#2. 네트워크 엣지
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이 포스팅은 K-MOOC의 부산대학교 유영환 교수님의
컴퓨터 네트워킹 수업 내용을 기반으로 작성되었습니다.
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네트워크는 구조적으로 네트워크 엣지(Edge)와 네트워크 코어(Core)로 나뉜다.
이번 포스팅에서는 네트워크 엣지에 대한 내용을 주로 정리하고,
다음 포스팅에서 네트워크 코어에 대한 내용을 정리하고자 한다.
# 네트워크 엣지
- 인터넷의 말단 부분이다.
- 즉, 여러개의 네트워크로 이루어진 인터넷에서 말단 부분에 위치한 '네트워크'이다.
- 일반적 사용자들이 존재하고 있는, 사용자들이 직접 접하고 있는 네트워크이다.
- ex) 모바일 네트워크, 홈 네트워크, 기관 네트워크
- 인터넷의 말단 부분은 네트워크 엣지이고,
네트워크 엣지의 말단 부분은 End Host라 할 수 있다.
# 네트워크 코어
- 엣지 네트워크들을 연결해주기 위해 그들 중간에 위치한 네트워크
# 네트워크 엣지의 구성요소
- 클라이언트( Client )와 서버( Server )
- 서버 = 구글 서버, 네이버 서버... ( On-premise, Cloud )
- 데이터센터의 복수개의 서버가 존재하고, 이를 통해 하나의 서버가 문제가 발생하면, 다른 서버가 서비스할 수 있도록 처리한다.
# 네트워크 코어의 구성요소
- 라우터(Router), 스위치(Switch) ... - 엣지 네트워크를 연결해주는 중간 역할.
# 엣지 네트워크
- HW : Host ( Client + Server )로 이루어져 있다.
- End System 이라고 불린다.
- 이러한 End System을 네트워크 코어에 실제로 연결해주는 네트워크가 필요하다.
- 이를 엑세스 네트워크(Access Network)라고 한다.
# 엑세스 네트워크
- 사용자가 자신의 모바일 장치나 랩탑, 컴퓨터를 가지고 ( = Host, Device ) 네트워크에 접속하는
최초의 접속점( 이를 Edge Router 라고 한다. )과 연결시키기 위한 네트워크 - 엑세스 네트워크의 종류에는
Residential Access Networks , Institutional Access Networks, Wireless Access Networks 가 있다.
# 엑세스 네트워크의 종류
- Residentail Access Network
- 홈 네트워크
- Institutional Access Network
- 학교/회사같은 기관 네트워크
- Wireless Access Network
- 무선 전화망( Cellular Network )으로 접속 / 와이파이( Wi-Fi )로 접속
<Residential Access Netwrok>
#1. DSL ( Digital Subscriber Line)
- 기존의 전화망을 이용한 인터넷이다.
- 기존의 전화망(link) 은, 사람의 목소리( 최대 주파수 : 4kHz )를 수용하고 전달하기 위해 설계되었다.
- 알고보니, 이 link는 4kHz보다 높은 주파수도 전달할 수 있는 기능을 가지고 있다는게 밝혀졌다.
- 그러면, 4kHz보다 높은 영역의 남는 잉여 주파수에 디지털 데이터를 담아서 전달할 수 있을 것이라는
생각을 사람들이 하게되었다. - 이를 적용한 인터넷 방식이 DSL이고, 이는 최초의 가정에서 인터넷을 사용한 예이다.
- Voice over a phone line to telephone net
- Data over a phone line to the Internet
- 음성/데이터가 동일한 라인을 타고 기지국에 도착하면, 기지국에 위치한 DSL Access Multiplexer가
두 개의 웨이브(파형)을 분리하여, 저주파( 4kHz 이하, 사람 목소리 )는 전화망으로 내보내고,
고주파( 4kHz 이상, 디지털 컴퓨터 데이터)는 인터넷으로 내보낸다.
