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- 코어 라우터에서 데이터를 전달하는 방식이 크게 2가지가 있음
- Circuit Switching(회선 교환)
- Packet Switching(패킷 교환)
Circuit Switching(회선 교환)
- Circuit(서킷 = 회선)이라는 연결을 두 장비 사이에 만들어서 통신에 사용하는 방식
Condition
- 서킷은 통신 이전에 맺어야함
- 서킷이 먼저 만들어진 다음에 그 서킷을 통해 두 장비간 데이터를 주고받을 수 있음
Process
- source와 destination 사이에 길을 만들고, 그 길에 call을 설정해 둠.
- 여기서 call 이란? 네트워크 자원[=채널] 예약하는 것을 의미
- 하나의 src와 destination 쌍 사이의 길에 대해서만 call 설정 가능
- 할당된 자원은 다른 쌍에서는 공유 불가(자원공유 불가)
- 통신 시작
- 통신 : 만들어 놓은 길을 따라 데이터가 이동
회선 분할 방식
- 통신 시스템에서 다양한 소스에서 오는 정보를 전송하는 별도의 채널을 가질 수 없으며 신호를 하나씩 순차적으로 전송할 수 없음
→ 이를 효과적으로 관리하기 위해 네트워크에서 신호를 전송하는 모드인 멀티플렉싱 기술이 도입 - 네트워크 자원(=채널)을 구성하는 것은 주파수 or 시간
- 채널을 주파수 기준으로 나누면 FDM
- 시간으로 나누면 TDM
- 속도와 성능 부분에서 효율성을 높이기 위해서 사용
FDM(Frequency Division Multiplexing, 주파수 분할 다중화)
- 링크 대역폭 > 전송되어야 하는 신호들의 대역폭의 합일 때 사용 가능한 기술
- 한 전송로의 대역폭(주파수)을 여러 개의 작은 채널로 분할하여 여러 단말기가 동시에 이용하는 방식(단, 시간은 고정)
- 채널의 상호 간섭을 막기 위해 보호대역이 필요
- 보호대역 → 채널의 이용률을 낮춤
- ex) TV 방송, 라디오 등
TDM(Time Division Multiplexing, 시분할 다중화)
- 주파수를 시간단위로 분할하여 공유하는 방식(주파수는 고정)
- 링크의 높은 대역폭을 여러 단말기가 공유할 수 있도록 하는 방식
- 하나의 전송로 대역폭을 Time Slot으로 나누어 채널에 할당함
- 몇 개의 채널들이 한 전송로의 시간을 분할하여 사용
FDM VS TDM
- 함께 사용되는 유형 신호
- FDM은 아날로그 신호와 잘 작동
- TDM은 아날로그 신호, 디지털 신호 모두 작동
- 회로의 복잡성
- FDM은 송신, 수신 끝부분에 복잡한 회로를 가짐
- TDM은 비교적 단순한 회로를 가짐
- 필요조건 & 간섭
- FDM은 보호대역이 필요함, 간섭이 높음
- TDM은 동기화 펄스가 필요함, 신호간 간섭이 무시할정도로 낮음
- 효율
- FDM은 사용 가능한 채널이 비효율적으로 사용
- TDM은 FDM에 비해 효율적으로 사용
- 누화 : 여러 전화회선이 접근되어 있을 때 한 전화회선(電話回線)의 통화전류가 다른 전화회선에 유기(誘起)되어 통화의 내용이 다른 전화회선으로 새어 나가는 현상.
- FDM은 불완전한 통과대역필터 로 인해 누화 문제를 겪음
- TDM은 X
- 실사용 예시
- FDM은 광섬유 케이블 또는 구리 섬유 케이블
- TDM은 전화 회사 및 인터넷 서비스 제공업체
- 결론
- 통신 시스템에서 멀티플렉싱 및 디멀티플렉싱은 공유 채널 및 송신기 끝을 통한 신호의 효과적인 전송과 수신기 끝에서 정보 검색을 위한 훌륭한 응용 프로그램을 사용함. 신호 유형(아날로그 또는 디지털 신호)과 응용 분야에 따라 특정 유형의 멀티플렉싱을 채택하기에 어느 것이 나쁜게 아님
Packet Switching(패킷 교환)
- full link capacity로 패킷마다 별도의 채널을 나누지 않고 전체를 전송
- 어떤 패킷을 host가 전달할 때 드는 시간을 알아보면 패킷 사이즈를 L bit라고 가정하고 링크의 capacity를 R bps라고 하면 L/R초라는 시간이 소요된다.
