[데이터 통신] 1. 데이터 통신 및 네트워크를 시작하며

본격전인 네트워크에 배우기 앞서 데이터는 어떤 방식으로 통신을 하는지에 대해 알아보는 시간을 가진 후에 다양한 네트워크에 대해서 배워보도록 하겠습니다. 

 

사실상 데이터 통신과 네트워크는 동일선상에 있으며 이어지는 개념이기 때문에 굳이 카테고리를 나눠 분류하지 않고 네트워크에 통합하였습니다.

 

네트워크가 어떻게 이루어졌는지 알기위해서 데이터들이 어떻게 통신을 하고 있는지 먼저 알아보겠습니다.

 

1.1 Data Communications

먼저 간단한 용어 정리를 해보겠습니다.

• 데이터(Data): 어떠한 형태로든 제시되는 정보는 데이터를 가공하고 사용하는 것들에 의해 합의된 형태의 정보이다.
• 데이터 통신(Data communications): 전송 매체를 통해서 데이터들을 두 개의 devices 사이에 교환하는 형태를 말한다.
• 데이터 통신의 기초 성질(Fundamental characteristics of data communication)
  • 전달성(Delivery): 한 사용자부터 다른 사용자 or 한 device부터 다른 device까지 데이터를 전송(delivery)하는 행위
    (원하는 정보를 원하는 곳에 정확히 전달해야 함)
  • 정확성(Accuracy): 데이터를 만들어서 전달했을 때 original 데이터가 도착지점에서 손상되지 않은 상태여야 하는데 original 데이터가 얼만큼 똑같이 전달이 되었는지에 대한 정도를 나타내는 지표
  • 시의적절성(Timeliness): 시의적절하게 전달되어야 함. (적절한 delay를 가지고 도착해야 하는 것)
  • 지체성(Jitter): 패킷(packet)이 도착하는 시간의 편차
    • 각각이 겪게 되는 delay에 대한 차이(variation)
      (예. 영상의 프레임)
    • 예를 들어, 차 10대가 있고, 이 차들을 1대씩 각각 5분 간격으로 서울에서 부산으로 보낸다고 하자. 그럼 이때 부산에서 차가 5분 간격으로 도착한다는 사실은 보장되어 있지 않기 때문에 이로써 발생하는 이러한 차이를 Jitter라고 할 수 있는 것이다.
• 원격 통신(Telecommunication): 먼 거리의 통신을 말한다.
  
  • 그리스어로 'tele'는 'far', 즉 멀다는 뜻을 가진다.

 

데이터 통신을 이루는 다섯 가지 구성요소(Five Components of Data Communication)

데이터가 통신을 할 때는 반드시 아래 다섯 가지의 요소가 존재해야합니다. 

• 메세지(Message): 통신될 정보 혹은 데이터
• 송신자(Sender)
• 수신자(Receiver)
• 전송 매체(Transmission medium): 메세지가 이동하는 물리적인 경로
• 프로토콜(Protocol): 데이터 통신을 관장하는 규칙들의 집합

'데이터 통신'이란 sender와 receiver간 정보를 주고 받을 때 통상적으로 적용되는 규칙(rule)들에 대해 자세히 배우는 이론이라고 보시면 될 것 입니다.

 

데이터 흐름 방향(Direction of Data Flow)

데이터는 어떤 방향성을 가지고 흐르게 됩니다. 그리고 우리는 그 방향에 따라서 통신의 종류를 구분합니다.

1. 단방향(Simplex)
   • 한쪽 방향으로만 이동 가능하다.(Unidirectional)
   • 차도로 따졌을 때 일방통행 도로로 생각할 수 있다.
2. 반이중(Half-duplex): 양방향 이동이 가능은 하지만 그 두 이동이 동시에는 불가능하여 반(half)이중 전송방식이다.
   • 전송하는 것과 전송받는 것 모두 가능하지만 두 과정 동시에 진행하는 것은 불가능하다.
   • 마치 서로 다른 방향을 가진 각각의 일차선 도로와 유사하다.
   • ex) Walkie-talkie(워키토키), CB radio
3. 전이중, 양방향(Full-duplex): 대표적인 방식
   • 송신과 수신을 동시에 진행가능하다.
   • 전화기가 이 방식을 사용하며, 마치 두 방향 모두 이동가능한 도로와 유사하다.
   • 채널(이동 공간) 용량은 반드시 두 방향으로 나뉘어져야 한다.(마치 도로와 같이)
   • 많은 통신 서비스 형태는 full-duplex를 따르고 있다.

