컴퓨터 통신(CC) Lecture Note #1

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이 포스트는 「Computer Networks: A System Approach , By L.Peterson , 5th, 2011」 을 참고하여 작성했습니다.

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What we will Learn?

• 통신의 개념
• 유무선 집적 연결 / LAN
• 패킷 네트워킹
• 인터넷 기초
• 호스트/단말 통신 시스템

네트워크를 보는 관점에는 세가지가 있다.

1. 네트워크 사용자 관점 : 통신 응용이 필요로 하는 서비스를 제작(이용)한다. 내부 동작원리에 대해 깊이 알 필요가 없다.(ex. 보낸 메시지가 오류 없이 정해진 시간 안에 전달되는 것을 원한다.)

2. 네트워크 설계자 관점 : 네트워크 자원들이 효율적으로 이용되며 각각의 사용자에게 공평하게 할당되도록 효율적인 설계를 해야 한다.

3. 네트워크 제공자 관점 : 네트워크 통신 장애를 처리하며 운영 및 관리가 용이하게 해야 한다. 네트워크를 제공하기 위해서는 기본적인 설계 지식이 갖춰져 있어야 한다.

일반적인 컴퓨터 전공자는 '네트워크 사용자 관점'에서 컴퓨터 통신/컴퓨터 네트워크 를 배우게 된다.
컴퓨터 통신을 응용하여 여러 응용프로그램들을 개발하기 위해서는 기본적인 컴퓨터 통신 지식이 필요하다.
신호 및 하드웨어에 관해 자세히 알 필요는 없으나 네트워크 기술 발전 추세를 이해하고 구현 가능한 기술 여부를 판단할 수 있는 능력은 반드시 필요하다.

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Chapter 1. 기본 개념

요구 사항1
(네트워크에 대한 기능적 정의)

●연결(Connectivity)

통신의 첫 단계는 통신 주체들을 연결하는 것이다. 따라서 통신망이 해야 하는 제1 업무는 연결이다.
통신 주체란 전화기, 단말기 등을 말한다. 연결 방법에는 유선 연결, 무선 연결이 존재한다.

물리적 연결 제공을 위한 통신망의 구성 요소에는 노드와 링크가 있다.
노드(nodes) : 단말기, 범용 워크스테이션, 라우터 등
링크(links) : 동축케이블, 광케이블 , 무선채널 등
노드는 망 안에서의 스위칭 등 active 한 역할을 하며 링크는 노드 간 신호 전달 역할을 한다.

연결에는 집적 연결(Direct Links)과 간접 연결(Switced Networking)하는 방법이 있다.

집적 연결에는 점대점 연결(point to point)과 다중 접근(multiple access)이 있다.

점대점 연결은 가장 간단한 네트워크이며 노드를 하나의 링크로 연결한다. 가장 간단하지만 노드의 수가 많을수록 비용은 증가하게 된다.

다중 접근은 하나의 링크를 사용하여 여러 노드를 연결한다. LAN이 이와 같은 형태이다. 다만 하나의 링크를 사용하므로 데이터를 관리하는 별도의 관리가 필요한 형태이다.

 

간접 연결에는 스위칭 네트워크(switching networks)와 인터네트워킹(internetworks)이 있다.

스위칭 네트워크는 통신망에 있는 중계역할을 수행하는 노드들에 의해 전송이 이루어진다.
중계 노드들은 신호 증폭, 스위칭 등의 역할을 하여 단말 간 거리가 먼 통신도 가능하게 한다.
스위칭 네트워크 역시 크게 보면 결국 링크와 노드의 점대점 연결로 이루어져 있음을 볼 수 있다.

스위칭 네트워크

인터네트워킹은 독립적인 서로 다른 네트워크망의 통신을 가능하게 한다.
실제 현실세계가 이렇게 이루어져 있다. 각각의 통신망이 존재하고 서로 다른 네트워크에 접근하기 위해 통신망끼리의 보완 역할을 하는 노드가 필요하다. 통신망 역시 크게 보면 하나의 노드로 볼 수 있고 이것 역시 링크와 노드로 이루어져 있음을 볼 수 있다.

인터네트워킹(Network of Network)

 

간접 연결을 하는 방법에는 회선 스위칭 정책(circuit switching)과 패킷 스위칭 정책(packet switching)이 존재한다.

