Switching network - Packet Switching network and Circuit switching network in Data communication week 9
교환 네트워크 - 패킷 교환 네트워크와 회선 교환 네트워크, 데이터 통신 9강
Goals:
교환 네트워크의 필요성, 종류와 특징을 설명할 수 있다. (Describe the necessity, types, and characteristics of switching networks)
회선 교환 네트워크의 핵심 장비인 교환기의 역할과 구조를 설 할 수있다. (explain the role and structure of Space-Division switch, and Time-Division Switch which are essential equipment in Circuit switching network)
Contents:
- 네트워크란?(What is network)
교환 네트워크(Switching networks)
개요(Overview)
패킷 교환 네트워크 (Packet Switching network)
- 패킷 교환기(Packet Switch)
데이터그램 네트워크(Datagram network)
가상 회선 네트워크 (Virtual Circuit network)
Difference between Datagram network and Virtual Circuit network
- 회선 교환 네트워크 (Circuit Switching network)
공간분할 교환기(Space-Division Switch)
시분할 교환기(Time-Division Switch)
Difference between Space-Division Switch and Time-Division Switch
교환기의 구조(Structure of Exchanger)
회선교환기의 구조
패킷 교환기의 구조
교환 방식을 배우는 이유
(Why Switching network is important)
When it comes to transferring data, the simplest scenario is one-to-one delivery. However, in most cases, direct delivery is not feasible, and it's more common to rely on the assistance of a device due to distance constraints. For example, consider the delivery of mail. Therefore, devices that perform switching functions are typically installed somewhere inside a building, although they may not be visible to us. It's important to contemplate the technologies utilized by these devices to enable our use of the internet. In this session, we'll learn about these technologies and devices.
데이터를 전송할 때 1:1로 전달이 가능한 건 제일 간단한 경우이다. 하지만 대부분의 경우에는 직접 전달하지 못하고 거리상의 이유로 어떤 장치의 도움을 받는 것이 더 일반적이다. 예를 들면 우편물 전달이다. 따라서 교환 방식을 수행하는 장치라는 것은 우리 눈에 보이진 않지만 건물 내부 어디엔가 설치되어있는 경우가 대부분이다. 이 장치들이 어떤 기술을 사용하여 우리가 인터넷을 사용할 수 있는지 등을 고민해볼 필요가 있다. 이번 시간에서는 이 기술들과 장치에 대해서 배울 예정이다.
💡네트워크란? (What is network?)
서로 연결된 장치들의 모임을 뜻한다.
네트워크는 보통 아래의 사진처럼 그물형 접속형태로 연결하거나 혹은 중앙장치를 이용하여 성형으로 연결(Tree topology)이 가능하다
💡교환 네트워크(Switching networks, Switching Techniques)
📍개요(Overview)
📍등장배경(Background)
하지만, 위에 언급된 토플로지들은 큰 네트워크에 적용할 때에 링크의 수가 너무 많아지거나 너무 길어져서 비실용적이고 비경제적이게 된다.
📍⬇️해결책(Solution)⬇️
네트워크 중간에 교환기(switch)라는 중간 장치를 사용하여 장치들 사이의 임시적인 통신 연결을 만들어줄 수 있다.
💡패킷 교환 네트워크
(Packet Switching network)
회선교환 네트워크(Circuit Switching network)의 단점을 극복하였다
다수의 사용자가 자원(대역폭, 라우터 등)을 공유(share resources)하고 동시에 사용이 가능하다.
'패킷(packet)'이라는 작은 단위로 데이터가 독립적인 경로로 전송된다.
대역폭을 높이는데 기여할 수 있는 기술 중 하나이다.
데이터그램 네트워크(Datagram Network), (Virtual circuit network)로 구성된다.
💡 데이터그램 네트워크(Datagram Network)
📍 특징(Overview)
연결 경로를 설정하지 않고 각각의 패킷을 독립적으로 전송하는 방식(transmission independently)이다.
비연결형 네트워크 (connectionless network)라고 불리는데 IP(Internet Protocol)에서 데이터그램 네트워크의 방식을 사용하고 있다.
