Ch01. Introduction

Srevil·2022년 10월 3일

Computer Network in UOU

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차례

What is the Internet?
What is a protocol?
Network edge : hosts, access network, physical media
Network core : packet/circuit switching, internet structure
Performance : loss, delay, throughput
Security
Protocol layers, service models
History

What is the Internet?

Internet 은 크게 두가지 관점

nuts and bolts(구성 요소)

service(제공하는 서비스)

"nuts and bolts" view

수백만개의 연결된 컴퓨팅 장치 존재
- host(=end system) = all device
- Internet's Edge에서는 Network apps 이 실행되고 있음
  - Internet의 Edge = Network edge
  - Network's Edge = End host
  - Network Edge = 여러개의 Net으로 이루어진 Internet에서 말단 부분에 위치한 "Network"
  - Ex) Mobile Network, Home Network 처럼 직접 접하는 Net
Communication links라 불리는 fiber, copper, radio, satelite로 데이터를 전송
- 종류에 따라 전송 속도가 다름
- 이때 data는 bandwidth를 bits per second 단위로 표기
  - bandwidth : 통신 시스템의 자료 전송율 또는 주파수 범위(전송속도)
Packet Switches는 패킷을 전송하는 network 3계층의 장비
- router 와 switch
- packet : network 3계층에서 라우팅에 사용하는 data 단위이며, 데이터 덩어리(chunks of data)
Networks는 devices, routers, links의 모음
Internet은 Network of Networks.
- ISP(Internet Service Provider)과 연결되어 있음.
Protocols은 message 송수신을 위한 일종의 약속
- TCP, IP, HTTP, Skype, 80.11 같은 약속들이 존재
Internet Standars를 규정하는 문서가 존재
- RFC : Request for comments
- IETF : Internet Engineering Task Force

A "Service" view

Application에게 service를 제공하는 기반 시스템(Infrastructure)
- Web, Streaming video, Multimedia teleconferencing, email, etc.
Programming Interface를 제공하여 Distributted App 제작을 도움
- Application에 코딩이 가능한 socket interface 제공
- Distributted App : end system 에서 end system으로 송수신 가능한 app

What is a protocol?

Network Protocols은 Protocol에 의해 통제되는 인터넷의 모든 통신활동
Message의 format 과 order를 정의
Message에 대한 actions 또는 events를 정의

data를 주고받기 위한 약속이며, 인터넷의 모든 communication은 protocol로 정의

Network Edge

Internet Structure

Network Edge는 host로 구성
Access Networks, Physical media 는 유무선 통신 링크를 가지는 Network
Network core는 router들의 연결 집합과 network of networks

Host

Host는 데이터의 packet을 보내는 주체.
1. application message를 수신
2. packet이라고 하는 작은 덩어리로 분할(이 길이를 L bit)
3. packet 을 R(전송 속도)로 access network로 전송

Link transmission rate = link capacitiy = link bandwidth

client 와 server로 구분
- client = Desktop, Laptop, Smartphone, etc
- server = 웹 페이지를 저장 & 분배하는 등 더 강력한 기능을 갖춘 컴퓨터
  - 오늘날 많은 서버는 커다란 data center 내에 있음.

Access networks

Access networks : host1 -> host2 경로상에 있는 첫 번째 router

How to connect end systems to edge router?
Host를 edge router에 연결하는 법
- residential access nets(주거용 출입망)
- institutional access networks(school, company)
- mobile access networks(WiFi, 4G/5G)
What to look for:
- transmission rate (bits per second) of access network
- shared or dedicated access among users

Cable-based access

통신 자원 공유해서 사용

주파수 차이를 이용해 Channel 형성
FDM : 특정 전송로의 전체 주파수 대역폭을 여러 개의 작은 대역폭으로 분할하여 여러 명의 사용자가 동시에 사용하는 방식

