WAN Technology and Protocols

Switched Communications Networks

데이터를 목적지로 보내기 위해 swithcing node를 통해 데이터를 전송하는 네트워크 구조

• Switching nodes : 데이터가 노드 사이를 이동할 수 있도록 스위칭하는 노드
• Stations : 네트워크에 연결된 장치들
• Nodes : 통신을 제공하는 장치
• Communications network : node들의 집합체

Circuit Switching

두 station 간에 dedicated path(전용 경로)를 만들어서 데이터를 교환하는 방식

전용 경로를 사용하기 때문에 연결이 활성화된 상황에서 데이터를 전송하지 않으면 리소스 낭비가 발생하고 트래픽이 많으면 경로 설정이 어려움

처음에 연결 설정(Establish)을 하는데 시간이 걸리지만 한번 연결 설정이 되면 transparent 하게 진행됨

1. Establish : 경로 설정 단계
2. Transfer : 데이터 전송 단계
3. Disconnect : 연결 종료하고 리소스 해제 단계

 

Circuit Switching Technology

voice signal과 같은 analog 전송을 주로 다루고 이때 전송 delay와 delay variation이 없어야 함.

digital 전송에는 자원 활용도가 낮기에 비효율적

회선이 설정되면 직접 연결된 것처럼 작동하기에 다른 logic 필요 없음

 

Circuit Switching Concepts

• Digital switch : transparent 한 신호 경로 제공, Full-duplex(양방향) 전송 지원해야 함
• Network interface : digital 장치를 연결하기 위해 필요한 기능과 하드웨어 제공
• Control unit : 연결 설정, 유지, 해제 역할

Blocking or Non-blocking

• Blocking network : 모든 경로가 사용 중인 경우 station 간 연결이 불가능할 수 있음, 전화기에 수가 적고 통화 시간이 짧다고 가정하기에 voice system에서 주로 사용
• Non-blocking network : 모든 station이 동시에 연결 가능, 사용중이지 않는 한 모든 연결 요청을 처리 가능, 장시간 지속 될 때 주로 사용

Space Division Switching(공간 분할)

• analog system에서 개발 됐으나 digital에서도 사용 중
• 신호 경로는 서로 물리적으로 분리되어 있음(간섭 방지)
• 경로는 신호 전송으로만 dedicate됨(높은 품질, 신뢰성)

예시

위의 그림과 같이 각 교차점이 스위치 역할을 하며 신호를 물리적으로 연결시켜 준다. 하지만 연결된 station의 수가 증가함에 따라 교차점의 수가 기하급수적으로 증가하기에 비용 부담이 크다. 또한 각 교차점이 고장난다면 해당 교차점에 연결된 주 장치가 연결되지 않으며, 모든 장치가 활성화되더라도 교차점의 일부만 사용되기에 자원 활용도가 낮다. 

 

이러한 방식으로 구성한다면 교차점이 줄어 자원 활용도와 효율성이 증가하고 두 지점 간의 경로가 여러 개로 구성되어 신뢰성이 증가한다. 하지만 특정 입력과 출력 간의 경로가 차단될 가능성이 있고, 각 단계별로 경로를 설정해야 하기에 복잡하다는 단점이 있음

 

Time Division Switching

• 현재 digital system은 space와 time division 요소를 모두 제어함
• digital time division techniques를 사용해서 회로 설정하고 유지
• 느린 bit stream을 빠른 bit stream과 공유하도록 결합
• input에서 output으로 가기위해 각 슬롯은 control logic에 의해 동작

 

Packet Switching

voice를 위한 circuit와는 다르게 packet switching은 data를 처리하기 위해 설계됨. 데이터를 작은 패킷단위로 전송하고 그 패킷에는 user data와 control information이 포함됨. 패킷이 수신되면 buffer에 저장하고 다음 노드에 전달하기에 효율적인 데이터 전달이 가능함.

Advantages

1. Line efficiency : single link를 여러 패킷이 공유하고 각각 queue에 저장되고 빠르게 전송하기에 효율이 좋음
2. Data rate conversion : 서로 다른 속도의 장치더라도 통신가능(버퍼 덕분에)
3. 네트워크가 혼잡해도 임시에 버퍼에 저장하기에 허용가능
4. Priorities : 전송되는 패킷의 우선순위를 지정할 수 있음

Switching Techniques

• Datagram

각 패킷이 독립적으로 처리되는 방식으로 유연성이 좋고 robust 함 하지만 패킷이 서로 다른 경로로 가기에 순서가 바뀔 수 있음. 장애가 발생하면 다른 경로 쓰면 됨(flexible)

• Virtual circuit

패킷들이 preplanned route를 통해 전송된다. 또한 순서, 오류처리를 보장하면서 전송시간이 빠름. 하지만 초기 경로 설정 시간이 필요하고 장애가 발생하면 모든 연결이 중단될 수 있음. 

 

External Network Interface

host와 packet switched network 간의 효율적이고 표준화된 통신을 보장하는 국제 표준

Pyhsical layer → Link layer  → Packet layer 3 계층으로 이루어짐

 

ATM(Asynchronous Transfer Mode, 비동기 전송)

고정된 길이의 패킷인 샐(cell)을 사용하는 기술로 고정된 크기이다 보니 delay가 적고 효율적임. 또한 지연이 적으니 voice 서비스 지원과 동시에 실시간 서비스에 적합함. circuit의 성능과 packet의 유연성과 효율성을 결합한 형태로 QoS(Quality of Service=enough bandwidth)를 지원해 줌. 

