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5. 물리층에서 교환(Switching)
5. 물리층에서 교환(Switching)
교환(Swtiching)이란 주제는 물리층, 데이터 링크층, 네트워크층, 응용층까지 모든 층에서 교환을 가질 수 있다.
그 중 물리층에서의 교환을 정리한다.
1. 개요
네트워크는 서로 연결된 장치들의 모임이며 이런 장치들 간의 1:1 통신이 가능하도록 연결하는 방법에 대해 생각해볼때 각 장치들의 점대점으로 링크를 구성하는 그물형 접속형태를 이용할 수 있다. 하지만 이 방법은 장치들이 많아지면 그 만큼 링크수도 많아지고 비용적 측면에서 비효율적이다.
이것의 해결책으로 Switching 교환을 이용하는 방법이 있다. 네트워크 교환망은 이런 교환기라 불리는 노드의 열들로 구성할 수 있다.
교환기란?
교환기간의 연결을 의미하는 것이 아닌 교환기에 연결된 둘 이상의 장치 사이에 임시적으로 연결을 만들 수 있는 하드웨적 또는 소프웨어적 장치를 의미한다. 참고로
라우터는 둘 혹은 그 이상의 네트워크 간의 연결을 생성하는 네트워크 장치를 말하며
스위치는 네트워크에서 다양한 장치에 패킷을 전송하기 위해 사용되는 네트워크 장치이다.
일반적으로 3가지의 교환 방법이 있다.
회선 교환 (circuit switching)
패킷 교환 (packet switching)
메시지 교환 (message switching)
물리층에서 교환은 회선 교환만 있으며 패킷 교환은 없다.
물리층에서 교환이란 신호들을 하나의 경로 또는 다른 경로로 전달하는 것을 의미한다.
2. 물리층에서 교환: 회선 교환망
1) 회선 교환망
회선 교환망(circuit switched network)에 대해 설명한다.
물리층에서 각 링크는 FDM(주파수 분할 다중화) TDM(시분할 다중화) 방식으로 n개의 채널로 나뉘어져있다.
물리층에서는 두 지국 사이의 연결은 각 링크 중 하나의 전용 채널만 사용한다.
즉 회선 교환 망은 각 링크가 n개의 채널로 나뉘어 연결된 교환기의 집합이다.
컴퓨터나 전화 같은 단말 시스템은 교환기에 위 그림과 같이 직접 연결된다.
위 그림의 상황을 보자. A라는 단말에서 B라는 단말로 데이터를 전송한다고 생각해보자.
위 그림은 4개의 교환기와 4개의 링크로 구성되었고 각 링크는 3개의 채널을 가지는 상황이다.
단말장치 A에서 단말 장치 B로 통신하기 위해서는 아래 3가지 단계를 거친다.
A는 모든 교환기로 부터 연결 요청 승인을 받아야한다. 이 단계를 설정 단계(setup phase) 라고 부른다. 이 단계에서 여러 링크 중 채널이 전용으로 하나 할당된다. 채널들이 조합되어 A에서 B로 통신하는 하나의 전용 통로가 규정된다. 그리고 종단-대-종단 주소 지정이 있게 되어 연결 통로의 주소가 지정된다.
이 과정을 좀 더 자세히 설명하면,
A가 B로 연결되기 위해서는 하나의 직접적인 링크는 없지만 교환기를 통해 링크들이 연결되어 통신이 가능해진다. A는 교환기1에게 M의 주소를 주면서 연결을 요청하고, 교환기1은 이 목적에 부합되는 채널이 자신과 교환기3사이 있다는 것을 찾고 교환기3에 연결을 요청한다. 그리고 교환기3은 교환기4에 요청을 하게 되고 교환기4는 B단말과 연결하여 최종 통신이 가능해진다.
전용 통로가 규정된 후 데이터가 전송되는 데이터 전송 단계(data transfer phase)가 진행된다.
그리고 모든 데이터 전송이 완료된 후 연결되었던 채널이 해제된다. 해제 단계(teardown phase)
※ 설정단계에서 단말에서 단말로 채널 연결이 된 후 해제 단계가 되어 채널이 해제되었다. 그 후 다음 설정단계에서 다시 채널의 연결을 만들려할때 이전 사용했던 동일한 연결 채널로 계속 만들어지진 않는다.
2) 정리
두 단말이 통신하기 이전에 두 단말은 통신 중에 사용할 자원인 채널, 교환기 버퍼, 교환기 처리 시간 및 교환기 입출력 포트 등과 같은 자원을 미리 예약해야한다.
그리고 이 예약된 자원은 해제 단계에 이를 때까지 계속해서 전용으로 할당되어 있어야한다.
그리고 이 예약된 자원은 해제 단계에 이를 때까지 계속해서 전용으로 할당되어 있어야한다. 우리가 전화를 하는 동안에 전화를 계속 하기 위해선 이러한 자원들이 할당되어있어야하는 것이다.
두 단말 사이의 데이터 전송은 패킷으로 나뉘지 않고 발신지에서 연속적으로 데이터를 보낸다.