HFX = 광동축 혼합망
- asymmetric: up to 40Mbps~1.2Gbs downstream transmission rate, 30-100Mbps upstream transmission rate
  비대칭: Downstream 전송 속도(40Mbps ~ 1.2Gbps), Upstream 전송 속도(30-100Mbps)
Network of cable, fiber attaches homes to ISP router
ISP router에 home 연결
- homes share access network to cable headend
  home 은 cable headend에 대한 access network 공유

DSL(Digital Subscriber Line)

use existing telephone line to central office DSLAM
지역 중앙국에 위치한 DSLAM과 데이터를 교환하기 위해 기존 전화 회선을 이용
- Data over DSL phone line goes to Internet
  DSL 전화선을 통해 데이터가 인터넷으로 이동
- Voice over DSL phone line goes to telephone net
  DSL 전화선을 통한 음성은 전화망으로 이동
24-52Mbps dedicated downstream transmission rate
DSL 표준에서 Downstream의 속도를 24Mbps와 52Mbps 로 정의
3.5-16Mbps dedicated upstream transmission rate
DSL 표준에서 Upstream의 속도를 3.5Mbps 와 16Mbps 로 정의

Home Networks

Wireless access networks

Shared wireless access network connects end system to router.
공유 무선 access network가 end system과 router 를 연결

종류

Wireless local area networs(WLANs) 근거리 통신
Wide-area cellular access networks

Wireless local area networks(WLANs)

이론상 수백m, 실상황은 10~30m
국제 표준 IEEE 802.11 b/g/n(WiFi)

Wide-area cellular access networks

Cellular : 통신사업자(KT, SKT, etc.) 가 제공
4/5G cellular networks

Enterprise Networks

기업 내 Networks

Mix of wired, wireless link technologies, connecting a mix of swithces and routers.
유선, 무선 링크 기술의 혼합. 스위치와 라우터의 혼합 연결
- Ethernet: wired access at 100Mbps, 1Gbps, 10Gbps
- WiFi: Wireless access points at 11, 54, 450 Mbps, 1's Gbps
  - router = network layer 에 존재. 다른거 사이를 연결
switch = link layer 에 존재. 같은거 사이를 연결

Links: physical media

bit

Propagates between transmitter/reciever pairs
비트가 출발지에서 목적지로 전달될 때, 일련의 송수신기 쌍을 거친다. 즉, 비트는 송수신기 쌍 간에 있는 전파라고 생각할 수 있다.

physical link

what lies between transmitter & recevier
송수신기 사이에 있는 물체

종류

Twisted pari(TP)
- LAN 기술 중에 이더넷 기술이란 것이 존재
- TP는 LAN에 가장 많이 이용하는 매체
- two insulated copper wires
  절연 구리선 두 개
Coaxial cable(동축 케이블)
- two conentric copper conductors (두 개의 동심 도체)
- bidirectional(양방향 통신)
- broadband - 넓은 frequency 제공
  - 케이블의 다중 주파수 채널
  - 속도는 protocol에 따라 변화하지만, 100's Mbps per channel
Fiber optic cable(광섬유 케이블)
Wrieless radio
- no physical "wire"
- broadcast and "half-duplex"
  - half-duplex : 전송/수신 가능 but, 동시에는 x
- signal carried in electromagnetic spectrum
  전자기 스펙트럼 이용
- propagation environment effects
  + reflection(반사)
  + obstruction by objects(물체 장애물)
  + interference(간섭)
  
  간섭의 경우, 다른 device가 똑같은 주파수에 접근함으로써 성능저하가 발생하는 것을 의미
Radio link types
- terrestrial microwave(지상 마이크로파) - 45Mbps
- Wireless LAN - 100's Mbps
- wide-area(cellular) - 10's Mbps(4G)
- satellite - 45Mbps per channel & end-end delay(270msec)
Network core

About packet/circuit switching, Internet structure

Network core

router들의 연결
packet-switching
- 유형 : router와 link-layer switch
- host가 전송할 msg를 packet으로 분할
- packet은 목적지 host로 향하며, 통신 링크와 패킷 스위치를 지남.
- 각 패킷은 full link capacity로 전송

