네트워크

1. 네트워크 홍익대학교 대학원 전파통신공학과 김창중

2. 순서 • 서론 • 생활 속의 네트워크 • 토폴로지 (Topology) • 프로토콜과 접속 • 네트워크 표준 예 • 광역 네트워크와 패킷 교환 • ISDN (Integrated Service Digital Network)

3. 서론 • 네트워크의 정의 • 여러 명의 사용자 집단이 서로 통신할 수 있게 만들어진 시스템 • 네트워크 구성에 필요한 요소들 • 상호 접속 경로 • 모든 사용자와 전체 시스템 사이의 물리적 연결 • 메시지와 다양한 상황을 제어할 수 있는 규칙 • 모든 사용자가 공용하는 메시지 형식

4. 생활 속의 네트워크 예제 물리적 인터페이스 표준 토폴로지 형식 프로토콜 지역 네트워크와 광역 네트워크

5. 생활 속의 네트워크 • 예제 • 항공권 예약 시스템 • 10대의 컴퓨터와 1대의 고속 프린터가 있는 소형 사무실 • 위성 제어 네트워크 • 전기 모터를 제조하는 공장 • 전화 시스템

6. 항공권 예약 시스템 • 상황 • 전 세계 어느 지점에서든 예약이 가능해야 한다. • 같은 좌석의 중복 예약을 막을 수 있어야 한다. (같은 사람이 다른 좌석을 예약할 수는 있다.) • 구현 • 각 지점의 단말기를 중앙 컴퓨터에 연결하고, • 중앙 컴퓨터에서 예약 정보를 관리한다.

7. 소형 사무실 • 상황 • 10대의 컴퓨터가 1대의 고속 프린터를 공유 • 각 컴퓨터는 필요 시 프린터를 이용할 수 있다. • 프린터가 이미 사용 중이면, 전송된 정보는 queue에 저장되었다가 출력된다.

8. 위성 제어 네트워크 • 상황 • 위성 제어국은 전세계적으로 위치하고 있다. (위성의 위치가 변해도 추적이 가능하도록) • 각 제어국은 • 제어해야 할 위성과 제어 시기에 관한 정보를 수신하고 • 그 자료에 대하여 초기 분석을 수행한 후 • 최종 분석을 위한 자료를 생성하여 • 중앙 제어국에 전송한다.

9. 전기 모터를 제조하는 공장 • 상황 • 다양한 품목의 전기 모터를 생산하는 공장이 있다. • 중앙 컴퓨터에서는 품목별 생산 목표량을 전달. • 각 품목 생산 기계에서는 생산량을 보고. • 중앙 컴퓨터에서는 원자재 목록과 주문량을 확인하고 생산 결과와 비교.

10. 예제들에 대한 토의 • 예제들의 공통점 • 사용자들은 공통의 필요나 목표를 공유한다. • 일 대 일 정보 교환 이상의 작업을 필요로 한다. • 사용자들은 종종 모든 사용자와 정보를 교환한다. • 따라서 네트워크는 다음 사항을 필요로 한다. • 사용자 간의 지속적인 상호 작용 • 통신 품질을 위한 신중한 표준화 작업 • 예측 불가능한 장애에 대한 대책

11. 물리적 인터페이스 표준 • 구성 • 기계부: 물리적인 케이블 접속 정의 • 전기부: 각 노드의 입출력 전류 및 전압 정의 • 기능부: 각 신호 기능에 대한 상세한 설명 • 조작부: 사용되는 메시지에 대한 논의 • 예: RS-232

12. 토폴로지 • 정의: • 모든 사용자들의 물리적 접속을 도면화 한 것 • 사용자 간의 접속 경로들을 보여준다. • 참고: • 많은 네트워크들은 모든 사용자가 공유하는 단일 경로를 가지고 있다. • 이런 경우, 한 번에 한 명의 사용자만이 메시지를 전송할 수 있다.

13. 형식 • 형식: 공용어라고 생각할 수 있다. • 문자 표현을 위한 부호 보다 상위 계층 • 메시지의 시작, 주소, 표현 방식, 종결 정보 포함 • 네트워크 표준 형식의 준수 • 필수적이지는 않다. • 표준 형식을 준수하는 것이 비효율적일 때도 있다. • 예) 절삭 기계에 주문량, 공정 정보를 전송하는 경우

14. 프로토콜 • 네트워크 사용자들 간의 대화 규칙 • 상태도를 이용하여 네트워크의 모든 상황을 제어한다.

