네트워크 구성요소(Network edge, Access Network, NetWork Core)

오늘은 전체적으로 네트워크(특히 인터넷)가 어떻게 구성되어 있는지 알아보는 시간이다!

바로 본론으로 들어가자면 네트워크는 크게 3가지로 이루어진다.

1. 네트워크 가장자리(network edge)

2. 접속 네트워크(access network)

3. 네트워크 코어(network core)

각각에 대해서 자세하게 알아보자.

1. 네트워크 가장자리(network edge) 

네트워크 가장자리에는 종단시스템이 존재한다. 종단시스템에 대해서는 전 시간에 언급했으므로 설명은 생략한다. 말 그대로 가장자리란 뜻으로 네트워크 종단 부분에서 수행되는 시스템들을 말한다. 휴대폰 노트북 이런?..? ㅇㅅㅇ

쉽게 말하면 이러한 종단 시스템들은 호스트라고도 불린다. 클라이언트와 서버라는 말을 들어보았을 것이다. 여기서 호스트는 클라이언트도 되고 서버도 된다. 이렇게 각각의 호스트가 존재하는 네트워크 부분은 네트워크 가장자리, 유식하게 영어로는 Network Edge 이다.

2. 접속 네트워크(access network)

접속 네트워크란 말그대로 네트워크에 접속하는 네트워크를 말한다. 즉 종단 시스템을 그 종단 시스템으로부터 다른 먼거리의 종단 시스템까지의 경로상에 있는 첫번째 라우터에 연결하는 네트워크이다.  말로는 먼가 애매한데 그냥 단순하게 랜선을 떠올리면 된다. 유선으로 네트워크에 접속하기 위해선 랜선을 꼽아서 사용해야 하고 무선으로 네트워크에 접속하기 위해서는 와이파이를 이용하여 네트워크에 접속해야한다.

가정이 인터넷에 어떻게 연결되는지를 살펴보면 가장 널리 보급된 광대역 가정 접속 유형은 DSL과 케이블이다. 일반적으로 가정은 유선 로컬 전화 서비스를 제공하는 같은 지역 전화 회사로부터 DSL 인터넷 접속 서비스를 받는다. 

3. 네트워크 코어(network core)

네트워크 코어, 즉 인터넷의 종단 시스템을 연결하는 패킷 스위치들과 링크들의 연결망을 자세하게 알아보자. 쉽게 말하자면 종단 시스템들을 연결 시켜주는 중간역할을 하는 부분이라고 생각하면 된다. 그렇다면 네트워크에 돌아다니는 수많은 패킷들이 있는데 송신 측과 수신 측 사이에서 각 패킷은 통신 링크와 패킷 스위치를 거치게 된다. 이러한 패킷이 전송되는 방식에는 크게 2가지로 나뉜다.  패킷교환 방식과 회선교환 방식이다.

1. 패킷 교환 방식

 패킷 교환 방식은 저장-후-전달 방식을 이용한다.

저장-후-전달 패킷 교환

저장-후-전달 방식이란 말 그대로 그림을 보면 가운데에 있는 라우터가 해당 패킷을 모두 받아야지만(자세히 말하자면 라우터의 버퍼) 출력 링크를 통해 목적지로 패킷을 전송시킬수 있는 방식을 말한다. 위 그림에서는 1번 패킷이 라우터로 전송되고 있다. 한 절반 정도까지만 전달됬기 때문에 이 1번 패킷이 출력되기 위해서는 나머지 절반을 모두 다 받아야지(즉 1번 패킷의 모든 비트를 다 받아야지만) 내보낼수 있다는 소리이다.

저장-후-전달 전송에 대한 이해를 돕기 위해 송신 시스템에서 패킷을 송신하기 시작해서 전체 패킷을 수신 시스템에서 수신할 때까지 경과된 시간을 계산 해 보자. (전파지연은 무시하고) 송신 시스템이 라우터를 향해 모든 패킷을 전송하는데 L/R 초 시간이 걸렸고 라우터에서 목적지까지 L/R 초 시간이 걸렸으므로 총 송신-수신 까지의 걸린 시간은 2L/R 초 만큼 걸린다.

헷갈리면 안되는게 이 2L/R 초 만에 송신 시스템에서 1번 패킷이 수신 시스템으로 간것이다. 모든 3개의 패킷이 다 간 것이 아니다.!! 링크의 전송률은 두 링크 모두 R bps 이므로 모든 패킷이 이동하는데 걸리는 시간을 같으므로 1번패킷이 라우터에 도착하고, 수신시스템으로 출발하는 시점에 2번 패킷도 송신 시스템에서 라우터를 향해 출발하기 시작한다.!!

다시말해 1번 패킷이 L/R초(라우터에 도착)+L/R초(라우터에서 나가는)  만에 수신 시스템에 도착했다면 L/R초(라우터에서 나가는) 시간이 걸리는 동안 2번 패킷은 L/R(라우터에 도착)초를 거치는 것이다.

이렇게 2L/R 가 지나게 되면 1번 패킷은 도착하고 2번패킷은 라우터에 있다. L/R 초가 더 지나면 2번패킷도 수신 시스템에 도착하고 3번 패킷은 라우터에 도착한다. 마지막으로 L/R초가 더 흐르게 되면 마지막 3번 패킷이 라우터를 빠져나가 수신시스템에 도착하게 된다.

따라서 최종적으로 3개의 모든 패킷은 4L/R 초 만에 송신시스템에서 출발하여 수신시스템에 도착하게 된다.

