[Chapter 3] 네트워크 기술(교환 시스템)

네트워크 양단에 연결된 호스트들이 전송하는 패킷은 전송 경로 중간에 위치한 교환 시스템을 거친다. 교환 시스템은 데이터를 최종 목적지 까지 올바른 경로로 중개하는 교환 기능을 제공한다.

교환 방식

회선 교환 방식

연결형 서비스를 제공하는 회선 교환 방식은 음성 전화 시스템을 통해 발전했다. 고정 대역폭의 전송률을 지원하므로 네트워크의 구조가 상대적으로 단순하다. 반면에 비연결형 서비스를 제공하는 패킷 교환 방식은 컴퓨터 네트워크를 통해 발전했으며, 가변 대역의 전송률을 지원해 네트워크 구조가 복잡핟. 이외에도 프레임 릴레이와 셀 릴레이 교환 방식이 있는데, 이는 데이터의 전송 속도를 향상시키는 기술이다.

회선 교환 방식은 고정대역으로 할당된 연결을 설정하여 데이터 전송을 시작한다. 따라서 회선에 할당된 고정 크기의 안정적인 전송률로 데이터를 전송할 수 있으며, 연결이 유지되는 동안 다른 연결에서 이 대역을 사용할 수 없다. 데이터의 전송 경로가 연결 설정 과정에서 확정되므로 라우팅 등의 작업이 상대적으로 쉽다.

 

패킷 교환 방식

패킷교환 방식은 컴퓨터 네트워크 환경에서 주로 이용한다. 데이터를 미리 패킷 단위로 나누어 전송 하므로 패킷을 기준으로 교환 작업이 이루어진다. 패킷 교환 방식은 데이터 전송을 위한 전용 대역을 따로 할당하지 않기 때문에 가변 크기의 전송률을 지원한다. 패킷 교환에는 모든 패킷의 경로를 일정하게 유지시키는 가상회선 방식과 패킷들이 각각의 경로로 전송되는 데이터그램 방식이 있다.

 

교환 시스템의 종류

전송 선로를 이용해 데이터를 전송할 때는 전용 회선을 이용하거나 교환 회선을 이용할 수 잇다. 전용 회선 방식에서는 송신 호스트와 수신 호스트가 전용으로 할당된 통신 선로로 데이터를 전송하지만, 교환 회선 방식에서는 전송 선로 하나를 다수의 사용자가 공유한다. 일반적으로 전화 서비스와 같은 공중 전화망은 교환 회선 방식을 사용한다.

 

 

교환 회선 방식을 이용해 주고 받으려면 중간에 위치한 교환 시스템의 중개가 필요하다. 뭉게구름 안에 있는 교환기와 전송 선로들은 바깥에 있는 호스트들이 데이터를 송수신하기 위해 공유하는 자원이다.

어떤 경로가 더 나을지는 전송 시점에서 네트워크 혼잡도 등 여러 요인에 따라 달라진다. 특히 전송 선로에 데이터가 집중되지 않으면서 효율적인 경로를 선택할 수 있도록 하는 것이 교환기의 중요한 역할이다.

교환 회선을 이용하는 방식은 논리적 연결 설정 유무에 따라 크게 두 가지로 구분된다.

 

회선 교환

데이터를 전송하기 전에 통신 양단 사이에 고정된 연결 경로를 설정하는 회선 교환 방식

 

패킷 교환

미리 연결을 설정하지 않고, 데이터를 패킷 단위로 나누어 전송하는 패킷 교환 방식

 

 

회선 교환

회선 교환 방식은 통신하고자 하는 호스트가 데이터를 전송하기 전에 연결 경로를 미리 설정하는 방식이다. 연결 설정 과정에서 송수신 호스트 간의 경로가 결정되기 때문에 모든 데이터가 같은 경로로 전달된다. 회선 교환 방식은 고정 대역의 논리적인 전송 선로를 전용으로 할당받으므로, 안정적인 데이터 전송률을 지원한다.

 

메시지 교환

메시지 교환 방식은 데이터를 전송하기 전에 경로를 미리 설정하지 않고 대신 전송하는 메시지의 헤더마다 목적지 주소를 표시하는 방식이다. 중간의 교환 시스템은 이전 교환 시스템에서 보낸 전체 메시지가 도착할 때까지 받은 메시지를 일시적으로 버퍼에 저장한다. 이후 모든 메시지가 도착하면 교환 시스템으로 전달하는 방식을 사용하므로 데이터 전송이 교환기 단위로 이어진다. 따라서 메시지 교환 방식은 송신 호스트가 전송하는 전체 데이터 하나의 단위로 교환 처리된다.

