인터넷과 네트워크 엣지 — 호스트, 접속망, 물리 매체

1. 인터넷을 보는 두 관점

인터넷이라는 말을 들으면 떠오르는 대상이 사람마다 다릅니다. 어떤 사람은 크롬 같은 웹 브라우저를, 어떤 사람은 인스타그램 같은 서비스를, 또 어떤 사람은 바다 밑을 지나는 케이블이나 Wi-Fi 공유기를 떠올립니다. 모두 인터넷의 한 모습입니다. 그래서 인터넷을 정의할 때는 관점을 둘로 나눕니다.

부품으로 본 인터넷

첫 번째는 인터넷을 이루는 하드웨어와 소프트웨어 부품으로 정의하는 관점입니다(nuts and bolts view). 부품은 네 가지입니다.

스위치는 같은 네트워크 안의 장치끼리 잇습니다. 집 Wi-Fi에 붙은 노트북과 프린터 사이가 그 예입니다. 라우터는 서로 다른 네트워크를 잇습니다. 집 네트워크에서 나간 패킷을 학교 네트워크 쪽으로 넘기는 장치가 라우터입니다.

링크가 1초에 실어 보낼 수 있는 비트 수를 전송률(transmission rate)이라고 합니다. 이 값을 대역폭(bandwidth)이나 링크 용량이라고도 부릅니다. 전송률은 링크의 종류에 따라 다릅니다. 구리선, 광섬유, 위성은 비트를 실어 나르는 방식이 다르기 때문입니다.

이 부품들은 하나의 거대한 망을 이루지 않습니다. 집 네트워크는 지역 인터넷 서비스 제공자(ISP, Internet Service Provider)에 연결되고, 그 ISP는 다시 전국 규모나 세계 규모의 ISP에 연결됩니다. 이렇게 서로 연결된 수많은 네트워크가 모여 인터넷이 됩니다. 그래서 인터넷을 네트워크들의 네트워크(network of networks)라고 부릅니다.

서비스로 본 인터넷

두 번째는 인터넷을 응용 프로그램에 서비스를 주는 기반 시설로 보는 관점입니다(service view). 웹, 영상 스트리밍, 화상회의, 이메일, 게임, 온라인 쇼핑이 모두 이 기반 위에서 동작합니다. 인터넷은 이런 분산 응용 프로그램에 프로그래밍 인터페이스를 줍니다. 응용 프로그램은 이 인터페이스에 데이터를 넘기기만 하면 반대편 프로그램에 전달되기를 기대할 수 있습니다. 우체국이 일반 우편, 등기, 빠른우편처럼 여러 서비스를 고를 수 있게 하는 것처럼, 인터넷도 응용 프로그램이 고를 수 있는 전송 서비스를 여러 가지 줍니다.

이 연재는 주로 부품 관점을 따라갑니다. 라우터가 경로를 어떻게 고르는지, 장치들이 어떤 규칙으로 메시지를 주고받는지를 차례로 봅니다. 소켓으로 직접 프로그램을 짜는 부분에서는 서비스 관점도 함께 씁니다.

2. 프로토콜 — 형식, 순서, 행동

멀리 떨어진 두 컴퓨터가 대화하려면 둘이 같은 규칙을 따라야 합니다. 이 규칙이 프로토콜(protocol)입니다. HTTP, TCP, IP, Wi-Fi, 이더넷이 모두 프로토콜입니다. 이름이 대부분 P로 끝나는 이유도 P가 Protocol의 머리글자이기 때문입니다.

사람 사이에도 프로토콜이 있습니다. 전화를 받으면 먼저 "여보세요"라고 말합니다. 건 쪽은 그 말을 듣고 나서 자기 이름을 밝힙니다. 상대가 아무 말도 하지 않으면 건 쪽은 다시 "여보세요"라고 하거나 끊습니다. 정해진 말을 보내고, 받은 말에 따라 정해진 행동을 합니다. 네트워크 프로토콜도 같습니다. 말하는 주체가 사람 대신 장치일 뿐입니다.

정의는 이렇습니다. 프로토콜은 네트워크 개체 사이에 오가는 메시지의 형식(format)과 순서(order), 그리고 메시지를 보내거나 받았을 때 취하는 행동(action)을 정합니다.

