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개요
교환 방식들 중에 하나인 가상 회로 교환(Virtual Circuit Switching) 이 어떤 것이며, 왜 중요한 것인지 그리고 이를 응용한 기술과 전망에 대해서 소개 하며 앞으로 배울 통신 기술에 대한 초석으로써의 중요성을 간단하게 소개 하겠습니다.
1. 용어 정의
가상회선이란 패킷 교환망에서 통신하려는 두 접속점 사이의 전송경로가 논리적으로 고정되어 통신하려는 동안은 물리적으로 고정된 전송경로 상에서 통신 하는 것과 같은 효과를 나타내는 연 방식. 한 네트워크인 각 지점간 경로가 마치 물리적인 경로로 보이지만 실제로는 회선 자원관리 풀에서 트래픽의 필요에 따라 할당하는 특정회선입니다. 여기에는 전용 회선처럼 계속 사용할 수 있는 고정 가상회선(PVC)와 통신하는 동안에만 접속되는 가변가상회선(SVC)이 있습니다.
2. 사전 지식
가상 회로 교환 기술을 이해하기 위해서는 이 기술을 써야 하는 이유와 유사한 기술들 그리고 이 기술을 쓰는 원리에 대해 이해할 필요가 있습니다.
가입자가 많아 질수록 회선이 많아지고 복잡해집니다. 교환 기술은 이런 복잡성을 해결하기 위한 하나의 방안 중 하나 입니다.
3. 교환 기술의 필요성과 탄생
통신회선을 이용하는 가입자수의 증가에 따라 전용선의 길이가 늘어나고 통신망의 운영이 복잡하게 되어 통신망 설치비와 운송비의 증가로 인해 생기는 피해를 줄이고자 복잡한 전송 망을 단순화 시키고 망 운영을 보다 효율적으로 사용하기 위해 교환 기술(Switching Technology) 이 생기고 발전 하게 되었는데 가상 회로 교환(Virtual Circuit Switching)은 그 기술의 발전 중 하나 입니다.
4. 가상 교환 기술의 탄생하기 까지 존재 했던 기술들
4.1.1. 회선 교환(Circuit Switching)
시작에서 끝까지 연결된 자원은 고정적으로 배정되어 연결종료까지 변하지 않습니다.
회선교환(circuit switching) 방식은 19세기 첫 통신 네트워크 때부터 쓰여져 있는 기술입니다. 회선 교환에서는 호출하는 사람(caller)가 어떤 방법이던지 통신이 이루어지기 전에 호출 받는 사람(callee)과 연결이 성립 되어야 합니다. 연결이 되는 동안 통신 자원이 호출자와 피호출자에게 할당이 됩니다. 일반적으로 자원은 주파수 분할 다중화 방식(Frequency Multiplexing Division : FDM)과 이후 쓰게 된 시분할 다중 방식(Time Multiplexing Division : TDM)을 주로 사용합니다. 연결에 할당된 자원의 집합을 회선(Circuit)이라 하며 위 그림처럼 되어 있습니다. 노드(node) 사이에 연결된 일련의 경로들을 교환기(스위치, switch)라 합니다. 목적지까지 가는 정보의 경로는 흐르는 회로에 의해 정해지며 연결하는 동안에는 바뀌지 않습니다. 이 회선은 연결이 끝나면 종료(terminated) 됩니다.
회선 교환(Circuit Switching) 방식으로는 통신하는 내내 자원이 계속 할당되어 있으며, 통신이 끝나고 나서야 자원할당이 풀립니다. 그 회선으로 정보가 가지 않아도 자원이 계속 할당되기 때문에 허용량 만큼 통신하지 않으면 연결고리 수용양(link capacity)이 낭비 됩니다.
이는 주파수/시분할 다중화(F/TDM)에서 각 회선의 링크에서 주파수/시간공간(타임 슬롯, time slots)이 제한적이기 때문에 자원적으로 문제가 생깁니다. 그리고 회선을 만드는데 각 연결고리(링크)의 주파수나 시간공간(슬롯)을 소비 합니다.
실제 전화망에서 적용이 되는 예제 입니다.
