Networking Technologies — 네트워킹 기술

네트워크를 이해하려면 데이터가 실제로 어떻게 전달되는지를 알아야 한다. 데이터 통신의 기본 개념부터 이더넷, 무선 LAN, 그리고 네트워크를 구성하는 장비까지 — 네트워킹 기술의 전체 그림을 잡는다.

데이터 통신의 핵심 개념

다중화와 역다중화 (Multiplexing / Demultiplexing)

다중화(Multiplexing)는 비용 효율적인 자원 공유 기술이다. 여러 개의 신호(데이터 스트림)를 하나의 전송 매체(링크)로 합쳐서 보내는 기술이며, 수신 측에서 이를 다시 분리하는 것이 역다중화(Demultiplexing)이다.

다중화를 구현하는 대표적인 방법 두 가지가 있다.

• 동기식 시분할 다중화(STDM, Synchronous Time-Division Multiplexing): 시간 슬롯을 나누어 할당한다. 각 사용자에게 고정된 시간 슬롯이 배정되며, 사용자가 데이터를 보내지 않으면 해당 슬롯이 낭비된다.
• 주파수 분할 다중화(FDM, Frequency-Division Multiplexing): 주파수 대역을 나누어 할당한다. 각 사용자가 서로 다른 주파수 대역을 사용하며, 역시 미사용 시 대역이 낭비된다.

다중화/역다중화는 특정 계층에만 국한되지 않는다. 전송 계층에서 TCP가 포트 번호로 프로세스를 구별하는 것도 다중화의 일종이다.

회선 교환 vs 패킷 교환

네트워크에서 데이터를 전달하는 방식은 크게 두 가지이다.

구분	패킷 교환 (Packet Switching)	회선 교환 (Circuit Switching)
경로	전용 경로 없음. 각 패킷이 독립적으로 라우팅	통신 시작 전 전용 경로를 미리 확보
자원	공유. 링크 용량 전체를 사용 가능	독점(dedicated). 공유 없음
성능	보장 없음 (best-effort)	보장됨 (guaranteed)
예시	인터넷	전화망

패킷 교환은 전용 경로 없이 각 라우터에서 패킷마다 다음 홉을 결정하는 방식이다. 회선 교환은 통신이 끝날 때까지 경로를 독점하는 중앙 제어 방식이다.

인터넷에서의 패킷 교환

인터넷에서 패킷은 각 호스트의 IP에서 생성되어 게이트웨이(gateway)라 불리는 라우터로 전송된다. 라우터는 store-and-forward 방식의 패킷 교환을 수행한다.

• 큐잉(Queueing): 패킷 도착이 버스트하므로, 라우터는 각 출력 링크마다 버퍼(queue)를 준비한다. 도착한 패킷은 기본적으로 FIFO(First-In First-Out) 순서로 처리된다.
• 패킷 손실(Packet Loss): 출력 링크로의 패킷 도착률이 링크의 데이터 전송률을 초과하면 패킷이 큐에 대기한다. 큐가 가득 차면 패킷이 드롭(drop)된다.

패킷 지연의 4가지 요소

패킷이 한 노드를 통과할 때 발생하는 노달 지연(Nodal Delay)은 네 가지 성분의 합이다.

\[d_{nodal} = d_{proc} + d_{queue} + d_{trans} + d_{prop}\]

지연 요소	설명	수식
처리 지연 ($d_{proc}$)	비트 오류 검사, 출력 링크 결정. 일반적으로 마이크로초 수준	—
큐잉 지연 ($d_{queue}$)	출력 링크 대기 시간. 라우터 혼잡도에 따라 달라진다	—
전송 지연 ($d_{trans}$)	패킷의 모든 비트를 링크에 올려놓는 시간	$d_{trans} = L / R$
전파 지연 ($d_{prop}$)	비트가 링크를 따라 물리적으로 전파되는 시간	$d_{prop} = d / s$

여기서 $L$은 패킷 길이(bits), $R$은 링크 대역폭(bps), $d$는 물리적 링크 길이, $s$는 전파 속도(유선에서 약 $2 \times 10^8$ m/sec)이다.

