11. Switching - 스위칭

 

 

▶ Switching

 

- 다수의 기기를 unicast 방식으로 서로 통신할 수 있도록 중간 장치(switch, router)를 설치하는 방법 (사실 multicast, broadcast 도 지원한다.)

 

- Point-to-Point(점대점) 연결 방식이다.

 

- Switch : 스위치에 연결된 둘 또는 다수의 기기들 사이에 일시적인 연결을 만들게 하는 하드웨어 또는 소프트웨어적인 기기이다. 스위치에 꼽힌 케이블을 통해 목적지 포트를 향해 데이터들이 전송된다. 계층별로 있으며 2계층 장비는 L2 스위치, 3계층은 L3 스위치라고 부른다.

 

- 스위치는 기기간의 연결이 아닌 중간장치의 역할이며, 하드웨어적인 기기의 경우 속도가 빠르나 유연성이 낮고 비용이 많이 든다.

 

 

 

▶ Switched Network

 

- 회선 교환 방식(Circuit-Switched Networks)

 

- 패킷 교환 방식(Packet-Switched Netwoks)

• 데이터그램 방식(Datagram Networks)

• 가상 회선 방식 (Virtual-Circuit Networks)

 

- 메시지 교환 방식(Message-Switched Networks)

 

 

 

▶ TCP/IP 통신 계층들과 스위칭 방식

 

- 물리 계층(Physical Layer, 1계층) : 회선 교환 방식이 이루어지며, 신호들이 하나의 경로 또는 다른 경로에서 이동한다.

 

- 데이터 링크 계층(Data-Link Layer, 2계층) : 패킷 교환 방식이 이루어지며, 일반적으로 가상회선 방식을 이용한다.

 

- 네트워크 계층(Network Layer, 3계층) : 패킷 교환 방식이 이루어지며, 가상 회선 방식과 데이터그램 방식 둘 다 이용한다.

 

- 응용 계층(Application Layer, 7계층) : 메시지 교환 방식을 이용한다.

 

 

 

▶ 회선 교환 방식의 네트워크 (Circuit-Switched Network)

 

- 물리 계층에 연결된 스위치들로 이루어진다. 즉, 주로 물리 계층에서 작용하는 네트워크로 하드웨어 측면에서 속도가 빠르다.

 

- 출발지와 목적지 사이의 하나의 연결이 하나 또는 다수의 링크들로 만들어진 망 자원을 전용으로 할당받는다.

 

- 각각의 링크는 주파수 분할 다중화(FDM) 또는 시 분할 다중화(TDM) 방식에 의해 n개의 채널들로 나누어 진다.

 

- 망이 전용자원으로서 할당되기 때문에 다른 사용자와 함께 사용할 수 없으므로 전송 중에 다른 데이터가 끼어들 수도 없다.

 

- 연결 개수가 제한되기 때문에 연결의 전체 시간측면에서 효율성이 떨어진다.

 

- 주로 전화망에서 사용하는 스위칭 방식이다.

 

- 연결 설정 단계 : 미리 연결을 설정한다. 이를 우리는 셋업 절차(setup)라고 표현한다.

• 데이터 전송 단계에서 이용되어질 자원을 예약한다.

• 이 자원들은 채널(타임 슬롯이나 주파수), 버퍼, 처리 시간, 입출력 포트를 의미하며, 데이터 전송 동안은 전용으로 할당되어진다.

• 종단간의 주소(End-to-end addressing)가 이용되어진다. ex) 출발지 및 목적지 IP 주소

 

- 데이터 전송 단계

• 데이터(세그먼트)는 패킷으로 분할되지 않고, 하나의 연속적인 흐름으로 전송된다.

• 주소는 헤더의 필드값에 저장되므로 데이터는 주소를 포함하지 않는다.

 

- 연결 해제 단계

• 자원을 해제한다.

 

- 미리 연결 설정하여 전용 자원을 할당하므로 실제 데이터만 전송할 때는 지연(delay)없이 데이터가 쭉 흘러간다.

 

 

 

▶ 회선 교환 방식의 네트워크 (Packet-Switched Network)

 

- 상위 계층(전송 계층, 4계층)에서 세그먼트가 캡슐화되어 3계층에 내려오면, 데이터그램이 되는데, 데이터그램은 세그먼트(4계층 헤더+데이터)와 3계층 헤더(IP헤더)를 포함한다. 즉, 오버헤드

 

- 상위계층으로부터 도착한 메시지(데이터그램)가 고정되거나 가변적인 크기의 패킷들로 나뉘어진다.

