3. 네트워크 코어

Reference :
컴퓨터 네트워킹 하향식 접근 [8판] / 퍼스트 북 / James F. Kurose, Keith W. Ross
건국대학교 컴퓨터 네트워크 수업 / 김기천 교수님

네트워크 코어

인터넷 가장자리를 살펴봤으므로 이제 네트워크 코어, 즉 인터넷의 종단 시스템을 연결하는 패킷 스위치와 링크의 그물망(mesh)을 좀 더 자세히 살펴보자

 

네트워크 코어

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패킷 교환 (packet-switching)

: 작은 블록의 패킷으로 데이터를 전송하며 데이터를 전송하는 동안만 네트워크 자원을 사용하도록 하는 방법

• 송신 종단 시스템(출발지)에서 목적지 종단 시스템(도착지)로 메시지를 보내기 위해 송신 시스템은 긴 메시지를 패킷이라고 하는 작은 데이터 덩어리로 분할함
• 패킷은 통신링크와 패킷 스위치(라우터 또는 링크 계층 스위치)를 거치게 됨
• 링크의 최대 전송 속도와 같은 속도로 각각의 통신 링크상에서 전송됨

저장-후-전달 방식 (store-and-forward transmission)

• 대부분의 패킷 스위치가 사용하는 방식
• 저장-후-전달 전송: 스위치가 출력 링크로 패킷의 첫 비트를 전송하기 전에 전체 패킷을 받아야 함을 의미
• 소스로부터 목적지 노드까지 N개의 링크로 구성되고, 각각은 R 전송속도를 갖는 경로를 통해 하나의 패킷을 전송하는 일반적인 경우
• 종단간 지연 d=N(L/R)

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큐잉 지연과 패킷 손실

출력 버퍼(output buffer, 출력 큐(output que)

• 개요
  • (패킷 스위치에 접속된) 링크에 대해 패킷 스위치는 출력 버퍼를 갖고 있다
  • 링크로 송신하려고 하는 패킷을 저장하고 있다
• 역할
  • 도착하는 패킷이 한 링크로 전송될 필요가 있는데 그 링크가 다른 패킷을 전송하고 있다면, 도착하는 패킷은 출력 버퍼에서 대기해야 함 ⇒ 큐잉지연 겪음

큐잉 지연 (queuing delay)

• 가변적이고 네트워크의 혼잡 정도에 따름

 

패킷 손실 (packet loss)

버퍼 공간의 크기가 유한하기 때문에 도착하는 패킷은 버퍼가 전송을 위해 대기중인 다른 패킷들로 꽉 차있는 경우를 마주

=> 도착하는 패킷 or 이미 큐에 대기 중인 패킷을 폐기함

=> 패킷 손실

 

<패킷 교환 과정>

1. 호스트 A와 B: 첫번째 라우터로 100Mpbps 이더넷 링크를 통해 패킷 전송
2. 라우터는 다음에 이들 패킷을 15Mbps의 링크로 전달
3. 15Mbps를 초과하면 라우터에서 혼잡 발생, 링크의 출력 버퍼에 큐잉됨

 

포워딩 테이블과 라우팅 프로토콜

• 포워딩 테이블
  • 소스 종단 시스템이 패킷을 목적지 종단 시스템으로 보내고자 할 때, 소스는 패킷의 헤더에 목적지의 IP 주소를 포함한다
  • 패킷이 라우터에 도착하면, 라우터는 패킷의 목적지 주소의 일부를 조사하고 목적지 주소를 이용하여 포워딩 테이블을 검색함
  • 그 후에 라우터는 그 패킷을 출력 링크로 보냄
• 라우팅 프로토콜
  • 인터넷은 자동으로 전달 테이블을 설정하기 위해 이용되는 여러 특별한 라우팅 프로토콜을 갖고 있음
  • 인터넷에서 패킷이 실제로 거쳐가는 종간간의 실제 경로
  • 예시) 각 라우터로부터 각 목적지까지의 최단 경로를 결정하고 라우터에 전달 테이블을 설정하는데 최단경로 결과를 이용함

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회선 교환 (circuit switching) : 패킷 스위칭의 대체 방식

: 발신자와 수신자 또는 통신 쌍방이 통신을 시작하기 전에 미리 전용 연결(회선 또는 채널)을 설정해야만 하는 네트워크

 

패킷교환과의 차이점

• 회선 교환은 종단 시스템 간에 통신을 제공하기 위해 경로상에 필요한 자원은 통신 세션 동안에 확보 or 예약됨
• 패킷 교환은 이러한 자원을 예약되지 않음 
  • 패킷 교환에서 세션 메시지는 *온디멘드 방식으로 자원을 요청 ⇒ 통신 링크에 대한 접속을 위해 기다릴 수 있다
  • *온디멘드: 요구사항에 따라 즉시 제공

1.  

