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▶ 용어 설명

- Packet(패킷) : 네트워크 계층에서 사용하는 데이터의 형식화된 단위

- Host(호스트) : 인터넷에 연결된 컴퓨터

- Queue(큐) : FIFO(First-In-First-Out) 방식의 데이터 저장용 버퍼 (출구와 입구가 다름)

- Router(라우터) : 서로 다른 네트워크 간의 정보를 주고받기 위해 사용하는 네트워크 통신 장치

- Network(통신망) : 통신 시스템들을 통신 회선으로 연결하여 데이터(정보)를 주고받게 하는 시스템

▶ Packet-Switching (패킷 교환 방식)

- Store-and-Forward 방식 : 다음 링크로 전송되기 전에 라우터의 큐(저장용 버퍼)에 패킷을 쌓아놓고 한 번에 전송(Forwarding)하는 방식.

- 단, 큐는 패킷을 수용할 수 있는 범위가 정해져 있기 때문에 패킷의 양이 큐의 범위를 넘어설 경우 해당 패킷은 손실(Loss)되며, 이를 오버플로우(Overflow)가 발생했다고 한다.

- 패킷의 헤더에는 출발지(Source)와 목적지(Destination)의 정보(포트 번호, IP주소)가 있어 이 정보들을 통해 라우팅 알고리즘을 이용하여 경로를 설정한다.

- 라우팅 알고리즘(Routing Algorithms) : 라우팅 프로토콜이 포함하고 있는 알고리즘으로, routing table에는 패킷의 헤더로부터 읽어낸 목적지 IP주소가 있다. 이 정보를 기반으로 라우터가 패킷을 어떤 목적지로 보낼지 결정한다. 즉, 중간의 라우터(router)들이 표지판 역할을 하며 최종목적지까지 패킷들을 안내한다.

- 이 때, 패킷의 헤더에는 라우터를 지날 때마다 목적지 IP주소가 쌓이게 되므로 오버헤드가 점차 커지게 된다.

- 전송지연(Transmission-Delay) : L-bit 길이의 패킷을 속도가 R bps인 링크로 보낼 때, 큐에서 링크로 전달되는 시간은 L/R 초이다.

- 큐잉 지연(Queueing-Delay) : 라우터마다 큐가 각각 존재하기 때문에 다음 라우터로 이동되기 전에 패킷은 대기하게 된다. 즉, 패킷이 큐에 머무는 시간이다.

• 링크의 전송 속도(bps) < 큐에 패킷이 도착하는 속도 => 오버플로우 발생
• 전송 지연 시간 > 큐잉 지연 시간 => 오버플로우 발생

- 네트워크 상황에 따라 지나친 혼전 가능성이 있으며, 이를 위한 해결책으로 TCP(전송 제어 프로토콜)가 있다.

- source에서 router, router에서 router, router에서 destination 즉, 어떤 노드에서 다음 노드까지를 1hop이라고 표현한다.

- 이 방식은 주로 대용량 전송(Bursty Traffic)일 때 이용하며, 데이터가 한꺼번에 전송되므로 데이터가 활동하는 시간이 짧다고도 표현한다. 이러한 패킷 교환 방식은 컴퓨터 통신에서 쓰이는 방식이다.

▶ Circuit-Switching (회선 교환 방식)

[ 보라색 선이 전용 회선이다. ]

- 하나의 전용 회선을 할당받아 데이터를 주고받는 방식

- 패킷마다 각각의 전용 회선을 할당해야 하므로 통신을 위해 미리 연결(Set-up)절차를 거쳐야 한다. 셋업 절차는 송신측에서 수신측까지의 경로에 맞는 대역폭(Bandwidth)을 미리 할당받는 과정이다.

- 전용 회선은 패킷이 전송되지 않더라도 다른 패킷(데이터)이 끼어들 수 없으므로 속도와 성능이 항상 일정하다.

- 주로 실시간이 중요한 전화망에 사용된다.

- 회선을 할당하는 방식에는 주파수 분할 다중화(FDM)과 시 분할 다중화(TDM) 방식이 있다.

