[데이터 통신 2-1강]Network Structure, topology 네트워크 유형과 Switching

Networks

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네트워크는 통신이 가능한 장치 집합의 상호 연결입니다.

A network is the interconnection of a set of devices capable of communication.

해당 정의에서 디바이스의 의미

• host : 대형 컴퓨터, 데스크톱, 노트북, 워크스테이션, 휴대폰 또는 보안 시스템과 같은 호스트

• connecting device : 라우터, 스위치, 데이터 형식을 변경하는 모뎀 등의 연결 장치

Network Criteria (네트워크 기준)

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네트워크를 설계할 때 고려사항 3가지

1. Performance(성능)
   • 전송 시간: 메시지가 한 장치에서 다른 장치로 이동하는 데 필요한 시간입니다.
     • the amount of time required for a message to travel from one device to another
   • 응답 시간: 문의와 응답 사이의 경과 시간
     • elapsed time between an inquiry and a response
   • 메트릭: 처리량 및 지연(Throughput & Delay)
     • Throughput 은 data rate와 유사하다고 보면 된다.
     • Throughput 은 증가시키면 좋은 성능의 척도를 다 통칭하는 용어라고 보면 됩니다.
     • Delay 가 네트워크의 퍼포먼스를 나타내는 큰 척도이다.

2. Reliability(신뢰성)
   • 장애 발생 빈도 (The frequency of failure)
   • 링크가 장애(failure)로부터 복구(recover)하는 데 걸리는 시간
   • 재해(catastrophe) 발생 시 네트워크의 견고함(robustness).

3. Security(보안)
   • 무단 액세스(unauthorized access)로부터 데이터 보호 (Protecting data)
   • 데이터 손상 및 개발로부터 데이터 보호
   • 침해(breaches) 및 데이터 손실로부터 복구하기 위한 정책 및 절차(policies and procedures) 구현

Physical Structures

네트워크는 링크를 통해 연결된 두 대 이상의 장치입니다.

• 링크: 한 장치에서 다른 장치로 데이터를 전송하는 통신 경로(communications pathway)입니다.

두가지 연결 유형

1. Point To Point(P2P)

   

   • 두 장치 간의 전용회선(dedicated link)이다. (따라서 상당히 안전한편)
   • 실제 길이의 유선 또는 케이블, 마이크로파 또는 위성 링크 사용

2. Multipoint(Multidrop)

   

   • 두 개 이상의 특정 디바이스가 단일 링크를 공유합니다
   • MainFrame 은 Server 또는 AP라고도 부른다.
   • Cost를 낮추기 위해서 등장했습니다.

Physical topology

위키백과 설명

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토폴로지(topology, 망구성방식)는 컴퓨터 네트워크의 요소들(링크, 노드 등)을 물리적으로 연결해 놓은 것, 또는 그 연결 방식을 말한다.

• LAN은 물리적 토폴로지와 논리적 토폴로지 를 보여줄 수 있는 예시이다.
  • 물리적 토폴로지 :LAN 상의 모든 노드는 네트워크 상에서 하나 이상의 다른 노드에 하나 이상의 링크를 갖고 있다.
  • 논리적 토폴로지 : 네트워크 상에서 노드끼리의 데이터 흐름은 네트워크의 논리적 토폴로지를 결정한다.

  물리적 토폴로지와 논리적 토폴로지는 특정 네트워크에서 아주 동일할 수도 있고 그렇지 않을 수도 있다.

강의 설명

• 물리적 토폴리지란 네트워크가 물리적으로 배치되는 방식이다.

• 네트워크의 토폴로지: 모든 링크 및 연결 장치(일반적으로 노드라고 함)와 서로의 관계를 기하학적으로 표현한 것입니다.

• 그 종류는 Mesh, star, bus, ring topologies 입니다.

기본적인 토폴로지의 종류

1. 메시 토폴로지(Mesh topology)

• 모든 디바이스들이 다른 모든 디바이스와 연결되는 전용 point to point Link가 있습니다.

