10. Wide Area Networks (WAN)

Switched Communications Networks

• Stations
  네트워크에 붙어있는 단말 장치,
  데이터의 발신자·수신자 역할을 하는 장치

• Switching node
  네트워크 내부에서 들어온 데이터를 다음 노드로 전달(스위칭) 해 주는 장치

• Node
  통신(스위칭) 기능을 제공하는 네트워크 구성 요소

• Communications network (통신망)
  여러 개의 노드가 모여 이루는 전체 구조

• Switched communication network
  스테이션에서 들어온 데이터가 여러 스위칭 노드를 거쳐
  목적지 스테이션으로 경로가 설정되어 전달되는 통신망

Circuit Switching

: 전용 경로(dedicated path)를 송·수신 스테이션 간에 설정하여,
그 경로를 통째로 독점 사용하는 방식
ex. 유선전화

Three Phases

• Establish
  양쪽 스테이션 간의 전용 회선을 잡기 위해
  네트워크 내부 노드들이 경로를 예약·확립

• 전송(Transfer)
  확립된 전용 회선을 통해 데이터가 흐름

• 해제(Disconnect)
  통신이 끝나면 전용 경로를 해제하여 자원을 반환

단점
• 회선 전체 용량을 통신 내내 독점 → 비효율적
• 초기 연결 설정에 시간이 소요

장점
• 경로가 확립되면 전송 중 지연이 거의 없고 QoS 예측 가능

Circuit-Switching Technology

주로 음성 통화 서비스에 최적화됨
: 음성 대화 품질을 위해 통신 지연과 지연 변동(jitter)를 최소화해야 함

디지털 데이터에 비효율적
: 인터넷 트래픽처럼 bursty data의 경우, 회선 독점은 자원 낭비

회로가 설정되면 양쪽 스테이션에 직접 연결된 전용 케이블
: 중간 노드에서의 별도 제어·에러 처리 로직 불필요

Circuit-Switching Concepts

Circuit-Switching의 주요 구성 요소

Digital Switch
• 회로 설정 후 transparent 신호 경로를 제공
• 패킷화나 버퍼링 없이, 양방향(full‑duplex) 데이터를 실시간 전달

Network interface
• 종단 장치(전화기·PBX·데이터 단말)와 스위치 사이의 입출력 논리 및 하드웨어

Control unit
• 회로의 설립(Establish), 유지(Maintain), 해제(Teardown) 전반을 관리하는 중앙 제어 로직

Blocking or Non-blocking

Blocking Network

가능한 모든 경로가 점유되어 있으면, 새 연결을 거부할 수 있는 구조
통화 시간이 보통 짧고, 전체 가입자 중 동시 통화 비율이 낮은 전화망에서 사용

Non‑blocking Network

어떠한 시점에서도 모든 연결 요청을 수용할 수 있는 구조
장시간·연속 연결이 많은 데이터 통신에서 사용

Space Division Switching

모든 통화(또는 데이터) 경로가 서로 독립된 물리적 회선으로 구성
한 번 설정한 회로를 송신·수신 station이 배타적으로 사용

Time Division Switching

Virtual Circuit :
물리적 회선이 아닌 가상 회로(Virtual Circuit)를 시간 슬롯 단위로 배정

Multiplexing :
낮은 속도 비트 스트림을 상위 속도 프레임 안에 삽입하여 전송
→ 여러 입력 스트림이 하나의 고속 링크 공유

Control Logic :

• 스위치의 제어 유닛은 입력 슬롯 번호와 출력 슬롯 번호를
  연결(mapping)하는 테이블을 유지
• 각 프레임마다 컨트롤 로직이 해당 테이블을 참조해,
  들어온 슬롯 조각을 지정된 출력 슬롯으로 포워딩

Packet Switching

패킷 교환 : 변동이 심한 데이터 통신(파일 전송, 웹, 이메일 등)을 위해 설계.
데이터를 작은 패킷 단위로 분할하여 전송

패킷 구성 요소 :

• 사용자 데이터
  실제 전송하려는 메시지의 일부

• 제어 정보
  목적지 주소(라우팅 정보)
  순서 번호(sequence number), 오류 검출 코드(CRC)

중간 경유지(라우터·스위치)의 버퍼(buffer) 에 패킷을 잠시 저장
→ 다음 노드로 전달

Advantages

packet switching 방식의 장점

라인 효율(Line Efficiency)

• 단일 link를 시간 단위로 여러 패킷이 공유
• 패킷이 큐잉(queueing)되어 가능한 한 빨리 전송
  : 버퍼에 저장되었다가, 바로 전송 가능해지는 시점에 즉시 내보냄

