Chapter8 Switching

스위칭

네트워크는 연결된 장치의 집합이다. 여러 장치가 있을 때마다 어떻게 연결하여 일대일 통신이 가능하게 하는가? 이에 대한 답은 스위칭이다. 스위치 네트워크는 스위치라고 하는 일련의 상호 연결된 노드로 구성된다.

• mesh 또는 start topology -> 대규모 네트워크에서는 비실용적
• 이에 대한 솔루션이 스위칭이다.

 

스위칭의 세가지 방법

스위칭 및 TCP/IP 계층

• 스위칭은 TCP/IP 프로토콜 제품군의 여러 계층에서 발생할 수 있다.
• 물리 계층에서: circuit 스위칭
• 데이터 링크에서: 일반적으로 virtual-curcuit approach(가상 회로방식)
• 네트워크 계층에서: datagram(데이터그램) 또는 virtual-curcuit approach(가상 회로방식)
• 응용 계층에서: message 스위칭

 

1. Circuit-Switched Network(회선 교환 네트워크)

circuit-switched network 는 물리적 링크로 연결된 일련의 스위치로 구성된다. 두 스테이션 간의 연결은 하나 이상의 링크로 구성된 전용 경로이다. 그러나 각 연결은 각 링크에서 하나의 전용 채널만 사용한다. 각 링크는 일반적으로 6장에서 설명한 것 처럼 FDM 또는 TDM을 사용하여 채널로 나뉜다.

• circuit-switched 네트워크는 물리적 링크로 연결된일련의 스위치로 구성된다.
• 각 링크는 일반적으로 FDM 또는 TDM을 사용하여 n개의 채널로 나뉜다.
• 두 스테이션 사이의 각 연결에는 각 링크의 전용채널이 하나씩 할당된다.

Three Phases(3개의 상)

• 연결 설정
  • 통신하기전에 A는 M에게 연결을 요청한다,
  • 경로 설정을 위해 M뿐만 아니라 모든 스위치에서 수락해야 한다.
• 데이터 전송
  • 전용 경로를 통한 전송
• Teardown(분해,분리)
  • 리소스를 해제하기 위해 각 스위치에 신호를 보낸다.
•  예시1)
  • 회선 교환(circuit-switched) 네트워크를 사용하여 좁은 지역에서 8대의 전화를 연결하는 상황을 가정해보자.
    통신은 4kHz 음성채널을 통해 이루어진다. 각 링크는 FDM을 사용하여 최대 2개의 음성 채널을 연결한다고 가정하자.
    그러면 각 링크의 대역폭은 8kHz이다. 아래 그림은  이 상황을 보여준다. 전화1은 전화7에 연결되어 있다. 2->5, 3->8, 4->6
    물론 새로운 연결이 만들어 지면 상황은 바뀔 수 있다. 스위치는 연결을 제어한다.
   

• 예시2)
  • 개인 회사의 두 원격 사무실에 있는 컴퓨터를 연결하는 circuit-switched 네트워크를 생각해보자. 사무실은 통신사로부터 임대한 T-1 회선을 사용하여 연결된다. 이 네트워크에는 두 개의 4 X 8 (4개의 입력 및 8개의 출력) 스위치가 있다. 각 스위치에는 4개의 출력 포트가 입력 포트로 잡혀 있어 같은 사무실에 있는 컴퓨터 간의 통신이 가능하다. 4개의 다른 출력 포트는 두 사무실 간의 통신을 허용한다. 아래 그림을 참고하라.
   

• 중요한 포인트
  • circuit switching은 물리계층에서 발생한다.
  • 스테이션은 통신을 시작하기 전에 통신 중에 사용할 리소스를 예약해야 한다. 채널, 스위치 버퍼, 스위치 처리 시간 및 스위치 입출력 포트와 같은 이러한 리소스는 teardown 단계까지 전체 데이터 전송 기간 동안 전용리소스로 유지되어야 한다.
  • 두 스테이션 간에 전송 되는 데이터는 패킷화 되지 않지만 계속해서 흐른다.
  • 데이터 전송 중에는 주소 지정이 필요하지 않다. 스위치는 점유 대역(FDM) 또는 시간 슬롯(TDM)을 기반으로 데이터를 라우팅한다.

