 인터넷 연결 상태가 변하면 이를 전달 경로 배정에 반영

    • 특정 네트워크나 라우터가 비정상적으로 동작하는 경우
    • 네트워크의 특정 위치에서 혼잡이 발생하는 경우

  • 단점: 경로 결정 과정에서 라우터의 부담이 증가

  • 라우터 사이의 시간적인 정보의 불일치성 문제가 항상 존재
    -> 라우터 사이의 빠른 정보교환이 필요하나 이것이 트래픽 증가와 처리부담을 가중시킴

• 자율 시스템 (Autonomous System)

  • 동일한 라우팅 특성으로 동작하는 논리적인 단일 구성체

  • 내부 라우팅 프로토콜(IRP): 자율 시스템 내부에서 사용 (e.g. RIP, OSFP 등)

  • 외부 라우팅 프로토콜(ERP): 자율 시스템 간에 사용 (e.g. BGP)

    

서비스 품질 (QoS)

QoS (Quality of Service) 개요 - 통신에 대한 서비스

• QoS를 정의하는 요소 (매개변수) 의 정의 중요!

• 연결 설정 지연 (Connection Establishment Delay): 연결 설정에 소요되는 시간

• 연결 설정 실패 확률 (Connection Establishment Failure Probability)

• 전송 지연 (Transit Delay): 송신 호스트가 전송한 데이터가 수신 호스트에 도착할 때까지 경과 시간

• 전송 오류율 (Residual Error Rate): 총 전송된 데이터 수 대비 오류 발생 데이터 수 비율

• 우선순위 (Priority)

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