본 포스팅은 James Kurose, Keith Ross의 Computer Networking: A Top-Down Approach (6th Edition) 교재를 기반으로 정리한 내용입니다.
- 1. 네트워크 코어
- 2. 패킷 교환 (Packet Switching)
- 3. 회선 교환 (Circuit Switching)
- 4. 패킷 교환 vs 회선 교환 비교
- 5. 네트워크의 네트워크 (A Network of Networks)
- 6. 정리
- 7. 확인 문제
1. 네트워크 코어
네트워크 코어는 종단 시스템을 서로 연결하는 패킷 스위치와 링크의 그물망(mesh)이다. 데이터를 전달하는 방식에는 크게 두 가지가 있다:
- 패킷 교환 (Packet Switching)
- 회선 교환 (Circuit Switching)
2. 패킷 교환 (Packet Switching)
2.1 기본 개념
애플리케이션 계층의 메시지를 작은 데이터 덩어리인 패킷(packet) 으로 분할하여 전송한다. 각 패킷은 통신 링크와 패킷 스위치(라우터, 링크 계층 스위치)를 거쳐 목적지에 도달한다.
2.2 저장 후 전달 (Store-and-Forward Transmission)
대부분의 패킷 스위치는 저장 후 전달 방식을 사용한다.
스위치가 출력 링크로 패킷의 첫 번째 비트를 전송하기 전에, 패킷 전체를 수신해야 한다.
출발지(Source) 라우터 목적지(Destination)
| | |
|==== 패킷 1 =====>| |
| |==== 패킷 1 =====>|
|==== 패킷 2 =====>| |
| |==== 패킷 2 =====>|
전송 지연 계산
패킷 크기가 L 비트이고, 전송률이 R bps일 때:
- 하나의 링크를 통과하는 데 걸리는 시간:
L/R초 N개 링크를 통과하는 총 전송 지연:N * L/R초 (저장 후 전달 때문)
예시: 패킷 크기 L = 10,000 bits, 전송률 R = 2 Mbps, 링크 2개
총 지연 = 2 * (10,000 / 2,000,000) = 0.01초 = 10ms
2.3 큐잉 지연과 패킷 손실
각 패킷 스위치는 여러 개의 링크에 연결되어 있으며, 각 링크에 대해 출력 버퍼(output buffer) 또는 출력 큐(output queue) 를 유지한다.
┌──────────────────────────┐
입력 ────>│ 출력 큐 (버퍼) │────> 출력 링크
링크 │ [pkt3][pkt2][pkt1] ──> │ (R bps)
└──────────────────────────┘
↑ 큐잉 지연 발생!
큐잉 지연 (Queuing Delay)
패킷이 출력 링크로 전송되기를 기다리는 시간이다. 네트워크 혼잡도에 따라 달라진다.
패킷 손실 (Packet Loss)
버퍼 공간이 유한하므로, 도착한 패킷이 가득 찬 큐를 만나면 패킷 드롭(drop) 이 발생한다. 이것이 바로 패킷 손실이다.
시나리오: 버퍼 크기 = 3 패킷
시점 1: [pkt1][pkt2][pkt3] → 버퍼 가득 참
시점 2: pkt4 도착 → 버퍼 초과 → pkt4 드롭!
2.4 포워딩 테이블과 라우팅
패킷이 목적지에 도달하려면 라우터가 적절한 출력 링크를 선택해야 한다.
- 각 종단 시스템은 IP 주소를 가진다
- 송신자는 패킷 헤더에 목적지 IP 주소를 포함시킨다
- 라우터는 포워딩 테이블(forwarding table) 을 참조하여 출력 링크를 결정한다
- 포워딩 테이블은 라우팅 프로토콜에 의해 자동으로 설정된다
패킷 헤더: 목적지 IP = 121.7.106.83
라우터 포워딩 테이블:
┌─────────────────┬────────────┐
│ 주소 범위 │ 출력 링크 │
├─────────────────┼────────────┤
│ 121.7.0.0/16 │ 링크 2 │
│ 200.23.0.0/16 │ 링크 3 │
│ 기타 │ 링크 0 │
└─────────────────┴────────────┘
→ 링크 2로 포워딩
3. 회선 교환 (Circuit Switching)
3.1 기본 개념
통신을 시작하기 전에 송신자와 수신자 사이에 전용 회선(dedicated circuit) 을 설정한다.
