728x90

(쉽게 배우는 데이터 통신과 컴퓨터 네트워크 3장)

3. 네트워크 기술

라우팅 기능

라우팅 시스템: 데이터를 최종 목적지까지 올바른 경로로 중개하는 교환(Switching) 기능

라우팅 시스템의 종류

회선 교환 Circuit Switching
- 연결형 서비스 제공
- 아날로그 환경 음성 전화 서비스를 통해 발전
- 고정 대역폭의 전송률 지원 → 다른 연결에서 이 대역을 사용할 수 없음
- 네트워크 구조 단순
- 하나의 연결에 대해 전송되는 모든 데이터가 동일한 경로로 라우팅됨
패킷 교환 시스템
- 디지털 환경의 컴퓨터 네트워크에서 발전
- 가변 대역의 전송률 지원
- 네트워크 구조 복잡
- 컴퓨터 네트워크 환경
- 데이터를 미리 패킷 단위로 나누어 전송- 패킷을 기준으로 라우팅
프레임 릴레이
- 데이터의 전송 속도 향상

1. 라우팅 시스템

전송 선로를 이용해 데이터를 전송하는 방식
- 전용 회선: 송신 호스트와 수신 호스트가 전용으로 할당된 통신 선로로 데이터 전송
- 교환 회선: 전송 선로 하나를 다수의 호스트가 공유 (전화 서비스, 아날로그 공중 전화망), 교환 시스템의 중개가 필요

광케이블 기술 발전 → 물리적 전송 대역 용량에 비례하여 논리적인 다수의 연결 회선 지원

교환기: 특정 전송 선로에 데이터가 집중되지 않고 효율적인 경로를 선택할 수 있도록 하는 것

교환 회선 이용 방식

회선 교환

통신하고자 하는 호스트가 데이터를 전송하기 전에 연결 경로를 미리 설정

모든 데이터가 같은 경로로 전달

안정적 데이터 전송률 지원

메시지 교환

데이터를 전송하기 전에 경로를 설정하지 않고, 전송하는 메시지의 헤더마다 목적지 주소를 표현

교환 시스템-이전 교환 시스템에서 보낸 전체 메시지가 도착할 때까지 메시지를 일시적으로 버퍼에 저장

-모든 메시지가 도착하면 다음 교환 시스템에 전달

송신 호스트가 전송하는 전체 데이터가 하나의 단위로 교환 처리

패킷 교환

회선 교환과 메시지 교환의 장점을 모두 이용

전송할 데이터를 패킷(Packet)이라는 일정 크기로 나누어 전송

각 패킷은 독립적은 라우팅 과정을 거쳐 수신 호스트에 도착

회선 교환 방식과 같은 논리적인 연결 설정 개념을 도입한 가상 회선 방식 존재

장점

전송 대역의 효율적 이용
- 패킷들이 동적인 방식으로 전송 대역 공유
호스트의 무제한 수용
- 호스트를 무한히 수용 가능 = 네트워크 혼잡도가 높아져 패킷의 전송이 심화될 뿐, 고정 대역 할당x
패킷에 우선순위 부여 가능

단점

회선 교환 방식에 비해 더 많은 지연 발생
- 전송 패킷을 라우터의 내부 버퍼에 보관하는 과정
- 여러 종류의 대기 큐를 거치는 과정
각각의 패킷이 독립적인 경로로 전달 - 패킷마다 전송에 걸리는 시간 일정x