순서가 어긋나면 통신이 성립하지 않습니다. 질문을 보냈으면 응답이 올 때까지 기다려야 하고, 응답이 오지 않으면 어떻게 할지도 프로토콜이 정합니다.

인터넷의 프로토콜은 누구나 같은 것을 써야 하므로 공개 표준으로 정합니다. 표준을 만드는 기구가 IETF(Internet Engineering Task Force)이고, IETF가 내는 표준 문서를 RFC(Request for Comments)라고 부릅니다.

프로토콜이 이렇게 많은 이유는 일을 나눠 맡기기 때문입니다. 택배를 떠올리면 쉽습니다. 포장하는 사람은 물건을 상자에 잘 담는 일만 하고, 배송 기사는 송장을 보고 상자를 옮기는 일만 합니다. 배송 기사는 상자 안에 무엇이 들었는지 열어 보지 않습니다. 역할마다 지킬 규칙이 다르니 규칙도 여러 벌이 됩니다. 네트워크도 일을 여러 층으로 나누고, 층마다 자기 프로토콜을 둡니다. 이 계층 구조(layered architecture)는 세 번째 글에서 자세히 봅니다.

3. 네트워크 엣지와 접속망

인터넷을 바깥에서부터 안으로 들어가며 봅니다. 가장 바깥이 네트워크 엣지(network edge)입니다. 여기에 호스트가 있습니다. 호스트는 다시 클라이언트(client)와 서버(server)로 나뉩니다. 경계가 늘 분명하지는 않지만 대략 이렇게 구분합니다.

엣지 안쪽에는 서로 연결된 라우터들이 있습니다. 이 부분을 네트워크 코어(network core)라고 합니다. 코어는 두 번째 글에서 다룹니다.

엣지와 코어 사이를 잇는 부분이 접속망(access network)입니다. 접속망은 호스트를 처음 만나는 라우터, 곧 엣지 라우터(edge router)에 연결하는 네트워크입니다. 집에서는 집 안 장치들이 공유기를 거쳐 통신사 쪽으로 나가고, 학교나 회사에서는 건물 안 스위치들이 기관의 라우터로 모입니다. 휴대폰은 기지국을 거쳐 이동통신사 망으로 들어갑니다. 그래서 접속망을 가정 접속망, 기관 접속망, 모바일 접속망으로 나눠 부르기도 합니다.

여러 접속망을 비교할 때는 두 가지를 봅니다.

1. 전송률 — 초당 몇 비트를 보낼 수 있는가.
2. 공유인가 전용인가 — 여러 사용자가 같은 매체를 나눠 쓰는가(shared), 사용자마다 따로 쓰는가(dedicated).

두 번째 기준이 특히 쓸모가 많습니다. 매체를 나눠 쓰면 옆집이 많이 쓸 때 내 속도가 떨어집니다. 따로 쓰면 옆집과 상관없이 내 몫이 그대로입니다.

4. 케이블 기반 접속 (HFC)

초기 텔레비전은 방송국 안테나가 쏜 전파를 집의 안테나로 받았습니다. 전파는 산이나 큰 건물에 가리면 잘 닿지 않습니다. 그래서 신호를 선으로 보내는 케이블 TV가 나왔습니다. 케이블 기반 인터넷은 이미 깔려 있던 케이블 TV 선을 그대로 씁니다.

선 하나에 TV 방송과 인터넷 데이터를 함께 싣는 방법은 주파수 분할 다중화(FDM, frequency division multiplexing)입니다. 선이 실어 나를 수 있는 주파수 범위를 여러 대역으로 나누고, 대역마다 다른 채널을 싣습니다. 어떤 대역은 방송 채널, 어떤 대역은 인터넷 데이터, 어떤 대역은 제어 신호에 씁니다.

컴퓨터는 디지털 신호를 만들고 케이블은 아날로그 신호를 나릅니다. 그래서 양쪽 끝에 변환 장치가 있습니다. 집에는 케이블 모뎀(cable modem)이 있습니다. 모뎀은 변조기(modulator)와 복조기(demodulator)를 합친 말로, 디지털 신호를 아날로그로 바꾸고 그 반대도 합니다. 케이블 회사 쪽 끝인 헤드엔드(headend)에는 CMTS(cable modem termination system)가 있어 같은 변환을 반대편에서 합니다.