그 결과 사용가능양보다도 적은 정보량이 통신회선을 통해 전해지며 계속 진행을 하게 되면 적은 전달 량에도 네트워크 자원이 부족(exhaustion)해지며 사용량이 포화상태(saturation)에 다다르게 됩니다. 자원이 부족해서 수신자(sender)와 송신자(receiver) 사이에 회선이 성립(establishment)되지 않았을 때 이를 제제(블록, blocked)되었다고 합니다.
회선 교환 방식(Circuit Switching)에서의 두 번째 특징은 통신이 이루어 졌을 때 시간과 관련된 것입니다. 통신 네트워크에서 회선 교환 방식이든 아니던 다른 방식이라도 보내어 질 통신신호를 담는 전달 표(포워딩 테이블, forwarding table)를 이용하여 실제 보낼 자료를 입력 연결고리(incoming link)에서 출력 싱크(outcoming link)로 보내 집니다. 전달표(forwarding table)를 만드는 것을 전송(라우팅, routing)이라 합니다.
회선교환(Circuit Switching)에서는 표생성(routing)이 통신전 초기 시간에 반드시 행해져야 합니다. 회선이 생성되는 동안 전송표와 자원할당을 하기 위해 송신자는 수신자 사이에 교환기(스위치)와 연결이 되어 서로 정보(메시지, message)를 주고 받아야 합니다. 회선 교환에서 전송표는 하드웨어에 내장되거나 빠른 하드웨어로 구현이 되기 때문에 각각의 교환기(스위치)에서 전송은 거의 동시에 일어납니다. 따라서 회선 교환은 낮은 시간 비용으로 균형적인 초기 접속 시간이 필요하고 오랫동안 통신 접속이 필요한 곳에서 자주 쓰입니다. 전화 통신이 대표적인 예 입니다.
회선 식별자(Circuit identifier)는 각 교환기의 전달시간에 따라 달라지기 때문에 교환되는 모든 회선의 정보는 알 필요가 없고 단지 그 연결고리(링크, link)에 연결된 지역적인 정보만 필요합니다. 전체 식별자(complete knowledge of all circuits) 대신 지역(local) 식별자로 써도 큰 회로의 네트워크를 다루는 것이 가능합니다.
트래픽 기술(traffic engineering)은 네트워크의 균형을 맞추는 게 최종 목적이며 정적이나 동적 요소를 따져서 자료의 흐름을 최적화 하는 것이 핵심입니다. 예를 들어 한 연결고리(링크k)에 자료가 뭉쳐서 다른 연결고리(링크)가 쓰지 않는 것을 방지하기 위해 이 기술로 회선 수용량을 자동적 또는 동적으로 변화시킬 수 있습니다.
회선 교환(Circuit Switching) 할당은 각 흐름에 대해 고정된 경로에 있으므로 회선은 트래픽 기술 알고리듬에 의해 만들어질 수 있습니다.
한편으로 회선 교환망은 네트워크 형태(토폴로지, topology)가 변할 때 거기에 대응하지 않습니다. 예를 들어 연결고리(링크) 하나가 손상될 때 모든 고리는 끊어져 실패되고 통신은 단절됩니다. 이 문제를 다루기 위해 교환망은 특별한 방법으로 수정 고안 되는데, 이 때 트래픽 기술(traffic engineering)은 미리 준비된 복구 계획을 세워 연결 실패로 생기는 피해를 완화 시킵니다. 여분의 회선(Backup circuit)는 일차적인 회선에 세워지고 나서 추가로 지을 수 있고, 주 회선이 망가졌을 때 여분의 회선으로 우회 시킬 수 있습니다. 회선 교환 방식(Circuit Switching) 은 본질적으로 연결실패에 민감한 추가적인 트래픽 기술(traffic engineering) 처리가 필요합니다.
4. 2. 패킷 교환 방식(Packet Switching System)
1960년 도에 시작된 이 패킷 교환은 회선교환의 단점을 극복하기 위해 나온 더 최근의 기술중 하나 입니다. 회선을 위한 자원 할당을 할 필요가 없어 기존 대비 자료 흐름에서 생기는 연결 수용 낭비가 없습니다. 패킷 교환 방식은 추가 자원의 할당 없이 자료의 흐름을 패킷으로 끊어 전송하는 아이디어로 소개 되었습니다. 통신 중에 보낼 정보가 없다면, 그 망(네트워크)으로 전달되는 패킷이 없으며 따라서 연결 후 대기 시에 그에 따른 자원 낭비가 없습니다. 스킷 스위칭 방식은 2가지 다른 기술을 포함합니다. 데이터그램 패킷 교환(Datagram Packet Switching), 가상 회선 패킷 교환 상식(Virtual Circuit Packet Switching) 우선 데이터 그램 패킷 교환 방식을 보도록 하겠습니다.