회선 스위칭 방법의 대표적 예로는 전화 네트워크가 있으며 스위치가 사전에 전용 회선을 확보하여 전용 회선을 통해 비트스트림을 중단/간섭 없이 송/수신한다. 기본적으로 점대 점 연결이다.
회선 스위칭은 사전에 연결 작업을 해두면 끊김 없이 그 회선을 통해 통신을 가능하게 하는 장점이 있지만 통신이 없을 때 회선을 낭비할 수 있는 가능성이 있다.

패킷 스위칭 방법의 대표적 예로는 인터넷(bursty)이 있다. 인터넷은 필요에 따라 데이터를 송/수신하는 구조이므로 전용회선을 사용하면 회선을 낭비하게 될 가능성이 있다. 따라서 이때 패킷 스위칭을 사용한다. 패킷 스위칭은 데이터를 묶어 패킷단위로 전송한다.(매번 주소 확인 후 전송) 각각의 스위치는 store-and-forward 작업을 수행하여 데이터를 전송한다. bursty traffic에 적합한 스위칭 정책은 패킷 스위칭 정책이다.

 

●어드레싱(Addressing) 및 라우팅(Routing)

어드레싱은 상대방을 지정 즉 ID(주소)를 지정하는 과정이다. 주소는 노드를 식별하는 바이트 열이며 대개 Unique 하다.
주소의 종류에는 유니캐스트(unicast), 브로드캐스트(broadcast), 멀티캐스트(multicast)가 있다.

유니캐스트는 특정 노드를 지정하여 연결하는 형태이다.
브로드캐스트는 네트워크의 모든 노드에 연결한다.(전체에 뿌린다. 방송국에서 전체 사용자에게 연결을 뿌리고 필요한 사용자만 그 연결을 잡아 볼 수 있게 하는 구조를 생각하면 된다.)
멀티캐스트는 네트워크의 일부 노드 집합을 지정하여 연결하는 형태이다.

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요구사항 2
(자원의 효율적 공유)

●효율적 자원 공유(Resource Sharing)

네트워크 자원이 무한하지 않기에 여러 사용자들이 네트워크 자원(노드 및 링크)을 공유하도록 해야 한다.
이를 통신 용어로는 다중화(multiplexing)이라고 한다.

다중화(multiplescing) 3 in 1 out

 

위 그림은 L1, L2, L3노드에서 Switch1을 통해 트래픽을 공유하게 하여 하나의 노드로 전송 후 Switch2를 통해 다시 R1, R2, R3노드에 나눠주는 작업을 수행하는 그림이다. 이처럼 여러 노드로부터 오는 데이터를 하나의 링크를 통해 전송하게 하는 정책을 다중화 정책이라고 한다.
여러 노드의 데이터를 하나로 묶어주는 역할을 하는 것을 MUX라 하고 나눠주는 역할을 하는것을 DEMUX라고 한다.

 

흔히 사용되는 다중화 정책에는 주파수 분할 다중화(Frequency-Division Multiplexing : FDM)와 시분할 다중화(Time-Division Multiplexing : TDM)가 있다.

주파수분할 다중화(FDM)는 주파수에 따라 input을 구분하여 전송하게 한다. 즉 하나의 파이프 내에 작은 파이프들이 서로 다른 주파수를 사용하여 독립적으로 존재한다고 생각하면 된다. 

FDM

 

시분할 다중화(TDM)에는 동기식(Synchronous) 다중화와 통계적(Statistical) 다중화가 존재한다.

동기식 다중화는 균일하게 시간을 쪼개어 각각의 시간에 보낼 input을 규정한다.

동기식 다중화

통계적 다중화는 고정적으로 시간을 쪼개지 않고 요구에 따른 분할을 한다.(비동기식 다중화)
동기식 분할에 생기는 잉여자원의 문제를 해결할 수 있다.

이론적으로 FDM과 TDM은 큰 차이가 없지만 실제는 그렇지 않다.
FDM을 사용하게 하면 각 파이프(주파수) 간의 공간이 필요하며 이로 인해 혼선이 일어날 수 있다.
그렇기에 일반적으로는 FDM보단 TDM이 효율적인 다중화 정책이다.

FDM과 TDM

 

Lecture Note#2에 이어서 계속..