Packet-Switching

Store-and-forward

$1$ $kbit$ = $1000$ $bit$
$1$ $Mbit$ = $10^{6}$ $bit$
$1$ $Gbit$ = $10^9$ $bit$
$1$ $byte$ = $8$ $bit$

In book

스위치가 첫 비트를 전송하기 전에 전체 패킷을 받아야함을 의미
라우터는 보통 여러 개의 링크를 갖는다
-> 라우터의 기능이 입력되는 패킷을 출력 링크로 교환하는 것이기 때문
출발지부터 목적지까지 N개의 link(N-1개의 router)로 구성되고, 전송률이 R인 경로에서
$d_{종단}$ $_간$ $_{지연}$ = $N*L/R$

Queuing delay, loss

Router의 memory 가 꽉차면 loss

In book

각 link 에 대해 packet switch 는 출력 버퍼를 가짐.
출력 버퍼에는 그 link로 송신하려고 하는 packet을 저장
link로 송신하려고 하는데 그 link가 이미 packet을 송신 중이라면 해당 packet은 출력 버퍼에 저장.
즉, 출력 버퍼에서 대기하는 시간을 Queuing delay라 한다.
또한, 출력 버퍼 공간의 크기도 유한
-> packet으로 꽉 찬 경우 loss 발생

Two key network-core functions

Routing

출발지에서 목적지까지 어떤 라우터를 거쳐야 하는가?
routing algorithms 사용

Forwarding

table을 통해 도착한 packet을 input link -> output link.

Forwarding table은 routing algorithm을 이용하여 만듦
Forwarding table을 이용하여 적절한 output link 지정

In book
1. Router는 어떻게 packet을 어느 link로 전달하는지 결정하는가?

우선, 출발지는 packet의 header에 목적지의 IP 주소를 포함.
각 router는 목적지 주소(or 일부)를 router의 출력 link로 mapping 하는 forwading table을 갖고 있다.
packet이 router에 도착하면, router는 올바른 출력 link를 찾기 위해 주소를 조사
조사한 목적지 주소를 이용하여 forwading table 검색
이후 해당 packet을 출력 link로 보냄

2. Forwarding Table은 어떻게 설정되는가?
Internet은 자동으로 Forwarding Table을 설정하는데, 이때 이용 되는 routing protocol을 갖고 있다.
예를 들어, routing protocol은 각 router로부터 각 목적지까지의 최단 경로를 결정
이후 router에 forwarding table을 설정하는데 이 최단 경로 결과를 이용

Alternative to packet switching: Circuit Switching

이 방식은 자원 사용 효율성은 떨어짐
- 예약해도 Data 호출이 안되면 사용할 수 없음)
end-end 자원을 할당하고, 출발지와 목적지 사이를 "call"을 통해 예약

In book
1. 회선 교환 = Network에서 종단 시스템 간에 통신을 제공하기 위해 경로상에 필요한 자원은 통신 세션 동안에 확보 또는 예약.
2. 세션은 온디맨드 방식으로 자원 요청하고 사용
-> 통신 link에 대한 접속을 위해 기다릴 수도 있음
3. 회선 : 송수신자 간의 경로에 있는 switch 들이 해당 연결 상태를 유지해야하는 연결
4. 회선 설정 시, 그 연결이 이루어지는 동안 Network link에 일정한 전송률을 예약
-> 송신자에게 보장된 일정 전송률로 데이터 전송 가능
5. 위의 예시에서 각 link는 4개의 회선을 가진다. 이는 각 link에 대해 그 연결은 연결이 지속되는 동안 link 전체 전송 용량의 1/4을 얻는다.
6. Ex) 각 링크가 1Mbsp의 전송률을 갖는다.
-> 지정된 전송률은 250kbps

packet switch의 경우 최대한 빠르게 packet을 전달하려 하지만, 일정 시간 내에 전달하는 것을 보장하지는 않는다

Circuit Switching: FDM and TDM

FDM

Frequency Division Multiplexing(주파수 분할 다중화)
- 주파수가 더 작은 주파수로 나뉨 -> 보낼 수 있는 데이터가 줄어듦.
- 더 좁은 band(대역)으로 전달 가능

