2주차 정리

<인터넷>

인터넷이란 수십억개의 컴퓨팅 디바이스들이 연결된 것이다.

각각의 컴퓨팅 디바이스는 Host(End System)을 구성하고 이는 네트워크 응용을 실행한다.

PC, Server, Smart Phone 등등..

<통신링크>

통신링크는 인터넷 상에서 호스트와 종단 시스템들을 연결하는 링크로, 다양한 형태로 구성될 수 있다. 일반적으로는 광섬유 케이블, 구리 케이블, 무선 링크 등이 사용된다. 통신링크는 시간당 전송량의 한계를 의미하는 대역폭(Bandwith)을 갖게 된다.

 

<패킷>

 

데이터 교환시 패킷(데이터 덩어리)형태로 전달한다. 패킷은 데이터 전송을 위한 최소 단위이다.

패킷은 여러 라우터를 거치면서 송신 호스트 에서 목적 호스트로 전달된다.

각 라우터는 패킷헤더에 있는 정보를 사용하여 패킷을 다음 라우터로 전송한다.

 

 

라우터(Router)와 스위치(Switch)는 컴퓨터 네트워크에서 중요한 역할을 하는 장비입니다.

• 라우터(Router): 패킷(Packet)을 사용하여 여러 개의 네트워크 간에 데이터를 전송하는데 사용되는 장비이다. 라우터는 송신 호스트와 수신 호스트 간의 최적 경로를 결정하여 데이터 패킷을 전송한다.
• 스위치(Switch): 여러 개의 호스트 간에 데이터를 전송하는데 사용되는 장비이다. 스위치는 호스트의 MAC 주소를 사용하여 데이터를 전송하며, 네트워크 대역폭을 효율적으로 관리하여 빠른 전송을 지원한다.

라우터와 스위치의 차이점은 다음과 같다.

• 라우터는 다른 네트워크 간의 데이터를 전송하는데 사용되며, 스위치는 동일한 네트워크 내에서 데이터를 전송하는데 사용된다.
• 라우터는 더 복잡한 기능을 수행하여, 네트워크 간의 보안 및 라우팅 프로토콜 등을 관리한다. 반면, 스위치는 간단한 데이터 전송만을 수행한다.
• 라우터는 두 개 이상의 네트워크를 연결하고 트래픽을 관리하기 위해 사용된다. 반면, 스위치는 하나의 네트워크에서 호스트 간의 트래픽을 관리한다.

따라서, 라우터와 스위치는 컴퓨터 네트워크에서 서로 다른 역할을 수행하며, 각각의 특성과 용도에 따라 사용된다.

 

<프로토콜>

컴퓨터 네트워크에서 프로토콜(Protocol)은 통신을 위한 규칙이나 약속을 의미한다. 네트워크에서 데이터를 전송하거나 수신할 때는 프로토콜을 사용하여 통신하는데, 프로토콜은 데이터를 보내는 방식, 데이터를 수신하는 방식, 데이터 포맷, 에러 검사 등과 같은 다양한 통신 규칙을 정의한다. 이러한 프로토콜의 규칙들은 인터넷 통신을 안정적이고 효율적으로 유지하는데 중요한 역할을 한다.

 

대표적인 프로토콜의 종류는 다음과 같다.

 

• TCP/UDP 프로토콜: 인터넷에서 가장 널리 사용되는 프로토콜이며, TCP는 데이터 전송을 위한 신뢰성과 안정성을 보장하고 연결 지향 방식이다. 그리고 일 대 일(unicast) 통신이다. 반면 UDP는 TCP에 비해서 전송 속도가 빠르지만 비연결성 지향이다. 데이터의 신뢰성을 보장하지 않는다. 일 대 일(Unicast), 일 대 다(broadcast), 다 대 다(Multicast) 통신이 가능하다.
• HTTP 프로토콜: 웹 브라우저와 웹 서버 간에 데이터를 주고받기 위한 프로토콜. HTTP(HyperText Transfer Protocol)는 웹 페이지의 요청과 응답을 정의하며, 대부분의 웹 사이트에서 사용.
• FTP 프로토콜: 파일 전송을 위한 프로토콜. FTP(File Transfer Protocol)는 파일을 전송하는 규칙을 정의하며, 파일 전송에 사용.
• SMTP 프로토콜: 이메일을 보내기 위한 프로토콜. SMTP(Simple Mail Transfer Protocol)는 이메일의 전송 규칙을 정의하며, 이메일을 보내는 데 사용.
• DNS 프로토콜: 도메인 이름을 IP 주소로 변환하는 프로토콜. DNS(Domain Name System)은 도메인 이름과 IP 주소 간의 매핑 정보를 관리하고, 이를 검색하는 데 사용.