 

1.2 네트워크(Network)

• 네트워크(network):통신이 가능한 기기들끼리의 상호 연결(interconnection)
  • 예)이동통신 네트워크
• 기기(Device): 기기에는 두 가지 종류가 존재한다.
  • 호스트(host): 큰 컴퓨터, 데스크탑, 노트북, 워크스테이션, 핸드폰, 보안 시스템 등..(데이터를 생성하고 소비하는 것들)
  • 연결 기기(connecting device): 라우터(router), 스위치(switch), 모뎀(modem) 등..

 

네트워크가 효과적이고 효율적이려면 수많은 기준들을 만족시켜야 합니다.

 

• 성능(Performance): Jitter의 성능, 음악을 들을때 delay의 유무 등
• 안정성(Reliability)
• 보안(Security)

 

연결의 종류(Type of Connection)

1. Point-to-point(점대점)
   • Device끼리 직접 연결하는 방식
   • 두 기기 사이에 전용 선(Dedicated link)이 존재한다.
   • 채널의 전체 용량은 보존된다.
   • ex) Microwave link, TV remote control(TV 리모컨)

 

2. Multipoint(멀티포인트)
   • 여러 device가 하나의 선(single linkt)을 공유하는 방식
   • 무선인 경우, 와이파이를 예로 들 수 있음
   • 두 개 이상의 기기들이 하나의 링크를 공유한다.
   • 채널의 용량은 아래와 같이 두 가지로 나뉜다.
     • 공간적 공유(Spatially-shared): 기기들은 동시에 선을 사용할 수 있다.
     • 시간적 공유(Time-shared): 사용자들끼리 턴을 계속 넘겨주면서 사용하는 것
       
       • 노래방에서 마이크를 돌려가며 노래를 부르는 것에 비유할 수 있다.

 

물리적인 형상(Pysical Topology)

위 그림은 정형화된 형상(topology)를 4가지로 분류된 모습입니다.

 

실제로는 혼합된 형태이거나 불규칙적인 형태의 모습인 경우도 있습니다. 하지만 1장에서는 정형화된 4가지의 topology 에 대해서 각각의 장단점에 대해서 알아볼 것입니다.

 

여기서 자주 쓰이는 단어 Dedicated의 뜻은 오로지 특정한 목적을 위한이라는 뜻을 가지고 있습니다. '이것저것 두루두루 다 하는'의 뜻을 가진 General과는 완전히 상반되는 단어인 것입니다.

 

Mesh Topology(Full Mesh)

• Dedicated point-to-point(전용 점대점) 선이며, 이 선들은 모든 다른 기기들과 하나씩 연결되어있다.
• 한 기기는 자신을 제외하고 다른 모든 기기와 연결되기 때문에 mesh 네트워크에서 총 n개의 노드가 존재한다면 n(n-1)/2 개의 선이 존재하게 된다.(노드=기기)
  • 또한 한 기기는 n-1 개의 I/O port(links)를 갖게된다. 
• 장점:
  
  • 교통량 문제(traffic problem)가 없다.
  • 어느 한 곳에 문제가 생겨도 강인하게 작동한다.(robustness)
  • 보안성이 아주 좋다.(security)
  • 결함 발견(fault identification)과 고립(isolation)에 용이하다. 즉, 어디에 문제가 생겼을 때 해당 기기를 빨리 찾고 그 기기를 차단함에 있어 용이하다.
• 단점:
  • 선을 하나하나 다 끊어야 하기 때문에 설치와 수리가 어렵다.(Difficult installation / reconfiguration)
  • 공간이 많이 쓰인다.(space problem)
  • 가격이 비싸다.(cost problem) 
  • 망(network)의 모양을 바꾸는 것이 어렵다.(다 갈아 엎어야 하기 때문) -> space와 cost 소모
  •  

mesh topology는 특히 서버들이 한 방(좁은 곳에 모여있을 때)에 있을때 그들 사이의 연결을 조금 더 효율적으로 사용하기 위해서 사용합니다.

