[네트워크] What is the Internet? Network edge Network core.

인터넷이란 무엇인가? 를 답변하기 위한  첫 번째 관점은 "Nuts and Bolts"이다. 이것은 인터넷을 구성하는 기본적인 하드웨어와 소프트웨어 요소를 기술하는 것이다. 인터넷 용어로 "호스트" 또는 "종단 시스템(End System)" 이라고 부른다. 

 

종단 시스템은 통신링크(Communication link)와 패킷 스위치(Packet Switch)의 네트워크로 연결된다. 여러가지 통신 링크를 살펴볼 것인데, 동축 케이블, 구리선, 광케이블 등 다양한 물리 매체로 구성된다. 이때 각각의 링크들은 다양한 전송률을 이용하여 데이터를 전송하는데 이때 사용하는 단위는 Bps가 된다. 

 

송신 종단 시스템은 그 데이터를 세그먼트로(Segment)로 나누고 각 세그먼트에 헤더(Header)를 붙인다. 이렇게 만들어진 정보 패키지를 컴퓨터 네트워크에서 패킷(Packet)이라고 부른다. 이 패킷(Packet)은 목적지 종단 시스템으로 네트워크를 통해 보내지고, 목적지에서 원래의 데이터로 다시 조립된다. 

 

라우터(Router)와 링크 계층 스위치(Link-layer switch) 두 가지를 기억할 필요가 있다. 이 두가지 모두 스위치라고 부르는데 최종 목적지 방향으로 패킷을 전달하는 것이 목표이다. 링크 계층 스위치(Link-layer Switch)는 보통 애겟스 네트워크에서 사용되고 라우터(Router)는 네트워크 코어에서 사용된다.

 

종단 시스템은 ISP (Internet Service Provider) 를 통해서 인터넷에 접속하는데, 지역 케이블 혹은 전화 회사와 같은 가정ISP, 법인 ISP 또는 기타 공공 장소 등에서 와이파이 접근을 제공하는 ISP를 포함한다. 각 ISP는 패킷 스위치와 통신 링크로 이루어진 네트워크이다. 인터넷은 종단 시스템을 서로 연결하는 것이므로 종단 시스템에 접속을 제공하는 ISP들도 서로 연결되어야만 한다. 

 

인터넷의 주요 프로토콜을 TCP/IP라고 한다. 이때 IP 프로토콜은 라우터와 종단 시스템 사이에서 송수신되는 패킷 포맷을 기술한다.

 

인터넷에서 프로토콜이 아주 중요하며, 각각의 프로토콜이 무엇을 수행하는지에 대해 합의하는 것도 매우 중요하다. 인터넷 표준은 IETF에서 개발하며 IETF 표준 문서를  RFC라고 한다. 

 

인터넷을 기술할 수 있는 두 번째 관점이다. 즉, 애플리케이션에 서비스를 제공하는 Infrastructure로서 인터넷을 기술할 수 있다. 이들 애플리케이션은 서로 데이터를 교환하는 많은 종단 시스템을 포함하고 있기 때문에 분산 애플리케이션 (Distributed Application)이라고 부른다. 중요한 것은 인터넷 애플리케이션은 종단 시스템에서 수행되기 때문에 네트워크 코어에 있는 패킷 교환기에서 수행되지 않는다. 

 

인터넷에 접속된 종단 시스템들은 한 종단 시스템에서 수행되는 프로그램이 어떻게 인터넷 인프라 구조에게 다른 종단 시스템에서 수행되는 특정 목적지 프로그램에게 데이터를 전달하도록 요구하는지를 명시하는 API를 제공한다.

 

사람 프로토콜에서 우리가 보내는 특정한 메시지가 있고 수신된 응답 메시지 혹은 다른 상황에 대응해서 취하는 특정 행동이 있음에 주목해야 한다. 사람이 다른 프로토콜을 수행한다면, 그 프로토콜은 상호작용할 수 없으며 원하는 작업을 수행할 수 없는 것과 같이 네트워크도 둘 이상의 통신 개체가 함께 인식하는 프로토콜이 필요하다. 

 

 

 

네트워크 프로토콜은 통신하는 둘 이상의 원격 개체가 포함된 인터넷에서의 모든 활동은 프로토콜이 제어한다. 정의를 살펴보면 "프로토콜은 둘 이상의 통신 개체 간에 교환되는 메시지 포맷과 순서뿐 아니라, 메시지의 송수신과 다른 이벤트에 따른 행동들을 정의한다"라고 볼 수 있다. 

