[NW] Chap1. Data Communications, Data Networks, and the Internet

이 교재에서 다룰 핵심 내용

1. Data Communications

• 데이터를 Internet Device로 주고 받는 것
• Deals with the transmisison of signals in a reliable and efficient
  • 헷갈릴 수 있는 용어
    • transmit: 상태의 변화(bit → signal)
    • transfer: 문서 이동처럼 SW의 이동
    • transport: 보이는 것의 이동
  • reliable: 사고가 났어도 사고가 나지 않은 것처럼 전송함
  • efficient: loss X, delay X, throughput ↑
• signal transmission, transmission media, data link control, and multiplexing
  • multiplexing: 다양한 user의 data들이 하나의 케이블로 들어감
    • FDMA(frequency)
    • TDMA(time)
    • CDMA(encoding 후 보내는 경우)
    • OFDMA
    • CSMA

2. Networking

• 서버나 친구에게 내 idea를 전달하기 위해 기기들을 연결해주는 요소
• 1)end user가 갖고 있는 장비, 2)중간의 network 장비, 3)그 사이를 연결하는 media의 집합
• Deals with the technology and architecture of the communications networks used to interconnect communicating devices
  • architecture: network가 어떻게 구성되어 있는가? ex. local하게 있는가(한정된 범위에 node들이 존재, 짧은 링크)
• LANs / WANs 로 구분됨

3. Protocols

• Define the set of rules for peer layer communication
  • peer layer끼리 통신함
    

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Communication Models

• Transmitter: bit를 signal로 바꿈
• Transmission System: 바뀐 signal을 Receiver에게 전송함

Communication Tasks

• Transmission system utilization
• Interfacing
  • addressing과 연관
• Signal generation
• Synchronization
• Exchange management
  • connection이 oriented면 상태 유지
    • connection oriented: 4계층에서 패킷이 여러 라우터를 거쳐갈 때, 앞/뒤로 지나갔던 패킷을 기억하고 있는 경우
• Error detection and correction
  • 2계층: network 장비들을 지나갈 때마다 수행
  • 4계층: end to end
• Flow control
  • not to overflow receiver(destination) buffer
  • 도착지 버퍼가 넘치지 않도록 흐름을 조절하는 것
  • sender doesn't send data faster than they can be process & receive at destination
  • 도착지 버퍼의 상태를 컨트롤하기 위해, 전송지에서 보내는 데이터의 속도를 조절함
  • link와 sender의 성능이 다 좋아도 receiver의 버퍼 성능이 떨어진다면 overflow가 발생할 수 있음 (sender가 보낸 데이터가 손실될 수 있음)
• Addressing
  • layer마다 다양함
  • ex. 3계층의 IP
• Routing
  • 패킷이 이동할 때, 어떤 라우터를 거쳐갈지 정하는 것
• Recovery
  • network를 에러가 나기 전 상태로 돌려 놓는 것
• Message formatting
  • protocol
• Security
• Network management

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Wide Area Networks (WAN)

• Span large geographical area
• 매우 넓은 지역을 관할하는 네트워크
• 내 땅이 아닌 땅을 지나가게 됨
• Rely in part on common carrier circuits
  • carrier = ISP (Internet Service Provider)
• Alternative technologies
  • General technology
    • 1-1. Circuit switching
      • 전화망에서 사용했음
      • H/W로 dedicated circuit 잡음 = physical path
      • 물 새듯 줄줄 데이터가 이동하며, packet을 언패킷하는 과정도 없음
      • 통신할 때에는 교환기(스위치)가 아무 일도 하지 않음(processing X)
      • buffer도 없음
      • real time에 좋음
    • 1-2. Packet switching
      • 멀티미디어에 적합함 (Data / Virtual circuit)
      • Datagram packet switching
      • Virtual circuit packet switching: SW로 circuit 잡음 (중간중간 확인) / Dedicated X / path는 고정됨
  • Protocol(Virtual Circuit switching)
    • 2-1. Frame relay(FR)
    • 2-2. Asynchronous Transfer Mode(ATM)

