Chapter 2. 네트워크의 가장자리

MoonLight·2021년 10월 25일
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컴퓨터 네트워크

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0x02 네트워크의 가장자리

이제 네트워크(특히 인터넷)의 요소에 대해 자세히 알아보자.

Figure 1.3

  • 위에서 보듯이 end system은 인터넷에 연결되는 computer/device 인 동시에 인터넷의 가장자리(edge)를 차지하고 있기 때문에 생겨난 이름이다. end system은 web browser, web server, e-mail server, e-mail client같은 application을 수행하므로 Host라고 불린다.
    • Host는 두가지 종류로 나뉜다.
      • Client : desktop pc, mobile pc, smartphone
      • server : web page를 저장 및 분배하고 video를 stream하며, e-mail을 relay하는 기능을 갖춘 컴퓨터로서 대부분의 server는 커다란 data center내에 있다. ex) google은 10만대 이상의 server가 있으며, 15개의 대형 data center를 포함하여 50~100개의 data center를 가지고 있다.

end-system말고, 중간다리 역할을 하는
switch와 router를 node 혹은 station 이라고 한다.

2.1 접속 네트워크(access network) - 6개 암기

💡  access network : end system을 다른 먼거리의 end system까지의 경로상에 있는 1번째 router(edge router)에 연결하는 network

  • 위 그림에서 굵은 파란선으로 다양한 type의 access network와 이들이 사용되는 Home network, Enterprise network, Mobile Network, wide-area mobile wireless 같은 환경을 나타내고 있다.
  • 중요: access network의 bandwidth가 얼마냐? shared(ex.케이블)냐 dedicated(ex.DSL)냐?
  • 집에서만 접속: DSL,케이블,FTTH // 회사 or 집에서 접속 : ethernet, WiFi



(1) DSL

📝 DSL : Digital Subscriber Line의 약자로 가장 널리 보급된 Home Access network이다. 일반적으로 xDSL이라고 하는데 x는 변수역할이다. ADSL, VDSL, SDSL등 다양한 종류의 DSL이 있다.

ex) ADSL은 (구 하나로통신)현 SK브로드밴드, (구 한국데이터통신)현 LG U+, (구 하이텔)현 KT(=한국통신)가 제공하고 있다.

  • 일반적으로 Home은 유선 로컬 전화 서비스를 제공하는 (지역이 동일한) 전화 회사(telco)로 부터 DSL 인터넷 접속 서비스를 받는다.

  • 위 그림과 같이 각 사용자의 DSL modem은 telco의 지역중앙국(전화국)에 위치한 DSLam(Digital Subscriber Line access multiplexer)과 데이터를 교환하기 위해 기존 전화선(꼬임쌍선형식임)을 이용한다. Home의 DSL modem이 digital data를 받아 전화선을 통해 Central Office로 전송하기 위해서는 고주파 신호로 변환되어야 하는데 DSL modem이 그 역할을 한다. 그리고 다시 DSLam에서는 그러한 아날로그 신호가 digital data로 변환된다.
  • Home의 기존 전화회선은 data와 전통적 전화 signal을 동시에 전달하고, 이들은 다른 주파수에서 encode된다. 그러한 채널은 다음과 같다 :
    • (아래처럼 downstream과 upstream의 전송속도가 다르기에 접속이 비대칭(asymmetric)이라고 한다.)
    • ⚡고속인 downstream channel : 50 KHz-1 MHz 대역
    • 중간 속도인 upstream channel : 4-50 KHz 대역
    • 그냥 양방향 전화 channel : 0-4 KHz 대역(사람 목소리가 이정도임)
      • 이 방식들은 단일 DSL link가 3개의 분리된 link처럼 보이게 하여, 인터넷 연결과 하나의 전화회선이 동시에 DSL링크를 공유할 수 있게 한다.
      • Home의 Splitter가 Home에 도착하는 data와 전화 signal을 분리하여 data신호만을 색출하여(demultiplexing) DSL modem으로 전송한다. 또한, telco산하의 Central Office에 있는 DSLam은 data와 전화 signal을 분리하고 data를 인터넷으로 송신하는데 이렇게 다양한 신호를 다룬다는 이유로 DSLam의 m이 multiplexer 이다.
      • 이런 식으로 수백 / 수천 개의 Home들이 하나의 DSLam에 연결된다.

