데이터 전송 - 데이터 전송 방식 (점대점, 브로드캐스팅, 멀티포인트 통신)

컴퓨터 네트워크의 효과 : 정보 공유, 병렬 처리에 의한 성능 향상, 중복 저장에 따른 신뢰성 향상

 

정보 공유(Information Sharing)

컴퓨터 하드웨어뿐 아니라 각 호스트에서 제공하는 논리적인 정보를 공유.

인터넷 자원을 더 효율적으로 활용할 수 있게 해준 네트워크를 발전시킨 1차 요인

 

병렬처리에 의한 성능 향상

컴퓨터 시스템 내부의 하나의 공유 시스템 버스에 다수의 메인 프로세서를 장착

I/O 장치의 처리 속도를 향상시키기 위해 I/O 전용 프로세서를 설치

시스템이 수행할 작업을 분할해 동시에 처리함으로써 처리 시간을 단축

 

중복 저장에 따른 신뢰성 향상

중요한 정보를 여러 시스템에 중복 저장하여 정보의 접근성과 신뢰성을 향상

중복에 따른 일관성 문제는 컴퓨터 시스템이 자동으로 처리

신뢰성의 향상 정도만큼 시스템 성능은 저하됨

 

 

전송과 라우팅(교환)

송신 호스트가 수신 호스트에 데이터를 전달하려면 전송과 교환 과정을 거쳐야 함

교환(switching) : 전달 경로가 둘 이상일 때 라우터에서 데이터를 어느 방향으로 전달할지 선택하는 기능, 유선전화망에서 교환이라는 표현이 사용되기 시작했으며, 컴퓨터 네트워크에서는 라우팅(routing)이라는 용어가 보편적으로 사용됨

전송(transfer) : 특정한 물리 매체에 의하여 일대일(1:1)로 직접 연결된 두 시스템 간의 신뢰성 있는 데이터 전송을 보장, 라우팅 개념이 포함되지 않음

라우터(router) : 올바른 경로를 선택하기 위해 라우팅 기능을 수행하는 호스트, 경로 선택과 관련된 정보를 라우팅 테이블에 저장 및 관리

 

 

네트워크 - 지리적 분포에 따른 분류 => LAN(local area network, 근거리 통신망), MAN(metropolitan area network, WAN(wide area network, 도시 규모의 통신망), WAN(wide area network, 원거리 통신망)

전송, 라우팅 기술에 따른 분류

1. 점대점(point-to-point) 방식

호스트 간의 데이터 전달 과정에서 송신 호스트가 중개 호스트와 일대일로 연결되므로 다른 호스트에게는 데이터가 전달 되지 않음.

따라서 데이터를 최종 수신 호스트에게 올바르게 전달하는 과정에서 인접 중개 호스트에 전송하는 과정을 단계적으로 반복함.

호스트는 데이터를 송수신하는 호스트이거나 중간 라우터가 될 수 있음.

원거리의 호스트 간 통신 방식으로 WAN환경에서 주로 사용.

 

2. 브로드캐스팅(broadcasting) 방식

공유 전송 매체 하나에 여러 호스트를 연결하여 네트워크에 연결된 모든 호스트에 데이터가 전송됨.

데이터 전달 과정에 별도의 라우팅 기능이 필요하지 않음.

자신을 목적지로 하지 않은 데이터를 받은 호스튼 받은 데이터를 버려 결국 하나의 호스트만 데이털르 수신하도록 설계하여야 함.

지리적으로 가까운 호스트 간 통신 방식으로 LAN 환경에서 주로 사용.

 

점대점(point-to-point) 방식 (스타형, 링형, 완전형, 불규칙형)

점대점 방식에서는 라우팅 호스트가 송수신 호스트의 중간에 위치하는데 라우터들을 연결하는 방식은 그 구성 형태에 따라 기술적으로 영향을 많이 받게 됨.

전체 연결 개수가 많아지면 성능 면에서 유리하지만, 전송 매체의 길이가 증가해 비용이 많이 발생함.

반대로 연결 개수가 적어지면 전송 매체를 더 많이 공유해 특정 구간에서 네트워크 혼잡도가 증가하게 됨.