 

 

 

우리가 기억해야 할 용어에 대해 다시 한 번 짚고 넘어가자. 인터넷에 연결되는 컴퓨터와 다른 장치를 종단 시스템이라고 부른다. 그림처럼 인터넷의 가장자리를 차지하고 있기 때문에 종단 시스템이라고 한다. 종단 시스템은 웹 브라우저 프로그램, 웹 서버 프로그램과 같은 애플리케이션을 수행하므로 '호스트'라고 부른다. 호스트 (Host)는 클라이언트 (Client)와 서버(Server)로 구분된다.비공식적으로 클라이언트는 데스크톱, 모바일 PC, 스마트폰 등을 의미한다. 그리고 서버(Server)는 웹 페이지를 저장하고 분배하는 등 더 강력한 기능을 갖춘 컴퓨터이다. 오늘날 대부분의 서버들은 커다란 데이터 센터 (Data Center)내에 존재한다. 

 

 

 

접속 네트워크 (Access Network) 라는 것은 종단 시스템으로부터 다른 먼 거리의 종단 시스템까지의 경로상에 있는 첫 번째 라우터에 연결하는 네트워크이다. 

 

 

 

그림의 동그라미는 네트워크의 코어를 나타내고 있다.

 

강의 참고 후 다시 작성

 

 

케이블 인터넷의 한 가지 중요한 특성은 공유 방송 매체라는 것이다. 특히, 헤드엔드가 보낸 모든 패킷이 모든 링크의 다운스트림 채널을 통해 모든 가정으로 전달된다. 그렇기 때문에 여러 사용자가 다운스트림 채널에서 다른 비디오 파일을 동시에 수신하고 있다면, 각 사용자가 비디오 파일을 수신하는 실제 수신율은 다운스트림 전송률보다 상당히 작아진다. 

 

Cable-based access 는 케이블 모뎀이라고 하는 특별한 모뎀이 필요하다. 케이블 헤드 엔드 (Cable headend)에서 CMTS는 DSL 네트워크의  DSLAM과 유사한 기능을 제공하는데, 이 기능은 케이블 모뎀으로부터 송신된 아날로그 신호를 다시 디지털 포맷으로 변환하는 기능을 의미한다. 

 

케이블 모뎀은 HFC 네트워크를 2개의 채널, 다운스트림과 업스트림 채널로 나눈다. DSL과 마찬가지로 접속은 비대칭 (Asymetric)이며 보통 다운 스트림 채널이 업스트림 채널보다 빠른 전송속도가 할당된다. 

 

 

DSL(Digital Subscriber Line). 일반적으로 가정은 유선 로컬 전화 서비스를 제공하는 같은 지역 전화 회사로부터 DSL 인터넷 접속 서비스를 받는다. 사진과 같이 각 고객의 DSL 모뎀은 지역 중앙국(Central Office)에 위치한 DSLAM과 데이터를 교환하기 위해 기존 전화 회선 (Existing Telephone Line)을 이용한다. 가정의 DSL 모뎀은 디지털 데이터를 받아 전화선을 통해 Central Office로 전송하기 위해 고주파 신호로 변환한다. 여러 가정으로부터의 아날로그 신호는 DSLAM에서 디지털 포맷으로 다시 변환된다. 

 

고객 쪽에 있는 스플리터(Splitter)는 가정에 도착하는 데이터와 전화 신호를 분리하고 데이터 신호를 DSL 모뎀으로 전송한다. Central Office에 있는 DSLAM은 데이터와 전화 신호를 분리하고 데이터를 인터넷으로 송신한다.

 

다운 스트림과 업스트림의 전송속도가 다르기 때문에 접속이 비대칭 (Asymmetric)이라고 한다.

 

 

FTTH의 개념은 이름이 나타내는 바와 같이 간단한다. Central Office로부터 가정까지 직접 광섬유 경로를 제공한다. 가장 간단한 광신호 분배 네트워크는 각 가정으로 Central Office에서 하나의 광섬유를 제공하는데 다이렉트 광섬유(Direct Fiber)라고 한다. 가정에 가까운 곳까지 하나의 광섬유로 와서 이곳에서 고객별 광섬유로 분리하는 Splitting을 수행하는 광신호 분배 네트워크 구조가 존재한다. 