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회선 교환 네트워크에서의 다중화 

링크 내 한 회선의 구현 방법 분류

• 주파수-분할 다중화(FDM, frequency-division multiplexing)
  • 링크를 통해 설정된 연결은 그 링크의 주파수 스펙트럼을 공유함
  • 이 주파수 대역은 고정 제공됨 ⇒대역폭
  • 예시 대역폭
    • 전화망: 4KhZ
    • FM 라디오 방송: 88MHz ~ 108MHz

 

• 시-분할 다중화(TDM, time-division multiplexing)
  • 시간을 일정 주기의 프레임으로 구분
  • 각 프레임은 고저된 수의 시간 슬롯으로 나뉨

 

• 회선 교환의 단점
  • 할당된 회선이 비활용 기간에는 놀게 됨
    • 전화를 할 때 사람이 이야기를 중단하더라도, 사용되지 않는 네트워크 자원은 다른 진행 중인 연결이 대신해서 사용할 수X
  • 종단간 회선을 설정하고 대역폭을 보존하는 것이 복잡하고 경로에 있는 스위치들 사이의 운영을 조절하는 복잡한 신호 sw가 필요함

 

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패킷 교환 vs 회선 교환

• 패킷 교환
  • 단점: 가변적이고 예측할 수 없는 종단간의 지연 때문에 실시간 서비스에 적당하지 않다
  • 장점
    • 전송 용량의 공유에서 효율적
      • 회선 교환과 대등한 지연 성능을 가지면서도 사용자 수에 있어서 거의 3배 이상을 허용함
  • 패킷 교환이 더 간단, 구현 비용 적음
  • 요구할 때만 링크의 사용을 할당

• 회선 교환
  • 요구에 관계없이 미리 전송 링크의 사용을 할당

요즘은 패킷 교환이 대세

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네트워크의 네트워크

네트워크 구조

• 네트워크 구조 1
  • 모든 접속 ISP(개인이나 기업체에게 인터넷 접속 서비스, 웹사이트 구축 및 웹호스팅 서비스 등을 제공하는 회사를 말한다.) 들을 하나의 글로벌 통과 ISP와 연결
• 네트워크 구조 2 (접속ISP가 선호하는 것)
  • 상위층에 글로벌 통과 서비스 제공자가 있고 하위층에 접속 ISP가 있는 형태
• 네트워크 구조 3(오늘날의 인터넷과 유사)
  • 다중 계층구조                                                                                                      

 

지역 ISP

• 1-계층 ISP들과 연결 됨
  • 3커뮤니케이션즈, AT&T, 스프린트, NTT

 

접속 ISP

• 자신이 연결하는 지역 ISP에게 요금을 지불함
• 각 지역 ISP는 자신이 연결하는 1-계층 ISP에게 요금을 지불함

오늘날 인터넷과 보다 더 유사한 네트워크 구축을 위해서는 PoP, 피어링, IXP를 계층적 네트워크 구조3에 포함해야 ⇒ 네트워크 구조4

 

PoP

• 최하위 계층을 제외하고 계층구조의 모든 계층에 존재
• 제공자의 네트워크 내에 있는 라우터 그룹
• 여기에서 고객 ISP가 제공자 ISP에 연결될 수 O
  • 이를 구현하기 위해 고객은 잣니의 라우터 중 하나를 PoP에 있는 라우터에 직접 연결하도록 고속 링크를 제 삼자 통신 서비스 제공자로부터 임대할 수 O
  • 모든 ISP는 멀티-홈이 가능⇒ 서비스 제공자 중 하나가 연결되지 않더라도 인터넷으로 패킷을 계속해서 송수신할 수 O
  • ⇒ 한 접속 ISP가 2개의 지역 ISP들과 연결 가능

 

피어링

• 고객 ISP는 글로벌 인터넷 연결성을 얻기위해 서비스 제공 ISP에게 요금을 지불하는데 이 요금을 줄이기 위해 ISP들은 피어링을 한다
• 읻르간에 송수신되는 모든 트래픽을 상위 계층 ISP를 통하지 않고 직접 송수신할수 있도록 자신들의 네트워크를 서로 직접 연결함
  • 이렇게 두 ISP들이 피어링하면 일반적으로 서로 요금을 지불하지 X

 

IXP

• 제 3의 회사가 IXP 구축 가능
• 다중의 ISP들이 서로 피어링 할 수 있는 만남의 장소

네트워크 구조 5

• 네트워크 구조 4위에 콘텐트-제공자 네트워크를 추가함으로써 구축됨
• 예) 구글
  • 이 네트워크는 전 세계를 연결하며 공중 인터넷과는 분리되어 있ㄷ다
  • 구글 사설 네트워크는 구글 서버로 오가는 트래픽만을 전달함