지터(Jitter): 가변적인 전송 지연의 분포, 실시간으로 처리되는 응용 환경에서 중요

교환기에서 패킷 경로 선택 방식: 정적 경로, 동적 경로

2. 패킷 교환

네트워크 계층의 중요한 역할: 패킷의 전송 경로를 결정

가상 회선

연결형 서비스 지원

미리 설정된 논리적인 연결을 통해 전송되는 모든 패킷의 경로가 동일

송수신 호스트 사이 가상의 단일 파이프를 통해 송신 호스트가 입력단으로 패킷을 송신, 수신 호스트가 출력단에서 패킷을 수신

모든 패킷이 동일 경로로 전송 - 패킷이 도착하는 순서=보낸 순서

파이프: 한 프로세스의 출력을 다른 프로세스의 입력으로 사용할 수 있도록 프로세스를 연결하는 논리적 통신 매체

회선 교환 방식과 차이: 가상 회선 방식-데이터의 전송 단위가 패킷, 회선 교환 방식: 패킷 기능 지원x

데이터그램

비연결형 서비스를 이용해 패킷을 독립적으로 전송

미리 경로를 할당하지 않음

전송할 정보의 양이 적거나 상대적으로 신뢰성이 중요하지 않은 환경에서 사용

출발한 순서와 도착하는 순서가 무관 - 전송 경로의 속도는 네트워크 혼잡도에 따라 가변적

3. 프레임 릴레이

과거: 전송 패킷에 물리적인 전송 오류를 처리하기 위한 오버헤드 비트를 많이 추가 - 오류 처리 과정이 복잡

현대 네트워크: 물리적인 전송 오류가 발생할 확률이 매우 낮음 - 과도한 오류 제어 기능이 낭비 요소가 됨

→ 프레임 릴레이: 낭비 요소를 제거해 데이터 전송 속도를 향상

패킷 교환 방식: 중간 라우터를 거치는 과정에서 데이터 링크 계층의 기능이 개별적으로 수행 → 긍정 응답 프레임을 반복 교환

프레임 릴레이 방식: 각 라우터의 개별 연결을 의미하는 홉 단위의 흐름 제어, 오류 제어 기능 수행x

전송 패킷의 양이 반으로 줄어든다.

한 호스트에서 수신한 프레임을 다른 호스트로 중개하는 역할만 O, 오류 복구/흐름 제어 기능 수행x

02 네트워크의 분류

기준: 네트워크의 크기

ex. 다중 처리 시스템 - 컴퓨터 시스템 내부 다수 프로세서 연결

컴퓨터 시스템의 내부 vs 컴퓨터 네트워크: 전송 매체의 성능

시스템 버스: 빠른 속도, 높은 전송 대역 - CPU, 메모리, I/O 장치 등이 낮은 전송 지연으로 데이터를 전송할 수 있는 밀접한 연결 관계

네트워크: 전송 매체 속도가 상대적으로 느려 느슨한 연결 관계 지원

1. LAN

LAN(Local Area Network): 가까운 거리에 위치한 호스트로 구성된 네트워크(단일 건물, 학교)

MAN/WAN보다 호스트 간 간격이 가까워서 브로드캐스팅 방식으로 데이터 전송

호스트 사이의 물리적 거리가 가까울수록 데이터 전송 지연이 적고 전송 오류 발생 가능성 낮음

LAN: 수십 Mbps ~ 수Gps의 전송 속도 지원

구분: 구성 형태(Topology)에 따라
- 버스형
  - 공유 버스 하나에 여러 호스트를 직접 연결
  - 물리적으로 전송 매체를 공유 - 임의의 호스트가 전송한 데이터를 네트워크에 연결된 모든 호스트에 전송 (브로드캐스팅 방식)
  - 라우팅 기능이 필요 없음: 헤더 정보에 포함된 수신 호스트 정보를 이용하여 수신 호스트만 데이터를 내부 버퍼에 보관, 나머지 호스트는 데이터를 버림으로써 특정 호스트만 데이터 수신
  - 각 호스트를 구분하는 호스트 주소 필요, 전송 데이터의 헤더에는 송수신 호스트의 주소를 포함하여 오류 제어, 흐름 제어에 필요한 정보 표기
  - 데이터 충돌 발생 가능(둘 이상의 호스트에서 데이터를 동시에 전송) - 사전 방지 방식, 사후 해결 방식
  - ex. 이더넷-사후 해결 방식
- 링형
  - 전송 호스트의 연결이 순환 구조
  - 시계/반시계 방향으로 데이터 전송 - 미리 정해진 한쪽 방향으로만 전송
  - 특정 호스트에서 전송한 데이터는 링을 한 바퀴 돌아 송신 호스트로 되돌아옴 - 모든 호스트가 전송 데이터 수신(브로드 캐스팅)
  - 충돌 방지-토큰: 제어 프레임, 충돌 가능성 사전 차단
  - 네트워크에는 토큰이 하나만 존재 - 특정 시간에 데이터를 전송할 수 있는 호스트는 하나뿐: 충돌 가능성 차단