• n개의 노드로 완전히 연결된 메시 네트워크의 물리적 링크 수: n(n-1)
  • 이중 모드(duplex mode)에서: n(n-1)/2

• 장점 : 트래픽 문제 제거, 견고하고 안전하며 손쉬운 장애 식별 및 격리

• 단점 : 케이블의 양과 I/O 포트 수

• 실제 사례 : 전화 지역 사무소 연결 → 따라서 국가 기관 등 안전을 최우선 하는 곳에서 주로 채택

2. 스타 토폴로지 (star)

• 각 디바이스에는 일반적으로 허브(hub)라고 하는 중앙 컨트롤러 전용 포인트 투 포인트 링크(dedicated point-to-point link)가 있습니다.

• 장점 : 메시 토폴로지보다 저렴한 비용, 견고성(Robustness)

• 단점 : 단일 지점인 허브에 대한 전체 토폴로지의 종속성 , 링과 버스에 비해 더 많은 케이블 연결

• 주로 LAN(로컬 영역 네트워크)에서 사용
  • 5G 같은 것도 전부 기지국을 중심으로 한 star 토폴리지라고 부른다.
  • 회선의 갯수 : N개이다.

3. 버스 토폴로지(bus)

• drop lines (연결부)와 taps(커넥터)로 bus cable에 연결됩니다.

• 에너지가 점점 더 멀리 이동함에 따라 점점 더 약해집니다. → 버스 탭 수에 제한이 있습니다.

• 장점 : 설치 용이성: backbone cable만 전체 시설을 관통합니다. (굉장히 값이 싸다.)

• 단점 : 어려운 reconnection 및 장애 격리(fault isolation)

• 초기 근거리 통신망(local area networks) 설계에 사용된 최초의 토폴로지 중 하나
  • 최소의 이더넷(Traditional Ethernet LANs)은 이 구조를 가졌었다.
  • 현재 인기 없음

4. 링 토폴로지 (ring)

• 각 디바이스는 양쪽에 있는 두 대의 디바이스만 전용 포인트 투 포인트 연결이 가능합니다.
  • 기본적으로 한번에 하나의 사용자만이 메세지를 보내게 되는데 토큰이라는 걸 부여해서 토큰을 가지고 있는 사용자만이 신호를 쏠 수 있습니다.
  • 타이머를 사용해서 일정 시간이 지나면 토큰을 옆에 있는 사용자에게 넘기는 식으로 작동합니다.

• 링의 각 디바이스에는 repeater가 통합(incorporates)되어 있습니다.

• 장점
  • 중간 중간 token을 주고 받으면서 신호의 크기를 증폭 ,bus에 비해서 더 긴 거리의 통신가능.
  • 설치 및 재구성이 비교적 쉽습니다.
  • 간단한 결함 식별 및 격리

• 단점
  • 단방향 트래픽 (Unidirectional traffic)
  • 링이 끊어지면 전체 네트워크가 비활성화 될 수 있습니다. ⇒듀얼 링 또는 끊김을 차단할 수 있는 스위치

• IBM 로컬 영역 네트워크, 즉 Token Ring
  • 최근 인기는 덜하다.

네트워크 유형

• 오늘날의 네트워크는 전세계에 다양한 유형으로 존재한다.

• 규모, 지리적 범위, 소유권 등 몇 가지 기준을 사용하여 네트워크 구분을 합니다.

1. A local area network (LAN)

• 근거리 통신망 (LAN)

  

  • 일반적으로 개인 소유(privately owned)이며 단일 사무실, 건물 또는 캠퍼스에 있는 일부 호스트를 연결합니다.
  • 조직의 필요에 따라 LAN은 누군가의 홈 오피스에 있는 두 대의 PC와 프린터처럼 단순할 수도 있고, 회 사 전체로 확장되어 오디오 및 비디오 장치를 포함할 수도 있습니다.
  • LAN의 각 호스트에는 address (LAN의 호스트를 고유하게 정의하는 식별자)가 있습니다.
  • 패킷에는 src주소와 dest주소가 모두 포함된다.

• 스위치는 LAN의 트래픽을 완화합니다.

  

  • 과거에는 네트워크의 모든 호스트가 공통 케이블(common cable)을 통해 연결되었습니다

• 따라서 logical 상으로 버스 토폴로지 이지만, 실제로는 스타 토폴로지 구조를 하고 있다.