▶ Packet-Switching VS Circuit-Switching

- 패킷 교환 방식은 네트워크의 상황에 따라 대기시간이 다르므로 패킷의 순서가 보장되지 않는다. 그러나 회선 교환 방식은 정해진 경로를 따라 일정한 속도를 가지기 때문에 데이터의 전송 순서가 어긋나지 않는다.

- 패킷 교환 방식은 하나의 라우터가 잘못되어도 전송을 우회할 수 있기 때문에 오류에 강하다. 그러나 회선 교환 방식은 둘 사이에 오류가 생길 경우 데이터 전송이 실패하게 된다.

- 패킷 교환 방식은 라우터에 저장해놓는 시간(큐잉 지연)과 전파지연의 시간이 소비되어 전체 전송 시간이 지연된다. 그러나 회선 교환 방식은 미리 연결하는 시간을 제외하고 전파지연의 시간만 소비되므로 전체적으로 빠른 전송속도를 가지게 된다.

- 회선 교환 방식은 패킷 교환 방식에 비해 같은 네트워크 용량이라도 이용자 수가 제한되어 있다. 이는 전용 회선을 할당하기 때문이다.

1Mbps 짜리 링크에 각각의 사용자가 100kbps로 데이터를 전송한다면 패킷 교환 방식의 경우 10명 이상의 유저가 동시에 링크를 사용할 확률이 낮기 때문에 더 많은 이용자가 링크를 공유할 수 있다. 그러나 회선 교환 방식의 경우 각각의 사용자에게 전용 회선이 할당되기 때문에 최대 10명까지 이용자를 수용할 수 있다.

▶ Multiplexing (다중화)

- 여러 개의 데이터 신호(저수준의 채널)들을 합쳐서 고속신호(고수준의 채널)로 만들어서 하나의 링크로 전송하는 방식이다.

- 하나의 링크를 다중화시켜 여러 사용자가 동시에 링크를 사용하게 되므로 링크의 효율성이 높아진다.

- 이 때 사용하는 장치를 다중화기(Multiplexer)라고 한다. 만약 다중화기를 사용하지 않으면 단말기(사용자)마다 모뎀(변복조기)이 필요하므로 비용이 많이 들게 되어 비효율적이게 된다.

▶ 주파수 분할 다중화(Frequency Division Multiplexing, FDM)

- 링크의 대역폭(Bandwidth)을 주파수를 기준으로 분할하여 여러 개의 작은 채널을 할당하는 방식으로 한 전송로를 여러 단말기(사용자)가 이용한다.

- 링크의 대역폭이 전송할 신호들의 대역폭보다 클 경우에만 사용가능한 아날로그 기술이다.

- 간단한 구조로 모뎀(변복조기)이 필요 없어 비용이 저렴하다.

- 송신측 과정 : 각 단말기(Sender)가 비슷한 주파수 영역의 신호를 만들면 다중화기 내부에서 각 주파수를 각각의 다른 반송주파수(Carrier Frequency)로 변조(Modulate)한다. 만들어진 반송주파수들이 모여서 하나의 복합신호(Composite Signal)가 되면 수용 가능한 대역폭을 가진 전송 매체(전송로)를 통해 신호가 전송된다.

<Multiplexer - 다중화기>

- 수신측 과정 : 위의 과정에서 만들어진 복합신호는 다중 복구기(Demultiplexer) 내부에서 필터(Filter)를 통해 각각의 반송주파수로 분리되고, 제각각 복조기(Demodulator)를 통해 반송주파수에서 해당 주파수 영역의 신호로 복조(Demodulate)되어 해당 신호만 수신측으로 보내진다.

▶ 시 분할 다중화(Time Division Multiplexing, TDM)

- 링크의 대역폭을 시간 슬롯(Time Slot)으로 나누어 각각 채널을 할당하는 방식으로 다수의 채널이 하나의 링크의 시간을 분할하여 사용하는 방식이다.

- 링크의 높은 대역폭을 여러 채널이 공유할 수 있게하는 디지털 기술이다.

