컴퓨터와 네트워크 인터넷

1.1 인터넷이란 무엇인가?

구성요소로 본 인터넷

전통적인 데스크톱 PC, 리눅스 워크스테이션 또는 비전통적인 사물인터넷을 호스트(host) 혹은 종단 시스템(end system) 이라고 부른다.

 

통신 링크(communication link), 패킷 스위치(packet switch)

• 종단 시스템은 통신링크와 패킷스위치의 네트워크로 연결된다.

라우터(router)와 링크 계층 스위치(link-layer-switch)

• 최종 목적지 방향으로 패킷을 전달한다.

ISP(Internet Service Provider)

• 종단 시스템은 ISP를 통해 인터넷에 접속한다.

서비스 측면에서 본 인터넷

애플리케이션에 서비스를 제공하는 인프라 스트럭처

 

게임, 스트리밍, 지도 서비스, 모바일 애플리케이션은 서로 데이터를 교환하는 많은 종단 시스템을 포함하기 때문에 분산 애플리케이션(distributed application)이라고도 불린다.

 

인터넷 애플리케이션은 종단 시스템에서 수행된다.

프로토콜이란 무엇인가?

프로토콜은 둘 이상의 통신 개체 간에 교환되는 메시지 포맷과 순서뿐만 아니라, 메시지의 송수신과 다른 이벤트에 따른 행동을 정의한다.

1.2 네트워크의 가장자리

접속 네트워크

DSL, 케이블, FTTH, 5G 고정 무선

• DSL : 기존 로컬 전화 인프라 스트럭처를 이용한다.
• 케이블 : 케이블 TV 회사의 기존 케이블 인프라스트럭처를 이용한다.
• FTTH : 집안까지 광 케이블을 가설하여 인터넷을 제공하는 서비스
• 5G 고정 무선 : 서비스 제공자의 기지국에서 가정 내의 모뎀으로 데이터를 무선으로 전송한다.

이더넷, 와이파이

• 이더넷 : LAN(근거리 통신망) 구축을 위해 장치를 연결하는 데 널리 사용되는 네트워킹 프로토콜
• 와이파이 : IEEE 802.11 기술에 기반해서 무선 랜에 접속을 할 수 있게 해줌

물리 매체

송신기-수신기 쌍에 대해서 비트는 물리 매체(physical media)상에 전자파나 광 펄스를 전파하여 전송한다.

 

물리 매체는 유도 매체와 비유도 매체로 나뉜다.

 

유도 매체

• 광섬유 케이블, 꼬임쌍선, 동축 케이블
• 견고한 매체를 따라 파형을 유도한다.

비유도 매체

• 무선 랜, 디지털 위성 채널
• 대기와 야외 공간으로 파형을 전파한다.

1.3 네트워크 코어

패킷 교환

네트워크 애플리케이션에서 종단 시스템들은 서로 메시지를 교환한다.

 

출발지 종단 시스템에서 목적지 종단 시스템으로 메시지를 보내기 위해 송신 시스템은 긴 메시지를 패킷(packet)이라고 하는 작은 덩어리로 분할한다.

 

송신 측과 수신 측 사이에서 각 패킷은 통신 링크와 패킷 스위치(라우터, 링크 계층 스위치)를 거치게 된다.

저장 후 전달

대부분의 패킷 스위치는 저장 후 전달 전송 방식을 사용한다.

• 출발지의 패킷의 비트를 목적지에 바로 전송하지 않고 모든 비트를 수신 한 후에 전송한다.

큐잉 지연과 패킷 손실

패킷 스위치는 접속된 여러 개의 링크를 가지고 있다. 각 링크에 대해 패킷 스위치는 출력 버퍼를 갖고 있으며, 그 링크로 송신하려고 하는 패킷을 저장하고 있다.

 

도착하는 패킷이 한 링크로 전송되어야 하는데 그 링크가 다른 패킷을 전송하고 있다면 도착하는 패킷은 출력 버퍼에서 대기해야한다. 도착하는 패킷은 큐잉 지연을 겪게 되는 것이다.

 

버퍼의 크기는 유한하기 때문에 버퍼가 꽉 차있을 때 새로운 패킷이 도착한다면, 버퍼에 있던 패킷이나 또는 새로 도착한 패킷이 폐기되는 패킷 손실이 발생한다.

