컴퓨터 네트워크와 인터넷

1.1 인터넷이란?

 

네트워크들을 상호 연결한 네트워크.

네트워크 : 다양한 유형의 호스트와 스위치들을 통신 링크로 연결한 분산 시스템

 

1) 구성요소로 본 인터넷

크게 종단 시스템 - ISP - 종단 시스템으로 이루어진다. ISP는 통신 링크와 패킷 스위치로 이루어진 네트워크이다.

 

통신 링크는 동축 케이블, 구리선, 광케이블, 라디오 스펙트럼을 포함한 다양한 물리 매체로 구성되고 전송률을 이용해서 데이터를 전송한다. 송신 종단 시스템은 데이터를 세그먼트로 나누고 헤더를 붙여서(=패킷) 목적 종단 시스템으로 네트워크를 통해 보내지고 목적지에서 원래의 데이터로 조립된다.

 

패킷 스위치는 라우터와 링크 계층 스위치가 널리 사용되고 최종 목적지 방향으로 패킷을 전달한다. 라우터는 네트워크 코어, 링크 계층 스위치는 액세스 네트워크에서 주로 사용된다. 종단 시스템간에 거쳐 온 일련의 통신 링크와 패킷 스위치들을 네트워크상의 경로(route, path)라고 한다.

 

종단 시스템은 ISP를 통해서 인터넷에 접속하고 ISP는 웹 사이트 및 서버를 인터넷에 직접 연결하도록 CP에게 인터넷 접속을 제공한다. ISP끼리도 서로 연결되어야만 한다.

 

 

2) 서비스 측면에서 본 인터넷

종단 시스템들은 종단 시스템에서 수행되는 애플리케이션 간의 데이터 송신을 요구하는 소켓 인터페이스를 제공한다. 송신 프로그램이 따라야 하는 규칙의 집합이다. 실생활에서 우편을 보내는 절차를 생각하면 이해하기 쉽다.

 

 

디바이스들이 인터넷의 가장자치를 차지하기 때문에 종단 시스템이라고 부른다

 

 

* 프로토콜 : 둘 이상의 통신 개체 간에 교환되는 메시지 포맷과 순서뿐만 아니라, 메시지의 송수신과 다른 이벤트에 따른 행동들의 정의.

사람간의 대화와 유사하다

 

 

1.2 네트워크의 가장자리

 

종단 시스템은 웹 브라우저 프로그램, 전자메일 서버 프로그램 같은 애플리케이션을 수행하기 때문에 호스트라고도 부른다. 호스트는 클라이언트와 서버로 구분한다.

 

1) 접속 네트워크

호스트의 경로상에 첫 번째 라우터에 연결하는 네트워크.

빨간 선을 의미한다

가정 접속 : DSL, 케이블, FTTH 등

• DSL : 주파수 분할 다중화를 사용하고 업/다운 속도가 다른 비대칭이다. 텔코(telco, 지역 전화 회사)의 로컬 전화 기반구조를 이용한다.
• 케이블 : 케이블 TV 회사의 기반구조를 이용한다. 마찬가지로 비대칭이다.
• FTTH : CO(텔코의 지역 중앙국)와 가정 사이에 직접 광섬유 경로를 제공한다.

 

기업 접속 : 이더넷 및 와이파이

주로 회사, 대학 등에서 사용되고 종단 시스템들은 이더넷 스위치에 연결된다. 와이파이 접속 사용자들은 AP의 수십 미터 반경 내에 있어야한다.

 

광역 무선 접속: 3G 및 LTE

와이파이와 달리 기지국의 수십 km 반경 내에 있으면 된다.

 

 

2) 물리 매체

물리 매체는 유도 매체와 비유도 매체로 나눌 수 있다.

• 유도 매체 : 광섬유 케이블, 꼬임쌍선 등 견고한 매체를 따라 파형을 유도한다.
  꼬임쌍선 - 가장 싸고 많이 이용한다. UTP는 LAN에서 가장 많이 이용하는 매체이다.
  동축케이블 - 동심원 형태를 이룬다. 꼬임쌍선보다 더 높은 데이터 전송률을 얻을 수 있다.
  광섬유 - 비트를 나타내느 빛의 파동을 전하는 가늘고 유연한 매체. 주로 광역 전화 네트워크에 이용된다.
  
