3. 네트워크 기술

쉽게 배우는 데이터 통신과 컴퓨터 네트워크를 정리한 내용입니다

컴퓨터는 가변적인 대역을 전제로 통신서비스를 제공하고 있다. 인터넷을 사용하면 데이터의 전송속도가 일정하지 않은데, 이런 가변적인 환경을 이해하기 위해 통신망 내부에서 데이터의 라우팅이 어떻게 이루어지는지 확인할 필요가 있다. 

1. 라우팅 기능의 개요

네트워크 양단 호스트가 전송하는 데이터는 경로 중간에 위치한 라우팅시스템을 거친다. 라우팅 시스템은 데이터를 최종 목적지 까지 올바른 경로로 중개하는 교환 기능을 제공한다.

 

라우팅 시스템의 종류

라우팅 시스템은 몇가지 종류가 있다

• 회선 교환 시스템 : 아날로그 전화서비스를 통해 발전, 고정 대역폭의 전송률을 지원하기때문에 네트워크 구조가 단순함. 
  고정 대역폭이라 안정적인 전송률을 가지며 연결이 유지되는 동안 다른 연결에서는 이 대역폭을 사용할 수 없다.
• 패킷 교환 시스템 : 디지털 환경의 네트워크 통해 발전, 가변 대역의 전송률을 지원해 네트워크 구조가 복잡함
  미리 데이터를 패킷 단위로 나누어 전송해, 패킷을 기준으로 라우팅이 이루어진다. 전용 대역이 할당되지 않기때문에 가변 크기의 전송률을 가진다.
  - 종류 : 가상회선(모든 패킷의 경로를 일정하게 유지), 데이터 그램(모든 패킷이 각각의 경로로 전송됨)
• 프레임 릴레이 , 셀 릴레이 : 데이터의 전송 속도를 향상시키는 기술

1) 라우팅 시스템의 회선 이용방식

전용 선로를 이용해 데이터를 전송시 전용 회선을 이용하거나 교환 회선을 이용할 수 있음.

 

a. 전용 회선 방식

송신,수신 호스트가 할당된 통신 선로로 데이터 전송

 

b. 교환 회선 방식

전송 선로 하나를 다수의 사용자가 공유 (ex: 공중 전화망)

교환 이용 방식을 이용해 데이터 주고받기 위해선 중간에 위치한 교환 시스템의 중계가 필요(위의 이미지의 교환기)

여기서 교환 회선은 데이터의 전송 경로과 관련해 2개(회선 교환 방식, 패킷 교환 방식)로 나뉜다

 

- 회선 교환 방식

데이터를 전송하기 전에 통신 양단 사이에 고정된 연결 경로를 설정하는 방식으로 고정 대역의 논리적인 전용 선로가 할당되어 안정적인 데이터 전송률을 지원함.
장점 : 순서대로 데이터를 보냄 -> 마지막에 순서대로 합치면 됨 -> 처리 속도 빠름

- 메시지 교환 방식

데이터 전송전 경로를 설정하지 않고, 대신 전송하는 메시지의 헤더마다 목적지 주소를 표시하는 방법. 

 

- 패킷 교환 방식

회선 교환과 패킷 교환의 장점을 모두 이용하는 방식으로, 미리 연결을 설정하지 않고 데이터를 패킷 단위로 전송하는 방법으로 패킷에 우선순위가 부여된다.  각 패킷이 독립적인 라우팅 과정을 거쳐 수신 호스트에 도착한다.

디지털 통신 환경을 지원하는 인터넷은 이 방식을 이용한다.

• 장점 : 전송 대역의 효율적 이용, 호스트의 무제한 수용, 패킷 우선순위 부여
• 단점 : 순서대로 데이터가 가지 않음 -> 패킷에 우선순위 부여 -> 마지막에에서 순서별 취합 -> 비규칙적인 패킷 전송 시간의 영향으로 처리 속도 느려질 수 있다

2) 패킷을 보내는 방법들

네트워크 계층의 가장 중요한 역할은 패킷의 전송 경로를 결정하는 것으로
네트워크는 두가지 전송방식을 지원하고 있다 

a.가상회선 (TCP에서 채택한 방식)

데이터를 패킷단위로 나누고, 모든 패킷의 경로가 동일해 결국 순차적으로 패킷을 받는다

연결형 서비스를 지원하기 위한 기능이다.

 

b.데이터그램(UDP에서 채택한 방식)

비연결형 서비스를 이용해 패킷을 각각 독립적으로 전송하는 것을 말한다.  

