교환 시스템
네트워크 양단의 호스트가 보낸 패킷은 전송 경로 중간의 교환 시스템을 거친다. 교환 시스템은 데이터를 중개하는 교환기능을 제공한다.
다양한 교환방식이 있다.
회선교환방식은 음성 전화 서비스를 통해 발전했으며, 연결형 서비스를 제공한다. 고정 대역폭의 전송률을 지원해 네트워크 구조가 단순하다.
패킷교환방식은 컴퓨터 네트워크를 통해 발전했으며, 비연결형 서비스를 제공한다. 가변 대역폭의 전송률을 지원해 네트워크 구조가 복잡하다.
프레임 릴레이와 셀 릴레이 교환 방식은 데이터 전송 속도를 향상시킨다.
교환시스템의 종류
전용 회선 방식은 전용 통신 선로로 연결되지만,
교환 회선 방식은 일부 전송 선로를 다수의 사용자가 공유한다.
A,B는 전송 선로로 연결되었고,
나머지는 교환 회선 방식으로 선로를 서로 공유한다.
이때,교환시스템(그림의 초록색 네모)의 중개가 필요하다.
교환 회선을 이용하는 방식에는 회선교환방식과 패킷교환방식,메시지교환방식이 있다.
회선 교환 방식
통신하고자 하는 호스트가 데이터를 전송하기 전에 연결 경로를 먼저 설정한다.(예로 C-1-4-B) 데이터가 모두 같은 경로로 전달되며, 고정 대역의 논리적 전송 선로를 전용으로 할당받기에, 데이터 전송률이 안정적이다.
메시지 교환 방식
경로를 미리 설정하지 않고, 보내는 메시지의 헤더에 목적지의 주소를 표시한다. 중간의 교환 시스템은 직전의 시스템이 보낸 메시지가 도착할때까지 받은 메시지를 버퍼에 일시 저장하고, 메시지가 모두 도착하면 다음 교환 시스템으로 보낸다. 데이터가 하나의 단위로 교환되고 메시지를 보낸 시점과 받는 시점이 일치할 필요 없다.
패킷 교환 방식
회선,메시지 교환 방식의 장점을 모두 이용한다. 전송 데이터를 패킷이라는 일정 크기로 나누어 전송하고 중간 시스템의 라우팅 과정을 거쳐 도착한다.
교환기가 패킷 경로를 선택하는 방식은 호스트 사이의 전송 경로를 미리 결정하는 정적경로Static Routing, 동적으로 결정하는Dynamic Routing이 있다.
패킷 교환 방식의 장점
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전송 대역의 효율적 이용
연결 경로의 전송 대역을 미리 설정하지 않고 동적으로 공유하기에 전송 선로의 이용 효율을 극대화 할 수 있다. -
호스트의 무제한 수용
연결요청에 일일히 고정대역을 할당하면 전송 대역이 부족해져서 연결요청이 거부될 수 있다. 연결을 동적으로 진행하면, 이론상 호스트를 무제한 수용가능하다. 연결이 많으면 전송 지연이 될 뿐이다. -
패킷에 우선순위 부여
패킷별로 우선순위를 부여할 수 있어서 먼저 전송할 패킷과 나중에 전송할 패킷을 구분할 수 있다.
패킷 교환 방식의 단점
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전송 패킷을 버퍼에 보관하는 등의 과정들에서 지연이 발생할 수 있다.
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패킷별로 독립 경로로 전달되기에 전송 지연이 일정하지 않을 수 있다. 가장 늦게 도착한 패킷의 전송 지연에 영향을 받는다. 이런 전송 지연의 분포를 지터Jitter 라고 한다. 지터 분포는 멀티미디어 데이터 처리처럼 실시간 응용 환경에서 중요하다.
패킷 교환
네트워크 계층의 중요한 역할은 패킷의 전송 경로 설정이다.
데이터를 패킷교환방식으로 전송하는 네트워크는 가상회선과 데이터그램이라는 전송 방식을 지원한다.
가상 회선 Virtual Circuit
연결형 서비스를 지원하기 위한 기능, 하나의 전송 경로를 통해 전송되기에 패킷의 경로는 동일, 패킷의 출발 순서와 도착 순서가 같다.
회선교환방식과 비슷하지만, 가상 회선 방식은 데이터를 패킷 단위로 보낸다는 차이가 있다.
