[Networks] Circuit Switching
스위치나 링크 네트워크를 통하여 데이터를 옮기는 데에는, 크게 두가지 접근 방식이 존재합니다. 그 두가지 방식은 Packet Switching 와 Circuit Switching 입니다. 이번 글은 Circuit Switching 에 대하여 작성한 글입니다.
Circuit Switching 방식을 사용하는 네트워크에서는, end system 사이에서 이루어지는 통신에 필요한 자원을 예약하여 사용하는 것이 특징입니다. Packet Switched Network 에서는 이런 자원들을 예약하지 않고, 필요에 따라 사용합니다. 그렇기에 통신 링크를 사용하기 위해서는 앞에 먼저 링크를 사용하고 있는 통신이 있을 때, Queue에 잠시 대기해야 하는 상황이 발생하기도 합니다.
책에서는 Packet Switched Network 와 Circuit Switched Network 각각 예약을 받지 않는 식당, 예약이 필요한 식당에 빗대어 설명합니다. 예약을 받지 않는 식당의 경우, 사전에 예약할 필요없이 식당에 가기만 한다면 이용할 수 있습니다. 다만 식당에 손님이 많을 때에는, 어쩔 수 없이 대기해야 하는 상황이 발생합니다. 이에 반해 예약이 필요한 식당의 경우, 집을 나서기 전에 예약 전화가 필요하지만 식당에 도착하면 웨이팅 없이 음식을 주문할 수 있습니다.
Circuit Switched Network 의 대표적인 예로, 전통적인 통화 연결이 있습니다. 송신자가 수신자에게 어떠한 정보(목소리 등)를 넘기기 전에, 네트워크는 우선 송신자와 수신자 사이에 연결을 설정해야 합니다. 연결을 설정한 후에는, 송신자와 수신자 사이 링크를 예약해 놓은 것이기 때문에 연결된 동안에는 일정한 전송 속도를 보장받을 수 있습니다.
위 그림은 Circuit Switched Network를 표현하고 있습니다. 4개의 Circuit Switch 들은 4 개의 링크로 서로 연결되어 있습니다. 각각의 링크는 4개의 circuit을 가지고 있어서, 4개의 동시 연결을 지원할 수 있습니다. 또한 호스트(PC나 워크스테이션 등)는 switch에 하나씩 직접적으로 연결이 되어있습니다.
두 개의 호스트가 서로 통신을 해야할 때, 네트워크는 두 호스트 사이에 전용 end-to-end 연결을 설정합니다. 만약 그림에서처럼 1, 4번 호스트가 서로 통신을 해야할 때, 파란색으로 색칠된 링크를 사용할 것입니다. 각각의 링크는 4개의 Circuit을 포함하고 있기 때문에, 링크의 전체 전송 가능량의 1/4 을 사용합니다. 각 링크가 1Mbps의 전송 속도를 가지고 있다면, 종단 연결은 각각 250kbps의 고정된 전송 속도를 가질 수 있습니다.
Packet Switched Network 에서 위 그림의 상황을 생각해보면, 링크를 미리 예약하는 것과 같은 과정이 없기에 패킷은 네트워크로 그냥 보내지게 됩니다. 이때 하나의 링크가 다른 패킷들에 인해서 혼잡할 때, 우리들의 패킷은 혼잡이 줄어들 때까지 버퍼에서 대기해야합니다. 그렇기에 패킷의 도착 시간을 보장받지 못하게 됩니다.
Multiplexing in Circuit-Switched Networks
링크에 존재하는 Circuit은 Frequency-division multiplexing(FDB) 또는 Time-division multiplexing(TDM) 으로 구현되어 있습니다.
FDM은 링크를 통해 연결된 연결 간에 링크의 주파수 스펙트럼을 분할합니다. 특히 연결된 시간동안 각 연결에 주파수 대역을 할당합니다. 예를 들어서, 전화 네트워크에서 이 주파수 대역의 폭은 4 kHz(4,000 hertz. 초당 4,000번의 사이클) 정도를 갖습니다. 주파수 대역의 폭을 BandWidth 라고 합니다. FM 라디오 방송국은 이 FDM을 사용하여 88~108 MHz 사이의 주파수 스펙트럼을 공유하며, 각 방송국마다 특정 주파수 대역이 할당됩니다.
TDM 링크의 경우, 고정된 기간의 프레임으로 시간을 나누고 각 프레임은 고정된 수의 시간 슬롯으로 나누어집니다. 네트워크가 링크를 통해 연결을 설정했을 때, 네트워크는 이 연결의 모든 프레임에 시간 슬롯 하나씩을 할당합니다 이 슬롯들은 오직 이 연결만을 위해 사용되며, 데이터를 전송하는 데 사용할 수 있는 하나의 시간 슬롯(모든 프레임)이 있습니다.
위 그림은 최대 4개의 Circuit 을 지원하는 특정 네트워크 링크에 대한 FDM, TDM 을 설명한 그림입니다.
FDM의 경우, 주파수 영역은 각각 대역폭 4 kHz인 4개의 대역으로 분할됩니다.
TDM의 경우, 시간 영역은 프레임으로 분할됩니다. 이때 프레임은 각각 4개의 타임 슬롯을 포함하고 있습니다. 각 Circuit 은 회전 TDM 프레임에서 동일한 전용 슬롯이 할당됩니다. Circuit 의 전송량은 아래와 같습니다.
$$ (Frame\:rate)\:*\:(The\:number\:of\:bits\:in\:a\:slot) $$
예를 들어서, 링크가 초당 8,000 개의 프레임을 전송하고, 각각의 슬롯은 8 Bits라면, 전송량은 각 Circuit 당 64 kbps 입니다.
이 글은 Computer Networking Top Down Approach 8th을 정리한 글입니다. 사용된 이미지의 출처 또한 동일합니다.