일반적으로 전송할 정보의 양이 적거나 상대적으로 신뢰성이 중요하지 않은 환경에서 많이 사용된다.

대신 도착시 패킷의 순서가 바뀌어있어 수신 호스트에서 패킷의 순서를 바로 잡는 기능이 필요하다

3) 프레임 릴레이

• 이전의 통신 환경에 비해 물리적 전송 오류의 가능성이 줄어듦
• 전송계층 프로토콜의 과도한 오류 제어 기능은 낭비적 요소로 작용
• 낭비 요소인 전송 오류 제어 기능을 더 효율적으로 처리해 고속 데이터 전송을 지원할 수 있게 고안된 기술

2. 네트워크 분류

호스트 사이의 연결 거리를 기준으로 네트워크를 구분 -> 연결거리는 실제로 데이터의 전송 지연에 많은 영향을 미친다

 

1) LAN(Local Area Letwork)

단일 건물이나 학교 같은 가까운 거리에 위치하는 호스트로 구성된 네트워크로 데이터를 브로드캐스팅 방식으로 전송한다

• 버스형 : 공유 버스 하나에 여러 호스트를 직접 연결. 버스에 연결된 여러 호스트중 2개이상 동시에 전송하려고하면 데이터 충돌이 발 생할 수 있다(사전 방지 방식/사후 해결 방식)
  - 이더넷 : 대표적인 버스형 연결 형태로, 사후 해결 방식을 채택해 데이터 충돌을 처리하고 있다
• 링형 : 전송 호스트의 연결이 순환 구조인 링 형태. 데이터는 미리 정해진 시계/반시계 방향으로 전송된다. 버스형 처럼 2개이상의 호스트에 동시 전송시 데이터 충돌이 발생할 수 있다( 토큰이라는 제어 프레임을 사용해 충돌 가능성을 원천적으로 차단한다)

2) MAN(Metropolitan Area Network)

LAN보다 큰 지역을 지원 (도시 규모)을 지원하는 네트워크 구조로 MAN을 위한 국제 표준안으로 DQDB(Distributed Queue Dual Bus)가 있다.

 

3) WAN(Wide Area Network)

국가 이상의 넓은 지역을 지원하는 네트워크 구조이다. LAN, MAN의 경우 브로드캐스팅이 지원되어 라우팅의 개념이 필요없으나 WAN에서는 점대점(point-to-point)환경으로 되어있어 반드시 필수적으로 라우팅 기능이 필요하다

위성망이나 해저 케이블을 이용해서 연결한다

3. 인터네트워킹

네트워크와 네트워크 사이를 연결하는 기능, 네트워크 차이를 분석하여 전송데이터를 적절히 중계한다.

2개의 네트워크를 연결하는 장비는 역할의 계층에 따라 종류가 달라진다

ex) 물리, 데이터 링크, 네트워크 계층의 기능을 수행 하는 장비 -> 라우터, 

• 리피터 : 물리계층기능을 지원하며 양쪽단의 물리적 특성이 동일한 경우 한쪽의 비트를 증폭해 단순히 전달하는 역할 + 유,무선에 따라 신호 변환작업도 한다
• 브리지 : 데이터링크계층을 지원. 종류가 다른 LAN을 연결할 수 있다(주소가 같은 LAN에 소속된 경우 아무런 행동도 하지 않음)
• 라우터 : 물리, 데이터, 네트워크 계층의 기능을 지원한다. 네트워크 계층의 라우팅 기능을 수행할 수 있어 여러 포트를 사용해 다수의 LAN을 연결하는 구조를 지원한다. 수신한 패킷의 경로를 분석해 적절한 경로를 배정하기도 한다

3-1. 브리지

좌우에 위치하는 LAN이 같은 종류인 경우? 프레임 헤더 분석 후 중계한다 -> 가급적 쉽다
but 좌우에 위치하는 LAN이 다르면? -> 프레임 변환 등의 복잡한 과정이 필요하다

• 좌우에 위치하는 LAN이 다른 종류인 경우 => 프레임 해석, 변환 필요
• LAN 1의 헤더 해석 후 제거하고, LAN 2 헤더를 붙여 중계

브리지는 2개만이 아닌 더 많은 LAN을 동시에 연결할 수 있다. 연결되는 LAN의 종류만큼 MAC 계층과 물리계층을 해석 할 수 있어야한다

브리지를 동작 방식에 따라 분류함

1) 트랜스페런트 브리지(Transparent Bridge) 

사용자에게 투명하게 보여 사용자의 부담 없이 이루어진다. 송신 호스트는 경로에 관한 내용을 알 필요가 없고, 브리지가 자동으로 수행한다.

