1.3 The Network Core

network edge 다음으로 이번에는 network core에 대해서 다루어보려고 한다. 

• mesh of interconnected routers(정형화된 구조가 아닌 그물망으로 되어 있음)
• 네트워크 코어는 서로서로 연결되어 있는 라우터들의 집합체이다. 

네트워크 코어에서, router들은 interconnected되어 end system간의 데이터 교환을 돕는다. 데이터들이 방문하는 네트워크상의 모든 장치들은 각각의 internet protocol stack을 가지고 있는데 internet protocol stack의 application layer에서 생성되는 message들은 호스트들에 의해 여러 개의 패킷으로 쪼개진다. 호스트에 의해 쪼개진 패킷들은 network core에 위치한 router를 거쳐 receiver(end system)으로 전송된다. 

 

• 패킷(Packet)
  • 네트워크를 사용해서 전송하기 위해서 일정한 단위로 나눈 데이터 전송 단위
  • 데이터 송신자와 수신자가 하나의 단위로 처리하는 데이터 처리 단위
    
    
• 패킷 스위칭(Packet-switching)
  • 패킷 스위칭은 패킷 단위로 쪼개진 데이터를  전송하는 방식
  • 패킷 스위칭을 위해 host는 application-layer message를 packet으로 쪼갠다. 
  • 소스(Source)에서 목적지(destination)까지 경로상의 링크를 통해 한 라우터에서 다음 라우터로 패킷이 전달된다. 
  • each packet transmitted at full link capacity(한번 전송될 때 전체 용량을 차지한다.)
• Host : sends packets of data
  • host sending function :
    • takes application message
    • breaks into smaller chunks, known as packets, of length L bits
    • transmits packet into access network at transmission rate R
      • link transmission rate, aka link capacity, aka link bandwidth

 

• Packet-switching: store-and-forward
  • Transmission delay : takes L/R seconds to transmit(push out) L-bit packet into link at R bps
  • Store and forward : entire packet must arrive at router before it can be transmitted on next link
    전체 패킷(한 패킷의 전체 bits)이 다음 링크에서 전송되기 전에 라우터에 모두 도착해야 한다. 
  • End-end delay : 2L/R, assuming zero propagation delay(more on delay shortly)
    한 패킷이 source에서 destination에 도착하는 시간.

L/R = 10,000 / 100,000,000 = 1 / 10,000

1/1000 = 1ms

따라서 transmission delay = 0.1ms

 

 

 

 

• Packet-switching: queueing delay, loss
  하지만 위처럼 라우터를 사이에 둔 두 링크가 모두 같은 속도이면 좋겠지만, 대부분은 그렇지 않다. 
  • Packet queueing and loss : if arrival rate(in bps) to link exceeds transmission rate(bps) of link for a period of time(링크에 대한 도착 속도가 일정기간 동안 링크의 전송 속도를 초과하는 경우)
    1. queueing delay : 각 패킷 스위치(router)는 여러 개의 link를 가진다. 이 link에 대해, 도착하는 패킷이 전송되어야 할 링크(next link)가 이미 다른 패킷을 전송하는 중이라면 도착하는 패킷들이 대기해야 할 공간인 buffer가 존재한다. 이렇게 도착하는 패킷이 버퍼에서 대기하는 상황을 queueing delay라고 한다. 
    2. Packet loss(drop) : 버퍼의 용량은 한정적이기 때문에 이 버퍼가 넘치면 방금 도착한 패킷이나 이미 저장되어 있는 패킷은 버려진다. 

 

• Two key network-core functions
  • Forwarding
    • local action : move arriving packets from router's imput link to appropriate router output link
      라우터의 input link에서 next 라우터를 향한 output link로 패킷을 이동시킨다. 
  • Routing 
    • global action : determine source-destination paths taken by packets
      패킷이 사용하는 소스-대상 경로 결정
    • routing algorithms과 라우팅 protocol로 routing table을 만든다
    • 각 라우터는 자체 테이블은 가진다.

 

• Alternative to packet switching : circuit switching(회선 교환 방식)
  • circuit switching에서는 end system간의 통신을 위해 경로 상 필요한 자원인 link를 독점적으로 reserve해놓고 사용한다. 
  • 이렇게 리소스를 할당해놓는다는 개념을 dedicated resources라고 한다. 이는 데이터를 언제든지 보낼 수 있다는 의미인데, 다시말해서 guaranteed된 일정 전송률로 데이터를 보내는 것이 가능하다는 뜻이다.
    • no sharing
    • circuit-like (guaranteed) performance
  • 통신을 위한 연결이 되면 사용되는 회선 전체를 독점(dedicated)하기 때문에 다른 사람이 끼어들 수 없다. 
    circuit segment idle if not used by call(no sharing)
  • commonly used in traditional telephone networks

• Circuit switching : FDM and TDM
  위 사진같이 한 링크 내에는 여러 개의 채널이 존재할 수 있는데, 링크 내에서 chnnel을 나누는 기준은 두 가지가 있다. 

