1-3/4. Network Structure

컴퓨터 네트워크는 중심부(core)와 가장자리(edge)로 나누어 살펴볼 수 있다.

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Network edge

Network edge는 말그대로 네트워크의 종단에 있는 시스템을 말하며 host(client/server)라고 보면 되겠다. 즉, 데스크톱 컴퓨터(PC/리눅스컴퓨터/매킨토시 등), 서버(웹/전자메일), 모바일 컴퓨터(스마트폰/랩탑/패드)를 모두 포함한다고 보면 되겠다.

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Network core

Network core은 switching의 역할을 한다. switching이란 종단시스템들끼리 서로 메시지를 교환하는 것을 말한다. 한 switch로부터 다른 switch로 연결되므로 이를 switching이라고 하나 보다. 전화 등 통신을 할 때에는 circuit switching이, 인터넷을 사용할 때는 packet switching이 발생한다.

• circuit switching

종단 시스템 간의 연결 통로를 사전에 형성해두는 이른바 자원 예약 시스템이다.

다음과 같이 각 라우터들은 연결돼 있고 각각 4개의 circuit으로 이루어져 있다. 두 종단 시스템은 다른 개체들과 공유하지 않는 회선을 보장받는다.

circuit switching의 방법에는 FDM과 TDM이 있다.

1. Frequency Division Multiplexing(FDM)

FDM은 하나의 band를 여러 사용자가 공유하는 방식이다.

사용자별로 다른 freqency band를 사용하기 때문에 서로 침범하지 않고 동시에 계속 사용이 가능하다.

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2. Synchronous Time Division Multiplexing(TDM)

TDM은 하나의 band를 한 사용자가 사용하되 band 사용 시간을 나누는 방식이다.

하지만 TDM은 디바이스의 다양성을 고려하지 못했다는 한계가 있다.

STDM은 디바이스별로 데이터 전송 시간량을 다르게 할당해 효율적인 분배가 가능하도록 한다.

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• packet switching

자원예약 시스템이 아니라 패킷이 전달되면 선착순으로 ISP를 독점하는 시스템이다.

host들은 메시지를 패킷 단위로 나누어 내보낸다.

어떤 패킷이 한 번 link를 차지하면 그 패킷이 일을 모두 처리할 때까지 다른 패킷이 접근하지 못한다는 점에서 circuit switching과 다르다.

packet switching은 store-and -forward transmission(저장 후 전달) 방식을 이용한다. 이 방식은 스위치가 출력 링크로 패킷의 첫 비트를 전송하기 전에 전체 패킷을 받아야 함을 의미한다.

위 그림에서 패킷 하나당 L비트로 구성돼있고 각 패킷이 Rbps의 속도로 이동한다고 가정하면

source에서 라우터로 1번 패킷이 전달되는 데 L/R초가 걸리고

destination까지 다 전달되면 2L/R초가 걸린다.

3개의 패킷이 존재하므로 다 전달되면 4L/R초가 소요되는 것이다.

따라서 sourse에서 destination까지 N개의 링크로 연결된다면(라우터는 N-1 개) 다음과 같다.

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d종단 간 지연=N*L/R

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또한 packet switching방식은 queueing delay와 loss가 발생할 수 있다.

queueing delay는 패킷 스위치의 출력 버퍼에서 나타나는 지연이다. 네트워크의 혼잡도로 인해 발생하므로 가변적이다.

queueing loss는 출력 버퍼의 큐가 꽉 찬 상태에서 또 다른 패킷이 도착한다면 도착하는 패킷 또는 이미 큐에 대기 중인 패킷을 폐기하는 것이다.

그렇다면 라우터가 어떤 링크로 패킷을 전달할 것인지는 어떻게 결정할까?

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각 라우터는 forwarding table을 두어 받은 패킷의 목적지를 확인 후 여기서 주소를 찾아 패킷을 포워딩한다.

그리고 이 forwarding table은 routing protocol을 따라 만들어진다.

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Packet switching vs Circuit switching​​

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각 라우터에 도착할 때마다 그 라우터의 forwarding table을 통해 갈 길이 정해진다는 점에서

circuit switching과 구별된다.

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circuit switching은 미리 식당 예약을 하고 가는 경우,

packet switching은 예약을 안 하고 식당에 가 자리가 없으면 대기하는 경우에 비유할 수 있다.

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또한 packet switching이 비교적 많은 사용자를 수용할 수 있다.

예컨대 전체 시간에서 10%만 활동하는 사용자가 1Mbps의 링크를 공유하는 상황을 가정해보자. 각 방법이 수용할 수 있는 사용자를 비교해보면 된다.

circuit switching의 경우 한 사용자 당 1kbps(1Mbps의 10%)가 예약되므로 10명의 사용자가 가능하다.(1Mbps/1kbps=10)

packet switching의 경우 11명 이상의 사용자가 동시에 이용할 확률은 오직 0.0004이기 때문에 문제가 크지 않다. 하지만 35명이 넘어갈 경우 문제가 심각해진다.(아마 loss가 발생해서이지 않을까?) 근데 왜 35명이지..? 모르겠다.