<Residential Access Network>
#2. Cable Network
- 뒤에서 다루겠지만, 케이블은 전송할 수 있는 데이터의 폭(=파형)이 넓다.
케이블 회사에서 전체 사용하고 있는 데이터 폭들을 여러 개의 서로 다른
파형을 가진 채널로 나누어서 데이터를 전달할 수 있다. - 이 채널중 일부를 인터넷 데이터를 전달하기 위한 채널로 사용한다.
- 이런 케이블 선에서 전송된 데이터를 케이블 모뎀 터미네이션 시스템(CMTS)에서
파형에 따라 나누어 인터넷을 담은 파형의 데이터를 네트워크 코어에 전달한다. - 전달하는 매체만 다를 뿐, DSL과 같은 방식으로 동작한다.
<Residential Access Network>
#3. Fiber-to-the-Home( FTTH )
- 우리나라에서 가장 일반적인 인터넷 사용 형식
- 가정의 거의 앞까지 광케이블이 깔린다.
- 광케이블은 DSL 라인 / Cable 보다 훨씬 더 전달할 수 있는 데이터 양이 많다. ( 이유는 후술할 예정 )
- 광케이블( 빛의 형식으로 데이터를 전달한다.)을 집 앞까지 끌고옴으로써 각 가정에서 사용할 수 있는 통신 용량을 최대화할 수 있다.
<Institutional Access Network>
- 기관 네트워크로, Ethernet을 기반으로 한다.
- Ethernet( 이더넷 )은 회사, 학교등에서 주로 이용한다.
- 전송속도는 시간이 가면 갈수록 발전하여 10Mbps, 100Mbps, 1Gbps, 10Gbps (bps : bits per second, 통신 속도의 단위)까지 늘어났다.
- 우리가 보통 쓰는 랜카드는 이더넷에 속한다.
- 각각의 컴퓨터에 이더넷 카드를 꽂고, 이들이 이더넷 스위치(Ethernet Switch)에 모여서
이 스위치가 실제 외부 라우터(=Edge Router)에 연결되는 형태이다. - 와이 파이로 접속한 데이터들이 모여서 이더넷 스위치로 전달될 수도 있다.
- 기관의 웹 서버/메일 서버( 일종의 Host )도 기관 네트워크에 포함되는데,
이 또한 이더넷 스위치를 통해서 외부 인터넷에 접속할 수 있다. - 많은 기관들에서, 이더넷을 기반으로한 기관 네트워크(a kind of Access Network)를 많이 이용한다.
<Wireless Access Network>
- 무선 엑세스 네트워크
- 우리가 무선으로 많이 쓰는 네트워크에는 두가지 종류가 있다.
- Wi-Fi라고 불리는 Wireless LAN
- 휴대전화망 : Cellular Network
# Wireless LAN ( Wi-Fi )
- 2003년 표준 : 802.11g ( 54Mbps )
- 2009년 표준 : 802.11n ( 450Mbps )
- 2014년 표준 : 802.11ac ( wave1 - 886.7Mbps )
- 2016년 표준 : 802.11ac ( wave2 - 1.73Gbps )
- 시간이 지남에 따라 기하급수적으로 데이터 이동 속도가 증가함을 알 수 있다.
# Cellular Network
- 3G, 4G LTE, 5G
- 3G = 1Mbps / person
- 4G = 10Mbps / person
- 5G = 100Mbps / person
예전에는 무선 네트워크가 유선 네트워크를 보조해주는 정도의 역할이었으나,
이제는 대부분의 갖어에서도 유선없이 무선으로 네트워크에 접속하는 경우도 많아졌다.
한편, Cellular Network의 경우, Wi-Fi가 공유기가 있어야만 사용가능하여, 직장/가정같은 한정된 공간에서만 사용할 수 있는데 반해, 언제 어디서든 사용할 수 있다는 점의 '이동성' 측면에서 우위를 점하고 있다. ( 물론, 데이터 전송 속도 = Transmission Rate ∝ Network Bandwidth 는 Wi-Fi가 더 빠르다. )
이 때까지 살펴본 것처럼, Edge Router를 통해 네트워크 코어에 접속하기 위한
다양한 Access Network가 존재하고, 이 Access Network에 접속하는 호스트( Host = Server + Client )를
End Host라고 한다.
