IT, FIRE, License and Daily life

<프로토콜 계층 구조>

- 사용자 데이터는 전송 계층 프로토콜인 TCP로 전달

- TCP는 몇 가지의 기능을 수행하며 역시 자신에게 전달되어 온 PDU에 세그먼트(Segment)라고 불리는 헤더를 덧붙임

- TCP는 상위 계층으로부터 전달되어 온 PDU를 데이터로 간주

- TCP가 자신이 구성한 세그먼트를 네트워크 계층으로 전달.

- IP도 데이터그램(Datagram)을 하위계층으로 전달

- 데이터링크 계층은 다시 헤더와 트레일러(Trailer)를 덧붙임

- 데이터링크 계층에서 구성된 데이터 단위는 프레임(Frame)이라 부르며 물리 계층에 의해서 네트워크로 보내짐

<MAN(Metropolitan Area Network)>

- LAN과 LAN을 연결하는 네트워크 구성 방법 중 하나.

- 하나의 대도시에 흩어져 있는 기업 네트워크를 하나로 묶는 통신 서비스를 제공.

- Backbone 네트워크로 가는 길목 역할을 함.

매트로 액세스 네트워크(가입자, 기업)는 가입자 네트워크가 된다. 가입자들은 CO(Central Office)라고 불리는 가까운 전화국으로 연결되어 있으며, 각 CO는 링 구조로 연결되어 있다.

CO들은 POP(Point Of Presence)라고 하는 백본 네트워크와 연결시켜주는 대형 전화국과 연결되어 있으며, POP는 각 도시를 연결해주는 백본 네트워크로 데이터를 주고받는 역할을 하고있다. 

MAN에서 ATM과 SONET은 DQDB가 지원하는 최대 대역폭인 155Mbps를 훨씬 넘는 기가비트급 대역폭을 제공하고 있다. 또, 링 형태로 백본 네트워크와의 가교역할을 하는 구간을 메트로 코어라고 하고, 가정이나 기업에서 메트로 코어로 접속하는 기능을 제공하는 지역을 메트로 엑세스라고한다.

가입자 망을 백본 망으로 연결해주고, Metro Core가 존재함으로써 모든 트래픽이 백본을 거치는 것을 방지해서 백본 망 활용도를 상승시킨다.

<MAN의 구성>

- SONET/SDH는 광 선로를 기반으로 하는 고속 통신 지원

- CO에서 유입되는 대용량 데이터 전송에는 SONET/SDH와 같은 광대역 통신망 필요

- SONET은 원래 음성 전화망에 기반하였음(TDM으로 운용)

- ADM을 이용하여 효과적인 링 관리 수행

Add : CO에서 링으로 데이터 전송

Drop : 링에서 CO로 데이터 흘림

Mux : Add/drop되는 데이터와 Bypass되는 데이터를 다중화함

- CO는 ADM을 통해 링 구간을 지나는 모든 트래픽을 받아보지 않기 때문에 모든 데이터를 검사하는 오버헤드가 감소한다.

<SONET/SDH 이중 링 구조>

SONET은 두개의 링 중 하나를 데이터 전송용으로 사용하고, 다른 하나는 데이터 전송 회선에 문제가 생겼을 경우 예비 데이터 전송을 위해서 사용한다.

오른쪽 그림처럼 장애가 발생하면 ADM은 이를 감지하고 데이터 전송 경로를 변경하여 데이터 전송 상에 문제가 발생하지 않게 한다. 이러한 장애복구는 50ms내에 수행된다.

100Gbps를 사용한다고 가정했을 경우 100Gbps * 50ms = 5 * 10^9bit가 없어진다.

만약 시간이 더 적게 든다면? 100Gbps * 1ns(나노) = 100bit가 없어진다. (손실)

이렇듯 절체시간(장애 복구 시간)이 작으면 작을수록 손실되는 bit수가 적은 것을 알 수 있다.

<MAN의 문제점>

MAN은 TDM기반의 SONET/SDH의 회선 교환 네트워크 형태로 이루어져 있다. SONET은 음성 서비스를 위해 설계된 네트워크 이기 때문에 음성 트래픽에는 적합한 구조이다. TDM을 기반으로 DS0부터 T1, T3 등의 다중화를 거쳐 SONET을 이용하여 전송하는 것이 일반적이었다. 음성 서비스는 지속적인 트래픽을 발생시키기 때문에 TDM이 매우 적합하지만 한번의 클릭으로 페이지를 다운받고, 다시 클릭하여 요청하는 식의 순간순간 발생하는 데이터 트래픽에 대해서는 매우 부적합하다.

