What does Internet look like? & What happens on the Internet? - 2

2024.09.23 - [CS/Network] - What does Internet look like? & What happens on the Internet? - 1

What does Internet look like? & What happens on the Internet? - 1

 

STRUCTURE OF NETWORK CORE

• End systems은 ISP(인터넷 서비스 제공자)를 통해 인터넷에 연결된다.
  • 가정용, 기업용, 대학교용 ISP들이 이에 해당된다.
• access ISP들은 서로 연결되어야 한다.
  • 이를 통해 어떤 두 호스트(컴퓨터)라도 서로 패킷을 보낼 수 있게 된다.
• 이로 인해 형성된 네트워크의 네트워크는 아주 복잡하다.
  • 이러한 진화는 경제적 요인과 국가 정책에 의해 주도되었다.

 

 

• 모든 ISP들을 연결하는건 너무 복잡하며 너무 많은 연결을 필요로 한다.

 

• 각 Access ISP들을 global transit ISP에 연결시키는 방법?
  • 고객 ISP와 공급자 ISP 간에 경제적 계약이 맺어진다.

 

• 하지만, 하나의 Global ISP만으로는 사업이 성립될 수 없기에 경쟁 업체들이 등장할 것이다.

 

• 그렇기에 Global ISP들은 그들 간에 데이터를 주고받기 위한 상호연결이 필요하다.(ISP 자체의 중요한 데이터도 따로 빼기 위해서?) 
• `IXP`는 Internet exchange point로 ISP들이 정보 교환을 할 수 있는 포인트이다.
• `peering link`는 두 개의 인터넷 서비스 제공자(ISP) 간에 데이터를 직접 교환하기 위한 물리적 또는 논리적 연결이다.

 

 

• 그리고 지역 네트워크가 액세스 네트워크를 ISP에 연결하기 위해 생길 수 있다.
  • 각 지역의 액세스 네트워크(가정, 학교, 회사 등)를 인터넷 서비스 제공업체 (ISP)와 연결하는 역할을 할 수 있다.
  • 이를 통해 다양한 지역이 보다 효율적으로 인터넷에 연결될 수 있다.

 

• 그리고 Content provider network(구글, 마이크로소프트, 아카나미)는 서비스와 콘텐츠를 사용자에게 더 가깝게 제공하기 위해 자체 네트워크를 운영할 수 있다.
  • 이는 대형 콘텐츠 제공 업체들이 더 빠르고 효율적인 서비스와 콘텐츠 제공을 위해
    • ISP를 통하지 않고 직접 자신들의 네트워크 인프라를 구축하여 운영할 수 있음을 의미한다.
  • 이를 통해 사용자와 가까운 곳에 데이터 센터를 설치하고 서비스를 더 빠르게 전달할 수 있다.
  • 자기 회사만의 데이터를 보존하려고 하는 것도 있다.

 

 

 

PROTOCOL, LAYERS, SERVICE MODELS

 

Protocol

두 개의 통신하는 주체가 성공적으로 소통하기 위해서는 관련된 주체 간의 몇 가지 합의가 필요하다.

• 무엇을 전달할 것인지,
• 어떻게 전달할 것인지,
• 언제 전달할 것인지.

이러한 규칙의 집합을 프로토콜이라고 한다.

 

프로토콜은 네트워크 주체 간에 전송 및 수신되는 메시지의 형식과 순서,
그리고 메시지가 전송되거나 수신될 때 수행되는 행동을 정의한다.

 

 

 

 

PROTOCOL "LAYERS"

• 네트워크는 복잡하다.
• 많은 조각들
  • 호스트들
  • 라우터들
  • 다양한 미디어의 연결
  • 애플리케이션들
  • 프로토콜들
  • 하드웨어, 소프트웨어

 

INTERNET PROTOCOL STACK

 

• Application: supporting network applications
  • FTP, SMTP, HTTP
• Transport: process-process data transfer
  • TCP, UDP
• Network: routing of datagrams from source to destination
  • IP, routing protocols
• Link: data transfer between neighboring network elements
  • Ehternet, 802.11 (WiFi), PPP
• Physical: bits "on the wire"

 

위는 TCP/IP 모델으로, 인터넷의 실제 작동 원리를 바탕으로 하여, 실용적이고 효율적인 통신을 위해 사용한다.

