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이번 포스트에서는 컴퓨터 통신의 패킷 스위칭에 대해 다룬다. 자세한 목차는 다음과 같다.

  1. 스위칭과 포워딩
  2. 브리지(Bridge) 및 LAN 스위치
  3. 셀 스위칭 (Cell Switching)

패킷 스위칭 (Packet Switching)

스위칭/포워딩 (Switching and Forwarding)

확장성 있는 네트워크

1. 간접 연결 (Indirect connection)

  • 호스트들끼리 바로 1:1로 케이블로 다 연결하는게 아니라, 가운데에 스위치/라우터 같은 중간 노드를 두고 거쳐 가는 구조
    • 지리적으로 넓은 영역을 커버 가능
    • 호스트 수가 늘어나도, 기존 호스트 연결을 다 갈아엎지 않고 중간 노드/링크만 조금씩 추가하면서 확장이 가능하다.

2. 직접 연결과 비교

  • 직접 연결된 노드 사이 통신은 2계층을 이용
    • 바로 옆의 이웃과 말할때는 링크 계층 프레임만 주고 받으면 된다.
  • 멀리 있는 노드와 통신하기 위함.
    • 중간에 3계층 (네트워크 계층, IP)을 사용해서 여러 패킷 스위치 (라우터)를 거쳐서 전달

3. 3계층 추가 요소 : 패킷 스위치/라우터

  • 스위치 : 입력 포트에서 패킷을 받아서 패킷 헤더의 목적지 주소를 보고 적절한 출력 포트로 내보낸다.
    • 이 동작을 store & forward라고 부른다.
    • 패킷을 먼저 수신하고 그 다음에 어디로 보낼지 결정해서 포워딩

forward 방법

  • 내부 구조
    • 왼쪽 : CPU + Main Memory + I/O bus
    • 오른쪽 : 여러 개의 Interface 1,2,3 (NIC 같은 역할)
    • 각 인터페이스는 실제 링크에 붙어 있다.
  • Store&Forward 흐름
    • 인터페이스에서 패킷을 받았을 때
  1. 인터페이스가 패킷을 받아 버퍼/메모리에 저장
  2. CPU가 그 패킷의 헤더 (목적지 주소)를 확인
  3. 포워딩 테이블을 보고 어느 인터페이스로 내보낼지 결정
  4. I/O 버스를 통해 해당 인터페이스로 패킷을 넘겨 전송
  • CPU 중심 제어
    • 간단한 구현에서는 모든 포워딩 결정을 CPU가 직접 수행 (유연하지만 느리다.)
    • 실제 고성능 라우터/스위치는 이 역할을
      • 전용 하드웨어 (ASIC, TCAM) 가 일부 맡아서 속도를 높이지만
      • 개념적으로는 CPU/제어부 + 여러 인터페이스 구조라고 보면 된다.

데이터그램 (Datagrams)

데이터그램 모델의 특징

  • 연결 설정 단계가 없다.
    • 각 패킷이 독립적으로 바로 전송 된다.
    • 비연결성 모델이라고도 부른다.
    • 주로 우편시스템에 비유 : 편지 하나하나가 각 패킷
  • 각 스위치 역할
    • 각각의 패킷을 독립적으로 포워딩
      • 같은 흐름의 패킷이라도 다른 경로를 택할 수 있다.
    • 각 스위치는 포워딩 (라우팅) 테이블을 유지
      • 테이블 항목 : 목적지 주소 -> 출력 포트 번호
      • 이 테이블은 라우팅 알고리즘에 의해 채워진다.

가상회선 스위칭 (Virtual Circuit Switching)

가상회선 (Virtual Circuit) 이란

  • 패킷이 전달될 경로를 미리 한 번 설정하는 방식
  • 이 후 전달되는 모든 패킷은 같은 경로로 감
    • connection-oriented 방식 (연결지향형)

가상회선 VS 데이터그램

  1. 연결 설정 시간
  • VC
    • 첫 패킷 보내기 전 왕복 지연시간 + a 동안 연결 설정을 해야한다.
    • 스위치마다 VC table entry 생성이 필요함
  • DG
    • 연결 설정 X

데이터그램이 초기 지연이 훨씬 적다

  1. 주소 오버헤드
  • VC
    • 패킷은 식별자 번호만 담으면 된다.
  • DG
    • 매 패킷마다 목적지 전체 주소 포함 (IP)
  1. 패킷 포워딩 시간
  • VC : 매우 빠름
  • DG : 주소 기반 라우팅 테이블 검색으로 느릴 수 있음.
  1. 장애 극복
  • VC : 경로 중 스위치/링크 고장나면 다시 연결 설정이 필요로 장애에 취약
  • DG : 패킷은 독립적이기에 고장난 링크 우회 가능
  1. 자원 예약
  • VC : QoS 제공 용이
  • DG : QoS 제공 어려움

Virtual Circuit = Stateful

  • 연결 설정 중 state 정보 생성

DataGram = Stateless

  • 패킷을 독립적으로 처리
  • 스위치가 연결 상태를 보존하지 않음

Soft State

  • stateless 처럼 지속적 저장 X
    • 일정시간 동안만 유지되는 상태 정보가 있음.
  • stateful 보다 유연하고, stateless보다 더 많은 기능 제공 가능

소스 라우팅 (Source Routing)

  • 발신자가 목적지까지의 경로를 직접 결정하는 방식
  • 패킷 헤더 안에 경로의 포트 번호 목록이 들어 있다.
    • 각 스위치는 자신의 라우팅 테이블을 참고하는 것이 아니라 패킷이 들고 있는 다음 포트 번호만 보고 포워딩

장점

  • 스위치가 라우팅 테이블을 유지할 필요가 없다.
  • 단순하다
  • 경로 선택을 발신자가 직접 하기에 특정 경로 지정이 가능하다.