- 단, 어떤 채널이 사용되지 않을 경우(데이터를 전송하지 않는 경우)에도 시간이 할당되어 있기 때문에 시간 슬롯이 낭비 될 때가 있다. 이를 위한 해결책으로 비동기식 시분할 다중화기법(ATDM)이 있다.

- 송신측 과정 : 다중화기(Multiplexer)와 다중 복구기(Demultiplexer)는 각각 스위치의 역할을 한다. 서로 동시에 시스템이 동작되도록 설정(동기화)되어 같은 속도지만 서로 반대방향으로 돈다. 다중화기의 경우 스위치가 채널 앞에서 열리게 되며 그 채널은 링크에 보낼 수 있는 신호를 열린 순간 전송하게 된다. 이 과정을 끼워 넣기(Interleaving)이라고 한다.

- 수신측 과정 : 다중 복구기의 경우 스위치가 채널 앞에서 열릴 때, 그 채널은 링크에서 전송된 신호를 수신측으로 전송하게 된다.

▶ Multiplexing Summary

- 두 기술 모두 하나의 링크를 나누어 사용하는 점에서 같지만, FDM은 주파수 대역별로

나누어 채널을 할당하는 것이고, TDM은 시간별로 나누어 채널을 할당한다는 점에서 차이가 있다.

▶ Internet (인터넷) 

- 물리적 네트워크(network)들을 연결한(inter) 논리적인 네트워크 구조

- 통신 규약인 프로토콜이 데이터 메시지를 주고받는 것을 제어한다.

- Internet Service Providers(인터넷 서비스 제공자 - ISPs)에 의해 내부적으로 연결된다.

* ISP : 개인이나 기업체에게 인터넷 접속 서비스, 웹사이트 구축 및 웹호스팅 서비스 등을 제공하는 회사를 말한다. 또한 인터넷 접속에 필요한 장비와 통신회선을 갖추고 있다.

▶ Protocol (프로토콜)

- 컴퓨터간에 정보를 주고받을 때의 통신방식에 대한 규칙과 약속

- 인터넷의 모든 통신 활동은 프로토콜(통신규약)에 의해 통치된다.

- 구성요소 : Syntax(메시지의 형식), Semantics(메시지의 의미), Timing(메시지의 순서)

- 예를 들어, 프랑스인과 한국인이 대화를 할 때 서로 언어가 다르기 때문에 통신을 할 수가 없다. 여기서 '어떤 언어를 사용할 것인가'와 같이 정해진 통신 규약을 '프로토콜'이라고 한다. 즉, 서로 다른 프로토콜을 사용하는 컴퓨터끼리는 통신할 수 없다. 대부분 인터넷에 접속하는 통신 방식은 TCP/IP 프로토콜이다.

- 인터넷 프로토콜 표준화 기구

• RFC : Request For Comments
• IETF : Internet Engineering Task Force

▶ 네트워크(Network)의 구조

- 인터넷(Internet) : 여러 개의 네트워크를 이루는 큰 네트워크

1. 하나의 프로토콜만 사용한다.
2. 웹 브라우저(크롬, 인터넷 익스플로러 등)를 이용해서 접속한다.

- 인트라넷(IntraNet) : 내부의 네트워크로, 사내 업무와 같이 특정 영역에서만 사용되는 네트워크

1. 회사에서 쓰는 여러 프로그램들을 마치 인터넷을 사용하는 것처럼 쓰도록 만들어 놓은 것이다.
2. 따라서 회사 직원 이외에는 사용할 수가 없다. 실제로 사내 사이트에 접속할 때도 외부로부터 접속은 차단된다.

- 엑스트라넷(ExtraNet) : 인트라넷처럼 특정 업무를 위해 특정 영역에서만 사용되나, 다른 외부인들도 접속가능한 네트워크

- 전체적으로, 여러 개의 클라이언트와 서버들로 이루어져 있지만 종종 데이터 센터에 서버가 있는 경우도 있다.

 * 이렇게 인터넷에 접속된(연결된) 컴퓨터를 호스트(Host)라고 부른다. 클라이언트와 서버 모두 호스트이다.