포워딩 테이블과 라우팅 프로토콜

라우터는 목적지 주소를 라우터의 출력 링크로 매핑하는 포워딩 테이블을 갖고 있다. 패킷이 라우터에 도착하면 라우터는 올바른 출력 링크를 찾기 위해 주소를 조사하고 이 목적지 주소를 이용하여 포워딩 테이블을 검색한다. 그런 후에 라우터는 그 패킷을 출력 링크로 보낸다.

회선 교환

회선교환

• 종단 시스템 간에 통신을 제공하기 위해 경로상에 필요한 자원은 통신 세션 동안에 확보 또는 예약된다.

회선 교환 네트워크에서의 다중화

주파수 분할 다중화(FDM)

• 링크를 통해 설정된 연결은 그 링크의 주파수 스펙트럼을 공유한다.

시분할 다중화(TDM)

• 시간을 일정 주기의 프레임으로 구분하고 각 프레임은 고정된 수의 시간 슬롯으로 나뉜다.

패킷 교환 대 회선 교환

회선 교환은 요구에 관계없이 미리 전송 링크의 사용을 할당한다. 반면에 패킷 교환은 요구할 때만 링크의 사용을 할당한다.

 

각 사용자가 활동 시간과 비활동 시간을 반복한다고 가정했을 때, 회선 교환은 활동 시간과 비활동 시간에 관계없이 항상 일정 자원이 사용자에게 할당 되어 있어야 한다. 반면 패킷 교환은 활동을 할때만 자원이 할당된다. 따라서 동시 사용자수가 많지 않다면 패킷 교환 방식이 더 많은 사용자를 수용할 수 있다.

 

또한, 사용자가 한 명이라고 했을 때 회선 교환은 할당된 자원만을 사용해야 되지만 패킷 교환 방식은 다중화를 요구하지 않기 때문에 많은 자원을 사용할 수 있다.

네트워크의 네트워크

크고 작은 ISP들이 서로 연결 되어 있다.

1.4 패킷 교환 네트워크에서의 지연, 손실과 처리율

패킷 교환 네트워크에서의 지연 개요

패킷이 한 호스트에서 시작하고 라우터들을 통과해서 다른 호스트에 도착할때 각 경로에서 다양한 지연을 겪게 된다.

노드 처리 지연, 큐잉 지연, 전송 지연, 전파 지연등을 겪을 수 있다. 이러한 지연들이 쌓이면 전체 노드 지연을 일으킨다.

처리 지연

패킷 헤더를 조사하고 그 패킷을 어디로 보낼지를 결정하는 시간

큐잉 지연

패킷은 큐에서 링크로 전송되기를 기다리면서 큐잉 지연을 겪는다.

전송 지연

패킷의 모든 비트를 링크로 전송하는데 필요한 시간이다.

전파 지연

비트가 링크의 처음부터 다음 라우터까지의 전파에 필요한 시간

전송 지연과 전파 지연 비교

전송 지연

• 라우터가 패킷을 내보내는 데 필요한 시간

전파 지연

• 비트가 한 라우터에서 다음 라우터로 전파되는 데 걸리는 시간

고속도로에서의 비유

전송 지연

• 자동차 10대가 요금 계산소에서 모두 빠져나가는 시간

전파 지연

• 10대의 자동차 중 한대가 다음 요금 계산소까지 이동하는 시간

큐잉 지연과 패킷 손실

비트가 큐에 도착하는 평균율이 비트가 큐에서 전송되는 비율을 초과한다면 큐잉 지연은 계속 증가한다.

 

비트가 큐에 도착하는 평균율이 비트가 큐에서 전송되는 비율보다 낮다면 큐잉 지연은 없을 것이다.

 

패킷이 주기적으로 아니라 몰려서(버스트) 도착한다면 첫 번째 패킷은 큐잉 지연은 없겠지만, 나머지 전송된 패킷들은 큐잉 지연을 겪을 것이다.

패킷 손실

트래픽 강도가 높다면 큐에 패킷을 저장할 수 없어서 패킷을 버리게된다. 즉 그 패킷을 잃어버리게 된다.

컴퓨터 네트워크에서의 처리율

서버에서 클라이언트로 비트를 전송하고 중간에 라우터가 있다고 가정하자. 서버에서 라우터로 전송하는 전송률과 라우터에서 클라이언트로 전송하는 전송률 중에서 더 전송률이 작은 쪽, 즉 병목 링크의 전송률이 처리율이 된다.