음성 트래픽의 경우에는 슬롯이 사용자에게 할당되면 사용자는 전화를 끊기 전까지 지속적으로 트래픽이 발생하기 때문에 네트워크의 효율이 상당히 좋은 것을 볼 수 있다.

아래 데이터 트래픽의 경우 트래픽이 지속적이지 못하기 때문에 사용자가 전화접속을 통해서 타임 슬롯을 고정적으로 할당 받게 되더라도 사용량을 불규칙하며 빈 슬롯이 발생한다.

<가입자 망의 접속 형태 변화>

백본 : Terabit(1012 [b/s])까지 기술 향상

TDM 기반의 SONET으로 연계되는 MAN구간은 폭발적으로 증가하는 가입자 망의 트래픽과 백본망에서 유입되는 대량의 트래픽 사이에서 병목현상을 유발시켜 전체적인 망의 효율을 저하시키고 있다.

<DQDB(Distributed Queue Dual Bus)>

DQDB는 이중버스형태로 구성되어 있고, 분산 큐라고 하는 큐잉 방식을 이용하여 전송하기에 앞서 미리 준비된 큐에 데이터를 삽입하고 자기 차례가 되었을 때 전송하는 방식이다.

왼쪽이 버스구조, 오른쪽이 링구조

[DQDB의 특징]

- DQDB(Distributed Queue Dual Bus)/MAC계층에 해당

- 보통 반경 25[km] 이내에 있는 LAN의 상호 연결

- IEEE 802.6 표준에 정의된 전송방식

- 광케이블이나 동축 케이블을 이용

- E1(2.048[Mbps])에서 STM-1(155.520[Mbps])까지의 전송속도

- 회선교환(음성,동화상) 및 패킷교환(파일데이터)서비스 모두 제공

- 이중 버스 구조를 갖는 DQDB에서 버스의 양쪽 시작 부분에 53바이트의 슬롯을 주기적으로 생성하는 슬롯 생성기(Slot Generator)가 있다. 

- 각 노드는 데이터 링크 계층내의 MAC계층 데이터를 48바이트씩 받아 5바이트의 헤더를 붙인 후 53바이트를 만들어 가용한 슬롯에 실어 전송

- 스트림

BUS A에서 노드 A는 노드 B의 하향 스트림

BUS B에서 노드 A는 노드 B의 상향 스트림

- 각 버스의 시작 노드(슬롯 생성기)에서 빈 프레임 슬롯 생성

- 각 노드는 빈 프레임을 받았을 때만 전송가능

- 버스의 마지막 부분으로 갈수록 가용 대역폭이 줄어드는 기아(Starvation) 현상 발생 - 해결책으로 분산 큐가 고안됨.

[분산 큐 구조]

- 기아 (Starvation) 현상 방지

- 각 노드는 자신이 연결된 각 버스당 하나씩의 큐를 생성

- 해당 버스를 지나는 슬롯 내에 예약정보가 오면 정보를 큐에 삽입

- 자신이 데이터를 전송하고자 할 때 큐에 삽입

- 지나가는 슬롯에 예약정보를 삽입

- 예약은 반대편 버스를 통해 수행

노드 A는 버스 A에서 버스 B에 대한 전송 예약을 할 때 첫 번째로 예약을 했다. 노드 A는 슬롯 생성기에서 최초의 슬롯을 받으면 예약된 첫 번째 가용 슬롯임을 인지하고 자신의 데이터를 슬롯에 실어 전송한다. 나머지 버스들도 버스 A에서 예약한 순서대로 버스 B의 해당 슬롯에 자신의 데이터를 삽입하여 전송한다

<DQDB 프레임 구조>

- B(Busy) : 현재 셀에 유효한 데이터가 있는지 여부를 표시

- ST(Slot Type) : 전송 슬롯의 두 가지(Data/Real-Time Data) 유형을 나타냄. Data는 문자, Real-Tile Data는 오디오, 비디오(연속적인 신호)

- R(Reserved) : 슬롯을 예약하기 위해 사용하는 비트

- PSR(Previous Slot Read) : 슬롯을 읽은 노드에 의해 0으로 변경(슬롯을 이전 노드가 읽었는지의 여부)

- RQ(ReQuest) : 3개의 비트를 이용하여 전송 우선권을 구분하는 것으로 각 노드에서 예약을 할 때 설정(숫자가 높을수록 우선권이 높음)