집 가까운 구간은 동축 케이블(coaxial cable)이고, 헤드엔드에서 ISP 쪽으로 가는 구간은 더 빠른 광섬유입니다. 두 매체를 섞어 쓰므로 HFC(hybrid fiber coax)라고 부릅니다. 성질은 둘입니다.

• 비대칭(asymmetric) — 내려받는 하향(downstream) 속도가 올리는 상향(upstream) 속도보다 빠릅니다. 하향은 수십 Mbps에서 1 Gbps 남짓, 상향은 수십 Mbps 수준입니다. 사람들이 올리기보다 내려받기를 훨씬 많이 하기 때문에 이렇게 나눕니다.
• 공유(shared) — 헤드엔드에서 여러 집까지 이어지는 선을 그 집들이 나눠 씁니다. 동네 사람들이 한꺼번에 많이 쓰면 모두의 속도가 떨어집니다.

문제 1

어느 동네 60가구가 하향 1.2 Gbps인 케이블 구간을 함께 씁니다. 저녁 9시에 그중 40가구가 동시에 영상을 받습니다. 대역폭을 고르게 나눈다고 가정할 때 한 가구가 받는 하향 속도는 얼마입니까. 같은 시각 하향 25 Mbps 전용 회선을 쓰는 집은 어떻습니까.

케이블 구간은 동시에 쓰는 40가구가 나눠 가집니다. 1,200 Mbps / 40 = 30 Mbps입니다. 쓰는 집이 60가구로 늘면 1,200 / 60 = 20 Mbps로 떨어집니다. 새벽에 혼자 쓰면 1.2 Gbps에 가까운 속도가 나옵니다. 전용 회선은 다른 집과 선을 나눠 쓰지 않으므로 옆집이 얼마나 쓰든 25 Mbps를 그대로 받습니다. 최대 속도는 케이블이 높지만, 붐비는 시간에는 전용 회선과 차이가 줄어들거나 뒤집힐 수 있습니다.

5. DSL과 FTTH

DSL

DSL(digital subscriber line)은 이미 깔린 전화선으로 집과 전화국(central office)을 잇습니다. 케이블과 같은 발상으로 주파수를 나눠, 낮은 대역에는 음성 통화를 싣고 높은 대역에는 데이터를 싣습니다. 집에는 DSL 모뎀과 두 신호를 가르는 스플리터(splitter)가 있습니다. 전화국에는 DSLAM(DSL access multiplexer)이 있어 케이블의 CMTS와 같은 일을 합니다. 데이터는 인터넷 쪽으로, 음성은 전화망 쪽으로 보냅니다.

케이블과 가장 크게 다른 점은 매체를 나눠 쓰는 방식입니다. DSL에서는 집마다 전화선이 전화국까지 따로 이어집니다. 다른 집과 선을 나눠 쓰지 않는 전용(dedicated) 회선입니다. 속도는 하향 수십 Mbps, 상향 수 Mbps에서 십여 Mbps로, 역시 비대칭입니다.

FTTH

FTTH(fiber to the home)는 전화국에서 집까지 광섬유를 끝까지 까는 방식입니다. 기존 선을 쓰지 않으니 새로 깔아야 하고, 그만큼 비용이 듭니다. 장치는 셋입니다.

FTTH는 공유와 전용이 섞여 있습니다. 집에서 광 스플리터까지는 집마다 따로 광섬유가 있습니다. 스플리터에서 전화국의 OLT까지는 여러 집이 광섬유 하나를 나눠 씁니다. 이론상 Gbps 단위 속도가 가능하지만, 실제로 쓰는 속도는 수십에서 수백 Mbps인 경우가 많습니다. 공유 구간이 있고, ISP가 상품마다 속도를 제한해 팔기도 하기 때문입니다.

이처럼 접속망이 여러 종류로 남아 있는 이유는 비용입니다. 이미 깔린 전화선과 케이블 TV 선을 다시 쓰면 공사비가 적게 듭니다. ISP들은 기존 선을 쓰면서 광섬유를 집 가까이로 조금씩 넓혀 갑니다.

