Chapter 1.3 : Network core : packet/circuit switching, internet structure

The network core

데이터가 빠르고 효율적으로 이동하도록 돕는 중앙 네트워크 인프라.
즉, 인터넷의 고속도로같은 역할을 한다. 인터넷의 중심에서 packet switching과 link를 통해 대규모 데이터를 전달하며 여러 엣지 장치들을 연결하는 고속 데이터 경로 역할을 한다.

Packet Switching

데이터를 작은 패킷으로 나누어 네트워크를 통해 전송하는 방식이다.

각 패킷은 독립적으로 경로를 찾아가며 목적지에서 다시 결합되어 원래의 데이터를 복원한다.

작동 원리

1. 데이터 분할: 데이터가 긴 메시지일 경우, 이를 작은 패킷으로 나눔.
2. 전송 과정: 각 패킷은 라우터와 스위치를 통해 전송되며, 각 링크에서 최대 전송 속도로 패킷을 보냄.
3. 저장 후 전달 (Store-and-Forward): 라우터는 패킷의 모든 데이터를 받기 전까지 다음 링크로 전송하지 않음.

예시

패킷이 100 Mbps 속도의 링크를 통해 전송되면, **패킷 크기(L)**와 **전송 속도(R = 100 Mbps)**에 따라 전송 시간은 L/R(100 Mbps) 가 됨.

Packet transmission delay = L(bits) / R(bits/sec)

Queueing delay, loss

라우터가 여러 링크를 관리할 때, 패킷은 출력 버퍼에서 대기한다.
만약 라우터가 다른 패킷을 전송 중이라면 새로운 패킷은 대기해야 한다.
이 과정에서 큐잉 지연이 발생할 수 있는데, 버퍼가 가득 차면, 추가로 들어오는 패킷은 패킷 손실이 발생한다.

Forwarding and Routing

network-core의 주요 기능이다.

라우터는 패킷을 forwarding table을 통해 어떤 링크로 보낼지 결정한다.
패킷의 목적지 IP 주소를 확인하여 해당하는 링크로 전달한다. 이러한 테이블은 라우팅 프로토콜에 의해 자동으로 설정된다.

Forwarding

• local action

Routing

• global action : table을 결정하기 위해서는 모든 걸 알고 있어야 하기 때문이다.

Forwarding Table

각 라우터는 목적지 주소 또는 목적지 주소의 일부를 라우터의 출력 링크로 매핑해야 하는 포워딩 테이블을 가지고 있다.

라우터가 수신한 패킷을 어느 링크로 전달하는지 결정하는 과정

1. 패킷이 라우터에 도착
2. 라우터는 패킷의 IP 주소를 조사
3. 해당 목적지 주소를 이용해 forwarding table 검색
4. 그 패킷을 출력 링크로 보냄

Packet Switching vs. Circuit Switching

• 패킷 스위칭: 링크 자원을 동적으로 공유하며, 사용자가 많더라도 비활성 사용자 자원을 재사용할 수 있음.
  • Circuit 공유하므로 여러 사람이 사용할 수 있다.
• 회선 스위칭: 통신이 시작되면 일정한 자원을 고정으로 할당하지만, 자원이 비활성 상태일 때도 사용 불가함.
  • 개수의 제한이 있고, 그래서 사용자 수도 제한이 있다.
  • share하지 않아서 안정적이지만, 안쓰는 애들은 놀게 되므로 비효율적이다.

패킷 스위칭은 사용자들이 데이터를 주고받지 않는 비활성 시간 동안 자원을 다른 활성 사용자에게 재할당할 수 있으므로, 회선 스위칭보다 자원 활용이 훨씬 더 효율적임.

Circuit Switching : FDM and TDM

• FDM (Frequency Division Multiplexing)
  • total frequence band를 equival하게 나눈다.
  • 각 user에게 allocate 한다.
• TDM (Time Division Multiplexing)
  • time divided into slots (같은 단위로 나눈다)
  • transmission time이 FDM보다 짧다.

인터넷의 구조 : 네트워크의 네트워크

• 인터넷은 수많은 ISP(인터넷 서비스 제공자)들이 서로 연결된 네트워크의 네트워크임.
• 각 ISP는 고객-제공자 관계를 형성하며, 상위 계층의 ISP들은 서로 **피어링(직접 연결)**하여 트래픽을 교환함.
• 콘텐츠 제공자(예: 구글)는 자체 네트워크를 운영해 상위 ISP를 거치지 않고 직접 접속함으로써 비용을 절감하고 성능을 최적화함.