스위칭 기술

메시지를 최종 목적지까지 전달하기 위한 전송경로 구축 방법으로 회선교환방식(Circuit Switching)과 패킷 교환 방식 (Packet
Switching)이 있다.

대역폭 공유 LAN으로 불리는 네트워크 형태는 지난 95년께까지 10년 동안 네트워크 분야를 주도하는 세력으로 군림했다.  그러나 대역폭 공유 네트워크 역시 대역폭  부족이라는 문제에 봉착했다.  정해진 대역폭을 여러 디바이스들이 나눠 가질 수밖에 없기 때문이다.  특히 갈수록 LAN의 규모가 비대해지고 LAN을 통해 송수신되는 데이터의 크기가 대형화함에 따라 그 한계가 뚜렷해졌다.  대역폭 공유를 가능하게 했던 허브와 라우터가 이를 해결하지 못했던 것은 물론이다.

95년께 부터 LAN 분야에서 가히 혁명이라 부를수 있는 변화가 일어났다.  스위칭시대의 도래가 바로 그것이다.  스위칭은 대역폭전용(dedicated-bandwidth) 방식의 스위치된(switched) LAN을 꾸밀 수 있게 해주는 기술로 이 분야에서 현존하는 최상의 솔루션으로 자리잡아 가고 있다.

대역폭 전용은 대역폭 공유와 대비되는 개념으로 LAN이 가질 수 있는 최대 대역폭을 디바이스들 역시 그대로 보유할 수 있도록 했다. 예를 들어 10Mbps 이더넷을 스위치드 방식으로 구축할 경우 여기에 몰리는 PC들은 모두 10Mbps 대역폭을 보장받는 것이다.

스위칭은 서킷스위칭, 패킷스위칭, 셀스위칭 등 세 가지로 분류된다. 이 가운데 LAN과 직접적으로 관련을 갖고 있는 것은 패킷스위칭과 셀스위칭이다.

서킷(circuit) 스위칭은 음성통신용 교환기에서 사용하는 방식이다. 패킷(packet) 스위칭은 문자데이터 통신을 위한 기술로 일반적으로 말하는 LAN 스위칭이 바로 이것으로 이더넷, 토큰링, FDDI 등 각종 LAN에서 주로 사용된다. 셀(cell) 스위칭은 ATM이 고안되면서 탄생된 기술로 LAN과 WAN 두 분야에서 모두 사용되는 것이 특징이다.

 

Figure 2.26  The Model of Switched Network

스위칭 기술의 대두로 그 역할이 점차 줄어들고 있는 것은 라우터이다.  라우터는 원래 LAN 세그먼트간 접속을 위해 등장했으나 스위치에게 그 역할을 넘겨주고 있는 실정이다.

가상(virtual) LAN의 효용이 증가함에 따라 이같은 경향은 더욱 뚜렷해지고 있다.  가상 LAN을 가능케 하는 것은 일반적으로 3계층 스위칭으로 불리는 인터넷 프로토콜(IP) 스위칭이다. 이것은 스위치가 라우터 전용이었던 프로토콜 전송기능까지 수행할 수 있게 함으로써 라우터의 입지를 좁히는데 결정적인 역할을 하고 있다.

2.7.1  회선 교환 방식 (Circuit Switching)
전화 연결에 가장 많이 사용하고 있는 회선 교환 방식은 호출자와 수신자 사이의 연결을 위하여 네트워크상의 전기적인 경로 또는 회선을 연결시킨다. 회선 연결이 일단 이루어지면 회선의 사용은 독립적으로 그리고 계속적으로 사용할 수 있다. 사용이 끝나면 회선은 자동적으로 단절이 되며, 다음의 연결 작업을 위하여 대기 상태로 들어간다. 그러므로, 회선 교환 방식은 전송이 시작되기 전에 전체 경로가 사용 가능하여야 하고 할당되어야 한다.