전송 지연과 전파 지연을 혼동하지 말 것. 전송 지연은 패킷을 링크에 “밀어 넣는” 시간이고, 전파 지연은 비트가 링크를 “달리는” 시간이다.

처리량 (Throughput)

처리량(Throughput)은 송신자로부터 수신자에게 비트가 전달되는 속도(bits/time unit)이다.

• 순간 처리량(Instantaneous throughput): 특정 시점의 전송 속도
• 평균 처리량(Average throughput): 일정 기간 동안의 평균 전송 속도

서버에서 클라이언트까지 경로에 $R_s$ bits/sec 링크와 $R_c$ bits/sec 링크가 있을 때, 종단간 처리량은 $\min(R_s, R_c)$이다. 처리량을 제한하는 가장 느린 링크를 병목 링크(bottleneck link)라 한다.

대역폭 (Bandwidth)

엄밀히 말하면 대역폭(bandwidth)은 전송 매체의 주파수 범위(Hz)를 의미한다. 하지만 컴퓨터 네트워킹에서는 관례적으로 최대 데이터 전송 속도(bps)를 뜻한다.

• 총 대역폭(Aggregate bandwidth): 네트워크가 제공하는 전체 데이터 대역폭
• 유효 대역폭(Effective bandwidth) = 처리량(Throughput): 애플리케이션에 실제 전달되는 대역폭

왕복 시간 (RTT)

왕복 시간(RTT, Round Trip Time)은 네트워크 요청이 출발지에서 목적지까지 갔다가 다시 돌아오는 데 걸리는 시간이다. 4가지 패킷 지연 요소 때문에 측정 방법(데이터 크기)이나 네트워크 환경(라우터 혼잡 여부)에 따라 RTT가 달라진다.

전송 완료 시간(Transfer Completion Time) 추정에서:

• 작은 데이터 전송: RTT가 지배적이다 (예: 1 byte 파일)
• 대용량 데이터 전송: 처리량이 지배적이다 (예: 1 GB 파일)

지연×대역폭 곱 (BDP)

BDP(Bandwidth-Delay Product)는 네트워크를 파이프로 볼 때, 파이프 안에 들어있는 데이터의 양(bits or bytes)이다.

\[BDP = bandwidth \times delay\]

예를 들어, 100 Mbps 링크에서 지연이 10 ms이면 BDP = 1 Mbit이다. 이는 첫 번째 비트가 목적지에 도착하기 전에 송신자가 보낸 데이터의 양을 의미한다. 네트워크를 완전히 활용하려면 전송 중인 바이트가 BDP 이상이어야 한다.

이더넷 (Ethernet)

이더넷(Ethernet)은 지배적인 유선 LAN 기술이다. 1980년 DEC, Intel, Xerox(DIX)가 최초로 표준을 발표하고, 1982년 Ethernet II로 개정했다. 단순하고 저렴하며, 10 Mbps에서 400 Gbps까지 속도 경쟁을 이어오고 있다.

물리적 토폴로지

• 버스(Bus): 1990년대 중반까지 주류. 동축 케이블을 공유하며, 모든 노드가 같은 충돌 도메인(collision domain)에 속한다.
• 스위치드(Switched): 현재 주류. 중앙에 L2 스위치가 위치하며, 각 연결(spoke)이 독립적인 이더넷 프로토콜을 실행한다. 노드 간 충돌이 발생하지 않는다.

CSMA/CD

전통적인 이더넷은 CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) 매체 접근 메커니즘을 사용한다.

