[데이터 통신] 전송 매체(Transmission Media)와 스위칭(Switching)

Transmission Media(전송 매체)

전송 매체는 데이터를 송신자로부터 수신자에게 전달하는 경로로, 물리 계층에 속한다. 전송 매체는 크게 Guided Media(유도 매체)와 Unguided Media(비유도 매체) 두 가지로 나뉜다. Guided Media(유도 매체)는 물리적인 경로를 통해 신호를 전송하는 매체를 의미하며(예: 케이블), Unguided Media(비유도 매체)는 공중이나 진공을 통해 전파되는 신호를 의미한다.(예: 무선)

Guided Media(유도 매체)

1. Twisted-Pair Cable(연선 케이블)

• 두 가닥의 구리선을 꼬아서 만든 형태
• UTP(Unshielded Tiwsted Pair)와 STP(Shielded Twited pair) 두 가지로 구분된다.

• 전화선, LAN 등에 사용
• 장점 : 저렴함, 설치 간편
• 단점 : 전자기 간섭(EMI)에 취약하다.

2. Coaxial Cable

• 내부 도체, 절연층, 도체 차폐층, 외피로 구성

• CATV, 아날로그 TV, 초기 이더넷 등에 사용된다.
• 장점: 연선보다 간섭에 강하다.
• 단점: 비용이 더 비싸다.

3. Fiber-Optic Cable(광섬유 케이블)

• 빛을 이용해 데이터를 전송(레이저 or LED)

• Single-mode vs Muiltimode(다중모드가 짧은 거리용)으로 나누어져 있다.

• 장점: 전송 속도 매우 빠름, 간섭 없음, 보안성 높음
• 단점: 설치 및 장비 비용 높음, 취급 어려움

Unguided Media(비유도 매체)

1. Radio Waves

• 3kHz ~ 1GHz 사이 주파수
• Omnidirectional 안테나 사용(모든 방향으로 신호 발사)
• 예: 라디오 방송, Bluetooth

2. MicroWaves

• 1GHz ~ 300GHz, Unidirectional
• Line-of-Sight 필요 -> 송수신기 정렬 필요
• 예: 위성통신, 무선 백홀

3. Infrared(적외선)

• 300GHz ~ 400THz
• 짧은 거리 전용, 벽 통과 불과
• 예: 리모컨, 근거리 장치 통신

Switching(스위칭)

네트워크에서 여러 장치를 효율적으로 연결하려면 스위칭 기술이 필요하다. Switching Node(스위칭 노드)를 통해 여러 장치가 연결된다.

스위칭 방식에는 3가지가 있다.

• Circuit Switching(회선 교환) : 통화 전 회선 설정 필요, 고정 경로 사용, 실시간 통신 적합
• Packet Switching(패킷 교환) : 데이터를 패킷 단위로 나눠 경로 공유하며 전송. 효율적이고 유연하다.
• Message Switching(메시지 교환) : 전체 메세지를 한 번에 전송, 지연 발생. 현재는 거의 사용하지 않는다.

Circuit-Switched Network(회선 교환망)

회선 교환망은 스위치들이 물리적 링크로 연결된 네트워크이다. 두 단말(예: 전화기) 간 통신을 위해 고정된 전용 경로(회선)를 설정한다. 각 링크는 FDM(Frequency Division Multiplexing) 또는 TDM(Time Division Multiplexing)으로 n개의 채널로 나뉘어서 사용된다.

동작 절차(Three Phases)

1. Connection Setup(연결 설정)

• 송신자와 수신자 사이에 통신을 위한 경로 설정

2. Data Transfer(데이터 전송)

• 설정된 회선을 통해 데이터 전송(지연 거의 없음, 실시간 전송 가능)

3. Connection Teardown(연결 해제)

• 통신이 끝난 후 회선 자원을 해제함

• Example

• 8개의 전하기를 연결한 작은 회선 교환망
• 각 통신은 4kHz의 음성 채널 사용, 링크 하나는 8kHz 대역폭으로 최대 2채널 지원
• 예: 1<->7, 2<->5, 3<->8, 4<->6이 연결됨
• 스위치가 연결 경로 제어

특징 및 성능

• Delay(지연)
  • 연결 설정 시 지연이 길 수 있음(초기 설정 시간 필요)
  • 데이터 전송 중에는 지연 거의 없음 -> 회선이 이미 고정되어 있어, 각 노드에서 처리 지연이 없다.