 

• FDM(Frequency Division Multiplexing)
  • 이 방식은 채널을 주파수 대역 별로 분할된 광학(optical), 전자기(eletromagnetic) 주파수이다. 
  • 링크의 주파수 스펙트럼을 공유하는 형태이며, 여기서 제공되는 주파수 대역(색깔 별)은 고정 제공된다. 
  • 이 주파수 대역 각각의 대역 폭을 bandwidth라고 하며 이는 전송 속도와 크게 관련이 있다. 
  • 대역폭을 여러 개의 작은 대역폭으로 분할하여 이를 여러 명의 사용자가 동시에 사용하는 방식

• TDM(Time Division Multiplexing)
  • channel을 시간대별로 나누는 방식
  • 각 호출(call)에 주기적(periodic) slot이 할당되기 때문에, 더 넓은 주파수 대역의 최대 속도로 전송할 수 있지만 해당 시간 slot 동안에만 전송이 가능하다.  

• Packet switching versus circuit switching
  • Packet switching allows more users to use network
  • packet switching은 더 많은 사용자가 사용할 수 있도록 한다. 
    • Example
      • N명의 사용자가 있고 라우터는 하나이다. N명의 사용자를 하나의 라우터로 전송해야 하는 상황.
      • 1Gb/s link
      • each user : 100 Mbps when "active" , active 10% of time
      • 각 사용자는 활성화 했을때 초당 100Mb를 전달해야 함
      • active 10%는 1시간만 봤을 때 6분만 활성화하고, 나머지 54분은 아무것도 안하는 것.

• 몇 명이 사용할 수 있을까?
  • Circuit-switching의 경우
    • 1Gbps = 1000Mbps
    • 그러므로 1000Mbps / 100Mbps = 10(users)명 사용 가능
  • Packet-switching의 경우
    • 이항분포(binomial distribution)사용
    • 만약 35명의 사용자가 있는데 11명 이상(>10)이 동시에 사용할 확률을 구하면 아래와 같다. 
    • 0.1은 active 10% of time이기 때문이다.

35명 중 10명이 동시에 사용할 확률

35명 중 11명 이상이 사용할 확률

계산을 해보면 35명 중 11명 이상이 사용할 확률은 0.0004보다 작다.

 

• 이항 분포에 대한 간단한 설명은 아래와 같다. 

 

• Is packet switching a "slam dunk winner?"
  • Packet switching은 burstry data에 적합하다. (데이터가 확 몰려왔다가 안몰려왔다가 하는 패턴의 데이터)
  • Packet switching을 사용할 땐 라우터의 메모리가 한정적이기 때문에 congestion(혼잡)이 발생할 수 있다. -> packet delay and loss가 생길 수 있다. 
    따라서 신뢰할 수 있는 데이터를 보내고 congestion을 통제할 수 있는 protocol이 필요하다.
  • How to provide circuit-like behavior?
    • bandwidth guarantees traditionally used for audio/video application
  • Human analogies of reserved resources(circuit swiching) versus on-demand allocation(packet switching)?

 

• Internet structure : a "network of networks"
  • Hosts connect to Internet via access Internet Service Providers(ISPs)
    • residential, enterprise(compant, university, commercial) ISPs
  • Access ISPs in turn(차례로) must be interconnected
    • so that any two hosts can send packets to each other
  • Resulting network of networks is very complex
    • evolution was driven by economics and national policies
  • Let's take a stepwise approach to describe current Internet structure
    
    

• 만약 100만개의 access ISPs가 존재한다면 그것들은 어떻게 연결이 될까?

각 access ISP를 서로 연결하는 것은 거의 불가능하다.

각 access ISP가 서로 연결되는 것은 거의 불가능하다. 따라서 global ISP가 필요하다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

하지만 하나의 global ISP로 access ISP를 연결하기에는 힘이 들 수 있다. 

 

 

 

 

 

 

 

 

왼쪽 사진과 같이 global ISP를 여러개로 나누어 줄 수 있다. 하지만 특정 지역의 global ISP에 몰리면 해당 global ISP가 힘들어 질 것이다. 

 

 

 

 

 

 

 

따라서 global ISP를 연결해주는 IXP(Internet exchange point) router를 이용한다. 

 

IXP로 연결된 통신을 transit이라고 하고 router들끼리 직접적으로 연결된 통신을 peering이라고 한다. 

 

 

 

 

 

우리나라에서 KT, SKT 등과 같은 regional network 또한 존재한다. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Google, Microsoft, Akamai와 같은 곳은 자체적으로 Content provider network를 구축한다. 이는 content가 end user와 가까워질 수 있기 때문에 delay를 줄일 수 있다. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

• ISP의 구조

Tier 1 ISP 예시 : SPRINT

Content provider networks 예시 : Google