1. Communications Networks and the Internet

통신 네트워크와 Internet에 대한 이해

Internet이란?

• 인터넷이란 컴퓨터로 연결하여 TCP/IP라는 통신 프로토콜을 이용해 정보를 주고받는 컴퓨터 네트워크이다
• Data를 전달하는 장치들이 이루는 거대한 network(망)
• Application에게 통신 서비스를 제공하는 존재
• application to application으로 데이터를 전달하기 위해 네트워크를 이용하는 것 자체
  시초는 ARPANET으로 미국 국방부에서 군사 목적으로 만들었다. 이후 대학교등이 보유한 컴퓨터를 이용해 네트워크를 연결하여 점점 확대

구성

• 여러 형태의 sub-network들로 구성되어있다
• 다양한 entity로 이뤄져있다
  • network edge : 자동차, 노트북, 휴대본 등 네트워크를 이용하는 말단 노드(디바이스) 부분
  • access network : edge에 해당하는 기기들이 인터넷에 접속하기 위해서 사용하는 네트워크로 sub-network의 기반이 되는 기술
  • network core : 도시간의 통신, 국가간의 통신 등 기반 망의 중점이되는 척추같은 부분

network edge

End System

• 인터넷과 연결된 가장 말단의 존재
• 앱을 구동하는 존재 - web browser, email client ...
• Iot의 발전으로 사물과 인터넷의 경계가 허물어지면서 사물들이 edge로서 점점 확대되고있다

access network

End System이 Internet의 첫부분과 연결되는 구간, Edge router (라우터 중 Edge)
Home

• FTTH(Fiber to the Home), cable internet access 등 (예전 구리 전화기선이 아닌 광 랜을 가정집마다 연결하는 구조)

Enterprise

• LAN : Ethernet & WiFi (사설 wifi)

WAN

• 3G, LTE, 5G 등

무엇을 통하여 인터넷에 접근하냐를 구분짓는 access network [무선(wifi, lte, 5g ...), 유선 등]

network core

네트워크의 핵심 부분
end system의 정보를 실어나르는 척추역활

• end system에서 전송한 데이터를 인터넷 사업자 별 집중 국사에서 받아서 인터넷 망으로 연결시켜준다

packet switch 기반으로 동작

• router
• link-layer switch
• 이들을 통해 패킷을 내가 원하는 곳으로 전달하는 역활을 한다

Store-and-forward transmission 방식

• 버퍼 방식으로 먼저 온 것들을 보내주고 뒤에 온것들을 저장했다가 보내주는 형태를 갖는다

Packet
Internet에서의 정보를 전달하는 전송 기본 단위

• host에서 또다른 host로 보내기 위해 만든 data 뭉치
• packet switch / router는 이 packet 단위로 전달을 처리
  • IP address / route
  • 라우터의 복잡도에 따라서 A 패킷, B 패킷, C .. 로 전달할 데이터를 나눠서 다른 라우터로 보내서 처리하게 된다

Packet Switching (PS) network

• packet기반으로 전달을 하는 통신 네트워크
• 모든 통신이 packet형태로 정보전달이 이뤄진다
• 가장 대표적인 사례가 Internet

Store and Foward Transmission
PS network 내 정보 전달의 기본 원리

• Packet switch는 Packet을 수신하고나서 저장한 다음에 전달한다
• 수신하고 buffer에 저장 (store), 이후 전달 (forward)
• delay time : switch까지 전달한 시간 + switch에서 목적지로 전달한 시간

Congestion
여러개의 입력 node와 연결된 Packet Switch에서의 혼잡 현상 (bottle neck)

• Queueing
• 혼잡 현상을 해결하기위한 것으로, 패킷 스위칭에 대기열이 있어서 해당 대기열에 패킷들이 쌓이고 무엇부터 빼서 보낼지는 Queueing에 설정된 알고리즘(프로토콜)에 맞춰서 전달된다
• Packet Loss
• 너무 많은 패킷으로 인한 정체현상이 발생하게 될 경우 패킷이 손실되는 경우가 발생한다. 손실이 발생하지 않도록 하기 위해 라우터들의 네트워크를 효율적으로 사용하는 것이 필요하다