 

 

Star Topology

• 우리 학교에서도 자주 쓰이는 형태로, 중앙에 허브를 기점으로 별처럼 꼭짓점들이 뻗어나간 모양이다.
• hub는 중앙의 교환소(central controller) 역할을 하며, 무조건 hub를 중심으로 모든 연결이 이루어지며 통신한다.
  • 즉, Device들이 직접 통신하는 경우는 없다.
• Dedicated point-to-point link
• 장점: mesh보다 덜 비싸고, 강인하다(robustness).
• 단점: 한 지점에 강의존성을 가진다. 즉, hub의 의존도가 높다.

 

Bus Topology

• 하나의 (coaxial; 동축) 케이블에 여러 개의 device가 주렁주렁 연결된 형태이다.
  • 마치 버스 손잡이를 기기들이 잡고 있는 모양이다.
• Multipoint(not dedicated point-to-point)
  • 모든 기기를 연결하는 하나의 긴 케이블
  • multipoint라는 점에서 앞의 star, mesh topology와 다르다.
• Tap, drop line, cable end(주로 저항으로 마감)으로 이루어진다.
  • cable end는 reflection(신호 반사)을 막기 위해서 저항을 설치함으로써 케이블을 마감처리 한 것이다.
• tab들 간의 간격을 두어야 하기 때문에 tab의 갯수에 제한이 존재한다.
• 장점: 설치가 쉽고 싸다.
• 단점:
  • 형상을 바꾸기 어렵다.(Difficult reconfiguration)
  • 한 line에 연결되어 있어 특정 device의 오류를 차단시키기 어렵다.( no fault isolation)
  • bus 망 안에서 끊어지는 결함이 생기면 모든 전달을 멈추게 한다.
  • tap과 tap사이에 거리 규정이 있어서 total tap의 갯수가 제한된다.

 

Ring Topology

• 말 그래도 ring(반지) 구조처럼 생겼다.
• Dedicated point-to-point link 
• 어떠한 기기든 두 기기와 연결된 구조
• 한 방향(One direction)으로만 데이터가 돌고(flow), repeater라는 장치를 통해서 신호를 재생해서 전송하고 다시 또 전송하고 하는 방식이다.
• 장점:
  • 형상을 바꾸기가 쉽다.
  • 결함 고립에 용이하다.(한 device를 끊어도 다시 ring을 연결시키듯 끊어진 두 기기를 연결하면 되기 때문에
• 단점:
  • 단방향 트래픽이다. (Unidirectional traffic)
  • ring에 break이 발생하면 network 전체가 stop 됨(끊어진 구간에서 데이터가 더 이상 나아가지 못함)

ring topology도 과거에 많이 사용되었으나 요즘은 star topology가 더 정형화 되어 많이 사용됩니다.

 

Hybrid Topology

보통 딱 하나의 topology를 사용하는 것은 아니고 다양한 형태를 섞어서 쓰는 경우도 많습니다.

• 예를 들어, 메인으로 star topology를 사용하여 그로부터 가지치기로 뻗어나간 각각의 몇몇 스테이션은 bus topology로 연결될 수 있다.
  
  • 여러 개의 bus topology를 star topology로 묶은 형태
• 다양한 형상들로부터 장점을 공유할 수 있게된다.
• network 상황에 따라서 불규칙적인 topology를 쓰기도 한다.

 

1.3 Network Types

얼마나 넓은 영역을 cover하냐에 따라 network 종류를 3가지로 구분 할 수 있으나 분류 기준이 애매하여 보통 LAN과 WAN으로 크게 두 가지로 나누어 생각합니다.

 

LAN(Local-area network)

• 근거리 통신망
• 보통 private하게 소유된 네트워크이다.(@ office, building, or campus)
• 개인이 소유할 수 있는 것이 아닌 특정 기업이나 조직에서 사용하는 네트워크(사설망)
  • 프린터기, PC, company, video audio devices
• LAN에서 각 host는 구분할 수 있는 방법이 있는데, 바로 주소(address)이다.
  
  • 주소로 host1인지, host2인지 구분하는 것이다.