 

<패킷교환>

패킷 교환은 컴퓨터 네트워크에서 정보를 전송하는 방식 중 하나로, 전체 데이터를 작은 조각인 패킷으로 나누어 전송하는 방식. 각 패킷은 출발지와 목적지의 주소를 가지고 있으며, 패킷을 전송하는 동안 라우터와 같은 중간 노드에서도 해당 주소 정보를 기반으로 패킷을 전달.

 

패킷 교환 방식은 회선 교환 방식과 대조되는데, 회선 교환 방식은 전체 회선을 예약하여 데이터를 전송하는 방식. 패킷 교환 방식은 회선 교환 방식보다 비용이 적게 들어가며, 데이터 전송에 있어서 유연성과 안정성이 높은 장점을 가지고 있다.

 

패킷 교환은 다음과 같은 과정으로 이루어진다.

1. 송신자는 전체 데이터를 작은 패킷으로 분할.
2. 각 패킷은 출발지와 목적지의 주소를 가지고 있으며, 패킷 헤더(header)에 해당 정보를 기록.
3. 패킷은 중간 노드를 통해 목적지로 전송됩니다. 중간 노드는 패킷 헤더의 정보를 바탕으로 패킷을 전달.
4. 수신자는 패킷을 받아들이고, 모든 패킷이 도착했는지 확인.
5. 수신자는 각 패킷을 다시 합쳐 전체 데이터를 복원.

패킷 교환 방식은 데이터 전송에 있어서 유연성과 안정성이 높은 장점을 가지고 있다. 하지만 패킷이 분할되어 전송되기 때문에, 패킷의 전송 순서가 뒤섞이거나, 패킷이 분실되거나, 중복 전송되는 등의 문제가 발생할 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 패킷 교환 방식은 오류 제어 기능을 포함하고 있다.

 

패킷의 전달 과정에서 Store and Forward, Queueing Delay, Loss에 대해서 알아볼 필요가 있다.

 

<저장 후 전달(store-and-forward)>

패킷이 네트워크 노드에 도착하면, 노드는 패킷을 저장하고(메모리에 버퍼링), 목적지로 전달하기 위해 다음 노드로 패킷을 전송한다. 이때, 전송 속도가 느린 링크에서도 노드에서 패킷을 모두 수신한 후 다음 노드로 전송하기 때문에, 저장 후 전달 방식은 전송 지연시간(delay)을 증가시킬 수 있다.

 

L-bit 패킷을 R bps 링크에 전송하는 데에(내보내는 데에) L/R 초 걸림

-> 한 홉(hop)의 경우의 예: L = 7.5 Mbits, R = 1.5 Mbps, 한 hop 전송지연 = 5 초

 

해당 방식에서 패킷이 전송되는데 걸리는 시간을 종단간 지연(end-to-end delay)이라고 한다.

 

종단간 지연은 크게 4가지의 지연 요소로 나눌 수 있습니다.

