컴퓨터네트워크 - 1탄(1장)

「본 글은 '컴퓨터 네트워킹 - 하양식 접근'을 공부하고 재구성한 글입니다」

1.1 인터넷이란?

구성요소로 본 인터넷

- 호스트(=종단시스템): 통신링크와 패킷스위치의 네트워크로 연결   ex) PC, 스마트폰, IoT기기 등

- 통신링크: 동축케이블, 구리선, 광케이블 등과 같은 물리 매체이다.

- 패킷: 종단시스템에서 다른 종단시스템으로 데이터를 전송할 때, 그 데이터를 세그먼트(segment)단위로 나누고 각각에 헤드를 붙이는데, 이를 패킷이라고 한다.

- 패킷스위치: 도착하는 패킷을 받아서 출력 통신 링크의 하나로 그 패킷을 전달한다.   ex) 라우터, 링크계층의 스위치

- ISP(Internet Service Provider): ISP를 통해 인터넷을 접속할 수 있다.

 

프로토콜이란?

- 프로토콜(Protocol)은 둘 이상의 통신 개체간 교환되는 메시지 포맷과 순서뿐 아니라, 메시지의 송수진과 다른 이벤트에 따른 행동들을 정의한 것이다. 즉, 통신할 때의 약속같은 것이다.

1.2 네트워크 가장자리

- 인터넷의 종단시스템(=가장자리): 데스크탑, 서버, 모바일, IoT기기 등이 있다. 즉 통신할 때 통신이 끝나는 지점을 의미한다.

- 접속네트워크: 종단 시스템을 그 종단 시스템으로부터 다른 먼 거리의 종단 시스템까지의 경로상에 있는 첫 번째 라우터에 연결하는 네트워크이다.

 

1. 가정에서의 네트워크 접속

- DSL방식: DSL 모뎀에 데이터 수신 -> 고주파 신호로 변환 -> 중앙국(CO)으로 전송, DSLAM에서 디지털 신호로 변환

- 스플리터(splitter): 가정에 도착하는 데이터와 전화신호를 분리한다. 데이터는 DSL모뎀에 전송한다.

- DSLAM: 중앙국(전화국)에 도착하는 데이터와 전화신호를 분리한다. 데이터는 인터넷에 송신한다.

2. 기업에서의 접속

- 이더넷 -> 라우터 존재유무로 판단한다(하지만 요즘은 가정에서도 많이 쓰는 방식이다).

- 와이파이 등

 

1.3 네트워크 코어

1. 패킷교환(Packet Switch)

- 패킷: 긴 메시지를 작은 데이터로 나누는 것

- 패킷을 전송하는 데 걸리는 시간: L/R sec(L: 패킷의 길이(bit), R: 링크상에 패킷을 올리는 속도(bit/sec))

- 대부분의 패킷스위치는 저장-후-전달 방식을 사용한다. 이는 라우터가 모든 패킷을 수신 후 송신하는 방식이다. 따라서 스위치가 여려 개인 경우, 종단간 지연은 NL / L(L: 소스에서 목적지까지의 링크 개수(N-1: 라우터개수))

- 큐잉지연(Queueing delay)과 패킷손실(Packet loss): 패킷 스위치는 각 패킷 링크에 대해 출력링크를 가지고 있다. 출력 링크가 이미 사용중이라면, 패킷을 출력 큐에 저장되는데 이를 큐잉 지연이라고 한다. 전송을 대기하려고 저장된 큐가 가득 차게 된 상태에서 패킷이 입력되면 패킷 손실이 발생하게 된다.

- 전달 테이블과 라우팅 프로토콜: 라우팅은 라우터가 목적지까지 경로 테이블(포워딩테이블)을 만드는 과정이고 포워딩은 테이블을 확인하고 패킷을 목적지까지 전달하는 과정이다. 즉, 라우팅은 내비게이션에서 경로를 탐색하는 과정이고 포워딩은 탐색한 경로를 안내하는 과정이다.

 

2. 회선교환(Circuit Switch)

- 회선교환은 통신을 위한 자원이 "예약"된다. 자원을 공유하지 않는다는 의미이다. 두 호스트가 통신하고 싶다면, 네트워크는 두 호스트 사이의 "종단간 연결(end-to-end connection)"을 설정한다. -> 지연이 없고 성능을 보장해준다.

- 주파수 분할 다중화(FDM) vs 시-분할 다중화(TDM)

그림에서 보는 것과 같이 회선교환은 FDM과 TDM을 사용할 수 있다. FDM은 N명의 사용자가 서로 다른 주파수를 할당받아 사용하는 방식이다. TDM은 같은 주파수를 아주 짧은 시간동안 주기적으로 전체 대역폭을 사용하는 방식이다.

 

패킷교환 vs 회선교환

예제를 통해서 알아보자. 1Gbps의 링크가 있고 사용자가 사용 중일 때에는 100Mbps속도를 보장해야 하며 사용자는 전체 시간 중 10%만 사용(active)한다고 가정하자.

- 회선교환: 최대 10명의 사용자가 사용 가능하다(속도를 보장해야 하므로)

- 패킷교환: 확률적으로 계산해야 한다. 만약, 35명의 사용자가 있고 이 중 11명이 동시에 사용할 확률은?

==> (0.1)^11 * (0.9)^(35-11)이다. 정확한 결과는 계산해야하지만 매우 작은 값임은 알 수 있다.

그럼 11명 이상이 동시에 사용할 확률은?

출처: 본인 블로그(Velog)

1.4 패킷교환 네트워크에서의 지연, 손실과 처리율

1.4.1 패킷 교환 네트워크에서의 지연 개요

- 처리지연(Processing delay): 패킷 헤더를 조사하고 그 패킷을 어디로 보낼지 결정하는 시간

- 큐잉지연(Queuing delay): 큐에서 링크로 전송되기를 기다리는 시간이다. 이는 큐에서 기다리는 다른 패킷의 수에 의해 결정된다.

- 전송지연(Transmission delay): L/R로, 패킷의 모든 비트를 링크에 올리는데 걸리는 시간이다.

- 전파지연(Propagation delay): d/s(d: 링크의 길이, s: 링크의 전파 속도)로, 링크에 모든 비트가 올라간 뒤 목적지까지 가는 데 걸리는 시간이다(전송지연과 다름!!).

출처: 본인블로그(Velog)

1.4.2 큐잉지연과 패킷 손실

- a: 패킷이 큐에 도착하는 평균률(패킷 / 초)

- R: 전송률, 즉 비트가 큐에서 밀려나는 비율(비트 / 초)

- L: 패킷의 비트 수

이때, 비트가 큐에 도착하는 평균률은 La(bit/sec)이다. La / R > 1일 때, 비트가 큐에 도착하는 평균률이 전송률을 초과한다. 따라서 큐잉지연은 점점 커져 무한대에 도달한다.

 

- 패킷 손실: 패킷을 더 이상 큐에 저장할 수 없는 경우, 라우터가 패킷을 버리는 현상이다. 이는 라우터에서 보장해주지 않고 애플리케이션 계층에서 보장해야한다.

 

1.4.3 종단간 지연 (생략)

1.4.4 컴퓨터네트워크의 처리율

- 평균 처리율: F/T(bit/sec) (F: 파일을 구성한 비트 수, T: 모든 F비트를 수신하는데 걸린 시간)

- 위 그림에서 처리율은 Min(Rs, Rc)이다.

 

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