[정보통신공학] 연습문제 ch09
Chapter 9 - Review Questions
(9-1) Why is it useful to have more than one possible path through a network for each pair of stations?
네트워크에서 각 스테이션 쌍(pair of stations)마다 가능한 경로가 여러 개 있는 것이 유용한 이유는, 특정 경로에 장애가 발생했을 경우를 대비해 신뢰성(reliability)을 높일 수 있기 때문이다. **가능한 경로(possible path)**가 많을수록 더 안정적인 통신이 가능하다.
(9-2) What are the four generic architectural components of a PSTN?
PSTN(Public Switched Telephone Network, 공중전화망)의 기본 구성요소는 다음과 같다.
- Subscribers (가입자): 네트워크에 연결된 장치들. 예를 들어 전화기, 모뎀 등이 있다.
- Subscriber line (가입자 회선): 가입자와 네트워크를 연결하는 회선이다.
- Exchanges (교환기): 통화를 연결해주는 네트워크 내 스위칭 센터이다.
- Trunks (중계 회선): 교환기들 간을 연결하는 고속 회선으로, FDM(Frequency Division Multiplexing, 주파수 분할 다중화) 또는 TDM(Time Division Multiplexing, 시분할 다중화) 방식으로 여러 통화를 동시에 전달한다.
(9-3) What is the principle application that has driven the design of circuit-switched networks?
회선 교환 네트워크(circuit-switched network)의 설계를 이끈 대표적인 응용 사례는 **전화 통신(Telephone communications)**이다.
(9-4) What are the advantages of packet switching compared to circuit switching?
패킷 교환(packet switching)이 회선 교환보다 가지는 주요 장점은 다음과 같다.
- Line efficiency is greater (회선 효율이 높다)
하나의 링크(node-to-node link)를 시간적으로 여러 패킷이 공유하므로, 자원을 더 효율적으로 사용할 수 있다. - Can perform data-rate conversion (데이터 전송률 변환이 가능하다)
서로 다른 전송 속도를 가지는 장치들 간에도, 각자의 속도에 맞게 패킷을 주고받을 수 있다. - When traffic becomes heavy, packets are still accepted (트래픽이 몰려도 패킷은 수용된다)
회선 교환에서는 통화 요청이 거절되지만, 패킷 교환에서는 단지 지연(delay)이 증가할 뿐, 데이터는 계속 수신된다. - Priorities can be used (우선순위 설정이 가능하다)
중요도가 높은 패킷을 먼저 전송할 수 있어, 높은 우선순위를 가진 패킷은 더 적은 지연으로 전달된다.
(9-5) Explain the difference between datagram and virtual circuit operation.
데이터그램 방식(datagram)과 가상 회선 방식(virtual circuit)의 차이는 다음과 같다.
- Datagram (데이터그램)
각 패킷은 이전 패킷과 관계없이 독립적으로(independently) 처리되며, 경로도 패킷마다 달라질 수 있다. - Virtual Circuit (가상 회선)
패킷을 전송하기 전에 **사전 정의된 경로(preplanned route)**를 설정하며, 이후 모든 패킷은 동일한 경로를 따라 전달된다.
(9-6) What is the significance of packet size in a packet-switching network?
패킷 교환 네트워크에서 패킷 크기는 전송 시간과 밀접한 관계가 있다.
작은 패킷을 사용할수록 파이프라이닝(pipelining: 전체 처리속도를 높이기 위한 병렬 연산) 효과가 향상되어 효율적이지만, 패킷이 너무 작으면 헤더 오버헤드가 커져 오히려 비효율적이 된다.
(9-7) What types of delay occur in a packet-switching network during data delivery, but not in a circuit-switched network?
회선 교환에는 없지만, 패킷 교환 중 데이터 전송 시 발생하는 지연은 다음과 같다.
- Processing delay (처리 지연): 헤더 처리 및 라우팅 결정
- Queueing delay (대기 지연): 출력 버퍼에서 대기하는 시간
- Transmission delay (전송 지연): 데이터를 실제 전송하는 데 걸리는 시간
(9-8) What is the principle difference in the architecture of a soft-switch compared to that of a traditional circuit switch?
소프트 스위치(soft-switch)는 전용 하드웨어(proprietary hardware) 위에서 동작하는 것이 아니라, 범용 하드웨어(generalized-purpose hardware) 위에서 소프트웨어로 구현된다는 점이 기존 회선 교환기와의 주요 차이점이다.
Chapter 9 - Problems
(9-1)
Consider a simple telephone network consisting of two end offices and one intermediate switch with a 1-MHz full-duplex trunk between each end office and the intermediate switch.
가정: 두 개의 종단 교환국(end office)과 하나의 중간 스위치(intermediate switch)가 있고, 각 종단 교환국과 중간 스위치 사이에는 1MHz의 전이중(full-duplex) 트렁크(trunk)가 연결되어 있다.
- Voice call(음성 통화) 당 4kHz 채널 사용
- 전화기는 8시간 근무 시간 동안 평균 4번 통화
- 평균 통화 시간은 6분
- 전체 통화의 10%가 장거리 통화(long distance call)
문제: 한 end office가 지원할 수 있는 최대 장거리 전화기의 수는 얼마인가?