• 송신자가 데이터를 보내기 전에, 두 스위치를 거쳐 경로가 설정되어야한다. 이 과정에서 제어 메시지가 전송되고, 각 스위치는 경로 정보를 설정한다. 이 단계는 시간이 비교적 오래 걸린다.-> 초기 지연 발생
• 연길이 설정되면, 모든 데이터는 설정된 경로를 따라 실시간으로 전송된다. 각 스위치에서 별도의 경로 탐색 없이 바로 다음으로 전달되기 때문에 큐잉 지연, 처리 지연 없이 전송 지연만 존재한다.

• 데이터 전송이 끝나면 경로를 해제하는 메시지가 보내진다. 해제 자체는 빠르게 수행되며, 이때의 지연은 작다.

• Inefficiency(비효율성)
  • 연결된 동안 전용 회선이 점유됨 -> 데이터가 없어도 자원 낭비
  • 데이터 통신의 경우 비효율적(데이터는 간헐적으로 전송되기 때문이다.)
• Efficiency(효율성)
  • 통화 같은 연속적인 음성 전송에는 효율적
  • 데이터 트래픽에는 비효율적(Idle 시간 많음)

회선 교환 방식 요약

• 경로 설정 : 사전에 고정된 경로 설정 필요(물리적 접속)
• 전송 지연 : 설정 시 지연 있음, 전송 중 지연 거의 없음
• 회선 점유 : 통신 중 전용 회선 계속 점유(비효율적 자원 사용)
• 데이터 흐름 제어 : 사용자 또는 상위 계층에서 직접 수행해야 함
• 동일 경로 유지 : 모든 데이터가 동일한 경로로 전송
• 적합한 통신 유형 : 실시간 연속 전송(예: 음성 통화)
• 부적합한 통신 유형 : 비연속적 데이터 전송(에: 웹 브라우징)
• 속도/코드 변환 : 불가능(회선 간 유연성 없음)
• 스위칭 방식 종류 : 공간 분할 방식, 시분할 교환 방식

Packet Switching(패킷 교환 방식)

긴 메시지를 작은 크기의 패킷들로 나누어 전송하고, 목적지에서 재조립하는 방식이다. 회선 공유 방식이라 여러 사용자/단말이 같은 네트워크 자원을 효율적으로 이용할 수 있다. 데이터 통신(웹, 이메일, 파일 전송 등)에 적합하다.

Circuit Switching은 여러 문제가 있다. 첫 번째, 음성 위주 설계로 실시간 음성 통신 중심 구조이다. 즉, 데이터 전송에는 비효율적이다. 두 번쨰, 전용 자원을 할당하여 통화 시간 내내 자원이 고정된다.(idle 시 낭비) 마지막으로 고정된 데이터 속도이다. 양쪽 모두 동일한 속도를 유지해야한다. 이러한 문제점들을 Packet Switching이 해결한다.

Packet Switching의 장점

• 라인 효율성 : 여러 패킷이 링크를 공유 -> 자원 활용을 극대화시킨다.
• 데이터 속도 변환 가능 : 각 장치가 자신의 속도에 맞춰 통신이 가능하다.
• 혼잡 시 유연성 : 회선 부족 시에도 전송 가능(단, 지연 증가가 될 수 있다.)
• 우선 순위 설정 : 고우선 패킷을 먼저 처리한다. -> QoS 가능

Packet Switching의 주요 기능

• 다중화(Multiplexing) : 하나의 회선을 여러 단말이 공유
• 논리 채널(Logical Channel) : 가상 회선을 통해 여러 연결 가능
• 오류 제어(Error Control) : 오류 검출 및 정정
• 트래픽 제어(Traffic Control) : 패킷 양과 흐름 제어
• 경로 선택(Route Control) : 효율적인 경로 선택
• 순서 제어(Sequencing) : 순서대로 도착하도록 조정
• 흐름 제어(Flow Control) : 송수신 속도 차이 조정

전송 절차(Packet Switching Technique)

• 긴 메시지를 일정 크기의 패킷으로 분할
• 패킷은 하나씩 순차적으로 네트워크로 전송
• 수신자는 패킷을 재조합하여 원래 메시지 복원

패킷 전송 방식

네트워크가 이 일련의 패킷들을 목적지까지 라우팅하고 전달하려고 할 때, 어떤 방식으로 처리하는가?