TDM

Time Division Multiplexing(시분할 다중화)
- 시간을 slot으로 분할
- 호출에 할당된 slot은 최대 주파수 대역의 속도로 전송 가능. But, 해당 시간 slot 동안만 가능
  
  시간을 나눠서 사용자에게 할당하고, 자신에게 할당된 시간을 모두 사용

공통 단점
낭비되는 자원이 존재한다

In book
1. FDM

링크를 통해 설정된 연결은 해당 링크의 주파수 스펙트럼을 공유
해당 링크는 연결되는 동안 각 연결에 대해 주파수 대역을 고정 제공

TDM
- 시간을 일정 주기의 프레임으로 구분
- 각 프레임은 고정된 수의 시간 슬롯으로 나뉨
- 네트워크가 링크를 통해 하나의 연결을 설정할 때, 네트워크는 모든 프레임에서 시간 슬롯 1개를 그 연결에 할당
- 모든 프레임에 하나의 시간 슬롯
단점
- 할당된 회선의 비활용 기간에는 낭비
- 종단 간 회선을 설정하고 대역폭을 보존이 복잡
- 경로 상에 존재하는 스위치들 사이의 운영을 조절하는 복잡한 신호 SW

주의 전송 시간은 링크 수와 무관

Packet vs Circuit

1. 패킷 스위칭은 더 많은 사용자가 사용 가능

위 예시 기준으로 설명
1 Gb/s link 가 있고, 각 사용자가 10% 시간만 사용하여 100 Mb를 할당한다.

전체 시간에서 사용시간을 10%로 가정
사용자 수는 35명

사용확률 : p = $1\over10$

사용하지 않을 확률 : 1-p = $9\over10$

모두가 사용하지 않을 확률 = $p^0*(1-p)^{35} = ({9\over 10})^{35}$

1명만 사용할 확률 = $p^1*(1-p)^{34}$

...

1 - $\sum_{n=0}^{10}{p^n*(1-p)^{35-n}}$

Circuit-Switching
- 링크 수용 가능이 1 Gb/s 인데, 인당 100 Mb/s 이므로, 최대 10명까지 전송 가능
- 이 방식의 특징 상 전송 품질은 보장된다.
- 90% 시간이 낭비됨
Packet Switching
- 사용자가 35명이라고 가정
- 10명보다 많은 인원이 동시에 패킷을 전송할 확률이 0.0004 미만(위에서 계산)
- 즉, 아주 낮은 확률로 문제가 발생한다.

2. 패킷스위칭이 항상 좋은가?

bursty data 의 경우에는 패킷 스위칭이 좋다.
- bursty data : 모두 전송 -> 휴식 -> 모두 전송... 반복하는 유형의 데이터
- 데이터를 전송하지 않을 때도 있기때문에 유리
과도한 혼잡이 발생할 수 있음.
- 패킷 지연 및 손실로 인한 과도한 혼잡
- loss 와 delay를 막기 위한 프로토콜 필요(TCP)

Internet Structure: a "network of networks"

ISP = Internet Service Providers

Host 는 접속 ISP를 통해 인터넷에 연결
- 기업이나 가정집 역시 ISP가 될 수 있음
접속 ISP(Access ISP)들이 상호 연결되어야 함
- 상호 연결되어야 두 호스트가 서로 패킷 전송 가능
network of networks 의 결과는 매우 복잡
- 경제와 국가 정책의 주도하에 발전

전세계에 존재하는 수백만개의 ISP.
이들을 어떻게 연결할까?
직접 연결 ?
=> 대량의 자원이 낭비
=> 인원이 많아지면 시스템 중단( $O(N^2)$ )

그래서 하나의 global ISP에 각 접속 ISP를 연결
소비자와 제공자 간의 경제적 합의를 거침.
즉, 대가를 지불
global ISP가 하나만 사용하면 독점 가능성.
이에 여러 기업 참여