컴퓨터 네트워크 - 데이터 전송방식 ( Circuit vs Packet )

통신링크와 스위치 간 데이터 이동방식
。서킷 교환 / 패킷 교환이 존재
▶ 현대에는 패킷교환을 많이 사용

Circuit Switching과 Packet Switching의 비교

。동일한 Comm link Resource에서 active와 idle을 반복하는 User일 경우 Circuit Switching보다 Packet Switching방식이 Resource Sharing이 훨씬 효율적
▶ 단 Packet Switching의 경우 Queueing Delay로 인한 Congestion이 발생할 가능성이 존재.

• 예시
  。통신링크 전송용량 : 1 Mbit / s
  。사용자 : active 상태인 경우 100 kb/s를 사용하며 총 사용시간 비율은 90%의 idle, 10%의 active일때
  
  。Circuit Switching의 경우 Call Setup을 통한 자원분할로 오직 10명의 사용자만 수용할 수 있다.
  
  。Packet Switching의 경우 35명의 사용자를 수용할 경우 약 0.004%의 확률로 10명이 동시에 자원을 사용하는 경우가 발생
  ▶ Packet Switching방식이 훨씬 많은 수의 User를 효율적으로 수용

회선 교환 ( Circuit Switching )

。데이터를 전송하기 전 송 수신자 간 고정된 통신경로( = Circuit )를 설정 후 해당 Circuit으로 데이터를 전송

。송신 End System이 Call을 호출하여 Call SetUp을 설정하여 수신 End System으로의 통신링크 자원을 예약하여 하나의 Circuit을 구축 한 후 비트를 전달하는 방식
▶ 패킷 교환은 통신링크 자원을 예약하여 사용하지 않음.


회선 교환 방식 특징

• Call Set Up을 통해 경로를 결정 후 경로상의 통신링크 자원 예약 시 통신링크가 독점되지않고 여러 사용자에 의해 자원을 사용될 수 있게끔 Multiplexing을 통해 자원( = 전송용량 )을 분할하여 예약하여 Circuit을 구축
  → FDM, TDM의 방식이 존재
  
  
• 전화 네트워크에는 적합하지만 인터넷 등의 데이터 네트워크에는 부적합
  。 사전에 Call을 통한 Call Setup을 통해 한 사용자가 통신링크 자원을 예약하여 점유시간동안 사용하는 방식이므로 전화에는 좋은 방식
  ▶ 데이터가 순서대로 전달되며 손실이 거의없음.
  
  。 할당된 데이터 교환의 경우 즉흥적으로 발생하므로 사전에 Circuit을 구축하는 방식은 부적합하여 현대에는 패킷 교환 방식을 사용
  ▶ 패킷 교환 방식은 통신링크 자원을 예약하지 않고 네트워크로 곧바로 전송이 가능
  
  
• 장점
  。회선을 선점하여 데이터를 전송하므로 데이터 손실이 거의 없어 안정적이고 신뢰성이 높음.
  
  
• 단점
  。 할당된 Circuit의 비활용기간 ( silent period )에는 자원이 다른 사용자에 의해 사용될 수 없어 다수의 사용자가 사용 시 비효율적.

  • 회선 ( Circuit )
    。송신자가 정보를 보내기위한 용도의 네트워크 상의 송/수신자 간 연결
    ▶ 송신자와 수신자 간 경로상에 있는 스위치들이 연결상태를 유지해야하는 연결
    
    
  • Call SetUp :
    。Source로부터 Destination까지 경로를 결정
    。경로상 통신링크 자원( = 전송용량 )을 예약하여 점유 ( Resource Reservation )
    ▶ 한 사용자가 통신링크의 자원을 점유하는 경우 다른 사용자는 사용하지 못한다.
    
