컴퓨터 네트워크 개론 (1)

컴퓨터 네트워크 개론 (1) - Internet Overview

JOFTWARE 2022. 4. 22. 19:51

Internet Overview(95)

The internet: a ‘nuts and bolts’(Component) view
- Billions of connected computing devices:
  - hosts = end systems(devices)
  - running network apps at Internet’s “edge”
- Packet switches: forward packets(데이터 chunks)
  - routers, switches
- Communication links
  - fiber, copper, radio, satellite
  - transmission rate: bandwidth 대역폭
- Networks
  - collection of devices, routers, links: managed by an organization
- Internet: “Network of network”
  - Interconnected ISPs(Internet Service Providers)
- Protocols - 어디에나 있음
  - Control sending, receiving of messages
  - ex) HTTP, Video Streaming, Skype, TCP, IP, Wifi, 4G, Ethernet
- Internet standards
  - RFC: Requests for Comments(IETF에서 제공하는 인터넷 표준을 명시해 놓은 문서)
  - IETF: Internet Engineerging Task Force(국제 인터넷 표준화 기구)

The Internet: a ‘Services’ view
- Internet = Infrastructure that provides services to applications:
  - Web, email, games, social media, video, ...
- Internet은 distributed applications에게 프로그래밍 인터페이스를 제공함
  - ‘hooks’ allowing sending/receiving apps to ‘connect’ to, use internet transport service
  - 우편 서비스처럼 service options을 제공함

Network Protocol
- 인터넷에서의 모든 communication 활동은 protocol에 의해 통제됨
- Needs to be very clear and strict
- The protocol defines format, order of messages sent and received among network entities, and actions taken on message transmission, receipt

Internet Structure - Network Edge

A closer look at Internet Structure
- Network Edge:
  - hosts: clients and servers
  - servers는 주로 데이터 센터에 있음(구글, 아마존)
- Access network, physical media
  - 유/무선 communication links
- Network core
  - Interconnected routers
  - 네트워크들의 네트워크

Access networks and physical media
- End systems을 edge router에 연결하는 방법
  - Residential access network(집)
  - Institutional access network(학교, 기업)
  - 모바일 access network(Wifi, 4G)

Access network: cable-based access
- FDM(Frequency Division Multiplexing)
  - 서로 다른 주파수 대역에서 서로 다른 채널을 전송
  - 주파수 분할 다중화
  - 총 대역폭을 겹치치 않는 일련의 주파수 하부 대역으로 분리
  - 분리된 대역을 각각 개별 신호를 전달하는 데 사용
- HFC(Hybrid Fiber coax) 광동축혼합망
  - 비대칭적임
    - downstream 전송률: 40Mbps-1.2Gbps
    - upstream 전송률: 30-100Mbps
- A network of cable, fiber attaches homes to an ISP router
  - homes share access network to the cable headend
  - Cable head-end: 케이블 서비스를 가입자들에게 제공하기 위해 지역 케이블 사무실에 있는 설비
  - CMTS(Cable Modem Termination System): 케이블 모뎀 데이터를 인터넷 전송을 위한 데이터용 패킷으로 바꾸어 주는 장비

Access networks: DSL(Digital Subsriber Line)
- 지역 전화망을 통해 디지털 데이터 전송을 제공하는 기술
- DSL은 높은 주파수를 사용, 일반 전화는 낮은 주파수
- CO(Central Office)까지 이어진 기존의 전화선을 사용
  - DSL 전화선을 통해 data와 voice 모두 전송
- Downstream 전송률: 24-52Mbps
- Upstream 전송률: 3.5-16 Mbps ⇒ 매우 느림
- DSLAM: DSL Access Multiplexer

Access networks: Fiber to the home(FTTH)
- CO부터 home까지 광섬유 path 제공
- Optical network
  - Data 전달을 위해 광섬유 사용
  - HFC나 전화선보다 빠른 속도
  - ONT(Optical Network Terminator)
    - 이웃 splitter(광신호 분배기)까지 전용(dedicated) 광섬유 회선으로 연결
  - OLT(Optical Line Terminator)
    - Splitter가 OLT 연결, 광신호 ↔ 전기 신호 변환해줌
- 이른바 Gigabit 속도를 위해 필수적
  - 한국에서는 Dominant 기술임

