🌵 인터넷

🍧 구성 요소 관점

• 장치 (device)
  • 호스트(host) = 종단 시스템 (end system)
  • 가장자리(edge)에서 네트워크 응용들을 수행
• 패킷 스위치 (packet switch)
  • 패킷(데이터의 덩어리)을 전달 : forward
  • 라우터(router), 스위치(switch)
• 통신 링크 (communication link)
  • 광섬유, 동축케이블, 전파 위성
  • 다양한 전송 속도(transmission rate 또는 bandwidth)로 데이터(패킷) 전송
• 네트워크 (networks)
  • 장치, 라우터, 링크들의 집합
  • 기관 및 조직에서 관리
• 인터넷(Internet)
• 프로토콜(protocol)
  • 정보(메시지)의 송수신을 제어
  • HTTP(웹), 스트리밍 비디오, TCP, IP, WiFi, 4G/5G, Ethernet
• 인터넷 표준 (Internet standards)
  • IETF (Internet Engineering Task Force)
  • RFC (Request For Comments) : IETF 표준문서

🐬 서비스 관점

• 애플리케이션에 서비스를 제공하는 인프라구조(infrastucture)
  • 웹, 스트리밍 비디오, 화상회의, 이메일, 게임, 전자상거래
  • 부산된 애플리케이션에 프로그래밍 인터페이스 제공
    • 인터넷에 접속하여 송수신 응용들에게 연결되고, 인터넷 전송 서비스(TCP)를 사용
    • 우편 서비스와 유사한 서비스 제공

⛅ 프로토콜 (protocol)

• 사람 프로토콜 (human protocol)
  • 사람이 전달하고자 하는 특정 메시지
  • 수신 된 응답 메시지나 다른 상황에 반응하는 특정 행동
• 네트워크 프로토콜
  • 사람 대신 기계 장치들
  • 인터넷 상의 모든 활동은 프로토콜이 제어
  • 정의 : 프로토콜은 통신 개체들 간에 교환되는 메시지 형식(format)과 순서 뿐 아니라, 메시지의 송수신과 다른 이벤트에서 취하는 행동(동작)들을 정의

🍮 인터넷 구성 요소

• 네트워크 가장자리(edge)
  • 호스트 : 클라이언트와 서버
  • 데이터 센터 내의 서버들
• 접속 네트워크(access network), 물리 매체(physical media)
  • 유무선 통신 링크
• 네트워크 코어(core)
  • 상호 연결된 라우터
  • 네트워크들의 네트워크

🌅 네트워크의 가장자리

접속 네트워크와 물리 매체

• 종단 시스템과 가장자리 라우터(edge router) 접속
• 접속 네트워크 종류
  • 가정 접속 (residential access)
  • 기관 접속 (school, company access)
  • 무선 접속 (WiFi, 4G/5G)
  • DSL (Digital subscriber Line)
    • 지역 전화국의 DSLAM(DSL access multiplexer)까지는 기존의 전화선 사용
  • 케이블 네트워크
    • 주파수 분할 다중화 (frequency division multiplexing) : 각 채널들이 서로 다른 주파수 밴드로 전송
    • HFC (Hybrid Fiber Coax) 접속망
    • 케이블과 광섬유 네트워크가 각 가정을 ISP 라우터에 연결

무선 접속 네트워크 (Wireless Access Network)

• 공유 무선 접속 네트워크가 종단 시스템을 라우터에 연결
• 무선 LAN (wireless LAN) : ex. wifi
• 광역 무선 접속 (wider-area wireless access) : ex.4G/5G

링크 : 물리 매체 (Physical Media)

• 비트 (bit) : 송신기(transmitter)와 수신기(receiver) 사이에 전달
• 물리 링크 (physical link) : 송신기와 수시기 사이를 연결
• 유도 매체 (guided media) : 견고한 매체를 따라 신호 유도
  • 꼬임쌍선 (Twisted Pair, TP) : 두 개의 절연 동선, UTP
  • 동축 케이블 (coaxial ccable) : 동심원 형태의 두 개의 구리선, 브로드밴드
  • 광섬유 (Fiber Optics) : 비트를 나타내는 빛의 파동을 전파, 낮은 에러율
• 비유도 매체 (unguided media) : 무선 통신의 경우처럼 야외 공간으로 파형을 자유롭게 전파
  • 무선 전자기 스펙트럼으로 신호를 전달 : 전파 환경 효과

🍬 네트워크 코어 (Network Core)

• 네트워크 코어는 상호 연결된 라우터들의 연결망 (mesh)
• 패킷 스위칭 (packet switching)
  • 호스트는 애플리케이션 계층의 메시지를 패킷(packet)이라 알려진 작은 덩어리로 분할
  • 패킷들은 송신 측과 수신 측의 경로 상의 링크와 라우터를 거쳐 전송
    • 패킷들은 한 라우터에서 다른 라우터로 전달(forward)
• 2가지 주요 기능
  • 포워딩 (forwarding) : 스위칭이라고도 함. 라우터의 입력에서 적절한 라우터 출력으로 패킷을 이동
  • 라우팅 (routing) : 소스에서 목적지까지의 패킷 경로를 결정

호스트의 패킷 전송

• 호스트의 송신 동작
  • 애플리케이션의 메시지를 받음
  • 메시지를 길이 L비트의 더 작은 덩어리인 패킷으로 분할
  • 패킷을 네트워크 전송률/전송속도 R로 전송
    • 링크 전송 속도는 용량 (capacity), 대역폭(bandwidth)라고도 함

패킷 스위칭 : 저장 후 전달 (store-and-forward transmission)