데이터그램 Datagram
비연결형 서비스를 이용해 패킷을 독립적으로 전송하며, 경로를 미리 할당하지 않는다. 일반적으로 데이터가 작거나 신뢰성이 중요하지 않은 환경에서 사용한다. 패킷들이 전송되는 경로가 각각 다르므로 패킷의 출발 순서와 도착 순서가 다를 수 있다.
프레임 릴레이와 셸 릴레이
패킷 교환 방식이 고안된 시점에는 전송 오류가 많이 발생해서 많은 오류제어기능이 생겼다. 현대의 네트워크는 신뢰도가 높은 환경을 지원해 이런 기능들은 낭비가 되었다. 그래서 오류제어기능을 제거해 데이터 전송 속도를 향상시키는 방법이 고안되었다.
프레임 릴레이 Frame Relay
기존의 패킷 교환 망에서는 중간 라우터에서 데이터와 긍정 응답을 계속 교환한다. 하지만 프레임 릴레이 방식에서는 각 라우터의 개별 연결을 의미하는 홉Hop 단위의 흐름제어와 오류 제어 기능을 수행하지 않는다. 따라서 패킷의 양이 반으로 줄어들어 전송 효율이 증가한다.
연결형 패킷 서비스를 지원하며 수신한 프레임을 중개Relay하는 역할만 수행하고, 오류 복구나 흐름 제어같은 기능은 수행하지 않으므로 데이터 링크 계층의 기능을 단순하게 설계할 수 있다.
셀 릴레이 Cell Relay
ATM(Asyncronous Transfer Mode)방식으로 알려진 셀 릴레이 방식은 화선 교환과 패킷 교환의 장점을 모아 고안되었다.
프레임 릴레이 방식은 가변길이의 패킷을 지원하지만 셀 릴레이 방식에서는 셀이라는 고정 크기의 패킷을 사용한다. 그럼으로 오버헤드(어떤 처리를 하는데 들어가는 시간이나 메모리)를 줄일 수 있다.
LAN,MAN,WAN
호스트 사이의 연결 거리를 기준으로 네트워크를 구분할 수 있다. 연결거리에 따라 데이터의 전송 지연이 달라지므로 연결거리는 네트워크 설계시 중요한 고려사항이다.
LAN
단일 건물같은 소규모 지역의 호스트로 구성된 네트워크이다. 데이터를 브로드캐스팅Broadcasting 방식으로 전송한다.
호스트를 연결하는 방식에 따라 버스형,링형으로 구분한다.
버스형
공유 버스 하나에 호스트들을 직접 연결한다. 한 호스트가 전송한 데이터를 연결된 모든 호스트에 전송하는, 브로드캐스팅 방식이다.
모든 호스트에 전송하므로 라우팅 기능이 필요 없다.
데이터를 받는 호스트만 데이터를 내부 버퍼에 보관하고 나머지 호스트는 데이터를 버림으로써 한 호스트만 데이터를 수신할 수 있다. 이를 위해 각 호스트를 구분하는 호스트 주소를 전송 데이터에 표시한다.
여러 호스트가 동시에 데이터를 전송하면 데이터 충돌이 발생한다. 대표적이니 버스형 연결 형태인 이더넷은 충돌 후에 문제를 해결하는 방식을 사용한다.
링형
모든 호스트의 연결이 순환 구조인 링 형태이다. 송신 호스트에서 전송한 데이터는 링을 한바퀴 돌며 다른 호스트들을 거쳐 복귀한다. 모든 호스트가 데이터를 받는 브로드캐스팅 방식이다.
여러 호스트가 동시에 데이터를 전송하면 데이터 충돌이 발생한다. 링형에서는 토큰Token이라는 제어 프레임을 사용해 출동 가능성을 차단한다. 송신 호스트는 전송용 토큰을 확보해야하는데, 토큰은 하나이므로 충돌을 예방할 수 있다.
MAN
여러 건물이나 한 도시의 네트워크 연결이다.
MAN을 위한 국제표준안 DQDB(Distributed Queue Dual Bus), 전송 방향이 다른 두 버스로 모든 호스트를 연결하는 방식이 있다.
DQDB는 분산 데이터 큐를 유지하며, 충돌을 해결하기 위해 슬롯 링 개념을 변형한 큐형식의 슬롯을 사용한다. 또, ATM과 호환이 가능하도록 53Byte의 프레임을 지원한다.