15. 지역 네트워크 • 지역 네트워크 (Local Area Network, LAN) • 정의: 동일한 일반적인 지역에 있는 사용자들을 연결하는 네트워크 • 사용 범위: • 건물의 한 부분, 단일 건물, 수 마일 내의 거리에 분포하는 건물 군을 연결

16. 광역 네트워크 • 광역 네트워크 (Wide Area Network, WAN) • 정의:지리적으로 광범위하게 분포하고 있는 사용자들을 연결하는 네트워크 • 구성: • 단일 LAN들의 연결을 통해서 구성되거나 • LAN과 LAN 사이의 장거리 연결을 통해 구성된다. • 선로 사용: • LAN: 사설 선로만을 사용 • WAN: 사설 선로 + 공용 선로 사용 (비용 절감을 위해)

17. 토폴로지 One-to-all 토폴로지 성망형 토폴로지 버스형 토폴로지 고리형 토폴로지

18. 토폴로지 • 정의: • 많은 사용자들의 물리적 상호 연결 관계를 나타내는 도식 • 4가지 기본적인 토폴로지: • One-to-all 토폴로지 • 성망형 토폴로지 • 버스형 토폴로지 • 고리형 토폴로지

19. 사용자 수:3 사용자 수:4 사용자 수:5 One-to-all 토폴로지 • 장점 • 프로토콜이 단순하다. • 신뢰성이 뛰어나다. • 단점 • 비효율적이다. • 사용자 수(n)와 경로 수(P)의 관계:P=(n2-n)/2 • 새로운 사용자의 가입을 위한 비용이 많이 든다.

20. 성망형 토폴로지 • 특징 • 모든 사용자가 중앙 노드에 연결되어 있다. • 중앙 노드는 경로를 설정하는 스위치 기능을 한다. • 장점 • (개념상) 사용자의 가입 용이 • 신뢰성이 뛰어나다. • 시스템의 관리가 쉽다. • 단점 • (구현상) 사용자의 가입 어려움(특히 장거리 네트워크에서) • 중앙 노드에 문제가 생기면, 전체 네트워크에 장애가 생김 사용자 노드(node) 중앙 노드(node)

21. 버스형 토폴로지 • 장점: • 사용자의 가입 탈퇴 용이 • 안정적 • 단점: • 버스 파괴 시 통신 두절 • 각 노드에 프로토콜 필요(중앙 노드가 없으므로) • 주의: • 버스와 노드를 간접 연결(변압기, 광학적 분리기 사용) • 양끝에 종료기 설치 • 각 노드에 장애 감시회로 필요 사용자 노드 버스 드롭(drop)

22. 고리형 토폴로지 • 장점: • 광섬유 네트워크에 적합(광섬유로 버스 구성은 어려움) • 프로토콜이 단순하다. (버스에 비해) • 성능 예측이 가능하다. (최대 대기 시간이 보장된다.) • 단점: • 한 부분이라도 장애가 생기면, 전체 통신이 두절된다. 사용자 노드 고리형 토폴로지

23. 프로토콜과 접속 명령/응답 방식 인터럽트 구동 방식 토큰 전달 방식 충돌 검출 방식

24. 프로토콜과 접속 • 프로토콜 • 각 노드에서 네트워크에 접속하는 방법 정의 • 4가지 기본적인 프로토콜 형태 • 명령/응답 방식 • 인터럽트(interrupt) 구동 방식 • 토큰 전달 (token passing) 방식 • 충돌 검출 방식

25. 명령/응답 방식 • 작동 방식 • 하나의 노드가 master가 되고, 다른 노드들은 모두 slave가 된다. • 장점: 구현이 용이 • 단점: • 전체 소통량(traffic)의 절반이 명령/응답에 쓰인다. • Slave가 시간에 민감한 정보 교환을 필요로 한다면, 사용에 어려움이 있다.

