네트워크 개요

이번 포스트에서는 네트워크에 대해서 설명하기 전 기초적인 내용을 서술하겠습니다.

 

먼저, 네트워크에서의 통신방식입니다.

 

• 유니캐스트 (Unicast) - 단일 목적지로의 데이터 전송
• 브로드캐스트 (Broadcast) - 수신 가능한 모든 목적지로의 데이터 전송
• 멀티캐스트 (Multicast) - 다수 목적지로의 데이터 전송
• 애니캐스트 (Anycast) - 다수 목적지 중 가장 가까운 하나의 목적지로 데이터 전송

데이터를 전송할 때는 각 호스트에서 스위치를 통해 라우터를 거쳐 목적지로 데이터가 전송됩니다.

 

호스트는 컴퓨터 네트워크에 연결되어 응용프로그램을 실행하는 장치로, 종단 시스템이라고도 불립니다.

 

스위치는 네트워크 장치들을 연결하며, 연결된 발신 장치로부터 수신된 데이터들을 MAC 주소에 기반하여 연결된 목적지 장치로 전달합니다. 주로 2계층에서 사용됩니다.

 

라우터는 컴퓨터 네트워크들을 연결하고, 연결된 한 네트워크로 부터 수신된 데이터를 IP 주소에 기반하여 연결된 다른 네트워크로 전달합니다. 주로 3계층에서 사용됩니다.

 

각 계층에서는 둘 이상 통신 개체간의 메세지 송수진 규칙을 정의한 프로토콜들이 존재합니다. 각 프로토콜은 정보 단위를 가지고 있습니다. 대표적인 예로 Transport 계층의 TCP는 Segment, UDP는 User Datagram, Network 계층의 IP는 Packet, Data Link 계층의 Ethernet은 Frame 등 이 있습니다.

 

인터넷은 전세계 컴퓨팅 장치들을 연결하는 컴퓨터 네트워크입니다. 인터넷의 구성요소는 대표적으로 다음과 같이 정리됩니다.

 

• 종단시스템
• 통신링크 - Coaxial Cable, Fiber Cable, 등의 통신매체
• 패킷스위치 - ISP와 호스트를 연결하는 물리적인 장치 EX) 라우터, 스위치
• ISP(Internet Service Provider) - 호스트끼리 정보매개 혹은 Contents Provider로 부터 호스트가 정보를 받아올 수 있도록 정보 전달역할을 하는 가장 거대한 규모의 네트워크망 서비스 제공자.
• 프로토콜

인터넷 접속 기술에는 DSL, HFC, FTTH 등이 있습니다.

 

DSL은 전화 회선을 이용해서 데이터를 전달하는 기술로, DSL 모뎀이 필요합니다. (DSL 모뎀에서 디지털 신호를 아날로그 신호로 바꾸고, 아날로그 신호를 디지털 신호로 바꾸는 역할을 수행합니다.)

 

HFC는 광케이블과 동축케이블을 함께 사용하는 방법입니다.

 

FTTH는 가정까지 직접 광섬유 링크가 제공됩니다.

 

물리매체는 크게 두가지로 나뉘는데, 광섬유, 꼬임쌍선, 동축케이블 등의 유도매체와 대기와 야외 공간 전부를 통해 전파되는 비유도매체가 있습니다.

 

송수신할때, 각 종단시스템은 패킷을 교환합니다. 이때, 패킷은 통신링크와 패킷스위치를 거치게됩니다. 패킷이 교환되는 과정에서 지연이 발생할 수 있는데, 지연의 유형으로는 다음과 같이 나누어집니다.

 

• 노드처리지연 - 패킷 헤더 검사, 라우팅 프로토콜 수행(거리탐색 및 결정), 체크섬 등의 오류검사
• 큐잉지연 - 패킷이 링크로 가기 전 큐에 대기하는 시간
• 전송지연 - 패킷의 모든 비트를 링크로 내보내는데 소요되는 시간
• 전파지연 - 한 비트가 링크 시작부터 다음 라우터까지 전파되는 시간

이중 큐잉지연은 네트워크 혼잡도에 따라 있을수도, 없을수도 있습니다. 버퍼(큐)는 유한하기 때문에, 큐가 가득찬 경우 패킷손실이 발생합니다.

 

전송지연은 L bit의 패킷과 링크전송률 R bps가 있을 때, L/R로 구할 수 있습니다.

 

전파지연은 링크의 길이 d와 링크 전파속도 s가 있을 때, d/s로 구할 수 있습니다.

 

결과적으로, 노드지연은 위의 4가지 지연을 다합친 값이 됩니다.

 

큐잉지연에서 트래픽 강도를 구하여 손실이 되는지 안되는지의 확률을 어느정도 구해볼 수 있습니다.

트래픽 강도는 La / R로 구할 수 있습니다. (L = Average Packet Length bit, a = Packet이 Queue에 도착하는 평균율, R = 데이터 전송률)

 

트래픽 강도가 1보다 크다면, 패킷이 손실된다고 볼 수 있습니다. 1보다 작다면, 패킷이 어떤 방식으로 도착하느냐에 따라 손실이 발생할수도있고, 안할수도있습니다. (10초동안 패킷 10개가 도착했다고 가정, 패킷이 1초에 1개 도착했느냐, 1초에 10개가 도착했느냐에 따라 다름)

 

프로토콜은 계층별로 나누어 져있는데, 인터넷에서 사용되는 프로토콜 스택은 다음과 같습니다.

 

• Application Layer - Message
• Transport Layer - Segment
• Network Layer - Packet, Datagram
• DataLink Layer - Frame
• Physical Layer

각각 프로토콜 계층과 계층에서 사용되는 PDU(Protocol Data Unit, 동일 계층 프로토콜 간의 정보단위)입니다.

 

OSI 7계층 모델로 볼때, Application Layer와 Transport Layer 사이에 Presentation Layer, Session Layer가 포함됩니다. 하치만, 인터넷 프로토콜 계층에서는 Application Layer 를 구현하는 개발자가 필요한 경우에만 구현하여 사용합니다.

 

각 계층에서 데이터는 캡슐화와 역캡슐화의 과정을 거쳐 전송됩니다. 캡슐화는 데이터를 헤더필드와 페이로드 필드로 구성합니다. 즉, 상위 계층으로부터 받은 데이터에 헤더를 부착하는 과정으로, 이 과정에서 하나의 메세지는 여러개의 세그먼트로 분할될 수 있고, 하나의 세그먼트는 또 여러 개의 패킷으로 분할될 수 있습니다.

 

반대로 역캡슐화는 목적지 혹은 중간노드에서 다시 캡슐화의 역과정을 통해 데이터를 얻습니다.