• Datagram Approach(데이터 그램 방식)
  • 비연결형(Connectionless) 전송 방식
  • 각 패킷은 독립적으로 라우팅됨
  • 패킷마다 목적지 주소, 패킷 번호 포함 -> 목적지 주소를 보고 어느 port로 내보내야할지 정해야하므로 delay 발생 가능
  • 네트워크는 각 패킷마다 새로운 경로 설정(라우팅)
  • 순서가 바뀌거나 누락될 수 있음 -> 수신 측에서 조립이 필요
  • 예: 인터넷(IP)
  • 패킷A -> 경로1, 패킷B -> 경로3, 패킷C -> 경로2

• Virtual Circuit Approach(가상 회선 방식)
  • 연결형(Connection-oriented) 전송 방식
  • 전송 전, 제어 패킷을 통해 가상의 경로(논리 회선)를 설정
  • 그 후 모든 패킷은 미리 정해진 동일한 경로를 따라 이동
  • 송수신 순서 유지됨
  • 예: ATM, Frame Relay, MPLS
  • 패킷 A,B,C -> 모두 가상 회선#5 경로로 이동

• 각 패킷은 목적지 주소 대신 ‘가상 회선 식별자(VCI)’를 포함한다. VCI(Virtual Circuit Idenrifier)란 미리 설정된 가상 경로에 따라 패킷이 어떤 경로로 가야 하는지를 나타내는 ID이다. IP주소처럼 어디로 갈지 직접 지정하지 않고, 경로상의 스위치들이 VCI를 기준으로 다음 노드를 알아서 처리해주는 구조이다.
• 미리 설정된 경로사의 각 노드는 이 패킷을 어디로 전달할지 이미 알고 있다. 경로 설정은 초기 연결 단계 때 수행된다. 이후 스위치들은 “VCI 05번은 포트 2로 보내야해” 이런 식으로 전달 테이블에 기반하여 빠르게 전송한다.
• 따라서 각 노드는 매 패킷마다 라우팅 결정을 새로 할 필요가 없다. Datagram 방식에는 매번 라우팅 테이블을 참조해서 경로를 결정해야 하지만, Virtual Circuit 방식은 이미 결정된 경로로만 가니까, 스위치에서의 처리 속도가 훨씬 빠르다.

• 패킷 스트림 처리 -> Datagram 방식 또는 Virtual Circuit 방식을 사용해서 처리

Message Switching(메세지 교환)

• 패킷이 아닌 전체 메시지를 한 번에 저장 및 전송한다.
• Store-and-forward 방식
• 지연이 크고 대화형 서비스에 부적합
• 현재는 거의 사용되지 않는다.

Summary

Structure of a Switch(스위치 구조)

• Circuit Switch 구조
  • Space Division : 공간 기반(Crossbar)
  • Time Division : 시간 기반(TDM)
• Packet Swirch 구조
  • 4개 구성요소 : 입력 포트, 출력 포트, 라우팅 프로세서, 스위칭 패브릭
  • Banyan, Batcher-Banyan 등 구조 설계가 존재

Structure of Circuit Switch

• Croassbar Switch(교차바 스위치) : 입력 포트와 출력 포트를 그리드 형태로 배치한 스위치 구조이다. 각 교차점(crosspoint)에 스위칭 기능이 존재한다. -> 하나의 경로를 설정할 수 있다.

Example

• Three-Stage 200x200 Switch 설계
  • 전체 포트 수 N = 200
  • 1단계 스위치 입력 포트 수 : n = 20
  • 중간 단계(2단계) 스위치 수 : k = 4
• 1단계 (입력 분산)
  • 200개의 입력 포트를 20개씩 나눠서, 20x4 크기의 crossbar 스위치를 10개 사용 (200 / 20 = 10)
  • crossbar 수 : 10개
  • 각 스위치 크기 : 20(입력) x 4(출력)
  • 전체 입력 포트 수 : 10 x 20 = 200
• 2단계 (중간 스위치)
  • 4개의 중간 스위치 사용(k=4)
  • 각 스위치는 10x10 크기(1단계 스위치 10개와 3단계 스위치 10개 연결)
  • crossbar 수 : 4개
  • 각 스위치 크기 : 10(입력) x 10(출력)
• 3단계 (출력 연결)
  • 출력도 200개 -> 마찬가지로 20개씩 나눠서 4x20 크기의 crossbar 스위치 10개 사용
  • crossbar 수 : 10개
  • 각 스위치 크기 : 4(입력) x 20(출력)
  • 전체 출력 포트 수 : 10x20 = 200
• 총 Crosspoint 수 계산
  • 공식: 2kN + k(N/n)²
  • N = 포트 수 : 200
  • k = 중간 스위치 수 : 4
  • n = 1단계 입력 포트 수 : 20