• CSMA(Carrier Sense): “말하기 전에 듣는다(listen before talk).” 하지만 전파 지연 때문에 충돌이 여전히 발생할 수 있다.
• CD(Collision Detection): 충돌을 감지하면 즉시 전송을 중단하고 재밍 신호(jamming signal)를 보내 다른 스테이션에 알린다. 충돌의 영향을 최소화한다.

이더넷 프레임 구조

필드	크기	설명
Preamble	8 Bytes	수신자 클럭 동기화. 7바이트의 10101010 + 1바이트의 10101011 (SFD)
Dest. Address	6 Bytes	목적지 MAC 주소
Source Address	6 Bytes	출발지 MAC 주소
Type	2 Bytes	상위 계층 프로토콜 지시 (보통 IP, 0x0800). 역다중화에 사용
Data (Payload)	46~1500 Bytes	실제 데이터 (IP 데이터그램 등)
CRC	4 Bytes	순환 중복 검사. 오류 감지 시 프레임 폐기

IEEE 802와 이더넷

1985년 IEEE Computer Society는 LAN/MAN 물리 계층과 데이터 링크 계층의 기능을 명세하는 Project 802를 시작했다. IEEE는 OSI Layer 2를 LLC(Logical Link Control)와 MAC(Media Access Control) 두 하위 계층으로 세분화했다.

• 802.3: 이더넷
• 802.11: 무선 LAN (WiFi)
• 802.15: WPAN (Bluetooth 등)

대부분의 이더넷 인터페이스는 DIX 이더넷 캡슐화와 IEEE 802.3 캡슐화를 모두 지원하지만, 효율성 때문에 이더넷 캡슐화가 널리 사용된다.

무선 LAN (IEEE 802.11)

IEEE 802.11 표준 목록

표준	연도	최대 속도	실내 범위	주파수
802.11b	1999	11 Mbps	35 m	2.4 GHz
802.11g	2003	54 Mbps	38 m	2.4 GHz
802.11n (Wi-Fi 4)	2009	600 Mbps	70 m	2.4, 5 GHz
802.11ac (Wi-Fi 5)	2013	6.933 Gbps	35 m	5 GHz
802.11ax (Wi-Fi 6)	2021	9.608 Gbps	30 m	2.4, 5 GHz
802.11ax (Wi-Fi 6E)	2021	9.608 Gbps	30 m	6 GHz
802.11be (Wi-Fi 7)	2024 (est.)	46.1 Gbps	30 m	2.4, 5, 6 GHz

BSS와 ESS

대부분의 무선 LAN은 인프라스트럭처 모드(infrastructure mode)를 사용한다.

• BSS(Basic Service Set): 무선 호스트(STA, Station)와 AP(Access Point, 기지국)로 구성된다. STA는 AP를 통해 통신한다.
• ESS(Extended Service Set): 같은 SSID를 가진 여러 BSS가 분배 시스템(DS, Distribution System)으로 연결된 것이다. 예를 들어 INHA-WLAN2가 ESS이다.

Association 과정

호스트가 네트워크에 연결하려면 AP와 결합(association)해야 한다.

1. 채널을 스캔하여 비컨 프레임(beacon frame)의 SSID와 MAC 주소를 수신
2. 결합할 AP를 선택
3. 인증(authentication) 수행
4. DHCP를 실행하여 AP 서브넷의 IP 주소를 획득

스캐닝 방식:

• 수동 스캐닝(Passive Scanning): AP가 주기적으로 보내는 비컨 프레임을 기다린다
• 능동 스캐닝(Active Scanning): 호스트가 먼저 프로브 요청(probe request)을 보내 응답을 받는다

무선 LAN의 충돌 감지 문제

유선 이더넷과 달리 무선에서는 충돌 감지(Collision Detection)가 어렵다. 자신의 강한 송신 신호 때문에 약한 수신 신호를 감지하기 힘들고, 페이딩(fading)이나 숨겨진 터미널 문제(hidden terminal problem) 때문이다.