경로상의 교환시는 간섭할 수 없으며, 그들을 통과하는 정보는 멈추거나 저장되지 않는다. CODE, FPORMAT, SPEED, PROTOCOL 등의 어떠한 변환도 없으며, 또한 중간 Station이 발신지 - 수신지간에 교환되는 전문의 내용을 변경하거나 가로막지 못한다.

최초의 통신망은 '전화망'(PSTN:Public-Switched Telephone Network;공중망)이다.  전화망에서는 1:1 통신만이 가능하며 아날로그 통신용으로 설치되었기 때문에 데이터 통신을 하려면 모뎀이 필요하다는 것이 다 아는 사실이다.  이보다 조금 발달한 것이 PSDN(Public-Switched Data Network)으로 여기서는 아날로그가 아닌 디지털 데이터가 흐르며 모뎀이 필요 없다.

전화망은 컴퓨터 네트워크를 고려하지 않았고 1:1 통신만이 가능했기 때문에 컴퓨터 네트워크 보다 데이터 통신의 범주에 속한다. 그러나 전화망과 같은 원리로 운영되는 통신망을 Circuit Switching Network라고 부른다.

 

Figure 2.27  The Circuit Switching Concept

그림에서처럼 A와 C가 어떤 정보를 주고받으려 하는 경우 스위치의 한쪽 끝은 A에게, 다른 한쪽 끝은 C에게 연결되어야 하며 이 때 나머지 B, D, E, F는 전혀 통신을 할 수 없다. 가끔 전화에서 '지금은 통화량이 많아...' 하는 경우가 이 경우 B, D, E, F에 해당되며 가운데 스위치는 교환기에 해당된다. 한번 연결이 이뤄지면 다른 가입자들에 대해 연결이 폐쇄되기 때문에 'Closed Circuit' 네트워크라고도 한다. 실제 전화국에서는 전화선을 깔고 교환기를 설치할 때 가입자 수와 평균 통화 시간 등을 계산하여 가능한 적은 비용으로 가능한 모든 가입자가 언제든지 통화할 수 있도록 적절한 수의 교환기를 설치한다.

이 시스템의 장점은, 연결이 형성된 A와 C간에는 항상 막힘없이, 라인이 허용하는 최고속도로 데이터 통신이 가능하다는 점이다. 우리가 집에서 인터넷을 쓸 때 주말이나 밤에 속도가 더 느린 것처럼 속도의 변화가 없이, 오직 라인과 물려있는 기계의 성능에 의해서만 속도가 제한된다는 점이다. 그러나 단점은, 나머지 B, D, E, F는 놀고 있어야 한다는 점이다.

Circuit Switching 네트워크의 또 하나의 예는 컴퓨터간의 Null-Modem연결이다.  PC의 시리얼 포트간에 Null-Modem 케이블을 연결하여 통신하는 경우, 옛날 DOS시절의 FX나 NC의 Link, 윈도우 95의 케이블 직접 연결이 이에 해당된다.

2.7.2  패킷 교환 방식 (Packet Switching)
회선 교환이 이루어질 때까지 걸리는 준비 시간은 일상적인 전화 통화의 경우에 통화 시간에 비하여 짧아서 커다란 문제가 되지 않지만 컴퓨터와 컴퓨터간의 통신은 매우 짧은 시간에 많은 데이터가 움직이므로 컴퓨터에서 데이터의 통신을 위해 회선 교환 방식을 사용하는 것은 비효율적이다. 컴퓨터간의 통신을 위하여 회선 연결이 되면 연결 시간 중 극히 일부분만이 데이터 통신에 사용되며 따라서 IDLE TIME이 많은 부분을 차지한다. 그래서 해결책의 하 나로 개발된 갓이 패킷 교환 방식이다.