2. MAN

MAN(Metropolitan Area Network): LAN보다 큰 지역 지원

하드웨어, 소프트웨어는 LAN과 비슷하지만 연결 규모가 더 큼

근처에 위치한 여러 건물 / 한 도시에서의 네트워크 연결로 구성

DQDB(Distributed Queue Dual Bus) - MAN을 위한 국제 표준안

전송 방향이 다른 두 버스로 모든 호스트를 연결하는 구조 지원

분산 데이터 큐 유지
FIFO 기반의 공유 슬롯 방식 사용 (충돌 문제 해결, 슬롯 링 개념 변형)
ATM(Asynchronous Transfer Mode)과 호환이 가능하도록 53 바이트의 프레임 지원

WAN

WAN: Wide Area Network

국가 이상의 넓은 지역 지원

브로드캐스팅 방식을 지원하기 어려움, 전송 매체의 길이가 길어지는 환경 고려

라우팅 기능이 반드시 필요

전송 매체를 이용해 호스트를 일대일로 연결

라우팅 기능: 호스트 a ~ 호스트 e로 전송: 중간 호스트 c에서 라우팅 과정을 거침

연결의 수가 증가할수록 전송 매체를 많이 사용 - 비용이 많이 든다.

→ 총 연결 거리를 줄이면서 전체 호스트를 효율적으로 연결하도록 설계

스타형, 트리형, 완전형, 불규칙형 등 다양한 구조로 호스트 연결

03 인터네트워킹

라우팅 장비는 내트워크 내부에서 경로 선택 기능 수행

인터네트워킹: 둘 이상의 서로 다른 네트워크를 연결하는 기능

조건: 연결되는 네트워크 차이를 분석, 전송 데이터를 적절히 중개, 프로토콜이 상이하거나 물리 계층에서 전송 매체의 특성이 다르면 이를 변환하는 기능 필요

2개의 네트워크 연결 장비-일반적으로 물리, 데이터 링크, 네트워크 계층의 기능 수행 (네트워크 계층까지의 기능을 수행하는 장비: 라우터)

분류: 수행 기능에 따라
- 리피터
  - 물리 계층의 기능 지원
  - 양쪽 단의 물리적인 특성이 같으면 한쪽 단에서 들어온 비트 신호를 증폭하여 다른 단으로 단순히 전달
  - 필요한 경우에 신호 변환 작업
- 브리지
  - 물리 계층을 포함하여 데이터 링크 계층의 기능 지원
  - 한쪽 단에서 들어온 프레임의 MAC 계층 헤더를 다른 단의 MAC 계층 헤더로 변형해 전송 → 종류가 다른 LAN 연결 가능
  - 송수신 호스트의 위치가 서로 다른 LAN에 속하면 중개 기능 수행
  - 리피터보다 LAN과 LAN 사이의 불필요한 트래픽 발생 억제(서로 다른 LAN에 속할 때만 중개 기능 수행)
- 라우터
  - 물리, 데이터 링크, 네트워크 계층 지원
  - 라우팅 기능 수행: 여러 포트를 사용해 다수의 LAN 연결
  - 수신한 패킷을 해석해 적절한 경로로 전송하도록 경로 배정
  - 네트워크 전체 구조를 고려한 일반적인 라우팅 기능