Access networks: Home networks
- Wifi 무선 AP(Access Point)
- Wired Ethernet: 직접 연결
- NAT(Network Address Translator → Private Network)

WAN, Wireless Access Networks
- Shared wireless access network은 end system을 router와 연결함
  - ‘AP, Access Point’라고도 불리는 base station을 통해
    - AP = 무선랜 서비스를 제공하는 소형 무선 단말기(ex: 인터넷 공유기)
- Wirless local are networks(WLANs)
  - 일반적으로 건물 내외(~30m)
  - 802.11b/g/n (Wifi): 11, 54, 450Mbps transmission rate
- Wide-area cellular access networks
  - 모바일 cellular network operator가 제공함(수십 km)
  - 수십 Mbps
  - 4G, 5G 네트워크

Access networks: Enterprise networks
- Companies, universities, etc
- 유/무선 link 기술 혼합, switches and routers 모두 연결
  - Ethernet: 유선 access(100Mbps, 1Gbos, 10Gbos)
  - Wifi: 무선 access point(11, 54, 450 Mbps)서로 다른 대역폭

Access networks: Data center networks
- High-bandwidth links(수십 ~ 수백 Gbps or Tbps)가 수백개의 servers를 함께 연결하며 Internet과도 연결함

Host: sends packets of data
- Host sending function:
  - takes application message
  - 패킷이라 불리는 작은 덩어리로 나눔(길이: L bits)
  - 나눠진 패킷을 Transmission rate R로 access network로 전송함
  - Link transmission rate = Link Capacity = Link bandwidth
- 패킷 전송 Delay = L bit의 패킷을 link로 전송하는 데 필요한 시간 = L(bits) / R(bits/sec)

Links: Physical Media
- Bit: Transimitter/Receiver 쌍 사이로 전파
- Physical link: Transmitter와 Receiver 사이에 있는 것
- Guided media: 유도매체, sold 매체를 통해 전파(copper, fiber, coax)
- Unguided media: 신호가 자유롭게 전파(Radio)
- Twisted Pair(TP) - Guided media에 속함
  - Two insulated copper wires
    - Category 5: 100Mbps, 1Gbps Ethernet
    - Category 6: 10Gbps Ethernet ⇒ 점점 더 많이 사용
  - Unshiled twisted pair(UTP)
    - LAN에 보통 많이 사용
- Coaxial cable(동축 케이블)
  - 두 개의 동심 동축 전도체로 이루어짐
  - 양방향
  - Broadband:
    - Multiple frequency channels on cable
    - 수백 Mbps
- Fiber optic cable: 광섬유
  - 유리섬유가 light pulses를 전달, 각 pulse가 1bit
  - 고속 연산
    - 고속 P2P 전송(수십-수백Gbps)
  - Error가 적음
    - Repeater가 존재함
    - 전자기적 noise로부터 면역임
- Wireless radio
  - 신호는 전자기적 스펙트텀 중 다양한 bands에서 전달됨
  - 물리적인 wire가 없음
  - broadcast, ‘Half-duple’: 반이중전송방식(한번에 하나만)
  - Propagation environment effects:
    - Reflection(반사)
    - Obstruction by objects(방해)
    - 간섭/noise
- Radio link types:
  - Wireless LAN(Wifi): 수십~백 Mbps, 수십 m
  - Wide-Area(4G): 수십 Mbps, 수 km
  - Blutooth: Cable 대체, 짧은 유효거리 및 limited rates
  - Satellite: 채널당 최대 45mbp, 270ms end-end delay

Internet Structure - Network Core

The Network Core
- 서로 연결된 수많은 라우터들

Packet Switching: Hosts는 applicaion layer message를 packets으로 분해함
- 네트워크는 패킷들을 source부터 desination까지의 길을 따라서 다음으로 포워딩함