데이터 속도 변환(Data‐Rate Conversion)

• 각 스테이션이 자기 속도로 연결 가능
• 노드가 필요시 버퍼링을 통해 속도 차이를 보정
  ex. 100 Mbps로 들어온 패킷을 10 Mbps 링크로 넘길 때, 초과 패킷을 버퍼에 잠시 저장했다가 천천히 흘려보냄으로써 송·수신 속도를 맞춤

네트워크가 바쁠 때도 패킷 수용

• 혼잡 시에도 패킷을 즉시 폐기(drop)하지 않고 버퍼에 보관
• 서비스 거부 없이 트래픽을 꾸준히 처리

우선순위 적용(Priorities)

• 중요한 트래픽에 높은 우선순위 부여 가능
• 낮은 우선순위 패킷은 대기시켜, 네트워크 자원을 효율적으로 분배

Switching Techniques

메시지를 패킷으로 분할한 뒤, 네트워크가 이를 처리하는 두 가지 주요 기법

데이터그램(Datagram)

패킷 A, B, C…를 보낼 때
A는 경로 1→4→7,
B는 1→5→9,
C는 1→4→8 같은 식으로 개별 라우터가 최적 경로를 계산해 포워딩

버추얼 서킷(Virtual Circuit)

발신↔중간 노드↔수신 간에 가상 회로 번호(VCI/VPI)를 할당
모든 패킷 A, B, C…는 같은 노드 집합(예: 1→4→7)을 따라 이동하며,
라우터는 VCI만 보고 포워딩.

Virtual Circuit vs. Datagram

Effect of Packet Size on Transmission Time

packet을 쪼갤수록 transmission time 줄일 수 있음

External Network Interface

호스트와 패킷 교환망 사이에 쓰이는 인터페이스

세 가지 계층을 정의 :

• 물리 계층
• 데이터 링크 계층
• 패킷 계층

Asynchronous Transfer Mode (ATM)

• 셀 기반 전송
  고정 길이의 셀이라는 단위로 데이터를 나눠 전송

• 고정 크기 셀로 지연 변동 최소화
  모든 셀이 크기가 동일해서 스위칭·버퍼링 시 지연 변동(jitter)이 매우 작음

• 작은 셀 크기로 인해 음성 서비스에 유리
  음성·영상 같은 지연 민감 트래픽에서 패킷화 지연 최소화

• 회로교환 + 패킷교환 장점 결합
  회선 교환 수준의 QoS(연속 대역폭, 낮은 지연)와
  패킷 교환 수준의 효율적 대역폭 공유 기능 제공

Event Timing for Circuit Switching and Packet Switching

(a) Circuit switching

Call setup

• 발신지→종단 교환기: call request 신호
• 경로별 전파 지연(propagation delay) + 처리 지연(processing delay)
• 종단 교환기→발신지: call accept 신호

데이터 전송

• 회로가 열린 뒤에 연속 비트 스트림(user data) 전송 가능

Acknowledgment

• 통화 종료 시 “승인 신호(ACK)”를 회선 신호 형태로 교환

(b) Virtual circuit

Call setup

• 발신지→중간 노드에 call request packet 전달 (패킷화 필요)
• 각 홉에서 패킷 처리 후 다음 홉으로 전송
• 최종 지점에서 call accept packet 되돌아옴

데이터 전송

• 경로 설정 후에 패킷 단위로 파이프라이닝(pipelining) 전송
• 홉별로 차례차례 처리되어 연쇄적으로 전달

Acknowledgment

• 모든 데이터 패킷이 도착한 뒤 “ACK 패킷” 전송

(c) Datagram packet switching

Call setup

• 콜 설정 단계 없음

데이터 전송

• 각 패킷이 독립 경로(라우팅 테이블)에 따라 비동기적으로 전송
• 순서·지연 편차 큼

Acknowledgment

• 개별 패킷 전송에 대한 ACK 없음(상위 계층에서 처리)

ATM

: Virtual-Circuit Packet Switching 방식

Asynchronous Transfer Mode(ATM)의 활용 사례

• 통신 사업자의 광역망 구현
: 세계 각국의 전화·인터넷 사업자들이 도시 간, 국가 간에 걸친 광역 네트워크(WAN) 을 구축할 때 ATM을 이용

• DSL 구현에서의 ATM 사용

• 수많은 IP 네트워크의 backbone 기술

• MPLS의 등장과 ATM 역할 축소
: MPLS는 ATM과 달리 물리 계층 독립적이고, 라벨(label) 기반 포워딩으로 유연한 경로 제어·혼잡 관리가 가능해 ATM을 점차 대체