  
• 비유도 매체 : 무선 LAN, 디지털 위성채널처럼 야외공간으로 파형을 전파한다.
  라디오 채널 - 전자기 스펙트럼으로 신호를 전달한다. 지상 마이크로파, 무선 LAN, 위성 등의 유형이 있다.

 

 

1.3 네트워크 코어

 

라우터간의 연결망. 네트워크의 네트워크라고 볼 수 있다.

링크와 스위치의 네트워크를 통해 데이터를 이동시키는 방식에는 패킷 교환과 회선 교환 두 가지 방식이 있다.

빨간 선을 의미한다

 

1) 패킷 교환

R bits/sec 속도로 링크상에서 L bits의 패킷을 송신한다면, 전송하는데 걸리는 시간은 L/R 초이다.

• 저장 후 전달
  대부분의 패킷 스위치가 이용하는 방식. 패킷의 모든 비트를 수신한 후에 출력 링크로 패킷을 전송한다. d(종단간 지연) = N * (L/R) 이 성립한다.
• 큐잉 지연과 패킷 손실
  각 패킷 스위치는 접속된 여러개의 링크를 갖고 있고 각 링크에 대해 출력 버퍼도 가지고 있다. 도착한 패킷은 하나의 링크로 전송되어야 하는데 그 링크가 다른 패킷을 전송중이라면 도착하는 패킷들은 출력 버퍼에서 대기해야 한다. 저장 후 전달에 의한 지연 뿐만 아니라 출력 버퍼에서 큐잉 지연도 겪게 된다.
  버퍼의 크기는 유한하기 때문에 버퍼가 꽉찬 경우 패킷 손실이 발생한다.
• 전달 테이블과 라우팅 프로토콜
  패킷 헤더에 목적지의 IP 주소가 있기 때문에 라우터가 패킷 전달 링크를 결정할 수 있다. 패킷이 라우터에 도착하면 목적지 주소의 일부롤 조사하고 패킷을 아웃 라우터로 전달한다.
  라우터는 목적지 주소를 라우터의 출력 링크로 매핑하는 전달 테이블을 가지고 있다.
  목적지를 한번에 정확히 파악하고 보내는것이 아니라 라우터마다 방향을 파악하고 패킷을 보내주는 방식이다.
  패킷 도착 -> 아웃 라우터 전달 -> 전달 테이블 검색 -> 출력 링크로 패킷 내보냄의 흐름이다.
  라우터는 전달 테이블을 자동으로 설정하기 위해 라우팅 프로토콜을 가지고 있다.
  
  

 

2) 회선 교환

종단 시스템 간에 경로상에 필요한 자원은 통신 세션 동안에 확보 또는 예약된다. (패킷 교환 네트워크에서는 예약x)

네트워크가 회선을 설정할 때, 연결이 이루어지는 동안 네트워크 링크에 일정한 전송률을 예약하기 때문에 송신자는 수신자에게 보장된 일정 전송률로 데이터를 보낼 수 있다.

 

회선: 송신자와 수신자 간의 경로에 있는 스위치들이 해당 연결 상태를 유지해야 하는 연결

 

간단한 회선 교환 네트워크

두 호스트가 통신하고 싶을 때, 네트워크는 종단간 연결을 설정한다. 회선이 4개이므로 각 링크는 전체 전송용량의 1/4를 얻게된다.

 

• 회선 교환 네트워크에서의 다중화
  링크 내 한 회선은 주파수 분할 다중화(FDM) 또는 시분할 다중화(TDM)으로 구현된다.
  FDM은 주파수 스펙트럼을 공유하고 각 연결에 대한 주파수 대역을 고정으로 제공한다. FM 라디오 방송이 이에 해당한다. TDM 회선의 전송률은 한 슬롯 안의 비트 수와 프레임 전송률을 곱한 것과 같다.

• 패킷 교환 대 회선 교환
  회선 교환은 요구에 관계없이 미리 전송 링크의 사용량을 할당하는 반면에 패킷 교환은 요구할 때만 링크의 사용을 할당해서 성능이 더 우수하기 때문에 패킷 교환으로 바뀌는 추세이다.

 

 

3) 네트워크의 네트워크

모든 종단 시스템이 서로에게 패킷을 보내려면 접속 ISP들이 연결되어야 가능하다.

