Chapter 8 교환 (Switching)

8장 회선교환 8.1 회선교환 네트워크 8.2 데이터그램 네트워크 8.3 가상회선 네트워크 8.4 교환기 구조 8.5 요약

교환 교환(Switching) 다중 장치가 있을 때, 각각의 장치를 어떻게 1 대 1로 연결할 것인가

교환 네트워크 종류 회선 교환(circuit switching) 패킷 교환(packet switching) 메시지 교환(message switching)

Topics discussed in this section: 8-1 회선 교환 네트워크 회선 교환 네트워크는 물리 링크로 연결된 일련의 교환기로 구성된다. 두 지국간의 연결은 하나 또는 그 이상의 링크로 만들어진 전용 경로이다. 그렇다면, 각 연결은 각 링크중 하나의 전용 채널을 사용한다. 각 링크는 보통 FDM 이나 TDM 방식으로 n개의 채널로 나뉘게 된다. Topics discussed in this section: Three Phases Efficiency Delay Circuit-Switched Technology in Telephone Networks

8.1 회선 교환 네트워크 간단한 회선 교환 네트워크

채널로 나누는 물리적인 링크에 의해 연결된 교환기의 집합으로 이루어진다 회선 교환 네트워크는 각 링크를 n개의 채널로 나누는 물리적인 링크에 의해 연결된 교환기의 집합으로 이루어진다 A circuit-switched network is made of a set of switches connected by physical links, in which each link is divided into n channels.

필요하며, 해제 단계에 들기 전까지는 계속해서 전체 데이터 전송 기간 동안 전용적으로 할당되어야 한다 회선 교환에서는 설정 단계에서 자원 할당이 필요하며, 해제 단계에 들기 전까지는 계속해서 전체 데이터 전송 기간 동안 전용적으로 할당되어야 한다 In circuit switching, the resources need to be reserved during the setup phase; the resources remain dedicated for the entire duration of data transfer until the teardown phase.

Example 8.1 간단한 예로서, 작은 지역에서 8개의 전화를 연결하는 회선 교환 네트워크를 생각해 보자. 통신은 4 kHz 음성 채널을 사용한다. 각 링크는 링크당 최대 두 개의 채널을 사용할 수 있도록 FDM을 사용한다고 하자. 각 링크의 대역폭은 따라서 8 kHz이다. 그림 8.4는 기지국들을 보여준다. 1번 전화는 7번 전화에, 2번은 5번에 3번은 8번에, 4번은 6번에 연결되어 있다. 물론 새로이 연결 상황이 바뀌면 연결 상태가 다시 바뀐다. 교환기가 연결을 제어 한다.

회선 교환 네트워크 예 8.1에서 사용된 회선 교환 네트워크 10

Example 8.2 다른 예로서, 어느 회사의 두 지점 사이에 컴퓨터들을 연결하는 회선 교환 네트워크를 생각하자. 두 사무실은 통신 서비스 회사로부터 전세 낸 T-1 회선을 사용하여 서로 연결되어 있다. 이 네트워크는 두 개의 4 X 8(4입력 8 출력) 교환기가 있다. 각 교환기는 각 사무실의 컴퓨터들 사이의 통신을 위하여 4개의 입력 포트로 네 개의 출력 포트가 접속되어 있으며, 나머지 4개의 출력 포트는 두 사무실 사이의 통신에 사용된다. 그림 8.5에 이 상황이 그려져 있다.

회선 교환 네트워크 예 8.2에서 사용된 회선 교환 네트워크 12

회선 교환에서 이루어지는 3단계 설정 단계 – 교환기 사이에 전용 회선을 만드는 것 데이터 전송단계 해제 단계

회선 교환 네트워크 Delay in a circuit-switched network 14

전통적인 전화 네트워크에서 물리층 교환은 회선 교환 방식을 사용한다. the circuit-switching approach. 전통적인 전화 네트워크에서 물리층 교환은 회선 교환 방식을 사용한다. Switching at the physical layer in the traditional telephone network uses the circuit-switching approach.