인터넷 프로토콜 스위트(IP 프로토콜을 포함한 TCP/IP)를 기반으로 동작한다. 이는 인터넷에서 데이터 통신을 위한 표준 프로토콜이기도 하다.
📍작동원리(data transmission process)
1) 패킷 분할(Packet segmentation)
- 데이터를 특정 크기로 나눈다. 이 패킷들은 "헤더(header)"와 "페이로드(payload)"로 구성되어 있는데 헤더에는 송신자 및 수신자의 주소, 패킷 순서 등의 정보가 포함된다. 이렇게 헤더와 패이로드를 첨부하여 패킷을 구성한다.
2) 라우팅(Routing)
- 분할된 패킷들은 "라우팅 알고리즘(Routing Algorithm)"을 사용하여 교환기에서 목적지까지 전달될 경로를 결정한다. 이때 패킷은 최적의 경로를 통해 목적지로 전송될 수 있도록 한다.
경로표(route table) 네트워크 장비(예: 라우터)에 저장되어 있는 데이터베이스나 테이블로, 목적지 네트워크 주소와 해당 주소로 가기 위한 다음 홉(next hop) 또는 인터페이스 정보를 기록한다. 동적(Dynamic)으로 변화하며 상황에 맞게 수정되는데 패킷 내부에 기록된 목적지 주소는 패킷이 전송되는 동안 변경되지 않고 같은 값을 유지하는 특징을 가지고 있다.
3) 패킷 전송(Packet transmission)
- 분할된 패킷들은 라우팅된 경로를 따라 전송된다. 각 패킷은 독립적으로 전송되며, 이들은 서로 다른 경로를 통해 목적지에 도달할 수 있다. 따라서 연결 상태에 대한 정보를 공유하지 않는다.
4) 패킷 재조립(Packet reassembly)
- 목적지에 도달한 패킷들은 수신자 측에서 재조립된다. 페이로드를 이용하여 원본 데이터를 복원한다. 패킷들은 각각의 시퀀스 번호에 따라 배치하기위해 노력은하지만 사진에서 보듯이 "4321 -> 2341" 보장되진 않는다.
5) 에러 처리(Error handling)
- 전송 중 발생한 에러나 손상된 패킷은 수신자 측에서 확인되고 처리된다. 손상된 패킷은 재전송 요청을 통해 다시 전송될 수 있다.
📍데이터그램 네트워크 장점(Pros of Datagram network)
- 유연성(Flexibility): 회선을 특정 경로를 통해 데이터를 전송하는대신 최적의 경로를 선택하여 데이터를 전송하기 때문에 회선교환 네트워크에 비해서 효율적인 방식이다.
📍데이터그램 네트워크 단점(Cons of Datagram network)
- 전송지연(transmission delay): 회선 예약이 없이 각각의 패킷이 독립적으로 전송 되기 때문에 각 패킷들은 경로 선택, 패킷 전송, 재조립, 대기시간 등 상황에 따라서 교환기에서 대기해야 하는 경우가 발생될 수 있으며 지연시간도 균일하지 않다.
💡 가상 회선 네트워크 (Virtual Circuit network)
📍 특징(Overview)
패킷 교환 방식의 한 유형으로, 데이터를 작은 패킷 단위로 분할하여 전송하는 네트워크로 "회선교환 방식"과 "데이터그램" 방식의 특징이 혼합(combined)되어 있는 교환 방식이다.
회선교환 네트워크처럼 설정단계, 데이저 전송단계, 해제단계가 있다.
자원을 고정적으로 예약하는 방식이 아니라 필요에 따라서 다른 사용자가 사용할 수 있도록 동적으로 예약하여 사용함 물리적인 자원이 할당되지 않고 논리적인 자원이 할당됨 예 ATM, Frame relay, MPLS
가상회선식별자(VCI, Virtual Circuit Identifier)특정 교환기에서만 사용되고 다른 교환기에서는 변경 되어 의미없는 식별자
패킷 교환기(Packet Switch): 가상 회선 네트워크에서 중요한 요소이다. 교환기는 패킷을 전달하고 네트워크 내에서 경로를 선택하는 역할을 한다. 교환기는 패킷의 목적지 주소를 기반으로 전달할 포트를 임의로 선택하고, 다음 교환기로 패킷을 전달한다. 패킷에 사용된 지역주소는 교환기를 경유할 때마다 변경된다.