A가 일정 주기로 슬롯을 보내고 E가 처리를 할때 까지 이동한다. E는 같은 원리로 반대로 보낸다. A와 E의 물리적 거리가 짧으면 추가 전송 매체(노란 점선)로 연결할 수 있다.
WAN
국가 이상의 넓은 지역을 지원한다. LAN,WAN은 브로드캐스팅 방식으로 교환기능이 필요 없지만, 점대점(point-to-point)으로 연결된 WAN에선 교환기능이 필수이다.
호스트 간 거리가 멀수록 연결수가 증가하므로 비용이 많이 든다. 따라서 효율적인 설계가 필요하며, 스타형,트리형,완전형,불규칙형등 다양한 구조로 연결할 수 있다.
인터네트워킹
둘 이상의 서로 다른 네트워크를 연결하는 기능이다. 인터네트워킹을 하는 장비는 어느 계층에 속하느냐에 따라 종류가 달라진다. 일반적으로 하위 3계층까지 기능을 수행한다.
- 리피터 : 계층 1 기능을 지원한다. 비트신호를 증폭하여 전달한다.
- 브리지 : 계층 2 기능을 지원한다. 한쪽에서 들어온 프레임의 MAC계층 헤더를 다른 단의 MAC 계층 헤더로 변형해 전송할 수 있어서 종류가 다른 LAN을 연결할 수 있다.
- 라우터 : 계층 3 기능을 지원한다. 여러 포트를 사용해 다수의 LAN을 연결한다. 패킷을 해석에 경로를 배정한다.
브리지
브리지가 연결하는 LAN은 서로 종류가 같을 수도 있고 다를 수도 있다.
종류가 같은 경우는 프레임헤더를 해석하고 같은 것을 붙여주면 된다.
종류가 다른 경우는 프레임헤더를 해석하고 프레임을 변환하여 헤더를 새로 붙여줘야한다. 데이터 링크 계층은 MAC계층(하위)과 LLC계층(상위)으로 나누어지며 브리지는 MAC계층까지 수정한다.
브리지는 여러 LAN을 동시 연결하며, 동작방식에 따라 트랜스페런트 브리지와 소스 라우팅 브리지가 있다.
트렌스페런트 브리지 Transparent Bridge
라우팅 기능을 사용자에게 투명하게 보여준다. 전송하는 프레임의 주소부에 라우팅에 관한 정보를 추가하지 않아도 되며, 라우팅은 브리지가 자동으로 수행한다.
브리지에 연결된 LAN에서 프레임이 도착했을때, 송,수신 호스트가 같은 방향에 있다면 중개하지 않고, 다른 방향에 있다면 중개해야한다.
(A->B : 둘 다 1번 포트이므로 중개 X /C->E 2번포트에서 3번 포트로 중개)송,수신 호스트가 같은 방향에 있는지 여부는 브리지 라우팅 테이블을 통해 알아낸다.
라우팅테이블은 LAN이 동작하면서 자동으로 생성된다.
브리지에 전원이 들어오면 빈 테이블이 있다.
먼저, 프러딩Flooding 알고리즘으로 입력프레임을 들어온 방향을 제외한 모든 방향의 포트에 전달한다.
이때, 입력프레임의 송신 호스트 주소를 근거로 송신 호스트가 몇 번 포트에 연결되었는지를 알아낸다.
이런 정보가 누적되면 라우팅 테이블의 최신화를 할 수 있다. 이렇게 네트워크의 동작 과정에서 라우팅 정보를 얻는 방식을 역방향 학습 알고리즘이라고 한다.
역방향 학습 알고리즘을 이용할 때, 네트워크에 이중경로가 존재하면 라우팅 테이블에 잘못된 정보를 입력할 수 있다.
브리지1,LAN1,브리지2,LAN2 순으로 링을 형성하는 네트워크가 있다고 해보자 LAN1의 호스트 A는 브리지1의 오른쪽 포트에 바로 연결되지만, 브리지2,LAN2를 거쳐 브리지1의 왼쪽 포트에도 연결되므로 브리지1의 테이블에는 두 개의 포트에 A가 있다고 입력된다. 이를 방지하기 위해 이중경로가 존재하지 않게 경로를 설계해야하고, 스패닝트리를 사용하여 비순환 구조를 만들 수 있다.
