- 본 포스팅은 computer networking : A top-down approach ( 컴퓨터 네트워킹 : 하향식 접근 ) 제 7판을 공부하여 정리합니다.
network core과 network edge를 포함한 네트워크의 구조를 다루기 전에, 네트워킹을 설명하기 위한 수단으로 '인터넷'에 대한 설명을 먼저 하겠다.
Internet 인터넷
인터넷이란, application에 service를 제공하는 infrastructure이다.
인터넷에는 스마트폰과 PC부터 자동차와 같은 '사물들'까지 많은 장치들이 연결되어 있으며 이 장치들은 host나 end system이라고 불린다.
하나의 end system과 다른 하나의 end system은 데이터를 교환하는 데, 이 data 교환의 개략적인 부분을 그림을 보며 설명하겠다.
(그림 : computer networking : a top-down approach 7th edition 에서 발췌)
그림에서 mobile network, home network, institutional network는 모두
end system,
호스트에 해당한다. 하나의 호스트가 다른 하나의 호스트로 데이터를 전송하기 위해 가지고 있을 때, 송신하는 end system은
1) 그 data를 segment로 나누고,
2) 각 segment에 header를 붙인다. 이렇게 나누어진 data 각각을
패킷(packet)이라고 칭한다.
3) 패킷은 목적지까지 네트워크를 통해 보내지고, 목적지에서 원래의 data로 모아진다.
다시 인터넷의 관점으로 돌아와보자.
인터넷에서는 network core과 end system들이, service를 위한 기반 구조가 되는 셈인데, 위에서 언급한 정의에 따르면 이 service는 결국 앱 실행을 위한 것임을 알 수 있다. 이에 더하여, 이 어플리케이션의 실행( 여기서의 실행이란? connecting to internet )을 위해서 interface도 제공된다. (이에 대한 자세한 설명은 관련 내용에서 하겠다.)
여기서 계속 언급되고 있는 application은 크게 2가지 성질이 있다.
1) 서로 데이터를 교환하는 많은 end system을 포함하므로, distributed application (분산 애플리케이션) 이라 불린다.
2) application은 end system에서 수행되는 것으로, network core에서는 전혀 관여하지 않는다. core는 그저 end system간의 메시지 전달 역할을 하여 data교환을 쉽게 만들어줄 뿐이다.
end system과 인터넷의 다른 구성요소들은 인터넷에서 발생하는 data의 송수신과 communication activity를 제어하기 위한 여러 프로토콜을 수행한다.
프로토콜(protocol)이란 수신자와 송신자로 구성된, 둘 이상의 network entity들 사이에서 교환되는 메시지의 format과 order 뿐만 아니라 다른 이벤트에 따른 action을 정의한다. 특히 인터넷에서 TCP/IP는 가장 중요한 프로토콜이며 이와 같은 '인터넷 표준'을 합의하여 개발하는 기구는 IETF이고 그 표준 문서를 RFCs라고 한다. TCP/IP는 추후 집중적으로 다루겠으니, 지금은 넘어가겠다.
다시 위의 그림을 보자. 그림에서 보이는 네트워크의 구조는 크게 4가지로 나눌 수 있다. 즉, 이렇게 표현할 수 있다.
network structure = network edge + access network + physical media + network core
그렇다면, 이 4가지 요소의 차례대로 네트워크의 구조를 살펴보겠다.
network edge
인터넷의 가장자리를 차지하고 있는 end system은 인터넷과 연결되는 다른 장치들을 의미한다. end system에는 데스크탑 컴퓨터, 서버, 모바일 컴퓨터 등을 포함하며, 최근 들어서는 IoT까지도 end system으로 접속되고 있다. end system은 우리가 사용하는 애플리케이션을 수행한다는 점에서 호스트(host)라는 말과 혼용되어 쓰인다.
호스트는 서버(server)와 클라이언트(client)로 나뉘는데, 앞으로 다룰 네트워킹의 case들은 주로 클라이언트를 일반사용자들의 개인 PC로, 서버를 data center에 위치한 강력한 기능을 가진 컴퓨터로 간주한다.
access network
- access network : end system과 다른 end system 사이의 경로상에 있는 첫 번째 라우터에 연결하는 네트워크
(path 경로 = communication link + packet switches)
개략적으로 edge- core - edge의 구성을 하는 네트워크에서, access network는 결국 edge router들을 core 쪽으로 어떻게 연결하느냐를 다룬다.
access network가 사용되는 환경에 따라 각각의 환경이 end system을 인터넷에 연결시키는 방식이 나뉘는 데, 가정에서는 DSL과 케이블, 그리고 FTTH방식을, 기업에서는 이더넷과 와이파이로 인터넷에 접속한다. 본 포스팅에서는 가정에서 접속하는 DSL과 케이블(HFC) 네트워크를 중심으로 설명하겠다.
