[네트워크] Network | Circuit Switching (FDM & TDM), Packet Switching, Network of Network, Packet Delay, Traceroute

 

링크 내의 한 회선은 주파수 다중 분할(FDM) 또는 시분할 다중화(TDM)으로 구현된다.

 

FDM

 

링크를 통해 설정된 연결은 그 링크의 주파수 스펙트럼을 공유한다. 특히 그 링크는 연결되는 동안 각 연결에 대해 주파수 대역을 고정 제공한다. 전화망에서의 이 주파수 대역은 일반적으로 4kHz의 폭을 가진다. 이런 대역의 폭은 대역폭(Bandwidth)이라고 한다. 

 

TDM

 

시간을 일정 주기의 프레임으로 구분하고 각 프레임은 고정된 수의 시간 슬롯으로 나뉜다. 네트워크가 링크를 통해 하나의 연결을 설정할 때, 네트워크는 모든 프레임에서 시간 슬롯 1개를 그 연결에 할당한다.

 

 

패킷 교환 옹호자는 다음과 같이 주장한다. 패킷 교환이 회선 교환보다 전송 용량이 굥유에서 더 효율적이다. 패킷 교환이 더 간단하고 효율적이며 회선 교환보다 구현 비요이 적다.. 그렇다면 패킷 교환이 왜 효율적인가?

 

사용자가 전체 시간에서 10%만 활동한다고 하자. 회선 교환의 경우 100kbps가 항상 사용자에게 예약 되어야 한다. 예를 들어 TDM에서 1초 프레임이 100msec마다 10개 시간 슬롯으로 나뉜다면, 각 사용자는 한 프레임에 한 번의 시간 슬롯이 할당된다. 따라서 그 회선 교환 링크는 동시에 10명만 지원할 수 있게 된다.

 

패킷 교환의 경우 35명의 사용자가 있다고 가정하자. 이중 11명 이상의 사용자가 동시에 활동할 확률은 0.0004이다. 만약 10명 이하의 동시 사용자가 있다면 데이터의 통합 도착률은 1Mbps보다 작거나 같다. 따라서 10명 이하의 동시 사용자가 있을 때 사용자의 패킷은 회선 교환의 경우와 마찬가지로 지연 없이 링크를 통과한다.

 

10명 이상의 동시 사용자가 있다면 패킷의통합  도착률이 링크의 출력 용량을 초과하므로 출력 큐가 커지기 시작한다. 하지만 10명 이상의 동시 사용자가 있을 확률은 매우 작으므로 패킷 교환은 거의 항상 회선 교환과 대등한 지연 성능을 가지면서도 사용자 수에 있어서 거의 3배 이상을 허용한다.

 

 

패킷 교환이 회선 교환보다 자원을 공유하는 것에 더 유리하다. 전송에 있어서 가장 큰 차이점은 회선 교환이 요구에 관계없이 미리 전송 링크의 사용을 할당하는 반면에 패킷 교환은 요구할 때만 링크의 사용을 할당한다는 것이다.

 

 

종단 시스템이 ISP를 통해서 인터넷에 접근하는 것을 확인하였다. ISP는 대학교, 회사가 될 수 있다. 하지만 이렇게 접속 ISP로 연결하는 것은 인터넷을 구성하는 수십억 개의 종단 시스템을 연결하는 퍼즐의 해결방법 중 극히 일부분에 해당한다. 이를 풀기 위해서 접속 ISP들이 서로 연결되어 있어야만 한다. 이를 위해서 네트워크의 네트워크가 탄생하게 되었다.

 

Network of Network는 매우 복잡한 구조로 진화되었는데, 이러한 진화의 많은 부분이 성능적인 고려보다도 경제적, 국가의 정책에 의해 주도되었다.

 

 

 

 

한 패킷이 라우터를 통해서 다른 라우터로 보내지게 된다. 패킷이 라우터에 도착을 하면 그 패킷에 대한 적당한 외향 링크를 결정하기 위해 패킷 헤더를 조사하고, 그 패킷을 선택된 링크로 보낸다. 만약 링크가 이미 이용되고 있거나 그 링크를 이용하기 위해 큐에서 대기하는 패킷이 있다면, 새로 도착하는 패킷은 큐에 들어가게 된다. 

 

 

 

패킷 헤더를 조사하고 그 패킷을 어디로 보낼지를 결정하는 시간은 Nodal Processing, 또는 Processing Delay에 속한다. 고속 라우터에서 처리 지연은 일반적으로 수 msec이다. 이 노드 처리 후에 라우터는 그 패킷을 라우터 B에 이르는 링크에 앞선 큐에 보낸다. 

Queueing Delay. 패킷은 큐에서 링크로 전송되기를 기다리면서 큐잉 지연을 겪는다. 특정 패킷의 큐잉 지연 길이는 큐에 저장되어 링크로 전송되기를 기다리는 다른 패킷의 수에 의해 결정된다. (Congestion LEVEL이라고 표현함) .

 

 

Transmission Delay (전송 지연)

 

패킷의 길이를 L비트로 라우터에서 라우터까지의 전송률을 Rbps로 나타내자. 그렇다면 R은 도착 라우터로 가는 링크의 전송률에 의해 결정된다. 예를 틀어 10Mbps 이더넷 링크의 경우 전송률 R은 10Mbps이다. 전송 지연은 L/R이다. 이것은 패킷의 모든 비트를 링크로 밀어내는 데 필요한 시간이다.

 

Propagation Delay (전파 지연)

 

일단 비트가 링크에 전해지면 도착 라우터까지 전파되어야 한다. 링크의 처음부터 도착 라우터까지의 전파에 필요한 시간이 전파 지연이다. 비트는 링크의 전파속도로 전파된다. 전파속도는 링크의 물리 매체에 따라 다르다.

