CS/정보통신공학

[정보통신공학] CH09 교수님 요약 정리

rngPwns 2025. 5. 10. 19:56

WAN의 두 가지 기술

Circuit Switching (CS)

  • 등장 시기: 1876년경

Packet Switching (PS)

  • 등장 시기: 1970대 초부터 사용
  • 특징:
    • 완벽하게 수행될 수 없음
    • **시간 지연(time delay)**과 비트 오버헤드(bit overhead) 문제 발생

신뢰성 향상:

  • WAN은 두 호스트 간 여러 경로를 가짐
  • 예: Multi-homed customer ISP는 두 개 이상의 Provider ISPs에 연결됨

Terminologies (PS 기준으로 설명함)

Routing (라우팅)

  • 최종 호스트(destination host)에 도달하기 위한 경로를 찾아 다음 중간 노드를 계산하는 알고리즘 필요
  • 2계층 라우팅 프로토콜:
    • src와 dst가 같은 서브넷(subnet)에 연결되어 있는 경우
    • (즉, 둘 사이 경로에 라우터가 없는 경우)
  • 3계층 라우팅 프로토콜:
    • src와 dst가 다른 서브넷에 연결되어 있는 경우
    • (즉, 둘 사이 경로에 라우터가 있는 경우)
  • 라우팅 테이블:
    • 경로 계산 결과가 **라우팅 테이블(routing table)**에 저장되고,
    • 이것이 **포워딩 테이블(forwarding table)**로 사용됨

Forwarding (포워딩)

  • 중간 노드에 데이터가 전송된 시점에 발생하는 사건
  • **데이터의 최종 목적지(dst)**에 도달하기 위한 다음 중간 노드를 찾아 전송하는 과정
  • 2계층 장비(L2-switch or Bridge):
    • 데이터의 **최종 목적지(dst)**의 2계층 주소를 키로
    • 포워딩 테이블(forwarding table) 조회하여 output port 찾음
  • 3계층 장비(라우터):
    • 데이터의 **최종 목적지(dst)**의 3계층 주소를 키로
    • 포워딩 테이블(forwarding table) 조회하여 output port 찾음

Switching 종류

Physical layer (Layer 1) Switching 또는 Hardware-oriented switching

  • 동작:
    • incoming port에서 outgoing port로 **신호(bit)**가 이동
    • 비트로 변경되어 처리(decision)하는 과정이 없음
  • 예시:
    • CS의 데이터 전송(data transfer)
    • WAN의 리피터(repeater)/증폭기(amplifier)
    • LAN의 허브(hub)

Data link layer (Layer 2) Switching 또는 Software-oriented switching

  • 동작:
    • incoming port에서 outgoing port로 **데이터(frame)**가 이동
    • 비트로 변경되어 처리(decision)하는 과정이 포함됨
  • 예시:
    • LAN의 L2-switch
    • WAN의 라우터

Circuit Switching 동작 과정 (3단계)

(1) Circuit Establishment (회선 설정)

  • Out-of-band signaling:
    • 제어 메시지를 전송하기 위한 별도의 채널이 있음
  • 지연 요소:
    • 각 교환기마다 Transmission delay, Processing delay, Propagation delay가 소요됨
    • 제어 메시지(control message)(전화번호 포함) 전송 시 작은 전송 지연(small Transmission delay) 발생
  • Routing 및 채널 할당:
    • Processing delay가 발생하며, 고정 대역폭(4kbps)으로 할당됨
  • 콜 수락 시:
    • 수신 단말기에서 **"connected signal"**이 설정된 경로를 통해 송신 단말기로 전달
    • **물리 계층(physical layer)**만 관여하며, 중간 교환기에서 소프트웨어 개입 없음
    • End-to-End (e2e) Propagation Delay만 소요됨

(2) User Data Delivery (데이터 전달)

