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[한빛아카데미] 쉽게 배우는 데이터 통신과 컴퓨터 네트워크 책으로 학습한 내용을 정리한 것입니다.
* 교환 시스템
- 전송 선로를 이용해 데이터를 전송할 때는 전용 회선 방식과 교환 회선 방식을 이용함
- 전용 회선 방식 : 송수신자 사이에 전용 전송 선로를 사용함
- 교환 회선 방식 : 전송 선로를 다수의 사용자가 공유함
교환 회선을 이용하는 방식은 회선 교환 방식과 패킷 교환 방식으로 나누며, 메시지 교환 방식으로 중간 형태도 있음
* 교환 시스템의 종류
1) 회선 교환 방식(Circuit Switching)
- 데이터를 전송하기 전에 통신 양단 사이에 고정된 연결 경로를 설정
- 연결 설정 과정에서 송수신 호스트 간의 경로가 결정되기 때문에 모든 데이터가 같은 경로로 전달됨
- 고정 대역의 논리적인 전송 선로를 전용으로 할당 받아서 데이터 전달 시 안정적인 전송률 지원함
2) 메시지 교환 방식(Message Switching)
- 데이터를 전송하기 전에 경로를 미리 설정하지 않고, 대신 전송하는 메시지의 헤더마다 목적지 주소를 표시하는 방식
- 교환 시스템에서 전송 데이터를 저장하는 기능을 제공하기 때문에 송신 호스트가 보낸 시점과 수신 호스트가 받은 시점이 반드시 일치할 필요가 없다는 것
3) 패킷 교환 방식(Packet Switching)
- 미리 연결을 설정하지 않고, 데이터를 패킷 단위로 나누어 전송하는 방식
- 전송 대역의 효율적 이용, 호스트의 무제한 사용, 패킷에 우선순위 부여
(참고) 지터(Jitter) : 패킷별로 지연되는 정도를 나타내는 지연 분포의 형태도 가변적일 수밖에 없으며, 이러한 가변적인 전송 지연의 분포
- 회선 교환과 메시지 교환의 장점을 모두 이용하지만, 두 방법에 비해 더 많은 지연이 발생함
* 패킷 교환
- 네트워크 계층의 가장 중요한 역할은 패킷의 전송 경로를 결정하는 것
- 데이터를 패킷 교환 방식으로 전송하는 네트워크는 가상 회선과 데이터그램이라는 두가지 전송 방식을 지원함
1) 가상 회선(Virtual Circuit)
- 연결형 서비스를 지원하기 위한 기능으로, 연결을 통해 전송되는 모든 패킷의 경로 동일함
- 송수신 호스트 사이에 설정된 가상의 단일 파이프를 통해 송신 호스트가 입력단으로 패킷을 송신하고, 수신 호스트가 출력단에서 패킷을 수신함 -> 하나의 파이프로 표현되는 동일 경로로 전송되므로 패킷이 도착하는 순서와 보낸 순서는 같음
(참고) 파이프 : 한 프로세스의 출력의 다른 프로세스의 입력으로 사용할 수 있도록 프로세스를 연결하는 논리적 통신 매체
- 회선 교환 방식과 비슷하지만, 가상 회선 방식은 패킷 교환 방식을 기반하므로 데이터 전송 단위가 패킷 단위으로 이루어지며, 회선 교환 방식은 패킷 기능을 지원하지 않음
2) 데이터그램(Datagram)
- 비연결형 서비스를 이용해 패킷을 독립적으로 전송하는 것
- 패킷을 송신하기 전에 연결을 설정하는 과정이 없으므로, 미리 경로를 할당하지 않음
- 전송되는 패킷들이 독립적인 경로로 전달됨
- 전송할 정보의 양이 적거나 상대적으로 신뢰성이 중요하지 않은 환경에서 사용되는 방식
- 데이터의 도착 순서가 바뀌는 것은 흔하게 발생하는 현상
* 프레임 릴레이(Frame Relay)
- 패킷 교환 방식이 개발된 시점에 많은 전송 오류로 인해 고안된 방식
- 동일한 속도의 전송 매체로 고속 데이터 전송을 지원할 수 있도록 고안된 기술
[프레임 릴레이 방식의 장점]
- (a) 패킷 교환 방식에서는 중간 라우터를 거치는 과정에서 데이터 링크 계층의 기능이 개별적으로 수행되어 개별 링크에서 데이터 프레임과 긍정 응답 프레임을 반복 교환함 -> 오류 제어가 과도하게 이루어짐
