[Network] 1-2. The Network Edge

이전 섹션에서는 인터넷과 네트워킹 프로토콜의 고수준의 개요(high-level overview)를 살펴봤다.
이번 섹션에서는 인터넷의 구성요소에 대해 좀 더 깊이 알아볼 것이다.

네트워크의 가장자리(edge)와 인터넷의 구성요소에 대해서 먼저 알아볼 것이다.
(ex. 데스크톱 컴퓨터, 스마트폰, 인터넷과 연결된 사물들)

다음 섹션에서는 네트워크 edge에서 네트워크 중앙과 스위칭과 라우팅에 대해서 살펴볼 것이다.

컴퓨터 네트워크에서 컴퓨터와 다른 기기들을 종단 시스템(end system)이라고 불렀다.
왜냐하면, 아래 그림과 같이 인터넷의 가장자리에 위치했기 때문이다.

또한 호스트(host)라고도 불렀다. 왜냐하면, 애플리케이션 프로그램을 동작시키기 때문이다.
(ex. 웹 브라우저 프로그램, 웹 서버 프로그램, 이메일 클라이언트 & 이메일 서버 프로그램)

이 책에서는 호스트(host)와 종단 시스템(end system)이라는 단어를 혼합해서 사용할 것이다. (즉, host = end system)

호스트는 클라이언트와 서버, 2 종류로 분류할 수 있다.
대부분의 클라이언트는 데스크톱, 랩톱, 스마트폰 등등이고 서버는 웹페이지, 비디오, 이메일 등을 저장하는 강력한 기기이다.
요즘 대부분의 서버는 거대한 데이터 센터에 위치한다. 아래 그림은 2개의 데이터 센터를 그려냈다.

1. Access Network

Access Network란... 하나의 종단 시스템에서 다른 멀리 있는 종단 시스템으로 이어지는 경로에서
물리적으로 종단 시스템과 해당 경로에서 만나는 첫 번째 라우터(edge router)를 연결하는 네트워크이다.
아래 그림은 여러 종류의 access network를 보여준다.

DSL, Cable, FTTH, 5G Fixed Wireless - 필요하면 정리 (pdf p.24 ~ 27)

Ethernet and Wifi

회사, 대학, 집에서 edge router와 종단 시스템을 연결하기 위해 LAN(Local Area Network)을 사용한다. 그 중에서 Ethernet 기술을 대부분 사용하고 있다.

아래 그림을 보면 이더넷 사용자는 이더넷 스위치와 연결하기 위해서 꼬임 쌍 구리 (twisted-pair copper wire)을 사용한다.
(이 기술에 대해서는 Chapter 6에서 자세히 다룬다)
그 다음 이더넷 스위치 (또는 상호연결된 스위치의 네트워크)는 더 큰 인터넷과 연결된다.

이더넷 접근을 통해서 사용자는 100Mbps ~ 수십 Gbps의 속도로 이더넷 스위치에 접근할 수 있고
서버는 1 Gbps ~ 10 Gbps 속도를 갖고 있다.

하지만, 많은 사람들이 인터넷을 무선으로 접근하고 있다.
무선 LAN 설정에서 무선 사용자는 패킷을 엔터프라이즈 네트워크(enterprise network)와 연결되어 있는 접속 포인트와 송수신한다. 결국에는 유선으로 연결된 접속 포인트와 송수신하는 거다.

무선 LAN 사용자는 보통 접근 포인트와 수십 미터 거리 이내에 존재한다. 무선 LAN 접근은 WiFi 기술(IEEE 802.11 기술)을 기반으로 하며 지금은 모든 곳에서 사용하고 있다. 이에 대한 자세한 내용은 chapter 7에서 다룰 것이다. 802.11은 오늘날 100Mbps 이상의 속도를 제공하고 있다.