  • Transparent transfer:
    • 두 호스트 간 데이터가 변형 없이 전송됨
    • 송신 단말기가 전송한 형식 그대로 수신 단말기가 수신
  • 메시지 분할 불필요:
    • 데이터 전송 지연은 송신 스테이션(host)에서 한 번만 발생
    • 중간 노드에서 신호 → 비트 → 신호 변환이 없어 처리 지연 없음
  • 대기 지연 없음:
    • 자원(channel)이 미리 확보되어 있어 패킷 스위칭의 버퍼가 필요 없음
  • End-to-End 전파 지연(e2e propagation delay):
    • 교환기는 신호 중계(signal relay) 역할만 수행
    • **송신 단말기의 송신기(transmitter)**를 출발한 신호를 **수신 단말기(receiver)**에서 복원
  • 고정 속도 보장:
    • 고정 및 일정한 데이터 속도와 순차 전달이 연결 중 보장됨

(3) Call Disconnection (통신 종료)

  • Disconnect signal:
    • 통신을 종료한 단말기로부터 disconnect signal(메시지가 아님)이 교환기를 거쳐 전송됨
  • 자원 할당 해제:
    • **1계층(Physical Layer)**에서 이루어지며, 소프트웨어 처리 없음
  • 지연 없음:
    • **처리 지연(Processing delay)**이나 전송 지연(Transmission delay) 발생하지 않음
  • End-to-End 전파 지연:
    • 단순히 신호를 전달하는 역할만 수행
    • 교환기 자체에서 추가 지연 없음

결론

  • Circuit Switching (CS):
    • 고정 대역폭 보장과 연결형 전송에 적합
    • 고정 속도와 순차 데이터 전송 보장하여 전화 통신에 최적화
  • Packet Switching (PS):
    • 데이터를 작은 패킷으로 나눠 전송하여 유연성과 효율성 증가
    • **시간 지연(time delay)**과 비트 오버헤드(bit overhead) 문제 발생
  • Forwarding 차이점:
    • CS는 고정 경로를 사용
    • PS는 유동 경로를 사용
  • Switching 종류:
    • Layer 1 (Hardware-oriented)
    • Layer 2 (Software-oriented)
  • 회선 교환 동작:
    • 설정 → 데이터 전달 → 종료
    • 중간 노드에서는 소프트웨어 처리 없음
    • 연결된 동안 일관된 데이터 속도와 순서 보장

History of Early Data Communication in Korea

PC통신 (~56kbps)

  • 초기 데이터 통신 방식
  • 전화선을 이용하여 데이터를 전송
  • 최대 속도: 56kbps

ISDN (Integrated Service Digital Network) (64kbps ~ 128kbps)

  • 음성, 데이터, 영상 등 다양한 서비스를 하나의 디지털 네트워크로 통합
  • 64kbps의 기본 속도를 제공하며, 두 채널을 동시에 사용하면 128kbps 가능

xDSL (Digital Subscriber Line) (64kbps ~ 300Mbps (VDSL))

  • 전화선을 이용한 고속 데이터 전송 기술
  • ADSL (Asymmetric DSL): 비대칭 전송 속도 제공
  • VDSL (Very-high-bit-rate DSL): 대칭/비대칭 전송 속도 제공
  • 최대 속도: 300Mbps (VDSL 기준)

Components of Circuit Switching (CS)

1. Telecom Components

  • Subscribers (가입자): 네트워크를 사용하는 사용자
  • Subscriber Line (가입자선): 사용자와 교환기 사이를 연결하는 물리적 회선
  • Exchanges (교환기): 가입자 간 연결을 관리하고 설정하는 장비
  • Trunks (중계선): 교환기 간 대용량 데이터를 전송하는 고속 회선

2. Multiplexing (다중화)

  • 하나의 물리적 링크를 여러 논리 채널로 나눠 사용
  • FDM (Frequency Division Multiplexing):
    • 초기 방식으로 주파수 대역을 나눠 다중화
  • TDM (Time Division Multiplexing):
    • 시간대를 나눠 다중화
    • 트렁크 회선에서 사용됨

Synchronous TDM (동기식 시분할 다중화)

1. 기본 개념

  • 동작 원리:
    • R bps의 출력 링크를 **n 개의 입력 채널(users)**이 시간대별로 나눠 사용하는 방식
  • Frame 구성:
    • n개의 입력 채널에서 전송된 다중 신호 데이터를 s-bit씩 모아 하나의 frame으로 생성
    • 복합된 신호를 하나의 output link로 전송
  • Time Slot:
    • 한 개의 frame에서 각 채널(user)이 전송되는 위치(순서)를 의미
    • 크기를 bit 단위로 표현함
  • 예:
    • T1 회선:
      • 24개의 8-bit time slot으로 구성된 192bit frame 사용
  • Frame 전송 속도:
    • 초당 Y개의 frame을 전송하는 경우, 각 입력 채널이 시간대별로 나눠 사용하는 효과를 가짐