가장 간단한 방법은 각 접속 ISP를 직접 서로 다른 ISP와 연결하는 것이지만 전 세계적으로 너무 많은 접속 ISP가 있기 때문에 매우 많은 비용이 발생한다.

대신 하나의 글로벌 통과(transit) ISP와 연결한다. 말했듯이 많은 접속 ISP와 연결하려면 매우 많은 비용이 발생하기 때문에 글로벌 ISP는 각각의 접속 ISP에 대해 비용을 부과한다.

 

글로벌 ISP는 다른곳에서도 구축하고 운영할 수 있고 각 글로벌 ISP는 서로 연결되어 있어야만 한다.

접속 ISP들은 지역 ISP에 연결되고 지역 ISP들은 글로벌 ISP(tier-1)에 연결된다.

 

ISP간에 계층구조가 생기고 각 레벨에 고객-제공자 관계가 성립되며 교환되는 트래픽의 양으로 비용이 결정된다.

보통 같은 계층에 있는 ISP끼리는 비용을 부과하지 않는다. 그래서 같은 계층의 가까운 ISP들은 피어링을 통해 직접 송수신해서 트래픽 비용을 줄인다.

 

1.4 패킷 교환 네트워크에서의 지연, 손실과 처리율

 

1) 패킷 교환 네트워크에서의 지연 개요

패킷은 경로상의 각 노드에서 다양한 지연을 겪게된다. 이 지연들이 쌓여서 전체 노드 지연을 일으킨다.

 

노드 지연, 큐잉 지연, 전송 지연, 전파 지연

• 처리 지연 : 패킷 헤더를 조사하고 어디로 보낼지 결정하는 시간.
• 큐잉 지연 : 링크로 전송되기를 기다리는 시간.
• 전송 지연 : 라우터가 패킷을 내보내는데 필요한 시간. 패킷 길이(L)비트, 전송률 R = L/R
• 전파 지연 : 링크의 처음부터 라우터 B까지의 전파에 필요한 시간.
  라우터 A-B사이의 거리(d), 링크의 전파속도(s) = d/s

전송 지연은 라우터 사이의 거리와 관계없이 패킷을 내보내는데 필요한 시간일 뿐이다.

 

 

2) 큐잉 지연과 패킷 손실

노드 지연 중 가장 복잡하고 흥미로운 요소이다. 다른 세가지 지연과는 다르게 큐잉 지연은 패킷마다 다를 수 있다.

a = 패킷이 큐에 도착하는 평균율

R = 전송률

L = 패킷 길이 일 때,

트래픽의 강도는 La/R이다. 큐잉 지연의 정도를 측정하는 데 매우 중요하다. 큐가 무한대 패킷을 가진다는 가정하에 La/R > 1이면 큐잉 지연은 무한대에 도달하기 때문에 트래픽 강도가 1보다 크지 않게 시스템을 설계해야 한다.

트래픽 강도가 1에 근접할수록 평균 큐잉 지연이 급격하게 증가한다.

 

패킷 손실 : 큐 용량은 유한하기 때문에 트래픽 강도가 1에 근접할 때, 패킷이 도착하면 큐가 꽉 찬 것을 발견하게 된다. 이 때 패킷을 저장할 수 없게 되므로 패킷을 버리게 된다.

패킷 로스가 발생하면 종단간에 재전송 될 수 있다. (TCP)

 

 

1.5 프로토콜 계층과 서비스 모델

 

 

인터넷 프로토콜 스택 5계층

• 애플리케이션 계층 : HTTP, SMTP, FTP등의 프로토콜을 포함한다. 정보 패킷을 메시지라고 부른다.
• 트랜스포트(전송) 계층 : TCP, UDP 두가지 프로토콜이 포함된다. 애플리케이션 계층의 메시지를 전달한다. 트랜스포트 계층 패킷을 세그먼트라고 한다.
• 네트워크 계층 : IP 프로토콜을 포함한다. 호스트간의 데이터그램을 라우팅하는 책임을 진다.
• 링크 계층 : 이더넷, 와이파이 등의 프로토콜을 포함한다. 링크 계층 패킷을 프레임이라고 한다.
• 물리 계층 : 프레임 내부의 각 비트를 다음 노드로 이동시킨다.