 

각 가정은 ONT (Optical Network Terminator)를 갖고 있다. 스플리터는 여러 가정을 하나의 공유 광섬유로 결합하고 이를 Central Office에 있는 OLT (Optical Line Termiantor)에 연결한다. 이 OLT는 광신호와 전기신호 간의 변환을 제공한다. 

 

 기업과 대학 캠퍼스, 가정환경에서 LAN은 일반적으로 종단 시스템을 가장자리 라우터에 연결하기 위해 사용한다. 여러가지 유형의 LAN 기술이 있지만 이더넷 기술이 기업, 대학, 홈 네트워크에서 가장 널리 사용되는 기술이다. 이더넷 접속에서 사용자들은 보통 이더넷 스위치에 100Mbps로 접속하고 서버는 1Gbps 또는 10Gbps로 접속한다.

 

 

 

점차적으로 사람들이 인터넷을 랩탑, 스마트폰, 태블릿과 같은 다른 장치에서 무선으로 접속하고 있다. 무선 랜 환경에서 무선 사용자들은 기업 네트워크에 연결된 AP(Access Point)로 패킷을 송/수신하고 이 AP는 유선 네트워크에 다시 연결된다. Wireless local area network의 이름을 가진 WLAN의 예시로 WiFi가 있다. 보통 100ft의 반경(수십 m 반경)을 주위로 신호 세기가 도달하며 IEEE 802.11 기술에 기반한 무선 LAN 접속은 어디에서나 살펴볼 수 있다. 이는 Radio 신호를 사용한다는 점이 특징이다. 그리고 최대 54Mbps의 공유 속도를 제공한다. 

 

Wide - area cellular access network는 휴대폰에서 사용할 수 있는 LTE, 5G, 3G의 데이터이다. 와이파이와 달리 사용자는 기지국의 수십 km반경 내에 있으면 된다. 전화 회사들은 1Mbps 이상의 속도로 패킷 교환 광연 무선 인터넷 접속을 제공하는 3G 서비스에 많은 투자를 했다. LTE는 3G 기술에 뿌리를 두고 있으며 10Mbps 이상의 전송 속도를 얻을 수 있다.

 

 

각각의 사용자의 랩탑 사진을 보게 되면 이더넷 스위치와 연결되어 있는 것을 볼 수 있다. 이처럼 이더넷은 이더넷 스위치에 연결하기 위해 꼬임쌍선을 이용한다. (Mix of Wired)라고 불린다. 또한 Wireless link technologies의 예시로는 WiFi를 이용해서 네트워크에 접속하는 것을 사진에서 확인할 수 있다. 이와 같은 구조는 사실 우리가 공부하고 있는 대학교만 하더라도 쉽게 찾아볼 수 있는 구조이다. 

 

물리 매체가 무엇을 의미하는지 정의학 위해서는 비트 (Bit)에 대한 표현을 정확히 알 필요가 있다. 한 종단 시스템에서 여러 링크와 라우터를 거쳐 다른 종단 시스템으로 한 비트가 전될 되는 것을 생각해보자. 이  비트는 여러 번에 걸쳐 전송된다. 비트가 출발지에서 목적지로 전달될 때, 일련의 송신기 - 수신기 쌍을 거친다. 이때 비트는 물리 매체(Physical Media) 상에 전자파나 광 펄스를 전파하여 전송한다. 이때 물리 매체는 여러 형태이고 각 송신기 - 수신기 쌍에 대해 같은 유형일 필요가 없다.

 

물리 매체(Physical Media)는 유도 매체(Guided Media)오 비유도 매체 (Unguided Media)로 나눌 수 있다. 유도 매체는 광섬유 케이블, 꼬임 쌍선, 동축 케이블 같은 견고한 매체를 따라 파형을 유도한다. 반면 비유도 매체는 무선 LAN 혹은 디지털 위성채널의 경우처럼 대기와 야외 공간으로 파형을 전달한다.