- (b) 프레임 릴레이 방식에서는 각 라우터의 개별 연결을 의미하는 홉(Hoop) 단위의 흐름 제어와 오류 제어 기능을 수행하지 않으며, 데이터의 전송과 긍정 응답 처리가 큰 흐름으로 이루어져 전송 패킷의 양이 반으로 줄어듦
-> 오류 제어 기능 단순화하여 데이터 전송 효율 크게 향상
* 셀 릴레이(Cell Relay)
- 패킷 교환 방식이 개발된 시점에 많은 전송 오류로 인해 고안된 방식
- ATM(Asynchronous Transfer Mode) 방식으로 더 많이 알려졌으며, 회선 교환과 패킷 교환 방식의 장점을 모아 고안됨
- 프레임 릴레이 방식은 가변 길이의 패킷을 지원하지만 셀 릴레이 방식에서는 셀이라는 고정 크기의 패킷 사용함
- 패킷의 크기가 고정되면 가변적인 경우보다 패킷 처리 과정에서 오버헤드를 더 줄일 수 있으며, 2~100Mbps의 전송률 지원
(참고) LAN, MAN, WAN -> 호스트 사이의 연결 거리를 기준으로 네트워크를 구분한 것
* LAN(Local Area Network)
- 단일 건물이나 학교 같은 소규모 지역에 위치하는 호스트로 구성된 네트워크
- 데이터를 브로드캐스팅(Broadcasting) 방식으로 전송함
- 호스트를 연결하는 방식을 구성 형태에 따라 버스형과 링형으로 구분됨
1) 버스형
- 공유 버스 하나에 여러 호스트를 직접 연결함
- 한 호스트가 전송한 데이터를 네트워크에 연결된 모든 호스트에 전송하여 라우팅 기능 따로 필요 없음 (브로드캐스트 방식)
- 목적지에 해당하는 호스트만 데이터를 내부 버퍼에 보관하고 나머지 호스트들은 데이터를 버림으로써 한 호스트만 데이터를 수신함
- 둘 이상의 호스트에서 데이터를 동시에 전송하려고 하면 공유 버스에서 데이터 충돌이 발생할 수 있음
- 충돌 문제는 사전 해결 방식과 사후 해결 방식이 있으며, 대표적인 버스형 연결 형태인 이더넷 존재
(참고) 이더넷(Ethernet) : 충돌이 발생하는 것을 허용하는 대신, 충돌 후에 문제를 해결하는 사후 해결 방식
2) 링형
- 전송 호스트의 연결이 순환 구조인 링 형태
- 데이터는 시계나 반시계 방향으로 전송됨
- 특정 호스트에서 전송한 데이터는 반드시 한 바퀴 돌아 송신 호스트로 돌아옴 (브로드캐스트 방식)
- 둘 이상의 호스트에서 데이터를 동시에 전송하면 충돌이 발생할 수 있는데, 토큰(Token)이라는 제어 프레임을 사용해 충돌 가능성 차단함
* MAN(Metropolitan Area Network)
- LAN보다 큰 지역을 지원하며, 사용하는 하드웨어와 소프트웨어는 LAN과 비슷하지만, 연결 규모가 더 큼
- 근처에 위치한 여러 건물이나 한 도시에서의 네트워크 연결로 구성할 수 있음
- MAN을 위한 국제 표준안은 DQDB(Distributed Queue Dual Bus)로, 전송 방향이 다른 두 버스로 모든 호스트를 연결하는 구조를 지원
(참고) DQDB 특징
1) 분산 데이터 큐를 유지함
2) 데이터를 전송할 때 발생할 수 있는 충돌 문제를 해결하기 위해 슬롯 링 개념을 변형한 FIFO 기반의 공유 슬롯 방식 사용
3) ATM과 호환이 가능하도록 53바이트의 프레임을 지원함
* WAN(Wid Area Network)
- 국가 이상의 넓은 지역을 지원하는 네트워크 구조
- Point-to-Point로 연결된 환경으로 전송과 더불어 교환 기능이 반드시 필요함
- 호스트를 일대일로 연결하는 방식으로 네트워크를 확장하며, 어떤 호스트가 어떻게 연결되는지 따라 WAN의 종류는 다양함
- 호스트 사이의 거리가 멀기 때문에 연결의 수가 증가할수록 전송 매체를 많이 사용하므로 비용이 많이 듦
- 호스트를 스타형, 트리형, 완전형, 불규칙형 등 다양한 구조로 연결할 수 있음
* 인터네트워킹(Internetworking)
- 라우팅 장비는 네트워크 내부에서 패킷 교환 기능을 수행하는데, 둘 이상의 서로 다른 네트워크를 연결하는 기능
