03-01-03 네트워크 기초_데이터 통신의 기본 이해

네트워크 기초_데이터 통신의 기본 이해

네트워크 토폴리지

1. 스타(star)형
   • 중앙의 노드와 사용자의 노드는 point-to-point 방식으로 연결하면서 다수의 사용자 노드와 연결하는 네트워크 구조이다. 이더넷 네트워크에서 보통 중앙에 허브가 위치한다.
   • 확장이 비교적 용이하고 사용자의 노드가 결함이 발생하더라도 다른 노드에는 영향을 주지 않는 결함 허용 능력을 제공한다.
   • 사용자의 노드 수가 증가하면 패킷이 충돌 가능성이 높아지고 중앙 노드가 고장 나면 전체 네트워크가 중단된다.
2. 버스(bus)형
   • 단일 회선(bus)에 사용자 노드가 T자 모양으로 연결하고 회선의 끝에는 종단기(Terminator)를 설치하여 신호의 반사를 방지하는 네트워크 구조이다.
   • 한 시점에 하나의 사용자 노드만 회선을 점유할 수 있도록 CSMA/CD나 토큰 패싱(token passing)과 같은 전송 방식을 사용한다.
   • 구조가 간단하여 사용자의 노드를 추가하거나 제거가 용이하고 스타형과 마찬가지로 결함 허용 능력을 제공한다.
   • 버스의 대역폭을 공유하기 때문에 사용자의 노드 수가 증가하면 네트워크 성능이 저하되는 단점이 있다.
3. 링(ring)형
   • 네트워크의 노드가 원형으로 연결되어 앞의 노드에서 받은 데이터를 다음 노드로 전달하는 네트워크 구조이다.
   • 버스형과 같이 하나의 회선에 연결되기 때문에 설치 비용이 저렴하고 토큰 패싱을 통해 데이터 충돌을 방지할 수 있고 넓은 지역에도 설치가 가능하다는 장점이 있다.
   • 통신 효율성이 낮고 한 노드에 장애가 발생하면 전체 네트워크가 중단되고 넓은 지역에 구축할 때 비용이 많이 든다.
4. 망(mesh)형
   • 네트워크에 연결된 모든 노드가 서로 개별적으로 그물처럼 연결된 네트워크 구조이다.
   • LAN을 구성할 때보다는 라우터를 이용하여 LAN과 LAN을 연결하거나 백본(Backbone)망을 구성할 때 사용한다.
   • 특정 사용자 노드에 장애가 발생해도 다른 경로로 데이터 전송이 가능하고 가용성이 높고 효율성이 우수하다.
   • 네트워크의 설치, 관리, 재구성이 어렵고 많은 링크가 필요하기 때문에 설치 비용이 많이 든다.