1) 입력포트(Input ports)
물리 및 데이터링크 계층의 기능을 수행하여 수신신호로부터 데이터 비트를 생성하고 오류를 검출하고 정정
이후에 네트워크 계층에서 경로를 찾을 수 있도록 버퍼에 저장함
다른 장치로부터 패킷을 수신하는 포트
2) 출력포트(Output ports)
패킷이 전송될 목적지를 지정하는 포트
입력포트와 순서가 반대이지만, 유사한 기능 수행
프레임을 구성하고 전송할 신호로 변환함
3) 경로 처리기(Routing processor)
내부의 경로표를 보고 출력 포트를 찾는 기능 수행
근래에는 입력 포트에서 이 과정을 수행하는 경우가 많음
- 목적지까지 전달하기 위한 경로를 결정하는 역할
4) 교환 회로(Switching fabric)
전용 컴퓨터나 혹은 전용의 교환회로(크로스바 교환기, 반얀 교환기)로 구성
컴퓨터인 경우 메모리나 버스회로가 교환회로 역할을 수행하는 것임
- 입력 포트에서 출력 포트로 패킷을 실제로 전송하는 데 사용되는 회로
📍작동원리(data transmission process)
패킷 전송(Packet Transmission): 데이터그램 네트워크처럼 데이터는 패킷으로 전송되며 각 패킷은 송수신 주소를 담고 있다.
지역 주소(Local Addresses): 데이터그램 네트워크에서는 종단 주소(end address)가 사용되고, 가상회선 네트워크에서는 지역 주소(가상회선 식별자, Virtual Circuit ID)가 사용된다.
경로설정 단계: 설정 요청
(Network establishment phase: Request for Establishment)
a. 발신지 A는 1번 교환기에게 설정 요청 프레임을 전달
b. 1번 교환기는 내부 경로표를 이용하여 A로부터 B로 전달해야 하는 프레임을 3번 포트로 전달해야 한다는 것을 알고 있음. 교환기는 출력 VCI값은 모르는 상태로 출력 포트만을 결정하고 요청 프레임을 2번 교환기로 전달
c. 2번 교환기는 1번 교환기와 동일한 동작 수행하여 2번 포트 방향으로 3번 교환기에게 전달
d. 3번 교환기도 동일한 동작 수행 후 B에게 전달
e. 목적지 B는 A로부터 프레임을 수신할 준비를 하며 VCI를 지정함 (그림에서 77). 여기에서 지정된 VCI값을 갖는 프레임은 A로부터 출발한 프레임이라는 것을 의미함
경로설정 단계: 설정 확인 응답 (Network establishment phase: Confirmation for Establishment)
a. B는 수신 VCI(77)을 3번 교환기에게 알려주어서 3번 교환기에 출력 VCI값을 77로 설정함
b. 3번 교환기는 2번 교환기에게 확인응답 프레임을 전달하는데 여기에 자신의 입력VCI값을 포함시켜서 전달함. 2번 교환기는 3번 교환기의 입력VCI값을 자신의 출력VCI 항목에 저장함
c. 2번 교환기는 자신이 선택한 입력VCI값을 1번 교환기에게 전달하고 1번 교환기는 이 값을 출력VCI에 저장함
d. 1번 교환기는 입력VCI값을 발신지A에게 확인응답 프레임으로 알려줌
e. 발신지는 목적지B에게 전달할 프레임에 첨부할 VCI값을 표에 저장함
📍가상 회선 네트워크 장점 (Pros of Virtual Circuit network)
신뢰성(Reliability): 가상 회선은 통신이 시작되기 전에 경로를 설정하므로 데이터의 신뢰성이 높다. 데이터는 설정된 가상 회선을 따라 전달되며, 패킷의 순서가 보장되므로 실시간 통신에 적합하다.