1. 송신자 지연(Sender Delay) : 패킷을 전송하기 전에, 송신자에서 패킷을 만들고 버퍼에 저장해야 한다. 이 과정에서 송신자에서 발생하는 지연 시간을 뜻함.
2. 전송 지연(Transmission Delay) : 패킷이 송신자에서 수신자로 전송되는 과정에서 걸리는 시간. 이는 전송하는 링크의 대역폭, 패킷의 크기, 거리 등에 영향을 받음.
3. 큐잉 지연(Queuing Delay) : 패킷이 라우터나 스위치와 같은 네트워크 장비에서 대기열에 저장되어 대기하는 시간을 뜻함. 이는 패킷 교환 네트워크의 혼잡도에 영향을 받음.
4. 수신자 지연(Receiver Delay) : 패킷을 수신한 수신자에서 패킷을 처리하고, 애플리케이션에 전달하는 과정에서 발생하는 지연 시간을 뜻함.

 

<Queueing Delay>

 

라우터나 스위치와 같은 네트워크 장비에서 여러 개의 패킷이 도착하면, 패킷은 대기열(queue)에 저장. 이때, 대기열에 있는 패킷들은 먼저 도착한 패킷부터 전송되기 때문에, 나중에 도착한 패킷(링크로의 도착률 > 전송률)은 대기열에서 대기하는 시간이 늘어나게 되어 전송 지연시간이 증가.(유튜브 버퍼링의 사례)

 

<Loss>

 

패킷이 전송되는 도중에 오류가 발생하거나, 전송 중에 전송 불능 상태인 링크를 건너야 할 경우 패킷이 손실될 수 있다. 이러한 경우, 패킷이 재전송되어야 하기 때문에 전송 지연시간이 더 증가하게 된다. 위의 Queue에서 메모리(버퍼)가 넘치면 패킷이 버려지는 경우가 발생한다.

 

 

<네트워크 코어>

네트워크 코어(Network Core)는 인터넷에서 네트워크를 연결하는 핵심 부분을 말합니다. 네트워크 코어는 인터넷 서비스 제공자(ISP)나 대규모 기업의 데이터 센터 등에서 사용되며, 수많은 네트워크가 연결되어 데이터 흐름을 관리하고 전송하는 역할을 합니다.

네트워크 코어의 두 가지 핵심 기능은 다음과 같습니다.

 

1. 라우팅(Routing)

 

라우팅은 네트워크에서 데이터를 전송하는 경로를 결정하는 기술입니다. 라우터는 라우팅 테이블을 사용하여 목적지 주소에 따라 데이터를 전송할 경로를 결정합니다. 네트워크 코어에서는 대규모의 라우팅 테이블을 관리하고, 수많은 경로를 조정하여 데이터가 최적의 경로로 전송되도록 합니다.

 

2. 전달(Forwarding)

 

라우터 입력으로 들어오는 패킷을 적절한 라우터 출력으로 보낸다. 결론적으로 라우터가 결정한 경로를 따라 패킷이 전송되는 과정에서는 포워딩(Forwarding)이라는 작업이 수행된다. 포워딩은 라우터가 수신한 패킷을 받아서 다음 라우터로 전송하는 것을 말한다. 이때, 라우터는 목적지 주소를 기반으로 다음 라우터의 포트를 결정하고, 해당 포트로 패킷을 전송한다.

 

<회선 교환>

회선교환(Circuit Switching)은 전화망에서 사용되는 통신 방식 중 하나로, 송신측과 수신측 사이에 물리적인 연결을 설정하고, 그 연결을 유지하는 방식. 송신측과 수신측 사이에 연결이 설정되면, 전송되는 데이터는 고정된 회선을 통해 전송되며, 데이터의 전송이 완료되면 연결을 끊는다. 이러한 방식은 통신의 신뢰성을 보장할 수 있지만, 회선을 점유하는 동안에는 다른 통신이 불가능하기 때문에 효율성이 떨어지는 단점이 있다.

 

FDM(Frequency Division Multiplexing)은 여러 개의 신호를 하나의 통신 매체를 통해 동시에 전송하기 위한 방식 중 하나입니다. 이 방식은 전송 대역폭을 일정한 주파수 대역으로 분할하고, 각 대역에 서로 다른 신호를 할당하여 전송. 이때, 전송 대역폭은 분할된 대역폭의 총합보다 크게 설정되어야 하며, 각 신호는 전송 대역폭 중 자신의 할당된 대역폭에서만 전송됨.

