Circuit Switching and Packet Switching

Switched Communications Networks

• switching node(교환노드)는 노드들 간에 데이터를 전송하는 교환 시설을 제공
• stations : 네트워크에 접근하는 장치들
• nodes : 통신을 제공하는 교환 장치들
  • 전송 링크로 연결됨
  • point to point로 전용됨
  • FDM와 TDM을 사용하여 다중화됨 

    

• 네트워크 안에 있는 요소들은 node
• 네트워크 밖에 있는 요소들은 station
  • station은 end user
  • end user의 종류 : PC, Server, Mainframe(대형컴퓨터)
  • 네트워크의 고객이 될 수 있음
  • 고객들은 또 다른 고객들과 통신이 가능해야 함 ⇒ 네트워크 필요
• 네트워크 주요 구성 요소 : node, link
• Switching node(교환노드) : 노드와 노드 간에 연결되어 있음
  • switching : 데이터가 왔을 때 원하는 목적지에 forwarding해주는 기능을 수행하는 것
• 노드의 두 종류 : 스테이션과 연결된 노드, 다른 노드와 연결된 노드(node fiber)
• 교환노드 간의 연결은 부분 연결(partially connected)
  • Fully connected는 노드 간의 point to point연결
  • Fully connected의 문제점 : 링크의 수가 많이 듦 → 네트워크를 구성하는데 가격부담이 큼
  • 부분 연결되어 있기 때문에 source와 destination의 연결을 설정하기 위한 path가 필요
• 네트워크에서 중요한 기능 : 중복성(Redundancy)
  • 중복성 : 신뢰성을 높이기 위한 것
  • 네트워크를 구성할 때는 end device 간에 중복되는 path를 가지도록 함
  • 한 링크가 고장 났을 때 다른 링크로 통신을 수행하기 위해

Circuit Switching(회선 교환 방식)

• 두 개의 스테이션 사이(source & destination)에 전용 path가 설정됨
• 3단계로 이루어짐
  1. 회선 설정(establish)
     • 전화할 때 다른 사람과 통신하기 위해 다이얼링을 함
     • 정보가 교환기로 감
     • 교환기는 정보를 프로세싱하여 목적지를 찾아냄
       교환기는 목적지에 해당하는 switch가 무엇인지 앎
     • 쌍방에 신호음을 알려줌
     • 상대방이 들으면 회선이 전용으로 할당됨
       (프로세싱 후 자원이 있는지 확인하고 상대방이 통화 중인지 확인 후 자원 할당)
  2. 데이터 전송(transfer)
     • 상대편이 수화기를 들으면 데이터를 주고받음
  3. 자원 해제(disconnect)
     • 통화가 끝나면 수화기를 놓음 → 자원 해제
     • 자원이 해제되면 다른 사용자가 같은 자원을 사용할 수 있음
• 음성통신에 맞춰서 만들어짐
• 문제점
  • 비효율적임 (특히 데이터 통신에서)
    • 한 쌍의 스테이션들이 서로 통신하지 않더라도 자원이 할당되어 있으면 다른 사람들이 사용할 수 없음 → 낭비
  • 통신하기 위해 회선을 설정하는 과정이 필요 : call set up 또는 connection set up 과정
• 장점 : 연결이 이뤄지고 나면 자원이 하나의 Source & destination 쌍에 전용되므로 데이터 전송이 분명해짐
  • Source와 destination이 중간에 여러 링크와 스위치를 거치지만 직접 연결되어 있는 것처럼 통신하므로 지연이 없음 → 실시간 통신에 적합

Public Telecommunications Network(공중 회선 교환망)

• 구성요소 : station(전화기), office(교환기)
• 교환기 종류 : End Office(로컬 교환기), Long-distance Office(시외 교환기)
  • 통신망은 계층적인 구조를 가짐(시외 교환기는 로컬 교환기의 상위 단계)
• Trunk : 교환기와 교환기 사이의 연결, 일반적으로 용량이 큼, 다중화 기법 사용(frequency division, time division)
  • 다중화하는 이유 : 하나의 physical link를 통해 다수개의 채널을 제공하기 위해 하나의 물리적 링크는 동시의 다수의 source & destination쌍을 수용할 수 있음(다수의 source & destination 쌍이 하나의 물리적 링크를 공유할 수 있음)
• Subscriber : 단말기를 총칭(전화기, PC, Fax 등)
• Subscriber loop : subscriber와 교환기 사이의 연결
  • 전화기와 교환기 사이에 ADSL방식 사용
• Access network : 가입자 망
  • TP를 주로 사용
  • 광성유로 바꾸고 싶어 함 fiber to the home(ftth) → 다양한 서비스 제공 가능
• Core network : 교환기와 교환기 사이 연결
• PBX (private branch exchange) : 사설 교환기