주어진 패킷이 독자적으로 라우터를 통해 두 개의 서로 다른 연결고리(링크)를 통해 전달되는 것을 볼 수 있습니다.
패킷 교환망을 통해 전달이 되는 대략적인 구조 입니다.
4. 2. 1. 데이터 그램 패킷 교환(Datagram Packet Switching)
회선 교환 방식과 다른 점은 데이터그램 패킷 교환망은 통신하기 위해 전용선에 회선 경로를 만들 필요가 없고 전송이 끝나고 회선 경로를 끊을 필요도 없다는 것입니다. 라우터(Router)라 불리는 교환기(Switch)는 들어오는 패킷이 나가는 방향을 알아내기 위해 전송테이블(포워딩 테이블, forwarding tables)를 검색(Lookup)해야 합니다. 이를 라우팅표(Routing tables) 이라 불립니다. 라우팅표는 패킷이 전송 가능한 최종 경로까지의 모든 경로를 가지고 있어 용량이 크고 경로를 결정하기까지 많은 계산을 해야 합니다. 따라서 전체 전송(forwarding) 작업속도는 회선 교환 방식에 비해 상대적으로 느립니다. 데이터그램 패킷 교환 망(네트워크)에서는 각 패킷은 목적지의 호스트(host)의 주소를 담아야하며 그 주소는 전달되는 경로를 가지고 있습니다. 결과적으로 라우터(router)는 패킷이 전송될 때 최종 목적지의 주소를 바꿀 필요가 없습니다.
라우터(router)에 의해 개개 패킷이 처리되기 때문에 한 호스트에서 다른 호스트 사이 같은 물리적 연결고리(physical line)를 쓰고 있다는 보장을 하지 않습니다. 만약 라우팅 알고리듬(routing algorithm)이 두 패킷을 각각 전송하는 중간에 바뀌면 서로 다른 곳으로 전송이 되어 엉망이 될수 있습니다. 위 그림을 예로 들면 사용자1에서 5로 서로 다른 경로로 패킷이 전달 되어집니다. 둘째로 망형(네트워크 토폴로지)가 연결 실패로 망가졌을 때 전송 경로를 재계산하여 링크 실패로 생기는 오류를 피합니다. 따라서 회선 교환 방식과 반대로 트래픽을 우회하기 위한 추가적인 트래픽 기술 알고리듬이 필요하지 않습니다.
4. 2. 2. 가상 회선 패킷 교환(Virtual Circuit Packet Switching)
Virtual Circuit 이 형성이 된 회로의 모습입니다.
호스트끼리 가상 회선 패킷 교환으로 연결이 된 모습입니다.
가상 회선 패킷 교환은 데이터그램 패킷 교환과 회선교환의 장점을 서로 합쳐서 만든 것입니다. 가상회선교환방식은 시간슬롯(time slot)이 할당되지 않고 논리적 회선(logical circuit)이라 불리는 패킷의 흐름을 경로에 데이터그램이 변형된 형대로 보내는 방식입니다. 각 패킷은 회선 구분자가 출발지에서 교환망(switch)를 거칠 때 마다 목적지로 향하는 방형을 목표로 수정이 됩니다. 가상 회선은 연결고리(링크)사이 사이에 구분 패킷의 대응순서 들에 의해 결정됩니다. 이 순서는 연결이 될 때 그리고 회로가 끊어져 재수정을 해야 할 때 설정이 됩니다.
이때까지 두 방식에서 연결 완료(connection establishment)와 전송시간(forwarding time cost) 사이에 상호교환(trade-off)가 있다는 것을 알았습니다. 가상회로 교환에서 라우팅은 패킷을 빠르게 전송하기 위해 연결 성공 시간이 빠릅니다. 다른 가상회선교환 방식의 특징은 트래픽 기술 수용력에서 회선교환과 데이터 패킷 교환의 장점을 모두 가지고 있다는 점입니다. 그럼에도 불구하고 가상회선 교환에서 문제시 되고 있는 게 망(토폴로지, topology)이 변했을 때이다. 데이터그램 패킷 교환 네트워크는 연결고리(링크)가 깨어지면 자동적으로 전송 경로는 재계산 됩니다. 반면에 가상 회선 교환에서는 그 고리(링크)를 통과하는 모든 가상 회선은 멈추게 되며 따라서 가상 회로 교환에서 회선 우회(reroute)는 트래픽 기술에 의존하게 됩니다.