 

Twisted Pair 의 경우 2개의 절연된 구리선이 꼬여 있는 선을 의미한다. LAN 선 케이블을 살펴보면 다음과 같은 구조를 볼 수 있을 것이다. 이웃하는 쌍들 간에 전기 간섭을 줄이기 위해 선이 꼬여 있는 것이다. 이러한 한 쌍의 선이 하나의 통신 링크를 구성한다. UTP(Unsheilded Twisted Pair)는 LAN에서 가정 많이 사용하는 매체이다. 오늘날 TP를 사용하는 랜의 데이터 전송률은 10Mbps에서 10Gbps에 이르는 것으로 알고 있다. 카테고리 6a 케이블 같은 현대 TP 기술을 이용하면 수백 m 까지의 거리에서 10Gbps 속도를 얻을 수 있다. 

 

동축케이블

 

TP 처럼 동축 케이블은 2개의 구리선으로 되어 있으나 두 구리선이 평행하지 않고 동심원 형태를 이루고 있다. 이러한 구조와 특수 절연성을 가진 동축 케이블은 TP보다 더 높은 데이터 전송률을 얻을 수 있다. 흔히 케이블 TV 시스템에서 사용된다. 케이블 TV와 케이블 인터넷 접속에서 송신기는 디지털 신호를 특정 주파수 대역으로 이동하고, 그 결과 아날로그 신호는 송신기로부터 하나 이상의 수신기로 전달한다.

 

광섬유

 

빛의 파동을 전달하는 가늘하고 유연한 매체. 전자기성 간섭에 영향을 받지고 않으며 초당 10Gbps에서 100Gbps 전송률을 가진다. 100km 까지는 신호 감쇠 현상이 매우  적고 도청하기가 어렵다. 그렇기 때문에 광역 유도 전송 매체로 널리 이용하고, 세계 여러 나라의 많은 광역 전화 네트워크는 거의 광섬유를 이용하고 있다.

 

 

 

지상 라디오 채널

 

라디오 채널은 물리 선로를 설치할 필요가 없고, 벽을 관통할 수 있고, 이동 사용자에거 연결성을 제공하며 먼 거리까지 신호를 전달할 수 있다는 가능성이 있다. 가장 큰 특성은 전파 환경과 신호가 전달되는 거리에 많은 영향을 받는다는 점이다. 주변 환경은 경로 손실(Path loss)과 섀도  페이딩 (Shadow fading) 당 중경로 페이딩, 간섭을 결정한다. 

 

위성 라디오 채널

 

통신에는 두 가지의 위성, 정지 위성(Geostationary Satelite)과 저궤도 위성(low-earth orbiting Satelite)이 이용된다. 정지 위성은 지구 위 일정 위치에 영원히 머무는데, 지상 스테이션에서 위성을 거쳐 다시 지상 스테이션에 이르는 이러한 먼 거리는 280msec의 긴 신호 전파 지연을 일으킨다. 그럼에도 불구하고 수백 Mbps의  속도로 작동하는 위성 링크는 DSL 접속 혹은 케이블 기반 인터넷 접속을 할 수 없는 지역에서 주로 이용된다.

  저궤도 위성은 지구에 가깝게 위치하고 지구 위 한 곳에 고정되지 않는다. 지구를 돌 듯이 회전하며 지상국뿐만 아니라 서로 통신할 수 있다. 한 지역에 대한 지속적인 서비스를 위해 많은 위성이 궤도 안에 있어야 한다.  

 

 

종단 시스템들은 서로 메시지를 교환한다. 송신 종단 시스템에서 목적지 종단 시스템으로 메시지를 보내기 위해, 송신  시스템은  긴 메시지를 패킷(Packet)이라고 알려진 작은 데이터 덩어리로 분할한다. 송신 측과 수신 측 사이에서 각 패킷은 통신 링크와 패킷 스위치를 거치게 된다. 패킷은 링크의 최대 전송속도와 같은 속도로 각각의 통신 링크 상에서  전송된다. 따라서 송신 종단 시스템 혹은 패킷 스위치가 R bits/sec 의 속도로 링크상에서 L bits의 패킷을 송신한다면, 그 패킷을 전송하는데 걸리는 시간은 L/R 초이다. 