효율성(Efficiency): 가상 회선은 논리적인 회선을 할당하므로 자원의 효율성이 높다. 데이터가 전송되는 동안 해당 회선은 전용으로 사용되므로 다른 통신이 해당 회선을 점유하지 않는다.
낮은 오버헤드(Low overhead): 가상 회선은 통신이 시작되기 전에 경로를 설정하므로 추가적인 오버헤드가 발생하지 않는다. 이는 데이터 전송의 지연을 줄이고 대역폭을 효율적으로 사용할 수 있게 합한다
품질 보장(Quality assurance): 가상 회선은 설정된 경로를 통해 데이터를 전달하기 때문에 서비스 품질을 보장할 수 있다. 데이터는 설정된 가상 회선을 통해 전달되므로 신뢰성이 높고, 패킷의 순서가 보장다.
📍가상 회선 네트워크 단점 (Cons of Virtual Circuit network)
자원 소모(Resource consumption): 가상 회선은 설정된 경로를 유지하기 위해 자원을 소모하기 때문에 동적인 트래픽 패턴에서는 자원의 효율성이 떨어질 수 있다.
설정 시간(Setup time): 가상 회선은 통신이 시작되기 전에 경로를 설정해야 하므로 설정 시간이 필요한데 이는 실시간 통신에 적합하지 않을 수 있다.
유연성 부족(Lack of Flexibility): 가상 회선은 통신이 시작되기 전에 경로를 설정해야 하므로 유연성이 제한될 수 있다. 동적인(Dynamic) 네트워크 환경에서는 다른 통신 방식보다 제한적일 수 있다.
비용(Cost): 가상 회선을 설정하고 유지하는 데는 추가 비용이 발생할 수 있다. 이는 추가적인 관리 및 유지 보수 비용으로 나타날 수 있다.
💡Difference between Datagram network and Virtual Circuit network
둘 다 컴퓨터 네트워크에서 사용되는 패킷 교환 방식의 서비스 모델이다.
네트워크 응용 프로그램의 요구 사항에 따라 선택되어 사용된다.
📍공통점(Common ground)
패킷 교환(Packet exchange)
두 서비스 모델 모두 패킷 교환 방식을 사용한다. 데이터를 작은 단위인 패킷으로 분할하여 전송하며, 이러한 패킷은 독립적으로 전달된다.
📍차이점(Different)
연결 방식(Connection Method):
가상 회선 네트워크: 연결 지향적이다. 통신이 시작되기 전에 가상 회선을 설정하고, 데이터가 전송되는 동안 해당 가상 회선을 사용한다.
데이터그램: 비연결성입니다. 각 패킷은 독립적으로 전송되며, 각 패킷은 다른 경로를 통해 전송될 수 있다.
전송 보장(Transmission guarantee)
가상 회선 네트워크: 전송 보장을 제공한다. 데이터는 설정된 가상 회선을 통해 전송되므로, 데이터는 순서대로 전달되며 오류 발생 시 다시 전송된다.
데이터그램: 전송 보장을 제공하지 않다. 각 패킷은 독립적으로 전송되며, 패킷이 순서대로 도착하지 않거나 손실될 수 있다.
자원 사용 방식(Resource utilization method)
- 가상 회선 네트워크: 논리적인 회선이 설정되고 사용된다. 따라서 데이터가 전송되는 동안 해당 회선은 전용으로 사용된다.
- 데이터그램: 물리적인 자원은 공유된다. 각 패킷은 독립적으로 전송되며, 필요에 따라 네트워크의 자원이 동적으로 할당된다.
💡회선 교환 네트워크
(Circuit Switching network)
📍특징(Overview)
통신을 원하는 두 지점을 교환기를 이용하여 물리적으로 접속시키는 방법이다.
통신 경로상에서 필요한 자원(통신채널)을 미리 확보하여 연결시키는 설정 단계를 거쳐야 하고, 데이터 전송이 완료된 이후에는 자원(통신채널)을 해제하는 단계를 수행한다.