- 무선, 유선 통신 링크들과 같은 물리적 매체(UTP 케이블, 광 케이블 등)를 통해 네트워크에 접속한다.

- 네트워크의 중심은 상호 연관되는 라우터(Router)들과 수많은 네트워크들이 연결된 거대 네트워크, 인터넷이다. 라우터는 서로 다른 네트워크를 연결하는 물리적 장치이다.

- LAN : Local Area Network 의 약자로,  한정된 지역에서의 네트워크 구축을 의미한다.

- WAN : Wide Area Network 의 약자로, 멀리 떨어진 곳과 연결할 네트워크를 구축하는 것을 의미한다.

- 요즘의 '네트워킹'은 LAN과 WAN을 모두 아우르는 말이다.

▶ 네트워크 접속망

- 기관 접속망, 모바일 접속망, 거주지 접속망(ex : LAN), 기업 접속망 등 다양한 접속망(Access Network)이 있다.

- Digital Subscriber Line(이하 DSL) : 디지털 가입자 회선으로 중간 오피스 DSLAM에서 기존의 전화망을 이용한다. 데이터는 인터넷으로 이동하고, 음성은 전화망으로 이동한다. 대부분의 인터넷 사용자가 업로드하는 데이터보다 다운로드하는 데이터가 훨씬 크기 때문에 다운로드에 더욱 많은 대역폭과 연결 속도를 제공하겠다는 생각에서 나온 것이다. 업로드 속도보다 다운로드 속도가 월등하게 크다. 업로드 최대 속도 2.5Mbps, 다운로드 최대 속도 24Mbps로 대략 10배정도 차이가 난다.

장점 : 일반 전화선을 사용하면서도 메가(Mbps)급의 데이터 전송속도를 제공할 뿐 아니라 집집마다 광케이블을 설치하지 않고도 비동기전송방식(ATM)망과 맞먹는 네트워크를 구축할 수 있다는 것이다.

- Cable Network(케이블망) : 유선 텔레비전 방송망으로 주파수 분할 다중화 방식을 사용한다. 주파수 분할 다중화(FDM)란 통신 링크(전송 매체)를 서로 다른 주파수 대역으로 분할하여 각각의 채널을 할당하는데, 통신 링크로 오는 각각의 데이터들은 해당 주파수 대역의 전송파로 변환되어 전달되어지는 방식이다.

- Home Network(홈네트워크) : 유무선 인터넷을 통해 냉장고, 에어컨, 전자레인지, TV 등 주요 가전제품을 제어하고 기기 간 콘텐츠를 공유할 수 있는 기술이다. 즉, 집 안의 가전제품과 정보통신기기간의 데이터를 주고받는 통로를 제공하며, 외부 인터넷 망과의 접속을 제공함으로써 지능적인 통신을 가능하게 하는 네트워킹이다.

- Enterprise Access Network (Ethernet) : 이더넷(Ethernet)이란 버스 구조의 근거리 통신망(LAN)에서 사용하는 네트워크 방식이다. 일반적으로 회사, 대학 등에서 사용되는 기업 접속망의 형태이다. 기업 내부의 여러 컴퓨터를 하나의 선으로 통신하고자 하였으나 충돌이 발생하는 문제점을 해결하기 위해 고안된 네트워크이다. 데이터를 보내려는 컴퓨터가 먼저 통신망이 사용 중인지 아닌지 검사한 후에 비어 있을 때 데이터를 보낸다. 통신망이 사용 중이면 일정 시간을 기다린 후 다시 검사한다. 통신망이 사용 중인지는 전기적인 신호로 확인할 수 있다. 쉽게 말해서 근처에 있는 컴퓨터끼리 통신할 때 충돌 없이 순조로운 통신을 하기 위해 만든 방법이다. 10Mbps, 100Mbps, 1Gbps, 10Gbps의 전송속도를 가진다. 이더넷 방식은 CSMA/CD 라는 프로토콜을 사용한다. 

