Network Edge

 

Network Edges

네트워크 엣지에서는 데이터의 생성과 소비가 주로 발생하며, Host라고 불리는 Client와 Server가 위치한다.

 

Client

  • 네트워크 서비스를 요청하는 컴퓨터나 장치를 의미.
  • 예시 - 웹 브라우저를 실행해 웹페이지를 요청하는 유저의 컴퓨터는 클라이언트에 해당된다고 볼 수 있다.

Server

  • 네트워크 서비스를 제공하는 컴퓨터나 장치를 의미.
  • 예시 - 웹페이지 내용을 제공하는 컴퓨터는 서버에 해당된다고 볼 수 있다.

서버들은 종종 데이터 센터(Data Centers)에 위치해 있다. 데이터 센터는 대량의 데이터 처리와 저장을 위한 전용 시설로, 수백 개에서 수 천 개의 서버와 스토리지 장치, 네트워크 장비 등을 보유하고 있다. 이들은 고속 인터넷 연결과 안정적인 전력 공급을 통해 지속적인 운영이 가능하도록 설계되어 있다.

Access Networks & Physical Media

Access Networks, Physical Media

Access Networks

  • 사용자 장치(예: 컴퓨터, 스마트폰 등)가 네트워크에 연결되는 부분을 의미한다.
  • 이것은 집이나 사무실에서 인터넷 서비스 제공자(ISP)의 네트워크로 연결되는 경로를 포함할 수 있다.
  • 더 큰 또는 멀리있는 네트워크로 연결하는 경로 상에서, 엔드 시스템과 "첫번째" 라우터를 연결하는 네트워크

Physical Media

  • 데이터를 전송하는 데 사용되는 실제적인 통신 경로를 가리킨다.
  • 이것은 전기 신호, 광 신호, 무선 신호 등 다양한 형태의 에너지를 통해 정보를 전달한다.
    • 유선(Wired): 이 말은 데이터가 물리적인 케이블을 통해 전송된다는 것을 의미한다.
      • 예를 들어, 광섬유 케이블이나 구리 기반의 Ethernet 케이블 등이 여기에 해당된다.
    • 무선(Wireless): 이 말은 데이터가 공기 중을 통해 전송된다는 것을 의미한다. 
      • Wi-Fi와 같은 무선통신 기술, 셀룰러 네트워크(3G, 4G, 5G), 위성 통신 등이 여기에 해당된다.

Q. 어떻게 End System들을 Edge Router에 연결할 수 있을까?

  • 주거용 접근 네트워크(Residential Access Nets)
    일반적으로 가정에서는 DSL이나 케이블 모뎀을 통해 인터넷 서비스 제공자(ISP)에 연결한다. 
    이러한 연결은 보통 가정 내부의 Wi-Fi 라우터를 통해 여러 장치들이 인터넷에 접속할 수 있게 해준다.
  • 기관용 접근 네트워크(Institutional Access Networks)
    학교나 회사 등의 기관에서는 종종 좀 더 복잡한 네트워크 구조를 가지고 있다.
    이들은 보통 Ethernet 케이블을 통한 유선 연결, 또는 Wi-Fi를 통한 무선 연결 등을 제공하며, 엣지 라우터가 중앙 집중식으로 관리 및 제어하는 형태로 운영된다.
  • 모바일 접근 네트워크(Mobile Access Networks)
    모바일 장치는 Wi-Fi 혹은 4G/5G와 같은 셀룰러 데이터 네트워크를 통해 인터넷에 접속한다.
    이 경우 엣지 라우터는 일반적으로 해당 서비스 제공사의 데이터 센터나 기지국에 위치하게 된다.

알아가야 할 것들

  • transmission rate of access network?
    접근 네트워크의 전송 속도?
  • shared or dedicated access among users?
    사용자들 사이에서 접근 네트워크의 리소스가 공유되는지? 아니면, 각 사용자에게 전용으로 할당되는지?