총 교차점 수 = 2 × 4 × 200 + 4 × (200 / 20)^2  
             = 1600 + 4 × (10)^2  
             = 1600 + 400  
             = 2000개

• 비교 : 단일 Crossbar와의 차이
  • 단일 Crossbar(200x200) : 40000
  • 3단계 MultiStage : 2000
  • 단일 Crossbar의 5%만으로도 동일한 연결을 구성할 수 있음 -> 자원 절약

Time-Slot InterChage(TSI)

• 하나의 회선을 시간적으로 나누어(slots) 여러 통신을 처리
• TDM 방식으로 다수의 입력을 순차적으로 받으며, 각 입력 데이터를 지정된 시간 슬롯으로 다시 배치하여 출력한다.
• 동작 원리
  • 입력된 TDM 프레임은 메모리에 저장된다.
  • 메모리에서 원하는 순서(슬롯 순서)에 맞춰 출력된다.
  • 이렇게 하면 입력 슬롯과 출력 슬롯을 다르게 설정 가능하다. -> 유연한 연결

Time-Space-time switch

• TSI -> Space Switch -> TSI의 3단계 구조
• 시간 교환 방식의 단점(지연, 연결 수 제한 등)을 보완하기 위해, 시간 교환과 공간 교환을 조합해서 확장성을 높인다.
• 동작 원리
  • 첫 번째 TSI(입력 측) : 입력된 시간 슬롯들을 임시 메모리에 저장, 재배치
  • Space Switch(공간 교환기) : 다수의 입력과 출력을 물리적으로 연결(예: Crossbar)
  • 두 번째 TSI(출력 측) : 받은 데이터를 출력 시간 슬롯에 맞춰 다시 재배치

Structure of Packet Switch

• Input Port(입력 포트)
  • 패킷이 네트워크로 들어올 때 가장 먼저 통과하는 포트
  • 여기서 패킷의 태그(tag)나 주소를 판독하고 어디로 보내야 하는지 결정하는 라우팅 정보를 설정한다.

• Output Port(출력 포트)
  • 라우팅이 완료된 패킷이 최종적으로 나가는 포트
  • 우선순위나 큐잉 정ㅌ책에 따라 패킷이 정렬 또는 지연될 수 있다.

Banyan Switch(바니언 스위치)

• 패킷이 입력 포트에서 출력 포트로 단일 경로를 통해 이동하는 구조
• 여러 단계(stage)로 구성되어 있으며, 각 단계에서 패킷은 한 방향으로만 이동

• 구성 요소 수 : 8x8 바니언 스위치 -> 12개의 스위칭 요소만 필요
• 장점 : 구조 단순, 저비용
• 단점 : 충돌(collision) 발생 가능성 높음(동시에 같은 출력 포트 요청 시)

• 태그 예 : tag 001, tag 100 등은 2진수 주소로 간주된다.
• 각 스위칭 단계는 해당 비트를 읽고 방향을 결정한다.
  • 0 -> 왼쪽
  • 1 -> 오른쪽
• 예: tag110
  • 1단계 : 1 -> 오른쪽
  • 2단계 : 1 -> 오른쪽
  • 3단계 : 0 -> 왼쪽
  • 출력 포트 6번으로 향함

• Batcher 네트워크와 Banyan 스위치를 결합한 구조
• Batcher : 패킷을 미리 정렬시켜서 충돌을 줄이는 역할
• Banyan : 정렬된 패킷을 단일 경로로 전달
• 구성
  • Batcher Network : 입력 패킷을 목적지 기준으로 정렬(collition 방지)
  • Banyan Switch : 정렬된 패킷을 경로에 따라 전송
• 장점
  • 충돌 감소 : 정렬된 패킷 덕분에 동시에 같은 포트를 요청하는 충돌 최소화
  • 효율성 : 병렬 전송 가능성이 높아짐
• 단점 : 하드웨어 복잡도와 설계 난이도 증가

구조 요약