- Type : 일반 데이터, 제어용 데이터 등의 MAC Frame 데이터에 대한 유형을 구분

- Priority : 전송 우선순위를 명시

- CRC(Cyclic Redundancy Check)-8 : 에러검출용(x8+x2+x+1)

<SMDS(Switched Multimegabit Data Services)>

- Mesh형으로 구성

- MAN과 WAN에서 고속 통신을 지원하기 위해 고안

- 비연결(Connectionless) 지향형 고속 통신서비스 제공

- T1/1.5[Mbps] ~ T3/45[Mbps]를 지원하는 광 선로기반 링 구조

- 스위칭 시스템을 통해 효율적인 망간 연결 제공

<IEEE 802.11b>

최대 11Mbps의 고속무선 LAN의 표준이다. 주로 사무실과 가정의 PC를 LAN에 접속하기 위한 무선 통신규격으로 2.4GHz에서 2.497GHz 사이의 ISM(Industrial, Scientific, and Medical band) 대역 주파수를 사용한다.

물리층과 MAC의 프레임 형식은 IEEE 802.11b를 사용하지만 LLC는 IEEE 802.2의 유선의 이더넷이나 토큰링과 같은 방식을 사용한다.

유선 이더넷과 더불어 고속 데이터 통신이 가능하고, 변조 방식으로는 직접 확산(Direct Sequence; DS)방식을 사용한다.

물리매체 제어 방식으로는 CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)를 사용한다.

<IEEE802.11a>

실내용:

5.150 ~ 5.250[GHz] : 50[mW],

5.250 ~ 5.350[GHz] : 250[mw] 전력으로 제한

실외용:

5.725 ~ 5.825[GHz] 대역은 최대 전송 전력이 1[W]로 제한

기존 이더넷의 전송 속도를 향상시키기 위해 나타난 기술이다. IEEE 802.3u로 규격화하였으며, 이더넷 프로토콜을 사용하여 데이터 전송 속도를 100[Mbps]로 향상 시킨 이더넷 표준의 확장이다. 기존의 CSMA/CD 프로토콜을 사용하면서 이더넷의 대역폭을 증가시켰다. 최대 케이블 길이를 줄이고, 최소 프레임 길이는 기존의 이더넷과 동일하게 함으로써 전송속도를 향상시켰다.

- Convergence Sublayer(CS) : 다른 전송 매체를 이용하여 높은 전송 속도로 전송하기 위한 MAC계층과 Physical Medium-dependent 사이의 인터페이스를 제공.

- Media Independent Interface(MII) : 40pin으로 구성된 커넥터로 특정 규격이 아닌 다양한 규격의 매체와 연결할 수 있는 일종의 미디어 어뎁터이다.

<기가비트 이더넷>

​100Mbps를 지원하는 고속 이더넷의 등장 이후, 대역폭을 지원할 수 있는 고속 네트워킹 기술이 필요했다.

기존의 이더넷에서 지원하지 않던 음성, 영상인 멀티미디어 데이터 활성화로 인한 서비스 품질(QoS:Quality of Service)충족이 필요하였다.

그래서 기가비트 이더넷 기술이 등장하였다.

IEEE802.3z 기가비트 이더넷 태스크 포스(task force)가 설치되었다. 주요 네트워크 및 서버 업체들이 모여 GEA(Gigabit Ethernet Alliance)를 설립하였고, IEEE802.3의 표준화 활동에 기여하였다.

기가비트 이더넷 프로토콜 구조인데, 물리층 규격은 파이버 채널을 기본으로 8B/10B 부호화 방식을 채택하였다. 기존의 IEEE802.3 이더넷도 채택하였다.

기가비트 이더넷의 전송매체로는 기본적으로 광섬유는 사용하였다.

1. 1000Base-SX (S : Short Wavelength) : 멀티모드 광섬유 상에서 단파장(850nm/353[THz]) 레이저를 사용하여 송수신 한다.

2. 1000Base-LX (L : Long Wavelength) : 멀티모드와 싱글모드 광섬유상에서 장파장(1310nm/229[THz]) 레이저를 사용하여 송.수신 한다.

3. 1000Base-CX (C : Coaxial) : 2심 동축케이블을 사용하는 단거리 접속용 구리선 방식이다.

※ 1000Base-T는 4쌍의 카테고리 UTP케이블을 사용하여 1Gbps의 데이터 전송을 실현할 목적으로 IEEE802.ab 태스크 포스에서 표준화가 만들어졌다.

즉, 기가비트 이더넷 관련된 표준으로는 IEEE802.3z (1000Base-X : 광) 와 IEEE802.3ab (1000Base-T : UTP)가 있다.