Cable-based access

  • 케이블 기반 접근 네트워크는 데이터를 전송하기 위해 물리적인 케이블을 사용하는 네트워크 방식을 말한다.
  • 일반적으로 가정에서 인터넷에 연결할 때 사용되는 방식 중 하나로, 텔레비전 케이블 회사가 제공하는 케이블 모뎀 서비스가 대표적인 예시라고 할 수 있다.
  • 이런 케이블 기반 접근 네트워크는 대역폭을 공유하므로 사용자들의 인터넷 사용 패턴에 따라 속도가 달라질 수 있다.
  • 주파수 분할 다중화(Frequency Division Multiplexing, FDM)
    • different channels transmitted in different frequency bands
    • 여러 개의 독립적인 통신 신호를 하나의 전송 매체(예: 케이블 또는 무선 주파수 대역)에 동시에 전송하기 위한 기술
    • 각 신호는 고유한 주파수 대역을 할당받아 사용한다. 이런 방식으로 각각의 신호가 서로 간섭하지 않고 동시에 전송될 수 있게 된다.
  • 벽이 통신 신호를 가로막고 있을 경우, 신호가 약해진다는 단점이 있다.
  • HFC(Hybrid Fiber Coax)
    • 광섬유와 동축 케이블을 결합한 네트워크 방식
    • 이는 고속의 데이터 전송을 가능하게 해주며, 특히 케이블 TV와 인터넷 서비스를 제공하는데 사용된다.
    • HFC 네트워크는 비대칭적(asymmetric)인 경우가 많다
      • 이는 downstream 전송 속도가 upstream 전송 속도보다 빠르다는 것을 의미한다. 
      • 예를 들어, downstream 전송 속도는 최대 40 Mbps에서 1.2 Gbps까지 가능하고, upstream 전송 속도는 30-100 Mbps 범위일 수 있다.
  • HFC 네트워크에서 가정은 케이블과 광섬유를 통해 ISP(Internet Service Provider) 라우터에 연결된다. 
  • 이러한 접근 네트워크의 리소스는 가정들 사이에서 공유되며, 이 모든 것들은 케이블 헤드엔드(cable headend)로부터 관리된다.

Digital Subscriber Line (DSL)

디지털 가입자 회선(Digital Subscriber Line, DSL)은 기존의 전화선을 이용해서 고속 인터넷 접속을 제공하는 기술이다.

  • 데이터는 DSLAM(Digital Subscriber Line Access Multiplexer)이라는 장치를 통해 인터넷으로, 음성은 전화망으로 간다. 
  • 이렇게 하면 하나의 전화선을 통해 동시에 인터넷과 전화 서비스를 사용할 수 있게 된다.
  • downstream(인터넷으로부터 사용자로의 데이터 전송) 전송 속도는 24-52 Mbps 범위이고,
  • upstream(사용자로부터 인터넷으로의 데이터 전송) 속도는 3.5-16 Mbps 범위에 달한다.
  • 이런 속도들은 사용자에게 할당되므로 '전용'이라고 볼 수 있다.

ADSL

  • ADSL은 '비대칭 디지털 가입자 회선'을 의미한다.
  • 비대칭이라는 말은 다운로드와 업로드 속도가 서로 다르다는 것을 의미한다.
  • 일반적으로, 다운로드 속도가 업로드 속도보다 빠르며, 이는 대부분의 인터넷 사용자들이 데이터를 받아들이는 데에 더 많은 대역폭을 필요로 하기 때문이다.

VDSL

  • VDSL은 '매우 고속 디지털 가입자 회선'을 의미한다.
  • VDSL은 ADSL보다 훨씬 높은 데이터 전송 속도를 제공하며, 일반적으로 광섬유 네트워크와 함께 사용된다.
  • 그러나, 전송 거리가 짧아야 하며(일반적으로 몇 백 미터 내), 거리가 멀어질수록 전송 속도가 급격히 감소하는 단점이 있다.

Fiber to the Home (FTTH)

FTTH(Fiber to the Home)는 집으로의 광섬유 연결을 의미한다. 이 기술은 가정에서 중앙 사무소까지 광섬유 선을 사용하여 고속 인터넷 서비스를 제공한다.