Bus topology)

• 각각의 host들은 자신들 고유의(unique) address를 갖고 있으며, 그 주소로 각 호스트를 구분한다.
• host가 다른 host에게 보내는 패킷(packet)은 출발/도착(source/destination) host의 address를 나른다.

star topology

 

 

WAN(wide-area netword)

• 먼 거리에서의 전송
  
  • 예를 들어, a country(나라), a continent(지역), the world(전 세계) 단위
• Point-to-Point WAN과 Switched WAN
• KT, 이동통신망,...

<Point-to-Point>

 

 

<Switched WAN>

Internetwork

• 네트워크끼리의 연결로 통합 네트워크를 구축한다는 의미이다.
• 우리가 아는 "인터넷"과는 다른 것이다.
• Internetwork(우리가 통상적으로 부르는 internet에서 기원): 두 개 이상의 네트워크는 internetworking device에 의해 연결된다.
  • Internetworking devices: router, gateway, 등등..
• The Internet: 구체적으로 전세계의 네트워크를 의미한다.
  • 우리가 통상적으로 말하는 인터넷은 대문자로 Internet이라 표기한다.
• 두 LAN과 한 WAN으로 이루어진 internetwork

위 사진을 보면 LAN 과 LAN이 internetworking device(Router)를 통해서 연결된 것을 볼 수 있습니다.

 

• A heterogeneous(이종의) network made of two WANs LANs

조각조각난 network들이 Internetworking device(WAN, router)를 통해서 연결되면 인터넷과 같은 거대한 네트워크가 되는 것입니다.

 

Switching

• 네트워크 기술 중 하나이다.
• internet은 switched network라고 하는데 이 네트워크에서 switch는 적어도 두 개의 link와 함께 연결된다.
  • Switch는 데이터를 하나의 네트워크에서 또다른 네트워크로 전달해야 한다.(link로 통신)
• swtiched LAN is combination of several point-to-point WANs를 의미
• switched LAN은 몇몇의 point-to-point WAN끼리의 조합을 의미한다.
• Two most common types of switched networks are circuit-switched and packet-switched networks(뒤 챕터에서 더 자세히 다룰 것임)
• switched network의 가장 흔한 두 가지 방식은 circuit-switched과 packet-switched networks이며, 이에 대해선 다른 포스팅에서 계속 다룰 것이다.

 

Circuit-Switched Network

• A dedicated connection, called a circuit, is always available between two end systems
• circuit이라 불리는 전용 연결(dedicated connection)방식이며 항상 두 개의 말단 시스템(end system) 사이에서 사용가능하다.
• 예) 전화망

 

Packet-Switched Network

• 패킷(packets)이라는 데이터 블럭을 두 말단 간에 통신하는 것이다.
  
  • dedicated link가 있는 것이 아니라 패킷이라는 정보 단위로 하나의 단말에서 또다른 단말로 source에서 destination까지 전달하는 switching방식이다.
• 예) 인터넷(채팅 메세지가 패킷이라는 정보 단위로 목적지 주소로 전송되는 방식)

 

1.4 인터넷의 역사(The Internet History)

• 오늘날 인터넷은 internetwork의 일종이며, 어떠한 유저든 이것의 일부가 될 수도 있다.
  하지만 유저는 물리적으로 ISP (Internet Service Provider; KT, SK broadband..)에 연결되어 있어야 한다.
  이 물리적 연결은 보통 point-to-point WAN을 통해 이루어진다.
• 1967: ARPANET proposed by DoD’s(국방부 산하) ARPA(Advanced Research Project Agency)
  • AHHP: ARPANET Host-to-Host Protocol
• 1969: ARPANET in a reality: UCLA, UCSB, SRI, U. of Utah
• 1973: Vint Cerf and Bob Kahn propose TCP
• To split TCP into two protocols TCP and IP
• 1983: MILNET & ARPANET split
  • 일반적인 상용화된 network과 국방용을 구분
• CSNET (1981), NSFNET(1986), ANSNET(1991)
• Today: WWW(world-wid-web), Multimedia, Peer-to-Peer(P2P) Applications

 

프로토콜(Protocols)

• Protocol : rule의 집합
  • 데이터 통신을 관장하는 규칙의 집합
    
    • 데이터가 통신할 때는 어떤 합의가 반드시 필요한데 이를 규칙으로 정의하여 지키도록 만든 것을 의미한다.
  • 통신이 발생하려면 각 개체는 프로토콜에 동의해야만 한다.
• 프로토콜의 핵심 요소(중요함)
  