    
  • 경로 ( Route )
    。패킷이 송신 End System에서 수신 End System에 도달하는 동안 경유한 일련의 통신링크와 패킷 스위치

회선 교환 방식에서 Circuit 구현방법
。다중화( Multiplexing )을 통한 통신링크 자원 분할방법으로서 FDM과 TDM으로 구분하여 Circuit을 구현

• 주파수 분할 다중화 ( FDM : Frequency - Division Multiplexing )
  
  。통신링크의 전체 주파수 스펙트럼을 사용자별로 주파수 대역폭을 분할 후 각 사용자에게 분할된 주파수 대역을 할당하여 통신링크 자원을 분할
  ▶ 사용자는 각 FDM으로 구현된 회선을 통해 지속적으로 대역폭의 일부를 획득
  
  
• 시분할 다중화( TDM : Time - Division Multiplexing )
  
  。통신링크의 전체 주파수 스펙트럼을 시분할하여 각 사용자들이 전체 주파수 대역에서 주기적으로 분할된 시간대로 통신링크 자원을 분할
  ▶ 사용자는 각 TDM으로 구현된 회선을 통해 짧은 시간동안 주기적으로 전체 대역폭을 획득

패킷 교환 ( Packet Switching )
。데이터를 작은단위 ( = 패킷) 으로 분할 전송하며 각 패킷이 독립적으로 네트워크를 통해서 목적지로 전송되는 방식

。통신링크 자원의 예약없이도 필요가 발생할때마다 즉시 자원을 사용하여 Packet을 전달하는 방식

ex ) TCP/IP 기반 통신, 이메일, 웹브라우징 등 존재


패킷 교환 방식 특징

• 데이터 분할 :
  
  。데이터를 작은 패킷으로 분할.
  ▶ 통신링크의 전체 자원을 활용하므로 독점을 방지하고자 긴 Message를 전달하는 경우 Packet 단위로 분할하여 전송
  
  。패킷 전송 시 통신링크의 전체 주파수 대역( full link capacity )을 사용하므로 전송용량의 이점이 존재
  ▶ 통신링크가 이미 점유중인 경우 대기 후 패킷을 전송
  
  
• 경로 동적 선택 :
  。각 패킷이 네트워크 상태에 따라서 서로 다른 경로로 전송가능
  
  
• 효율성 :
  。네트워크 자원을 필요할 때만 사용하여 자원을 공유
  
  
• 재조립 필요 :
  。수신 Host에서 여러 사용자들로부터 수신한 여러 종류의 패킷을 조립하여 원본 데이터로 복원
  
  
• 패킷 교환 방식 장점
  。여러 사용자가 동시에 네트워크를 이용 가능하며 선점을 하지 않아 네트워크 자원을 효율적으로 사용
  
  。데이터 전송 경로를 유연하게 선택
  
  
• 패킷 교환 방식 단점
  。회선 교환에 비해 효율적이지만, 통신링크 자원을 선점하지않으므로 Queueing Delay , Packet Loss 등이 발생하는 단점이 존재
  
  。데이터 재조립 시간 소요

  IP 패킷 = IP 데이터그램( Packet )
  。End System 간 데이터를 전달 시 해당 데이터를 Segment로 분할 후 라우터에서 각 Segment에 Header를 붙여서 구성한 패키지
  ▶ 네트워크를 통해 수신 End System으로 전달 및 목적지에서 원본데이터로 재조립
  
  。패킷 교환 방식을 통해 긴 Message가 통신링크를 독점하는것을 방지하기위해 Packet 단위로 분할하여 전송
  
  。각 패킷은 목적주소를 포함하여 라우터에 의해 Store and Forward를 통해 목적지 End System으로 전달됨

• Store and Forward
  
  。패킷 교환 방식은 Circuit이 구축되어있지않으므로 각 패킷에는 목적주소를 포함
  
  。Router에서 전체 패킷을 수신하는 동안 Store 후 Parsing을 통해 패킷의 목적주소를 파악 후 해당 방향의 통신링크를 결정 후 패킷을 Forwarding
  ▶ 통신링크 자원이 점유중인 상태일 경우 Buffer에 Store된 상태로 대기
  
  。통신링크의 자원을 선점하지 않으므로 Packet들이 적체되는 Queueing Delay가 발생할 수 있음
  
  。라우터 경유 시 패킷전송 소요시간 ( end - end delay ) : $\displaystyle \frac{2L}{R}$
  
  ex ) 패킷 크기 : 7.5 Mbits , 통신링크 Capacity : 1.5 Mbps일때
  라우터까지의 one-hop transmission delay = $\frac{7.5}{1.5}=5 sec$
  ▶ 따라서 총 목적지까지의 소요시간은 $2*5=10sec$

  • 패킷 전송 소요시간
    。L bit 크기의 패킷을 Host에서 S bps capacity의 통신링크를 통해 Access Network로 내보내는데 소요시간
    
    transsmission delay = $\displaystyle \frac{L\ (bits)}{R\ (bits/sec)}$ (초)

• 
  
  
• Queueing Delay
  
  。짧은 시간 내 라우터로 유입되는 패킷이 통신링크로 배출되는 패킷에 비해 상대적으로 많아 Queue 자료구조의 Buffer에 적체되는 현상
  ▶ Congestion 을 유발한다.
  