2. IEEE 802.3 프레임 형태를 그대로 사용했다. (이더넷 네트워크 상호 운영 시 프레임의 변환이 필요 없음)

3. CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection)  MAC 이용

4. 최소한의 충돌 감지를 위하여 프레임 크기를 64바이트에서 512바이트로 확장하였다.

기가비트 이더넷에서는 64바이트의 최소 프레임 길이를 사용하여 1[Gbps] 전송속도를 지원하기 위하여 캐리어 확장(Carrier Extension)과 데이터 전송효율을 높이기 위한 기술로 프레임 버스팅(FrameBursting)을 사용한다.

​

- 캐리어 확장(Carrier Extension)

최소 캐리어 슬롯 타임을 기존 64바이트 타임에서 512 바이트 타임으로 확장하고,실제로 전송되는 프레임의 길이는 변함 없다. 송신측에서 일종의 패딩(Padding)을 추가하고, 수신측에서는 이를 무시한다.

예) 송신할 데이터의 크기가 46바이트인 경우 캐리어 확장으로 448바이트의 패딩을 추가하여 512바이트의 길이로 만들어 전송한다.

- 프레임 버스팅(FrameBursting)

512바이트 미만의 짧은 프레임 전송 시, 패딩으로 인한 전송 효율의 저하를 줄이기 위한 방법이다.

여러 개의 짧은 프레임 전송 시, 짧은 프레임들을 모아서 한번에 보내는 방식이며,한 호스트가 최초의 프레임을 충돌 없이 송신 완료한 후에 캐리어를 해제하지 않고 다음 프레임을 송신한다.

[기가비트 이더넷 계층구조]

MDI(Medium Dependent Interface) : 다양한 방식의 매체에 대한 실제 물리적 연결을 정의하는 물리계층 인터페이스

<스위치 내부 구조 3가지>

대부분 스위치는 ASIC 칩을 이용해서 구성되는데, 하나의 큰 ASIC 칩을 이용하는 것과 그것보다 좀 더 작은 ASIC 칩의 배열을 이용하는 것이다.

점대점 연결을 최적화하기 위해 설계된 것으로, 마치 여러 개의 도로가 하나의 교차로를 지나는 형태와 유사하다.

트래픽이 많지 않을 때는 Cut-Through 스위치처럼 프레임을 버퍼에 저장하지 않고 출력 포트로 전송할 수 있다.

입력 버퍼들이 하나의 주 메모리에 있는 구조이다. 스위치가 프레임을 주 메모리에 저장하는 구조로 Store-and-Forward 스위치로 동작한다.

스위칭 ASIC 칩들 사이에 고속의 데이터 버스가 연결되어 있다.

데이터의 병목 현상이 없어 Non-blocking 스위치라고 여겨진다.

<Cut-Through>

전체 프레임이 수신되기를 기다리기 것 대신 프레임의 송신지 및 수신지 주소를 얻기 위해 프레임의 첫 번째 몇 바이트만 읽는다. 해당 프레임은 에러 검사 없이 목적지 세그먼트로 전달된다. 프레임의 중계시간을 최소화한 방식이다.

프레임의 최소 규격 64바이트보다 작은 런트 프레임과 CRC에러에 대한 검출을 할 수 없다는 점이 단점이다. 복수 개의 포트에서 어느 한 포트로 프레임이 동시에 전송될 때, 한 포트만이 프레임을 전송할 수 있고, 나머지 포트의 프레임을 버퍼에 저장하거나 폐기해야 하는데, 트래픽이 많은 상황에서는 자주 발생하는 상황이다.

<Interim Cut-Through>

Cut-Through의 단점 중 크기가 작은 런트 프레임의 중계를 막는 기능을 보완하였다. 수신하는 프레임의 시작부분부터 버퍼에 저장하기 시작한다. 저장한 프레임의 길이가 64바이트 이하인 경우 버퍼에서 삭제한다. 런트프레임을 처리할 수 있음.

<Store-and-Forward>

프레임을 전송하기 전에 전체 프레임을 수신하는 방식이다. 해당 프레임 전체를 버퍼에 저장하고, 에러 검사를 한 후에 중계한다. 에러가 발생한 프레임이면 버리고, 그렇지 않으면 전송해준다.

장점은 CRC, 런트 프레임 검사에 대한 오류 검출 가능.

단점은 버퍼링하는 과정에서 프레임의 대기 시간이 길다.