6. 가정, 무선, 기업, 데이터센터

가정 네트워크

집 안에는 서로 다른 일을 하는 장치가 여럿 있습니다.

원래 따로인 기능이지만 대부분 상자 하나에 들어 있습니다. 흔히 공유기라고 부르는 장치가 그렇습니다. 집 안 장치끼리 이어 준다는 점에서 링크 계층 스위치 일을 하고, 집 네트워크를 통신사 네트워크로 내보낸다는 점에서 라우터 일도 합니다.

무선 접속망

무선 접속망은 전파로 호스트를 라우터에 잇습니다. 라우터 쪽 연결 지점을 기지국(base station) 또는 접속점(access point)이라고 합니다. 선은 정해진 방향으로 신호를 나르지만 전파는 모든 방향으로 퍼집니다. 같은 범위 안의 장치들이 같은 전파를 듣게 되므로 무선 매체는 처음부터 공유입니다.

Wi-Fi와 셀룰러를 가르는 기준은 범위입니다. Wi-Fi는 공유기 근처를 벗어나면 끊기고, 셀룰러는 걸어서나 차로 이동하는 중에도 기지국을 바꿔 가며 이어집니다.

기업망과 데이터센터

회사나 대학의 기업망(enterprise network)은 유선과 무선, 스위치와 라우터를 섞어 씁니다. 연구실 데스크톱은 이더넷 선으로, 노트북과 휴대폰은 건물 곳곳의 Wi-Fi 접속점으로 붙습니다. 이더넷은 100 Mbps, 1 Gbps, 10 Gbps가 흔합니다.

데이터센터에는 서버가 수백에서 수천 대 있습니다. 서버끼리도 대화하고 바깥 인터넷과도 대화하므로 트래픽이 많습니다. 그래서 수십에서 수백 Gbps의 링크로 서버들을 잇습니다.

7. 호스트는 패킷을 어떻게 내보내는가

호스트가 응용 프로그램에서 보낼 메시지를 받으면 메시지를 통째로 보내지 않습니다. 길이 L 비트의 작은 조각으로 자릅니다. 이 조각이 패킷(packet)입니다. 그리고 패킷을 전송률 R로 접속망에 내보냅니다. R은 링크 전송률이고 링크 용량, 링크 대역폭이라고도 부릅니다.

링크는 1초에 R 비트를 실을 수 있습니다. 실어야 할 비트가 L개이므로, 패킷 하나를 링크에 다 밀어 넣는 데 L / R초가 걸립니다. 이 시간을 패킷 전송 지연(packet transmission delay)이라고 합니다.

전송 지연 = L (bits) / R (bits/sec)

예를 들어 1,000바이트 패킷은 8,000비트입니다. 20 Mbps 링크라면 8,000 / (20 × 10⁶) = 4 × 10⁻⁴초, 곧 0.4 ms가 걸립니다. 같은 패킷을 1 Gbps 링크로 보내면 8,000 / 10⁹ = 8 μs입니다. 링크가 50배 빠르니 전송 지연도 50분의 1이 됩니다.

계산할 때는 단위를 먼저 맞춥니다. 바이트는 8을 곱해 비트로 바꿉니다. 전송률의 k, M, G는 각각 10³, 10⁶, 10⁹입니다.

문제 2

2.5 MB짜리 사진을 1,250바이트 패킷으로 잘라 보냅니다. (가) 패킷 하나를 50 Mbps Wi-Fi 링크에 밀어 넣는 데 걸리는 시간은 얼마입니까. (나) 사진 전체를 보내려면 패킷이 몇 개 필요하고, 모든 패킷을 이 링크에 밀어 넣는 데 모두 몇 초가 걸립니까. 1 MB는 10⁶바이트로 보고 헤더는 무시합니다.