  。패킷교환에서 통신링크 자원을 선점하지 않아 발생하는 문제
  
  。Buffer는 저장한도가 유한하므로 패킷의 수는 한정됨

  • Congestion
    。Buffer가 꽉찰 경우 더이상 저장이 불가능하여 패킷손실 ( Packet Loss )이 발생하는 현상

• 
  
  
• 패킷 스위치 ( Packet Switch )
  。End System으로부터 통신링크를 통해 패킷을 받아 통신링크로 전달하면서 목적지 방향의 End System으로 패킷을 전달하는 장치
  
  。패킷 수신 시 저장 후 Parsing을 통해 패킷의 목적지 주소를 파악 후 해당 방향의 통신링크를 결정 후 패킷을 Forwarding

  패킷스위치 종류
  
  

  • 링크계층스위치( link layer switch )
    。IP 2계층( DataLink ) 패킷스위치
    
    。Data Link , Physical Link 계층의 프로토콜 포함
    ▶ Network 계층의 프로토콜을 포함하지 않으므로 라우팅 기능이 없이 단순히 상위 계층에서 전달된 패킷을 Physical 계층으로 전달하여 다음 노드로 전달
    
    。Access Network에서 주로 활용
    
    
  • 라우터( router ) :
    。IP 3계층( Network ) 패킷스위치
    
    。Network , Data Link , Physical 계층의 프로토콜 포함
    ▶ Network 계층의 프로토콜을 포함하므로 목적지 Host까지의 라우팅 기능과 함께 상위 계층에서 전달된 패킷을 Data Link와 Physical 계층으로 전달하여 다음 노드로 전달
    
    。 Network Core에서 주로 활용

패킷교환방식을 사용하는 Network에서 패킷 전달 시 발생하는 현상
。Packet Delay , Packet Loss , Throughput

• 패킷 지연( Packet Delay )
  。패킷을 경로상의 노드 에서 다음 노드로 전송 시마다 각각 발생하는 다양한 Delay
  ▶ 노드 = Router , Host 등의 패킷 스위치
  
  ▶ 해당 Delay들이 쌓여서 전체노드지연($d_{nodal}$)을 발생
  
  。큐잉 지연만 가변적으로 변화하며 나머지 지연은 고정됨.
  
  $d_{nodal}$ = $d_{proc}$ + $d_{trans}$ + $d_{queue}$ + $d_{prop}$

  패킷교환방식에서 발생하는 4가지 지연
  
  。주로 큐잉 지연과 전파 지연이 발생하며 트래픽이 몰리는 경우 큐잉 지연이 발생하고, 수신 Host까지 거리가 먼 경우 전파 지연이 발생한다.
  
  

  • 노드 처리 지연 $d_{proc}$ ( nodal processing delay )
    。노드 ( = 패킷 스위치 )가 수신된 패킷을 Processing 시 소요시간
    ▶ 패킷의 Header를 확인 및 패킷을 전달할 목적지로의 output comm link를 결정 및 오류 검사를 수행할때까지의 소요시간
    
    。보통 $d_{proc}$ < msec 의 delay가 발생
    ▶ 마이크로초 단위로서서 매우 짧음.
    
    
  • 큐잉 지연 $d_{queue}$ ( queueing delay )
    。패킷이 노드( = 패킷 스위치 )의 Queue에서 대기하면서 통신링크로 전송까지의 소요시간
    ▶ 네트워크 장치로 들어오는 패킷이 많아 대기열이 길때 발생
    
    。큐잉 지연은 상황에 따라 가변적으로 변화
    ▶ traffic이 적어 Queue가 비어있고 다른 패킷이 통신링크를 사용중이 아닌 경우 $d_{queue}=0$ 이지만 traffic이 많아지면 의 경우 $d_{queue}$는 매우 길어짐
    
    。보통 $\mu sec$ < $d_{queue}$ < $msec$ 의 delay가 발생

    노드로 유입되는 트래픽 수에 따른 큐잉지연의 가변적 변화
    
    

    • 트래픽 강도( Traffic Intensity )
      。큐잉 지연의 정도를 측정하는데 사용
      ▶ 통신링크의 사용률( Utilization )으로 볼 수 있다.
      