26. 인터럽트 구동 방식 • 방식: • Slave에서 메시지 전송을 원할 때 인터럽트 송출 • Master에서 인터럽트를 받고 메시지 전송 허용 여부 결정 • 인터럽트 전용선이 따로 사용된다. • 응용: • 몇 개의 단말기와 연결된 중앙 컴퓨터 시스템 • 검토: • 명령/응답 방식과 인터럽트 구동 방식은 모두 slave간 직접 통신을 허용하지 않는다. • 단점: 비효율적이다. / master node의 문제는 네트워크에 치명적이다. • 대안: mater node를 없애고 모두 slave로 작동하게 한다.

27. 토큰 전달 방식 • 특징: • 모든 사용자에게 메시지 전송 기회가 주어진다. • 충돌의 가능성이 전혀 없다. • 방식: • 토큰이라는 특수한 메시지가 각 노드에 순차적으로 전달된다. • 토큰을 받은 노드는 • 잠시 동안 네트워크 전체의 통제권을 가진다. • 토큰과 함께 수신된 메시지를 확인한다. • 해당 노드에서 전송할 메시지가 있는 경우 수신된 메시지에 첨부한다. • 토큰과 전체 메시지(전송할 메시지, 수신된 메시지)를 다음 노드로 전달한다. • 장점: • 모든 노드가 자신의 차례를 보장 받는다. • 최대 대기 시간이 정해져 있다.

28. 토큰 전달 방식 (계속) • 주의: 장애가 있는 노드에 대한 감시가 필요하다. • 모든 노드들은 토큰 재수신 시간을 감시하고 있어야 한다. • 만약 토큰 재수신에 걸리는 시간이 일정 값 보다 커지면, (토큰 재수신 시간 = 전체 노드 수 * 노드 당 토큰 처리 시간 + 전달지연) • 네트워크에 문제가 있는 것으로 판단하고 • 특별한 과정을 거쳐서 문제의 노드를 찾아내어 그 노드를 건너뛰게 한다.

29. 충돌 검출 방식의 소개 • 상황: • 메시지를 수신자에게 신속히 전달해야 하는 경우 • 메시지 소통량(traffic)이 중소량일 경우 • 이런 경우, 토큰 전달 방식은 비효율적일 수 있다. • 충돌 검출 방식 • CSMA/CD (Carrier-Sense Multiple Access/Collision detect)

30. 충돌 검출 방식의 작동 방식 • 특징: • 모든 사용자는 네트워크가 유휴 상태일 때, 메시지를 전달할 수 있다. • 네트워크가 다른 사용자에 의해 점유된 상태이면, 메시지를 전달하지 않는다. • 네트워크가 유휴 상태인 것을 감지하면, 메시지 전달을 시도한다. • 가상 상황: • 두 명의 사용자가 네트워크 유휴를 감지하고, 동시에 메시지 전달을 시도하는 경우 • 두 사용자는 곧 네트워크가 사용 중이라는 것을 감지하게 된다. • 두 사용자가 전송한 메시지는 충돌되어 해석이 불가능하게 된다. • 두 사용자는 충돌을 감지하는 즉시 메시지 전송을 중단한다. • 그리고 메시지가 충돌되기 이전의 시점부터 전송할 준비를 한다. (back off) • 얼마 간의 시간 동안 대기하다가 재전송을 시도한다. (random wait)(대기 시간은 고정되어 있지 않으며, 두 사용자의 대기 시간은 서로 다르다.)

31. 충돌 검출 방식의 장단점 • 장점: • 다중 노드에 접근이 용이하다. • 각 노드는 네트워크의 반송파 존재 유무를 감지함으로써 쉽게 충돌을 검출할 수 있다. • 네트워크 소통량이 적을 때, • back off와 random wait 기법은 충돌 해결을 위한 쉽고 효율적인 대책이다. • 토큰 전달 방식에 비해 전송 기회를 얻기까지 대기하는 시간이 짧아진다. • 단점: • 네트워크 소통량이 많을 때, back off이후 대기 시간이 매우 길어진다. • 본래 back off하고 대기하던 사용자 대신 새로 전송을 시도하던 사용자가 전송 기회를 잡게 될 수도 있기 때문이다. • 최악의 경우, 어떤 사용자는 전혀 전송 기회를 잡지 못하게 될 수도 있다. • 최대 대기 시간의 예측이 불가능하다. (토큰 전달 방식과 대조)