Two key network-core functions: 포워딩 & 라우팅
- Forwarding(Switching이라고도 부름)
  - Local action: arriving 패킷을 router의 input link로부터 적절한 router output link로 옮김
- Routing
  - Global action: 패킷이 지나갈 Source-destination 경로를 결정함
  - 라우팅 알고리즘

Packet switching: store-and-forward
- Packet transmission delay: L-bit의 패킷을 R bps 속도로 link에 전송할 때 L/R seconds가 소요됨
- Store and forward: 다음 link로 전달되기 전에 모든 패킷이 라우터에 도착해야 함
- L= 10kbits, R = 100Mbps이면 one-hope 전송 delay = 0.1msec

Packet switching: queueing(FIFO)
- Queueing은 처리되는 속도보다 작업이 더 빠르게 도착할 떄 발생
- Packet queuing and loss: 만약 일정 기간 동안 도착 rate(bps 단위)가 전송 rate(bps 단위)를 초과하면:
  - Packets은 전송되기를 기다리며 queueing
  - 만약 라우터의 memory(buffer)가 꽉 찬다면 packet은 버려질 수도 있음

Alternative to packet switching: Circuit switching 서킷 스위칭통신 이전에 우선 Circuit이라는 연결을 두 장비 사이에 만든 다음 데이터가 그 서킷을 통해 이동(하나의 회선을 할당받아 데이터를 주고 받는 방식)
- End-End resources allocated to, reserved for ‘call’ between source and destination
- Dedicated resouces: no sharing(리소스 독점 → 공유 불가)
  - Circuit-like(guaranteed) performance
- Circuit segment idle if not used by call(no sharing)
- 전통적인 전화망에서 일반적으로 사용됨

Circuit Switching: FDM and TDM
- FDM(Frequency Divison Multiplexing)
  주파수를 쪼개서 공유하는 방식(시간은 고정)TV나 라디오 방송에 쓰임
  - optical, electromagnetic frequencies이 좁은 주파수 대역으로 나뉘어짐
  - 각자의 call은 각자 대역을 할당할 수 있으며 그 대역 안에서 max rate로 전송 가능
- 채널 간의 상호 간섭을 막기 위해 보호대역이 필요 → 채널 이용률 감소
- TDM(Time Division Multiplexing)
  주파수를 시간 단위로 분할하여 공유하는 방식(주파수는 고정)
  - time divided into slots
  - 각 call은 배정된 time slot에 최대 rate으로 전송 가능
- 링크의 높은 대역폭을 여러 연결이 시간을 분할하며 사용

Packet switching VS Circuit Switching
- Links: 1Gb/s, User: 100Mbps(active) & active 10% of time
- 서킷스위칭: 1000/100 = 10명(자원을 할당하기 때문에 바로 계산 가능)
- 패킷스위칭: 35명의 경우 10명 이상이 동시에 접근할 확률은 0.004
  - On-demand 형식이라 확률적으로 계산해야 함
  - 매우 작으므로 35명 이용이 가능하다고 볼 수 있음
  - 어느 시점에 35명 중 k명이 사용할 확률 = 35Ck X 0.9^(35-k) X 0.1 ^k
- 패킷스위칭은 간헐적인 데이터에 좋음
  - Resource sharing
  - Simpler, no call setup
  - Excessive congestion 과도한 혼잡이 발생할 수도 있음(Buffer overflow로 인한 packet delay와 loss)
- 서킷스위칭의 장점
  - Better Application performance(대역폭 예약)
  - 예측하기 쉽고 이해하기도 쉬움(without failures)
- 패킷스위칭의 장점
  - Better efficiency
  - Simpler State in switches(not per-flow)
  - Network Failure로부터 복구가 쉬움
  - Fast startup to the first packet delivered