 

패킷 교환

패킷 교환 방식에서는 개별 연결 요청에 대해 고정 대역을 할당하므로 전송 대역이 부족하면 새로운 연결 설정 요청을 수용할 수 없다. 즉, 모든 회선 연결에 할당된 대역의 합이 전체 네트워크의 전송 용량을 초과할 수 없다. 그러나 패킷 교환 방식에서는 전송 대역이 부족해 연결 설정 요청을 수용하지 못하는 경우란 없다. 임의의 연결 요청에 고정 대역을 할당하지 않으므로 이론상 호스트를 무한히 수용할 수 있다. 전송 대역을 사용하는 호스트의 수가 늘면 네트워크 혼잡도가 높아져 패킷의 전송 지연이 심화될 뿐이다.

• 전송 대역의 효율적 이용
  • 여러 호스트에서 전송한 패킷들이 동적인 방식으로 전송 대역을 공유하기 때문에 전송 선로의 이동 효율을 극대화할 수 있다. 이를 반대의 개념으로 설명할 수 있는데, 회선 교환 시스템에서는 호스트 간 연결 시 전송 대역을 전용으로 할당하기 때문에 해당 호스트들이 데이터를 전송하지 않더라도 다른 호스트는 이 전송 대역을 이용할 수 없다. 결과적으로 회선 교환 시스템은 전송 선로 이용 면에서 비효율적이다.

• 호스트의 무제한 효율적 이용
  • 회선 교환 방식에서는 개별 연결 요청에 대해 고정 대역을 할당하므로 전송 대역이 부족하면 새로운 연결 설정을 수용할 수 없다. 즉, 모든 회선 연결에 할당된 대역의 합이 전체 네트워크의 전송 용량을 초과할 수 없다. 그러나, 패킷 교환 방식에서는 전송 대역이 부족해 연결 설정 요청을 수용하지 못하는 경우란 없다. 임의의 연결 요청에 고정 대역을 할당하지 않으므로 이론상 호스트를 무한히 수용할 수 있다. 전송 대역을 사용하는 호스트의 수가 늘면 네트워크 혼잡도가 높아져 패킷의 전송 지연이 심화될 뿐이다.
• 패킷에 우선순위 부여
  • 패킷 교환 방식의 단점
    • 패킷을 전송하는 과정에서 회선 교환 방식에 비해 더 많은 지연이 발생한다. 
      ex) 전송 패킷을 라우터의 내부 버퍼에 보관하는 과정에서 지연이 생기고, 기타 여러 종류의 대기 큐를 거치는 과정에서 가변 지연이 생길 수 있다. 또한 각각의 전송 패킷이 독립적인 경로로 전달되므로, 패킷마다 전송에 걸리는 시간이 일정하지 않을 수 있다. 따라서 전체 데이터의 전송 지연 시간은 가장 늦게 도착한 패킷의 전송 지연에 영향을 받는다. 각 패킷별로 지연되는 정도를 나타내는 지연 분포의 형태도 가변적일 수 밖에 없는데, 이런 가변적인 전송 지연의 분포를 지터라 한다. 지터 분포는 멀티미디어 데이터와 같이 실시간으로 처리되는 응용 환경에서 중요하다. 
      교환기에서 패킷 경로를 선택하는 방식으 두 가지이다. 호스트 사이의 전송 경로를 미리 고정하는 정적경로와 네트워크 혼잡도를 비롯한 주변 상황에 따라 전송 경로를 지속적으로 조정하는 동적 경로가 있다.

패킷 교환

네트워크 계층의 가장 중요한 역할은 패킷의 전송경로를 결정하는 것, 데이터를 패킷 교환 방식으로 전송하는 네트워크는 가상 회선과 데이터그램이라는 두 가지 전송 방식을 지원한다. 가상 회선 방식은 데이터를 패킷 단위로 나누어 전송하지만 송수신 호스트 사이에 가상 연결을 설정하므로 모든 패킷의 전달 경로가 동일하다. 반면 데이터그램 방식은 패킷의 경로 선택이 독립적으로 이루어진다.

가상회선

일반적을 가상 회선 방식은 연결형 서비스를 지원하기 위한 기능으로, 연결을 통해 전송되는 모든 패킷의 경로가 동일하다. 송수신 호스트 사이에 설정된 가상의 단일 파이프를 통해 숭신 호스트가 입력단으로 패킷을 송수신하고, 수신 호스트가 출력단에서 패킷을 수신한다. 따라서 모든 패킷이 하나의 파이프로 표현되는 동일 경로로 전송되므로 패킷이 도착하는 순서가 보낸 순서와 같다. 여기서 파이프는 한 프로세스의 출력을 다른 프로세스의 입력으로 사용할 수 있도록 프로세스를 연결하는 논리적 통신 매체이다. 프로세스뿐 아니라 호스트 네트워크 등도 사용할 수 있다.

가상 회선 방식에서 패킷을 전송하는 방식을 시간의 흐름에 따라 보여주는 그림이다. 가상 회선을 통해 모든 패킷이 동일한 경로로 전달되는 것을 보여준다. 이러한 방식에서는 패킷의 도착 순서가 뒤바뀔 수 없다.