32. 네트워크 표준 예 AppleTalk 공장 자동화 프로토콜 이더넷 (Ethernet) IEEE-488 (GPIB) 시험

33. 네트워크 표준 예 • 네트워크 표준 • 개방(open) 표준 • 예) IEEE*의 네트워크 표준 • IEEE 802.3: 기저대역 및 광대역을 위한 CSMA/CD • IEEE 802.4: 기저대역 및 광대역 버스를 위한 토큰 전달 • IEEE 802.5: 기저대역 고리 네트워크를 위한 토큰 전달 • 독점(proprietary) 표준 * IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers)

34. AppleTalk: 등장 배경 • 명칭: • AppleTalk (또는 LocalTalk라고도 한다.) • 목표: • 애플 매킨토시 기종 개인용 컴퓨터와 주변 기기들의 상호 접속 • 일반적인 상황 (소형 사무실): • 여러 대의 컴퓨터가 한 대의 레이저 프린터를 공유한다. • 각각의 컴퓨터는 서로 자료 파일을 전달할 수 있다.

35. AppleTalk: 규격 • 네트워크 모형: • LAN 기반 (저가의 단순한 네트워크가 요구되기 때문) • 토폴로지: • 최대 32명의 사용자를 수용할 수 있는 버스형 토폴로지 • 자료 전달 방식: • 직렬 방식 • 물리적 인터페이스: • 단일 차폐 꼬임 쌍선 (single shielded twisted-wire pair) • 직류 저항: 17/300m, 특성 저항: 78 , 용량(capacitance): 68pF/m • 광섬유 • 변조 방식: • 이진 주파수 천이 방식(FSK)

36. AppleTalk: 메시지 형식 • 메시지 형식: • SDLC (Synchronous Data-Link Control) • 동기 필드: 프레임의 시작을 알리며, 동기화에 도움을 준다. (8 bits) • 주소 필드: 수신 노드의 주소를 알려준다. (8 bits) • 제어 필드: 현재 전송되는 메시지의 종류가 무엇인지 알려준다. (8 bits) • 메시지 중에는 정보가 아니라 제어를 위한 특수한 목적을 가진 메시지들도 있다. • 사용자 비트: 1비트에서 수천 비트까지 전송이 가능하다. • 오류 점검 필드: 순회 부가 부호 (CRC, Cyclic Redundancy Code) (16 bits) • 종료 필드: 프레임의 종료를 알리며, 동기 필드와 동일한 비트 패턴을 가진다.

37. AppleTalk: 물리적 접속부 • 물리적 접속부: • 각 노드에서 소신호 변환기(small-signal transformer)를 사용한다. • 소신호 변환기의 특징 • 저가, 상호 접속 용이 • 장비에서 출력되는 에너지를 선로에 전달한다. • 장비와 선로를 분리시킨다. (잘못된 배선과 그에 따른 위험에서 선로 보호) • 버스 가입 탈퇴 용이

38. 공장 자동화 프로토콜 • 공장 자동화 프로토콜 (Manufacturing Automation Protocol, MAP) • 목표: 공장 생산 현장에서 사용되는 기계류의 연결 • 규격: • IEEE 802.4 표준(버스형 토폴로지를 위한 토큰 전달 방식)을 따른다. • 토큰 전달 방식 사용 이유: 최대 대기 시간이 매우 중요한 분야이기 때문에 • 전송 속도: 5Mbits/s 또는 10Mbits/s • 변조 방식: FSK (0 → 1 ⅹ반송파 주파수 , 0 → 2 ⅹ반송파 주파수) • 요구되는 비트 오류 확률: 20dB 미만의 SNR에서 10-9미만

39. 이더넷 (Ethernet): 목표와 규격 • 목표: • 사무실이나 산업 현장의 많은 사용자를 연결시키는 것 • 특히 대용량 자료 전송이 가능해야 한다. 예) 기계 및 회로 설계 자료를 플로터, 설계 장비, 제조 기계 등과 공유 • 규격: • 프로토콜: 충돌 검출 프로토콜 • 토폴로지: 버스형 토폴로지 (최대 1024명의 사용자 수용) • 물리적 인터페이스: 제한 사항 없음 (동축 케이블, 꼬임쌍선, 광섬유 등) • 두 노드 간 신호 반복기(repeater) 없이 통신이 가능한 최대 거리: 500m