  • Syntax(문법): 데이터의 구조 혹은 포맷 
  • Sematics(의미): 그 구조 안에서 각 부분의 의미 
    • 구조 안 각 섹션의 의미를 통일시켜야 한다.
  • Timing(시간,타이밍): 언제, 그리고 얼마나 빠르게 데이터가 전송되어야 하는지에 대한 정보

 

1.5 인터넷 표준(Internet Standard)

프로토콜은 표준으로 정해져서 많은 사람들에게 공개되고 이 표준에 따라 제품을 구현하고 만들면, 그들 사이의 상호 연동이 되고 통신이 가능해집니다. 그럼 어떤 과정을 통해 이 표준이 정해지는지 알아보겠습니다.

 

• Maturity levels of an RFC(Request for Comment)

• Internet draft, 즉 인터넷 기술의 초안 제출이 이루어지고 여러 과정을 거쳐 internet standard가 된다.
• 검토를 통해 의미있는 draft라고 판단되면 다음 과정인 proposed standard 과정으로 넘어가고, 이때 RFC number가 주어진다.
• "6개월, 독립적이고 의미있는 연구 2개" 라는 조건을 만족시키면, 즉 두 개 이상의 독립적이고 실행가능한 구현들이 만들어지고 특정 시간이 지나면 draft standard가 되고
• "4개월, 독립적이고 의미있는 연구 2개"의 조건을 만족했을 때
• 그 다음 Internet standard가 나오게 된다.

 

표준화 기구(위원회)에서 이 초안을 위 과정을 통해 여러 승인을 합니다. 중간중간에 수정, 기술적 update 등이 일어나고, 일부는 표준으로 가는 길 이외의 experimental, Informational(설명, 부가 정보) 등을 통해 historic이라는 기록에 저장이 되었다가 나중에 표준이 어떻게 제정되었는지와 같은 것들이 전부 기록이 됩니다.

• 표준 과정 중간중간마다도 historic에 기록이 됨

 

RFC (Request for Comment)

위 과정 중간에 주어지는 RFC number에 대해 알아보도록 합시다.

• Internet standard
• 다섯 가지의 요구 사항 단계(Five requirement levels)
  • Required: TCP, IP, 필수적인 것
  • Recommended :권고
  • Elective: 선택적인
  • Limited Use: experimental RFC와 같이 제한 적으로 사용되는 것들
  • Not Recommended: 중간에 표준이 만들어지다가 drop 된 것이나 다양한 관련 정보(informational)들을 기록으로 남기는 historic과 같은 것
• RFC는 다음 링크에서 확인할 수 있다.
  • http://www.rfc-editor.org

 

인터넷 관리/총괄(Internet Administration)

• ISOC(Internet Society): 전반적으로 총괄하는 곳(개방적인 곳이라 연회비를 내고 참석할 수 있음)
  • IAB(Internet Architecture Board)
    • IRTF(Internet Research Task Force) : 장기적인 연구(research)들을 하는 group이 존재함
    • IETF(Internet Engineering Task Force) : 인터넷에 필요한 다양한 표준을 실제로 개발하는 그룹
      • working group에서 개발이 이루어짐

 

Standards Committees

• ISO (International standardization organization, 국제 표준화 기구)
  • IT 분야의 표준들을 만들고 있음
    • 스마트폰 영상, 비디오, TV 방송 - video 압축 기술 (MPEC 표준)
  • Voluntary international organization
  • 대표단 형태로 갈 수 있음
• ITU-T (T: 유선 통신 관련, R: 무선 통신 관련(radio))
  • Formerly, CCITT formed by UN(과거에 CCITT라 불렸음)
• ANSI (American National Standards Institute)
  • Private non-profit corporation in the US(비영리 단체)
  • 예) 컴퓨터의 ascii 코드
• IEEE
  • 학회적 성격을 가지는 기구
  • The largest engineering society in the world
  • 예) 와이파이, 이더넷, 블루투스의 표준을 정하였음
• EIA
  • 전기전자산업 협회
  • Non-profit organization in the US