• L비트의 패킷을 R bps 속도의 링크로 전송하는데 L/R초 걸림
• 저장 후 전달 (store-and-forward transmission) : 다음 링크로 전송하기 전에 패킷 전부가 라우터에 도착해야 함
• 위 그림 지연 = 2L/R (전파 지연(propagation delay) 무시)

패킷 스위칭 : 큐잉 (Queuing)

• 입력 링크에 비트가 도착하는 속도가 내보내는 전송 속도보다 빠른 경우 큐잉 발생
• 패킷 큐잉과 손실 : 일정 시간 동안 라우터의 입력 링크에 비트가 도착하는 속도가 전송률보다 빠른 경우. 큐의 메모리가 꽉 차 있는 경우 패킷은 손실 됨

회선 교환 (Circuit Switching)

• 네트워크 코어 구성 방식은 회선 교환과 패킷 스위칭 두 가지 방식이 있음
• 회선 교환 (circuit switching)
  • 경로 상에 필요한 자원(버퍼, 링크 전송률)이 통신 세션 동안 예약
  • 자원이 공유되지 않음
  • 송신자와 수신자 간의 경로에 있는 스위피들이 연결 상태를 유지
  • 송신자와 수신자 간의 전송률 보장
  • 기존의 전화망
• 회선 교환에서 한 링크는 n개의 회선(circuit)을 연결
  • 네트워크 자원을 분할(다중화)
  • 자신의 호가 사용되지 않으면 분할된 자원은 쉼
• 분류
  - FDM (Frequency-Division Multiplexing) : 설정된 연결은 링크의 주파수 스펙트럼을 공유, 각 호는 고정된 주파수 대역이 할당
  - TDM (Time-Division Multiplexing) : 시간을 일정 주기의 프레임으로 구분하고, 각 프레임은 고전된 수의 시간 슬롯으로 분할
  

• 패킷 스위칭 vs 회선 교환 : 회선 교환은 사용자에 대해 미리 예약을 하기 때문에 비효율. 패킷스위칭은 대등한 지연 성능 가지면서 몇 배 이상의 사용자 수 허용

패킷 스위칭의 장단점

• 패킷 스위칭은 버스티 데이터(busty data)에 적합
• 과도한 네트워크 혼잡(network congestion) 가능성
  • 라우터의 버퍼링 및 오버플로우로 인한 패킷 지연과 손실 발생
  • 신회적인 데이터 전송, 혼잡 제어를 위한 프로토콜 필요

🎺 인터넷 구조 : 네트워크의 네트워크

• 종단 시스템은 접속 ISP (access Internet Service Provider)을 통해 인터넷에 연결
• 네트워크의 네트워크
  • 접속 ISP들은 하나의 골로벌 통과 ISP에 연결 - 다른 글로벌 ISP와 연결(IXP) - 지역 ISP - 콘텐츠 제공자 네트워크

📘 패킷 지연 (packet delay)

• 패킷은 라우터의 큐(버퍼)에서 자신의 순서를 기다림
  • 패킷 도착 속도가 출력 링크 용량을 초과한 경우 큐의 길이는 길어짐
  • 패킷들이 큐의 용량을 초과하면 손실이 발생

처리 지연 (processing delay)

• 라우터에서의 처리 지연
• 패킷의 헤더를 조사하고 어느 출력 링크로 보낼 지 결정하는 시간
• 패킷의 비트 수준 오류를 조사하는데 필요한 시간

큐잉 지연 (queuing delay)

• 패킷이 큐에서 출력 링크로 전송되기를 기다리는 시간
• 라우처 혼잡 수준(congetion level)에 좌우 : 이미 큐에 저장된 패킷들 수에 의해 결정

전송 지연 (transmission delay)

• 패킷의 모든 비티들을 링크로 전송하는데 필요한 시간
• 저장 후 전달 지연
• 전송 지연 = L

전파 지연 (propagation delay)

• 출력 링크에서 다음 라우터까지 전파하는데 필요한 시간
• 전파 속도는 링크의 물리 매체(광섬유, 꼬임쌍선 등)에 좌우
• 전파 지연 = d(두 라우터 간의 거리) / s (매체의 전파 속도)

📚 패킷 손실 (packet loss)

• 실제는 라우터의 큐 용량이 유한하고, 큐가 차게 되어 도착한 패킷을 저장할 수 없으면 패킷을 버리게 되어 (drop), 패킷을 잃어 버림 (lost)
• 잃어 버린 패킷은 이전 노드나 출발지 종단에서 재전송 될 수 있음

🎆 프로토콜 계층 (Protocol Layers)

네트워크는 계층형으로 이루어짐

계층화 이점

• 계층화를 통해 크고 복잡한 시스템을 관리
• 명확한 구조화를 통해 복잡한 시스템 요소를 구분하고, 요소 간의 관계 설정이 가능
  • 논의를 위한 계층화된 참조 모델 (layered refrence model)
  • 잘 정의된 특정 부분의 논의가 가능
• 시스템의 유지보수와 변경이 용이 : 한 계층의 서비스 구현이 변경되어도 시스템의 나머지 부분에 영향 없음

계층화된 인터넷 프로토콜 스택 (Layered Internet Protocol Stack)

• 애플리케이션 (application) : 네트워크 응용을 지원
• 트랜스포트 (transport) : 프로세스-프로세스 데이터 전송
• 네트워크 (network) : 한 호스트에서 다른 호스트로 데이터그램을 라우팅
• 링크 (link) : 경로 상의 인접 네트워크 노드 간의 데이터 전송
• 물리 (physical) : 매체 상에 비트 전송

🦴 참고

Computer Networking A Top-Down Approach 7th