11명 이상의 사용자가 동시에 이용할 확률

 

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수많은 사용자가 동시에 접속할 확률은 매우 적다는 점이 packet switching을 효율적으로 만드는 것이다.

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하지만 packet switching이 최고라는 것은 아니다.

처리할 데이터가 bursty하게 생겨난다면 이것은 모든 사용자들에게 동시에 일어나는 일이 아니기 때문에 효율적이다. 그러나 packet switching은 패킷의 수용 한도 체크를 안 하기 때문에 오버플로우로 인한 packet delay와 loss가 발생할 수 있다. 이를 해결하기 위해 bandwidth guarantee와 같이 circuit-like behavior를 채택할 수 있다.

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Access Network

Access Network는 종단시스템을 종단시스템으로부터 먼 거리에 있는 다른 종단 시스템까지의 경로상에 있는 첫 번째 라우터에 연결하는 네트워크다. 즉 아래 그램에서 빨간 동그라미 부분들이라고 보면 된다.

Access Network의 종류에는 다음 세 가지가 있다.

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- residential access networks

- institutional access networks(school/company)

- mobile access networks(WiFi, 4G, 5G)

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세 가지 네트워크를 transmission rate와

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1. residential access networks

가정 접속에는 DSL, 케이블, FTTH, 5G fixed wireless가 있다.

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• DSL(Digital Subscriber Line)

한 가정에는 하나의 DSL modem이 있어 가정의 여러 기기가 연결되고, 각 기기의 신호들이 splitter을 통해 나갈 때 frequency를 달리 하기 때문에 CO의 DSLAM에서 구별하여 다른 Network로 보낸다.

예컨대 컴퓨터와 전화가 동시에 연결돼있다고 하면 컴퓨터는 데이터에 해당하는 주파수를, 전화는 소리에 해당하는 주파수를 가진다. splitter을 통해 DSLAM으로 둘 다 전달되지만 DSLAM은 두 종류의 신호를 분리하고 데이터 주파수에 해당하는 신호는 Internet으로, 소리 주파수에 해당하는 신호는 telephone network에 전달한다.

DSL 표준은 업로드할 때는 3.5~16Mbps의 upstream transmission rate를, 다운로드할 때는 24~52Mbps의 downstream transmission rate를 정의하고 있다.(비대칭 asymmetric) 보통 가정에서 다운로드를 많이 하므로 이러한 차이를 부여한 것이다.

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• 케이블(HFC)

케이블사업자가 제공하는 residential access network다. 케이블 인터넷 접속 또한 DSL modem처럼 외장형 케이블 모뎀, DSLAM과 유사한 기능을 하는 CMTS가 존재한다. 케이블 모뎀은 이더넷 포트를 통해 가정 PC에 연결되고 DSLAM은 많은 가정의 케이블모뎀으로부터 송신된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 각 네트워크에 전송한다.

또 하나의 특징으로는 Fiber(광케이블)와 Coax(동축케이블)을 모두 채택하고 있기 때문에 HFC(Hybrid Fiber Coax)라고 부른다. DSL과 마찬가지로 asymmetric하며 다운스트림에서는 40Mbps~1.2Gbps, 업스트림에서는 30~100Mbps의 transmission rate를 할당한다.

DSL과 다른 점은, DSL은 각 집마다 전용 네트워크를 사용한다면 HFC에서는 모든 가정이 하나의 접속네트워크를 공유한다. 그렇기 때문에 헤드엔드가 보낸 모든 패킷들은 모든 링크를 통해 모든 가정에 전달된다(다운스트림).

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• FTTH(Fiber To The Home)

FTTH도 splitter을 통해 전달되지만 DSL처럼 각 가정마다 splitter가 있는 것이 아니라 여러 가정이 하나의 optical splitter을 공유하고 도착한 fiber 신호를 가정별로 분리한다. 이 splitter이 중요한 역할을 하는데 여기엔 AON(Active Optical Network)와 PON(Passive Optical Network)이 있다. 여기서는 PON을 중점적으로 본다.

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아래 그림에서처럼 각 가정은 ONU에 연결되고 많은 ONU가 하나의 PON으로 묶인다. PON은 각 가정에서 온 fiber을 가정별로 split하여 OLT(Optical Line Terminator)에 연결되고 여기서 각 네트워크로 신호를 전달한다.

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• 5G fixed wireless

각 가정의 라우터라고 볼 수 있는 CPE가 access unit에 연결되어 작용하는 방식이다. 우리가 밖에서 이동중이거나 차 안에서 네트워크 연결할 때를 생각하면 된다. 사업자 입장에서는 이미 셀룰러네트워크가 깔려 있기 때문에 rollout cost가 낮고(그냥 용량을 조금만 늘리면 되기 때문) 이미 장비들 운영하는 방식으로 운영하면 되기 때문에 OPEX(운영 비용)도 적다. 그리고 사용자 입장에서도 broadband한 서비스를 제공받기 때문에 윈윈 방식이라고 볼 수 있다.