DSL 표준[ITU 2006]은 55 Mbps의 downstream과 15Mbps의 upstream을 정의하는데 이는 실제와 다를 수 있다. 왜냐하면, DSL 제공자가 계층서비스(tierd service :가격차이에 따라 서로 다른 전송속도 제공)를 제공하기 때문이며, Home과 Central Office간의 거리, 전화회선(꼬임쌍선)의 규격, 전기적 간섭의 정도에 따라 최대 전송속도의 차이가 나기 때문이다. 후자의 이유에 의해 일반적으로 HOME이 Central Office로부터 8~16km내에 있지 않으면 HOME은 다른 type의 인터넷 접속을 고려해야 한다.

(2) 케이블

📝 케이블 : 케이블 TV 회사의 기존 케이블 TV 기반구조를 이용한 인터넷 접속

  • Home은 케이블 TV 서비스를 제공하는 회사로부터 인터넷 접속 서비스를 받는다.

  • 광케이블은 Cable head end를 neighborhood-level junctions에 연결하며, 이것을 기반으로 해서 개별 가정과 아파트에 도달할 때는 전통적인 동축케이블이 사용된다. 각 neighborhood junctions은 보통 500~5000가정을 지원한다.
    • 광케이블과 동축케이블 모두 이러한 시스템내에서 채택되고 있으므로 HFC(Hybrid Fiber Coax) 라고 불린다.
    • 또한, 케이블 인터넷 접속을 위해서는 외장형 장치이며 ethernet port를 통해 Home PC에 연결할 수 있는 cable modem이 필요하다.
  • Cable head end에서 CMTS(Cable Modem Termination System)는 DSL의 DSLam과 비슷한 기능을 제공한다.
    • 즉, 많은 downstream home에 있는 cable modem으로부터 송신된 아날로그 signal을 다시 디지털 signal로 변환한다.
  • 한편, cable modem은 HFC 네트워크를 downstream channel, upstream channel로 나눈다.
    • DSL과 마찬가지로 접속은 비대칭(asymmetric)이며, 전송속도는 DOCSIS 2.0 표준에서 downstream를 최대 42.8Mbps, 그리고 upstream을 최대 30.7Mbps 속도로 정의하고 있다.
여기서 중요한 특징이 있는데, DSL은 dedicated한 반면 케이블은 shared이다. 왜냐하면 Cable head end가 보낸 모든 패킷이 모든 링크의 downstream channel을 통해 모든 Home으로 전달되고, Home에서 보낸 모든 패킷은 upstream channel을 통해 head-end로 전달되기 때문이다.
이러한 shared 특성 때문에 다른 주파수마다 다른 채널을 전송해야할 필요성이 생기며, 그럼에도 각 사용자가 같은 채널을 사용하고 있고, 각기 다른 데이터를 수신중이라면 속도가 느려진다.

다중화에는
FDM(Frequency Division Multiplexing, 주파수분할 다중화)
TDM(Time Division Multiplexing, 시분할 다중화)
CDMA(Code Division Multiple Access, 코드분할다중접속)
이 3가지 종류가 있다.

(3) FTTH

  • 현재는 미국에서 DSL과 케이블 network를 사용하고 있으나, 미래에는 보다 빠른 기술인 FTTH(Fiber To The Home)를 사용할 것이다.

    • 이 FTTH 기술은 Central Office로부터 가정까지 직접 광섬유 경롤를 제공한다. 심지어 현재도 한국, 홍콩, 일본, 싱가폴, 대만, 스웨덴 등 많은 나라들이 30% 이상의 가정 보급율을 갖고 있다.

  • 이 외에도 Central Office로부터 가정까지 광신호를 분배하는 여러 기술들이 있다. 대표적으로는 direct fiber : 각 가정으로 CO에서 하나의 광섬유를 제공하는 가장 간단한 광신호 네트워크

    특히 CO에서 시작되는 각 광섬유는 실질적으로 여러 가정이 공유한다. 가정에 가까운 곳까지 하나의 광섬유로 와서 이곳에서 고객별 광섬유로 분리된다. 이러한 splitting을 수행하는 2가지 경쟁적인 광신호 분배 네트워크 구조가 있다.