단점

  • 발신자가 전체 네트워크 토폴로지를 알고 있어야 한다.
  • 경로가 바뀌면 재전송 패킷 헤더도 수정해야 한다.

스위치 성능

1. 총 대역폭 (Aggregate Bandwidth)

  • I/O 버스가 지원 가능한 총 전송량
  • 스위치 전체가 동시에 처리할 수 있는 용량

2. 초당 처리 가능한 패킷 수

  • 스위치는 패킷을 읽고 분석하고 포워딩하는 작업을 반복
  • 이 과정은 I/O 인터럽트 + CPU 작업 이기에 패킷 개수에 큰 영향

브리지 및 LAN 스위치

브리지(Bridge)

  • LAN의 물리적 제한 + 트래픽 분리

    • 전통 LAN은 하나의 세그먼트로 구성
    • 물리적으로 너무 길거나, 호스트 수가 많으면 성능이 떨어진다.

    세그먼트를 나누고 브리지 (bridge) 로 이어서 성능을 회복

  • Bridge로 여러 LAN을 연결 : Extended LAN

    • 두 개 이상의 LAN을 리피터/브리지로 연결할 수 있다.
    • Repeater : 단순 신호 증폭 (1계층)
    • Bridge : MAC 주소 기반으로 프레임을 보고 포워딩 (2계층)

브리지의 동작 원리

  • 주소를 보고 selective forwarding을 수행
  • Accept & Forward 과정
    • 브리지는 들어온 프레임의 목적지 MAC 주소 확인 후
      • 같은 LAN 세그먼트에 있으면 : 필터링
      • 다른 세그먼트에 있다 : Forward
  • 2계층 연결
    • 브리지는 IP 헤더를 붙이지 않는다 (라우터와의 차이점)
    • 프레임의 구조를 바꾸지 않는다.

2계층 연결의 뜻

  • 브리지는 L3 (IP 주소)를 가지지 않는다.
    • 브리지는 네트워크 계층에게 Invisible하다
  • 헤더를 수정하지 않는다
  • 확장 LAN은 논리적으로 하나의 LAN

학습 브리지 (Learning Bridge)

  • 불필요할때는 포워딩을 하지 않는다.
    • 주소를 보고 판단 하기에 같은 segment에 있으면 필터링이 가능하다.
  • 포워딩 테이블 유지 필요
    • 브리지는 출발지 주소를 보고 테이블을 자동으로 학습함
    • 테이블 기반으로 목적지 포트가 정해진다.
    • 스위치도 내부적으로 브리지와 동일하게 learning + filtering 구조를 사용한다.
  • Tree topology 필요
    • loop 발생 시 전체 네트워크 마비
  • Soft-state 테이블
    • 엔트리마다 TTL (Time to Live) 존재

포워딩 테이블 구성 원칙

  • 브리지의 1차 목적 : 연결
    • 성능 개선은 2차의 목적
    • 따라서 조용히 동작 (호스트가 아무것도 몰라도 됨)
  • 테이블은 완벽할 필요 없이 단순함.
  • Over-engineering 금지
    • 복잡한 일을 하려고 할 때 오히려 효율이 떨어진다.

과정

1) 테이블이 비어 있는상황 : 목적지의 검색이 불가능 Flooding

  • 스위치가 MAC 목적지의 위치를 모르므로 모든 포트로 브로드캐스팅
  • 이 과정에서 출발지는 이미 업데이트 됨 2) 목적지 학습 이후에 Selective Forwarding
  • 스위치가 이제 경로를 알고 있음.
  • 따라서 다시 보내는 상황이 생기면 바로 그 포트로만 Unicast로 전송
  1. Soft-state TTL 적용
    • 항목이 자동 갱신/삭제가 됨
    • 이동 / 케이블 변경 등의 변화에 적응이 쉽다.

Flooding은 비용이 크지만 초기 학습을 위한 필수 단계

브리지/LAN 스위치의 한계

  • 확장성이 없다.
  • 이질성 (heterogeneity) 허용하지 않는다.
    • LAN switch/bridge는 동일한 2계층 기반에서만 작동
    • 네트워크 연결 불가능
  • 투명성 : 노드 입장에서는 브리지의 존재를 몰라야 한다.

셀 스위칭 (Cell Switching) : ATM

ATM

ATM = 비동기 전송 모드 (Asynchronous Transfer Mode)

  • ‘비동기’ 란, 고정된 타임 슬롯없이 필요할 때 전송하는 방식
  • ATM은 패킷 스위칭 기반을 도입한 기술
    • 전화회사가 기존 회선 기반의 한계를 극복하기 위해 만든 고성능 패킷 스위칭 기술
  • 극단적인 연결성 패킷 스위칭
    • ATM은 패킷 스위칭이지만 VC (가상회선)을 설정해서 움직인다.
  • 고정 길이 패킷 = 셀(Cell)
    • 크기 : 5-byte 헤더 / 48-byte 페이로드
    • 따라서 작은 패킷으로 Overhead가 증가 : 단 QoS 보장을 최우선

왜 고정길이인가?

  • 음성통신에서의 지연을 최소화하기 위함
  • 모으는 시간 (packetizing delay)이 너무 길면 통화 품질이 저하됨

참고

Concurrency, Locks

7 분 소요

이번 포스트는 OS의 Concurrency와 Locks에 대해 다룬다.