2. A wide area network (WAN)

광역 네트워크(WAN)

• 통신이 가능한 장치 연결

• LAN과 WAN의 몇 가지 차이점
  • LAN은 일반적으로 크기가 제한, WAN은 도시, 주, 국가, 심지어 전 세계에 걸쳐 더 넓은 지리적 범위를 갖습니다.
  • LAN은 호스트를 상호 연결(interconnects)하고, WAN은 스위치, 라우터 또는 모뎀과 같은 연결 장치를 상호 연결합니다.
  • LAN은 일반적으로 이를 사용하는 조직이 개인 소유이며, WAN은 일반적으로 통신 회사에서 생성 및 운영하고 이를 사용하는 조직이 임대합니다.

1. Point-to-point WAN

   

   • 전송 매체(케이블 또는 무선)를 통해 두 통신 장치를 연결하는 네트워크 (아주 특수한 경우)
   • 예시 : 육군 본부와 청화대 직접 연결

2. Switched WAN

   

   • 두 개 이상의 끝이 있는 네트워크(A network with more than two ends)
   • 가장 많이 사용되는 구조
   • Mesh 구조는 너무 비용이 비싸므로 스위치가 들어가는 구조를 어쩔 수 없이 사용해야 함
   • 오늘날 글로벌 커뮤니케이션의 중추에서 사용됨(Used in the backbone of global communication today)

3. Internetwork

   

   • LAN과 WAN이 분리되어 있는 경우는 매우 드뭅니다.
     • 두 개 이상의 네트워크가 연결되면 내부 네트워크 또는 인터넷이 만들어집니다.
     • 예를 들어, 서로 다른 사무실에 있는 직원 간의 커뮤니케이션을 가능하게 하기 위해 경영진은 지점 간 전용 WAN을 임대합니다.
     • 두 개의 LAN과 하나의 지점 간 WAN으로 구성된 내부 네트워크
   • 이 그림에서는 두개의 망 사이에서 전용회선을 point to point WAN으로 전용회선을 설치 할 수 있습니다.

4. 여러개의 LAN및 WAN이 연결된 다른 인터넷

   

   • 4개의 스위칭된 WAN이다.
   • 이종 네트워크(heterogeneous network)는 4개의 WAN과 3개의 LAN으로 구성됩니다.

Switching

• 인터넷은 스위치가 최소 두 개의 링크를 서로 연결하는 스위치형 네트워크 입니다.

• 스위치는 필요할 때 네트워크에서 다른 네트워크로 데이터를 전달해야 합니다

• 가장 일반적인 두 가지 유형의 스위치 네트워크는 다음과 같습니다.
  • 회로 전환(Circuit-switched) → 전용 회선(연속 사용)
  • 패킷 스위치 네트워크(Packet-switched networks) → 공용 회선 (사용시간 제한)

1. Circuit Switching

• source & destination 간의 "통화"를 위해 할당되고 예약된 End-end resources입니다
  • 의미는 처음에 통화를 위해서 미리 자원을 할당해버리는 것입니다.

• 다이어그램에서 각 링크에는 4개의 회로가 있습니다.
  • 통화는 상단 링크에서 두 번째 회로로, 오른쪽 링크에서 첫 번째 회로로 연결됩니다.

• 전용 리소스: 공유 하지 않는다.(no sharing)
  • 회로와 유사한(보장된) 성능
  • 이에 의해 비효율적인 측면이 있습니다.

• 통화에서 사용하지 않는 경우 회로 Circuit segment idle 상태가 됩니다.(공유 없음)

• 기존 전화 네트워크에서 일반적으로 사용되는 방식

2. Packet Switching

• 양쪽 끝 사이의 통신은 패킷 이라는 데이터 블록으로 이루어집니다.

• 지속적인 통신(Not continuous communication)이 아니라 사용 중일 때 개별 데이터 패킷을 교환합니다.

• 스위치: 저장과 전달 모두 가능
  • 패킷은 나중에 저장하고 전송할 수 있는 독립적인 엔티티(independent entity)입니다

• 패킷 스위치 네트워크의 라우터 (패킷 스위칭에는 항상 라우터가 필요하다.)
  • 패킷을 저장하고 전달할 수 있는 대기열(queue)

• 서킷 스위치 네트워크보다 효율적이지만 패킷 전송(packet transmission)에 약간의 지연이 발생할 수 있습니다.

• 비용이 훨씬 싸다는 장점이 있지만 딜레이가 발생할 수 있다.

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Packet switching vs circuit switching

• 패킷 스위칭을 통해 더 많은 사용자가 네트워크를 사용 가능

• 패킷 스위칭은 확률적으로 몇명의 사용자까지 커버하는지 결정을 하곤 하는데, 만약 한계치보다 더 많은 유저가 접속한다고 해서 망이 죽는건 아니고, queue에 들어가서 queue delay가 조금 발생 할 뿐이다.

