[하향식 접근 8판] 1.3 네트워크 코어

※"컴퓨터 네트워킹 하향식 접근 8판" 책을 간단하게 정리한 내용의 글입니다.※

1.3.1 패킷 교환

패킷

종단 시스템에서 메시지(데이터)를 교환할 때 이 메시지를 패킷(packet)이라고 하는 작은 데이터 덩어리로 분할한다.
패킷은 통신 링크와 링크 계층 스위치를 거쳐서 목적지 종단 시스템으로 전달된다.

전달 시간

R bit/sec의 속도로 L bits의 패킷을 송신하는데 걸리는 시간: L/R 초

저장 후 전달

라우터는 패킷의 모든 비트가 도착한 후에 출력 링크로 해당 패킷의 전송을 시작한다.
통신 링크를 통한 전송 시간을 무시할 때, 저장 후 전달이 아닌 모든 비트를 바로 바로 R bit/sec의 속도로 L bits를 전달한다면 L/R초가 걸릴 것이다.(몇 개의 라우터를 거치든 L/R초이다.)
실제로는 저장 후 전달 방식을 이용하기 때문에 중간에 라우터를 거칠 때마다 L/R초가 추가된다.(두 개의 라우터를 거칠 경우 3L/R초)
일반화하면 라우터의 개수가 N-1개(링크 개수는 N개)일 경우, 전송 시간은 N * (L/R)초이다.

큐잉 지연과 패킷 손실

패킷 스위치는 여러개의 출력 링크를 가진다. 각 링크는 출력 버퍼(output buffer 또는 출력 큐(output queue))를 가지고 있다.
어떤 링크에서 다른 패킷을 송신하고 있는 경우에는 해당 링크로 보내야하는 패킷들은 출력 버퍼에서 대기한다.
이때 대기하는 시간을 큐잉 지연(queuing delay)이라고 한다.
그리고 출력 버퍼가 꽉 차서 대기 패킷을 추가할 수 없는 경우 해당 패킷을 폐기(drop)하는데, 이를 패킷 손실(packet loss)이라고 한다.

위의 이미지와 같이 링크의 전송률(대역폭)이 차이가 날 경우 패킷은 출력 버퍼에 큐잉될 것이다.

포워딩 테이블과 라우팅 프로토콜

패킷은 헤더에 목적지 종단 시스템의 IP 주소를 포함하고 있다. 각 라우터는 포워딩 테이블(forwarding table)을 가지고 있다. 이 테이블을 통해 라우터는 목적지 IP 주소를 라우터의 출력 링크로 매핑할 수 있다.
(라우팅 테이블이 어떻게 설정되는지(라우팅 프로토콜)에 대해서는 5장에서 자세히 논의한다고 한다.)

1.3.2 회선 교환

링크와 스위치를 통한 네트워크에서 데이터를 전달하는 방식에는 두 가지가 있다.
하나는 회선 교환(circuit switching)이고, 다른 하나는 패킷 교환(packet switching)이다. 1.3.2절 에서는 회선 교환(circuir switching)에 대해 본다.
온디맨드(on-demand) 방식으로 자원을 요청하여 사용하는 패킷 교환 방식과 다르게 회선 교환 방식은 통신 세션 동안 경로상에 필요한 자원을 예약(reserve)한다.
어떤 두 스위치간에 링크가 4개의 회선을 갖고, 이 링크의 회선을 예약하면, 4개의 회선 중 하나를 예약하게 되고, 연결이 지속되는 동안 해당 링크 전체 정송 용량의 1/4를 얻게된다.
이를 통해 버퍼 대기 등의 이유로 전송 시간을 보장하지 못하는 패킷 교환 방식과 다르게 안정적인 전송이 가능하다.