네트워크 통신 방식

1. 이더넷(Ethernet)
   • 이더넷은 LAN, MAN, WAN을 구축하기 위해 일반적으로 사용하는 네트워크 기술이며 1983년에 IEEE 802.3으로 표준화됐다.
   • 통신을 시작하기 전에 연결 설정이 불필요한 비연결 모드이며 프레임이 전송 중 손상되더라도 이를 검출하고 복구하는 오류 제어는 상위 계층의 프로토콜에서 수행한다.
   • 버스 혹은 스타형 네트워크 토폴로지를 구성하여 네트워크를 단순하게 구성할 수 있기 때문에 비용이 경제적이다.
   • 전송 속도는 기본 10Mbps에서 기가비트까지 지원하고 비동기식 직렬 통신과 부호화 방식으로 맨체스터 인코딩을 사용한다.
   • 네트워크상 각 노드를 유일하게 식별할 수 있도록 48비트 고정된 MAC 주소를 갖는다. 데이터는 이더넷 프레임 형식으로 전달되며 송수신 MAC 주소를 포함하는 헤더는 14바이트이고 최대 전송 크기는 1500바이트이다. 마지막에는 FCS(Frame Check Sequence)가 붙는다.
   • 전송 매체는 동축(BNC), UTP, STP 등이 사용되고 네트워크에 기기를 연결하기 위해 허브, 스위치, 리피터 등의 장치를 사용한다.
   • 이더넷은 반이중통신(half duplex)을 지원하고 CSMA/CD(Carrier Sense Multple Access with Collision Detection: 반송파 감지 다중 접속 및 충돌 탐지)로 데이터를 전송한다. CDMA/CD란 네트워크에 데이터가 전송 중인지 반송파를 확인하고 전송 중이 아닌 경우 전송을 시작하는 것을 말한다. 전송 시 충돌이 발생하면 충돌을 알리는 jam 신호를 보내 다른 노드가 충돌을 감지할 수 있도록 한다.
   • 전송 속도는 10Mbps, 100Mbps, 1Gbps를 지원한다.
   • 2, 5는 동축 케이블을 의미하는데 약 200m, 500m의 전송 거리를 의미한다.
   • T, TX, FX, SX, LX는 전송 매체를 의미한다. T는 Twisted 케이블, TX는 UTP-5 또는 STP, FX는 광케이블, SX는 단파장 광섬유, LX는 장파장 광섬유를 의미한다.
   • 특히 SX는 최대 220~550m의 전송 거리를 갖고, LX는 다중 모드일 경우 550m, 단일 모드인 경우 5Km까지 전송된다.
2. 토큰링(Token Ring)
   • LAN을 구축하기 위해 토큰을 획득한 노드만 데이터를 전송할 수 있는 네트워크 기술이다.
   • 1980년대 초반 IBM이 개발하였고 IEEE 802.5로 표준화됐다.
   • 전송 속도는 4Mbps에서 16Mbps 수준이며 동축 케이블이나 광 케이블을 매체로 한다.
   • 3바이트의 토큰이 링을 순환한다. 데이터를 보내고자 하는 노드는 토큰을 다음 노드로 보내지 않고 대신에 데이터를 보낸다. 이 데이터는 링을 순환하다가 목적지 노드에 도착하면 데이터를 복사하고 그다음 노드로 데이터를 보낸다. 데이터를 보냈던 노드에 데이터가 다시 도착하면 이 데이터는 폐기하고 토큰링을 다시 내보낸다.
   • 토큰링은 이더넷보다 이론적으로 빠르고 안정적 기술로 각광받았으나 스위치 이더넷이 개발 및 보급되면서 급격하게 쇠퇴한다.
3. FDD(Fiber Distributed Data Interface)
   • LAN들을 연결하는 백본망을 구성하기 위해 주 링(primary ring)과 부 링(secondary ring)으로 구성된 이중 링(dual ring)에 스테이션이 연결하여 약 100Mbps의 대역폭을 갖는 네트워크 기술이다.
   • 링에는 최대 1000개 정도의 스테이션 연결이 가능하고, 링의 최대 전송 길이는 단일 모드 회선인 경우 100~200Km 정도이고 다중 모드 회선인 경우 약 2Km 정도이다.
   • IEEE 802.5 토큰링 프로토콜과 유사하지만 IEEE 802.4 타임드 토큰(timed token) 프로토콜을 사용하고 있고 광섬유 케이블을 매체로 한다.

네트워크의 유형

1. LAN(Local Area Network)
   • 안정된 지역에서 컴퓨터와 여러 전자 기기 간의 자유로운 정보 교환을 위한 네트워크이다.
   • 유선 방식으로는 이더넷과 TCP/IP를 통하여 네트워크 구축을 하는 것이 일반적이며 무선 방식으로는 IEEE 802.11 표준에 따라 무선랜을 구축한다.
   • LAN은 OSI 7 계층 중 데이터 링크 계층과 물리 계층에 해당한다. 특히 IEEE 802.11에서 데이터링크 계층을 MAC(Media Access Control) 계층과 LLC(Logical Link Control)로 나누어 설명하고 있다.
2. MAN(Metropolitan Area Network)
   • LAN보다는 범위가 크고 WAN보다는 작은 규모에서 컴퓨터 간 연결하거나 네트워크 간 연결하여 데이터, 음성, 화상을 통합 전달하는 도시권 통신망이다.
   • 도시 내의 여러 LAN 사이를 이어주는 백본을 의미하기도 하다.
   • MAN의 표준은 IEEE 802.6에 정의된 DQDB(Distributed Queue Dual Bus) 토폴로지 기법을 사용한다. 두 개의 단방향 버스를 사용하는 이중 버스(dual bus) 토폴로지를 사용하고 전송 매체로는 광섬유 혹은 동축 케이블이 사용된다. 속도는 45Mbps~622Mbps를 제공하고, 전송 거리는 통상적으로 50~100Km이다.
3. WAN(Wide Area Network)
   • 거리, 장소의 제약을 극복하면서 넓은 지역을 연결할 수 있는 광역 통신망이다.
   • WAN은 전 세계를 연결할 만큼 거리의 제약은 없지만 다양한 경로 설정이 필요하고 전송 거리가 길기 때문에 LAN보다 속도가 느리고 전송 에러율도 높다.
   • WAN의 구성 방식에는 전용 회선 방식과 교환 회선 방식이 있다. 전용 회선 방식은 통신 사업자가 계약을 체결한 사용자 간에 전용 선로를 제공하고 연결하므로 안정성이 우수하나 비용이 높다.

