Network edge: 엣지단에서의 네트워크는 어떻게 동작할까?

핵심 단어 

hosts, access network, physical media 

 

본론에 들어가기 앞서, 인터넷의 구조에 대해 조금 더 알아보자. 앞서서는 컴퓨팅 디바이스, 패킷 스위치, 커뮤니케이션 링크, 네트워크라는 인터넷의 구성 요소에 대해 살펴봤다면, 이들을 edge 와 access network, core 이렇게 세 팀으로 나눌 수 있다. 

1. network edge 는 hosts 와 동의어라고 생각해도 되며, hosts 에는 사람뿐만 아니라 서버"도" 있을 수 있다. 다시 말해 데이터 센터에 있는 서버도 host 가 될 수 있다는 것이다! 이는 고객 응대 팀 정도로 생각해 보자. 

2. access network 와 physical media 는 앞서 살펴 본 communication link 라고 생각하면 된다. 코어와 코어를 이어주기도 하고, 코어와 엣지를 연결해주기도 하고, 엣지와 엣지를 연결해주기도 하는, 네트워킹 팀이라고 보면 된다.

3. network core 는 라우터, 다시 말해 패킷 스위치가 서로 연결된 것이라고 보면 된다. 즉 한 네트워크와 다른 네트워크가 라우터를 통해 연결되면 그것이 네트워크의 네트워크를 완성하는 것이며 이를 network core 라고 한다. 

 

Network edge 를 살펴보기 전에 우선 Access network 와 physical media 에 대해 살펴보자!

Access Network & Physical Media

우리는 평소 아무 생각없이, 핸드폰을 사용하고, 이것이 무엇과 연결되는지에 대한 것은 생각하지 않는다. 우리 핸드폰은 edge router 와 가장 먼저 연결된다. 결국 데이터는 라우터를 통해서 돌아다니게 되는데, 이 중 가장 내 핸드폰과 가까이 있는 것(가장 먼저 접속되는 라우터)이 edge router 라고 생각하면 된다. 이 edge router 와 end system 사이 연결은 residential access nets(가정 공유기) 를 이용할 수도, EWHA 와이파이처럼 기관 institutional access network 를 이용할 수도(local area network, LAN), mobile access network 를 이용할 수도 있다.(4G/5G, Wifi...) 

여기서 잠깐!ㅎㅎ 앞서 셀룰러와 Wifi 의 차이에서 Wifi 는 mobile access 대신 WLAN 을 사용한다고 했는데, 어떻게 mobile access network 를 이용하는지 질문할 수 있다. 이에 대해 교수님께 여쭤보니, Wifi도 WLAN 을 이용해서 연결하기는 하지만 WiFi 에 붙는 기기들이 mobile 특성을 가지고 있어서 mobile access network 라고 할 수 있다고 하신다. 

이처럼, edge system 과 edge router 를 연결시켜주는 것이 바로 access network 이다.

그동안 아무 생각없이 Wifi, 4G/5G 를 사용했었는데, 이젠 이들을 킬 때마다, access network 를 통해 edge router 와 연결된다는 사실을 인지하려 노력해야 할 듯 하다. 

 

이러한 Access Network 를 구현하는 방식에는 크게 두 가지가 있다. 

Access Network: Cable-based access 

먼저 cable-based access에 대해 알아보자. cable-based 는 특수한 케이블을 활용해서 access network 의 기능을 활용하게 된다. 이를 위해 우선 KT 나 SKT 같은 통신사(인터넷 서비스 제공업체, Internet Service Provider, ISP) 가 집집마다 cable modem 을 설치해 준다. 현수집, 예찬집, 호경집, 승윤집.. 그럼 우리는 그 케이블 모뎀에 기기를 연결해서 쓰면 된다. 그리고 이 케이블 모뎀은 splitter 라는 것을 통해 구분되며, 여러 집들의 케이블은 한 곳으로 모아지게 된다. 그리고 이렇게 모인 케이블들이 엄청나게 모여 중앙 집중된 것이 cable headend 이다. 

이때, 하나의 케이블에서 여러가지 데이터를 송/수신하기 위해 FDM(Frequency Division Multiplexing)이라는 기술이 사용된다. 주파수 대역을 서로 다르게 함으로써, 한 번에 여러 집에서 오는 채널을 송/수신할 수 있게 하는 것이 바로 이 FDM 기술이다. (주파수를 shifting 함으로써 구현된다.)

또한 Cable-based access 는 HFC(hyber fiber coax) 를 주로 이용하는데, 이는 광섬유와 동축 케이블을 조합해서 만든 케이블로, 다운로드 속도가 업로드 속도보다 더 빠르다는 비대칭성(asymmetric) 을 가지게끔 설계된 케이블이다. 왜 이런 설계가 필요했을까? 일반적으로 사용자들은 주로 업로드 속도보다 다운로드 속도에 민감하기 때문이다. 소비자의 불만을 줄이고자, 사용자들이 더 민감한 다운로드 속도를 더 높인 것이다. 