근데 여기서 간과하면 안되는게 이러한 경우는 대략정인 경우이다. 왜냐하면 우리는 지연시간에 대한 고려를 1도 안했다. 지연시간이란 말그대로 티아라 지연. 아 아니 패킷이 지연되서 바로바로 라우터에 들어가고 나가지 못하는 상황을 말한다. 지연에 대한 설명은 나중에 자세하게 하고 간단하게만 설명하겠다.

큐잉 지연과 패킷손실

각 패킷 스위치는 접속된 여러 개의 링크를 갖고 있다. 각 링크에 대해 패킷 스위치는 출력 버퍼를 갖고 있으며, 그 링크로 송신하려고 하는 패킷을 저장하고 있다. 만약 버퍼에 도착한 패킷이 출력 링크로 나가야 하는데 그 해당 링크가 이미 다른 패킷을 내보내고 있다면 도착한 패킷은 버퍼에서 대기해야한다. 따라서 저장-후-전달 방식에서의 전체 패킷이 버퍼에 도착해야지만 출력 링크로 나갈 수 있는 지연시간과 출력 버퍼에서 대기해야 하는 

큐잉 지연을 격게 된다. 이 지연은 가변적이고 네트워크의 혼잡 정도에 따라 다르다.

또한 버퍼 공간의 크기는 유한하기 때문에 버퍼가 만약 꽉차 있으면 버퍼에 들어가지 못하고 패킷이 버려지는 손실이 발생한다.

위 그림은 큐잉 지연을 설명 하기에 좋은 그림이다. 호스트 A와 B가 현재 100 Mb/s의 속도로 패킷을 송신하고 있고 라우터는 1.5 Mb/s 의 속도로 내보내고 있다. 버퍼에 패킷이 엄청 빨리 들어오는데 막상 나가는 속도는 엄청 느리니 큐잉지연이 발생하게 된다. 실생활에서도 이러한 예를 찾아 볼 수 있는데, 고속도로에서 존나게 빠른 속도로 톨게이트로 진입하는데 새로 들어온 알바가 너무 일을 못해서 요금 계산하는데 시간이 걸리게 된다면 톨게이트에서 빠져나가는 차들은 엄청 느리게 빠져나갈 것이고 반대로 톨게이트 앞에서 대기해야 하는 차들은 점차 많아 질 것이다. 여기서 톨게이트가 버퍼라고 생각 하면된다. 

2. 회선교환 방식

링크와 스위치의 네트워크를 통해 데이터를 이동시키는 방식에는 패킷 교환 방식 말고 회선교환 방식이라는 것이 있다. 회선교환 방식에서는 종단 시스템 간에 통신을 제공하기 위해 경로상에 필요한 자원은 세션이 유지되는 동안에는 예약 되어야 한다. 회선 교환 네트워크의 예로 전통적인 전화망이 있다. 어떤 사람이 전화망을 통해 다른 사람에게 정보를 보내려고 할 때 어떤 일이 일어나는지 생각 해자. 

일단 내가 친구한테 전화를 하려면 수화기를 들고 번호를 입력한다. 번호를 입력하고 친구가 전화를 딱 받는 순간! 해당 전화망은 아무도 쓰지 못하고 오로지 나만 쓸수 있다는 것이다. 이렇게 연결이 예약된 상태에서 전화를 하게된다면 송신자는 수신자에게 보장된 일정 전송률로 데이터를 보낼수 있다는 장점이 있다. 하지만 연결 동안에는 다른 사람이 사용하지 못하는 단점이 있다. 전화를 하는 도중 다른 친구가 나한테 전화를 해도 상대방이 통화중입니다 라는 소리가 나오는 것처럼 말이다. 

회선교환 방식

위 그림을 보면 굵은 초록색의 회선을 두 호스트가 사용하게 되면 다른 호스트 들은 이 회선을 사용하지 못한다. 각 링크가 4개의 회선을 가지므로  라우터 간에 1Mbps의 전송속도를 갖는다면 각 회선 교환 연결은 250kbps의 속도를 얻게 된다.

결론적으로 두가지 패킷교환 방식과 회선교환 방식을 비교해보고 마무리하겠다.

패킷 교환을 반대하는 사람은 가변적이고 예측할 수 없는 종단간의 지연(주로 불규칙적이고 예측할 수 없는 큐잉 지연에서 발생) 때문에 패킷 교환이 실시간 서비스(전화통화와 비디오 회의 통화 같은..)에는 적당하지 않다고 주장했다. 반면에 패킷 교환 옹호자는 다음과 같이 주장한다.

1) 패킷 교환이 회선 교환보다 전송용량의 공유에서 더 효율적이다.

2) 패킷 교환이 더 간단하고, 효율적이며, 회선 교환보다 구현 비용이 적다.

회선 교환 방식은 회선 요구에 관계없이 그냥 미리 전송 링크의 사용을 할당하고 사용하는 반면에 패킷 교환은 요구할 때만 링크의 사용을 할당하고 그렇지 않을 경우는 할당하지 않아 다른 사람들도 사용할 수 있다는 장점이다 있다. 패킷 교환과 회선 교환이 현재 전기통신 네트워크에서 널리 이용되지만, 그 추세는 패킷 교환으로 바뀌고 있다고 한다. 특히 전화망은 비싼 해외 통화 부분을 패킷 교환 방식을 이용한다고 한다.