네트워크 트래픽이 많이 발생하는 구간에서는 전송 매체의 수를 늘리고, 그렇지 않은 구간에서는 줄이는 방식으로 네트워크가 확장되기 때문에 일반적으로 불규칙형 구조로 구성됨.

스타형

중앙에 있는 하나의 중개 호스트 주위로 여러 호스트를 일대일로 연결하는 형태

주변 호스트가 데이터를 송수신하려면 반드시 중앙의 중개 호스트를 거쳐야 함.

따라서 중앙 호스트의 신뢰성과 성능이 전체 네트워크의 성능과 신뢰성에 영향을 많이 주게 됨.

또한 데이터를 적절한 목적지로 전송하는 중개 기능도 중앙 호스트가 독점적으로 담당함.

트리형 구조

스타형은 위의 그림처럼 단단계로 확장될 수 있는데, 중앙에 있는 스타 구조 주변에 위치한 호스트들을 중심으로 새로운 스타 구조가 확장되는 형태를 띈다. 이를 트리형 구조라 하고 주변 호스트가 중개 호스트로 확장되는 과정을 반복해 네트워크를 무한대로 펼칠 수 있다.

장점 : 모든 데이터가 중앙 호스트를 중심으로 라우팅되므로 중개 과정이 간단함

단점 : 중앙 호스트에 문제 발생 시 전체 네트워크 동작에 영향을 많이 주게 됨

 

링형

호스트의 연결이 순환 고리 구조이고 모든 전송 데이터는 반드시 링을 한 바퀴 순환하도록 설계되기 때문에 브로드캐스팅 방식을 지원함

(but, 호스트가 일대일로 직접 연결되기 때문에 점대점 방식에도 포함)

송신 호스트와 수신 호스트의 거리가 멀수록 데이터 전달 과정에서 개입하는 중개 호스트이 개수도 증가함.

링형에서는 네트워크에 연결된 모든 호스트가 데이터 전송과 라우팅 기능을 동시에 수행할 수 있어야 함.

이론적으로는 송수신 호스트 사이의 중개 거리를 판단해 데이터를 시계 또는 반시계 방향으로 전달하도록 설계하는 것이 효율적이지만, 실제 환경에서 링형은 데이터를 한 방향으로만 전달하도록 설계됨. (중개되는 호스트 개수를 줄이는 것보다 복잡한 처리 과정을 단순화하는 것이 유리하게 작용하기 때문)

여러 호스트가 동시에 데이터를 전송할 경우 데이터 충돌 가능성이 있기에 호스트 사이의 데이터 송신 시점을 제어하는 기능이 필요함.

토큰이라는 특수한 제어 프레임이 이 기능을 수행하는데 호스트가 데이터를 전송하려면 토큰을 꼭 확보해야됨.

평소에는 링 네트워크에 하나의 토큰이 순환하고, 데이터를 전송하려는 호스트는 토큰이 도착하면 이를 내부에 보관한 후 데이터 전송을 시작함. 그리고 데이터가 네트워크를 한 바퀴 순환하여 되돌아왔을 때 전송 데이터를 회수하고 토큰을 다시 링 네트워크로 돌려줌.

이러한 과정이 반복적으로 이루어지면서 링에 연결된 모든 호스트가 토큰을 확보하게 되어 데이터 전송 기회가 동등하게 부여됨.

단점 : 한 호스트가 고장날 경우 전체 네트워크가 동작하지 않을 수 있음

따라서 정전이나 기타 원인에 의해 오동작하는 호스트는 네트워크에서 논리적으로 분리하여 고립시킬 수 있어야하고 특정 호스트를 관리 호스트로 지정하여 네트워크가 정상적으로 동작하는지 점검함.

 

완전형

네트워크에 존재하는 모든 호스트가 다른 모든 호스트가 일대일로 직접 연결하는 방식

호스트끼리 서로 고유하지 않는 전용 전송 매체로 직접 연결하기에 라우팅 기능이 필요없음.

