[네트워크] 데이터 교환 방식 - 패킷 교환

 

서론

네트워크 응용에서 종단 시스템들은 서로 메시지를 교환합니다. 메시지에는 JPEG 이미지 혹은 MP3 오디오 파일과 같은 데이터를 포함하는데 송신 종단 시스템에서 목적지 종단 시스템으로 메시지를 보내기 위해, 송신 시스템은 긴 메시지를 패킷(packet)이라고 하는 작은 데이터 덩어리로 분할합니다. 송신 측과 수신 측 사이에서 각 패킷은 통신 링크와 패킷 스위치를 거치게 됩니다.

링크와 스위치의 네트워크를 통해 데이터를 이동시키는 방식에는 아래의 두 가지 기본 방식이 있습니다.

1. 패킷 교환(packet switching)
2. 회선 교환(circuit switching)

이번 게시글에서는 1. 패킷 교환 네트워크에 대해 한번 정리해 보겠습니다.

 

패킷 교환

- 패킷은 정보 기술에서 패킷 방식의 컴퓨터 네트워크가 전달하는 데이터의 형식화된 블록이다. 패킷은 제어 정보와 사용자 데이터로 이루어지며, 이는 페이로드라고도 한다. (위키백과)

패킷은 링크의 최대 전송 속도와 같은 속도로 각각의 통신 링크상에서 전송됩니다. 따라서 송신 종단 시스템 혹은 패킷 스위치가 R bits/sec의 속도로 링크상에서 L bits의 패킷을 송신한다면, 그 패킷을 전송하는 데 걸리는 시간은 L/R 초입니다.

1) 저장 후 전달

대부분의 패킷 스위치는 저장 후 전달 전송(store-and-forward transmission) 방식을 이용합니다. 저장 후 전달은 스위치가 출력 링크로 패킷의 첫 비트를 전송하기 전에 전체 패킷을 받아야 함을 의미합니다. 아래 이미지를 한번 살펴봅시다.

저장 후 전달 패킷 교환

현재 송신 시스템(source)은 수신 시스템(destination)으로 전송할 3개의 패킷을 갖고 있으며, 각각은 L 비트로 구성됩니다. 현재 이미 이미지에서는 송신 시스템이 패킷 1의 일부분을 전송하였고 라우터에 패킷 1이 전부 도착하지는 않은 상태입니다. 라우터가 저장 후 전달 방식을 채택하였기에 라우터는 수신한 비트가 전부 도착하기 전까지는 전송할 수 없습니다.

2) 큐잉 지연과 패킷 손실

각 패킷 스위치는 접속되는 여러 개의 링크를 갖고 있습니다. 각 링크에 대해 패킷 스위치는 출력 버퍼(출력 큐)를 갖고 있으며, 그 링크로 송신하려고 하는 패킷을 저장하고 있습니다.

• 출력 버퍼는 패킷 스위칭에서 중요한 역할을 한다.
• 도착하는 패킷이 한 링크로 전송될 필요가 있는데 그 링크가 다른 패킷을 전송하고 있는 상태라면, 도착하는 패킷은  현재 전송되고 있는 패킷이 다 전송될 때까지 출력 버퍼에서 대기해야 한다.
• 따라서 저장 후 전달 지연뿐만 아니라, 패킷은 출력 버퍼에서 큐잉 지연(queuing delay)을 겪게 된다.
• 버퍼 공간의 크기가 유한하기 때문에 도착하는 패킷은 버퍼가 전송을 위해 대기 중인 다른 패킷들로 꽉 차 있는 경우를 당할 수 있다.
• 이 경우 패킷 손실(packet loss)이 발생한다.(도착하는 패킷 혹은 이미 큐에 대기 중인 패킷을 폐기(drop))

패킷 스위칭

위 이미지는 간단한 패킷 교환 네트워크를 설명합니다. 1) 저장 후 전달에서 봤던 이미지와 마찬가지로 패킷들은 3차원 조각들로 나타내어져 있습니다. 조각의 넓이는 패킷의 비트 수를 나타내는데 이 그림에서 모든 패킷은 같은 넓이와 같은 길이를 갖습니다. 

호스트 A와 호스트 B가 호스트 E로 패킷을 전송한다고 가정해 봅시다. 