 

사용사례

통신 사업자들이 WAN을 구축하기 위해 ATM사용, DSL(Digital Subscriber Line) 기술에서 데이터와 음성 트래픽을 동시에 사용하기 위해 ATM사용, 높은 신뢰성과 대역폭 관리기능을 위해 backbone 기능으로 사용되었음

그러나 MPLS(Multiprotocol Label Switching)의 등장으로 ATM의 역할이 감소함(더 성능 좋음)

 

VCC(Virtual Channel Connection, 가상 채널 연결)

ATM안에서의 logical 한 연결을 의미하는 것으로 virtual circuit처럼 고정된 경로를 따라서 전송하고 이때 전송하는 건 고정된 길이의 셀(cell)이다. 그렇기에 안정적이고 유연함. 두 end user의 연결을 설정하고 variable-rate와 full duplex communication을 지원한다. 또한 user-netwrok 간 데이터 교환과 network-network 간 데이터 교환 모두 사용 가능

 

VPC(Virtual Path Connection, 가상 경로 연결)

동일한 end user를 갖는 여러 VCC의 묶음을 Virtual path라고 정의한다. VPC는 동일한 경로를 공유하는 VCC를 그룹화하여 제어 비용을 절감시킨다. 

 

Virtual Path Advantage

• Simplified Network Architecture : VC와 VP의 기능을 분리하여 단순한 네트워크 구조이다.
• Increased Network Performance and Reliability : VP로 묶기 때문에 네트워크에서 처리해야 할 연결 수를 줄여 성능이 좋고 안정적임
• Reduced procesing and short connection setup time : VP를 설정하면 사용 용량을 미리 예약하는데, 이러한 방식은 새로운 VCC를 설정하더라도 추가적인 작업이 팔요가 없다. 그래서 처리속도와 연결이 빠르다.
• Enhanced Network Services : VP는 내부적으로 네트워크에서 사용된다. 그러나 외부에서는 사용자가 볼 수 있다. 이러한 방식 덕분에 내부적으로 일부 그룹만 경로를 지정할 수 있고 이것을 외부에서 볼 수 있으니 네트워크 자원을 효율적으로 사용할 수 있다. 

Virtual Channel 특징

• QoS : VCC는 cell loss ratio(error rate)와 cell delay variation과 같은 QoS를 제공받음
• Switched and semipermanent VCCs 
  • Switched VCC : on-demand connection(필요할 때 연결)이고 이를 위한 call control signal이 필요
  • semipermanent(반영구적) VCC : 장시간 유지되는 연결
• Cell sequence integrity : VCC 내에서 전송된 셀의 순서는 보존됨
• Traffic parameter negotiation and usage monitoring : user와 network 간에 traffic parameter를 협상할 수 있고 이런 parameter가 위반되지 않도록 보장

Virtual Path 특징

위의 4가지 특징과 동일하지만 한 가지 추가되는 특징이 있다. 

 

VPC 내에 virtual channel 식별자를 제한 :  VPC 사용자는 한 개 이상의 채널 식별자(번호)를 사용하지 못할 수 있음. 네트워크 용도로 사용될 수도 있기 때문이다. 

 

Control Signaling(제어 신호)

• VCCs 
  • Semipermanent VCCs는 사용자 간 데이터 교환에 사용가능(이때 제어 신호 불필요)
  • 미리 설정된 call control signaling channel이 없는 경우, 새로운 제어 신호 채널이 설정되어야만 함(Meta-signaling channel)
  • Meta-signaling channel은 사용자와 네트워크 간의 VCC를 설정하기 위해 사용됨(user-to-network라고함)
  • Meta-signaling channel은 사용자 간 데이터 교환용 VCC도 설정가능(단, 사전에 설정된 VPC 내여야 함.)
• VPCs
  • VPC는 사전 협상을 통해 semipermanent로 설정이 가능(제어 신호 불필요)
  • VPC의 설정과 해제는 사용자에 의해 제어됨
  • VPC의 설정과 해제는 네트워크에 의해 제어될 수도 있음
    • Network-to-network
    • User-to-network
    • User-to-user

ATM Service Categories

• Real time - delay의 양 및 변화 제한
  • CBR(Constant Bit Rate) : 항상 일정한 데이터 속도 제공(ex.audio, video 등에 적합)
  • rt-VBR(Real-Time Variable Bit Rate) : 시간에 민감한 애플리케이션용 시간이 지남에 따라 변동하는 속도로 데이터를 전송함. 그래서 traffic이 일정하지 않고 순간적으로 몰리는 특성. CBR에 비해 유연(ex. audio, video 등에 적합한데 시간에 민감하면서 데이터 전송속도가 가변적인 애플리케이션에 유용함.)
• Non-real time - bursty traffic을 위함
  • nrt-VBR(Non-Real-Time Variable Bit Rate) : 중요한 응답이 요구되는 데이터 전송에 사용됨(ex. 은행, 항공 등) end system에서 최대 셀 속도를 정하고 traffic이 어떤지 측정함 
  • UBR(Unspecified Bit Rate) : CBR과 VBR traffic이 사용하지 않는 추가 용량을 활용함. 즉, 셀이 손상되거나 variable delay가 가능한 곳에서 적합함
  • ABR(Available Bit Rate) : 최대 셀 속도(PCR, Peak Cell Rate)와 최소 셀 속도(MCR, Minimum Cell Rate)를 명시함. 모든 ABR source가 여유 용량을 공유함
  • GFR(Guaranteed Frame Rate) : IP, Ethernet과 같은 frame기반 traffic에 적합한 서비스 제공. 고성능 네트워크에서 LAN traffic과 ATM 네트워크 resource를 최적화하기 위해 설계됨.