Sharing the Links | 네트워크의 링크 공유

 

 

Sharing the Links

When multiple ussers share the same link/router the packets need to be separated.
많은 종단 시스템은 같은 링크/라우터 등을 공유한다. 이를 통해 패킷들은 분리되어 링크를 통해 전달해야할 곳에 전달한다. 
이 때, 같은 링크를 공유하여 데이터를 이동시키는 방법에는 두가지가 존재한다. 
 

1. Circuit switching 
2. Packet switching

 

Circuit Switching

Resources that are needed for an application are reserved along its root for the duration of the communication session
 

• 회선 교환 네트워크에서는 종단 시스템 간에 통신을 제공하기 위해 경로상에 필요한 자원(버퍼, 링크 전송률)은 통신 세션 동안에 확보 또는 예약이 된다.
• 세션 메세지는 온디맨드 방식으로 자원을 요청하여 사용한다
• 통신 링크에 대한 접속을 위해 큐에서 대기해야하는 경우가 존재한다.

 
회선으로 연결을 하기 때문에, 송신자와 수신자 간의 경로에 있는 스위치 / 라우터들이 해당 연결 상태를 유지하고 있어야한다. 
즉, 미리 예약 해두고 사용한다.
 

1. 송신자가 정보를 보내기 전, 네트워크는 송신자와 수신자간의 연결을 설정함
2. 네트워크가 회선을 설정 시, 연결이 이루어지는 동안 네트워크 링크에 일정한 전송률을 예약
3. 주어진 전송률이 송신자 - 수신자 연결을 위해 연결되므로, 송신자는 수신자에게 보장된 일정 전송률로 데이터를 보낼 수 있다.

 

Frequency-Division Multiplexing (FDM)

FDM

• 링크를 통해 설정된 연결은, 그 링크의 주파수 스펙트럼을 공유한다.
• 그 링크는 연결되는 동안 각 연결에 대해 주파수 대역을 고정 제공한다 (대역폭) 
• 하나의 자원을 주파수를 쪼개서 제공한다. 

 

Time-Division Multiplexing (TDM)

TDM

• TDM 링크는 시간을 일정 주기의 프레임으로 구분하고, 각 프레임은 고정된 수의 시간 슬롯으로 나뉜다.
• 네트워크가 링크를 통해 하나의 연결을 설정할 때, 네트워크는 모든 프레임에서 시간 슬롯 한개를 그 연결에 할당한다.
• 전송률 : 한 슬롯 안의 비트 수 * 프레임 전송률
• 아무것도 보낼 게 없다면, 자원의 낭비가 일어날 수 있다. 

 

GSM

FDM과 TDM을 동시 사용한다.
시간으로도 나누고 주파수로도 나누어서 사용함. 
 
 

Packet Switching

• 장점 : 미리 자원을 예약해두지 않는다. > 자원이 낭비될 확률이 적다
• 단점 : 자원을 사용하기 위해 굉장히 오래 기다려야할 수 있다. > delay 발생 가능
• 출발지 종단 시스템 혹은 패킷 스위치가 R bps의 속도로 링크에서 L bit의 패킷을 송신한다면, 그 패킷을 전송하는데에 걸리는 시간은 L/R이다.
• 패킷의 비트를 먼저 저장 후 출력 링크로 전달 (store and forward)한다.

 

Packet Switching VS Circuit Switching

Each User trasmits with rate 100kbps, when active. Each user is active 10% of the time and they share 1Mbps of link
사용자가 1Mbps의 링크를 공유한다고 가정하고, 각 사용자들은 활동 시간과 비활동 시간을 반복한다.
사용자는 현재 시간에서 10%만 활동하며 100kbps의 일정 속도로 데이터를 생산한다.

 

Circuit-Switching

항상 100kbps가 항상 각각의 사용자에게 예약되어야한다.
TDM 회선 교환을 예시로 한다면, 1Mbps의 링크를 100kbps로 나누면, 하나의 슬롯을 할당할 수 있는 최대 사람 수를 구할 수 있다.
\[\frac{1Mbps}{100kbps} = 10 users\]
따라서 Circuit Switching의 경우 동시에 10명만 지원할 수 있다.
 

Packet Switching

패킷 교환의 경우, 한 특정 사용자가 활동을 하고 있을 확률은 10%이다.
 
# of users can be served if \(Prob[overflow] < P\)
#명의 유저가 못 쓰는 확률이 0.1% 미만이면 사용할 수 있다.
 
Q ) 만약 40명의 유저가 있다면 Prob[overflow]는 몇인가?
A) 
\(Y\) = number of Active users > 통신하고 있는 유저 수
\(X_i\) = 1, if user i is active with prob = 0.1 or 0, other wisse with prob = 0.9
즉, \(Y = X_1 + X_2 ... X_{40}\)
 
* 통신을 하는게 전체 시간의 10%이다. 1Mbps가 제공되는데, 100kbp만큼 하기 때문이다.
 
\(E(X_i) = 1\times 0.1 = 0.1\)
\( Var(X_i) = 1^2 * 0.1 - (0.1)^2 = 0.09 \) 
 
\( Y = \sum_{i=1}^{40} X_i \)
\( E(Y) = Var( \sum X_i ) \)
\( Var(Y) = Var( \sum X_i ) = \sum Var(X_i)= 40 * 0.09 = 3.6 \)
\(Y ~ N(4,3.6) \) 중심 극한 정리로 볼 수 있다.
 
따라서 
\(P(Y \leq 10) = P(Z \leq \frac{10 - 4}{\sqrt3.6}) = P(z \leq 3.6) = 0.999\)
이므로 40명이 가능하다.
 
∴ Circuit Switching을 이용해 Overflow가 일어나지 않고 10명의 사용자가 이용하는 것보다 Packet Switching을 이용하여 0.1%의 Overflow가 일어날 확률을 감수하고 40명의 사용자가 이용하는 것이 이득이다.