Router
연결된 여러 출력 node에게 Packet을 적절히 전달하게 된다

• Forwarding table
  • outbound link와 destination address간 mapping
  • packet의 destination을 forwarding table과 대조하여 outbound link를 선택
• 패킷들을 어떤 포트로 내보낼지 정해놓는 등, router들 사이에서 패킷을 전달하기 위한 규칙
• Routing protocol기본 기법은 shortest path로 destination과 가장 가까운 라우터를 선택하는 방법이고, 가장 정체도가 낮은 라우터를 고르는 기법등 다양한 방법이 있다
• 패킷 전송시 자동으로 forwarding table을 생성하는 기법이다

Curcuit switching
ISDN, PSTN (공중 전화망)

• 하나의 호(Call) 연결이 end-system 간 모든 자원을 점유한다 (통화(연결)중에는 외부에서 해당 자원을 사용할 수 없다)
  이에 반해 Packet switching은 패킷을 보낼때마다 사용을 멈추고 재개할 수 있다
• 자원을 점유하므로 통신자체에서의 정체, Queueing, packet loss가 없으나 자원의 점유로 인한 정체가 발생 할 수 있다

서비스 관점에서의 Internet

end to end를 위해 사용하는 서비스
API - application programming interface

• End System/application에게 Internet이란 Packet을 보내는 수단
• Internet으로 하여금 packet을 제대로 보내게 하기위한 가이드 혹은 규칙

API의 예시 - Postal Service API

• 봉투 기재 - 보내는 이, 받는 이, 우표
• 우체통 투입

위 과정에서 우편이 어떻게 보내지는 어떤 처리과정을 거치는지 알필요 없이 필요한 값만 적고 전달하면 알아서 전달해주는 것

application API도 마찬가지로 인터넷을 통해 데이터를 전달하고자 할때, API를 기반으로 소프트웨어를 작성을 하면 알아서 인터넷으로 전달을 해주는 구조이다 (인터넷의 내부 과정을 모르더라도)

Protocol

Internet내에서 각 entity들의 동작 그 자체

• 정보 송수신에 대한 기능적 실체
• HW/SW간 서로 메시지를 주고받으며 상호작용을 하는 약속
• 주로 주고받는 메시지 + 관련 동작을 정의한다

protocol defines the format and the order of message exchanged between two or more communicating entities, as well as actions taken on the transmission and/or receipt of a message or other event

protocol은 모든 entity간 서로 약속된 것이어야 한다

• 서로 간 약속은 표준을 통해 한다

표준
Internet Engineering Task Force (IETF)

• Request For Commnets (RFC)
• TCP/IP, HTTP, SMTP (simple mail transfer protocol)

IEEE 802 LAN/MAN Standards Committee

• Ethernet, WiFi

3g, lte, 5g 등도 약속된 프로토콜이 존재

용어

Delay
End system간에 Packet이 전달되는데 걸리는 시간
== packet switch에서의 Processing + Queueing(waiting for transmission) + Transmission + Propagation

Throughput
충분히 큰 file을 전송하는 경우 수신측에서 측정되는 전송률(속도)
== 현재 전송 파일 크기(instantneous) / 전송하는 데 걸리는 시간 (average throughput)

• bottleneck link에 depenecny가 걸리는 throughput이 전체 (end to end의 throughput이 된다)

정리

End node의 다양화가 진행되고있다. 모바일 인터넷을 넘어서 IoT의 다양화가 이뤄지고있다
서비스의 다양화도 이뤄지면서 클라우드 서비스등이 생겨났고, real-time service 등인 보이스톡, 페이스타임 등이 생겨났다
이에 맞춰서 Traffic도 증가하고있다

Trend
faster & cheaper, more "intelligent" (서비스의 요구사항에 맞춰서 네트워크가 진화), 인터넷, 웹, 응용프로그래밍 emerged as dominant features, Mobility (클라우드 컴퓨팅 - 컴퓨터에서 보던것을 바로 휴대폰에서 보는 형태부터 자동차로의 이동 등)