물론, 이더넷과 Wifi 접속 네트워크는 처음에는 기업, 대학에서 시작했지만 이제는 가정 네트워크에서도 흔하게 사용한다.
많은 가정들이 broadband residential access(케이블 모뎀 또는 DSL)을 값싼 무선 LAN 기술과 합쳤다.
그렇게 해서 강력한 가정용 네트워크(home network)를 아래 그림과 같이 만들 수 있다.

가정용 네트워크는 랩톱 로밍, 인터넷과 연결된 다양한 가전제품, 유선 PC , 홈 라우터 등등 다양한 기기로 구성되어 있다.

Wide-Area Wireless Access: 3G, LTE 4G, 5G

아이폰이나 안드로이드 기기같은 모바일 기기들은 메시지 전송, SNS에 사진 공유, 모바일 결제 등등 다양하게 사용되고 있다.
이러한 장치들은 휴대전화 통신에 사용되는 동일한 무선 인프라(wireless infrastructure)를 활용해서 휴대폰 네트워크 제공업체가 운영하는 기지국을 통해 패킷을 송수신한다. WiFi랑은 다르게 수십 킬로미터 떨어진 기지국만 있으면 된다.

통신 회사들은 4G 무선에 엄청난 투자를 했고 이를 통해 실제로 60Mbps 까지 속도가 올랐다. 하지만, 더 빠른 기술(5G)이 배포되고 있다. 이에 대한 기본적인 내용은 chapter 7에서 다룰 것이다.

2. Physical Media

지금까지 인터넷에서 가장 중요한 네트워크 접속 기술의 개요에 대해서 살펴봤다.
해당 기술들을 설명하면서 물리적인 매체에 대해서도 언급했다.

• HFC : 광케이블 (fiber cable)과 동축 케이블(coaxial cable) 혼합
• DSL과 이더넷: 구리 선(copper wire)을 쓴다.
• 모바일 접근 네트워크 : 무선 스펙트럼(radio spectrum)을 쓴다

여기서는 위와 같이 인터넷에서 흔히 사용하는 전송 매체(transmission media)의 개요에 대해서 살펴볼 것이다.

물리적 매개체(physical medium)가 무엇인지 정의하기 위해서 비트의 간략한 주기를 살펴보도록 하자.

ex) 비트(bit)가 하나의 종단 시스템에서 일련의 링크와 라우터를 통해 다른 종단 시스템으로 가는 상황
비트는 얻어맞으면서 계속해서 전송된다.

1) 송신 측 종단 시스템이 먼저 비트를 전송하고 첫 번째 라우터가 비트를 받는다
2) 그 첫 번째 라우터가 비트를 2번째 라우터에게 전송한다.
3) 이게 반복된다.

그렇게 비트 값은 시작지점에서 목적지까지 일련의 송-수신 쌍을 지난다. (누가 보내면 받고, 받은 사람이 보내면 또 누가 받고)

각각의 송-수신 쌍(transmitter-receiver pairs)마다 비트 값은
물리적 매체(physical medium)을 통해 전자기파(electromagnetic waves), 광 펄스(optical pulse)에 의해서 전송된다.

물리적 매체는 다양한 형태와 형식을 갖고 있어서 송-수신 쌍마다 똑같은 타입일 필요가 없다.

대표적으로 꼬임 쌍 구리선(twisted-pair copper wire), 동축 케이블(coaxial cable), 멀티모드 광케이블(multimode fiber-optic cable), 전역 무선 스펙트럼(terristrial radio spectrum), 위성 무선 스펙트럼(satellite radio spectrum)이 있다.