Circuit Switching과 Virtual circuit packet switching의 공통점
: 통신이 끝날 때까지 fixed path

1-1. Circuit Switching

• PSTN(Public Switch Telephone Network) for voice
• Dedicated communications path is established for the duration of conversation
  • Dedicated: no sharing during communication (= data deliver, data transfer)
• 즉, 패킷이 지나가는 길 + Resource(Bandwidth)까지 정해져있음
• 실제 데이터가 나가기 전 라우팅을 하며 (physical path), 통신이 끝나기 전까지는 영원히 이 길로 이동함
• 패킷을 전송하기 전, Connection set-up delay 존재
• 각각의 라우터에 들어오는 데이터들은 delay 없이 바로 라우팅함 (데이터 전송 전 set-up이 끝났기 때문)

1-2. Packet Switching

Datagram, Virtual Circuit Swtiching 공통의 특징

• 데이터들은 packets이라고 불리는 작은 청크(chunk)들로 쪼개져 전송됨
• 각각의 패킷들은 src부터 dst까지 존재하는 node(router)들을 개별로 거쳐감 (3계층 내용)
• 각각의 node(router)에서는 1) 전체 패킷을 받은 후 2) 잠시 저장해두었다가, 3) forwarding이 끝난 후에 4) 다음 노드로 transmit 시킴

왜 패킷으로 쪼개는가?

1. Variable한 data rate application을 support 하기 위해
2. reliable한 network service를 통해 효율적인 에러 recovery를 하기 위함

Datagram packet switching 특징

• routing
  • routing algorithm으로, real time으로 update 되는 routing table을 만들어 놓음
  • 가장 최선의 길로 forwarding
• forwarding

Circuit switching vs Packet switching

Packet switching (Datagram packet switching)

• Call set-up delay가 없음 (Virtual circuit switching도 마찬가지)
• Resource reservation이 없어 receiver가 어떤 패킷을 받을지 모르기 때문에, output buffer가 존재함
• buffer가 존재하기 때문에 '일단 받아'라는 마인드가 생겨 한 유저가 full link rate를 사용할 가능성이 있음(statistical)
• Communication 동안 다양한 유저들 사이에 Resource sharing이 일어남
• NW congestion에 의해 delay나 loss가 발생할 수 있음
• Queueing delay 발생(at output buffer of routers)
• Intermittent & bursty한 데이터에 좋음

Circuit switching

• Call set-up delay 존재 (data delivery 이전에 발생)
• connection-oriented delivery = 데이터의 순서가 바뀌지 않음 (fixed path)
• Resource Reservation regardless of demand (physical path를 잡아놓았기 때문)
• link utilization엔 좋지 않음(idle 상태인 link가 존재할 수 있음)
• Real time으로 전송해야 하는 데이터에 좋음

2-1. Frame Relay(FR)

• Frame = packet
• Developed to take advantage of high data rates and low error rates
• P.S의 에러 핸들링을 위한 오버 헤드를 없애기 위해 link recovery 알고리즘을 없앰
• 2 Mbps까지 동작함

V.C.P.S

• 가져온 C.S의 특징
  • preplanned route between 2 end-node(a pair of src-dst) before data is sent
  • fixed route during data delivery = in-order data delivery
• C.S와의 차이점
  • S/W path (not physical path) = delayed or dropped at output buffers of routers

2-2. Asynchronous Transfer Mode(ATM)

• 고정된 길이의 packet으로 쪼갬
• 쪼개진 packet을 cell이라고 부르며, ATM 자체를 cell relay라고 부르기도 함
• error control을 위한 약간의 오버헤드 발생
• FR의 evolution (10Mbps ~ Gbps까지 동작)

FR vs ATM

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Local Area Networks(LAN)

• 작은 빌딩이나 캠퍼스처럼 좁은 영역을 관할하는 네트워크
• 보통 하나의 조직이 소유함 (ex. 이화 NW)
• WAN 보다 Internal data rates가 큼 (= 빠름)
• Ethernet (유선) - 802.3 / Wifi (Wireless) - 802.11
• WAN 보다 예측하기 쉬움
• 높은 BW가 가능함 (트래픽이 WAN에 비해 작기 때문에, 1명의 유저가 사용가능한 BW가 큼)

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Reference

• 이화여대 이숙영 교수님 정보통신공학 강의자료