 

효율성(Efficiency)

• circuit-switched 네트워크는 연결이 지속되는 동안 자원이 할당되기 때문에 다른 두 유형의 네트워크만큼 효율적이지 않다고 주장할 수 있다.
• 오랫동안 두 스테이션 간에 데이터 전송이 없더라도 다른 연결에서는 이 리소스를 사용할 수 없다.

 

지연(Delay)

• 연결이 지속되는 동안 전용 리소스로 인해 데이터 전송 중 대기 시간이 없기 때문에 지연시간이 최소화된다.

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2. Packet Swtiching

데이터 통신에서 우리는 한 종단 시스템에서 다른 종단 시스템으로 메시지를 보내야 한다. 메시지가 패킷 교환 네트워크를 통과하려면 고정 또는 가변 크기의 패킷으로 나누어야 한다. 패킷의 크기는 네트워크와 관리 프로토콜에 의해 결정된다.

• 패킷 교환 네트워크에서 데이터는 고정 또는 가변 크기의 패킷으로 분할되어야 한다.
• 리소스 예약이 없다.
• 즉, 링크에 예약된 대역폭이 없고 각 패킷에 대해 예정된 처리 시간이 없다.
• 그대신, 필요에 따라 자원이 할당된다.
• 두가지 유형
  • 데이터그램 네트워크
  • 가상회로(virtual circuit) 네트워크

Datagram 네트워크

• 데이터그램이라 불리는 각 패킷은 다중 패킷 전송의 일부인 경우에도 다른 모든 패킷과 독립적으로 처리된다.
• 스위칭은 라우터에 의해 네트워크 계층에서 이루어진다.
  • 각 패킷은 서로 다른 지연으로 서로 다른 경로를 이동할 수 있다.
   

 

• 라우팅 테이블
  • 각 데이터그램 네트워크 스위치에 상주
  • 목적지 주소 목록 및 해당 포워딩
  • 동적이며 주기적으로 업데이트된다.
• 모든 데이터그램에는 목적지 주소가 포함된 헤더가 있으며 이 주소는 패킷의 전체 이동 중에 동일하게 유지된다.
• 효울성: 필요할 때만 자원을 할당하므로 회선 교환망보다 우수하다.
• 지연(Delay): 각 패킷이 전달되기 전에 스위치에서 대기할 수 있으므로 다른 것보다 크다.

 

Virtual-Circuit Networks(가상 회선 네트워크)

• curcuit-switched 네트워크와 데이터그램네트워크는 공통점이있다.
  • Three phases: setup(설정), data transfer(데이터 전송), teardown(해제)
  • 설정 단계에서 리소스 확인 및 데이터 전송단계에서 주문 할당
  • 패킷헤더의 주소는 종단 간 관할이 아닌 로컬 관할을 갖는다.
  • 모든 패킷은 소스에서 목적지까지 동일한 경로를 따른다.
  • 일반적으로 데이터 링크 계층에서 구현
• Virtual-circuit network

• 글로벌 어드레싱
  • 가상 회선 식별자를 생성하는 데만 사용된다.
• 가상 회로 식별자 또는 라벨(Virtual-circuit identifier or label)
  • 스위치에서 데이터 전송에 사용
  • 스위치 범위에서만 고유함
   

• source-to-destination 데이터 전송

• 설정(setup) 요청
  • 각 스위치는 들어오는 요청에 VCI를 할당한다.
  • VCI는 스위치에서 고유하다.
  • 나가는 VCI는 여전히 비어있다.
   

• 설정 확인
  • 다음 스위치가 할당한 VCI의 이전 스위치를 알린다.
   