(가) 1,250바이트는 1,250 × 8 = 10,000비트입니다. 10,000 / (50 × 10⁶) = 2 × 10⁻⁴초, 곧 0.2 ms입니다. (나) 사진은 2.5 × 10⁶바이트이므로 패킷은 2,500,000 / 1,250 = 2,000개입니다. 패킷은 하나씩 차례로 링크에 실리므로 2,000 × 0.2 ms = 0.4초가 걸립니다. 사진 전체를 한 덩어리로 보고 계산해도 같습니다. 2 × 10⁷비트 / (50 × 10⁶) = 0.4초입니다. 이 값은 링크에 비트를 싣는 시간만 센 것입니다. 신호가 선을 따라 이동하는 시간이나 라우터에서 기다리는 시간은 다음 글에서 따로 셉니다.

8. 물리 매체

비트는 송신기와 수신기 사이를 신호로 이동합니다. 둘 사이에 놓인 통로가 물리 링크(physical link)입니다. 물리 매체는 두 갈래로 나눕니다.

• 유도 매체(guided media) — 신호가 구리선, 광섬유, 동축 케이블 같은 고체 매체를 따라 이동합니다.
• 비유도 매체(unguided media) — 신호가 공간으로 자유롭게 퍼집니다. 전파가 그 예입니다.

꼬임쌍선

꼬임쌍선(twisted pair)은 절연된 구리선 두 가닥을 꼬아 만든 선입니다. 꼬아 두면 바깥 잡음의 영향이 줄어듭니다. 사무실 이더넷 선이 이것입니다. 카테고리 5 선은 100 Mbps와 1 Gbps 이더넷에, 카테고리 6 선은 10 Gbps 이더넷에 씁니다.

동축 케이블

동축 케이블(coaxial cable)은 가운데 구리 도체를 절연체가 감싸고, 그 바깥을 다시 도체가 동심원으로 감싼 선입니다. 두 도체가 같은 축을 공유해서 이런 이름이 붙었습니다. 양방향으로 쓸 수 있고, 한 선에 여러 주파수 채널을 실을 수 있어 케이블 TV와 HFC에 씁니다.

광섬유

광섬유(fiber optic cable)는 유리 섬유로 빛 펄스를 나릅니다. 펄스 하나가 비트 하나입니다. 두 지점을 직접 잇는 링크에서 수십에서 수백 Gbps를 냅니다. 전자기 잡음의 영향을 받지 않아 오류가 적고, 신호를 다시 키워 주는 중계기(repeater)를 멀리 띄워 둘 수 있습니다. 그래서 바다를 건너는 장거리 링크에 씁니다.

전파

무선 전파는 전자기 스펙트럼의 한 대역에 신호를 싣습니다. 물리적인 선이 없으니 비유도 매체입니다. 신호가 주변 모두에게 퍼지는 브로드캐스트(broadcast) 방식이고, 대개 한 번에 한 방향으로만 보내는 반이중(half-duplex)으로 동작합니다. 벽에 부딪혀 반사(reflection)되고, 물체에 가려지고(obstruction), 다른 신호와 간섭(interference)을 일으키므로 같은 거리에서도 품질이 들쭉날쭉합니다.

위성은 전송률이 높아도 지연이 깁니다. 정지궤도 위성은 지상에서 약 36,000 km 위에 있어서, 신호가 위성까지 올라갔다 내려오는 거리만 수만 km입니다. 비트를 빨리 실어도 그 먼 거리를 이동하는 시간이 줄지 않습니다. 지상에 더 가까운 저궤도(low-earth-orbit) 위성을 여러 대 띄우는 방식은 이 이동 시간을 줄이려는 것입니다.

정리

인터넷은 부품으로 보면 호스트, 패킷 스위치, 링크, 네트워크가 엮인 네트워크들의 네트워크이고, 서비스로 보면 응용 프로그램에 전송 서비스를 주는 기반 시설입니다. 그 위에서 오가는 모든 메시지는 형식, 순서, 행동을 정한 프로토콜을 따릅니다. 호스트는 접속망을 거쳐 엣지 라우터에 닿고, 접속망은 전송률과 매체를 나눠 쓰는지 여부로 비교합니다. 케이블과 무선은 공유, DSL은 전용, FTTH는 둘이 섞여 있습니다. 호스트는 메시지를 패킷으로 잘라 내보내고, 패킷 하나를 링크에 싣는 데 L / R초가 걸립니다. 다음 글에서는 엣지 안쪽의 네트워크 코어로 들어가, 패킷이 라우터를 거치며 겪는 지연과 손실을 셉니다.