 

아래는 이론적이고 포괄적인 접근을 제공하여 네트워크 통신 과정을 상세히 이해할 수 있는 모델이다.

 

 

ISO/OSI REFERENCE MODEL

• Presentation: allow application to interpret meaning of data(애플리케이션이 데이터의 의미를 해석하는것을 허용)
  • encryption
  • compression
  • machine-specific conventions
• Sessions: synchronization, checkpointing, recovery of data exchange
• Internet stack "missing" these layers!
  • 만약, 필요하다면 애플리케이션 레이어에 구현해야 한다. 

 

PROTOCOL STACK

 

 

WHY LAYERING?

 

복잡한 시스템들을 다루기 위해서이다.

• 명시적인 구조는 복잡한 시스템의 구성 요소들 간의 식별과 관계를 허용한다.
• 모듈화는 시스템의 유지 관리와 업데이트를 용이하게 한다.
  • 따라서, 레이어 서비스의 구현 변경이 시스템의 나머지 부분에 투명하게 이뤄진다.

 

 

1. 송신자가 한국말로 메시지를 보낸다.
2. 그걸 영어로 번역한다
3. 한국 통신 회사가 중국 통신 회사에게 보낸다.

 

1. 중국 회사가 받는다.
2. 영어를 중국어로 번역한다.
3. 수신자는 중국어로 번역된 메시지를 받는다.

 

이처럼, Protocol 마다 해야할 일이 정해져있어 다른 Layer에서 일어나는 일은 신경 쓰지 않는다.

• 영어로 번역하는거 대신 중국어로 번역을 하여도 한국에서의 Message는 동일하게 보내면 된다.
• 중간에 통신 회사가 바뀌어도 아무 상관이 없다.

 

ENCAPSULATION

 

• Source TCP/IP Layer마다 특별한 헤더가 붙어 전달된다.
  • Application - Message
  • Transport - Segment
  • Network - Datagram
  • Link - Frame
• Switch의 경우 Link Layer까지만 보면 MAC을 알 수 있어 어디로 전달해야 하는지 알 수 있다.
• Router의 경우 Network까지만 보면 IP를 아는 것이 가능하다.
• 최종적으로 Destination에서 Header의 역순으로 확인하며 최종적으로 Message를 전달받는다.

 

INTERSECTION BETWEEN THE LAYER

 

1. A는 C에 전달하기 위해 Router인 R1로 데이터를 나눠서 전달한다.
2. R1은 A에서 C로 전달하는 것을 Network Layer에서 확인한 뒤 R1에서 R2로 전달한다.
3. 최종적으로, C에 도착시 Network Layer에서는 "아 나한테 온 것이구나"를 인식하고 나눈 데이터를 다시 합친다.

 

DELAY, LOSS, THROUGHPUT 

 

LOSS AND DELAY

• Packets queue in rotuer buffers
  • Packet arrival rate to link (temporarily) exceeds output link capacity
  • Packets queue, wait for turn

 

 

SOURCES OF PACKET DELAY

• Processing delay
  • 계산 딜레이라고 생각하면 된다.
    • Check Bit errors 확인
    • Output link 결정
    • 전형적으로 < msec
• Queueing delay
  • Output 링크로의 Transmission을 위해 기다리는 시간을 말한다.
  • 라우터의 혼잡 레벨에 의존한다.

 

• Transmission delay
  • 패킷의 총 비트수가 L이라고 가정하면 그걸 R이라는 링크 대역폭으로 보내야 하므로 `L / R`을 갖는다.
• Propagation delay
  • 전파 딜레이로 실제 물리적인 링크로 전달할 때 걸리는 딜레이이다.