📍회선 교환 네트워크 장점 (Pros of Circuit Switching network)
- 정해진 통신 경로를 이용하여 전달되기 때문에 지연시간이 적다.
📍회선 교환 네트워크 단점 (Cons of Circuit Switching network)
설정 단계에서 시간이 많이 소요된다.
전용 자원(통신채널)을 할당하는 방식이고 공유하지 않아 비효율적일 수 있다.
데이터가 패킷으로 나뉘지않으며, 연속적으로 데이터를 송신하고 수신한다. 예)전화 네트워크
📍데이터 전송 과정(Data transmit process)
1) 설정단계(Connect)
통신이 시작되기 전에 이루어지는 단계이다.
통신을 하고자 하는 두 당사자 간에 회선(선로)을 설정하는 작업이 이루어진다.
호출을 시작하는 당사자는 호출하고자 하는 대상에게 연결을 요청하고, 대상이 수락하면 두 당사자 간에 통신에 필요한 회선이 설정된다.
2) 데이터 전송단계(Data transfer)
- 1단계 설정이 완료되면 데이터 전송 단계로 이동한다.
이 단계에서 실제로 데이터가 전송되는데 설정된 회선을 통해 전달된다.
전송된 데이터는 보내는 쪽에서 받는 쪽으로 순차적으로 전달되며, 수신 측에서는 데이터를 수신하고 처리한다.
전해지는 데이터가 많다면 전송시간이 길어 지게 된다.
3) 해제단계(Disconnect)
- 통신이 완료되면 해제 단계로 이동한다.
설정된 회선이 해제되어 다른 통신에 사용가능하게 된다.
통신이 종료되면 보내는 쪽과 받는 쪽 간의 회선이 닫히고, 통신에 사용된 자원이 해제된다.
💡공간분할 교환기 (Space-Division Switch)
여러 개의 입력 포트와 출력 포트를 가지고 있으며, 입력과 출력 간의 연결은 공간적으로 분할된다. 즉, 여러 개의 입력 포트 중 하나를 선택하여 해당 출력 포트로 데이터를 직접 전송하는 방식이다. 크로스바교환기, 다단계 교환기로 나뉜다.
📍크로스바 교환기(Crossbar Switch)
격자 형태의 n개 입력과 m개의 출력을 연결하며 각 교차점에는 기계적/전기적 스위치(control station)가 위치한다
입출력 개수에 따라서 교차점의 개수가 급격히 증가하고, 평균적으로 일부의 교차점만이 연결되기 때문에 비효율적인 방식이라고 할 수 있다.
아래의 예제에는 3개만 있지만 상황에 따라서 3개 이상보다 훨씬 많은 양으로 늘어 날 경우를 가정하면 필요한 스위치의 갯수도 어마어마하게 늘어나게 된다.
📍다단계 교환기 (Multi-Stage Switch)
여러 크로스바 교환기를 결합하여 교차점을 감소시킨 교환기이다.
아래 사진을 보면 각 입출력 스테이지에 여러개의 크로스바가 존재한다.
k값을 너무 작게 설정할 경우 연결 자원이 부족한 문제가 생길수도 있는 단점이 있다. (blocking) 그렇기에 k값을 적절하게 유지해야한다.
📍공간분할 교환기 장점(Cons of Space-Division Switch)
높은 처리량(High Throughput) 각 입력 포트와 출력 포트 간에는 별도의 물리적인 연결이 있으므로 동시에 여러 입력 포트로부터 여러 출력 포트로 데이터를 전송한다. 따라서 높은 처리량을 제공한다.
낮은 지연(Low Latency) 각 입력 포트와 출력 포트 간의 물리적인 연결을 통해 데이터가 직접 전송되므로 전송 지연이 낮다. 이는 실시간 통신과 같은 응용 프로그램에 적합하다.
단순한 구현(Simple Implementation) 공간분할 교환기는 각 입력 포트와 출력 포트 간의 물리적인 연결을 통해 동작하므로 구현이 비교적 간단하다. 이는 제조 및 유지 관리 비용을 줄일 수 있다.