  • 이론적으로, FTTH는 초당 기가비트 수준의 전송 속도를 제공할 수 있다. 
  • 이것은 전통적인 구리 기반 또는 케이블 네트워크보다 훨씬 빠른 속도로, 실시간 비디오 스트리밍, 고화질 텔레비전, 클라우드 게임 등 대용량 데이터 서비스에 이상적이다.
  • 그러나 실제로는 수십 또는 수백 메가비트 초당 전송 속도를 제공하는 경우가 많다. 
  • 이것은 여전히 다른 많은 형태의 접근 방식보다 빠르지만, 광섬유의 최대 가능한 전송 속도에 비하면 상대적으로 낮다.

Wireless Access Networks

Shared wireless access network connects end system to router

base station - "Access Point"

  1. Wireless Local Area Networks (WLANs)
    • 이것은 주로 짧은 거리(예: 집이나 사무실 내부)에서 고속 인터넷 접속을 제공하는 데 사용된다. (Mobility 좋지 않음)
    • 가장 대표적인 예가 Wi-Fi다. 
    • WLAN은 일반적으로 한 건물이나 작은 지역 내에서 동작하며, 사용자들이 이동성을 유지하면서 높은 속도의 데이터 전송을 할 수 있게 해준다.
  2. Wide-Area Cellular Access Networks
    • 이것은 훨씬 넓은 지역을 커버하기 위해 설계되었다. (Mobility 좋음)
    • 셀룰러 네트워크는 여러 개의 '셀'로 구성되어 있으며, 각 셀에는 하나의 기지국이 위치해 있다. 
    • 사용자가 움직일 때마다 서비스를 제공하는 셀이 변경되므로, 이동 중에도 연결성을 유지할 수 있다. 
    • 4G LTE와 5G 등의 모바일 데이터 서비스가 여기에 해당한다.

Physical Media

  1. Guided Media
    • 이들은 신호가 고체 매체(예: 구리, 광섬유, 동축 케이블)를 따라 전파되는 방식을 나타낸다. 
    • 신호의 경로가 정해져 있어서 '가이드'된다고 표현한다.
    • Coaxial Cable, Fiber Optic Cable, ...
  2. Unguided Media
    • 이들은 신호가 자유롭게 전파되는 방식을 나타낸다. 
    • 일반적으로 무선통신(예: 라디오)에서 사용된다.
    • Wireless Radio, Terrestrial Microwave, Wireless LAN(WiFi), Wide-Area, Satelite, ...

Network Core

Network Core

네트워크 코어는 네트워크의 중심부를 의미하며, 여러 개의 네트워크가 연결되어 전체적인 통신을 가능하게 하는 영역이다.

  • Interconnected Routers
  • Network of Networks

Packet-Switching

패킷 스위칭(Packet-Switching)은 데이터 통신에서 사용되는 방식 중 하나로, 호스트가 응용 계층의 메시지를 여러 패킷으로 분할하는 방식을 나타낸다.

이 패킷들은 소스(출발점)에서 목적지(도착점)까지의 경로상에 있는 라우터들을 통해 전달된다. 이 과정에서 각각의 패킷은 전체 링크 용량에서 전송된다.

따라서, 패킷 스위칭은 데이터를 작은 단위인 '패킷'으로 나누어 네트워크를 통해 전송하는 방식을 의미한다. 이렇게 하면 네트워크 자원을 효율적으로 활용하면서도 큰 데이터도 안정적으로 전송할 수 있다. (패킷은 최소 단위인 bit로 구성된다)

Host : 데이터 패킷 전송

  • Application 메시지 받기
  • 이 메시지를 L bits 길이의 더 작은 조각, 즉 패킷으로 분할
  • 이 패킷을 R의 전송 속도(transmission rate)로 액세스 네트워크에 전송
    • 여기서 링크 전송 속도는 링크 용량 또는 링크 대역폭이라고도 불린다. 
    • 이것은 특정 연결(링크)에서 한 번에 처리할 수 있는 데이터의 양을 나타내는 지표이다.