CSMA/CA

IEEE 802.11은 충돌을 감지하는 대신 회피(avoidance)하는 CSMA/CA(Collision Avoidance)를 사용한다.

1. 송신자 A가 RTS(Ready To Send)를 보낸다
2. RTS 충돌이 발생하면 (A와 B가 동시에 RTS 전송), 재시도한다
3. AP가 CTS(Clear To Send)를 A에게 보낸다. 이 CTS는 B에게도 전달되어 B는 전송을 미룬다(defer)
4. A가 DATA를 전송한다
5. AP가 ACK를 보낸다

RTS/CTS 교환을 통해 데이터 전송 전에 채널을 예약하는 구조이다. 충돌이 발생하더라도 짧은 RTS 프레임에서만 발생하므로 피해가 작다.

전송률 적응 (Rate Adaptation)

기지국과 모바일 기기는 SNR(Signal-to-Noise Ratio) 변화에 따라 전송률을 동적으로 조절한다.

• 기기가 AP에서 멀어지면 SNR이 감소하고 BER(Bit Error Rate)이 증가한다
• BER이 너무 높아지면, 낮은 전송률이지만 더 낮은 BER을 가진 변조 방식으로 전환한다
• 예: QAM256(8 Mbps) → QAM16(4 Mbps) → BPSK(1 Mbps)

광역 네트워크 — 접속망 (Access Networks)

케이블 기반 접속 (Cable)

케이블 TV 인프라를 활용한 인터넷 접속 방식이다. FDM으로 서로 다른 주파수 대역에 비디오 채널과 데이터 채널을 할당한다.

• HFC(Hybrid Fiber Coax): 광섬유와 동축 케이블의 하이브리드 구조
• 비대칭: 다운스트림 40 Mbps ~ 1.2 Gbps, 업스트림 30~100 Mbps
• 가정들이 cable headend까지 접속망을 공유한다
• CMTS(Cable Modem Termination System)가 cable headend에서 케이블 모뎀 신호를 처리

DSL (Digital Subscriber Line)

기존 전화선을 활용하여 central office의 DSLAM(DSL Access Multiplexer)에 연결한다. 음성과 데이터가 서로 다른 주파수로 전송되며, 전용 회선(dedicated line)이므로 케이블과 달리 공유하지 않는다.

• 다운스트림: 24~52 Mbps
• 업스트림: 3.5~16 Mbps

셀룰러 네트워크 (Cellular Networks)

광역 모바일 인터넷을 위한 해결책이다. SIM 카드로 사용자를 식별한다.

4G(LTE) 아키텍처의 주요 구성 요소:

• UE(User Equipment): 모바일 기기
• eNode-B: 기지국
• MME(Mobility Management Entity): 이동성 관리
• S-GW(Serving Gateway) → P-GW(PDN Gateway) → 인터넷
• HSS(Home Subscriber Service): 가입자 정보

연결 장치 (Connecting Devices)

네트워크를 구성하려면 호스트와 네트워크를 연결하는 장치가 필요하다. 이들은 인터넷 모델의 서로 다른 계층에서 동작한다.

리피터와 허브 (Repeater / Hub)

리피터(Repeater)는 물리 계층에서만 동작하는 2포트 장치이다. 한쪽 포트에서 받은 신호를 증폭하여 다른 포트로 전달한다. 네트워크를 확장하는 간단하고 저렴한 방법이지만, 필터링 기능이 없다.

허브(Hub, Dummy Hub)는 멀티포트 리피터이다. 한 포트에서 받은 신호를 모든 다른 포트로 전달한다. 여러 네트워크 세그먼트를 하나의 세그먼트로 만들 수 있지만, 역시 필터링이 없다. Gigabit Ethernet 이후로는 허브 대신 스위치가 대세이다.