단점 : 사용하는 전송 매체의 개수가 증가하면 비용 측면에서 매우 비효율적임. 

ex) 전체 호스트 수 : n개 일떄 필요한 전수 매체 수는 n*(n-1)/2개

 

불규칙형

전송 매체에 의한 연결 구조를 특정 패턴으로 분류할 수 없는 경우로 일반적인 네트워크 연결 형태는 불규칙형

네트워크에서 고려해야 하는 여러 환경 요인에 의해 연결 구조가 결정됨.

ex) 

특정한 두 호스트 간 통신 트래픽이 많은 경우 => 직접 연결, 적을 경우 => 다른 호스트의 중개 과정을 거쳐 데이터 교환하도록 설계

즉, WAN 환경의 점대점 연결은 데이터 전송이 빈번한 호스트 사이에 연결을 만드는 방식으로 네트워크가 확장됨.

 

WAN 같은 원거리 통신망에서는 특정 호스트 사이를 직접 연결한 전송 매체가 있는지, 아니면 어떤 우회 경로로 몇 단계를 거쳐서 연결할 수 있는지에 대한 판단이 중요함.

 

LAN에서는 연결의 존재 여부보다는 데이터를 수신 호스트까지 얼마나 효율적으로 전달가능한지가 중요한 기준이 됨. 

=> 브로드캐스팅 방식은 네트워크의 모든 호스트에 데이터를 전송하므로, 중개 기능만 전용으로 수행하는 라우터가 필요 없음.

 

브로드캐스팅 (broadcasting) 방식 (버스형, 링형)

특정 호스트가 전송한 데이터가 네트워크에 연결된 모든 호스트에 전달됨.

따라서 호스트의 연결 구조는 링형과 같은 점대점 방식도 포함하여 다룸

 

브로드캐스팅 방식

 

버스형

모든 호스트가 하나의 전송 매체를 공유하므로 전송 데이터를 모든 호스트에서 수신할 수 있음.

따라서 전송되는 데이터 내에 송수신 호스트이 주소를 표시하는 기능이 필요함.

이를 통해 데이터를 수신한 호스트는 수신 호스트 주소를 보고 데이터 수신 여부를 결정할 수 있고, 송신 호스트 주소로 누가 자신에게 데이터를 보냈는지 확인 가능함.

둘 이상의 호스트에서 데이터를 통시에 전송하면 데이터 충돌이 발생 가능하므로 충돌에 따른 오류 문제를 해결해야됨.

충돌 문제 해결 방법 두 가지

1) 호스트의 전송 권한을 제한하여 충돌 사전 예방

데이터를 전송하려면 호스트가 사전에 전송 권한을 확보해야함. 

전송 권한 확보 방법(time slice, token)

- 전송 시간대를 분할하여 호스트별로 데이터를 전송할 수 있는 시간대(time slice)를 다르게 지정

- 토큰을 사용하여 전송 권한을 순환적으로 이용

 

2) 충돌 발생 시 이를 해결하는 방식(충돌 허용)

충돌을 감지하고 재전송하는 오류 복구 과정이 필요

대표적인 공유 버스 방식인 이더넷(ethernet)은 충돌 허용 방식 사용한다.

충돌이 자주 발생하면 전송 효율이 떨어지기 때문에 충돌 발생 가능성을 줄이는 기능이 필요함

 

링형 (위의 점대점 방식에 포함하여 설명)

 

 

 

연결 방식과 전송 방식

유니캐스팅 : 두 호스트 사이의 데이터 전송으로 가장 기본적인 통신의 형식

ex) 인터넷에서 제공되는 텔넷, FTP, 웹 검색 등 대부분의 서비스에서 사용

 

유니포인트 : 하나의 송신 호스트를 기준으로, 수신 호스트 하나와 연결

멀티포인트 : 하나의 송신 호스트를 기준으로, 다수의 수신 호스트와 연결

 

유니캐스팅 : 한 번의 전송으로 수신 호스트 하나에만 데이터를 전송

멀티캐스팅 : 한 번의 전송으로 다수의 수신 호스트에 데이터를 전송

 

캐스팅(casting)이라는 단어가 여기서 어떻게 사용된 것인지 의미가 궁금하여 찾아보았다.

cast는 동사로 무엇가를 던지는 행위로도 사용된다.(이 의미가 해당 개념과 가장 잘 연결 되는 거 같다)

cast verb (THROW)

[ T + adv/prep ] literary

to throw something:

The knight cast the sword far out into the lake.

 

유니캐스팅: 1명에게만 데이터를 던진다.

멀티캐스팅: 여러 명에게 데이터를 던진다(단, 특정 그룹 대상).

