1.2 The Network Edge

네트워크는 크게 3가지로 구성되어 있다. 

 

1. 네트워크 엣지(Network edge)
   
2. 엑세스 네트워크(Access network)
3. 네트워크 코어(Network core)

end system들을 core쪽으로 어떻게 옮기는 지에 대한 엑세스 네트워크의 방식들과 Link를 구성하는 physical media에 대한 포스팅이다.

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1. 네트워크 엣지는 인터넷의 가장자리이다. 여기에는 수많은 end systems이 존재한다. End system은 host이다. host는 클라이언트나 서버를 뜻한다. 서버는 data senter에 있는 서버로 생각하면 된다. 

 

2. 엑세스 네트워크는 네트워크에 접근하기 위한 네트워크이다. end system들이 인터넷을 사용할 수 있도록 도와주는 네트워크라고 보면 된다. 스마트폰에서 와이파이에 접속하거나 PC에 랜선을 꼽는 것 모두 엑세스 네트워크에 접속하는 것이다. 대부분 KT나 SKT같은 ISP가 엑세스 네트워크를 제공해준다. 엑세스 네트워크에는 wired, wireless communication links가 있다. 

3. 네트워크 코어는 전체 네트워크 시스템의 중앙에 위치하여 데이터를 전송하는 핵심적인 역할을 한다. 네트워크 코어는 수많은 router들이 그물처럼 얽혀있는 구조를 띤다. 이때 ISP도 서로 상호 연결되어 있는데 이를 network of networks 형태라고 한다. 

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Access networks and physical media

edge - core - edge로 구성되는 네트워크에서, access network는 결국 edge router들을 core쪽으로 어떻게 연결하느냐를 다루게 된다.

 

그렇다면 host를 edge router(host와 가장 가까운 router)에 어떻게 연결하나?

1) 홈 네트워크(Residential access network)

2) 기관 네트워크(Institutional access network)

3) 이동식 네트워크(Mobile access network)

 

access network가 사용되는 환경에 따라 각각의 환경이 end system을 인터넷에 연결시키는 방식이 나뉘는데, 가정에서는 DSL과 케이블, FTTH방식을, 기업에서는 이더넷과 와이파이로 인터넷에 접속한다. 

오늘날 가장 널리 사용되는 broadband residential access 는 DSL(digital subscriber line)과 케이블임.

access network 즉 전송함에 있어서 전송매체를 공유하는 shared access와 전송매체를 공유하지 않는 dedicated access가 있는데 각각의 예시는 와이파이와 전화통화이다.

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Access networks : cable-based access

 

Cable network는 텔레비전이 연결되어 있으며 컴퓨터에는 cable modem이 열결되어 있다. cable model은 disital 신호를 아날로그 신호로 바꾸어주는 역할을 한다. Cable network에서는 주로 Coaxial cable(동축 케이블)을 사용한다. 

 

Cable network의 특징은 한 라인에 여러 집의 cable들이 동시에 연결된 형태라는 것이다. 즉 한 집 뿐만 아니라 여러 집이 공유를 한다는 것이다. 하지만 다양한 사용자들의 데이터가 한 라인에 모두 섞는 것은 아닐까하는 걱정이 들 수 있다. 하지만 이러한 데이터들을 구분할 수 있는 방법이 있다. 바로 각각 다른 주파수로 실어서 데이터를 나르는 것이다. 전체 주파수 밴드가 있다면 그것을 세부 조각으로 쪼개서 각각 집의 데이터를 다른 주파수로 실어서 나르는 것이다. 이러한 방식을 FDM(frequency division multiplexing)이라고 부른다. 

 

Cable network 중 가장 잘 알려져 있는 것이 HFC(hybrid fiber coax)이다. 말그대로 fiber과 coaxial이 hybrid로 섞여있다. 

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Access networks : digital subscriber line(DSL)

access network 중 가장 기본적인 기법은 DSL이다. 

DSL에서는 이미 존재하는 전화선(existing telephone line)을 사용해서 인터넷의 데이터를 실어나르는 데 사용하는 것이다. 

DSL model은 PC의 디지털 데이터를 아날로그 데이터로 바꿔주는 역할을 한다. 그래서 전화선을 통해 전화선의 유선 신호 뿐만 아니라 컴퓨터 신호도 타고 갈 수 있는 것이다. 즉 voice와 data가 한꺼번에 전송될 수 있다는 것이다. 

 

여기서 생각해볼 수 있는 문제점은 voice와 data가 섞일 수 있지 않을까 하는 것이다. 하지만 이 둘은 서로 다른 주파수로 보내지기 때문에 한꺼번에 보내도 수신측에서 구분해낼 수 있다. celtral office 내에 있는 DSLAM(DSL access multiplexer)에서 주파수를 분리해 data이면 ISP router로 보내고 voice면 telephone network로 내보낸다.  

 

하지만 이러한 voice와 data는 집에서 밖으로 나가는 즉 한 방향으로만 이루어지지 않는다. 밖에서 인터넷/전화 data가 들어올 수도 있기 때문에 양방향적으로 통신이 된다. 이때 downstream과 upstream이라는 개념이 쓰인다. 