# End Host
- 각각의 End Host상에는 Application Program이 돌아간다.
- Application Program은 End Host에게 다른 End host상의 Application Program과
"통신"(=데이터를 주고받는 행위)을 할 수 있게 해달라고 요청한다. - Application이 End Host에게 보내는 메시지의 크기는 작은 크기의 메시지도 있지만,
굉장히 사이즈가 큰 것도 존재한다. ( ex. 음악 : 4MB, 10MB..., 영화 : 4GB, 6GB, 8GB... ) - 큰 메시지(=데이터)를 한꺼번에 보내려고 하면, 중간에 에러가 발생하여,
그 데이터 전체를 쓰지 못하게 될 확률이 높다. ( ex. 무선 랜 같은 경우, 주변 연결 환경이 변화하여서..) - 그렇기에, 보통 네트워크마다 MTU ( Max Transfer Unit, 한번에 전달할 수 있는 데이터의 최대 크기 )를
정해 놓는다. - 따라서, End Host들은, Application Program이 보낸 메시지의 크기가 MTU보다 크다면,
- 그것을 잘게 나누어서 보낸다. ( 잘게 나눈 메시지 = 패킷(packet)이라 불린다. )
- 그렇지 않다면, ( 메시지의 크기가 MTU보다 작다면, )
- 그냥 보낸다.
- 즉, 보내는 쪽의 End Host A는 보낼 데이터를 네트워크에서 허용하는 패킷 사이즈(MTU)에 맞게 데이터를 잘라서
엑세스 네트워크에 집어 넣어야 하고, 그 네트워크를 통과하여 상대방 End Host B에 도달하면, 상대방 End Host는
잘라진 Packet을 다시 모아서 조립한 뒤 자신(B)의 위에 돌아가는 Application Program에 조립한 데이터를 전달한다. 이것이 End Host의 역할이다. - 그리고 이런 패킷을 엑세스 네트워크에 넣어 전달할 때 중요한 것은
Link의 Transmission Rate이다.
(ex. Wi-Fi에서 Link Transmission Rate는 11g에서 54Mbps, ac로 가면 1.73Gbps이다.)
이런 것이 높으면 높을 수록, 데이터를 한번에 빨리 보낼 수 있기에, 데이터 전송속도가 늘어난다. - Link Transmission Rate를 상황에 따라서 Link Capacity, Bandwidth라고 부른다.
이제 Access Network의 종류와, Access Network의 종단에 있는 End Host에 대해 알아보았으니, 마지막으로 Host와 Switch( Ethernet의 경우 )또는 Edge Router를 이어주는 Link의 종류에 대해 알아보자.
# Communication Link
- Wired Link ( 유선 링크 )
- Twisted Pair ( 쌍 꼬임선 )
- Coaxial Cable ( 동축 케이블 )
- Optical Fiber ( 광섬유 )
- Wireless Link ( 무선 링크 )
- Frequency ( 주파수 )
# Communication Link : Wired
- Twisted Pair ( 쌍 꼬임선 )
- 전화 발명때부터 사용했다.
- 절연된 두개의 구리(copper)선이 꼬여 있다.
- 두 개의 선이 꼬여있는 이유는, 외부의 노이즈의 영향을 최소화하기 위해서이다.
( 왜냐하면, 쌍 꼬임선을 통한 통신에서 데이터의 추출은 두 선에 흐르는 전류의 전압 차를 이용하는데,
데이터가 이동하면서 주변에서 번개와 같은 외부 전기 노이즈가 발생하면, 선에 전류의 흐름의 세기에
영향을 받을 수 있다. 이 때, 두 선을 꼬아 놓는다면, 외부의 노이즈에 동일한 정도의 영향을 받기에 각
선의 전압의 절댓값은 변해도, '차'는 유지되기 하여, 노이즈에 상관없이 데이터가 올바르게 전송되기
때문이다. ) - 통신 속도는 100Mbps ~ 10Gbps 이다.