Circuit Establishment

• 회로 설정 예
• End Office를 통해 연결되어 있는 경우 : a와 b는 같은 지역에 있는 전화기
• c와 d는 장거리 교환기를 통해서 연결되어 있는 경우 : 다른 두 도시 가입자 간의 통신

Circuit Switch Elements

• 교환기의 구조를 보여줌
• 실제 교환기는 일종의 컴퓨터임(특수 용도 컴퓨터)
  • 교환기 내부에 수백 개의 프로세스가 들어가 있는 구조, 대용량 메모리와 보조 메모리를 가짐
  • 교환기 구조는 매우 복잡하고 만들기 쉽지 않음
• 3가지 구성 요소
  • Digital switch : source와 destination 사이의 연결 설정
  • Control Unit : 어떤 것이 연결될 것인지 결정 내려 줌
  • Network Interface : 두 개의 다른 기능을 갖는 블록 사이의 갭을 해결하기 위해 필요
    외부 장치들과 교환기를 연결시키기 위해 interface필요

Blocking or Non-blocking

• switching에서 중요한 성질
• Blocking : 두 스테이션이 사용 가능한 상태에 있지만 통신이 불가능한 상태
  • 서비스의 품질을 낮춤
  • 이상적인 경우 blocking이 발생하지 않아야 함
• → 네트워크의 자원이 부족하기 때문(네트워크의 모든 path가 사용되고 있음)
• Non-blocking 네트워크를 만드는 것이 바람직하지만 자원이 많이 필요, 가격 비쌈
• → 경제성 있는 네트워크 필요 ⇒ 완벽한 non-blocking이 아닌 거의 non-blocking 한 네트워크를 만들어 사용
• source와 destination쌍이 이상적인 상태면(non-blocking) 항상 통신할 수 있음

Space Division Switch(공간 분할 스위치)

• crossbar switch
• non-blocking switch의 대표적인 예
• 어떤 source & destination 쌍도 놀고 있다면 언제나 통신이 가능
• 문제점
  • source & destination쌍을 늘리면 스위치의 수가 기하급수적으로 늘어남
    • n^2개의 스위치 필요
  • 이용률이 높지 않음 → 비효율적
    • 최대 이용률 : n/n^2

Multi Division Switch(다단 스위치)

• 3 Stage Space Division Switch
  • crossbar switch보다 스위치의 개수를 줄일 수 있음
  • 문제 : blocking발생
  • 해결방법 : 중간 단의 스위치 개수를 늘림
  • 최적의 스위치 개수를 정해야 함

Time Division Switching

• 현대의 디지털 스위치들은 time division 개념을 사용함
• 특정링크를 둘이 공유할 때 시간을 분할
• 하나의 교환기가 공간 스위치와 시간 스위치를 조합해서 사용하기도 함
• source와 destination의 데이터 전송 속도가 빠르지 않음 → 시간을 나눠서 쓸 수 있음

  

• 채널 : A 슬롯들의 모임, B슬롯들의 모임
• 위 그림의 경우 하나의 physical link가 2개의 채널 제공

  

• 메모리 이용
• 메모리에 써넣을 때 주소와 읽어올 때 주소가 다름
• 그 주소를 switch control unit이 발생시킴
• Interchange(상호교환)이 일어남
• Time division switch는 메모리를 이용하고 switching이 일어나기 위해서 두 번의 access time이 필요(쓰기, 읽기)
• switching 속도는 메모리의 access time에 의해 결정됨

Softswitch Architecture

• software machine 컴퓨터
• 특수목적 컴퓨터 ⇒ 교환기
• 최근의 경향은 softswitch architecture를 가짐
• 장점
  • 기능을 다양화할 수 있음
  • 새로운 기능을 쉽게 구현 가능
  • 가격을 낮출 수 있음
• 구성요소
  • Media gateway(MG) : switching을 제공하는 곳
  • Media gateway controller(MGC) : switching을 제어하는 곳
    • call을 처리해서 control 신호를 만들어내고 원하는 switch 기능 수행

Traditional Circuit Switching

• 교환기
• Call Processing : 다이얼링 하면 다이얼 정보를 가지고 목적지가 어디고, 목적지가 비어있는지 처리하여 switching
• Circuit switching fabric : switching을 실행하는 곳
  • Crossbar 스위치는 부피가 크고 전력소비가 큼 → 전자적인 소자로 바꿈(트랜지스터)
  • 트랜지스터는 스위칭하는 기능을 가짐
  • 크로스바 스위치를 switch fabric이라고 이야기함
• Switch Control Unit : 스위치 on/off 컨트롤
• Switch fabric에 디코더 사용