 

- 패킷에 대한 전용자원을 할당하지 않는다.

 

- FIFO(First-In-First-Out) 방식을 기반으로 자원이 할당된다.

 

- 스위치나 라우터에 큐(Queue)라는 버퍼가 있는데 버퍼가 꽉차면 큐잉 지연이 발생할 수 있다.

 

- Store-and-forward 방식 : 큐에 저장했다가 어디로 내보낼지 정한 뒤, 스위치(또는 라우터) 내부에 입력 버퍼에서 출력버퍼로 포워딩(forwarding)하는 방식이다.

 

- 주로 컴퓨터 통신에 이용되어진다. 데이터가 폭발적이므로 연결설정을 하지 않는다.

 

- 데이터를 패킷 단위로 작게 쪼개는 이유 : 메시지(데이터)가 클수록 오류 검출을 위한 오버헤드가 커지게 된다

 

 

 

▶ 데이터그램 방식의 네트워크 (Datagram Network)

 

- 패킷 교환 방식 중 하나로, 데이터그램이 패킷들로 분해된 후 각각의 패킷(나뉜 데이터그램)은 독립적으로 여겨진다.

 

- 연결 설정 단계가 없다.

 

- 수신측에서는 패킷들을 다 받아서 하나의 데이터그램으로 조합한다. 이 때, 패킷들 사이에 지연(delay)가 발생하여 데이터그램들이 목적지에 도착하는 순서가 어긋날 수 있다. 패킷이 하나라도 없으면 조합할 수 없기 때문이다.

 

- 패킷들은 전송 중에 손실되거나, 버퍼가 가득 차서 오버플로우가 발생하면 버려질 수 있다.

 

- 네트워크 계층(3계층)에서 주로 이용되는 방식이다.

 

- 링크를 사용자들이 돌아가면서 사용하기 때문에 하나의 링크를 이용할 수 있는 사용자 수가 많다. 따라서 회선 교환 방식보다 효율성이 높다.

 

- 라우터는 라우팅 프로토콜(Routing Protocol)이 만든 포워딩 테이블을 이용하는데, 포워딩 테이블에는 목적지 IP주소와 출력 포트번호가 저장되어 있다.

 

- 라우터는 패킷의 헤더에 있는 목적지 IP주소와 포워딩 테이블에 있는 IP주소를 비교한 뒤, 해당 IP주소에 맞는 출력 포트로 패킷을 포워딩한다. 모든 경로가 이런 방식으로 안내되어진다.

 

- 전체 지연 시간 = (transmission delay) +　(hop 수)*(propagation delay) +　(processing delay) + (queueing delay)

 

 

 

▶ 가상 회선 방식의 네트워크 (Virtual-Circuit Network)

 

- 회선 교환 방식과 패킷 교환 방식의 혼합방식이다.

 

- 패킷 교환 방식 중 하나이지만, 연결 지향적인 네트워크로서 연결 설정 단계가 있다.

 

- 자원들은 셋업 절차나 필요 시에만 할당될 수 있다.

 

- 데이터는 패킷화되어지고, 각 패킷들은 연결 식별자(Virtual-Circuit Identifier, VCI)를 옮긴다.

 

- 모든 패킷들은 연결단계에서 설정된, 같은 경로를 따른다. 따라서 순서에 맞게 간다.

 

- 보통 데이터 링크 계층(2계층)에서 구현되며, 속도가 빠르다.

 

- 연결 단계에서 Global unique 주소가 연결 식별자(VCI)를 만들기 위해서만 이용되어진다.

 

- VCI는 스위치가 직접 관리하는 식별자로, 실질적으로 데이터를 전송할 때 이용된다. 숫자가 작고 Locally unique 주소라서 오버헤드가 축소된다.

 

- Label Swapping : 스위치를 지날 때마다 VCI를 바꾸는 것으로, 현 스위치가 식별하는 값을 다음 스위치가 식별할 수 있는 값으로 변경하는 것이다.

 

- 연결 설정 단계 : 연결에 필요한 VCI 테이블을 만들기 위해 출발지와 목적지의 글로벌 주소가 이용된다.

 

- 데이터 전송 단계 : 입력 포트 번호 및 VCI를 기반으로, 스위치가 출력 포트 번호 및 VCI를 찾기 위해 VCI 테이블을 탐색한다.

 

- 연결 해제 단계 : VCI 테이블의 VCI값은 이 단계에서 저장되어지며, 대응하는 entry들을 없앤다는 것을 스위치에게 알린다.