Chapter 8. 교환(Switching)

Posted Jun 1, 2025

By BangYunseo

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Chapter 8. 교환(Switching)

0절. 교환

교환(Switching)

각 장치 간 일대일(One-to-One) 통신이 가능하도록 연결하는 방법

교환 방법 종류

회선 교환(Circuit Switching)
패킷 교환(Packet Switching)
메세지 교환(Message Switching)

TCP/IP 계층에서의 교환

계층	영문	교환 방식	비고
물리 층	Physical Layer	회선 교환	.
데이터 링크 층	Data Link Layer	패킷 교환 (가상 회선 접근 방식)	프레임(Frame) OR 셀(Cell)
네트워크 층	Network Layer	패킷 교환 (가상 회선 접근 방식, 데이터그램 접근 방식	.
응용 층	Application Layer	메세지 교환	.

1절. 회선 교환망

회선 교환망(Circuit-Switched Networks)

각 링크를 n개 채널로 나누는 물리적 링크에 의해 연결된 교환기 집합

물리 링크로의 연결
단일 교환기
- 두 지국 간 연결 : 1개 이상의 링크로 만들어진 전용 경로
  - 연결 : 각 링크 중 하나의 전용 채널만 사용
  - 링크 : FDM OR TDM 방식으로 n개의 채널로의 분할
전통적인 전화망의 물리층 교환 방식

회선 교환망 단계 별 작업

단계 종류	작업
연결 설정 단계	자원 할당 필요
~ 연결 해제 단계	전체 데이터 전송 기간 동안 전용적 자원 할당

회선 교환망 스위치 I/O

회로 스위치
- 연결을 생성하는 n개의 Input
- m개의 Output
Input 수와 Output 수가 항상 동일하지는 않음

접이식 스위치 I/O

n × n 접이식(Folded) 스위치
전이중(Full-Duplex) 모드
n개의 각 전화기는 다른 모든 전화기에 연결 가능

연결 단계

단계 종류	영문	설명
연결 설정 단계	Setup Phase	교환기 사이 전용 회선 생성
데이터 전송 단계	Data Transfer Phase	두 당사자 간 데이터 전달
연결 해제 단계	Teardown Phase	당사자 중 하나가 연결 끊기를 원하면 자원 해제

단계 별 예시

연결 설정 단계(Setup Phase)
- 스위치 간 전용 채널 생성
  - ex) A -> I에게 채널 요청 -> IV로 연결 III으로 연결 -> M은 연결 받은 후 A에게 Acknowledge 전송
데이터 전송 단계(Data Transfer Phase)
- 전송 채널로 데이터 전송
연결 해제 단계(Teardown Phase)
- 연결 끊을 경우 각 스위치에게 신호를 보내서 Disconnect

효율(Efficiency)

데이터 전송 기간 동안 지속적인 자원 할당
- 안좋은 효율

전송 상황 경우	상황
전화의 경우	통화가 끝날 때까지 계속 연결
데이터의 경우	지속적인 연결 필요 X

지연(Delay)

데이터 전송 기간 에는 적은 지연
연결 설정 단계
- 1. src로부터 전파 시간
- 1. 요청 신호 전송 시간
- 1. 확인 응답 전파 시간
- 1. 확인 응답 전송 시간
데이터 전송 단계
- 1. 전파 시간
- 1. 데이터 전송 시간
연결 해제 단계

2절. 패킷 교환

패킷 교환망(Packet Switching)

패킷
- 고정 or 가변 길이로 분할
- 길이 : 네트워크와 해당 프로토콜에 의해 결정

유형
데이터그램 망
가상 회선 망

데이터그램 망

4개의 교환기(라우터)를 이용한 데이터그램 망 형태

인터넷(Internet)에서의 교환
- 네트워크 층에서 패킷을 교환하는 데이터그램 방식
각 패킷은 다른 패킷과 무관한 취급
네트워크 층에서 작업
비연결형 망(Connectionless Networks)
교환기 : 라우터(Router)

경로지정 표(Routing Table)

각 교환기는 목적지(des) 주소 기반 경로지정 표 보유
목적지 주소, 출력 포트 존재
각 패킷 헤더에 목적지 주소 존재
목적지에 도달할 때까지 불변