 

 

전송 지연(Transmission Delay)와 전파 지연(Propagation Delay)의 차이를 잘 구분할 필요가 있다. 전송 지연은 라우터가 패킷을 내보내는 데 필요한 시간이다. 두 라우터 사이의 거리는 관계없고 패킷 길이와 링크 전송률의 함수임을 알아야 한다. 반면 전파 지연(Propagation Delay) 은 비트가 한 라우터에서 다음 라우터로 전파되는 데 걸리는 시간이다. 이는 두 라우터 사이의 거리에 대한 함수임을 기억하자.

 

요금 계산소가 12초마다 한 대의 차를 전송한다고 하자. 요금 계산소가 전체 자동차를 밀어내는 데 걸리는 시간은 10대  * 12초 = 120초 = 2분이다. 이 2분이라는 시간은 라우터에서의 전송 지연(Transmission Delay)와 유사핟. 또한 한 자동차가 한 요금 계산소에서 다음 요금계산서 앞에 저장될 때까지의 시간 은 60분으로 라우터에서의 전파 지연(Propagation Delay)와 유사하다. 

 

 

 다른 예시로 자동차가 시속 1000Km/h로 달리고 요금 계산소는 1분에 1대를 서비스 한다고 하자. 그렇다면 Propagation Delay는 100km / 1000 = 0.1 h = 6 min에 해당하고 요금 계산소가 차 1 대를 전송하는데 걸리는 시간은 Transmission Delay에 해당하며 여기서는 1min 이다. 즉, 차 1대 (패킷 1개)가 다음 요금 계산소에 도착하는 데 걸리는 총 Delay 시간은 7min이 된다. 

 

여기서 묻는 질문은 첫 번째 차가 두 번째 요금 계산소에 도착을 했을 때 몇 대의 차가 첫 번째 요금 계산소에 남아있는지이다. 첫 번째 차는 두 번째 요금소에 7분에 도착을 하고 7분이 경과 했을 때는 3대의 차가 여전히 남아 있다고 할 수 있다.

 

 

다른 지연과 다르게 큐잉 지연의 상황은 패킷마다 다를 수 있다. 예를 들어 10개의 패킷이 동시에 비어있는 큐에 도착한다면 전송된 첫 패킷은 큐잉 지연을 겪지 않지만 마지막으로 전송되는 패킷은 상당히 많은 큐잉 지연을 겪을 것이다. 그러므로 큐잉 지연의 특성을 묘사할 때 어느 특정 값을 넘을 확률 같은 통계 측정을 일반적으로 이용한다.

 

R은 전송률 (비트가 큐에서 밀려나는 비율),  L은 패킷의 비트 수, a는 패킷이 큐에 도착하는 평균율이라고 하자. 그렇다면 비트가 큐에 도착하는 평균율은 La 비트 / 초이다. 또한 큐가 매우 커서 무한대 비트를 저장할 수 있다고 가정을 한다. 이때 트래픽 강도(traffic intensity) La/R 은 큐잉 지연의 정도를 측정하는 데 매우 중요하다. 

 

La/R > 1 인 경우, 비트가 큐에 도착하는 평균율이 비트가 큐에서 전송되는 비율을 초과한다. 이 경우 큐는 끝없이 증가하고 큐잉지연은 무한대에 도달한다. 그래서 '트래픽 강도가 1보다 크지 않게 시스템을 설계하라'는 것이 공학의 주요 규칙이다.

 

La/R <= 1 인 경우, 도착 트래픽의 특성이 큐잉 지연에 큰 영향을 미친다. 만일 패킷이 주기적으로 도착하고 하나의 패킷ㅇ시 L/R 초 마다 도착한다면, 모든 패킷은 빈 큐에 도착을 할 것이고 큐잉 지연이 없을 것이다. 반면 패킷이 주기적이 아니라 몰려서 도착을 한다면 상당한 평균 큐잉 지연이 생길 것이다. 

 

 

컴퓨터 네트워크에서 지연을 느끼기 위해 Traceroute 라는 진단 프로그램을 이용할 수 있다. Traceroute는 어떤 인터넷 호스트에서도 수행 가능한 프로그램이다.

 

출발지와 목적지 사이에 N-1 개의 라우터가 있다고 가정하자. 그 다음 출발지가 네트워크로 N개의 특별 패킷을 보내는데, 각각은 최종 목적지의 주소를 갖고 있다. 이들 N개의 특별 패킷은 1부터 N까지 표시되어 있다. n번째 라우터가 n으로 표시된 n 번째 패킷을 받으면, 라우터는 패킷을 목적지까지 전달하지 않는 대신 출발지까지 역으로 메시지를 보낸다.목적지 호스트가 N 번째 패킷을 받으면 그 목적지 노드는 그 패킷을 파기하고 출발지로 메시지를 보낸다. 출발지는 한 패킷을 보내고 그에 해당하는 응답 메시지를 받을 때까지  경과된 시간을 기록한다. 또한 메시지를 보내온 라우터 이름과 주소도 기록한다. Traceroute는 실제로 방금 설명한 방식을 3번 반복한다. 그래서 출발지는 실제로 3 * N 패킷을 목적지로 보내게 된다.

 

 

왕복 지연은 전송 지연, 전파 지연, 라우터 처리 지연, 큐잉 지연 등을 포함해서 앞서 논의한 모든 지연을 포함한다. 큐잉 지연은 시간에 따라 변하므로 n번 라우터로 보내진 패킷 n의 왕복 지연은 n+1 번 라우터로 보내진 패킷 n+1 의 왕복 지연보다 길 수 있다. 즉 더 멀리 있는 라우터로 부터 전달받은 왕복 지연의 시간이 더 큰 경우 Queueing Delay를 의심할 필요가 있다.