 

QUEUEING DELAY

 

• R: Link bandwidth (bps)
• L: packet length (bits)
• a: average packet arrival rate(packets per second)
• 즉, Transmission delay는 `L / R`로 정해저있는데 `alpha`가 많아질수록 `Queueing Delay`가 우려된다.

 

 

PACKET LOSS

• Queue proceeding link in buffer has finite capacity(큐는 제한된 Capacity를 갖는다)
• Packet arriving to full queue dropped(aka lost)
• Lost packet may be retransmitted by previous node, by source end system, or not at all 
  • 손실된 패킷은 이전 노드에 의해 재전송될 수도 있고, 출발지 End system에 의해 재전송될 수도 있으며,
    혹은 아예 전송되지 않을 수도 있다.

 

THROUGHTPUT

 

• Throughput(처리량): 송신자와 수신자 간에 비트가 전송되는 속도(비트 / 시간 단위)
  • 순간 처리량(Instantaneous): 특정 시점에서의 전송 속도
  • 평균 처리량(Average): 더 긴 시간 동안의 평균 전송 속도

 

Throughput vs Bandwidth

• Bandwidth(대역폭)
  • 네트워크가 최대로 전달할 수 있는 데이터 전송 용량을 의미한다.
  • 즉, 특정 시간 단위 동안 네트워크 링크가 전송할 수 있는 데이터의 최대 양을 말한다.
  • 보통 bps(bits per second)로 표시된다.
• Throughput(처리량)
  • 실제로 네트워크를 통해 송신자에서 수신자로 전달된 데이터의 속도를 나타낸다.
  • 즉, 특정 시간 동안 성공적으로 전송된 데이터의 양이다.
  • Bandwidth와 마찬가지로 bps(bits per second)로 측정되지만, 실제 전송 속도를 의미한다.
• 차이점
  • Bandwidth는 이론적인 최대 용량을 나타내고, Throughput은 실제 데이터 전송 속도를 의미한다.
  • Throughput은 Bandwidth보다 낮을 수 있다.
    • 네트워크 혼잡, 패킷 손실, 지연 등 다양한 요인으로 인해서
• 예시
  • 네트워크의 Bandwidth가 `100Mbps`일 때, 실제로 전송되는 데이터는 네트워크 상태에 따라 `80Mbps`의 처리량을 가질 수 있다.

 

 

 

그럼 위 사진의 경우에 `Throughput`은 어떻게 될까?

 

Rs(송신자), Rc(수신자)

 

1. Rs < Rc이므로, 송신자는 네트워크가 제공하는 최대 용량을 활용하지 못한다.
   (평균 end-to-end throughput = Rs)
2. Rs > Rc이므로, 수신자는 송신자의 모든 데이터를 처리할 수 없으므로, `병목 현상`이 발생한다.
   (평균 end-to-end throughput = Rc)

요약

• Rs < Rc 일 때, 송신자 속도에 의해 처리량이 결정되므로 `throughput = Rs`
• Rs > Rc 일 때, 네트워크 용량이 병목이 되어 `throughput = Rc`

 

• bottleneck link
  • 송신자와 수신자 간의 경로에서 전체 처리량을 제한하는 링크를 말한다.
  • 즉, 송신자와 수신자 간의 경로에서 가장 낮은 전송 속도를 가진 링크이다.
  • 예를 들어, 여러 링크를 거쳐 데이터를 전송할 때, 각각의 링크가 `100Mbps`, `50Mbps`, `10Mbps`의 속도를 갖고 있다고 하자.
    • 이 경로에서 `10Mbps` 링크가 병목 구간이 되어 전체 네트워크의 처리량이 `10Mbps`로 제한된다.
    • 따라서, 송신자가 빠르게 데이터를 보내도, 병목 구간의 속도보다 빠르게 데이터를 처리할 수 없게 된다.
  • bottleneck link는 네트워크 성능을 결정짓는 중요한 요소이다.