Internet Structure: a ‘network of networks’
- Hosts는 Access ISP(Internet Service Provider)를 통해 인터넷에 연결함
- Access ISP는 차례로 상호 연결되어 있어야 함
  - 그래야 임의의 두 hosts가 서로 패킷을 주고받을 수 있음
- Networks의 Network의 결과는 매우 복잡함
  - 경제학적, 지정학적 영향을 받음
- Customer와 provide는 경제적 동의를 맺음
- 여러 ISP 업체가 경쟁을 함
- IXP(Internet Exchange Point): ISP와 같은 인터넷 인프라 회사가 서로 연결되는 물리적 위치
  - 대기 시간을 줄이고 왕복 시간 개선 → 비용 절감
  - 스위치(네트워크를 서로 연결하는 인터넷)를 통해 로컬 트래픽을 서로 교환하고 서로 다른 IP 네트워크가 만나는 물리적인 위치
  - 인터넷 트래픽이 교환되는 통신 센터
  - IP 트래픽을 연결하고 교환할 수 있는 물리적 인프라를 제공
- Peer link(붉은 선): 과금 없이 돈 절약 가능, 이게 없다면 IXP를 거쳐야 하고 돈을 내야 함
  - ISP끼리 서로 네트워크를 연결하고 트래픽을 교환하는 링크
- Regional ISP: 지역의 네트워크를 모아서 서비스를 해줌
  - 여러 Global ISP에 연결이 되어 있음
- Content Provider Networks: 회사 자체의 Data센터와 인터넷을 연결하는 사설 네트워크
  - tier-1이나 regional과 같은 다른 ISP를 우회하고 end user와 직접 연결하기도 함
  - Tier-1 ISP, IXP, Regional ISP, End user 모두와도 연결 가능
  - Google, MS, Akamai 등
- Tier-1 commercial ISPs(AT&T, NTT 등): international coverage

Performance: Loss, delay, throughput

How do packet delay and loss occur?
- 패킷은 router buffers에서 자기의 차례를 기다리며 queue함
  - Queueing delay
- 처리 속도보다 도착 속도가 더 빠르다면 queue 길이 증가
- Queued 패킷을 보관할 memory가 꽉 차면 packet loss가 발생
  - 여유 buffer가 없다면 도착한 packet을 버림

Packet delay: four sources
- 전체 노드 지연 Nodal delay = Processing delay + Queueing delay + Transmission delay + Propagation delay
- Processing delay: 매우 짧아서 보통 고려하지 않음
  - 패킷의 비트 오류 및 헤더 조사
  - Table look-up
- Queueing delay: 패킷이 큐에서 출력 링크로 전송되기를 기다리는 시간
  - 라우터 혼잡 수준(congestion level)에 좌우됨
- Transmission delay: 패킷의 모든 비트들을 link로 밀어내는(전송하는)데 필요한 시간
  - 저장 후 전달 지연
  - L/R
  - L: Packet length(bits)
  - R: Link transmission rate=bandwidth(bps)
- Propagation delay: 매우 짧아서 보통 고려하지 않음
  - d = 두 physical link 사이의 거리
  - s = propagation speed(거의 빛의 속도)
  - d/s

Packet queueing delay
- a: 패킷이 큐에 도착하는 평균 비율(packets/sec)
- L: 패킷 길이(bits)
- R: 링크 전송률, bit가 큐에서 나가는 비율(bits/sec)
- Traffic intensity: L*a/R
  - 0에 가까우면 delay가 조금 있음
  - 1에 접근하면 큐잉 지연이 아주 커짐
  - 1보다 커지면 서비스 용량을 초과하여 평균 지연이 무한대로 커짐
  - 1보다 작을 때도 큐잉 지연이 존재하는 이유: packet 도착의 무작위성 때문. arrival rates가 오르락 내리락 하며 피크일때 큐 발생 가능

Trace route 프로그램
- 지정된 목적지 경로에 따라 출발지에서 라우터까지 delay를 측정
- 감소하는 것 처럼 보이는 이유: Congestion 상황이 random이기 때문에 그 순간에 waiting이 더 적었을 수도 있음
- 경로상 모든 라우터 o에 대해 다음을 수행
  - 경로 상의 라우터 i에 대해 3개의 패킷을 송신
  - 라우터 i는 송신자에게 패킷을 리턴
  - 송신자는 패킷 송신과 응답 사이 시간을 측정

Packet loss
- 실제로는 queue(buffer)용량이 유한하고, 큐가 꽉 차서 새로 도착한 패킷을 저장할 수 없으면 패킷을 잃어버리게 되어 packet loss 발생
- 잃어버린 패킷은 이전 노드 혹은 source end system에서 재전송 될 수도 있고 재전송이 안될수도 있음