Topics discussed in this section: 8-2 데이터그램 네트워크 데이터통신에 있어서는 한 끝에서 다른 끝으로 메시지를 보내야 하는 것이다. 메시지가 패킷 교환 네트워크를 통한다면 메시지는 일정 크기 또는 가변 크기의 패킷으로 나뉘어져야 한다. 패킷의 크기는 네트워크와 프로토콜에 따라 결정된다. Topics discussed in this section: Routing Table Efficiency Delay Datagram Networks in the Internet

In a packet-switched network, there is no resource reservation; 패킷 교환망에서 자원 예약은 없으며, 자원은 필요에 따라 할당된다. In a packet-switched network, there is no resource reservation; resources are allocated on demand.

데이터그램 네트워크 4개의 교환기(라우터)를 이용한 데이터그램 망 각 패킷(데이터그램)은 다른 패킷과 무관하게 취급 네트워크 층에서 이루어짐 18

데이터그램 네트워크 데이터그램망에서의 경로표(Routing table) 19

데이터그램 망의 교환기는 목적지 주소를 기반으로 한 경로 표를 가지고 있다. A switch in a datagram network uses a routing table that is based on the destination address.

데이터그램 망에서 헤더의 목적지 주소는 패킷이 전송되는 동안 내내 같은 값을 유지한다 The destination address in the header of a packet in a datagram network remains the same during the entire journey of the packet

데이터그램 네트워크 데이터그램에서의 지연 Total delay = 3T(전송 시간) + 3 π(전파 지연 시간) + W1 + W2(대기 시간) 22

인터넷에서 교환은 네트워크 층에서 패킷을 교환하는 데이터그램 방식이다 Switching in the Internet is done by using the datagram approach to packet switching at the network layer

Topics discussed in this section: 8-3 가상회선 네트워크 가상회선 네트워크(virtual-circuit network)는 회선교환 네트워크와 데이터그램 네트워크를 섞은 것과 같다. 양자의 특성을 모두 가지고 있다. Topics discussed in this section: Addressing Three Phases Efficiency Delay Circuit-Switched Technology in WANs

8.3 가상회선 네트워크 가상 회선 네트워크 특성 회선 교환 네트워크처럼 설정 및 해체 단계가 있다 회선 교환처럼 자원이 설정 단계에서 할당될 수도 있고, 필요에 따라 할당될 수도 있다 데이터 그램 네트워크처럼 데이터는 패킷으로 전송되며, 각 패킷은 헤더에 주소를 담는다 회선 교환처럼 연결이 설정되고 나면 패킷은 같은 경로를 따라 전송된다 가상회선 네트워크는 보통 데이터 링크층에서 구현된다

가상회선 네트워크 26

가상회선 네트워크 가상회선 주소지정 전역 주소(Global address) 네트워크 전체에서 통용되는 주소 가상회선 식별자(VCI, Virtual Circuit Identifier) 교환기에서 사용되는 주소로서 프레임에서 사용

가상회선 네트워크 가상회선 식별자 28

가상회선 네트워크 가상회선 네트워크의 교환기와 표 29

가상회선 네트워크 가상회선 네트워크에서 발신지-대-목적지 데이터 전송 30 30

가상회선 네트워크 가상회선 네트워크에서 설정 요청 31

가상회선 네트워크 가상회선 네트워크에서 설정 확인응답 32

가상회선 교환에서 같은 발신지와 목적지에 속한 모든 패킷은 동일한 경로를 거치지만 한정된 자원에 대해 서로 다른 지연으로 가상회선 교환에서 같은 발신지와 목적지에 속한 모든 패킷은 동일한 경로를 거치지만 한정된 자원에 대해 서로 다른 지연으로 목적지에 도착할 수 있다 In virtual-circuit switching, all packets belonging to the same source and destination travel the same path; but the packets may arrive at the destination with different delays if resource allocation is on demand.