회선 교환 방식에서는 데이터 전송을 위한 채널 연결이 이루어진 후에 데이터 전송이 이루어지나 패킷교환 방식은 패킷 안에 최종 목적지의 주소가 항상 들어가 있으며 각 패킷들이 채널에 실려 네트워크를 따라 목적지를 찾아가는 방식으로 이루어진다. 또한 패킷이 최종 목적지에서 재조립 작업을 해야 한다. 그리고 수신된 패킷을 다음 노드로 잘 전송되었는지를 확인한 후 패킷을 폐기함으로 패킷 교환 방식을 축적 후 전달방식(Store and Forward)이라고 한다.

IEEE의 LAN에 대한 정의를 보면 '몇개의' 장치가 '서로가 직접 통신'할 수 있다는 말이 나온다. 따라서 위의 circuit switched network는 이런 의미에서는 몇 개를 두 개로 제한시키므로 엄밀한 의미의 네트워크라고 말하기에는 무리가 있다. 네트워크가 되려면 다음 그림과 같은 연결이 가능해야 한다.

Figure 2.28  The Packet Switching Concept

그러면 이 경우 A와 C가 통신을 하고 있을 때 B도 D와 통신을 하고 싶다면 어떻게 해야 할까? 사람들끼리 모여서 회의를 한다면 다같이 듣고 있다가 말이 끝나면 끝났냐고 묻고 말을 해야겠지만 이것은 기계간의 작업이다.

이 경우 먼저 데이터를 잘게 쪼개서 사용하며 이 잘게 쪼갠 데이터들을 패킷packet이라고 부른다. 보통 패킷은 헤더, 데이터, 테일러로 구성되며 헤더에는 데이터가 전달될 곳의 주소, 패킷이 순서 등이 기록되고 테일러에는 에러 정보가 기록된다.

먼저 제일 쉽게 생각할 수 있는 방법은 A에서 F까지 모두 시계를 맞춘 다음 0초에는 A가 1초에는 B가 2초에는 C가 데이터를 전송하는 식으로 해서 A는 0, 6, 12, 18, 24, 30, 36, 42, 48, 54 초에 데이터를 전송하는 방법이다. 이런 방식을 TDMA(Time Division Multiple Access)라고 부른다.  시간을 분할하여 사용하기 때문이다.

만약 A가 C에게 보낼 데이터의 길이가 100바이트이고 패킷 중 데이터의 길이가 10바이트이며 한 패킷을 전송하는데 1초가 걸린다면 circuit switching 시스템에서는 10초가 걸린다(A 혼자 라인을 독점).

Figure  2.29  Packet Segmentation

그러나 packet switching network에서 A가 데이터를 보내려면은 6번을 기다려야 하기 때문에 전체 걸리는 시간은
(9 × 6)  + 1 = 55초 이다.

Figure 2.30  Data transfer time

데이터 전송시간은 5.5배로 늘어났으며 그것도 가입자가 늘어날수록 비례해서 늘어 나게 된다. 전송시간이 훨씬 늘어났으므로 더 나쁜 것 같지만 장점은 A가 통신을 하는 동안 나머지들도 통신을 할 수 있다는 점이다.

그 외에도 A에서 F까지 중에 하나를 대장으로 두고 대장이 교통정리를 하는 방법이나 따로 선을 하나씩만 더 연결해서 제어권을 주는 방법등 여러 가지가 있을 수 있다. 이렇게 한 라인(위의 그림에서도 A에서 F까지는 결국 한 라인에 물려 있는 것이다)에서 여러개의 컴퓨터들(DTE:Data Terminal Equipment)이 서로 충돌없이 통신을 할 수 있는, 교통정리 방법을 통틀어 access control이라고 하며 현재는 크게 'Random Access'와 'Token' 방법의 두가지로 나눠진다.

Random access 방법으로는 ALOHA, CSMA/CD 등이 있다. 전자는 최초의 실제로 구현된 random access 방법이지만 현재는 사용되지 않으며 CSMA/CD만이 사용되고 있다. Token 방법에는 token ring, token bus등이 있다.