Packet Switching

• circuit switching은 음성 통신을 위해 만들어짐
  • 데이터 통신에 사용하면 비효율적
  • 이용률이 적음
  • 데이터 전송속도의 변환이 불가능
• Pacekt Switching은 데이터 통신에 최적화된 방식
• Packet : small block, 제한된 사이즈의 블록
• 패킷 단위로 전송이 이루어짐
• 패킷은 데이터와 데이터의 주인(송신지, 수신지)을 가져야 함(컨트롤 정보)
  • User data는 큰 메시지의 한 부분
• 큰 메시지는 패킷으로 나눠서 보냄
  • 패킷의 사이즈가 작을수록 에러가 일어날 확률이 낮기 때문
  • 에러가 일어나더라도 재전송할 양이 적음
  • 버퍼의 사이즈는 유한하기 때문
  • 공평성을 위해(한 사람이 오랫동안 자원을 차지하지 않도록)
• Control Information은 source와 destination 주소를 포함하고 routing에 사용됨
  • Routing : source에서 destination까지의 경로
• Packet switching은 데이터 전송속도 변환이 가능
• Store-and-forward방식
  • 패킷을 받아들이고 저장한 후 다음 노드로 전송

    

• source에서는 데이터를 패킷화 함
• control information을 붙임(header)
• sequence number를 붙임 - destination에서 패킷을 받아 순서대로 조립해야 하므로
• 헤더는 오버헤드이므로 패킷 사이즈를 정할 때 오버헤드를 고려해야 함

 

장점

• 라인의 이용률이 좋음
  • 자원을 공유하기 때문에 필요할 때만 자원을 사용
  • Multiplexing(다중화)
• 데이터 전송속도의 변환이 가능하여 채널 속도에 맞춰서 전송속도를 바꿀 수 있음
• Circuit Switching 망에서 트래픽이 많아지면 일부 call이 막힘(blocking)
  • 버퍼의 사이즈가 제한되어 있기 때문에 버퍼가 꽉 차 있을 경우 패킷이 폐기됨 → 버퍼가 길어야 좋지만 버퍼가 길면 대기 시간이 길어질 수 있음
• Packet switching은 망이 바쁘더라도 일단 call을 받음(but 지연이 증가)
• 우선순위 제공이 가능
  • 늦게 들어왔더라도 우선순위가 높은 버퍼에 있는 패킷을 먼저 처리
  • 우선순위가 낮은 것은 전송될 기회가 없을 수 있음 → aging기법을 사용(나이가 들면 우선순위 높여줌)

Switching Techniques

• Station은 긴 메시지를 패킷 단위로 나눠서 보냄
• 네트워크에서는 하나하나의 패킷으로 보내짐
• Packet Switching은 두 가지 방식 존재
  • Datagram : 패킷 단위로 전송이 이루어짐
    • 패킷이 있으면 일단 보냄
    • 각각의 패킷은 독립적으로 보내짐
    • 순서가 바뀌어서 도착한 → 목적지에서 조립되어야 함
  • Virtual Circuit : 회로를 설정하고 통신
    • 관련된 패킷은 같은 경로를 통해 보냄
    • 전송 전 가상의 회선 설정을 위한 시간 필요(call set up)
    • 가상회선을 통해 관련된 패킷이 보내지므로 순서가 보장됨
    • 회로를 설정한다는 것이 자원을 전용한다는 것이 아님
    • 소프트웨어 설정이 이루어짐, 라우팅 테이블에 등록
• 큰 메시지를 보낼 때 하나로 보내지 않고 작은 사이즈로 잘라서 보냄
  • 자른 단위 : 패킷
  • 잘라서 보내는 이유
    • Buffer : 메시지가 길면 받는 버퍼의 크기도 커야 함
    • Error : 긴 메시지를 보내면 성공적으로 전송할 확률이 낮음, 에러가 일어났을 때 재전송할 분량이 김
    • Fairness : 자원을 공유하는데 공평성이 어긋남, 긴 메시지를 보내면 그 메시지를 보내는 동안 다른 메시지는 전송할 수 없음