가상회선 네트워크 가상회선 네트워크에서의 지연 Total delay = 3T + 3π + setup delay + teardown delay 34

교환식 WAN에서 링크 계층 교환은 보통 가상회선 기술들을 사용하여 구현된다 Switching at the data link layer in a switched WAN is normally implemented by using virtual-circuit techniques.

Topics discussed in this section: 8-4 교환기의 구조 회선 교환이나 패킷 교환에서는 교환기를 사용한다. 이 절에서는 각 네트워크 종류에서 사용하는 교환기에 대해 논의한다. Topics discussed in this section: Structure of Circuit Switches(회선 교환) Structure of Packet Switches(패킷 교환)

교환기 구조 회선 교환

교환기 구조 공간-분할(Space-Division) 교환 Crossbar 교환 회선에서 경로는 다른 것들과 공간적으로 분리(crossbar switch) Crossbar 교환 각 교차점상의 전기 마이크로 스위치(transistor)를 이용하여, 격자 내에서 n 입력과 m 출력을 연결

교환기 구조 Crossbar 교환 3개의 입력과 4개의 출력을 갖는 크로스바 교환기(Crossbar switch)

교환기 구조 다단교환기 다른 교환기와 계층적 구조를 가짐

3 단계 교환기에서는 전체 교차점의 개수는 2kN + k(N/n)2

Example 8.3 K = 4이고 n = 20인 3 단계 200 × 200 교환기를 설계하라. Solution 첫 단계에서는 N/n 즉 10개의 크로스바가 필요한데 각각은 20 × 4의 크기이다. 두 번째 단계에는 각각 10 × 10 크기의 크로스바 4개를 필요로 한다. 세 번째 단계에 각각 4 × 20 크기의 10개의 크로스바가 필요하다. 전체 교환점의 개수는 2kN + k(N/n)2 즉 2000개가 소요된다. 이는 일단 교환기라면 필요했을 200 × 200 = 40,000개의 교환점의 5%에 해당하는 숫자이다. 42

교차점(Crosspoints) ≥ 4N [(2N)1/2 – 1] Clos 조건에 따라서 n = (N/2)1/2 k > 2n – 1 교차점(Crosspoints) ≥ 4N [(2N)1/2 – 1] 43

Example 8.4 앞의 200 × 200 교환기를 클로스 조건을 사용하여 최소 교차점을 갖는 교환기로 새로 설계하라. 앞의 200 × 200 교환기를 클로스 조건을 사용하여 최소 교차점을 갖는 교환기로 새로 설계하라. Solution n = (200/2)1/2 즉 n = 10으로 하자. 여기서 k = 2n − 1 = 19가 된다. 1단계에서는 200/10 즉 20개의 크로스바를 갖는데 각각은 10 × 19개의 교차점을 갖는다. 2 단계에서는 각각 10 × 10 교차점을 갖는 19개의 크로스바를 갖는다. 3 단계에서는 각각 19 × 10의 교차점을 갖는 20개의 크로스바를 갖는다. 전체 교차점의 개수는 20(10 × 19) + 19(10 × 10) + 20(19 ×10) = 9500 개이다. 44

교환기 구조 시 분할(Time Division) 교환 TDM(Time-division multiplexing)과 TSI(Time-Slot Interchange)을 이용해 확립 TSI : 요구되는 연결상에 기반으로 한 슬롯의 번호를 변경

교환기 구조 시간-분할 다중화 시간 간격 교환의 유무에 따른 시분할 다중화

교환기 구조 TSI (Time-Slot Interchange)

교환기 구조 공간 분할 교환기와 시분할 교환기 결합 48

교환기 구조 패킷 교환기 구조 구성요소 : 입력포트, 출력포트, 라우팅 처리기, 교환 회로

교환기 구조 입력 포트 패킷 교환의 물리 및 데이터 링크층 기능을 수행

교환기 구조 출력 포트 순서만 반대일뿐 입력 포트와 같은 기능 수행

교환기 구조 반얀 교환기(Banyan switch)

교환기 구조 반얀 교환기(Banyan switch)의 경로 지정 예

교환기 구조 뱃처 반얀 교환기(Batcher-Banyan switch)