가정 : DSL (Digital Subscriber Line)
(그림 : computer networking : a top-down approach 7th edition 에서 발췌)
먼저, 가정은 telco(동네 전화 회사 : 유선 로컬 전화 서비스를 제공)로부터 DSL 인터넷 접속 서비스를 받는다. 그렇다면 그림에 맞춰서, data의 흐름에 따라 설명해보겠다.
가정 내에서 발생하는 data와 음성신호의 이동(transmitting)을 먼저 살펴보겠다.
1) upstream
가정의 DSL모뎀은 PC의 digital data를 받아서 telco의 CO(central office)로 전송하기 위해 디지털 데이터를 아날로그 신호로 바꿔주는 역할을 한다. 또한 CO에 위치한 DSLAM과 데이터 교환을 하기 위해 existing telephone line인 twisted pair을 사용한다. TP에 대한 설명은 아래 physical media에서 언급하겠다.
PC와 전화기에서부터 온 분리된 data들은 DSL phone line을 통해 동시에 전달되며, 서로 다른 주파수에서 전달된다. 즉, DSL 접속은 downstream의 대역폭(bandwidth)은 크게, upstream의 대역폭(bandwidth)은 좁게하여 전송된다. 이는 upstream(가정->CO)과 downstream(CO->가정)의 전송속도를 각각 다르게 준다는 뜻으로, 접속이 비대칭이다, 접속이 asymmetric 하다고 말한다. 따라서 이 access network는 ADSL이라고 불리기도 한다.
( bandwidth가 크면 전송속도가 빠르다 )
이처럼 하나의 DSL phone line은 data가 동시에 전송되는 것이 가능하다. 이 특징을 갖고 있는 링크는 dedicated line이라고 하는 데, 여기서 그림을 통해 dedicated link 과, 서로 trade-off의 관계에 놓여있는 shared link를 간단히 설명하겠다.
dedicated link는 데이터의 동시 전송이 가능한 형태이며, 데이터가 동시에 전송되어도 서로 충돌하지 않는다. 가정 DSL line은 이를 채택한다.
하지만 shared link는 동시에 데이터를 보내면 서로 충돌이 발생하기 때문에 전송할 수 없다. 오직 하나의 data packet만을 link를 통해 전송할 수 있다. cable network인 HFC access link가 이를 채택한다.
다시 DSL로 돌아와보겠다. 이렇게 dedicated 한 성격을 가진 DSL line을 통해 동시에 전송된 data들은 CO의 DSLAM를 만난다. DSLAM은 가정으로부터의 아날로그 신호를 다시 디지털 포맷으로 변환한 뒤 data와 음성 신호를 분리시켜, 이 둘을 각각 인터넷 ISP와 telephone network로 보내는 역할을 한다.
2) downstream
telephone network와 ISP에서 downstreame된 data와 음성 신호가 CO의 DSLAM을 만나 다시 모아진다. dedicated line을 통해 비교적 빠른 속도로 전송된 data는 스플리터를 만난다. 스플리터는 이 때 들어오는 데이터와 음성 신호를 분리하고 데이터를 PC로 보내준다.
가정 : cable network (HFC)
(그림 : computer networking : a top-down approach 7th edition 에서 발췌)
이 방식에서 가정은 동네 케이블 회사로부터 인터넷 접속 서비스를 받는다. 그림에는 생략되었지만, 수백 가구로부터 흘러오는 데이터를 교환시키는 link는 광 노드에 연결되어 있고, 광케이블이 이 광 노드와 cable headend 사이를 연결해준다. 그림에서 보이는 여러 가정들이 연결된 link는 shared link이며, 물리적으로는 coaxial cable(동축 케이블)이 데이터를 동네에서부터 개별 가정까지 연결해주는 역할을 한다. shared link의 성격을 띄기 때문에, 가정의 cable 모뎀은 데이터와 TV신호를 서로 다른 주파수에서 전송시키며 home access network를 sharing 한다.
케이블 헤드엔드의 CMTS는 가정의 케이블 모델에서부터 온 아날로그 신호를 다시 디지털 포맷으로 변환하는 역할을 하며, 이것은 DSL 네트워크의 DSLAM 과 유사한 기능을 제공하는 셈이다.
가정의 케이블 모뎀은 HFC네트워크를 다운스트림과 업스트림, 2개의 채널로 나누는 역할을 한다.
HFC는 두 가지 성격을 띈다.
1) HFC란 hybria fiber coax를 의미하는 데, 여기서 fiber(광)은 가정에서 동네까지를 연결하는 physical media이고, coax는 동네에서 집까지를 연결하는, downstream에 이용되는 physical media이다. 동네란 CMTS가 위치한, 동네 케이블 회사를 말한다.
2) 이 네트워크도 asymmetric, 비대칭 접속을 채택한다. downstream 전송속도를 더 빠르게, upstream 전송속도를 더 느리게 두어 bandwidth에 차이를 준다.