    1. AON(Active Optical Network) : 교환(switched) ethernet이며 한참 뒤에 설명.

    2. PON(Passive Optical Network) : 아래 그림을 보면 각 가정은 ONT(Optical[광] Network Terminator)를 갖고 있으며 이는 지정된 광섬유로 이웃 splitter에 연결된다. splitter는 여러 가정을 1개의 shared 광섬유로 결합하고 이를 telco의 Central Office에 있는 OLT(Optical Line Terminator)에 연결한다. 그 후, 광신호와 전기신호 간의 변환을 제공하는 OLT는 telco router를 통해 인터넷에 연결된다.

      가정에서는 Home router(무선 라우터)를 ONT에 연결하고 이 Home router를 통해 인터넷에 접속한다. PON 구조에서는 OLT에서 👉 splitter로 송신된 모든 packet은 splitter(cable head end와 유사)에서 복제된다.

  • SPEED : FTTH는 Gbps급 속도를 제공한다. 하지만 역시 비쌀수록 빠르다..

(4) Ethernet

  • 일반적으로 LAN은 기업과 대학, 가정 환경에서 end system을 edge router에 연결하기 위해 사용된다. 여러가지 LAN 기술 중 ethernet이 기업, 대학, Home network에 가장 많이 사용되는 접속 기술이다.
  • ethernet은 ethernet switch에 연결하기 위해 꼬임쌍선(twisted pair)을 이용한다. ethernet switch 혹은 interconnected switch들의 network는 이제 다시 더 큰 Internet으로 연결된다.
  • SPEED : USER는 ethernet switch에 100Mbps or 1Gbps로 접속, SERVER는 1Gbps or 10Gbps로 접속한다.

10Mbps는 일반이더넷, 100Mbps는 패스트 이더넷, 1Gbps는 기가비트 이더넷이라고 한다.

(5) WiFi(Wireless LANs)

그러나 사람들은 노트북, 스마트폰, 태플릿, IoT 등에서 점차 무선으로 접속하고 있다.
무선 LAN 사용자들은 enterprise network에 연결된 AP(Access Point)로 패킷을 송/수신하고, 이 AP는 유선 네트워크에 다시 연결된다. (shared)
  • 반경 : 이 무선 LAN은 일반적으로 AP의 수십미터 반경 내에 있어야 한다.
  • SPEED : 802.11은 오늘날 평균 100Mbps 이상의 공유 전송속도를 제공한다.
    • 802.11 b/g/n : 11, 54, 450 Mbps (Maximum)

AP(Access Point) = base station

(6) Wide-Area Wireless Access(3G,LTE) : 광역 무선 접속

  • 휴대폰으로 걸어다니면서 유튜브같은것을 볼 경우, 이동 전화망 사업자들이 운영하는 기지국(base station)을 통해 휴대폰이 패킷을 송수신하는데 사용되는 무선 기반구조를 채택하고 있다.

  • 반경 : WiFi와 달리 base station으로부터 수십 km내에 있으면 된다.

  • SPEED : 얼마 전만 해도 전화 회사들은 1Mbps 이상의 속도인 3G 서비스에 많은 투자를 하였으나, 최근 더 빠른 4G,5G까지 구축되고 있다. 그리고 LTE(Long-Term Evolution)는 3G 기술에 그 기반을 두고 있으며 이는 10Mbps 이상의 전송속도를 얻을 수 있다.



Ethernet과 Wifi (of Access Network)가 초기에 기업(회사, 대학교)환경에 많이 구축되었으나, 최근에는 상대적으로 Home network의 공통 요소가 되었다. 많은 가정은 광대역 Access Network 즉, cable modem, DSL과 강력한 Home network를 만들기 위해 값싼 무선 LAN기술을 결합한다. 이 Home network는 유선 PC뿐 아니라 로밍 laptop, 무선 PC와 가정 내의 다른 무선 장치들과 통신하는 기지국(base station,무선 AP), 광대역 인터넷 접속을 제공하는 cable modem, 기지국과 cable modem을 가진 고정 PC를 연결하는 router로 구성된다. 아래 그림은 Home network의 그림이다.



2.2 물리 매체(Physical Media)

여기서는 인터넷에서 공통적으로 사용하는 매체들을 살펴본다.

bit가 한 end system에서 목적지 end system으로 갈 때 모두 전자파or광펄스 형식으로 첫번째 end system이 edge router에게 bit를 전송하고 수신받은 edge router가 2번째 router로 송신 후 2번째 router가 비트를 수신 후 다시 송신하는 방식으로 여러번 라우터를 거쳐 목적지 end system에 도달하게 된다. bit를 보낼 때 바로 이 물리 매체(Physical Media)상에서 전자파나 광펄스를 전파한다.