소스 라우팅 브리지 Source Routing Bridge
트랜스페런트 브리지는 공유버스,토큰버스방식에서 사용되고 소스 라우팅 브리지는 링 구조의 네트워크에서 사용한다.
프레임이 수신 호스트에 도착하기위한 라우팅 정보를 송신호스트가 제공, 프레임 자체에 포함한다. 프레임을 수신한 브리지는 이 정보를 이용해 프레임을 적절한 경로로 전달한다.
IP 인터네트워킹
인터넷 환경에서 IP프로토콜을 이용해 IP인터네트워킹을 지원하려면 송수신호스트 간의 여러 네트워크 인터페이스를 거쳐 패킷을 전달할 수 있어야한다.
라우터는 서로 다른 호스트의 MAC 계층 차이를 이해하고 헤더를 변환해서 연결한다.
라우터 A는 이더넷과 PPP인터페이스를 지원하고 라우터 B는 PPP와 ATM인터페이스를 지원해서 서로 다른 인터페이스를 지원하는 호스트들의 연결이 가능하다.
인터넷 라우팅
라우터는 IP데이터그램을 적절한 경로로 전달한다. 경로를 선택하는 방식에는 고정 경로 배정과 적응 경로 배정이 있다.
- 고정 경로 배정
송수신 호스트 사이의 영구불변의 경로를 배정한다.
각 라우터가 관리하는 라우팅 정보는 라우팅 테이블로 결정된다.
- 적응 경로 배정
인터넷에서 사용되는 라우터는 적응 경로 배정을 사용한다.
데이터그램의 전달 경로는 인터넷 연결 상태에 따라 달라지는데, 특정 네트워크나 라우터가 동작하지 않을때, 혼잡이 발생할때 전달 경로가 달라질 수 있다. 경로를 결정하는 과정이 복잡해짐에 따라 이를 수행하는 라우터의 부담이 증가한다.
네트워크의 상태 변화에 따라 라우터의 결정이 달라지는데 수많은 라우터들이 같은 정보를 얻기는 불가능하다. 이런 정보의 불일치성을 해소하려면 라우터들끼리도 정보교환이 일어나야하는데, 이 또한 트래픽과 라우터의 부담을 증가시킨다.
- 자율 시스템
독립적인 네트워크를 자율시스템(AS,Autonomous System)이라 한다.
AS 내부의 라우터들은 같은 라우팅 프로토콜을 사용하는데 이를 내부 라우팅 프로토콜(IRP,Interior Routing Protocol)이라 한다.
AS는 다른 네트워크와 연결하기 위해서 외부 라우팅 프로토콜(ERP,Exterior Routing Protocol)을 사용한다.
IRP는 AS내 모든 라우터들에서 작동하지만, ERP는 외부 네트워크와 연결하기 위한 라우터 몇개에서만 작동한다.
서비스 품질(QoS)
QoS,Quality Of Service 는 보통 네트워크를 어느정도로 신뢰성 있게 전송하는지를 의미한다. QoS는 주로 전송 계층에서 요청하므로 전송 계층 연결을 설정할 때 필요한 서비스의 정도를 매개변수로 표시한다. 자주 언급되는 QoS매개변수는 다음과 같다.
- 연결 설정 지연
연결설정을 위한 request와 confirm 사이의 시간 - 연결 설정 실패 확률
임의의 연결설정 지연시간을 기준으로 연결설정이 이루어지지 않을 확률 - 전송률
초당 전송 가능한 바이트 수 - 전송 지연
전송 데이터가 도착한 시간 - 전송 오류율
전송 데이터 수와 오류 데이터의 비율 - 우선순위
IP 프로토콜은 원칙적으로 모든 패킷에 동일한 기준을 적용해 데이터를 중개한다. 데이터의 도착순서나 수신 여부등을 보장하지 않기에 버퍼를 사용해 응용계층으로 데이터를 전달해야한다.
IP프로토콜에서 QoS를 지원하려면 각 패킷을 서로다른 QoS기준으로 구분해야한다. 각 라우터는 이를 처리하며, 네트워크 자원의 할당도 그에 맞춰야 한다. 예를 들어 영상데이터는 대용량 실시간 전송이 필요하지만, 전송 오류 문제는 관대하다. 일반 데이터는 실시간 기능은 필요없지만 전송 오류에 민감하다.