 

TDM(Time Division Multiplexing)은 여러 개의 신호를 하나의 통신 매체를 통해 동시에 전송하기 위한 방식 중 하나. 이 방식은 전송 시간을 일정한 시간 간격으로 분할하고, 각 시간 간격에 서로 다른 신호를 할당하여 전송. 이때, 전송 시간은 분할된 시간 간격의 총합보다 크게 설정되어야 하며, 각 신호는 전송 시간 중 자신의 할당된 시간 간격에서만 전송됨. TDM은 통신 매체를 시간으로 나누어 사용하기 때문에 FDM보다 더 많은 신호를 전송할 수 있으며, 전송 대역폭을 더 효율적으로 사용할 수 있다.

 

<ISP>

ISP란 Internet Service Provider(인터넷 서비스 제공자)의 약어로, 인터넷을 사용하는 개인이나 기업에게 인터넷 접속 서비스를 제공하는 회사를 말한다. ISP는 일반적으로 광대역 대역폭 인터넷 연결을 제공하며, 사용자가 인터넷에 접속할 수 있도록 필요한 하드웨어, 소프트웨어 및 기술 지원을 제공한다.

 

전 세계의 네트워크는 인터넷 서비스 제공업체(ISP)를 통해 연결된다. 이러한 ISP는 고객들이 인터넷에 접속할 수 있도록 물리적인 망을 구축하고 유지보수하며, 다른 ISP와 연결하여 글로벌 인터넷 네트워크를 구성한다.

 

ISP는 일반적으로 인터넷 백본 네트워크라고도 하는 광대역 네트워크에 연결되어 있다. 광대역 네트워크는 전 세계의 다른 ISP와 연결되어 있으며, ISP는 이러한 광대역 네트워크를 통해 데이터를 교환한다.

 

<패킷지연>

 

네트워크에서 발생하는 패킷 지연은 크게 네 가지 요소로 구성된다.

1. Nodal Processing Delay(노드 처리 지연): 패킷이 노드에 도착하면 노드에서 처리되는 시간을 노드 처리 지연이라고 한다. 이러한 처리에는 라우팅 결정, 검사섬 계산, 오류 검사 등이 포함.
2. Queueing Delay(큐잉 지연): 네트워크에서는 여러 패킷이 동시에 전송될 수 있다. 이때 동시에 도착한 패킷들은 대기열에 저장되어야 하며, 대기열에 저장되는 시간을 큐잉 지연.
3. Transmission Delay(전송 지연): 전송 지연은 패킷이 물리적으로 전송되는 시간을 의미함. 이러한 전송 시간은 전송 매체의 대역폭, 전송 거리, 패킷 크기 등에 영향을 받는다.
4. Propagation Delay(전파 지연): 전파 지연은 물리적인 신호가 전송 매체를 통해 전파되는 시간을 의미함. 이러한 전파 시간은 전송 매체의 종류와 길이에 따라 달라짐.

<처리율>

처리율(Throughput)은 일정 시간 동안 전송되는 데이터의 양을 의미. 예를 들어, 초당 전송되는 비트 수(bit/s)나 바이트 수(byte/s) 등으로 측정될 수 있다. 처리율은 일반적으로 대역폭과 관련이 있으며, 대역폭이 높을수록 처리율도 높아진다. 따라서 처리율은 네트워크의 성능을 평가하는 중요한 지표 중 하나.

 

병목링크(Bottleneck Link)는 전송 중인 데이터 흐름 중에서 가장 좁은 대역폭을 가진 링크를 의미. 병목링크는 전체 네트워크의 성능을 제한하게 되는 요인이며, 데이터 흐름이 병목링크를 통과할 때 발생하는 지연은 전체 지연에 영향을 미친다. 따라서 병목링크를 찾아내어 대역폭을 증가시키는 등의 조치를 취하여 네트워크의 성능을 향상시키는 것이 중요하다.