컴퓨터 네트워크 - 인터넷과 프로토콜

K-MOOC에서 부산대학교 유영환 교수님의 “컴퓨터 네트워킹” 강의를 수강하며 적은 노트

첫 챕터인 The Internet and Protocol의 내용
주로 네트워크에서 쓰이는 용어들 정리

What is the Internet?

인터넷 = inter + network. 네트워크 간의 연결

하드웨어

• 엔드 호스트(end host): 네트워크의 끝에 달려 있는 일반적인 컴퓨터들, 서버 등. 정보를 요청 하는 주체이자 정보를 제공하는 주체
• 인터커넥션 디바이스(interconnection device): 라우터, 스위치, 리피터 등. 엔드 호스트끼리 인터넷에 연결되기 위해 중간에서 정보들을 교환해주는 중간 장비.
• 라우터, 스위치: 하나의 앤드 호스트에서 다른 호스트로 보내는 정보를 어떠한 방식으로 전달해줌
• 리피터: 확성기. 어떤 정보가 유선이나 무선 링크를 통해서 전달이 되다 보면 점점 에너지를 잃어서 약해지기 때문에 중간에 재반복해 멀리 까지 전달해줌
• 링크(link): 유선 링크(구리, 광섬유 등), 무선 링크(라디오 프리퀀시를 사용하는 지상 전파, 위성과 통신하는 위성 전파 등).

소프트웨어

• 운영체제: 컴퓨터는 윈도우, 리눅스 등, 휴대폰은 안드로이드, IOS 등
• 애플리케이션: 웹 브라우저, 메신저 프로그램 등
• 프로토콜: 전화망이나 컴퓨터 네트워킹에서 데이터를 전달하는 과정을 정의한 rule 또는 regulation
• 메시지 포맷(message format): 어느 위치에, 여기 있는 정보가 source IP인지 destination IP인지 등 정의
• Order of message: 어떤 정보를 요구 하려면 그 둘 사이에 먼저 연결이 수립 되어야 된다 등 메시지를 주고 받는 순서
• 액션(action): 메시지를 받았을 때 취해야 하는 액션들

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Network Edge

네트워크 = 네트워크 엣지(network edge) + 네트워크 코어(network core)

네트워크 엣지: 네트워크의 말단 부분, 사용자들이 직접 접하는 네트워크

네트워크 코어: 라우터와 스위치가 중간에 있어 엣지 네트워크들을 서로 연결 해 주기 위한 중간에 있는 네트워크

하드웨어

• 호스트: 클라이언트 컴퓨터, 서버 컴퓨터 등.
• 서버: 구글, 네이버 서버 등. 데이터센터에 여러 개의 서버가 존재해서, 어떤 하나의 서버가 문제가 되었을 때 다른 서버가 서비스함

소프트웨어

• 액세스 네트워크: 사용자가 자신의 장치로 네트워크에 접속하는 최초의 접속점인 엣지 라우터와의 연결을 위한 네트워크
  • residential access network: 보통 홈 네트워크
    • DSL(Digital subscriber line): 가장 시초, 기존의 전화망을 사용한 인터넷. 4kHz 까지는 사람의 목소리를 전달, 더 높은 주파수는 데이터 전달에 사용. 전화국에 도달한 두 주파수를 DSL access multiplexer가 분리해 저주파는 전화망, 그 이상의 디지털 데이터는 인터넷으로 보냄.
    • 케이블: 케이블 선을 통해서 전달된 데이터가 케이블 모뎀 터미네이션 시스템(cable modem termination system)에서 분리. DSL과 비슷
    • FTTH(Fiber-to-the-Home): 가정 앞까지 광케이블이 있어 각 가정에서 사용할 수 있는 통신 용량을 최대화. optical network terminal이 설치되어 집 밖에서는 광케이블(빛)으로 데이터 전달, 집 안에서는 전자의 흐름으로 데이터 전달을 변환. 인터넷 공유기를 설치해서 유선, 무선으로 연결하여 인터넷 사용
  • institutional access network: 학교, 회사 등 기관 네트워크
    • 이더넷(ethernet): 랜 카드. 각각 컴퓨터에 이더넷 카드를 꽂고 이더넷이 모아 실제 외부 라우터에 연결.
    • 와이파이 엑세스 포인트가 연결되어 와이파이로 접속한 데이터들을 모아서 스위치로 전달.
    • 웹 서버, 메일 서버 존재. 이더넷 스위치를 통해서 외부 인터넷에 접속. 최근 1Gbps, 10Gbps 까지 속도 증가
  • wireless access network: 무선 전화망, 와이파이 등
    • 와이파이(Wi-Fi, wireless LAN): 2003-802.11g-54Mbps, 2009-802.11n-450Mbps, 2014-wave1, 2016-wave2-802.11ac-866.7Mbps,1.73Gbps
    • 휴대전화망(셀룰러 네트워크): 와이파이처럼 한정된 공간이 아닌 길을 돌아다니면서 인터넷 가능. 사용자 1명 당 3세대-1Mbps, 4세대-10Mbps, 5세대-100Mbps의 밴드위스(bandwidth) 제공. 와이파이보다 속도가 느리지만 mobility 보유
• 엔드 호스트: 엑세스 네트워크에 접속하는 호스트. 엔드 호스트마다 있는 애플리케이션들이 다른 엔드 호스트와 메시지를 주고받게 요청할 때 패킷들을 패킷 사이즈에 맞게 잘라 보내고, 받은 걸 모아서 파일을 생성해 줌
  • MTU(Maximum Transfer Unit): 전달할 수 있는 데이터 크기의 최대 크기. 큰 파일을 보내면 보내는 중간에 여러가지 문제들이 발생할 수 있기 때문.
  • 패킷: MTU 크기로 나누어진 데이터 단위
• link transmission rate: 높을수록 데이터를 빨리 보냄. link capacity, bandwidth라고도 부름