  • Physical Media는 2가지 유형으로 나뉜다 :
    • 유도 매체(guided media) : 광섬유 케이블(fiber cable), 꼬임쌍선(동선,copper,twisted pair), 동축케이블(coaxial cable)과 같이 견고한 매체를 따라 파형을 유도한다.
    • 비유도 매체(unguided media) : 무선 LAN 혹은 디지털 위성채널과 같이 대기와 야외 공간으로 자유롭게 파형을 전파한다.

이 Physical media의 비용은 다른 네트워킹 비용에 비해 매우 적다. 오히려 물리매체를 설치하는 비용이 더 든다.

(1) 꼬임쌍선 or 동선(twisted pair made by copper)

  • 가장 싸고 가장 많이 이용하는 전송매체. 100년 넘게 전화망에서 이용되었다.(DSL에서 사용,dedicated)
  • 2개의 절연(insulated) 동선이(각각 1mm 굵기) 규칙적으로 꼬여있는 형태로서, 일반적으로 꼬인 쌍이 4개정도 있다.
    • 이웃하는 쌍들 간에 전기적 간섭을 줄이기 위해 꼬여있다.
    • 이러한 한 쌍의 선이 1개의 communication link를 구성한다.
  • 2가지 type:
    • UTP(Unshielded Twisted Pair) : 빌딩의 컴퓨터 네트워크, LAN에 가장 많이 이용하는 매체이다..
    • STP(Shielded Twisted Pair) : 은박지 같은걸로 꼬임쌍선을 보호하는 형태인데 잘 안씀.
  • SPEED : category 5(CAT 5)같은 경우 100Mbps정도, Category 6(CAT 6)같은 경우 10Gbps까지 나온다.

(2) 동축케이블(coaxial cable made by copper)

  • twisted pair처럼 2개의 copper line으로 되어있으나, 2개의 구리선이 동심원 형태를 띄고 있다.
    • 이러한 구조에 더불어 특수 절연 및 차폐를 가진 동축케이블은 twisted pair보다 더 높은 전송률을 얻을 수 있다.
  • SPEED : 수십 Mbps
  • 케이블 TV 시스템에 주로 사용
    • shared로 사용가능(여러 end system이 케이블에 직접 연결가능하고, 모든 system은 다른 end system이 전송하는 모든 것을 수신)
  • 양방향 전송 가능(downstream, upstream)

(3) 광섬유(fiber optic cable)

  • (비트를 나타내는 빛의 파동(light pulse))을 전하는 가늘고 유연한 매체. 전자 간섭에 영향도 안받고, 100km까지는 신호감쇠 현상도 거의 없으며 도청하기도 어렵다.
    • 이런 이유로 광역 유도 전송 매체로 널리 이용(광역 전화 네트워크와 해저 링크)
  • SPEED : 10Gbps~100Gbps

(4) 지상 라디오 채널

  • 전자기 스펙트럼으로 신호 전달. 물리적 선이 필요X, 벽 관통 O, 이동 사용자도 잘 안끊기고, 먼거리까지도 신호 전달 O
  • 양방향 전송 가능
  • But, 환경의 영향 多
    • reflection(물체의 신호 반사)
    • interference(다른 라디오 채널이나 전자기 신호의 간섭)
    • obstructions by objects(방해 물체를 돌아가거나 통과함에 따라 신호 약해짐)
  • 3가지 tyep 존재 :
    • 1~2m의 매우 짧은 거리에서 동작하는 channel
    • 10m~수백m에 걸쳐 Local Area Network로 동작하는 channel(무선 헤드셋, 키보드, 의료장비처럼 개인장치)
    • 수십 km에 걸쳐 광역에서 작동하는 채널(휴대폰 접속)

(5) 위성 라디오 채널

  • 한 주파수 대역으로 전송신호를 수신하고 리피터를 이용하여 그 신호를 재생하며, 그 신호를 다른 주파수 대역으로 전송한다.
  • 2가지 type:
    • 정지위성(geostationary satellite)
    • 저궤도위성(low-earth orbiting satellite, LEO)
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