 

 

Packet Switching은 저장 후 전달 전송 방식을 이용한다. 저장 후 전달(Store and Forward)는 스위치가 출력 링크로 패킷의 첫 비트를 전송하기 전에 전체 패킷을 받아야 함을 의미한다. 그림처럼 송신 시스템이 패킷의 일부분을 전송하고 일부분이 라우터에 도착을 한 상황을 보자. 라우터가 저장 후 전달을 채택하고 있기 때문에 라우터는 수신한 비트를 전송할 수 없다. 대신에 그 패킷의 비트를 먼저 저장(Store) 한 후, 라우터가 패킷의 모든 비트를 수신한 후에 출력 링크로 그 패킷을 전송(Forward)하기 시작한다. L/R초 시간에 송신 시스템은 전체 패킷을 전송하였고 전체 패킷이 라우터 에 수신되고 저장되었다.   

   라우터가 전체 패킷을 수신했으므로 해당 패킷을 출력 링크로 전송하기 시작한다. 2L/R 기간에 라우터는 전체 패킷을 전송하고 수신 시스템이 전체 패킷을 수신한다. 따라서 전체 지연시간은 2L/R 이다. 만약 Store and Forward 방식을 채택하지 않는다면 전체 지연은 L/R이다. 만약 3개의 패킷을 전송하게 된다면 4L/R 시간에 목적지는 3개의 모든 패킷을 수신하게 된다. 

  소스와 목적지 사이에 N-1 개의 라우터가 존재한다면 종단간 지연은 다음과 같은 식으로 설명할 수 있을 것이다. N * (L/R)

 

 

각 패킷 스위치는 접속되 여러 개의 링크를 갖고 있다. 각 링크에 대해 패킷 스위치는 출력 버퍼를 갖고 있으며 그 링크로 송신하려고 하는 패킷을 저장하고 있다. 만일 도착한 패킷이 다른 링크로 전송되어야 하는데 해당 링크가 다른 패킷을 전송하고 있다면 도착하는 패킷은 출력 버퍼에서 대기해야 한다. Store and Forward 지연 뿐만 아니라, 큐잉 지연 Queueing delay를 겪게 된다. 또한 버퍼 공간이 유한하기 때문에 만약 버퍼의 공간이 송신을 기다리는 패킷들로 가득 차있다면 도착하는 패킷들은 버려지게 된다. Drop이라고 표현을 하고 이를 Packet loss라고 한다. 

 

 

라우터는 접속된 통신 링크 중  하나로 도착하는 패킷을 받아서 접속된 통신 링크 중 다른 링크로 그 패킷을 전달하는 것이라고 했다. 하지만 라우터는 어떻게 그 패킷을 어느 링크로 전달해야 하는지 결정해야 하는가? 

 

인터넷에서 모든 종단 시스템은 IP 주소를 가진다. 그래서 Source 종단 시스템이 패킷을 목적지 종단 시스템으로 보내고자 할 때, 소스는 패킷의 헤더에 목적지의 IP 주소를 포함한다. 패킷이 네트워크의 한 라우터에 도착하면 라우터는 패킷의 목적지 주소의 일부를 조사하고 그 패킷을 이웃 라우터로 전달한다. (계층적 구조를 가진다는 말) 정확히 말하면 라우터는 목적지 주소를 라우터의 출력 링크로 맵핑하는 전달  테이블 (Forwarding table)을 가지고 있다. 지도를 이용하는 대신에 방향을 물어보는 것을 좋아하는 자동차 운전자에 비유하고 있다. 

 

회선 교환 네트워크(Circut Switching)에서 종단 시스템 간에 통신을 제공하기 위해 경로 상에 필요한 자원은 통신 세션(Session) 동안 예약된다. 반면 Packet Switching 네트워크에서는 이들을 예약하지 않는다. 세션의 메시지는 그 자원을 요청하여, 온 디멘드 (on - demand) 방식을 사용하고 그 결과 통신 링크에 대한 접속을 위해 기다릴 수 있다. 예시로 전통적인 전화망이 있다. 송신자가 정보를 보내기 전에 네트워크는 송신자와 수신자 간의 연결을 설정해야 한다. 전기 통신 용어로  이 연결을 회선(Circuit)이라고 한다. 네트워크가 회선을 설정할 때 그 연결이 이루어지는 동안 네트워크 링크에 일정한 전송률을 예약한다. 주어진 전송속도가 송신자-수신자 연결을 위해 예약되므로, 송신자는 수신자에게 보장된 일정 전송률로 데이터를 보낼 수 있다.