[Network] [1-3] The Network Core

0. Introduction

 

- Network core는 한 줄로 정의하면 end system들을 상호연결하는 packet swtich + 링크의 mesh이다.

- 위 사진에서 굵은 선으로 표시된 라우터-링크 메쉬가 "core"이다.

- Home/Mobile Network(=edge)에서 Local/Regional ISP -> National/Global ISP로 올라가며 코어로 진입

- Content Provider network, Datacenter Network도 코어에 강하게 붙어있다고 한다.

 

1. Packet Switching (인터넷의 기본 철학)

1) 메시지 -> 패킷화 : 통신의 단위가 "packet"인 이유

- 애플리케이션이 보내는 message는 길 수 있으니, 송신 측에서 이를 packet으로 쪼개고,

- 패킷들이 링크와 패킷스위치를 거쳐 목적지로 간다.

- 패킷 스위치의 대표는 "router"와 "link-layer switch"이고, 둘다 forwarding한다는 점은 같지만 배치는 다르다.

 

Transmission delay L/R

- 링크 전송률을 R[bits/s], 패킷 길이를 L[bits]라고하자. 

- 그러면, 해당 링크에 패킷을 "밀어 넣는 시간"은 다음과 같이 정의 된다.

d_trans = L / R

2) Store-and-Forward: 라우터는 "다 받고 나서" 내보낸다.

- 대부분의 패킷 스위치는 store-and-forward를 쓴다.

--> 패킷 전체를 수신한 뒤에야 outbound link로 첫 비트를 전송할 수 있다.

- 이게 왜 중요할까? 

- 다음 그림에서 2-hop(소스--> 라우터 -->목적지)에서 전파지연을 무시하면,

--> 소스가 1번째 링크에 다 밀어 넣는 데 L/R

--> 라우터가 "다 받은 뒤" 2번째 링크에 다시 밀어 넣는 데 L/R

즉, 단일 패킷 end-to-end 전송지연이 2*L/R로 잡히게 된다.

 

- 그림 1.11에서는 패킷 3개를 연속으로 보내며, L/R 타이밍 단위로 "파이프"가 채워진다는 걸 볼 수 있다.

- 결국 일반화하면 N개의 링크경로에서 패킷 1개의 전송지연은 N * L/R 로 정리 가능하다.

3) Queueing delay & Packet loss: "통계적 다중화"의 대가

- 라우터는 링크마다 output buffer(=output queue) 를 갖고, 

- 나갈 링크가 바쁘면 패킷은 queue에서 기다린다.

- 버퍼는 유한이므로 꽉 차면 packet loss가 발생한다. 

-

- 해당 사진 1.12의 핵심은 Bottleneck이다.

- A, B가 각각 100Mbps로 라우터에 밀어 넣는데, 라우터의 출력 링크가 15Mbps면

- 도착률이 서비스율 15Mbps를 잠깐이라도 넘는 순간 큐가 생긴다.

 

4) Forwarding tables & Routing Protocols

- 라우터가 하는 일은 로컬하게 보면 단순하다.

- 패킷 헤더의 destination IP를 보고,

- forwarding table에서 적절한 Outbound link를 찾아

- 그 링크로 내보낸다.

 

2. Circuit Switching(전화망의 세계관)

2.1. Reservation과 Connection State

- 회선교환은 패킷교환과 철학이 정반대다.

 

-- 세션 동안 필요한 자원(버퍼.전송률)을 예약

-- 스위치들이 해당 연결에 대한 connection state 유지

-- 그 결과 보장된 상수 전송률 제공

- Figure 1.13에서 각 링크가 4개의 circuit를 가지면, end-to-end로 한 circuit을 잡는 순간

- 그 연결은 각 링크 용량의 1/4를 "기간 내내" 전용으로 확보한다.

 

2.2. 회선을 링크에서 어떻게 "물리적으로" 나누나? FDM vs TDM

- 회선은 보통 FDM(주파수 분할) 또는 TDM(시간 분할)로 구현한다.

- TDM에서는 시간을 frame/slot으로 나누고, 연결마다 매 프레임 동일 slot을 받는다.

- TDM의 회선 전송률은 다음과 같다. 

R_circuit = (frame rate) x (bits per slot)

 

- 왜 인터넷은 회선교환을 버렸을까? (데이터 트래픽의 "버스트성")

- 전화처럼 "silent period(침묵)"이 있는 트래픽에서는 예약 자원이 놀게 되고,

- 그 자원을 다른 연결이 못 쓰니 낭비가 생긴다.

- 반대로 패킷교환은 "필요할 때만 쓰는" statistical multiplexing으로 효율을 얻게 된다.