• downstream : central office(server) -> 집(client)의 방향
  • 24-52 Mbps dedicated downstream transmission rate
• upstream : 집(client) -> central office(server)의 방향
  • 3.5-16 Mbps dedicated upstream transmission rate

대부분 upstream에 비해서 downstream이 속도가 훨씬 높다. 

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Access networks : fiber to the home(FTTH)

FTTH는 광케이블을 집에서 central office까지 사용한다는 것이다. 레이저 빔으로 통신을 하기 때문에 품질과 속도에서 우수하며 구리 재질로 된 coaxial cable에 비해 날씨와 낙뢰 및 전기, 전파 등에 의한 품질 저하에 영향을 받지 않는다. 

 

여기에서 OLT는 광신호와 전기신호 간의 변환을 제공한다. 

 

잠재적으로 gigabits per second 속도로 서비스가 가능하지만 실제적으론 10 혹은 100 megabits per second 속도이다. 

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전체적인 home networks

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Access networks : wireless access networks

Shared wireless access network connects end system to router -> end system을 router로 연결시키는 access network를 wireless access network라고 한다. '무선'에 초점을 맞춘 것.

• Wireless local area networks(WLANs) == Wi-Fi 
  
  • LAN은 Local Area Network의 약자로 local area 직경 1km 이내에 device가 연결될 때 그것을 LAN이라고 한다. 
  • 하나의 빌딩, 오피스, 집을 무선으로 연결시키는 것이고 이때 사용하는 것이 802.11에서 나오는 각종 wifi protocol인 것이다. 
  • 조금 더 높은 속도, 안정적인 전송이 가능하게끔 하기 위해 802.11b/g/n/ac/ax 등 다양한 버전이 나왔다.

• Wide-area cellular access networks == 기지국(Base station, LTE/5G등의 엑세스 네트워크와 휴대전화를 연결)
  • Wide-area cellular access networks는 LAN보다 더 넓은 개념.
  • 대표적인 예시는 cellular network이다. 
  • cellular network는 사용자가 base station(기지국)에서 수십 km 이내에 있으면 된다.

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Access networks : enterprise networks

• 기업이나 대학교 등에서 사용
• wired, wireless link technologies, connecting a mix of switches and routers
  • Ethernet : wired access at 100Mbps, 1Gbps, 10Gbps
    • 가장 대표적인 네트워크 기술의 하나로 가정이나 건물과 같은 로컬 환경의 컴퓨터 및 기타 장치를 네트워크에 연결하기 위해 개발된 통신 표준.
  • WiFi : wireless access points at 11, 54, 540 Mbps

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Links : physical media

• bit : propagates between transmitter/receiver pairs
• physical link : what lies between transmitter & receiver
• guided media -> wires(유선매체)
  • signals propagate in solid media : copper, fiber, coax
  • twisted pair(tp), coaxial cable, fiber cable 등
• unguided media -> wireless(무선매체)
  • signals propagate freely : radio
  • 모든 방향으로 향함
• Twisted pair(TP) 
  • 2개의 절연동선(insulated copper wires)이 규칙적인 형태로 배열되어 있는 모양.
  • 선들이 꼬여 있어 이웃하는 쌍들 간의 전기 간섭이 줄어든다.
  • 종류
    • STP(Shielded Twisted Pair) : 신호 간섭이 많은 공장이나 야외, 또 빠른 통신 속도가 필요한 곳에 쓰임
    • UTP(Unshielded Twisted Pair) : 전화선이나 ethernet에 많이 쓰임
    • FTP(Foil Screened Twist Pair) : 쉴드 처리가 되어 있지 않지만, 내부 케이블은 은박이 감싸고 있는 케이블

• Coaxial cable(동축 케이블)
  • two concentric copper conductors(두개의 구리 도체가 동심원을 이루고 있음)
  • bidirectional(양방향 통신이 가능)
  • broadband 통신: TV, internet, etc
    • multiple frequency channels on cable
    • 100's Mbps per chanel
    • 즉 다른 주파수를 쓰기 위해 서로 다른 주파수 대역들 사이에서 변조를 하는 방식

• Fiber optic cable(광섬유)
  • 직진을 하는 빛을 섬유 내부에서 굴절하게 하여 원하는 곳으로 이동하게 할 수 있게하는 섬유
  • high-speed operation
    • high-speed point-to-point transmission(10's-100's Gbps)
  • low error rate
    • repeater들이 서로 떨어져 있기 때문에 electromagnetic noise(전자기성 간섭)에 영향을 받지 않으며 신호 감쇠현상이 매우 적다.(repeater : 신호를 받아 더 높은 수준에 더 높은 힘으로 방해가 되는 곳의 반대 쪽으로 재전송함으로써 신호가 더 먼 거리에 다다를 수 있게 도와주는 전자 기기

• Wireless radio
  • signal carried in eletromagnetic spectrum
  • no physical "wire"
  • broadcast and "half-duplex"(sender to receiver)
    • half-duplex : 양쪽 방향으로 송수신 가능한 양방향 통신이지만, 한 번에 하나의 전송만 이루어지도록 설정됨.
  • propagation environment effects
    • reflection
    • obstruction by objects
    • interference(장애물)
• Radio link types
  • Terrestrial microwave
  • Wireless LAN(WiFi)
  • Wide-area(e.g., cellular)
  • Satellite