1. 브리지

데이터 링크 계층의 기능을 수행하는 일반 브리지 역할

물리 계층, MAC 계층의 기능 수행 + 이를 관리하는 자체 관리 소프트웨어

양쪽 LAN의 종류가 달라 한쪽 LAN의 헤더를 제거하고 다른쪽 LAN 헤더를 붙여줌

→ MAC 헤더를 해석해 변환하는 기능 필요

연결된 LAN의 종류마늠 MAC 계층과 물리 계층을 해석할 수 있어야 함

종류 구분 - 동작 방식

트랜스페런트 브리지

Transparent Bridge - 라우팅 기능이 투명하게 보임, 사용자의 부담 없이 이루어진다

사용자는 전송하는 프레임 헤더에 라우팅 정보 추가x, 필요한 라우팅 과정은 브리지가 자동으로 수행

설치 과정에서 하드웨어 조정, 소프트웨어의 변경, 주소, 라우팅 테이블 관련 사항 고려x

브리지의 수행 동작은 2중 1

해당 프레임의 수신 호스트가 송신 호스트와 동일한 방향에 위치 - 중개 필요x 무시
다른 방향에 위치 - 수신 호스트가 있는 방향으로 프레임 중개

(송수신 호스트가 동일한 방향에 있는지, 수신 호스트가 브리지의 어느 방향에 위치하는지 정보 필요)

a→b : 같은 LAN에 위치, 중개 기능 필요x
a→c: B1의 중개 필요
a→e: B1의 중개 필요
a→f: B1, B2의 중개 필요
B2에서 송신 호스트: 2번 포트, 수신 호스트: 1번 포트 (ex. e) - 포트 1을 통해 LAN3으로 중개

라우팅 테이블과 같은 라우팅 정보가 필요함

라우팅 테이블

트랜스페런트 브리지가 제대로 동작하기 위한 조건

LAN이 동작하면서 자동으로 생성

브리지에 전원: 라우팅 테이블의 내용이 비어 있음 - 플러딩(Flooding) 알고리즘을 사용해 입력된 프레임을 브리지의 모든 포트 방향으로 전달 (프레임이 들어온 방향 제외)
플러딩 알고리즘의 동작 과정에서 브리지에 입력된 프레임의 송신 호스트 주소를 근거로 송신 호스트가 몇 번 포트에 연결되었는지 알 수 있음 (송신 호스트 주소와 포트 번호를 비교함)
프레임의 송신 호스트 주소와 포트 번호의 정보를 라우팅 테이블에 반영: 역방향 학습(Backward Learning) 알고리즘
호스트의 위치가 바뀌면 라우팅 테이블 내용 새로 수정

스패닝 트리

네트워크에 이중 경로가 존재하면 잘못된 라우팅 정보를 얻게 됨

→ 이중 경로가 존재하지 않도록 네트워크를 설계

순환 구조가 존재하면 네트워크의 논리적 연결 상태를 비순환 형태로 간주 - 역방향 학습 알고리즘이 올바르게 동작하도록 해야 함

스패닝 트리(Spanning Tree): 네트워크의 비순환 구조

임의의 브리지를 트리 구조의 루트로 지정 → 브리지가 고유 번호가 가장 낮은 브리지를 루트로 선정 → 최단 경로 트리를 구성하는 방식으로 LAN 구축

소스 라우팅 브리지

트랜스페런트 브리지: 공유 버스의 CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access / Collision Detection_ 방식, 토큰 버스 방식에 사용