Virtual Channel Connection (VCC)

ATM 망 내부에서 두 종단 사용자 간에 설정되는 가상의 회선

종단 간 설정

• 두 사용자 사이에 VCC를 설정
• 설정 후 고정 길이(53바이트)의 셀이 가변 속도(full-duplex)로
  양방향 교환됨

다양한 적용

• 사용자↔네트워크(User-Network Interface)
• 네트워크↔네트워크(Network-Network Interface)

Virtual Path Advantages

Virtual Path (VP) : 여러 Virtual Channel Connection(VCC)을 하나의 “다발(bundle)”로 묶은 개념

네트워크 구조의 단순화

네트워크가 수행하는 transport functions을 두 계층으로 나눌 수 있음

• Virtual Channel Connection, VCC 관련 기능
  : 각 가상 회선 단위로 처리되는 제어·관리 기능
• Virtual Path, VP 관련 기능
  : 여러 VCC를 하나로 묶은 가상 경로 단위로 처리되는 기능

성능 및 신뢰성 향상

Aggregation의 이점 : 수십·수백 개 VCC가 아니라, 소수의 VP만 처리
→ 처리 부담 경감

처리 부하 감소 및 빠른 회선 설정

VP 경로와 대역폭이 이미 확보되어 있으므로 새로운 VCC 설정 시,
망 내부 노드 간 추가 경로 탐색 없이 endpoint 간 신호 교환만으로 연결

확장된 네트워크 서비스

VP 정보가 사용자 단말에서도 보이도록 인터페이스 제공
사용자는 VP 안에 묶인 VCC들만 통신하도록 그룹을 만들 수 있음
→ Closed User Group(CUG), virtual channel bundles 네트워크

Virtual Channel Characteristics

ITU-T I.150 권고안에 정의된 가상 회선(VCC)의 주요 특성

서비스 품질(QoS)

• 셀 손실률(Cell Loss Ratio, CLR)
  전송 도중 손실되는 셀의 비율을 제한하여 데이터 무결성 보장

• 셀 지연 변동(Cell Delay Variation, CDV)
  각 셀의 네트워크 왕복 지연이 얼마나 일정한지 규정 → jitter 제어

스위치형 vs. 반영구형 VCC

• 스위치형 VCC (Switched VCC)
  수요 발생 시 호출 제어 신호(call control signaling)를 통해
  동적으로 설정·해제

• 반영구형 VCC (Semipermanent VCC)
  한 번 설정해 놓으면 특별한 요청 없이도 계속 연결 상태가 유지됨

셀 순서 보장(Cell Sequence Integrity)

하나의 VCC 안에서 전송된 셀들은 발신 순서 그대로 수신지에 도달

트래픽 파라미터 협상 및 모니터링

• 파라미터 협상
  사용자↔네트워크 간에 VCC별 최대 셀 전송률(CRP),
  Burst Size 등을 협의

• 사용량 모니터링
  네트워크는 입력된 셀 흐름을 지속 감시하며,
  협의된 한도 초과 시 경고 또는 셀 폐기(drop) 조치

Virtual Path Characteristics

Virtual Channel Characteristics + VCI 제한

VCI 제한(Virtual Channel Identifier Restriction)

일부 VCI는 사용자에게 할당되지 않고, 네트워크 운영·관리용으로
따로 남겨 둘 수 있음

Control Signaling

VCC와 VPC의 제어 신호(Control Signaling) 동작 방식

VCC(Virtual Channel Connection) 제어 신호

Semipermanent VCC

사용자 간 직접 교환(user-to-user) 용도로 사전 설정된 경우

Switched VCC

사전 설정된 제어 채널(call-control signaling channel) 이 없으면,
먼저 제어용 채널을 하나 설정해야 함
→ 이 제어용 채널 : 메타-신호(meta-signaling) 채널

VPC(Virtual Path Connection) 제어 신호

Semipermanent VPC

사전 협의(prior agreement) 에 따라 장기간 설정
호출 설정·해제용 신호 불필요

Switched VPC

• 고객 주도(Customer-Controlled)
  고객이 신호용 VCC 를 통해 “VPC 설정” 또는 “해제”를 요청

• 네트워크 주도(Network-Controlled)
  네트워크가 자체 운용 편의를 위해 VPC를 자동 설정·해제
  설정 경로는 다음 세 가지 모두 가능
  Network ↔ Network (망 간)
  User ↔ Network (사용자–망)
  User ↔ User (사용자–사용자)