공유 버스에서 구현되는 CSMA방식과 토큰 버스 방식에서 사용된다

 

2) 소스 라우팅 브리지

프레임이 수신 호스트까지 도달하기 위한 라우팅 정보를 송신 호스트가 제공한다 -> 프레임 자체에 브리지에 필요한 라우팅 정보가 포함되어있다. 

링구조의 네트워크에서 사용된다

 

3-2. IP 인터네트워킹

인터넷에서 IP인터네트워킹을 지원하기위해서 송수신 호스트간 여러 네트워크를 인터페이스를 거쳐 패킷을 전달할 수 있어야 한다.

인터넷에서 라우팅 기능을 수행하는 네트워크 계층은 IP프로토콜로, 인터넷에 연결된 여러 시스템은 공통으로 IP 프로토콜을 지원하며 하위 데이터 링크 계층에는 다양한 종류가 존재한다

3-3. 인터넷 라우팅

라우터의 목적은 수신된 IP 패킷을 최적의 경로로 전달하는것으로, 라우팅 방식은 2가지가 있다

- 고정 경로 배정

• 송신 호스트와 수신 호스트 사이에 영구 불변의 경로 배정하며 간단하게 구현이 가능하다
• 단점으로 전송 경로가 고정되어 트래픽 변화에 따른 동적 경로 배정 불가능해 송수신 호스트 사이의 트래픽을 측정(예측)하여 적절히 배정할 필요가 있다

- 적응 경로 배정(인터넷에서 사용됨)

• 인터넷 연결 상태가 변하면 이를 전달경로에 반영한다. 결정에 영향을 주는경우는 1.특정 네트워크나 라우터가 정상적으로 동작하지 않는 경우, 2. 네트워크 특정 위치에서 혼잡이 발생한 경우이다.
• 단점으로 인터넷처럼 복잡한 네트워크에서 경로 결정 과정이 복잡해지고, 이경우 이를 처리하는 라우터 부담이 증가된다. 또한 네트워크 변화를 모든 라우터에 동시에 반영하기는 불가능해 라우터들끼리 '정보의 불일치성'현상이 발생할 수 있다. -> 불일치성을 해결하기위해 라우터사이 정보교환이 빨리이루어진다해도 이또한 라우터에 부담이 된다

- 자율 시스템

• 다수의 라우터로 구성되며, 공통의 라우팅 프로토콜을 사용하여 정보 교환하는 하나의 자율 시스템이라 볼 수 있다. 
• 동일한 라우팅 특성에 의해 동작하는 논리적인 단일 구성체이다
• 내부 라우팅 프로토콜 : 자율 시스템 내부에서 사용하는 공통 프로토콜
• 외부 라우팅 프로토콜 : 자율 시스템간 사용하는 라우팅 프로토콜

4.  서비스 품질(Quality of Service)

• 인터넷 환경에서 전송 서비스의 품질 문제를 다루는 것.
• 데이터를 어느 정도 신뢰할 수 있게 전송하는지를 의미하며, 데이터 분실, 지연, 지연 값의 일관성 등을 기준으로 판단 가능
• 보통 연결형 서비스를 위한 것이지만 비연결형 서비스에도 부분 적용 된다

1) 연결 설정 지연 : 연결 설정을 위한 Request 프리미티브 발생과 Confirm 도착 사이의 경과 시간으로 경과시간이 짧을 수록 품질이 좋다.연결 해제에도 동일한 기준을 적용 할 수 있다

 

2) 연결 설정 실패 확률 : 임의의 최대연결 설정시간을 기준으로 연결이 설정되지 않을 확률로 연결해제에도 동일한 기준을 적용할 수 있다

 

3) 전송률 : 임의의 시간 구간에서 초당 전송할 수 있는 바이트 수로 양방향의 전송률이 다를수 있어 개별적으로 다루어져야 한다.

 

4) 전송 오류율 : 임의의 시간 구간에서 전송된 총 데이터 수와 오류 발생 데이터 수의 비율로 서비스 품질과 관련된 기본적 요소이다

 

5) 우선 순위 : 다른 연결보다 우선해서 처리되는지 여부로 우선순위가 높을 연결이 낮은 연결보다 좋은 서비스를 제공 받는다.