패킷 전송 소요 시간 = L(패킷의 총 bit 크기) / R(bit 전송량/초)

Store-and-Forward Transmission

  • 전송 지연(Transmission delay) :
    R bps의 링크에서 L-비트 패킷을 전송하는 데 필요한 시간이며, 이는 L/R 초로 계산된다.
  • 스토어 앤 포워드(Store and Forward) :
    패킷이 다음 링크로 전송되기 전에 라우터에 완전히 도착해야 하는 방식이다.
  • 종단 간 지연(End-end delay) :
    2L/R로 계산되며, 이는 전파 지연을 제외하고 계산한 것이다.
    여기서 전파 지연은 신호가 한 위치에서 다른 위치로 이동하는 데 걸리는 시간을 의미한다.
    • One-hop numerical example
      • L = 10 Kbits
      • R = 100 Mbps
      • One-hop transmission delay = 10 (Kbits)/100 (Mbps) = 0.1 msec

Queueing Delay, Loss

Packet Queueing delay와 Loss는 링크로의 Arrival Rate(비트/초)가 일정 시간 동안 링크의 Transmission Rate(비트/초)을 초과할 경우 발생하는 현상이다.

  • 패킷들은 출력 링크에서 전송될 차례를 기다리며 큐에 대기하게 된다.
  • 라우터의 메모리(버퍼)가 가득 차면 패킷들이 드롭되거나(손실되거나) 할 수 있다.

따라서, 이는 네트워크 트래픽이 많아져서 데이터를 처리하는 속도가 그 입력 속도보다 낮아질 때 발생하는 문제를 설명하고 있다.

Key Network-Core Functions

  1. Forwarding (Local Action)
    • 특정 패킷이 라우터의 입력 링크에서 출력 링크로 어떻게 이동하는지를 결정하는 과정이다. 
    • 이는 주로 라우터의 포워딩 테이블을 참조하여 수행된다.
  2. Routing (Global Action)
    • 네트워크 전체를 통해 패킷들이 어떤 경로를 따라 이동할 것인지 결정하는 과정이다. 
    • 이는 네트워크의 상태에 따라 동적으로 변경될 수 있으며, 이러한 결정은 일반적으로 라우팅 알고리즘에 의해 만들어진다.

따라서, 포워딩은 개별 패킷의 로컬 전송을 다루는 반면, 라우팅은 전체 네트워크 경로 선택 문제를 해결한다.

Circuit Switching

Circuit Switching: end-end resources allocated to, reserved for “call” between source and destination

  • 다이어그램에서, 각 링크는 네 개의 회로를 가지며, 통화는 상단 링크의 두 번째 회로와 오른쪽 링크의 첫 번째 회로를 얻게 된다.
    이렇게 할당된 자원들은 전용이며 공유되지 않는다.
  • 따라서 이 방식은 회로 같은(보장된) 성능을 제공한다. 만약 "Call"에 의해 사용되지 않으면, 회로 세그먼트는 유휴 상태가 되며(공유하지 않음), 이런 방식은 전통적인 전화(telephone) 네트워크에서 일반적으로 사용된다.
    • "통신 세션(communication session)이 유지되는 동안은" 두 end system 간 통신에 필요한 자원들(통신 링크, 버퍼 등)을 "점유"하는 방식. 전화 연결을 떠올려보자.
    • "점유"라는 특징이 패킷 스위칭과의 가장 큰 차이. - 어떤 자원이 점유중이라면, 이를 사용하고자 하는 다른 노드는 대기해야 한다.
    • circuit: connection for which the switches on the path between the sender and receiver maintain connection state for that connection x. "독점적으로 유지"
    • 한 링크 안에 여러 서킷이 들어있다.
    • 서킷 연결은 두 end system 간에 일정한 전송율을 보장한다

Frequency Division Multiplexing (FDM)

  • 광학 또는 전자기 주파수를 좁은 주파수 대역(fixed period)으로 나누는 방식이다. 
  • 각 Call들은 자신만의 대역을 할당받아 해당 좁은 대역의 최대 속도로 전송할 수 있다.

Time Division Multiplexing (TDM)

  • 시간을 슬롯으로 나누는 방식이다. 
  • 각 Call들은 주기적인 슬롯(fixed period)을 할당받아 (넓은) 주파수 대역의 최대 속도로 전송할 수 있지만,
    이는 자신의 시간 슬롯 동안에만 가능하다.

FDM(위) & TDM(아래)

Packet Switching VS Circuit Switching

Packet Switching이 더 많은 유저를 허용한다.

출처

Computer Networking: A Top-Down Approach 8th edition / Kurose, Ross / Pearson

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