📍공간분할 교환기 단점(Cons of Space-Division Switch)
자원 소비(Resource Consumption) 공간분할 교환기는 각 입력 포트와 출력 포트 간의 별도의 물리적인 연결이 필요하므로 많은 양의 자원을 소비한다. 이는 대규모 네트워크에서 비용이 증가함을 뜻한.
유연성 부족(Lack of Flexibility) 공간분할 교환기는 입력 포트와 출력 포트 간의 물리적인 연결이 정적으로 설정되므로 유연성이 제한된다. 새로운 연결을 추가하거나 기존의 연결을 변경하기 어려울 수 있다
스케일링 어려움(Scalability Challenges) 공간분할 교환기는 큰 규모의 네트워크에 확장하기 어렵다. 입력 포트와 출력 포트의 수가 증가함에 따라 전체 교환기의 크기와 복잡성이 증가하기 때문이다. 보통 대규모 네트워크에는 다른 유형의 교환기, 예를 들어 패킷 스위치(Packet Switch)나 라우터(Router) 등이 사용된다.
💡시분할 교환기 (Time-Division Switch)
📍특징(Overview)
- 여러 개의 입력 포트와 출력 포트를 가지고 있으며, 입력과 출력 간의 연결은 시간적으로 분할된다. 즉, 각 입력 포트의 데이터가 순서대로 시간을 나누어 해당 출력 포트로 전송되는 방식이다.
- TDM(Time-Division Multiplexing)과 TSI(Time-Slot Interchange)를 이용하여 입력포트와 출력포트를 연결한다. (사진참조)
📍시분할 교환기 (Time-Division Switch)의 장점(Pros)
효율적인 자원 사용: 시간 분할 기술을 사용하여 여러 입력 포트가 동시에 하나의 출력 포트를 공유함으로써 교환기의 자원이 효율적으로 사용된다. (교차점 문제가 발생하지 않는다)
단순한 구현: 시분할 교환기는 각 입력 포트에서 도착한 데이터를 시간적으로 분할하여 전송하는 방식으로 동작한다. 이는 단순한 동작 방식을 가지고 있어 구현이 비교적 간단하다.
📍시분할 교환기 (Time-Division Switch)의 단점(Cons)
시간 분할 오버헤드: 시분할 교환기는 입력 데이터를 시간적으로 분할하여 처리하기 때문에 오버헤드가 발생할 수 있다. 이는 데이터가 전송될 때 추가적인 시간 지연을 초래할 수 있습니다.
전송 용량 제한: 시분할 교환기의 전송 용량은 입력 데이터를 분할하는 시간 단위에 의존한다. 따라서 전송 용량이 고정되어 있고, 동적인 트래픽 패턴에 적응하기 어려울 수 있다.
요즘엔 각각의 교환기의 장점을 결합한 형태로, 공간분할 교환기와 시분할 교환기의 결합된 교환기를 생산한다.
교차점을 줄이고, 시간 지연을 줄이는 방식으로 결합하게 된다.
결합형태에 따라서 시간 공간 시간 (TST), 시간 공간 공간 시간 (TSST),공간 시간 시간 공간 (STTS) 등이 가능하다.
💡 공간분할 교환기와 시분할 교환기의 차이점 (Difference between Space-Division Switch and Time-Division Switch)
동작 원리(Operating Principle)
Space-Division Switch: 입력과 출력 간의 연결을 물리적인 공간을 기반으로 설정한다. 즉, 여러 입력 포트 중 하나를 선택하여 해당 출력 포트로 데이터를 직접 전송하는 방식입니다.
Time-Division Switch: 입력 데이터를 시간적으로 분할하여 여러 출력 포트로 전송하는 방식으로 동작한다. 즉, 여러 입력 포트가 동일한 출력 포트를 시간적으로 공유합니다.
자원 사용 방식(Resource Utilization)
Space-Division Switch: 물리적인 공간을 기반으로하여 입력과 출력 간의 연결을 설정하기 때문에 공간적 자원을 사용한다.
Time-Division Switch: 입력 데이터를 시간적으로 분할하여 처리하기 때문에 시간적 자원을 사용한다.