전통적인 전화 네트워크가 대표적인 회선 교환 네트워크다.
회선 교환 과정:
1. 연결 설정 (회선 예약)
2. 데이터 전송 (전용 자원 사용)
3. 연결 해제 (회선 반납)
핵심 특징
- 연결 기간 동안 일정한 전송률을 보장한다
- 자원이 예약되므로 큐잉 지연이 없다
- 자원이 사용되지 않더라도 다른 연결이 사용할 수 없다 (자원 낭비 가능)
3.2 FDM (Frequency Division Multiplexing)
주파수 대역을 여러 개의 주파수 밴드로 나누어 각 연결에 할당한다.
주파수
^
│ ┌────────┐
│ │ 사용자4 │ 밴드 4
│ ├────────┤
│ │ 사용자3 │ 밴드 3
│ ├────────┤
│ │ 사용자2 │ 밴드 2
│ ├────────┤
│ │ 사용자1 │ 밴드 1
│ └────────┘
└──────────────────> 시간
- 각 연결은 자신에게 할당된 주파수 밴드만 사용
- FM 라디오 방송국이 FDM의 좋은 예시
- 일반적으로 밴드 폭: 4 kHz (전화 네트워크)
3.3 TDM (Time Division Multiplexing)
시간을 일정한 길이의 프레임으로 나누고, 각 프레임을 고정된 수의 타임 슬롯으로 나누어 각 연결에 할당한다.
프레임 1 프레임 2 프레임 3
┌──┬──┬──┬──┐ ┌──┬──┬──┬──┐ ┌──┬──┬──┬──┐
│S1│S2│S3│S4│ │S1│S2│S3│S4│ │S1│S2│S3│S4│
└──┴──┴──┴──┘ └──┴──┴──┴──┘ └──┴──┴──┴──┘
──────────────────────────────────────────> 시간
S1: 사용자1의 슬롯, S2: 사용자2의 슬롯, ...
- 각 연결은 각 프레임에서 자신의 타임 슬롯 동안만 데이터 전송
- 전송률: 링크 전송률이
R이고 슬롯 수가N이면, 각 연결의 전송률은R/N
4. 패킷 교환 vs 회선 교환 비교
4.1 정량적 비교 예시
링크 용량: 1 Mbps
| 방식 | 동시 사용자 수 |
|---|---|
| 회선 교환 (각 100 kbps) | 10명 |
| 패킷 교환 (평균 10% 활성) | 35명 이상 가능 |
왜 패킷 교환이 더 많은 사용자를 수용할 수 있는가
사용자가 100 kbps로 데이터를 생성하되, 전체 시간의 10%만 활성 상태라고 가정하자.
- 회선 교환: 활성 여부에 관계없이 각 사용자에게
100 kbps예약 → 최대 10명 - 패킷 교환: 35명의 사용자 중 동시에 11명 이상이 활성일 확률은 0.0004 미만
패킷 교환의 통계적 다중화 (Statistical Multiplexing):
35명 사용자, 각 10% 활성 확률
동시 활성 사용자 수의 기대값 = 35 * 0.1 = 3.5명
→ 1 Mbps 링크로 충분히 감당 가능
4.2 장단점 비교
| 기준 | 패킷 교환 | 회선 교환 |
|---|---|---|
| 자원 효율성 | 높음 (통계적 다중화) | 낮음 (자원 예약) |
| 구현 복잡도 | 낮음 | 높음 (연결 설정 필요) |
| 지연 보장 | 보장 불가 | 일정 지연 보장 |
| 혼잡 시 | 패킷 손실, 지연 증가 | 연결 거부 |
| 버스트 트래픽 | 잘 처리 | 비효율적 |
4.3 결론
오늘날의 인터넷은 패킷 교환 방식을 사용한다.