2. Required Bandwidth Calculation

대역폭 공식:

R≥(Frame rate)×(Number of slots per frame)×(Bits per slot)R \geq (\text{Frame rate}) \times (\text{Number of slots per frame}) \times (\text{Bits per slot})

  • Frame Rate: 초당 몇 개의 frame을 전송하는가 (frames/sec)
  • Number of Slots per Frame: 한 개 frame에 포함된 채널 또는 사용자 데이터 수
  • Bits per Slot: 한 개 time slot에 포함된 각 채널의 비트 개수

Q&A: Calculation Examples

Q1) Transmission Rate Calculation

  • Q:
    • 어떤 링크에 X bps 논리 채널 n개를 sync. TDM으로 MUX 한다면 이 링크의 전송 속도 R은?
  • A:
    • X bps 채널을 동시에 n개 사용할 수 있으므로:

R=X×n bpsR = X \times n \, \text{bps}

Q2) Frame Rate Calculation

  • Q:
    • Q1에서 1 time slot이 s-bits 크기라면 frame rate은?
  • A:
    • Frame Size:

Frame size=n×s bits/frame\text{Frame size} = n \times s \, \text{bits/frame}

  • Frame Rate:

Frame rate=(n×X)(n×s)=Xs frames/sec\text{Frame rate} = \frac{(n \times X)}{(n \times s)} = \frac{X}{s} \, \text{frames/sec}

Q3) Minimum Bandwidth Calculation

  • Q:
    • 어떤 Circuit Switching 망에서 output channel에서 필요한 최소 대역폭 R bps를 계산하려고 한다.
    • 이 output link가 4개의 250 bit time slot으로 구성된 frame을 초당 16개 전송하고 있다면 이 링크의 대역폭 R 값은?
  • A:

R=(16 frames/sec)×(4 time-slots/frame)×(250 bits/time-slot)R = (16 \, \text{frames/sec}) \times (4 \, \text{time-slots/frame}) \times (250 \, \text{bits/time-slot}) R=16×4×250=16,000 bps=16 kbpsR = 16 \times 4 \times 250 = 16,000 \, \text{bps} = 16 \, \text{kbps}

결론

  • 한국 데이터 통신 초기 역사:
    • **PC통신 (~56kbps) → ISDN (~128kbps) → xDSL (~300Mbps)**로 발전
  • 회선 교환(CS) 특징:
    • 고정된 대역폭을 보장하여 전화 통신에 적합
  • TDM을 통한 다중화:
    • 시간대별로 나눠 다수의 사용자 데이터를 한 링크로 전송
  • 대역폭 계산:
    • Frame Rate, Number of Slots per Frame, Bits per Slot을 고려하여 대역폭을 계산함
  • 회선 교환망에서의 대역폭:
    • 여러 사용자 데이터를 동시에 전송할 수 있는 링크의 대역폭은 **사용자 수(n)**와 **데이터 속도(X)**의 곱으로 계산됨

 

한국 데이터 통신 초기 역사

PC통신 (~56kbps)

  • 전화선을 이용한 초기 데이터 통신 방식
  • 최대 속도: 56kbps

ISDN (Integrated Service Digital Network) (~128kbps)

  • 음성, 데이터, 영상 등 다양한 서비스를 하나로 통합한 디지털 네트워크
  • 기본 속도: 64kbps
  • 두 채널을 동시에 사용하여 128kbps 가능

ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line) (~24Mbps)

  • 전화선을 이용하여 고속 인터넷 서비스를 제공하는 비대칭 디지털 가입자 회선
  • 다운로드 속도: 최대 24Mbps
  • 업로드 속도: 상대적으로 낮음

VDSL (Very-high-bit-rate Digital Subscriber Line) (~300Mbps)