- Coaxial Cable ( 동축 케이블 )
- 동축은, 同( 같을 동 ) 軸( 축 축 ), 축이 동일하다는 뜻이다.
- 구리(copper)선을 이용하여 전류를 흘려서 데이터를 전달한다.
- 아주 높은 Bandwidth의 데이터를 전달할 수 있다.
- 전송할 수 있는 데이터의 폭이 넓어서 채널을 여러개 둘 수 있다. ( 위에 서술한 Access Network- 케이블 네트워크 참고 ) 이를 이용해, 케이블 TV로 여러 방송국의 채널을 동시에 볼 수 있다. ( 여러 개의 채널을 두어, 방송 별로 다른 채널을 할당할 수 있게 한다. )
- Optical Fiber ( 광섬유 )
- 빛을 통해 데이터를 전달한다.
- 쌍 꼬임선, 동축 케이블이 구리(copper)선에 전류를 흘려 데이터를 전달하여,
1. 외부 전자기적 노이즈에 대한 영향 ( 쌍 꼬임선-> 영향을 최소화하는 것이지, 아예 영향을 없앨 수는 없다. )
2. 그에 따른 에러율 증가
3. 전류를 흘려보내는 도선의 저항에 의한 신호 감쇠도 증가
4. 낮은 속도 ( 광섬유는 빛을 통해 전송, 쌍 꼬임선/ 동축 케이블 => 전류를 도선에 흘려보냄 : 빛 속도의 2/3 )
와 같은 문제가 발생하는 것을 모두 극복한다. - 데이터의 Carrier (= Link ) 주파수에 비례하여, Bandwidth가 증가하는데,
빛의 파장은 전파의 파장보다 짧고, 이에 따라 빛의 주파수가 전파의 주파수보다 높다.
이에 따라, 빛을 통한 데이터의 전송의 Bandwidth는 쌍 꼬임선/동축 케이블보다 높다
즉, 데이터의 전송 속도 측면에서도 광섬유가 쌍 꼬임선/동축 케이블보다 우위에 있다. - 매년 기술이 발전하여, 점점 더 높은 대역의 빛을 사용할 수 있고, 이에 따라 광섬유의
데이터 전송 속도는 더 증가하고 있다.
# Communication Link : Wireless
- 주파수 대역을 이용한다.
- Bandwidth for each service
- 참고) Bandwidth(대역폭)은 bps, Hz( 파장의 길이 ) 단위를 혼용하여 쓴다.
- Wi-Fi : 2.4GHz, 5GHz
- IMT-Advanced( 4G LTE ) : about 2GHz
- IMT-2020 ( 5G ) : 30GHz ~ 300GHz - 주파수로 변환 시, 1mm~10mm, 밀리미터 웨이브라 부른다.
- 위성 통신 : 1 ~ 40 GHz 중 부분 부분(discrete) 주파수를 사용한다.
- 수(水)상 / 수중에서는 전파가 멀리 가야하기 떄문에 낮은 주파수를 사용하고
- 장애물이 없는 우주같은 경우에는 직진성이 강한 높은 주파수를 사용한다.
- 그 중간의 주파수를 사용하는 서비스의 예에는 AM/FM 라디오 등이 있다.
- The higher the frequency, the stronger the linearity and the faster the attenuation
- 주파수가 증가할수록, 직진성이 강해지지만, 신호 감쇠율 또한 커져 ( 직진하여 가다보니 장애물이 생기면 신호가 소멸 ) 넓은 범위로 전달되지 못한다.
- 내 서비스가 커버해야하는 Range에 따라 사용하는 주파수가 달라져야 한다.
- 즉, 주파수에 따른 표준 프로토콜을 선택해야 한다.
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