• 호스트 A와 B는 먼저 첫 번째 라우터로 100 Mbps 이더넷 링크를 통해 패킷을 전송합니다.
• 라우터는 다음에 이들 패킷을 15 Mbps의 링크로 전달합니다.
• 만약 짧은 기간 동안에 라우터에 도착하는 패킷의 전송속도가 15 Mbps를 초과하면 라우터에서 혼잡이 발생하게 되고 링크로 전송되기 전에 링크의 출력 버퍼에 큐잉됩니다.

예를 들어, 호스트 A와 B가 각각 동시에 연속해서 5개의 패킷을 송신하면, 이들 패킷의 대부분은 큐에서 대기하는 데 시간을 소비합니다. 이러한 큐잉 지연에 관한 조금 더 상세한 내용은 아래의 게시글에서 다루었으니 참고하시면 좋을 것 같습니다.

[네트워크] 큐잉 지연과 패킷 손실

 

3) 전달 테이블과 라우팅 프로토콜 

우리는 이제 라우터가 접속된 통신 링크 중 하나로 도착하는 패킷을 받아서 접속된 통신 링크 중 다른 링크로 그 패킷을 전달한다는 것을 알게 되었습니다. 그러나 여기서 의문점이 들 수 있습니다. 과연 라우터는 어떻게 그 패킷을 어느 링크로 전달해야 하는지를 결정할까요? 한번 간략하게 알아보겠습니다.

인터넷에서 모든 종단 시스템은 IP 주소라고 하는 주소를 갖습니다. 소스(출발) 종단 시스템이 패킷을 목적지 종단 시스템으로 보내고자 할 때, 소스는 패킷의 헤더에 목적지의 IP 주소를 포함합니다. 우편 주소와 마찬가지로 이 주소는 계층적 구조를 갖습니다. 패킷이 네트워크의 한 라우터에 도착하면, 라우터는 패킷의 목적지 주소의 일부를 조사하고 그 패킷을 이웃 라우터로 전달합니다. 보다 구체적으로 각 라우터는 목적지 주소를 라우터의 출력 링크로 맵핑하는 전달 테이블(forwarding table)을 갖고 있습니다.

패킷이 라우터에 도착하면, 라우터는 올바른 출력 링크를 찾기 위해 주소를 조사하고 이 목적지 주소를 이용하여 전달 테이블을 검색합니다. 그런 후에 라우터는 그 패킷을 출력 링크로 보냅니다.

한번 제가 서울에서 부산으로 지도를 사용하지 않고 방향을 물어보며 가는 것을 기준으로 예를 들어 보겠습니다.

1. 저는 서울에서 부산광역시 사하구 낙동대로 550번 길 37까지 자가용으로 이동하려고 합니다.
2. 저는 먼저 차를 몰고 이웃 주유소에 가서 목적지에 어떻게 가는지 물어봅니다.
3. 주유소 직원은 그 목적지의 주소에서 부산광역시를 확인하고 경부고속도로를 타고 쭉 남쪽으로 가라고 말하고 부산에서 다시 물어보라고 합니다.
4. 부산에 있는 다른 주유소 직원은 사하구를 확인하고 다대포 해수욕장이 보일 때까지 계속 남서쪽으로 가라고 말합니다.
5. 그리고 다른 주유소 직원에게 묻고 이번에 그 직원은 낙동대로 550번 길을 확인하고 그쪽으로 가는 길을 알려줍니다.
6. 제가 낙동대로 550번 길에 도착하면 길을 지나가는 사람에게 목적지에 어떻게 갈 수 있는지 물어봅니다.
7. 이제 그 사람은 37번지가 어디인지 알려줍니다.
8. 마침내 저는 부산광역시 사하구 낙동대로 550번 길 37에 도착할 수 있게 됩니다.

위 예시에서 주유소 직원과 길을 지나가는 사람이 라우터라고 할 수 있습니다.

 

마무리

 네트워크를 통해 데이터를 이동시키는 방식 중 "패킷 교환"에 대해 정리해 보았습니다. 다음 게시글 에서는 "회선 교환"에 대해 정리 해 보겠습니다.

[네트워크] 데이터 교환 방식 - 회선 교환