• 데이터 전송 예시

• 가상 회선의 해체(Teardown of a virtual citcuit)
  1. 분해 요청: source는 모든 프레임을 보낸 후 분해 요청이라는 특수프레임을 보낸다.
  2. 확인 프레임: Destination은 분해확인 프레임을 응답한다.
  3. 항목 삭제: 테이블에서 일치하는 모든 스위치를 삭제한다.
   

 

• 지연: 모든 패킷은 동일한 경로를 이동하지만 리소스 할당이 요구되는 경우 각 패킷의 지연이 다르다.

 

 

스위치의 구조

우리는 회선스위치 및 패킷스위치 네트워크에서 스위치를 사용한다. 이 파트에서는 각 유형의 네트워크에서 사용되는 스위치의 구조에 대해 설명한다.

 

CircuIt Switches(회선 스위치)의 구조

• circuit switching의 기술
  • 공간 분할(Space-division): 모든 경로는 공간적으로 서로 분리되어 있다. (크로스바 스위치, Multistage 스위치)
  • 시분할(Time-division): TDM(시분할 다중화)은 스위치 내부에서 사용된다. (타임슬롯 교환(TSI;Time-slot interchange))
  • 결합(Combination): 위 두가리를 결합하여 두가지를 모두 활용한다. (시공간 스위치(TST 스위치;Time-space-time 스위치)

 

크로스바 스위치

• 크로스바 스위치
  • 입력과 출력을 그리드 형태로 연결
  • 차단 없음
  • 증가하는 입력과 출력수에 따라 기하급수적으로 증가하는 교차점
   

Multistage 스위치

• Multistage 스위치
  • X포인트의 수를 줄이기 위해 여러 단계의 크로스바 스위치
  • 트래픽이 많은 기간 동안 차단
  • 예시) 위 그림에서 k=4, n=20인 3단계 200x200스위치(N=200) 를 설계한다.
    첫 번째 단계에는 각각 크기가 20x4인 10개(N/n)의 크로스바가 있다. 두번째 단계에는 각각 크기가 10x10인 4개의 크로스바가 있다. 세번째 단계에는 우리는 각각 4x20사이즈인 10개의 크로스바가 있다.
    전체 크로스바의 수는 2kN+k(N/n)^2=2,000이다.
    이는 single-stage 스위치의 5%이다.(200x200=40,000)
   
• 타임슬롯 교환(TSI;Time slot interchange)
  • TDM 멀티플렉서, RAM, 컨트롤유닛으로 구성

• 시공간 스위치(TST;Time space time)
  • 물리적(x포인트의 수) 및 시간적(지연량) 모두 최적화
   

패킷스위치의 구조

• 패킷 스위치의 네가지 구성요소
  • 입력 포트
  • 출력 포트
  • 라우팅 프로세서
  • 스위치 패브릭
   

• 입력포트
  • 물리적 계층: 수신된 신호에서 비트 구성
  • 데이터 링크 계층: 패킷 캡슐화 해체, 오류 감지/수정
  • Quere: 스위치 패브릭으로 향할 때까지 패킷 보유
   

• 출력 포트
  • 입력 포트와 기능은 같지만 역순
  • 데이터링크 계층: 프레임의 패킷 캡슐화
  • 물리계층: 보낼 시그널 생성
   

• 라우팅 프로세서
  • 네트워크 계층의 기능
  • 테이블 조회(Table lookup): 라우팅 테이블 항목에서 특정 대상 주소에 대한 적절한 출력 포트 찾기
• 패브릭 전환
  • 입력 큐에서 출력 큐로 패킷 이동
  • 크로스바 스위치
  • 반얀 스위치
    • 입력 및 출력의 경우 각단계에서 n/2 마이크로 스위치가 있는 log2(n) stage
    • 출력포트번호의 비트는 각 단계의 출력을 순서대로 나타낸다.
  • 반얀스위치에서의 라우팅 예시
   

• Batcher-Banyan 스위치(배처-반얀)
  • 최종 목적지에 따라 정렬되어 들어오는 패킷들
  • 목적지가 같은 패킷은 반얀스위치를 동시에 통과하지 못함