풀이 단계
① 1명의 전화기가 시간당 사용하는 장거리 통화량 계산
- 전화기 1대는 8시간 동안 4회 통화 → 시간당 0.5회
- 그 중 10%가 장거리 → 시간당 0.05회 장거리 통화
- 한 통화가 6분이므로 → 0.05 × 6 = 0.3분/시간
→ 즉, 전화기 1대는 시간당 평균 0.3분 동안만 장거리 채널을 사용한다.
② 한 채널을 공유할 수 있는 전화기 수 계산
- 한 채널은 60분/0.3분 = 200명의 전화기가 동시에 사용 가능함
③ 1-MHz 트렁크에 들어갈 수 있는 채널 수
- 한 음성 통화에 4kHz 필요 → 1MHz / 4kHz = 250 채널
④ 총 수용 가능 전화기 수 = 250 채널 × 200명 = 50,000명
결론: 한 end office는 최대 50,000명의 장거리 통화 전화기를 지원할 수 있다.
(9-2)
We want to transfer 200 bits of data between 2 stations A and B.
조건:
- 중간 노드(intermediate node) 4개
- 각 링크 전송 속도: 100 Mbps
- 패킷 크기: 100비트, 헤더(header): 50비트
1) 회선 교환 방식(circuit switching)
- 설정 시간이 무시된다면, 한 번만 전송하므로
→ 전송 지연 = 200 bits / 100 Mbps = 2μs (마이크로초)
2) 패킷 교환 방식(packet switching)
- 데이터 200bit
- payload = 100 - 50 = 50bit → 200 / 50 = 4 packets
- 각 패킷은 100bit
- 5개의 노드를 거치므로, 전송 횟수 = 5 (노드 4개 + 목적지)
→ 5 × (100 bits / 100 Mbps) × 4 packets = 20μs
(9-3)
Define variables:
- N = 홉 수 (number of hops) = 4
- L = 메시지 길이 (message length) = 3200 bits
- B = 전송 속도 = 9600 bps
- P = 패킷 크기 = 1024 bits
- H = 헤더 크기 = 16 bits
- S = 설정 시간 (setup time) = 0.2초
- D = 홉당 전파 지연 = 0.001초
→ Payload = 1024 - 16 = 1008 bits
a. 회선 교환 방식 (Circuit Switching)
- 설정 시간 + 전송 지연
- 전송 지연 = (N × D) + (L / B) = (4 × 0.001) + (3200 / 9600) = 0.337초
- 총 지연 = 0.2 + 0.337 = 0.537초
b. 데이터그램 방식 (Datagram Packet Switching)
- 패킷 수 = 3200 / 1008 = 약 3.17 → 올림하여 4 packets
- D1: 첫 홉에서 4개 패킷 전송 = 4 × (1024 / 9600) + 0.001 = 0.428초
- D2 = D3 = D4 = (1024 / 9600) + 0.001 = 0.108초 each
- 총 지연 = 0.428 + 0.108 × 3 = 0.752초
c. 가상 회선 방식 (Virtual Circuit Packet Switching)
- 설정 시간 + 데이터그램 방식 지연
→ 0.2 + 0.752 = 0.952초
(9-4)
A 56-octet message is to be sent over a virtual circuit with 3 intermediate nodes (a, b, c), total 4 hops (X → a → b → c → Y).
각 패킷은 4-octet 헤더(header)를 포함하며, 전송 속도는 각 홉마다 동일하다.
※ 단위: octet time (1 octet 전송에 걸리는 시간)
※ 전파 지연이나 설정 시간(call setup time)은 무시함
※ 관심 있는 값은 전체 전송 시간 (e2e transmission delay)임
(a) Entire message sent as one packet
- 패킷 크기: 56 + 4 = 60 octets
- 홉 수: 4
- 총 지연 = 4 hops × 60 = 240 octet times
(b) Message split into 2 packets
- 각 패킷 크기: (56 / 2) + 4 = 32 octets
- 전송 순서:
- X → a: 2개 패킷 전송 (총 2 × 32)
- 나머지 3 hops는 마지막 패킷 하나만 전달됨 (3 × 32)
- 총 지연 = (2 × 32) + (3 × 32) = 160 octet times
(c) Message split into 7 packets
- 각 패킷 크기: (56 / 7) + 4 = 12 octets
- 전송 순서:
- X → a: 7개 패킷 (7 × 12)
- 이후 3 hops는 마지막 패킷 1개씩만 전송 (3 × 12)
- 총 지연 = 10 × 12 = 120 octet times
(d) Message split into 14 packets
- 각 패킷 크기: (56 / 14) + 4 = 8 octets
- 전송 순서:
- X → a: 14개 패킷 (14 × 8)
- 이후 3 hops는 마지막 패킷 1개씩 전송 (3 × 8)
- 총 지연 = 17 × 8 = 136 octet times
결론 (Conclusion)
- 적절한 패킷 분할은 end-to-end 전송 지연을 줄일 수 있다.
- 하지만 너무 많은 작은 패킷으로 나누면, 헤더 오버헤드(header overhead)가 커져서 오히려 전체 지연이 증가하게 된다.
→ 최적의 패킷 크기를 설정하는 것이 중요하다.