* CSMA/CD : Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection

- Wireless Access Network (무선 접속망) : 공유되는 무선 접속망이 Base Station을 중심으로 end system(송수신시스템)과 라우터를 연결한다. 근거리 통신망도 있고, 광역 통신망도 있다. 광역 통신망(WAN)은 전화망 사업자(telco)에 의해 제공되며 1~10Mbps의 전송속도를 가진다.

▶ Host(호스트)에서의 패킷 전송

- 보내야할 메시지(정보)를 L bits의 길이에 해당하는 패킷으로서 더 작게 분할한 뒤, 접속망(통신 링크)으로 해당 패킷을 전송한다. 이 때 링크의 전송속도(Transmission rate)은 R bps이라고 둔다.

- 전송속도(Transmission Rate) : 전송속도는 링크의 수용력(Capacity) 또는 링크의 대역폭(Bandwidth)을 의미하기도 한다. (bits/sec)

- 전송 지연(Transmission Delay) : 어느 노드(host, end system..etc)에서 비트(데이터)를 신호로 바꾸어 특정 링크에 전달하는데 걸린 시간

• L(bit) / R(bits/sec) -> 패킷의 길이 / 링크의 속도
• 즉, 데이터의 크기에 비례하고, 링크의 수용력 또는 대역폭에 반비례한다.
• 링크의 속도가 크다는 것은 한 번에 더 많은 데이터를 링크에 담을 수 있으므로 링크로 데이터를 보내는 시간이 짧아진다. 흔히 파이프 용량이 증가했다고 표현한다.

- 전파 지연(Propagation Delay) : 송신측(Sender)에서 수신측(Receiver)으로 데이터(신호)가 전파될 때 통신 링크 상에서 걸리는 시간

• D(km) / V(m/s) -> 노드간의 거리 / 전파속도
• 이 때, 전파속도는 링크의 매체에 따라 다르다. -> optical fiber(광섬유), copper(구리) ..etc

- 처리 지연(Processing Delay) : 노드(host)에서 데이터의 처리(경로설정, 에러 검출 및 정정, 스위칭 등)를 위해 소비하는 시간

- 큐잉 지연(Queueing Delay) : 버퍼링 지연이라고도 하며, 패킷이 라우터에 도착하고 다음 목적지로 전송되기까지 큐에서 대기하는 시간.

• 버퍼(큐 사이즈)의 크기가 클수록 큐잉 지연이 길어지고, 버퍼가 작을수록 버퍼에서의 패킷손실이 커지는 특성을 가진다.
• 큐에서 패킷이 대기 중인데 버퍼의 한계를 넘을 경우 패킷이 손실되는 것을 오버플로우(Overflow)가 발생했다고 한다.

▶ 물리적 매체

- 비트(bit)는 전송자와 수신자 사이에서 전파된다.

- 물리적 링크 : 전송자와 수신자 사이를 연결하는 것

- 유선(Wired) 통신에서 신호는 구리나 섬유나 동축(coax) 케이블과 같은 견고한 매체를 통해 전달된다.

- Twisted Pair(이하 TP) : 두 개의 절연 처리된 구리선이 꼬여서 만들어진 케이블이다. 꼬임이 클수록 외부의 영향을 덜 받으므로 데이터 전송률이 좋다.

- Coaxial Cable(동축 케이블) : 두 개의 중심이 같은 구리선 컨덕터들로 만들어 졌으며, 양방향으로 초고속(broadband) 전송용 케이블이다. 케이블에서 다수의 채널을 이용할 수 있다. 따라서 주파수가 높은 경우에 사용하며, 하나의 전송 매체에 여러 개의 데이터 채널을 제공하기 위해서 이용한다.

- Fiber Optic Cable(광섬유 케이블) : 유리섬유로 이루어져 있어서 주파수 신호를 빛의 펄스로 변환시켜 수신측으로 전달하고 수신기가 반대로 번역(펄스->주파수)하는 방식으로 데이터를 전달한다. 잡음에 강하고 방해를 덜 받아 낮은 에러율을 가지기 때문에 데이터를 깨끗하게 전송할 수 있다. 점대점 전송에서는 높은 스피드를 가진다.

- 무선(Wireless) 통신에서 신호는 라디오와 같은 매체를 통해 자유롭게 전달된다.