      트래픽강도 $\displaystyle= \frac{L*a}{R}$
      
      。$L$ : 패킷길이 , $R$ : 통신링크 전송률( bps ) , $a$ : 단위시간 당 유입되는 패킷의 수
      ▶ $L*a$ : 단위시간 당 유입되는 traffic의 수
      
      traffic intensity < 1
      。트래픽 유입이 유출보다 적어 Congestion이 작은 상태
      
      。0.78을 넘는 순간 큐잉 지연이 급격하게 증가하면서 Congestion이 매우 커진다
      ▶ Queueing Delay이 발생되기 시작함
      ▶ 0.78 시점을 초과하는 순간부터 Delay가 수 msec에서 수 minute으로 급격하게 증가
      
      traffic intensity = 1 :
      。 트래픽 유입과 유출이 동일한 상태
      ▶ 평균 큐잉지연이 매우 큰 상태
      ▶ $a$는 평균이므로 짧은 시간동안 traffic이 증가하여 적체될 수 있으므로 큐잉지연이 크게 도출
      
      traffic intensity > 1 :
      。 트래픽 유입이 유출보다 커서 Congestion이 압도적으로 큰 상태

  • 
    
    
  • 전송 지연 $d_{trans}$ ( transmission delay )
    。패킷의 모든 데이터( = 비트)를 Queue에서 통신링크로 전달하는데까지의 소요시간
    
    。통신 링크 속도가 낮거나 패킷 크기가 클 경우 전송지연 증가
    
    $\displaystyle d_{trans}=\frac{L}{R}$
    
    。$L$ : 패킷길이 , $R$ : 통신링크 전송률( bps )
    ▶ 패킷 크기와 통신링크의 대역폭에 따라 결정
    
    
  • 전파 지연 $d_{prop}$ ( propagation delay )
    。통신링크의 처음부터 전달될 라우터까지 전파의 소요시간
    ▶ 패킷이 통신링크를 통해 실제로 전달되는 시간
    
    $\displaystyle d_{prop}=\frac{d}{s}$
    
    。$d$ : 라우터 간 거리 , $s$ : 전파속도
    ▶ 통신링크의 물리적 길이에 따라서 결정되며 대역폭과 상관없음.
    
    。전파속도( $s$ )는 통신링크의 Physical Material( fiber , coax 등 )에 따라 변화
    ▶ 보통 $2*10^8$ ~ $3*10^8$ $\frac{m}{sec}$로서 빛의속도에 준하므로 실제 전파 지연에는 큰 영향을 주지않는다.

• 
  
  
• 패킷손실 ( Packet Loss )
  。네트워크를 통해 전송되는 패킷 중 일부가 목적 End System에 도달하지 못하는 현상
  。노드( = 패킷 스위치 )의 Queue가 Queueing Delay로 인해 한정된 capacity를 초과하여 적체 시 Lost하는 현상 발생
  ▶ 이전 노드로부터 패킷을 재전송하는 과정을 수행하게되어 자원을 낭비
  
  
• 처리량( Throughput )
  。sender와 receiver간 단위시간 당 전송한 Traffic의 양 ( bits/sec )
  ▶ 통신링크 성능 비교 시 주로 사용
  
  。높은 Throughput은 빠른 데이터 전송을 의미

  • 병목링크( Bottleneck Link )
    。전체 시스템에서 최소 Throughput을 가지는 통신링크를 Bottleneck link라고 한다.
    ▶ sender와 receiver간 2개의 통신링크가 존재하는 경우 end-to-end의 Throughput은 Capacity가 작은 Bottleneck link의 Throughput으로 결정
    
    ▶ 위 사진의 각각의 bottleneck link의 Throughput인 $R_S$ , $R_C$가 전체 end-to-end의 Throughput으로 결정
    
    ▶ 인터넷과 같은 다중 통신링크에서는 R의 throughput보다 $R_S$ , $R_C$등의 입출력 통신링크가 작으며, 이중 $min(R_S,R_C)$의 통신링크를 bottle link로 설정
    
    
  • Throughput 종류

    • instantaneous
      。주어진 시점의 순간 Throughput
      
      
    • average
      。주어진 시간동안의 평균 Throughput