  • 전화선을 이용한 초고속 인터넷 서비스
  • 대칭형 또는 비대칭형 속도 제공
  • 최대 속도: 300Mbps

FTTH (Fiber To The Home) (~1Gbps)

  • 광섬유를 이용하여 가정까지 초고속 인터넷을 직접 연결
  • 최대 속도: 1Gbps

회선 교환(CS)의 구성 요소

통신 구성 요소 (Telecom Components)

  • 가입자 (Subscribers): 네트워크를 사용하는 사용자
  • 가입자선 (Subscriber line): 사용자와 교환기 사이를 연결하는 물리적 회선
  • 교환기 (Exchanges): 가입자 간 연결을 설정하고 관리하는 장비
  • 중계선 (Trunks): 교환기 간 대용량 데이터를 전송하는 고속 회선

다중화 (Multiplexing)

  • 하나의 물리적 링크를 여러 논리 채널로 나눠 사용하는 기술
  • FDM (Frequency Division Multiplexing): 초기에는 주파수 대역을 나눠 채널 할당
  • TDM (Time Division Multiplexing): 트렁크 회선에서 사용하며, 시간대별로 나눠 데이터를 전송

동기식 시분할 다중화 (Synchronous TDM)

기본 개념

  • R bps의 출력 링크를 n 개의 입력 채널(사용자)들이 시간대별로 나눠 사용하는 방식
  • n개의 입력 채널(사용자)에서 전송된 다중 신호 데이터를 s-bit씩 모아 하나의 프레임(frame)으로 구성하여, 하나의 복합된 신호로 만들어져 출력 링크로 전송됨
  • 타임 슬롯 (Time Slot):
    • 한 개의 프레임에서 각 채널(사용자)이 전송되는 위치(순서)를 의미하며 그 크기를 비트(bit)로 표현함
    • 예: T1 회선은 24개의 8-bit 타임 슬롯으로 구성된 192비트 프레임을 사용함
  • 출력 링크가 초당 Y 개의 프레임을 전송한다면 (프레임 전송 속도 = Y frames/sec),
    • 결과적으로 출력 링크의 대역폭을 각 입력 채널(사용자)들이 시간대별로 나눠 사용하는 효과가 있음

출력 링크의 필요한 대역폭 (Required Bandwidth, R)

R≥(프레임 전송 속도)×(프레임 당 슬롯 수)×(슬롯 당 비트 수)R \geq (\text{프레임 전송 속도}) \times (\text{프레임 당 슬롯 수}) \times (\text{슬롯 당 비트 수})

  • 프레임 전송 속도 (Frame Rate): 초당 몇 개의 프레임을 전송하는가 (frames/sec)
  • 프레임 당 슬롯 수 (Number of Slots per Frame): 한 개 프레임에 몇 개의 채널 또는 사용자의 데이터가 포함되는가
  • 슬롯 당 비트 수 (Bits per Slot): 한 개 타임 슬롯에 포함되는 각 채널의 비트 개수

Q&A: 계산 예제

Q1) 전송 속도 계산

  • 질문: X bps 논리 채널 n개를 동기식 시분할 다중화(Sync. TDM)로 다중화(MUX) 한다면 이 링크의 전송 속도 R은?
  • 답변:

R=X×n bpsR = X \times n \, \text{bps}

  • X bps 채널을 동시에 n개 사용할 수 있으므로

Q2) 프레임 전송 속도 계산

  • 질문: Q1에서 1 타임 슬롯이 s-비트 크기라면 프레임 전송 속도는?
  • 답변:

프레임 크기=n×s bits/frame\text{프레임 크기} = n \times s \, \text{bits/frame} 프레임 전송 속도=(n×X)(n×s)=Xs frames/sec\text{프레임 전송 속도} = \frac{(n \times X)}{(n \times s)} = \frac{X}{s} \, \text{frames/sec}

Q3) 대역폭 계산

  • 질문: 어떤 회선 교환 망에서 출력 채널에서 필요한 최소 대역폭 R bps를 계산하려고 한다.
  • 이 출력 링크가 4개의 250비트 타임 슬롯으로 구성된 프레임을 초당 16개 전송하고 있다면 이 링크의 대역폭 R 값은?
  • 답변:

R=(16 frames/sec)×(4 time-slots/frame)×(250 bits/time-slot)R = (16 \, \text{frames/sec}) \times (4 \, \text{time-slots/frame}) \times (250 \, \text{bits/time-slot}) R=16×4×250=16,000 bps=16 kbpsR = 16 \times 4 \times 250 = 16,000 \, \text{bps} = 16 \, \text{kbps}

소프트스위치 (Softswitch)

  • **회선 교환 기술(Circuit Switching Technology)**에서는
    • **콜 설정 (Call set-up, S/W)**과 **신호 스위칭 (Signal Switching, H/W)**이 통합되어 전용 하드웨어에서 실행됨
  • **소프트스위칭 (Softswitching)**에서는
    • 제어 소프트웨어(MGC)와 스위칭 하드웨어(MG)가 분리되어
    • 인터넷에 연결된 범용 컴퓨터에서 실행됨
  • **따라서, VoIP (Voice over IP)**와 같은 스마트폰 소프트웨어를 Softswitching 기술을 이용하여 개발할 수 있음
  • **2000년대 초반에 등장한 인터넷 전화기 (IP 폰)**의 시작이 이 소프트스위치(소프트웨어로 스위칭한다 즉 패킷 스위칭 망에서의 스위칭을 의미함) 기술로 시작되어
    • Skype, 카카오 보이스/화상 통화 등으로 연결됨
  • 즉, **회선 교환 망(CS 망)**의 전유물이던 음성 서비스를 **패킷 스위칭 망(PS 망)**에서 제공하기 위해 등장한 기술임

왜 패킷인가? (Why Packet?)

  • 효율적인 오류 복구 (Efficient error recovery): 오류가 있는 패킷만 재전송
  • **파이프라이닝(pipelining)**으로 인한 낮은 종단 간 지연 (Low end-to-end delay)
  • 패킷 스위칭(PS) 설계 동기: 회선 교환(CS)의 비효율성
    • 특히 인터넷 트래픽 패턴이 **불규칙적(Intermittent)**이고 **버스트성(Bursty)**인 경우

가상 회선 (Virtual Circuit, VC) 두 가지 유형

External VC (외부 가상 회선)

  • 두 호스트 간의 논리적 통신 링크 (예: TCP 세션)
  • 데이터그램 스타일의 네트워크에서도 외부 VC 서비스를 사용할 수 있음
  • 경유하는 중간 노드에 아무런 흔적도 남기지 않음

Internal VC (내부 가상 회선)

  • 중간 노드를 경유하는 종단 간 경로를 사전에 계획하여 설정
  • (예: ATM)
  • 경유하는 중간 노드들이 양 끝 호스트의 존재를 알고, VCID (Virtual Circuit ID) 값을 설정함

패킷 스위칭의 기본 동작 (Packet Switching: DPS & VCPS)

기본 동작: Store-and-Forward

  1. 패킷 저장:
    • 전체 프레임(패킷)을 라우터의 입력 버퍼에 저장
  2. 전달 경로 찾기:
    • Forwarding Information Bases (FIB) 테이블을 조회하여
    • 패킷 헤더의 목적지 IP 주소 (DPS) 또는 **L2-헤더의 VCID (VCPS)**를 기반으로 출력 포트를 찾음 (A. 처리 지연 (Processing delay))
  3. 패킷 스위칭:
    • 입력 버퍼에서 출력 포트의 출력 버퍼로 패킷을 이동 (B. 대기 지연 (Queuing delay))
  4. 패킷 전송:
    • 출력 포트에서 패킷을 전송 (C. 전송 지연 (Transmission delay))
  5. 다음 노드로 전달:
    • 라우터/교환기 또는 목적지로 전송 (D. 전파 지연 (Propagation delay))

패킷 스위칭의 네 가지 지연 요소 (DPS 및 VCPS)