브리지와 스위치 (Bridge / Switch)

브리지(Bridge)는 1983년 DEC의 Mark Kempf가 발명했다. 데이터 링크 계층(L2)에서 동작하며, 허브와 달리 MAC 목적지 주소 학습을 통한 필터링 기능을 갖는다. 호스트는 브리지의 존재를 모르는 투명(transparent) 설계이다.

MAC 주소 학습 과정: 스위치에 4개의 포트(1~4)와 호스트 A, B, C, D가 연결되어 있다고 하자.

1. 초기 상태: 테이블 비어 있음
2. A → D 프레임 전송: A의 MAC을 포트 1에 학습. D의 위치 모르므로 플러딩(flooding) — 모든 포트로 전달
3. D → B 프레임 전송: D의 MAC을 포트 4에 학습. B의 위치 모르므로 플러딩
4. B → A 프레임 전송: B의 MAC을 포트 2에 학습. A는 포트 1에 있으므로 포트 1로만 전달
5. C → D 프레임 전송: C의 MAC을 포트 3에 학습. D는 포트 4에 있으므로 포트 4로만 전달

점차 테이블이 완성되면서 불필요한 플러딩이 줄어든다.

스위치(Switch)는 멀티포트 브리지의 현대적 명칭이다. 1990년 Kalpana가 최초의 멀티포트 이더넷 스위치를 출시하면서 ‘switch’라는 용어가 보편화되었다. IEEE 802.1D/802.1Q 표준에서는 여전히 ‘bridge’라는 용어를 사용한다. 실질적으로 이더넷 브리지와 이더넷 스위치는 같은 장치이다.

스위치의 종류:

• 비관리형(Unmanaged): CLI/웹 인터페이스 없음. 저가 모델
• 관리형(Managed): 설정 변경 가능. 기업용
• 투명 브리지(Transparent bridge): IEEE 802.1D 명세에 따라 포워딩, 자기학습, 루프 방지 기능 필수

스패닝 트리 프로토콜 (STP)

브리지/스위치 네트워크에서 중복 경로가 존재하면 루프 문제가 발생한다. A가 D에게 프레임을 보내면, 두 스위치가 모두 포워딩하여 프레임이 무한히 순환한다.

STP(Spanning Tree Protocol)는 1984년 DEC의 Radia Perlman이 제안하고 IEEE 802.1D로 표준화된 프로토콜이다. 네트워크에서 루트 브리지(Root bridge)를 선출하고, 루프를 형성하는 일부 포트를 Blocking 상태로 전환하여 트리 토폴로지를 만든다. 다만 저가 스위치 중에는 STP를 지원하지 않는 것도 있어, 실무에서 루프 문제가 간혹 발생한다.

라우터 (Router)

라우터(Router)는 물리, 데이터 링크, 네트워크 계층(L3)에서 동작한다.

• 물리 계층: 수신 신호를 재생
• 데이터 링크 계층: 프레임의 물리 주소(MAC) 확인
• 네트워크 계층: IP 주소를 확인하여 라우팅 테이블 기반으로 포워딩

핵심 차이: 브리지는 충돌 도메인(collision domain)을 분리하고, 라우터는 브로드캐스트 도메인(broadcast domain)을 분리한다.

라우터는 각 인터페이스마다 물리 주소(MAC)와 논리 주소(IP)를 모두 가지며, 패킷을 포워딩할 때 물리 주소(source, destination 모두)를 변경한다.

접속망 정리

접속망 유형	구성 요소	특징
가정(Home)	WiFi AP + 라우터 + 케이블/DSL 모뎀	종종 하나의 장치로 통합
무선(Wireless)	WLAN (WiFi, ~100ft) / 셀룰러 (4G/5G, ~10km)	AP 또는 기지국 경유
기업(Enterprise)	이더넷 스위치 + WiFi AP + 라우터	유/무선 혼합, 100 Mbps~10 Gbps
데이터센터(Data Center)	고대역폭 링크 (10s~100s Gbps)	수백~수천 대 서버 연결