- 그 다음 패킷 교환에서 중간에 라우터에서 데이터를 전달하는 Store-and-forward
라는 과정을 거친다. - 전송하고자 하는 정보를 일정한 크기의 데이터로 분할한 후, 송수신 주소인 헤더를 각각에 부가한 패킷 단위로 전송하는 방식
- 패킷의 헤더에는 출발지, 목적지 정보가 있음
→ 단계가 지속될 수록 IP주소가 쌓여 오버헤드가 발생하는 경우가 있음 - 전송 과정중 패킷은 다음 라우터로 이동하기 위해 큐에서 대기하는데 수용 가능한 큐의 범위를 초과하면 손실이 발생함(이를 오버플로우 라고 함)
- 예시로는 IP가 있음
Store-and-forward
- 처음부터 끝까지 모든 bit 데이터가 도달한 다음에야 데이터를 다음 hop으로 넘겨줌
- 서킷 스위칭은 데이터가 들어오면 바로 다음 hop으로 전달할 수 있었음
- 하지만 Store-and-forward 방식에서는 온전한 패킷 조각들이 전부 다 도착해서 모여야만 다음 hop으로 전달하게 된다.
Store-and-forward 사용 이유
- 패킷이 모여 온전한 메시지가 만들어져야만 다음에 어디로 갈 지 목적지 주소를 확인해서 다음 hop으로 forward 시킬 수 있다.
- 두번째로는 전체 메시지를 받아야만 이 메시지에 에러가 포함되어 있는지 아닌지 검사할 수 있다.
→ 그래서 에러 검사를 통해 패킷이 온전히 현재 라우터에 도착했다고 판단이 된 다음에야 다음 목적지로 forward 시킨다.
Packet Switching 동작원리 및 특징
- 패킷 교환 방식은 송신 DTE가 보낸 데이터를 교환기에 저장한 다음 수신 DTE에 고속 전송함
- DTE(Data Terminal Equipment) : 사용자가 사용하고있는 컴퓨터 등의 장비를 의미
- 패킷 전송을 하기 위해서는 단말기가 메시지를 패킷으로 분해하고 수신된 패킷들을 하나의 메시지로 합치는 기능을 지녀야함
만약 해당 기능이 없을 경우 PAD라는 부가 장치가 있어야 함 - 패킷 교환 방식에는 데이터그램 방식과 가상 회선 방식이 있음
패킷 교환 방식
데이터 그램 방식(비 연결형)
- 미리 정해진 경로가 없어 독립적으로 처리하며 교환. 독립적으로 처리하기 때문에 순서에 상관없이 뒤에 것이 먼저 도착할 수 있음
- 경로가 여러 개이며 데이터가 생기면 바로 목적지로 보내지만 지연이 생길 수 있음
- 패킷마다 라우터가 경로를 설정하며, 효율성 문제로 포워딩 테이블을 사용하지 않음
- 짧은 메시지를 보내는데 적합함
가상 회선 방식(연결지향성)
- 패킷을 전송하기 전 논리적 연결을 먼저 수행하여 일정한 전송을 보장
- 회선 방식처럼 사용하되 일시적으로 교환기에 저장
- 모든 패킷을 전송하면 가상 회선은 해제되고 패킷들은 순서대로 목적지에 전달
- 다량의 데이터를 보내는데 적합
Circuit Switching VS Packet Switching
- 관점에 따라 어느 것이 나은지가 달라지는데, 인터넷 서비스를 제공하는 사업자 입장에서는 패킷 교환 방식이 더 나음.
- 패킷 교환 방식은 더 많은 사용자를 수용할 수 있고
- 인터넷을 통해 데이터를 주고 받는 시간은 전체 시간에서 많은 비중을 차지하지 않기 때문
- 회선 교환 방식은 한 사용자가 회선을 할당 받으면 그 사용자가 회선을 사용하지 않더라도 다른사용자에게 회선을 할당 할 수 없음 → 시간 낭비
- 패킷 교환 방식은 통신 속도가 느려지는 결과가 나올 수 있지만, 통신 속도가 느려진다고 해서 이 빈도는 높지 않기 때문에 사용자들이 불편을 느낄 확률이 낮음
- 그렇다면 회선 교환 방식은 장점이 없을까? → X
- 인터넷 서비스를 제공하는 사업자 입장이 아닌 사용자 입장에서 보았을 때, 항상 사용자가 원하는 최대 용량을 제공해주기 때문에 인터넷을 많이 사용한다고 한들 불편함을 느끼지 않음
- 반면, 패킷 교환 방식의 경우, 지연 시간을 겪을 우려가 있음. 여러 사용자 들이 보낸 패킷들이 섞여 있기 때문에 다 모은 뒤 전체 transmission rate를 넘어가는 경우 지연이 발생할 수 있음.
- 사용자가 보내는 패킷들은 중간에 라우터에 도착하게 되는데, 라우터는 패킷에 담겨져 있는 주소를 보고 패킷을 어디로 보낼 지 결정해야한다. 그동안 queue에 잠깐 저장되는데 여기서 잠깐 지연 시간이 발생한다. queue의 크기가 무한하지 않기 때문에 중간에 라우터가 저장할 수 있는 용량을 넘어서는 대용량의 데이터들이 몰려들면 지연 시간으로 인해 초과하는 패킷들은 그냥 버려지는 수가 있다. 이것을 패킷 손실이라고 함.
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