패킷 스위칭이 항상 더 나은가?

• bursty하는 데이터에 적합 (인터넷 특징)
  • 지속적으로 요청이 오는게 아니라 간헐적으로 폭발적인 요청이 오는 특징
  • 리소스를 공유하는 상황
  • 통화 설정(no call setup)이 필요 없는 간편함

• 과도한 혼잡(Excessive congestion) 가능성: 패킷 지연 및 손실
  • 이건 패킷이 동시에 몰려서 망의 용량을 초과하는 상황을 말하는 것 입니다.
  • 정적인 데이터 전송, 혼잡 제어에 필요한 프로토콜

• 회로와 유사한 동작(circuit-like behavior)을 제공하는 방법은 무엇인가요?
  • 이러한 방법을 보통 Qos(quality of source)라고 부릅니다.
  • 오디오/비디오 앱에 필요한 대역폭 보장
  • 아직 해결되지 않은 문제입니다.

• 일상생활에서 circuit switching 방식이 미리 예약해두는 방식인 거고

• packet switching 필요에 따라서 사용 하는 방식

Internet Structure: Network of Networks

인터넷이란 여러 ISPs(인터넷 서비스 제공업체)를 연결해준 것이다.

TCP/IP를 사용한 것이 대문자 Internet이다.

• End systems은 ISPs (Internet Service Providers)를 통해 인터넷에 연결됩니다.
  • 주거용, 기업 및 대학 ISP

• 액세스 ISP는 차례로 상호 연결(interconnected)되어야 합니다.
  • 두 호스트가 서로 패킷을 보낼 수 있습니다.

• 그 결과 네트워크의 네트워크는 매우 복잡합니다.
  • 경제와 국가 정책에 의해 진화가 주도되었습니다.

• 현재 인터넷 구조설명(단계적 접근)

  • 옵션 1 : 수백만개의 Access ISP가 있을 때 모든 ISP를 직접적으로 연결하면 너무 많은 자원을 사용한다.

    

  • 옵션 2 : 각 접속 ISP를 하나의 글로벌 전송 ISP에 연결하는 방법 → 이 방법은 고객과 공급업체 ISP는 경제적 계약을 맺습니다.

    

  • 다만 실제로는 경제적으로 사업성이 있으므로 경쟁자가 존재합니다. 그리고 그들은 상호 연결되어야 합니다. (ISP간 상호 연결은 Internet exchange point 프로토콜을 통해서 합니다.)

    

  • 액세스 네트워크를 ISP에 연결하기 위해 지역 네트워크가 발생할 수 있습니다 예를 들면 KT, SKT, LG는 ISP라면 지역에 있는 네트워크인 한빛 네트워크 등이 regional network입니다.

    

  • 콘텐츠 제공업체 네트워크(예: Google, Microsoft, Akamai)는 서비스, 콘텐츠를 최종 사 용자에게 가깝게 제공하기 위해 자체 네트워크를 운영할 수 있습니다. 우리나라의 망을 사용하는 게 아니라 훨씬 더 빠르고 안전한 본인들의 망을 가진 대기업들이 주로 이런 방식을 취합니다. (이건 ISP는 아니고 본인들의 서비스를 위한 망이어서 Content provider network)

    

etc..

• Tier-1 은 commercial ISPs(상업용 ISP이다.) → 국내 및 해외 서비스 범위

• 콘텐츠 제공업체 네트워크(Content provider network)(예: Google): 데이터 센터를 인터넷에 연결하는 private network는 종종 티어 1, 지역 ISP를 우회(bypassing)합니다.

• 이러한 모든 것들을 합쳐 인터넷이라고 부르고 이런 망을 동작하도록 하는 프로토콜이 TCP/IP 프로토콜

표준 단체

RFC: 인터넷 프로토콜(애플리케이션, 전송, 네트워크, (링크) 계층)(HTTP, TCP IP 등등)

IEEE 802 표준: 물리 및 링크 계층 프로토콜 (이더넷, 와이파이, PAN - Bluetooth등등)

3GPP: 무선 셀룰러 네트워크에 집중(큰 시장) (여기서 5G의 표현을 정합니다.)

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