[네트워크] 패킷 교환, 회선 교환

링크와 스위치를 통해 데이터를 이동시키는 방식에는 패킷 교환(packet switching)과 회선 교환(circuit switching)이 있다.

 

1. 패킷 교환

네트워크에서 종단 시스템들은 서로 메시지를 교환한다. 송신 측에서는 메시지를 보내기 위해 긴 메세지를 패킷(packet)이라고 하는 작은 데이터 블록으로 나눈다. 각 패킷은 통신 링크와 패킷 스위치(라우터/스위치)를 거친다.  

패킷은 링크의 최대 전송 속도와 같은 속도로 각각의 링크를 통해 전송된다. 

 

store-and-forward transmission

대부분의 패킷 스위치는 저장-후-전달 전송(store-and-forward transmission) 방식을 이용한다. 스위치가 패킷을 전송하기 전에 전체 패킷을 받아야 하는 것을 의미한다. 

 

큐잉 지연

각 패킷 스위치는 여러 개의 링크를 갖고 있다. 각 링크에 대해 패킷 스위치는 출력 버퍼(큐)를 가지고 있다. 출력 버퍼에서 그 링크로 송신하려고 하는 패킷을 저장한다. 큐잉 지연은 링크가 어떤 패킷을 전송하고 있다면 다음 패킷은 출력 버퍼에서 대기하는 과정에서 발생한다. store-and-forward transmission에서 스위치가 패킷을 다 저장할 때까지 기다리는 과정에서도 큐잉 지연이 발생한다.

 

패킷 손실

큐잉 지연은 가변적이고 네트워크의 혼잡 정도에 따라 다르다. 버퍼의 공간이 한정적이기 때문에 버퍼가 꽉 찼을 경우, 패킷이 버퍼로 들어가지 못해 손실되는 패킷 손실(packet loss)이 발생한다. 패킷 손실은 도착하는 패킷이 폐기되거나 버퍼에 대기 중인 패킷을 drop함으로써 발생한다.

 

forwarding table

각 라우터는 목적지 주소를 라우터의 출력 링크로 맵핑하는 전달 테이블(forwarding table)을 갖고 있다. 패킷이 라우터에 도착하면, 라우터는 올바른 출력 링크를 찾기위에 주소를 조사하고, 목적지 주소를 이용하여 전달 테이블을 검색한다. 인터넷은 여러 라우팅 프로토콜로 자동으로 전달 테이블을 설정한다.

 

 

2. 회선 교환

패킷 교환과 다르게 회선 교환에서는 통신에 필요한 자원을 통신 세션 동안에 확보하거나 예약한다. 자원을 미리 확보하면 자원을 획득하기 위해 기다릴 필요가 없다. 할당된 회선이 비활용 기간(silent period)에는 놀게 되고, 자원 확보가 복잡하다는 단점이 있다. 

 

회선(circuit)

회선은 송신자와 수신자 간의 경로에 있는 스위치들이 유지하고 있어야 하는 연결이다.

이 연결이 이루어지는 동안 네트워크 링크에 일정한 전송률을 예약해서 송신자는 수신자에게 보장된 전송률로 데이터를 보낼 수 있다.

 

주파수-분할 다중화(frequency-division multiplexing, FDM)

FDM에서 링크를 통해 설정된 연결은 그 링크의 대역폭을 공유한다. 

 

시-분할 다중화(time-division multiplexing, TDM)

TDM은 시간을 일정 주기의 프레임으로 구분하고 각 프레임은 고정된 수의 시간 슬롯으로 나뉜다. 하나의 연결을 설정할 때 시간 슬롯 1개를 연결에 할당한다. 

 

회선 교환은 요구에 관계없이 미리 전송 링크의 사용을 할당하는 반면, 패킷 교환은 요구할 때만 링크 사용을 할당한다는 점에서 가장 큰 차이가 있다. 

 

 

(참고) James F. Kurose. Computer networking a top-down approach. 7th edition