Datagram

• 전송할 때 수신지에서 패킷을 받아 순서대로 맞춰 조립하기 위해 순서번호(sequence number) 필요
• 재조립(reassemble)
• 데이터그램은 관련된 패킷이더라도 각자 알아서 전송됨
• 전송하기 전에 아무 일도 하지 않음
  네트워크에 패킷을 넣고 각각의 노드들은 헤더를 보고 채널을 결정해서 출력
• 순서가 보장되지 않기 때문에 end node에서 순서를 재조정하는 부담이 있음
• 많이 사용되지 않음 - 에러 컨트롤과 플로우 컨트롤이 어려움

Virtual Circuit

• 가상의 path가 설정된 후 통신
• 관련된 패킷은 같은 path를 통해 전송되기 때문에 순서가 보장됨
• 에러 컨트롤이 용이
• 패킷을 좀 더 빠르게 처리할 수 있음 - 프로세싱 타임이 적음
• 패킷에 virtual number를 부여하고 그 번호를 각각의 노드의 라우팅 테이블에 등록
• 라우팅 테이블을 보면 패킷이 어느 아웃풋으로 들어가야 하는지 판단할 수 있음
• 라우팅 테이블을 참조해서 path를 매핑시켜 줌

Datagram 장단점

장점

• 전송하기 위해서 취하는 행동(call set up)이 없음
• 융통성 있음
  • 가다가 못 가면 돌아서 갈 수 있음
• 신뢰성이 높음

단점

• 순서가 보장되지 않음
• 에러 컨트롤이 어려움
• 각 노드는 데이터그램을 받으면 처리해서 원하는 포트로 내보내야 하는데 처리하는 데 걸리는 시간이 오래 걸림

⇒ 짧은 정보를 보낼 때 적합

Virtual Circuit 장단점

장점

• 순서가 보장됨
• 중간 노드에서의 처리가 단순

단점

• 융통성이 없음
  • 중간에 고장이 나면 회로를 다시 설정해서 보내야 함
• 패킷을 보내기 전에 사전작업이 필요 : virtual circuit을 설정하는 과정(라우팅 테이블에 등록하는 과정)

⇒ 긴 메시지를 보낼 때 적합

Packet Size

• 패킷은 작을수록 좋지만 각 데이터는 header와 trailer를 붙여줘야 하므로 작을수록 오버헤드 증가
• 노드 관점에서 작을수록 처리량 증가
  • 패킷을 많이 나눴을 때 받는 입장의 노드에서는 인터럽트가 많이 발생
  • 인터럽트를 처리하기 위한 오버헤드 존재
• 적절한 사이즈가 존재 → 찾아야 함

  

• 전파지연은 거리함수
• 신호의 전달 속도는 정해져 있음
• 전송시간은 packet size, data rate(전송속도)
• 데이터를 많이 자를수록 병렬성이 높아짐 but 오버헤드 증가 → 적절한 패킷 사이즈 필요

Event Timing

Comparison of Communication Switching Techniques

Circuit switching

• 자원을 전용
• 데이터의 연속적 전송
• 상호연동 서비스(실시간 서비스)
• Called party(전화를 받는 쪽)이 바쁘면 바쁜 신호가 옴
• 메시지 loss는 사용자가 책임
• 속도나 코드를 변환할 수 없음
• 고정 대역폭
• Call setup 이후 오버헤드 없음

Datagram Packet Switching

• 자원을 공유
• 패킷 전송
• 상호연동 서비스(실시간 서비스)
• 패킷이 도착하지 않으면 송신자가 알 수 있음
• 네트워크가 각 패킷에 대해 책임이 있음
• 속도, 코드 변환
• 가변 대역폭
• 각 패킷마다 오버헤드

Virtual Circuit Packet Switching

• 자원을 공유
• 패킷 전송
• 상호연동 서비스(실시간 서비스)
• 송신자는 연결의 거절을 알 수 있음
• 네트워크가 패킷 순서에 대해 책임이 있음
• 속도, 코드 변환
• 가변 대역폭
• 각 패킷마다 오버헤드

External Network Interface

• 네트워크 바깥쪽
• Internal network는 datagram과 virtual circuit 모두 사용 가능
• External Network는 virtual circuit 사용
• ITU-T : 표준 인터페이스
• ISDN : integrated digital network 하나의 네트워크를 통해 여러 서비스 제공
• 3개의 layer : physical, link, packet

X.25 표준 패킷 스위칭

Circuit vs Packet Switching

• 성능은 다양한 지연에 영향을 받음
  • 전파지연 : 거리함수, 거리에 따라 결정됨
  • 전송시간 : 전송속도, 패킷 사이즈 비트
  • node delay : 처리 지연
• 특징
  • circuit switching : 투명성
  • packet switching : 오버헤드