Move Fast

▶ 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.

* Data : 비트(0, 1)로 구성된 정보

* Data Communication : 전송 매체(transmission medium)를 통해 두 기기간의 이루어지는 데이터 교환

1. 근본적인 특성

• Delivery : 올바르게 목적지로 전달하는 것
• Accuracy : 오류나 손실 없이 정확하게 데이터를 전달하는 것
• Timeliness : 시간적으로 중요한 데이터를 전달하는 것, 데이터 생성 즉시 지연(delay)없이 데이터를 전달하는 것, 실시간 전송  ex) 멀티미디어(음성/영상) 
• Jitter : 패킷(데이터 단위) 전송 중의 변화 ex) 음성이나 영상 데이터 전송 중 끊김현상

2. 시스템 요소

• Message : 전송되어지는 정보(데이터)
• Sender(송신자) : 데이터 메시지를 보내는 기기
• Receiver(수신자) : 데이터 메시지를 받는 기기
• Transmission Medium(전송 매체) : 메시지가 이동하는 물리적 경로(통신 링크)
• Protocol : 데이터 통신을 하기 위한 통신 규약(통신하는 기기간의 약속)

• Simplex : 단일방향의 통신  ex) 키보드, 모니터
• Half-duplex : 반이중방식 통신으로 전송과 받기가 가능하나 두 기기가 동시에 주고 받을 수는 없다.  ex) 무전기
• Full-duplex : 전이중방식 통신으로 전송과 받기가 동시에 가능하다.  ex) 전화

4. Network - 네트워크

• 통신 링크에 의해 연결되어진 통신 관련 장비들의 무리
• Device : host, end system, end host, connecting device such as router
• host(호스트) : 네트워크에 연결된 컴퓨터

• 전달시간, 응답시간 내에 측정되어진다.
• 처리율(throughput), 지연(delay), 받은 데이터간의 시간 간격(jitter), 손실과 관련이 있다.
• 유저의 수, 전송 매체의 종류, 하드웨어, 소프트웨어에 영향을 받는다.  ex) 사용자 수가 많을 수록 성능이 저하된다.

• 실패의 빈도수, 실패 이후 네트워크의 복구시간, 재난에 대한 네트워크의 견고함

• 비인증된 접근으로부터 데이터의 보호
• 데이터의 무결성
• 보안 정책 및 절차의 구현

• Point-to-Point(점대점) : 두 기기간의 전용링크를 제공하는 구조
• Multipoint(다중점) : 둘 이상의 기기들이 단일 링크를 공유하는 구조로 동시에 링크를 이용한다. 즉, 공동소유자 여러 명이 일정 기간 동안 돌아가면서 이용한다.

• Mesh

1. 모든 기기가 점대점 구조로 연결되어 전용 링크를 사용한다.
2. 두 기기간의 데이터 로드를 보장한다.
3. 하나의 링크가 고장나도 전체 시스템은 중단하지 않는다.
4. 보안성과 프라이버시가 보장된다.
5. 결함 확인과 결함 분리가 쉽다.
6. 케이블 수와 입출력 포트의 수가 (n(n-1))/2 만큼 요구된다.  ex) 5개의 사용자가 있다면 10개의 링크가 요구된다.

• Tree

Star 구조를 계층적으로 확장한 형태이다.

• Bus

1. 다중점 구조로 연결되며 하나의 긴 케이블이 모든 기기를 연결하는 척추 역할을 한다.
2. 설치가 쉽다.
3. 하나의 버스 구조가 지원할 수 있는 Tap(기기를 케이블에 연결하는 것)의 수와 길이가 제한된다.
4. 재연결과 분리가 어렵다.
5. 링크 공유의 문제로 각 기기가 동시에 데이터를 전송하면 신호가 충돌하는데 MAC(자료접근제어)에 의해 전송 순서가 결정된다.

• Ring

1. 각 기기는 점대점 구조로 연결되어 전용 링크를 사용한다.
2. 설치와 변경이 쉽다.
   
3. 기기와 링크간의 신호재생기(Repeater)가 존재한다.
4. 결함 분리가 단순하다
5. 단방향 연결, 모든 기기의 수와 최대 Ring의 길이가 제한된다.
6. 하나가 고장나면 전체 네트워크를 이용할 수 없다. 그래서 해결책으로 이중링크를 사용한다. 
7. 이중 링크(A Dual Ring) 구조는 데이터의 전송방향은 서로 반대인 링크를 가지는 구조로 두 개 모두 활성화되거나 하나는 백업용으로 사용되기도 한다. 

 7. 네트워크 유형

 - 규모에 따른 분류 (아래로 갈수록 범위가 커진다.)

• Body Area Network(BAN) : 무선통신방식으로 이용된다.
• Personal Area Network(PAN) : 블루투스
• Local Area Network(LAN) : 근거리 통신망
• Metropolitan Area Network(MAN)
• Wide Area Network(WAN) : 광역 통신망
• Internet : 각 네트워크를 연결한 가장 큰 네트워크

 - Local Area Network (LAN)

• 수 킬로미터까지 제한된 크기를 가진다. (근거리 통신망)
• PC나 단말기 사이에 네트워크 자원이 공유되어진다.
• Star, Bus, Ring 구조가 해당된다.

• 대륙끼리 통신이 가능할 정도로 넓은 범위의 데이터 전송이 가능하다. (광역 통신망)
• 대게 통신사에 의해 운영되고 통신사를 사용하는 조직에 의해 공유되어진다.
• 점대점 구조의 WAN과 라우터를 가지고 Switched 구조의 WAN이 있다.
• Internetwork (or Internet) : 내부적으로 연결된 네트워크들의 집합체이며, Switched 구조에서 최소 두 개의 링크를 하나의 스위치가 연결(LAN)하고 있고 해당 스위치는 라우터와 함께 점대점 구조로 연결(WAN)되어 있다.

[사진 출처 : http://www.mbaskool.com/business-concepts/it-and-systems/14504-packet-switching.html, 

http://www.webclasses.net/Courses/demos/MediaLight/Example1/The_OSI_Model/Content16184.htm ]