교환 방식

1. 회선 교환 방식(Circuit Switched Network)
   • 데이터 통신을 할 사용자 간에 미리 연결을 설정하고 회선을 점유하여 데이터를 송수신하는 방식이다.
   • 사용자끼리 연결되어 있는 사이에는 대역폭을 온전히 연결된 사용자끼리만 사용할 수 있으므로 안정적인 성능을 기대할 수 있으나 통신이 없는 사이에도 연결이 유지되기 때문에 낭비가 발생할 수 있다.
   • 사용자가 연결되어 있는 사이 다른 사용자는 해당 회선이 사용 중이 아닐 때까지 기다려야 한다.
   • 대표적 회선 교환 방식으로 전통적인 전화 연결이나 PSTN이 있다.
2. 패킷 교환 방식(_packet Switch Network)
   • 회선 교환 방식의 대역폭 낭비를 최소화하기 위해 데이터를 일정 크기로 분할한 패킷을 송수신하는 교환 방식이다.
   • 여러 사용자의 패킷이 동시에 회선을 공유하여 전달할 수 있기 때문에 대역폭 이용 효율을 극대화할 수 있다.
   • 특정 사용자를 위해 회선을 점유하지 않으므로 이론적으로는 무제한 사용자 연결이 가능하고 패킷마다 우선순위를 부여하여 중요한 패킷이 먼저 도달할 수 있게 만들 수 있다.
   • 회선 교환 방식에 비해 패킷을 생성하기 위한 헤더가 추가되므로 오버헤드로 인한 성능 저하와 지연 현상이 발생할 수 있다.
   • 패킷 교환 방식은 데이터그램(datagram) 방식과 가상회선(virtual circuit) 방식으로 구분된다.
     • 데이터그램 방식은 논리적 연결 설정 없이 패킷이 독립적으로 전송된다. 하나의 메시지에서 분할된 패킷들은 여러 라우터를 거칠 때마다 경로 설정을 수행하여 전달하고 따라서 도착 순서도 뒤바뀔 수 있다. 짧은 메시지의 일시적 전송일 때 적합하다.
     • 가상 회선 방식은 논리적 연결을 먼저 설정하고 데이터를 전송한다. 또한 경로 설정을 한번만 수행하므로 메시지에서 파생된 여러 패킷은 동일 경로를 통해 전달이 되고 따라서 도착 순서도 보장이 된다. 다량의 데이터를 연속적으로 전송할 때 적합하다.

패킷 교환 기술

1. x.25
   • 초기 컴퓨터 통신망은 전화망을 이용했는데 원거리의 고품질 데이터를 서비스하기에는 부적합하여 통신회사들마다 독자적인 프로토콜을 사용하여 패킷 네트워크를 구축하고 서비스를 시작하였다. 그러나 이렇게 설치된 네트워크 간에는 호환성 문제가 생겨 ITU-T에 의해 표준화된 통신 규약이 개발되었는데, 그것이 X.25이다.
   • DTE(Data Terminal Equipment)와 DCE(Data Circuit-terminating Equipment) 간의 점대점 인터페이스를 정의하고 있다.
   • 연결 지향 프로토콜로서 가상 회선(Virtual circuit) 기능을 제공한다.
2. 프레임 릴레이
   • LAN 및 광케이블의 사용이 일반화됨에 따라 고속망에 대한 사용자 요구에 대응하기 위해 개발한 패킷 교환 기술이다.
   • X.25와 동일하게 가상회선 기능을 제공하나 통계적 다중화(Statistical Multiplexing) 기능을 제공하여 효율적인 대역폭 사용을 제공한다. 또한 통신 기술의 발달로 오류 제어 기능을 단순화하고 데이터 재전송과 같은 오류 복구 기능을 상위 프로토콜에 일임하였다.
   • X.25는 OSI 7 계층 중 1, 2, 3 계층에서 동작 하나 프레임 릴레이는 1, 2 계층에서 동작하여 성능을 향상했다.
3. 셀 릴레이(ATM: Asynchronous Transfer Mode)
   • 셀 릴레이는 ATM(비동기 전송 모드) 기술을 사용하여 프레임 릴레이보다 고속의 데이터 통신 서비스를 제공할 수 있는 방식이다.
   • ATM은 모든 정보를 48바이트씩 구분하여 블록을 생성하고 각각에 5바이트의 헤더를 붙인 셀을 만들어 전송, 교환하는 방식이다. ATM 셀의 전달은 가상 경로와 가상 채널을 설정하는 연결성 통신 방식에 기초를 두고 있다.
   • 전송 속도는 보통 56Kbit/s에서 초당 수 기가비트에 이르며 흐름 제어나 오류 제어 기능이 없고 OSI 7 계층 중 1, 2 계층만 제공한다.