결국 이러한 HFC 케이블이 모이고 모여, (마치 강과 강이 모여 바다로 흘러가듯) 각각의 가정과 ISP 라우터(edge router) 가 연결되는 것이다.따라서 각각의 가정은, access network 를 cable headend 에 가서는, 하나의 케이블로 함께 공유하고 있다고 봐도 무방하다. 

Access Network: Digital Subscriber Line(DSL)

DSL 방식은 한국에선 거의 사용하지 않고, 미국에서 주로 사용한다. 이는 케이블 대신에 기존에 있던 전화선을 활용하는 방식으로, 미국에 가면 인터넷 속도가 느린 원인이 바로 이 때문이다. 앞서 살펴본 cable-based access 가 cable headend 에 모여서 CMTS(cable modem termination system)에 의해 ISP 라우터에 전달되었다면, DSL 은 central office의 DSLAM 에 모여 ISP 라우터로 전송된다. 또 cable modem 을 사용했던 cable-based 와 달리, DSL modem 을 사용한다는 차이가 있다. splitter 를 이용해 가정을 구분한다는 특징은 cable-based 와 같다. 

하나의 전화선에서 인터넷 송수신과 전화 송수신을 같이하므로, DSL phone line 을 통과하는 data 와 voice 를 구별해, data 는 internet 으로 보내고, voice 는 telephone 으로 보내게 된다. 

cable-based 와 달리 다운로드가 업로드보다 더 많은 시간이 소요되므로, 사용자가 인터넷이 느리다고 느낄 확률이 더 높다. 

 

지금까지 Address network 의 두 가지 물리적인 구현 방법 중 대표적인 두 방법에 대해서 알아보았다면, 이제는 edge router 의 위치에 따라 나누어 보고자 한다. 

Access networks: home networks 

앞서 살펴 보았던, residential access network 에 해당한다. 즉 가정 내에서 edge 라우터(공유기)를 이용해 end system 에 접근하고, 이 라우터가 central office 나 headend 에 데이터를 보내는 것이다. wifi 공유기, 셀룰러로 동작하는 여러 기기등이 이 router 에 접근하게 되면, 이 가정용 edge 라우터가 데이터를 전송한다. 주로 PC는 PC선으로 연결되어 있고, 스마트폰이나 태블릿은 무선으로 이 router 와 연결해서 쓰게 된다.

 

Wireless access networks

이때 잠시! 앞서 살펴 본, cable-based access 와 DSL access 의 경우 둘 다 유선으로 데이터를 전송했다. 그런데 우리가 흔히 볼 수 있는 4G/Wifi 등의 access network 는 모두 무선으로 edge router 에 연결되게 한다. 어떻게 무선으로 router 에 연결될 수 있는 것일까? 

이는 바로 wireless access network 가 있는 덕분이다. wireless access network 는 access point 라는 base station 을 이용해서 여러 기기들이 무선으로 edge router 에 접근할 수 있도록 도와준다. 

 

+) Wireless access network 의 종류

Wireless access network 의 종류에는 Wireless local area networks(WLANs) 와 Wide-area cellular access networks 두 가지가 있는데, 전자는 주로 빌딩 등의 실내에서 쓰이고, (Wifi) 후자는 주로 야외에서 쓰인다.(4G/5G) 그리고 후자는 이동통신망(mobile/cellular network)에 의해서 제공된다.(통신사를 통해)

Access networks: Enterprise networks

EWHA wifi, Samsung wifi 처럼, 기업에서 제공하는 access network 가 있다. 아무래도 가정보다는 훨씬 규모가 크기 때문에, 요구되는 유/무선 통신도 훨씬 많고, 필요한 라우터 수도 많다. 따라서 이 여러 개의 라우터를 통합할 라우터가 필요하고, 이 통합된 라우터를 Enterprise link 라고 한다. Enterprise link 는 데이터를 ISP 라우터로 보내게 된다. 이때 중간 단계의 라우터로 많이 쓰이는 것이 Ethernet switch 인데, 이는 유선 access 를 담당하고, wifi 는 무선 access 로 스위치에 접근하게 된다.(일반적으로 유선 연결이 무선 연결보다 빠르다.) edge 라우터는 그럼 무엇으로 봐야 하는 거지..? enterprise link? 아니면 host 와 가장 먼저 닿는 라우터..?(like ethernet..)

Host

지금까지 어떻게 access network 를 이용해서 host 와 edge router 가 연결될 수 있는지 그 물리적인 구현 방식 두 가지(cable-based access, DSL access)에 대해 살펴보고, edge router 의 위치(혹은 edge router 가 다루는 범위) 에 따라 두 가지로 나누어 보았다.(home access network, enterprise access network). 이제부터는 어떻게 host 가 어떤 과정을 거쳐 데이터를 edge router 에 전달하는지 살펴보자. 

총 3단계를 거친다. 

1. 먼저, 전송할 데이터(application message)를 받아와야 한다. 

2. 이 데이터를 L bit 를 가지는 패킷으로 소분화한다. (왜 패킷으로 소분화해야 하는지 궁금하다면, 접은글 펼쳐보기!!)