Throughput 처리율
- Sender to Reciever 간에 비트가 전송되는 속도, 비율(bits/time unit)
  - Instantaneous: 주어진 순간에의 전송 속도
  - Average: 주어진 긴 시간 동안의 전송 비율
- 링크 Rs, Rc가 있을 때 병목 링크(Bottle link)의 처리율은 min(Rs, Rc)
- Bottleneck link: end-end 처리율을 제한하는 end-end path 위의 link
  - 많은 양의 data가 drop될 수 있음
- 연결마다 end-end 처리율 = min(Rc, Rs, R/10)
  - R: Fairness가 고려되지 않으면 독식 가능성 존재
- 하지만 현실적으로는 Rs와 Rc가 자주 bottleneck이 됨
  - average는 낮더라도 Peak일 때 높아질 수 있어서
  ⇒ 훨씬 높은 성능을 버틸 수 있도록 해야함(
  peak load 방지
  )

Bandwidth-Delay Product(BDP)
- Link bandwidth: 기준 시간마다 처리되는 bits의 수
- Propagation delay: 하나의 비트가 link를 통과하는 데 걸리는 시간
- BDP: 특정한 시점에 해당 link를 통과하고 있는 bits의 수(sent, not received)
- BDP = bandwidth x propagation

Security

Internet과 보안
- 초기에는 보안에 대한 고려를 하지 않았으나 인터넷이 널리 퍼진 지금은 보안을 고려하는 것이 필수이다.

Packet sniffing
- 트래픽을 캡쳐하고 정보를 빼냄
- Wireshark: Free packet sniffer(모든 packet을 캡쳐할 수 있음)
- broadcast media(shared Eternet, wireless)
- 난잡한 network 인터페이스는 지나치는 모든 패킷을 읽고 기록함(including password)

IP Spoofing
- 한 사용자가 다른 사용자인 것처럼 위장하여 행동
- Service Quality를 저하시킬 수도 있음
- Injection of the packet with false source address

DoS(Deniak os Service)
- 공격자가 매우 많은 양의 패킷을 담은 트래픽을 발생시킴으로써 server나 bandwidth와 같은 resources를 무용지물로 만듦
1. Select target
1. Break into hosts around the network(botnet)
1. Target에게 패킷을 보냄

Defense 방안
- Authentication: 본인 증명
- Confidentiality: Encrypton 암호화를 통해
- Integrity checks: 디지털 서명 → 변조 방지
- Access restriction: Password-protected VPNs
- Firewalls: 특수화된 ‘middleboxes’ in access and core networks:
  - off-by-default: Sender, Receivers, Application을 제한함으로써 들어오는 패킷들을 필터링함
  - Detecting/Reacting to DOS 공격

Protocol layers, service models

Layers
- 복잡한 system이라 layer 구조를 사용
- layers: each layer implements a service
  - via its own internal-layer actions
  - 아래 있는 layer에서 제공하는 serives에 의존함
- The explicit structure allows identificaion, relationship of system’s pieces.
  - layered reference model for discussion
- 모듈화는 유지보수를 쉽게 함
  - change in layer’s service implementation: transparent to rest of system

Layered Internet Protocol Stack
- Application: supporting network applications(HTTP, IMAP, SMTP, DNS)
- Transport: 프로세스 간 데이터 교환(TCP, UDP)
- Network: source부터 destination까지 데이터그램 라우팅
- Link: 인접한 네트워크 요소들끼리 데이터 전달
- Physical: bits on the wire

Services, Layering, and Encapsulation
- Application은 message를 교환함. Transport layer의 service를 사용해서 Application 단의 service 구현
- Transport-layer 프로토콜: [M]을 캡슐화하고 Ht를 붙임 → Segment
- Network-layer 프로토콜: [Ht|M]을 캡슐화하고 Hn을 붙임 → 데이터그램
- Link-layer 프로토콜: [Hn|[Ht|M]]을 캡슐화하고 Hl을 붙임 → Frame

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