 

이런 맥락에서 casting이라 하지 않았을까 싶다.

 

 

 

멀티포인트 유니캐스팅

유니캐스팅 방식을 이용해 일대다 통신을 하려면 아래 그림과 같은 멀티 포인트 유니캐스팅 방식을 사용해야 한다.

ex) 문자 전송 앱에서 여러 사람에게 문자 메시지를 전송하려면 수신자의 수만큼 전송을 반복하여야 함.

멀티포인트 유니캐스팅

위 그림의 맨 왼쪽의 송신 호스트 a가 다수의 수신 호스트(d, e, f)에 데이터를 전송하려면 먼저 각 수신 호스트와 개별적으로 연결을 설정해야 한다. 그림의 상황에선 수신 호스트가 3개이므로 3개의 연결 설정이 필요하고, 데이터 전송 과정에서도 연결 설정처럼 개별 수신 호스트에 별도로 3번 데이터를 전송해야 한다.

 

유니캐스팅과 멀티포인트 유니캐스팅 방식은 송수신 호스트 간 흐름 제어와 수신 호스트의 응답 기능 및 재전송 기능 등을 구현하기 좋다.

그러나 멀티포인트 유니캐스팅은 수신 호스트 수가 많아지면 성능면에서 여러 문제가 나타날 가능성이 있다.

 

브로드캐스팅

송신 호스트가 전송한 데이터가 네트워크에 연결된 모든 호스트에 전송되는 방식

수신 호스트는 수신 데이터를 받아들일지, 폐기할지를 데이터의 목적지 주소를 근거로 결정한다.

호스트 수가 많을수록 네트워크 트래픽이 급격히 증가하는 단점이 있기 때문에 네트워크 전체에 대해 데이터를 전송하기보다 특정 서브넷 내에서 이용해야 한다.

브로드캐스팅

위의 그림에서 왼쪽의 송신 호스트 a가 전송한 데이터는 네트워크에 연결된 모든 호스트(b, c, d, e)에 전달되고, 이 데이터의 수신 여부는 각 수신 호스트가 판단한다. 즉, 전송 데이터의 내부에 기술된 수신 호스트 주소가 자신과 일치하지 않는 호스트는 데이터를 받아들이지 않는다.

브로드캐스팅 방식에서는 모든 데이터가 데이터를 수신할 있도록 (송신 호스트가 다수의 복사본을 개별 수신 호스트들에 전송하는 것이 아닌), 특정한 브로드캐스팅 주소로 전송한다. 네트워크에 연결된 라우터나 스위치 등의 네트워크 장비에서는 브로드캐스트 주소로 전달된 패킷을 복사하여 네트워크 전체로 전송해준다.

 

멀티캐스팅

프로토콜 자체에서 일대다 전송 기능을 구현하여 아래 그림과 같은 통신 환경을 연결 설정 요구 한 번으로 지원할 수 있다. 

데이터 전송 과정에서도, 멀티포인트 유니캐스팅에서는 수신 호스트의 수만큼 데이터를 반복 전송 해야하는 반면, 멀티캐스팅에서는 송신 호스트의 전송 요구 한번으로 모든 수신 호스트에 데이터를 전달할 수 있다.

멀티캐스팅

멀티캐스팅을 구현하려면 멀티캐스트 그룹을 생성하고 관리하는 기능이 필요하다. 예를 들어, 임의의 호스트가 특정 멀티캐스트 그룹에 가입하고 탈퇴하는 기능이 이에 해당한다. 또한, 멀티캐스트 데이터를 중개하는 라우터에서 멀티캐스트 그룹 주소를 인식하고, 다수의 수신 호스트에 중개하는 등의 멀티캐스트 트래픽에 대한 처리 기능도 구현되어야 한다.

 

멀티캐스팅은 인터넷 멀티미디어 환경에서 제공하는 비디오, 오디오 서비스, 화상 회의 서비스 등을 비롯해 자사에 등록된 다수 고객을 대상으로 하는 모든 형태의 데이터 서비스(인터넷 뉴스, 주식)에서 응용된다.

 

 

 

 

참고 도서 :

쉽게 배우는 데이터 통신과 컴퓨터 네트워크 3판 (박기현 지음)