- 네트워크 장비는 수행 기능에 따라 리피터, 브리지, 라우터로 구분함
1) 리피터(Repeater)
- 계층 1 기능을 지원하며, 한쪽 단에서 들어온 비트 신호를 증폭하여 다른 단으로 단순히 전달하는 역할
2) 브리지(Bridge)
- 계층 2 기능을 지원함
- 한쪽 단에서 들어온 프레임의 MAC 계층 헤더를 다른 단의 MAC 계층 헤더로 변형해 전송할 수 있어 종류가 다른 LAN을 연결할 수 있음
- 송수신 호스트의 위치가 서로 다른 LAN에 속하면 중개 기능을 수행함
3) 라우터(Router)
- 계층 3 기능을 지원하며, 교환 기능을 수행할 수 있으므로 여러 포트를 사용해 다수의 LAN을 연결하는 구조를 지원함
- 수신한 패킷을 해석하여 적절한 경로로 전송하도록 경로를 배정하는 기능
(참고) 상위 계층의 개념인 게이트웨이(Gateway)는 서로 다른 응용 환경을 지원하기 위해 사용할 수 있으므로, 네트워크 양단의 특성이 다른 환경에서 중개하는 역할을 수행함
* 브리지(Bridge)
- 좌우에 위치하는 LAN은 종류가 같을 수도 있고, 다를 수도 있어서 종류가 다를 경우 프레임 변환 등의 복잡한 과정이 필요함
[브리지의 역할]
- 그림에서 LAN1은 이더넷, LAN2는 토큰링을 사용한다고 가정할 때 브리지에 MAC 헤더를 해석해 변환하는 기능이 필요함
즉, LAN1로부터 데이터를 수신할 때 해당 MAC 계층 헤더를 해석하고 제거해야 함
-> 제거할 경우 브리지의 최상위 계층에서는 MAC 헤더가 제거되고 LLC 헤더까지 포함된 데이터만 남음
- 반대로 LAN2로 전송할 때는 해당 LAN의 MAC 계층에 맞도록 헤더 정보를 적절히 추가해야 함
- 동작 방식에 따라 트랜스페런트 브리지와 소스 라우팅 브리지가 있음
* 트랜스페런트 브리지(Transparent Bridge)
- 라우팅 기능을 사용자에게 투명하게 보여줌
- 브리지 사용자는 전송하는 프레임의 주소부에 라우팅에 관한 정보를 추가하지 않아도 됨
- 필요한 라우팅 과정은 브리지가 자동으로 수행함
- 설치 과정에서 하드웨어의 조정이나 소프트웨어의 변경, 주소, 라우팅 테이블 관련 사항을 고려할 필요 없음
1) 라우팅 테이블(Routing Table)
- LAN이 동작하면서 자동으로 생성됨
- 먼저 브리지에 전원이 들어오면 라우팅 테이블의 내용이 비어, 초기에는 프레임의 수신자가 어느 쪽 포트에 위치하는지 판단할 수 없음
- 위 판단할 수 없는 경우에는 플러딩(Flooding) 알고리즘을 사용해 입력된 프레임을 브리지의 모든 포트 방향으로 전달함
(참고) 프레임이 들어온 방향으로는 전달하지 않음
- 역방향 학습(Backward Learning) 알고리즘 : 네트워크의 동작 과정에서 라우팅 정보를 얻는 방식
2) 스패닝 트리(Spanning Tree)
- 네트워크의 비순환 구조
- 스패닝 트리를 지원하는 알고리즘은 스패닝 트리 알고리즘이라고 함
- 스패닝 트리를 구성하기 위해 먼저 임의의 브리지를 트리 구조의 최상위 브리지인 루트(Root)로 지정해야 함
- 루트로 지정하기 위해 브리지가 자신의 고유 번호를 서로 공개함으로써, 번호가 가장 낮은 브리지를 루트로 선정할 수 있음
- 선정한 후 루트 브리지에서 다른 모든 브리지까지의 최단 경로 트리를 구성하는 방식으로 LAN을 구축하는 과정을 밞음
* 소스 라우팅 브리지(Source Routing Bridge)
- 일반적으로 링 구조의 네트워크에서 사용함
- 프레임이 수신 호스트까지 도달하기 위한 라우팅 정보를 송신 호스트가 제공함
- 송신 프레임 내부에 수신 호스트까지 도달하기 위한 모든 경로를 기술함
* IP 인터네트워킹
- 인터넷에서 네트워크를 연결하는 방식
- 송수신 호스트 간의 여러 네트워크 인터페이스를 거쳐 패킷을 전달할 수 있어야 함