가정 : FTTH
FTTH는 앞의 두가지 네트워크에 대한 설명으로 충분히 이해할 수 있으니, 그 특징만 간단히 설명하겠다.
FTTH란, fiber to the home의 약자이며, 이름에서 나타내듯 CO부터 가정까지 직접 광섬유 경로를 제공한다. (이 때 제공되는 광섬유가 하나라면? direct fiber)
->downstream의 경우를 먼저 보자. CO에서 시작되는 각 광섬유는 여러 가정이 공유하고, 이 광섬유는 link를 타고 '하나의 광섬유' 형태로 와서 광스플리터에서 splitting된다. CO의 OLT에서 스플리터로 송신된 모든 패킷은 스플리터에서 복제된다.
각 가정은 ONT를 가지고 있으며, 이 ONT는 지정된 광섬유로 바로 옆에있는 스플리터에 연결되고, 가정에서는 홈 라우터에 연결하여 data 교환이 완료되면 이 홈 라우터를 통해 인터넷에 접속하는 것이다.
->upstream 에서는 스플리터가 여러 가정을 하나의 shared 광섬유에 결합시키고, 이를 텔코의 CO에 있는 OLT로 연결하는 역할을 한다. OLT는 광신호와 전기신호 간의 변환을 제공한다.
Physical Media
하나의 end system에서 다른 하나의 end system으로 bit 전송(propagation) 시 물리 매체(physical media) 상에 전기 신호를 전파하여 비트를 전송시킨다. 이 때 비트를 보내는 end system을 transmitter(송신기), 받는 end system을 receiver(수신기)라고 한다.
physical media는 크게 두 가지 종류로 나눌 수 있다.
1) guided media (유선 매체)
유선 매체에는 twisted pair(tp), coaxial cable, fiber cable이 있다.
2) unguided media (무선 매체)
unguided media는 주변 환경 영향을 많이 받으며, 신호 전송에 있어서 감쇄 현상 (distortion) 이 발생할 수 있다. 이 때에는 디지털에서 신호를 멀리 보내기 위한 도구인 repeater를 사용하여 신호를 증폭시켜 멀리 보낸다. 무선 매체의 예로는 radio가 있다.
physical media를 특징 위주로 간략히 정리하여 한눈에 보기 쉽게 정리하겠다.
twisted pair (tp) 꼬임쌍선
1) twisted insult copper wire : 2개의 절연 동선이 규칙적인 형태로 배열되어 있는 모양이다. 선들이 꼬여 있으므로 이웃하는 쌍들 간의 전기 간섭이 줄어든다. 여
2) undirection, 한방향 : 전기 신호를 보내는 데 쓰는 선과 받는 데에 쓰는 선이 다르다.기서 언급하는 copper wire는 인터넷 연결에 쓰이는 physical media이다.
3) baseband 통신을 한다.
4) 다른 주파수를 쓰기 위한 주파수 변조 ( 주파수 바꾸기 ) 를 하지 않는다.
coaxial cable 동축케이블
1) 케이블 방송 시스템인 HFC나 FTTH 에 사용된다.
2) bidirectional, 양방향통신을 한다. 하나의 케이블로 전기 신호를 주고 받으며, 여러 end system들을 케이블에 직접 연결되어 있는 형태이다.
3) broadband 통신 ( multiple channels ) : 다른 주파수를 쓰기 위해 서로 다른 주파수 대역들 사이에서 변조를 하는 방식이다.
fiber optic cable 광섬유
1) 주로 해저 케이블에 사용된다.
2) 초당 전송할 수 있는 비트(비트율)가 엄청나며 error rate가 낮아, 효율이 좋다. 참고로, 전화선은 error rate가 높다.
3) repeater들이 서로 떨어져 있기 때문에 electromagnetic noise (전자기성 간섭) 에 영향을 받지 않으며 신호 감쇠 현상이 매우 적다.
radio : unguided media
1) physical 'wire'가 필요 없다. 무선 매체이기 때문에 물리적인 ' 선 ' 자체는 필요없지만, 주변 환경의 영향을 많이 받는다
2) 여기서 말하는 주변 환경은 전기 신호 bit들의 경로 손실, 섀도 페이딩, 간섭 등을 결정한다.
섀도 페이딩: 신호가 먼 거리를 지나가거나 방해되는 물질을 통과하면서 신호 강도가 약해지는 현상이며,
간섭: 다른 라디오 채널이나 전자기 신호 때문에 발생하는 현상이다.
3) bidirectional, 양방향 통신을 한다.
지금까지, network structure 중 network edge, access network, physical media를 살펴보았다. 데이터가 호스트에서 network core로 전송될때, 데이터의 각 비트들이 방문하는 경로에 따라 살펴 본 셈이다. 아직 설명하지 않은 network core부분에 대한 것은 다음 포스팅에서 이어서 하겠다.