실제 쓰이는 곳에서는 가상 회선 교환이 개선되어 비동기 전송 방식(Asynchronous Transfer Mode : ATM) 과 다중 프로토콜 라벨 교환(MultiProtocol Label Switching : MPLS), 그리고 X.25 라는 규격으로 쓰여 지고 있습니다. 요즘 컴퓨터 네트워크에서 대부분 쓰는 인터넷은 호스트끼리 패킷을 전달하는 IP(Internet Protocol : IP) 기술을 바탕으로 만들어 졌습니다.
4. 3. 정리 – 회선교환과 패킷 교환의 차이점
4. 4. 메시지 교환 방식(Message Switching)
특별하게 다루지는 않지만 메시지 교환 방식이 있습니다. 편지 전송과 비슷한 방식으로 전달되는 이 기술은. 한 개의 메시지 단위로 정보를 전달하기 때문에 효율성이 크고 제어기능이 탁월하나 속도가 느리고 데이터 전송 시 지연이 생길 수 있으므로 전화 통신이나 대화형 통신에는 적합하지 않습니다.
5. X.25
요약 : 패킷 교환망의 경우에는 접속된 장치들은 데이터를 적합한 패킷의 형태로 변환하여 전송하게 됩니다. 이와 같은 절차는 망과 단말장치 사이에서 이루어지는데 이와 같은 상호 작용을 위한 절차가 접속면 표준으로 규정되어 있으며, 가장 일반적으로 사용되는 표준이 바로 X.25입니다. X.25는 현재 각 국가에서 국내 패킷 교환망의 프로토콜로 널리 사용되어 세계적인 표준이 되었습니다.
X.25 는 위에서 언급했듯이 두 가지 가상회선 방식을 제공합니다.
1. SVC(Switched Virtual Circuit) : 통신 할 때만 통신경로 설정/해제
2. PVC(Permanent Virtual Circuit) : 통신 경로가 고정적으로 성립
5. 1. X.25 의 장단점은 다음과 같습니다.
+ 장점
국제표준, 비 표준인 SNA, SDLC 수용.
프로토콜 변환 기능과 자동 속도변환 기능.
강력한 Error Check 기능.
장애 발생시 우회전송 가능.
전송품질 우수, Error발생시 재전송
* 고 효율 방식.
- 하나의 물리적 회선에 다수의 논리채널할당
- 서로 다른 지역의 데이터를 하나의 고속 회선으로 수용
- 경제적인 네트워크 구성 가능
+ 단점
축적교환방식 : 다소의 처리지연이 발생. 대역폭의 한계를 극복하지 못합니다. (2.4 ~ 56/64Kbps), 정교한 에러체크 기능 - X.25 의 완벽한 오류수정과 flow control, error packet의 retransmission등 신뢰성 있는 메커니즘이 회선에 오버헤드를 발생시켜 무리를 줍니다.
* Frame relay가 각광.
- 2계층 protocol로서 Error Check기능이 상대적으로 적기에
전송속도가 빠릅니다.
6. 결론
Virtual Circuit Switching (가상 회선 교환) 방식은 기존의 여러 교환 방식의 발전 중 절충안으로 나온 산물이며 현재까지도 교환 기술로써 기초적인 입지를 다지고 있으며 이후 배울 통신 기술을 배우기 위해서 필수입니다.
7. 출처
- 가상회선, X.25
네이버 백과 사전
http://terms.naver.com/item.nhn?dirId=200&docId=163
http://terms.naver.com/item.nhn?dirId=200&docId=21275
- X.25
http://mars.hannam.ac.kr/ftproot/pub/aboutseminar/syncnet/X25.ppt
- Switching Technology(자체번역)
http://www.cs.virginia.edu/~mngroup/projects/mpls/documents/thesis/node8.html
- 교환기술과 교환망
http://home.paran.com/solsong/solsong/docs/study/switching/200302-01.htm