단점: 효율적이지 못함

소스 라우팅 브리지(Source Routing Bridge) : 링 구조의 네트워크에서 사용

프레임이 수신 호스트까지 도달하기 위한 라우팅 정보를 송신 호스트가 제공

= 송신 프레임 내부에 수신 호스트까지 도달하기 위한 모든 경로를 기술 - 라우팅 정보가 프레임 자체에 포함

2. IP 인터네트워킹

인터넷 환경 IP 프로토콜- iP 인터네트워킹 지원 - 송수신 호스트 간의 여러 네트워크 인터페이스를 거쳐 패킷을 전달

라우터 A, 라우터 B를 이용해 이더넷과 ATM(상이한 인터넷 인터페이스) 간의 연결 구조 가능

하위의 데이터 링크 계층이 다름 → 라우터: 경로 선택 + 프로토콜의 프레임 구조 변환 기능 수행

라우터: IP 프로토콜 기능 지원, 양쪽 MAC 계층의 프레임 구조가 다를 때 변환하는 기능

송수신 호스트: TCP/IP 응용 프로그램을 이용해 통신

전송되는 데이터가 특정 MAC 계층에서 너무 크면 전송 데이터의 분할과 병합 과정

3. 인터넷 라우팅

라우터: 수신된 IP 패킷을 최적의 경로로 전달 → 인터넷의 전체 구성과 현재 상태에 대한 정보를 활용해 경로 선택

라우팅 방식: 고정 경로 배정, 적응 경로 배정

고정 경로 배정

송수신 호스트 사이에 고정불변의 경로 배정

단점: 트래픽 변화에 따른 동적 경로 배정 불가능

트래픽을 미리 측정하여 적절히 배정 → 간단, 효율적 라우팅

경로 배정: 네트워크를 연결하는 선로의 전송 용량이나 네트워크 간의 데이터 전송량을 측정

라우팅 테이블: 목적지 네트워크의 주소와 해당 목적지를 향하는 경로에 있는 라우터의 주소

적응 경로 배정

네트워크 연결 상태가 변하면 패킷의 전달 경로에 반영

요소: ① 특정 네트워크/라우터가 정상적으로 동작x, ② 혼잡 발생

단점: 경로 결정 과정 복잡 → 라우터 부담 증가 → 트래픽 증가

자율 시스템

다수의 라우터로 구성, 서로 공통의 라우팅 프로토콜을 사용해 정보 교환

내부 라우팅 프로토콜: 자율 시스템 내부에서 사용, 라우터들끼리 라우터 정보 교환 ex. RIP, OSPF

외부 라우팅 프로토콜: 자율 시스템들 간에 사용하는 라우팅 프로토콜 (서로 다른 자율 시스템끼리 사용하는 알고리즘과 라우팅 테이블 정보의 구조가 다를 수 있음), ex. BGP

04 서비스 품질

서비스 품질: 데이터를 어느 정도로 신뢰성 있게 전송하는지 의미

기준: 전송 과정에서의 데이터 변형, 데이터 분실, 전송 지연, 지연 값의 일관성(지터) 등

1. QoS 개요

QoS(Quality of Service)

QoS 매개변수

연결 설정 지연
- Connection Establishment Delay
- 연결 설정을 위한 request 프리미티브 발생과 confirm 프리미티브 도착 사이의 경과 시간
- 네트워크 혼잡도 등의 영향
연결 설정 실패 확률
- Connection Establishment Failure Probability
- 임의의 최대 연결 설정 지연 시간을 기준으로 연결 설정이 이루어지지 않을 확률
전송률
- Throughput
- 임의의 시간 구간에서 초당 전송할 수 있는 바이트 수
- 양방향 값이 다를 수 있으므로 별개로 다루어져야 함
- 연결 설정 구간의 네트워크 트래픽에 영향 받음
전송 지연
- Transit Delay
- 송신 호스트가 전송한 데이터가 수신 호스트에 도착할 때까지 경과한 시간
- 양방향이 따로 다루어짐, 개별 패킷별로 전송 지연 값이 다를 수 있다
전송 오류율
- Residual Error Rate
- 임의의 시간 구간에서 전송된 총 데이터 수와 오류 발생 데이터 수의 비율
우선순위
- Priority
- 다른 데이터 전송보다 먼저 처리함
- 우선순위가 높을 수록 좋은 서비스

2. 인터넷에서의 QoS

IP 프로토콜: 원칙적으로 모든 패킷에 대해 동일한 기준을 적용해 데이터를 라우팅

데이터의 도착 순서, 100% 수신 보장x → 버퍼를 사용해 문제 해결 후 응용 계층에 데이터 전달

전송 데이터 분류

영상 데이터: 대용량의 실시간 전송 필요, 전송 오류 문제에 대해 관대
일반 컴퓨터 데이터: 실시간 기능x, 전송 오류에 민감

단점: 우선순위 조절 기능x

IP 프로토콜에서 QoS 지원 조건

각 패킷을 서로 다른 QoS 기준으로 구분
라우터에서 이를 처리
사용하는 대역의 요구 조건에 따라 패킷 구분
네트워크 자원의 할당도 그에 부합