<입출력 포트>

LAN 스위치는 2계층 상에서 여러 개의 네트워크를 연결할 때 사용된다. LAN 스위치에는 많은 종류의 물리적 인터페이스가 존재한다.

​

1. 액세스 포트

스위치가 LAN 상에 있는 각 호스트를 연결하기 위해 사용하는 물리적인 인터페이스이다.

2. 네트워크 업링크 포트

스위치 구성 상 한 스위치가 다른 스위치와 연결할 때 사용하는 포트이다.

네트워크 업링크 포트는 몇 개의 액세스 포트로부터의 트래픽을 전송할 수 있는 적절한 대역폭을 가지고 있어야 한다는 것이다.

<스위치의 동작>

1. Filter/Forward 로직 (필터/전송 로직)

수신한 프레임의 목적지 주소를 전송 로직에서 검사하고, 송신지 주소 테이블의 엔트리와 비교한다.

만약 프레임의 목적지 주소가 테이블에 존재하고 목적지의 위치가 수신한 포트가 아닌 다른 포트라면 프레임을 해당 포트로 전송한다. 하지만 현재 프레임을 수신한 포트와 목적지가 같다면 그 프레임을 폐기함으로써 필터링한다. 만약 테이블에 목적지 주소에 대한 정보가 없다면 해당 프레임을 모든 포트로 플러딩 시킨다.

2. Learning Logic (학습 로직)

스위치가 처음 초기화될 때에는 LAN상의 각 호스트의 MAC정보를 전혀 가지고 있지 않다. 스위치의 학습 로직은 호스트들의 MAC주소들을 프레임이 수신될 때마다 주소 테이블에 갱신한다. 테이블에 기존 프레임이 있다면 시간 타이머를 갱신하고, 없다면 학습한다.

3. Port Interface (포트 인터페이스)

1계층의 정보를 2계층의 MAC 프레임으로 변환한다.

4. 송신지 주소 테이블 (Source Address Table)

LAN스위치는 테이블에 기초하여 프레임의 흐름을 제어한다. 테이블에는 MAC주소와 관련된 포트들로 구성된다. 테이블의 크기는 제한적이기 때문에, 하나의 LAN 스위치가 담당할 수 있는 MAC 주소의 수는 제한적이다.

다음은 테이블을 도식화 한 것이다.

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<LAN 스위칭>

네트워크를 실시간으로 사용하고자 할 경우 혹은 대용량의 데이터 전송하는 경우에는 기존의 공유매체를 사용하는 LAN은 적절하지 못하였다.

ASIC 기술의 발전으로 스위칭을 CPU가 아닌, ASIC이라는 하드웨어가 수행하게 함으로써, 스위칭 속도를 획기적으로 향상시킬 수 있었다

스위치의 포트에는 많은 호스트들이 연결된 하나의 세그먼트 혹은 하나의 호스트로 연결이 가능하다. 그 하나의 세그먼트는 CSMA/CD로 하나의 충돌 도메인이 된다.

LAN호스트가 직접 연결된 경우 송수신을 동시에 할 수 있어 충돌이 없는 전이중 전송이 가능하다.

<스위치의 종류>

1. 비대칭 스위치, 대칭 스위치

대칭 스위치는 동일 대역폭을 가진 LAN 세그먼트에 대한 스위칭을 말한다.

비대칭 스위치는 다른 대역폭을 가진 LAN 세그먼트에 대한 스위칭을 말한다.

2. 2계층 스위치

데이터 링크 계층에서 동작하는 스위치이다. 네트워크를 여러 개의 네트워크로 분리하거나 여러 개의 작업그룹을 생성하는데 사용한다. MAC주소를 기반으로 적절한 포트로 전송된다. MAC 주소를 학습하며 스위칭 테이블을 생성, 갱신한다. 이 테이블을 기반으로 하여 프레임을 전송한다.

3. 3계층 스위치

하드웨어를 사용한 라우터의 한 형태이다. ASIC 스위칭 기술을 이용하며 OSI 참조 모델의 네트워크 계층에서 동작한다. 스위치는 입력 포트로부터 패킷을 수신하고 IP와 같은 논리적인 주소를 기반으로 적절한 포트로 해당 패킷을 전달한다.​

​

4. 4계층 스위치​전송계층에서 동작한다.  TCP, UDP와 같은 프로토콜이 인터넷 프로토콜의 전송계층으로 TCP 헤더는 송신지 포트 번호와 수신지 포트 번호를 가지고 있다. 포트 번호를 기준으로 패킷을 전송한다.

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