2. Enterprise access networks(Ethernet)

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회사나 학교에서 사용되는 access network다.

우리학교의 실습실 랩탑들의 연결선들이 바닥에 있는 ethernet switch에 연결돼있다. 그 ethernet switch를 통해 하나의 방이나 건물이 연결돼있는 것이다. 그리고 여러 방/건물의 ethernet switch가 router로 연결돼 캠퍼스가 하나의 네트워크로 연결된다. 그 router을 통해 우리학교의 회선이 밖으로 나가기도, 밖의 회선이 학교로 들어오기도 한다.

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• Ethernet

: 유선 access network

: 얼마나 큰 규모를 묶어주느냐에 따라 10/100Mbps를 묶어주는 Fast Ethernet(FE)와 1/10/100/1000Mbps를 묶어줄 수 있는 Gigabit Ethernet(GE)가 있다.

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• WiFi

: 무선 access network

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- 실내: Wifi access point를 통해 WLAN이라는 access network를 형성하고 그 WLAN이 end system을 router에 연결해줌

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- 실외: 우리가 흔히 데이터라고 부르는 것이라고 보면 된다.

SKT, KT와 같이 인터넷을 지원해주는 회사를 기지국라고 하는데, 이 기지국을 통해 넓은 범위까지 인터넷 보급이 가능하다.

Internet Structure

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앞서 정리했듯 host들은 access network을 통해 인터넷에 연결되는데, 이 access network는 ISP회사들(SKT, KT 등 인터넷을 제공하는 회사)이 제공한다.

이제부터는 각 네트워크들이 어떻게 연결되는지에 대해 살펴볼 것이다.

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1. access network 간 연결

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access network끼리의 연결은 어떻게 이루어지는가?

하나하나 따로 연결된다면 복잡도가 말이 안될 것이다. 그렇기 때문에 ISP를 매개로 연결된다. 모든 access network들이 global ISP의 라우터에 연결되면 global ISP 내에서 라우터들끼리 연결되어 access network들끼리의 연결이 가능한 것이다.

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2. ISP 간 연결

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근데 다른 통신사를 사용하는 기기 간 연결도 필요하기 때문에 ISP 회사들 간의 연결도 필요하다.

그렇다면 ISP끼리의 연결은 어떻게 이루어지는가?

1. IXP(Internet exchange point)를 매개로 연결
2. peering link로 연결

1번. IXP를 매개로 연결한다는 것은 소개팅이랑 비슷한 개념이라고 보면 된다. IXP는 고유의 switch를 가지고 있는 하나의 건물인데, ISP간 연결을 주선하는 역할을 하며, 실제로 현재 인터넷에는 600개의 IXP가 존재한다.

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2번. peering link를 통해 연결된다는 것은 물물교환이랑 비슷한 개념이라고 보면 된다. 연결된 ISP 둘 사이의 traffic에 관해서는 값을 매기지 않는다.

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3. access network와 ISP 간 연결

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access network가 ISP로 연결되는 접속 지점은 어떻게 연결될까?

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Point of Presence(PoP)에서 연결된다. PoP는 접속 ISP 계층을 제외하고 모든 계층에 존재해(단지 제공자의 네트워크 내에 존재) 하위 ISP와 상위 ISP를 연결해준다. access network는 요금을 지불하고 자신의 라우터를 ISP 내에 있는 PoP에 속한 라우터와 연결한다.

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ISP끼리도 연결돼있기 때문에 하나의 ISP에 문제가 생기면 자동으로 다른 ISP를 사용할 수 있도록 하는 기능, 즉 multi-home이 가능하다.

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추가적으로,,

앞서 global ISP에 대해 얘기했는데, 규모가 너무 크기 때문에 regional ISP 가 보조적으로 연결해준다. 하나의 region 안에도 여러 개의 regional ISP가 있을 수 있으며, regional ISP 들끼리도 서열이 있어 더 큰 regional ISP가 작은 regional ISP들을 묶어준다. 다시 말해 작은 regional ISP들이 모여 비교적 큰 regional ISP가 형성되고 이 큰 regional ISP가 global ISP로 연결되는, multi-tier hierarchy 형태를 가지는 것이다.

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Content Provider Network(CPN)

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이렇게 ISP에 대해서 공부했는데, ISP를 따라잡는 CP network도 많이 등장하고 있다.

Google이 CPN 가지고 있는 대표적인 회사다. 구글의 데이터센터는 모두 구글의 사설 TCP/IP 네트워크를 통해 연결돼있어 구글 서버로 오가는 트래픽만 전달한다. 상위 ISP계층에 지불하는 요금을 줄일 수 있을 뿐더러 자신의 서비스에 더 많은 통제권을 가질 수 있다.