  • A → B → C → D 순서로 발생

DPS (Datagram Packet Switching) 동작

  1. 메시지 분할:
    • 송신자가 하나의 메시지를 여러 작은 패킷으로 나눔
  2. 독립적 라우팅:
    • 각 패킷이 중간 노드에서 개별적으로 경로 설정됨 (상태 비저장 라우터, stateless router)
    • IP 라우터는 동일한 소스 호스트에서 온 패킷인지 인식하지 못함
    • Out-of-order delivery와 end-to-end QoS 보장 어려움
  3. 데이터 전송 중 라우팅:
    • 각 패킷마다 라우팅 테이블 조회를 수행
    • 네트워크 상황(토폴로지 변화, 네트워크 혼잡)에 따라 동일한 소스에서 출발한 패킷이 다른 출력 포트로 전달될 수 있음
    • 라우터들이 **동적 라우팅 (dynamic routing)**을 수행하여 유연성 증가
  4. 신뢰성 보장을 위한 추가 프로토콜 필요:
    • 순서가 뒤섞인 패킷을 원래 순서로 복원하는 프로토콜이 필요함
    • 송신자의 TCP가 나눈 패킷을 수신자의 TCP가 순서대로 다시 조립함
    • 2계층 ARQ에서도 재정렬(re-ordering)을 하지만, 이는 한 홉 간격에서만 이루어져 종단 간 정렬을 보장하지 않음

VCPS (Virtual Circuit Packet Switching) 동작

  1. 경로 설정 (Call Set-Up):
    • 데이터 전송 전에 종단 간 경로를 사전에 설정함
    • 중간 네트워크 노드에서 라우팅이 수행되며, 두 호스트 간의 경로가 고정됨
    • 각 중간 노드는 상태를 저장함 (상태 저장 중간 노드, stateful intermediate nodes)
  2. 데이터 전송:
    • 경로가 고정되어 있어 데이터 전송 중 경로 변경이 없음
    • 네트워크 혼잡이나 링크/포트/라우터 장애로 인해 경로 변경이 어려움
    • 불안정한 네트워크에서는 대용량 파일 전송 중 경로가 끊길 위험 있음
  3. 데이터 속도 수용:
    • 호스트에서 다양한 데이터 속도 수용 가능
    • 메시지를 작은 패킷으로 나누어 중간 버퍼를 이용하기 때문
  4. 연결 해제:
    • CS와 달리 Disconnect 메시지를 사용하여 연결 해제
    • 이 과정에서도 Processing, Queuing, Transmission, Propagation delay가 발생

FR과 ATM의 특징은 CS 또는 PS에 속하는가?

  • ATM은 패킷 스위칭 기술이며, 회선 교환이 아님
  • FR과 ATM의 차이점:
    • FR (Frame Relay): 데이터 프레임 단위로 전송
    • ATM (Asynchronous Transfer Mode): 고정 크기의 셀로 전송

MPLS (Multiple Protocol Label Switching)

  • IP 주소 기반 라우팅과 빠른 레이어 2 (레이블) 스위칭 기술
  • DPS처럼: 3계층 라우팅 프로토콜 (예: OSPF, BGP)을 사용하여 경로 설정
  • VCPS처럼: 데이터 전송 전에 경로를 설정하고, 그 결과를 2계층 헤더에 저장하여 고속 전송을 구현

패킷 크기와 종단 간 지연 (e2e Latency) 관계

  • 메시지 크기를 작은 패킷으로 나누면:
    • 종단 간 전송 시간이 줄어듦
  • 하지만, 너무 작은 패킷 사용 시:
    • 각 패킷에 헤더가 추가되어 헤더 오버헤드로 인해 전송 시간이 증가

패킷 스위칭 (PS)의 회선 교환 (CS) 대비 장점

  1. 라인 효율성(Line Efficiency)
    • CS는 미리 설정된 대역폭을 각 사용자에게 고정 제공
    • PS는 가용 링크 자원을 유연하게 활용하여 효율적 사용 가능
  2. 다양한 데이터 속도 지원
    • CS는 고정된 데이터 속도만 지원
    • PS는 다양한 데이터 속도로 전송 가능
  3. 망 혼잡 시에도 전송 가능
    • PS는 혼잡 상황에서도 전송 시작 가능
    • TCP 같은 프로토콜이 지연시킬 수 있으나 통신 중단은 아님
  4. 우선순위 구현 가능
    • PS는 버퍼 관리 알고리즘으로 사용자가 차별적인 QoS를 받을 수 있음
    • CS는 고정된 QoS만 제공