- 버스트(bursty) 트래픽에 더 효율적
- 더 간단하고 비용 효과적
- 다만, 실시간 서비스(음성, 영상)를 위한 QoS 보장은 아직 해결 과제
5. 네트워크의 네트워크 (A Network of Networks)
5.1 ISP 계층 구조의 발전
종단 시스템은 접속 ISP를 통해 인터넷에 연결된다. 그렇다면 접속 ISP들은 어떻게 서로 연결될까?
구조 1: 모든 접속 ISP를 하나의 글로벌 ISP에 연결
접속 ISP ─┐
접속 ISP ─┼── 글로벌 ISP
접속 ISP ─┘
비현실적: 하나의 ISP가 전 세계를 커버해야 함
구조 2: 여러 글로벌 ISP가 경쟁
접속 ISP ── 글로벌 ISP A ── IXP ── 글로벌 ISP B ── 접속 ISP
- IXP (Internet Exchange Point): ISP들이 서로 트래픽을 교환하는 지점
구조 3: 다계층 구조
접속 ISP ── 지역 ISP ── Tier-1 ISP ── 지역 ISP ── 접속 ISP
5.2 현대 인터넷의 구조
┌─────────────────────┐
│ Tier-1 ISP │
│ (AT&T, NTT, etc.) │
└──────┬──────┬───────┘
│ IXP │
┌────────────┤ ├────────────┐
│ │ │ │
┌────┴────┐ ┌───┴───┐ ┌────┴────┐
│지역 ISP │ │지역 ISP│ │지역 ISP │
└────┬────┘ └───┬───┘ └────┬────┘
│ │ │
┌────┴────┐ ┌───┴───┐ ┌────┴────┐
│접속 ISP │ │접속 ISP│ │접속 ISP │
└─────────┘ └───────┘ └─────────┘
주요 구성 요소
- Tier-1 ISP: 전 세계를 커버하는 최상위 ISP (약 12개 정도)
- IXP: ISP 간 직접 트래픽 교환 지점 (전 세계 600개 이상)
- 피어링(Peering): 같은 계층의 ISP 간 무정산 트래픽 교환
- 콘텐츠 제공자 네트워크(Content Provider Network): Google, Microsoft 등이 자체 네트워크 구축
Google의 네트워크 전략:
┌────────────────────────────────┐
│ Google 데이터 센터 (전 세계) │
│ 자체 사설 네트워크로 연결 │
│ Tier-1, IXP에 직접 연결 │
│ → 중간 ISP 비용 절감 │
│ → 서비스 품질 직접 제어 │
└────────────────────────────────┘
6. 정리
네트워크 코어 핵심 비교:
패킷 교환 회선 교환
──────── ────────
저장 후 전달 전용 회선 설정
큐잉 지연 발생 큐잉 지연 없음
통계적 다중화 FDM / TDM
패킷 손실 가능 자원 낭비 가능
오늘날의 인터넷 전통 전화 네트워크
7. 확인 문제
Q1. 저장 후 전달(Store-and-Forward)이란?
패킷 스위치가 출력 링크로 첫 번째 비트를 전송하기 전에, 패킷의 모든 비트를 수신 완료해야 하는 전송 방식이다. 이로 인해 각 링크를 통과할 때마다 L/R초의 전송 지연이 추가된다.
Q2. 패킷 손실은 왜 발생하는가?
패킷 스위치의 출력 버퍼(큐) 공간이 유한하기 때문이다. 도착률이 출력 링크의 전송률을 초과하면 패킷이 큐에 쌓이고, 큐가 가득 차면 새로 도착하는 패킷이 드롭(drop) 된다.
Q3. 패킷 교환이 회선 교환보다 효율적인 이유는?
통계적 다중화(statistical multiplexing) 덕분이다. 모든 사용자가 동시에 데이터를 전송하지 않으므로, 패킷 교환은 자원을 미리 예약하지 않고 필요할 때만 링크를 사용한다. 이를 통해 같은 자원으로 더 많은 사용자를 수용할 수 있다.