40. 이더넷 (Ethernet): 관련 IC • 기능: 프로토콜, 전기적 인터페이스, 버스 관리 • 종류: • Intel 82586 LAN coprocessor: 메시지 프레임의 송수신 처리를 담당 • 자료의 송수신 • 메시지 순번 관리 • 송신 자료의 프레임화, 수신 자료의 프레임 해제 • 오류 검출 및 정정 • 네트워크 시험 및 분석 기능 • Intel 82501 이더넷 직렬 인터페이스: coprocessor와 이더넷 케이블 연결 • 10MHz의 수정 발진기 내장 (맨체스터 부호 및 복호 수행) • 이더넷을 위한 라인 드라이버, 라인 리시버 내장 • 감시 타이머: • 자료 송출량이 일정한 값을 초과하면, 문제 상황으로 보고, 초기화 신호를 보낸다.

41. 이더넷 (Ethernet): 관련 IC의 블록도

42. IEEE-488 (GPIB): 등장 배경 • 범용 인터페이스 버스 (General Purpose Interface Bus, GPIB) • 등장 배경: 공학적 실험 장비들의 상호 연결을 위해 1975년에 제정됨 • 응용 예제: IEEE-488 호환 장비들을 이용한 음성 증폭기의 시험

43. IEEE-488 (GPIB): 규격 • 규격: • 토폴로지: 버스형 토폴로지 (최대 15개의 장치들을 연결할 수 있다.) • 장치 별로 서로 다른 번호를 가진다. (장치자체의 스위치를 이용해 설정) • 따라서 동시 두 개의 전압계에 다른 번호를 부여하여 사용할 수 있다. • 신호 전송 방식: 기저 대역 통신 • 전송 속도: 최대 1Mbit/s • 최대 버스 길이: 20m • 케이블 : 24 선으로 구성 • 8 선(8비트 정보 병렬 전송) + 8 선(제어 및 handshake) + 8 선(접지) • 케이블과 장비 사이의 커넥터도 정밀한 규격을 가지고 있다. [ANSI/IEEE Std 488.1-1987 4장 기계적 규격] • 프로토콜: 명령/응답 방식 (폴링(polling)또는 인터럽트 구동 방식 이용)

44. IEEE-488 (GPIB): 네트워크 구성 • 네트워크 구성 • 일반적으로 제어기는 네트워크 내에 1대만 존재한다. • 최근의 장비들은 청취자 및 화자의 기능을 모두 가지고 있는 경우가 많다.

45. IEEE-488 (GPIB): 관련 IC • TMS9914A: • 마이크로프로세서와 상태 레지스터를 연결 • 내부에 자료 송수신을 위한 레지스터를 내장 • IEEE-488 표준 프로토콜의 상태도를 구현한다. • 75160: • 8개의 쌍방향 버퍼 + 라인 드라이버 + 라인 리시버

46. IEEE-488 (GPIB): 관련 IC의 블록도

47. IEEE-488 (GPIB): 상태도

48. 시험 장비 • 네트워크 분석기의 기능: • 버스에 장애가 생겼을 때, 버스를 감시 • 버스에 존재하는 메시지의 송신자, 수신자 표시 • 그 메시지가 담고 있는 정보를 표시 • 메시지에 대한 응답, 응답되지 않은 메시지 표시 • 응답 시간 측정을 위해 네트워크의 전체 자료 소통량 분석 • 네트워크 상의 많은 오류는 고장이 아니라 느린 응답 시간과 관련이 있다. • 네트워크 상의 능동 노드 기능을 가져야 한다. • 여러 가지 시험 메시지와 응답을 발생시킬 수 있어야 한다. • 각종 오류를 담고 있는 메시지를 발생시켜 네트워크가 오류 상황을 제대로 처리하는지 감시할 수 있어야 한다.

49. 광역 네트워크와 패킷 교환 ISO OSI 7계층 게이트웨이, 라우터, 브릿지

50. LAN과 WAN의 차이점 • LAN과 WAN의 차이점