회선 교환 네트워크에서의 다중화

링크 내의 한 회선은 주파수 분할 다중화(frequency-division multiplexing, FDM) 또는 시분할 다중화(time-division multiplexing, TDM)로 구현된다.
FDM 링크는 연결되는 동안 각 연결에 대해 주파수 대역을 고정 제공한다.
TDM 링크는 시간을 일정 주기의 프레임으로 구분한다. 각 프레임은 고정된 수의 시간 슬롯으로 나뉜다. 네트워크가 연결될 때 모든 프레임에서 특정 시간 슬롯 1개를 그 연결에 할당하고, 그 연결에서 모든 프레임의 하나의 시간 슬롯을 갖게 된다.
링크가 초당 8000개의 프레임을 전송하고, 하나의 시간 슬롯의 크기가 8비트인 경우, 회선의 전송 속도는 64,000 bps = 64 kbps

패킷 교환 대 회선 교환

• 회선 교환의 장점
  패킷 교환에서 일어날 수 있는 큐잉 지연이 일어나지 않아서 안정적인 네트워크 제공이 가능하다.
• 패킷 교환의 장점
  회선 교환보다 전송 용량 공유에 더 효율적이다.
  회선 교환보다 더 간단(회선 교환은 종단 간 회선을 설정하고 스위치 사이의 운영을 조절하는 등의 작업이 필요)하고 효율적이며 구현 비용이 적다.
• 패킷 교환 방식일 때 용량 공유의 효율성
  패킷 교환 방식은 동적으로 네트워크 자원을 공유하기 때문에 필요한 사용자만 해당 자원을 사용합니다.
  1. 회선 공유의 경우 동시에 회선 수 만큼의 사용자를 수용할 수 있다. 하지만 패킷 교환은 전송이 필요한 사용자만 회선을 이용하기 때문에 그 이상의 사용자를 수용할 수 있다.
  2. 사용자가 10명이지만 전송을 한 사용자만 하는 경우 회선 교환 방식에서는 할당받은 고정된 전송률로만 전송할 수 있다. 반면 패킷 교환 방식은 다중화가 요구되지 않으므로 해당 링크의 전체 전송률로 전송할 수 있다.

1.3.3 네트워크의 네트워크

다양한 수준에서 접속 ISP가 제공될 수 있고, 이 여러 ISP의 종단 시스템들을 연결하기 위해 접속 ISP들이 서로 연결되어야 한다. 여기서 네트워크의 네트워크(network of network)가 나오게 되었다.

• ISP가 그물망 형태로 연결되지 않는 이유
  ISP가 전 세계적으로 다른 접속 ISP와 수십만 개의 개별적인 통신 링크를 유지하는 비용이 매우 크기 때문이다.
• ISP의 계층 구조
  (네트워크 구조2) ISP는 여러 ISP를 연결해주는 제공자(provider)가 있어야 한다. 이 ISP를 연결해주는 ISP는 서로 경쟁 관계이다.
  (네트워크 구조3) ISP 중에 가장 위에 있는 ISP를 1계층 ISP라고 한다. 현재 대략적으로 12개 정도의 1계층 ISP가 있다. 이 1계층 ISP들 끼리도 연결되어야 한다.
  (네트워크 구조4) 고객 ISP는 인터넷 연결을 제공하는 상위 서비스 제공 ISP에게 트래픽에 따라 요금을 지불한다. 이 요금을 줄이기 위해 같은 계층의 ISP끼리 피어링을 할 수 있다. 이를 통해 상위 계층 ISP를 통하지 않고 직접 송수신을 할 수 있다.
  (네트워크 구조5) ISP와 별개로 콘텐츠 제공자(content-provider)가 존재한다.
  콘텐츠 제공자는 구글과 같이 여러 데이터 센터를 가지고 있고, 이 콘텐츠 제공자 네트워크는 오직 구글 서버로 오가는 트래픽만 전달한다.
  주로 요금을 줄이기 위해 피어링을 이용하기도 하고, 1계층 네트워크를 통해서만 도달할 수 있는 경우에는 해당 ISP로 요금을 지불하고 연결한다.