[IP 인터네트워킹 구조]
- 패킷을 올바르게 중개하기 위해 라우터들은 IP 프로토콜까지의 계층 기능을 지원하고, 송수신 호스트는 TCP/IP 응용 프로그램을 이용하여 통신함
[IP 인터네트워킹에서의 헤더 변환]
- 라우터에는 양쪽 MAC 계층의 차이를 해결하는 기능이 필요함
- 데이터가 반대 방향으로 전달되는 경우에는 헤더 변환 과정이 반대로 이루어짐
- 라우터에 연결된 네트워크가 동일한 종류의 MAC 계층을 사용하면 MAC 헤더의 변환 과정은 이루어지지 않음
(참고) 라우터를 거치는 동안에 전송되는 패킷이 특정 MAC 계층에서 전송하기에 너무 크면 패킷의 분할과 병합 과정이 이루어짐
* 인터넷 라우팅
- 라우터의 역할은 수신된 IP 데이터그램을 적절한 경로로 전달하는 것
- 인터넷의 전체 구성과 현재 상태에 대한 정보를 활용해 경로를 선택해야 함
- 대표적인 방식으로 고정 경로 배정과 적응 경로 배정이 있음
1) 고정 경로 배정(Fixed Routing)
- 간단한 구현만으로도 효과적인 라우팅이 가능한 방법으로, 송수신 호스트 사이에 영구불변의 경로를 배정함
- 전송 경로가 고정되므로 트래픽 변화에 따른 동적 경로 배정이 불가능함
- 송수신 호스트 사이의 트래픽을 미리 측정하여 고정 경로를 적절히 배정하면 간단하고 효율적인 라우팅 가능
2) 적응 경로 배정(Adaptive Routing)
- 인터넷에서 사용되는 라우터가 채택하는 방식
- 인터넷 연결 상태가 변하면 이를 데이터그램의 전달 경로에 반영
- 이론적인 타당성에도 불구하고, 가볍게 넘길 수 없는 단점 있음
- 경로를 결정하는 과정이 복잡해지면 이를 처리하는 라우터의 부담 증가
-> 인터넷처럼 복잡한 망에서 상당히 부담스러운 작업
3) 자율 시스템(Autonomous System)
- 다수의 라우터로 구성할 수 있음
- 동일한 라우팅 특성에 의해 동작하는 논리적인 단일 구성체
- 내부 라우팅 프로토콜(IRP, Interior Routing Protocol) : 자율 시스템 내부에서 사용하는 공통 프로토콜
- 외부 라우팅 프로토콜(ERP, Exterior Routing Protocol) : 자율 시스템들 간에 사용하는 라우팅 프로토콜
* 서비스 품질(QoS, Quality of Service)
- 네트워크 서비스 제공자와 사용자 사이의 기본 서비스 품질은 특정 네트워크 서비스를 사용자에게 제공하는지 여부에서 출발함
- 인터넷 환경에서 전송 서비스 문제를 다룸
- 주로 전송 계층 사용자가 요청하므로 전송 계층 연결을 설정할 때 필요한 서비스의 정도를 매개변수로 표시함
[QoS 매개변수]
1) 연결 설정 지연(Connection Establishment Delay)
- 연결 요청이 수락되기까지의 경과 시간 -> request 프리미티브 발생과 confirm 프리미티브 도착 사이의 경과 시간
2) 연결 설정 실패 확률(Connection Establishment Failure Probability)
- 임의의 최대 연결 설정 지연 시간을 기준으로 연결 설정이 이루어지지 않을 확률
3) 전송률(Throughput)
- 임의의 시간 구간에서 초당 전송할 수 있는 바이트 수
- 전송률은 양방향 값이 다를 수 있으므로, 별개로 다룸
4) 전송 지연(Transit Delay)
- 송신 호스트가 전송한 데이터가 수신 호스트에 도착할 때까지 경과한 시간
- 전송률처럼 양방향이 따로 다루어짐
5) 전송 오류율(Residual Error Rate)
- 임의의 시간 구간에서 전송된 총 데이터 수와 오류 발생 데이터 수의 비율
6) 우선순위(Priority)
- 다른 연결보다 먼저 처리함을 의미함
- 우선순위가 높은 연결이 우선순위가 낮은 연결보다 좋은 서비스를 제공 받음
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