전화를 할때 내가 말하는 내용이 상대방에게 끊길수는 있을지언정 연속으로 계속 수신되는 것을 의미함
전화를 할때 내가 말하는 내용이 상대방에게 끊길수는 있을지언정 연속으로 계속 수신되는 것을 의미함 데이터 전송과 관련된 주소지정은 별도로 존재하지 않으며 교환기에 할당된 대역 (FDM, 채널, 시간 슬롯)에 따라 데이터가 경로를 타고 이동한다. 실제 주소 지정은 설정 단계에서 이루어진다.
3. 물리층에서 교환: 패킷 교환
1) 패킷의 정의
패킷교환은 물리층에서는 없으며 데이터 링크층에서 가질 수 있다. 물리층에서 패킷은 프레임 또는 셀로 생각해도 좋다.
데이터 링크층에서 패킷 교환은 보통 가상 회선 접근 방법을 이용하여 수행된다. 이제 패킷을 정의해보자.
패킷의 정의는 wekipidia 정의에 따르면 정보 기술에서 패킷 방식의 컴퓨터 네트워크가 전달하는 데이터의 형식화된 블록이다. 이 말을 정리해보면 패킷이란 컴퓨터 네트워크 상에서 데이터를 주고 받을 때 정해놓은 틀? 규칙이다.
packet이란 말은 pack과 bucket이란 말의 합성어인데 데이터를 pack로 만들어 바구니에 담는다.. 이런 의미인데
데이터를 보낼때 특정 형태에 맞추어 보낸다는 것이다. 이때 이 형태는 네트워크와 해당 프로토콜에 의해 결정된다.
데이터를 왜 패킷으로 나누어 전송하냐? 그냥 보내면 안되냐? ->큰 데이터는 대역폭을 많이 요구하기 때문에 패킷의 흐름을 원활하게 하지 못하며 트래픽이 생기게 된다.
2) 패킷 교환과 회선 교환 비교
회선 교환은 교환기를 통해 링크들이 연결되어 단말기간의 연결이 이루어지면 데이터가 채널을 통해 TDM 방식, FDM 방식 등으로 데이터를 보내게 된다.
하지만 패킷 전송 방법은 보내려는 데이터를 분할 조각낸다. (패킷으로 나눈다.) 그리고 이 패킷을 따로 따로 전송하고 수신측에서 이를 다시 조합하여 데이터를 읽게된다.
패킷 스위칭은 이런 패킷 단위로 전송하면 되기 때문에 링크를 만들고 점유할 필요가 없다는 장점이 있다.
정리하면
패킷 교환에서는 패킷에 대한 자워 할당이 필요없으며 즉 예약이 없다는 것을 의미하고 교환이 패킷을 받을 떄 발신지나 목적지에 상관 없이 처리 중에 있는 다른 패킷이 있다면 기다려야한다.
=>자원은 요청에 따라 할당된다.
3) 데이터그램 망
<도입>
패킷 교환의 전체적인 동작 원리에 대해 설명하고 패킷 교환 주제를 마무리한다.
데이터 그램 교환, 패킷 교환은 주로 네트워크 층에서 이루어진다. 따라서 교환기를 이때는 라우터라고 해도 됨.
데이터그램 망에서 각 패킷은 다른 패킷과 무관하게 취급되며 여러 패킷 중 하나일지라도 네트워크는 이를 별개로 취급한다. 이런 방식의 패킷을 데이터그램 이라고부른다.
<내용>
A에서 X로 데이터를 네트워크 층에서 전송하려고 한다. 이때 교환기(여기선 라우터)는 5개가 있다고 가정해보자. 보내려는 데이터는 1~4까지 패킷으로 되고 각 패킷이 전송되는데 만약 교환기(라우터) 내부에 routing table(이것에 대해 나중에 설명)이 없다면 각 패킷은 효율적인 경로로 이동하지 못하고 1~4패킷은 재각각 라우터들을 통해 목적지로 도착해 결국 목적지에는 1~4순서가 되지 않을 가능성이 더 크다.
또한 어떤 링크에서는 다른 발신지로부터 온 패킷을 처리한다고 기존의 1~4의 패킷을 처리하는데 지연이 생길 수 있고 더욱이 자원이 부족한 상황에선 패킷을 잃어버릴 수도 있다. 따라서 routing table의 개념이 도입되어 각 발신지의 패킷들은 효율적인 루트를 타고 목적지로 올바른 순서로 도착할 수 있다.
각 교환기 내부에는 각자의 routing talbe이 존재하며 이 table은 목적지의 주소와 그 주소로 가기 위한 효율적인 포트(다른 교환기로 가는 길)을 가지고 있다.
1~4 각 패킷에는 목적지에 해당하는 주소가 저장되어 있다. 예를 들어 1번 패킷이 목적지 주소 123을 가지고 출발한다.
첫 라우터에서는 그 라우터 안에 들어 있는 routing table에 저장된 목적지 주소 값중 123을 찾는다.
그리고 그 123을 가기위해 지정된 포트번호를 보고 다음 라우터로 이동한다.
이러면 1~4까지 모든 패킷들은 지멋대로 라우터들을 타고 가지 않고 정해진 포트를 따라 순차적으로 이동하게 되어 도착지에서는 올바른 순서로 패킷이 도착하게 되는 원리이다.
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