가상 회선방식으로 패킷을 전송하는 원리는 회선 교환 방식과 비슷하다. 그러나 가상 회선 방식은 패킷 교환 방식을 기반으로 하므로 데이터의 전송 단위가 패킷 단위로 이루어지는 반면에 회선 교환 방식은 패킷 기능을 지원하지 않는다. 이는 두 교환방식을 구분하는 중요한 차이점이다.

 

데이터그램

패킷 교환 방식에서 비연결형 서비스를 이용해 패킷을 독립적으로 전송하는 것을 데이터그램 방식이라고 한다. 데이터그램 방식은 패킷을 송신하기 전에 연결을 설정하는 과정이 없으므로, 미리 경로를 할당한다. 따라서 전송되는 패킷들이 독립적인 경로로 전달된다. 일반적으로 데이터그램 방식은 전송할 정보의 양이 적거나 상대적으로 신뢰성이 중요하지 않은 방식에서 사용된다. 

가상 회선 방식과 달리 데이터를 전송하기 전에 연결을 설정하지 않으므로, 송신 호스트가 전송한 패킷이 독립적으로 라우팅 되는 것을 알 수 있다. 송신 호스트가 전송한 패킷은 출발한 순서와 무관하게 수신 호스트에 도착할 수 있다. 패킷이 다른 경로를 선택할 수 있으며, 각 전송 경로의 속도는 네트워크 혼잡도에 따라 가변적이다. 목적지에 도착하는 순서를 예측할 수 없는데, 데이터그램 방식에서 도착 순서가 바뀌는 것은 흔하게 벌어지는 현상이다.

프레임 릴레이와 셀 릴레이

패킷 교환 방식이 개발된 시점에는 원거리 디지털 통신 과정에서 지금보다 더 많은 전송 오류가 발생했다. 그래서 전송 패킷에 물리적인 전송 오류를 처리하기 위한 오버헤드 비트를 많이 추가했는데, 이런 패킷들을 처리하는 송수신 시스템의 오류 처리 과정이 상당히 복잡했다. 또한 중간에 위치한 교환 시스템에서 오류를 검색하고 복구하는 기능도 필요했다.

이와 달리 현대의 네트워크는 환경을 고려해 전송 오류 제어 기능을 더 효율적으로 처리하는 네트워크 프로토콜을 작성했는데 이는 동일한 속도의 전송 매체로 고속 데이터 전송을 지원할 수 있도록 고안된 기술인 프레임 릴레이 이다.

패킷 교환 방식에서는 중간 라우터를 거치는 과정에서 데이터 링크 계층의 기능이 개별적으로 수행된다. 따라서 개별 링크에서 데이터 프레임과 긍정 응답 프레임을 반복 교환한다. 이는 프레임 릴레이 방식보다 오류제어가 과도하게 이루어진다.

 

프레임릴레이의 방식에서는 각 라우터의 개별 연결을 의미하는 홉 단위의 흐름제어와 오류제어 기능을 수행하지 않는다. 따라서 데이터의 전송과 긍정 응답처리가 큰 흐름으로 이루어져, 전송 패킷의 양이 반으로 확 줄었다. 이처럼 오류 제어 기능을 단순화 하는 작업만으로도 데이터 전송 효율을 크게 향상시킬 수 있다.

패킷 교환 방식이 종단 사용자에게 84kbps의 전송률을 지원하는데 반해, 프레임 릴레이 방식은 2Mbps 전송률을 지원한다. 이는 오류 처리와 관련된 오버헤드를 최소화 하여 얻은 결과이다. 참고로, 프레임 릴레이 방식은 연결형 패킷 서비스를 지원한다.

프레임 릴레이는 한 호스트에서 수신하는 프레임을 다른 호스트로 중개하는 역할만 한다. 오류 복구나 흐름 제어 같은 기능은 수행하지 않으므로 링크 계층의 기능을 단순하게 설계할 수 있다.

 

셀릴레이

ATM 방식으로 더 많이 알려진 셀 릴레이 방식은 회선 교환과 패킷 교환 방식의 장점을 모아 고안되었다. 셀 릴레이 방식도 프레임 릴레이 방식 처럼 오류 제어에 대한 오버헤드를 최소화 한다.

프레임 릴레이 방식은 가변 길이의 패킷을 지원하지만 셀 릴레이 방식에서는 셀이라는 고정 크기의 패킷을 사용한다. 패킷의 크기가 고정되면 가변적인 경우보다 패킷 처리 과정에서 오버헤드를 더 줄일 수 있다. 셀 릴레이 방식은 2~100Mbps의 전송률을 지원한다.

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Reference

쉽게 배우는 데이터 통신과 컴퓨터 네트워크