패킷으로 데이터를 소분화해야 하는 이유는 크게 3가지가 있다.

1. 네트워크 대역폭을 효과적으로 하기 위해서. 한 데이터가 지나치게 클 경우, 그 데이터를 처리하는 동안에 다른 데이터를 처리하지 못하게 된다. 따라서 이러한 지나친 delay 를 막기 위해 소분할 필요가 있다.

2. 오류 검출의 용이함. 만약 송신한 데이터에서 오류가 발견될 경우, 데이터가 크면 어디에서 오류가 발생했는지 찾기 쉽지 않다. 이럴 때 패킷으로 소분화한다면, 어느 데이터에서 오류가 발생했는지 빠르게 파악하고 대응할 수 있다. 또 오류가 난 데이터 전체를 다시 보내는 것이 아닌, 오류가 난 패킷만 전송하면 되므로 복구 속도도 빠르다.

3. 라우팅의 용이함. 패킷 단이로 데이터를 전송할 경우, 라우터에서 패킷의 목적지, 도착지 등의 정보를 파악하기 쉬워 데이터를 빠르게 전송할 수 있게 된다.

3. R 의 transmission rate 로 access network 에 패킷을 전송한다. 이때 link transmission rate 는 link capcity, link bandwidth 라고도 하는데, 1초에 전달할 수 있는 비트 수를 의미한다. 

이때 패킷이 한 번에 전송할 수 있는 최대 비트 수를 L 이라 하면, 패킷 전송 delay (packet transmission delay)를 구할 수 있다. 

패킷 하나가 전송할 수 있는 최대 비트 수를 1초에 link 가 전송할 수 있는 최대 비트 수로 나누면, 1초에 보낼 수 있는  최종 비트의 수가 나오게 되는데, 이것이 바로 packet transmission delay 가 된다. (bit / (bit/sec) => sec 가 되니, 패킷의 비트를 보내는 데 걸리는 시간이 몇 초인지가 나오게 된다.)

Links: Physical media

지금까지, access network 란 무엇인지, access network의 두 가지 구현 방식, 엣지 라우터의 범위에 따른 access network 의 종류, 마지막으로 host 를 access network 를 통해 edge router 와 연결할 때, host 에서 데이터를 전송하는 방법까지 알아보았다. 이제는, 이러한 연결(link)를 가능케 해주는 물리적 매개체 (physical media)에 대해 알아보려 한다. 

먼저, Physical media 란, 데이터를 전송하기 위한 물리적인 매체를 의미하며, 이 Physical media 에는 크게 두 종류가 있다.

1. guided media - 고체의 media 를 통해서, 전기를 사용해 신호를 전달한다. ex. copper, fiber, coax(케이블). unguided 보다 더 멀리 데이터를 보낼 수 있음. 단, 빛의 굴절로 인한 신호 감쇠를 막기 위해 전반사를 통해 빛이 케이블 안을 직진할 수 있게 해야 함. 

2. unguided media - radio wave 처럼 전기 신호를 사용하지 않고, 신호를 자유롭게 전달한다.

먼저 guided media 부터 살펴보자. 

1. Twisted pair(TP)

TP 란 두 개의 절연 구리선을 꼬아서 만든 wire 를 의미한다. 

2. Coaxial cable

두 개의 동심 구리 도체 (concentric copper conductors) 로 이루어져 있으며, 신호를 받는 동시에 신호를 전송할 수도 있는, bidirectionnal 한 cable 이라는 특징이 있다. 또한 한 케이블을 가지고 여러 채널에서 데이터를 전송할 수 있다는 multiflexity 도 가진다. 

3. Fiber optic cable

광섬유는 가장 빠르게 데이터를 전달할 수 있다. 또 error rate 도 가장 적은, 제일 좋은 케이블이라고 볼 수 있다. 

 

다음으로 unguided media 에 대해 살펴보자. 

1. wireless radio 

전자기파 스펙트럼 중 라디오 파장에서 전자기파를 생성하고, 이를 공기 중에 전파로 내보내어 수신기에서 이를 다시 전기 신호로 복원하므로, 하나의 송신기만 있으면, 여러 수신기에 신호를 보내는 '방송(broadcast)'이 가능하다. (라디오처럼) 그러나 half-duplex 로, 송신과 수신이 동시에 될 수는 없고, 한 번에 송신 or 수신 둘 중 하나의 동작만 가능하다. 또 당연하게도, 장애물이나 반사 등의 영향을 받아 신호가 감쇠될 가능성은 있다. 

이러한 wirelss radio 의 타입들 

1. terrestrial microwae(안테나) (데이터 전송 속도 빠르지만, 한 번에 보낼 수 있는 데이터 양 제한적)

2. Wireless LAN (WiFi) (데이터 전송 속도도 느리고, 많은 지역 커버 힘듦)

3. wide-area(cellular) (데이터 전송 속도 느리지만, 많은 지역 커버 가능)

4. satellite(데이터 전송 속도도 빠르고, 전송 가능한 데이터 양도 매우 많음)