물리적 매체는 크게 두 가지로 분류할 수 있다. guided media & unguided media

• guided media : 파동(wave)이 고체 매체에 의해서 전달된다. ex. 광케이블, 꼬임 쌍 구리선, 동축 케이블
• unguided media : 파동이 대기 또는 우주에 의해서 전달된다. ex. 무선 LAN, 디지털 위성 채널

이러한 매체들의 특징에 대해서 얘기하기전에 비용(costs)에 대해서 짚고 넘어가야 한다.
물리적인 연결 자체 비용(구리선, 광케이블 등등)은 다른 네트워킹 비용에 비하면 사소하다.
물리적 연결을 설치하는데 필요한 인건비가 매개체의 비용보다 훨씬 많이 필요하다. 때문에, 많은 건물 사업자들이 꼬임 쌍 , 광케이블, 동축 케이블을 모든 방에 설치한다.
비록 하나만 쓰일지라도 나중에 다른 매체를 쓸 수 있기 때문에 미리 설치해 놓는 게 더 비용을 아끼는 방법이기 때문이다.

Twisted-Pair Copper Wire

가장 싸고 가장 많이 사용하고 있는 guided 전송 매체다. 수백년 동안 전화선에서 많이 사용해왔다.

꼬임 쌍 방식(Twisted pair)은 두 개의 1mm 두께로 절연(絶緣)된 구리선으로 이뤄져있고 정해진 나선 형태로 되어있다.
선들을 서로 꼬우면(twisted)서 근접해 있는 비슷한 쌍(pair)으로 부터 전기적인 간섭(electrical interference)을 줄일 수 있도록 했다. 일반적으로 여러 개의 쌍은 보호용 실드로 감싸서 케이블에 함께 묶인다. 전선 쌍은 단일 통신 링크를 구성합니다.

보호되지 않은 꼬임 쌍 (Unshielded twisted pair, UTP)은 건물 내에서 LAN을 사용하기 위해 흔히 사용된다.
꼬임 쌍을 사용한 LAN은 현재 10Mbps ~ 10Gbps 까지 전송 속도를 낼 수 있다. 전송 속도는 선의 굵기과 송신 측과 수신 측 사이의 거리에 따라 달라진다.

1980년대에 광섬유(fiber-optic) 기술이 나왔을 때 많은 사람들이 낮은 속도 때문에 꼬임 쌍 (twisted-pair) 방식을 폄하했다.
심지어 어떤 사람들은 광섬유 기술이 꼬임 쌍 방식을 대체할 거라고 생각했지만 꼬임 쌍 방식은 쉽게 물러서지 않았다.
현대화된 꼬임 쌍 방식은 수백미터 떨어진 거리에서 10 Gbps 속도를 이뤄내면서 꼬임 쌍 방식이 고속 LAN 네트워크의 지배적인 솔루션이 되었다.

또한, residential 인터넷 접속에서도 꼬임 쌍 방식이 쓰인다. 다이얼 업 모뎀 방식, DSL 기술도 그 예다.

Coaxial Cable

꼬임 쌍 방식과 같이 동축 케이블(coaxial cable)은 두 개의 구리 도체로 구성되어 있지만 각각 도체는 평행이 아닌 동심원 형태로 배치되어 있다. 이러한 설계를 통해 동축 케이블은 빠른 데이터 전송 속도를 이뤄냈다.

동축 케이블은 케이블 TV 시스템에서 많이 사용한다.
이전에 보았듯이, 최근에는 케이블 TV 시스템이 케이블 모뎀과 결합되어 수백 Mbps의 속도로 가정 사용자에게 인터넷 접속을 제공한다.
케이블 TV와 케이블 인터넷 접속에서 전송 측은 디지털 신호를 특정 주파수 대역으로 바꾸고 그렇게 만들어진 아날로그 신호는
전송측에서 수신측으로 전달된다.

동축 케이블은 guided 공유 매체(shared medium)로써 사용할 수 있다.
구체적으로, 많은 종단 시스템은 직접 케이블에 연결될 수 있고 각각의 종단 시스템은 다른 종단 시스템이 보낸 내용을 수신할 수 있다.

Fiber Optics (책 p.20)

Terristrial Radio Channels (책 p.21)

Satellite Radio Channels (책 p.21)

출처 : 컴퓨터 네트워킹: 하향식 접근 8th Edition