- Radio(라디오)

• 전자기 스펙트럼에서 신호가 이동된다.
• 양방향으로 데이터를 전달하며 무선방식이다.
• 전파 환경에서는 반사(reflection), 혼선(interference), 굴절(refraction), 산란(scattering), 물체의 방해에 영향을 받는다.
• 주파수에 따라 특성이 다양하다.
• 무선 방식은 공유되기 때문에 성능저하 가능성이 높다.
• Radio Link Type(라디오 링크 유형)에는 지상파, LAN(ex:wifi), WAN(ex:cellular), 위성통신이 있다. 위성통신에서는 위성이 높을수록 범위가 증가한다. 주로 낮은 고도에 대비하여 지구 정지 궤도에 위치한다. 느리게 돌수록 1인 용량이 줄어들고 수명이 길어진다.

▶ 네트워크의 패킷 손실과 지연이 되는 이유

- 라우터 내부의 버퍼인 큐에서 패킷이 도착하기 전에 손실되거나 도착했으나 계속 대기 상태가 되기 때문이다.

- 패킷이 큐에 도착하는 속도가 링크의 수용력(링크의 전송속도)보다 빠를 경우, 큐에 패킷이 쌓이게 되고(지연) 꽉 차서 공간이 없어지면 패킷은 손실된다. 즉, 오버플로우(overflow)가 발생한다.

- 손실된 패킷은 이전의 노드로부터 재전송되어질 수 있다. 이로 인해 네트워크의 트래픽이 증가한다.

▶ 패킷 지연의 네 가지 원인

- 처리 지연(Processing Delay) : 노드(host)에서 데이터의 처리(경로설정, 에러 검출 및 정정, 스위칭 등)를 위해 소비하는 시간

- 큐잉 지연(Queueing Delay) : 버퍼링 지연이라고도 하며, 패킷이 라우터에 도착하고 다음 목적지로 전송되기까지 큐에서 대기하는 시간.

• 버퍼(큐 사이즈)의 크기가 클수록 큐잉 지연이 길어지고, 버퍼가 작을수록 버퍼에서의 패킷손실이 커지는 특성을 가진다.
• 라우터의 혼잡한 정도에 영향을 받는다.

- 전송 지연(Transmission Delay) : 어느 노드(host, end system..etc)에서 비트(데이터)를 신호로 바꾸어 특정 링크에 전달하는데 걸린 시간

• L(bit) / R(bits/sec) -> 패킷의 길이 / 링크의 속도
• 즉, 데이터의 크기에 비례하고, 링크의 수용력 또는 대역폭에 반비례한다.
• 링크의 속도가 크다는 것은 한 번에 더 많은 데이터를 링크에 담을 수 있으므로 링크로 데이터를 보내는 시간이 짧아진다. 흔히 파이프 용량이 증가했다고 표현한다.

- 전파 지연(Propagation Delay) : 송신측(Sender)에서 수신측(Receiver)으로 데이터(신호)가 전파될 때 통신 링크 상에서 걸리는 시간

• D(km) / V(m/s) -> 노드간의 거리 / 전파속도
• 이 때, 전파속도는 링크의 매체에 따라 다르다. -> optical fiber(광섬유), copper(구리) ..etc

▶ Throughput (처리율)

- 네트워크 통신에서 노드 간의 전달 또는 파이프 간의 전달되는 단위 시간당 데이터 처리량을 의미한다.

- 데이터 링크에서는 송수신 사이에 비트가 이동하는 속도로 보며, 단위는 초당 비트수(bits per second, bps)가 주로 사용된다.

- 앞의 노드나 파이프의 처리율이 뒤의 것보다 작을 경우, 병목 현상이 발생한다. 즉, 고속도로에서 앞의 차가 느리게 가는 사례와 유사한데, 앞의 차가 느리게 가면 뒤의 차들이 속도를 아무리 내도 전체적인 교통 체증이 증가하는 것이다. 쉽게 말해 앞의 파이프의 속도 하나 때문에 전체 네트워크 시스템이 영향을 받는 현상을 말한다.