유선 링크

• twisted pair cable
  • 옛날 전화 발명. 구리선 2개가 꼬여 선에 흐르는 전류의 전압 차이가 어떤 기준 값 이상이 되면 1이고 그것보다 작으면 0
  • 외부의 노이즈들 때문에 전압이 바뀌는 경우가 있는데, 꼬여 있기 때문에 나란한 것에 비해 외부 영향을 거의 동일하게 받아 전압이 같이 올라 가거나 같이 내려 감
• coaxial cable
  • 동축 케이블. 외부 컨덕터(conductor)와 내부 컨덕터의 중심 축이 동일함
  • 내부는 실제 데이터 전달, 외부는 노이즈 차단
  • 아주 높은 밴드위스의 데이터 전달이 가능, 사용할 수 있는 폭이 넓음
  • ex) 채널을 여러 개 두고 케이블 TV로 여러 방송국의 채널을 동시에 시청 가능
• optical fiber
  • 광섬유. 구리 선에 전류가 흘러가는 속도 = 빛의 속도의 3분의 2 이므로 전파 속도 1.5배
  • 빛으로 전달되기 때문에 외부 노이즈 영향이나 에러 거의 없음
  • $(캐리어 주파수) ∝ (밴드위스)$인데, 빛은 주파수가 높으므로 밴드위스가 매우 높음
  • 빛 반사로 전달하므로, 도선의 저항으로 속도가 떨어지고 열이 나는 쌍꼬임선이나 동축 케이블과 달리, 신호 감쇠 거의 없음

무선 링크

• Microwave: ~300GHz
  • 와이파이는 2.4GHz, 5GHz 사용, 휴대폰 통신은 2G 대역 전후
  • 4세대 이동 통신: 1.8G, 2.4G 사이를 우리나라 통신 3사가 나누어 사용. 5세대: 30GHz에서 300GHz 대역의 밴드위스 사용. 밀리미터 웨이브: 높은 주파수 영역. $(파장의 길이) ∝ \frac{1}{(주파수)}$
  • 위성 통신: 1~40GHz의 일부 사용
  • 물: 전파가 멀리 가기 위해 낮은 주파수 사용. 우주: 직진성 강한 높은 주파수

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Network Core

mesh: 노드들이 그물 형태로 이루어짐. 어떤 노드가 문제가 생겨도 나머지 노드들은 통신 가능

network core: 하나의 라우터에서 다음 라우터로 계속 데이터를 포워딩해 주는 기능

서킷 스위칭(circuit switching): 회선 교환

• 데이터 전달 전 source-destination 루트를 설정하고 그 루트에 네트워크 자원을 예약함.
• 하나의 페어에만 자원이 할당, 다른 노드들과 공유 불가
• ex) 기존의 유선 전화망. 전화가 끊기기 전까지 다른 전화의 인터럽트 없음
• Frequency division, Time division

패킷 스위칭(packet switching): 패킷 교환

• 여러 source들이 전체 데이터를 패킷 단위로 나눠 전송하면 중간의 라우터가 목적지 주소에 따라 개별적으로 취급하여 전달
• 하나의 패킷이 full link capacity를 가짐. 즉 패킷 마다 별도 채널 없음
• 패킷 사이즈 = L bit, 링크의 capacity = R bps일 경우 전달 시간 = L/R 초
• store-and-forward: 중간 라우터가 데이터를 전달할 때, 마지막 bit까지 도달해야(패킷 하나의 전송이 끝나야) 데이터 포워딩 가능.
  • 패킷마다 목적지 주소가 있고, 전체를 받아야 에러를 검사 가능하기 때문, 서킷 스위칭의 경우 데이터가 들어온 대로 다 전달함
• end-end delay: 전체 앤드 호스트에서 source에서 destination 까지의 전체 지연 시간은 hop 수에 비례함. 한 hop에 전달 시간이 L/R 초.
• ex) 패킷 사이즈 = 7.5Mbits, 링크 capacity = 1.5Mbps일 경우 1 hop 전달 시간 = 5초. source to destination이 2 hop이라면 end-end delay는 10초

서킷 스위칭과 패킷 스위칭 비교

• 패킷 스위칭이 서킷 스위칭보다 더 많은 사용자 수용 가능
• ex) 링크 capacity = 1 Mbps. 한 사용자가 네트워크를 사용할 때 필요한 transmission rate = 100 kbps. 데이터 전달 시간 비 인터넷 사용 시간 = 10%
  • 서킷 교환망: 한 사용자가 접속하면 나갈 때까지 100kbps 제공해야 함. 따라서 총 수용자는 10명이며, 90%는 낭비됨
  • 패킷 교환망: 35명이 접속했다면 이항 분포로 1에서 0~10명이 액티브한 경우를 빼면 0.04% 정도
• 서킷 스위칭은 서비스의 질을 항상 보장, 패킷 스위칭은 지연 시간을 겪을 수 있음
  • 중간 라우터의 queue에 패킷이 잠깐 저장되어 지연 시간 있음. queue 사이즈를 넘어가면 패킷 손실 발생

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