효율(Efficiency)

회선 교환망보다 좋은 효율
패킷 전달 때까지 resource 할당

지연(Delay)

가상 회선망보다 큰 지연
연결 설정/해제 단계 없음
각 패킷은 전달되기 전 대기시간 존재
각 패킷은 전달 경로가 상이하기 때문에 동일한 교환기를 통과하지 않고 일정하지 않은 지연
전체 지연 시간 = 3T(전송 시간) + 3τ(전파 지연 시간) + $w_1$ + $w_2$(대기 시간)

가상 회선 망(Virtual-Circuit Network)

회선 교환망 + 데이터그램 망
양자의 특성 모두 보유
같은 발신지(src)와 목적지(des)인 경우 동일한 경로로 전송
한정된 자원에 대해 서로 다른 지연으로 목적지에 도착할 가능성 존재
교환형 WAN에서 링크 계층 교환 시 사용하는 가상 회선 기술

특성

연결 설정/해제 단계 존재
자원이 설정 단계에서 할당 or 필요에 의해 할당
데이터는 패킷으로 전송
각 패킷은 헤더에 Local 주소 존재(End-to-End Address가 아님)
- Local 주소 : 어느 스위치로 교환되고 그 스위치에서 어느 채널로 가는지
연결 설정 후 패킷은 같은 경로로 전송
데이터 링크 층에서 구현
- 회선 교환 망 : 물리 층
- 데이터그램 망 : 네트워크 층

주소 지정

전역 주소(Global Address)
- 네트워크 전역에서 통용되는 주소
  - 가상 회선 식별자 생성 시 필요
  - source address
  - destination address
지역 주소(Local Address)
- 가상 회선 식별자(VCI : Virtual Circuit Identifier)
  - 교환기에서 사용되는 주소
  - 프레임에서 사용
  - 데이터 전송에 필요한 식별자
  - 프레임이 스위치를 통과하며 VCI 변환
  - 일반적으로 작은 수

연결 단계

연결 설정 단계(Setup Phase)
- 전역 주소로 src와 des 간 연결을 위해 table 생성
데이터 전송 단계(Data Transfer Phase)
- 데이터 전송
연결 해제 단계(Teardown Phase)
- src와 des는 스위치들에 해당 정보 삭제 요청

가상 회선 망 경로 지정 표

가상 회선 생성 시 모든 스위치는 4개의 열을 갖는 표 생성
표에 의해 Frame 전달

가상 회선 망 데이터 전송

src의 모든 Frame이 des에 전달될 때까지 동일하게 전달
가상 회로(Virtual Circuit) 생성

연결 설정 단계(Setup Phase)

연결 설정 요청(Setup Request)
- src A가 스위치 1로 setup Frame 전송
- 스위치 1은 전송받은 Frame을 port3으로 전송 후 table의 3 항목 작성(Outgoing VCI는 Acknowledge step 시 작성)
  - Incoming port / VCI
  - Outgoing port
- 스위치 2, 스위치 3은 setup Frame 수신 후 스위치 1과 동일 작업
- des B는 setup Frame 수신 후 VCI 할당
  - 할당된 VCI를 통해 A에서 오는 메시지 여부 판단

연결 설정 확인 응답(Setup Phase Acknowledgement)
- des는 Acknowledgement Frame을 스위치 3에 전송
- Frame은 전역 src/des 주소를 가지며 Setup Request 시 할당한 VCI 보유
- 스위치 3은 Incomming VCI를 가진 Acknowledgement Frame을 스위치 2에 전송
- 스위치 2, 스위치 1은 동일한 작업으로 Acknowledgement Frame 전송
- src는 des B로 전송하는 Data Frame에 VCI를 사용해서 전송

데이터 전송 단계(Data Transfer Phase)

가상 회선 망의 교환기와 표 존재

src to des 데이터 전송

연결 해제 단계(Teardown Phase)

모든 데이터 전송 후 src A는 연결 해제 요청(Teardown Request) Frame을 전송
des B는 확인(Confirmation) Frame을 전송하며 응답
모든 스위치는 해당 내용을 테이블에서 삭제

지연(Delay)

전체 지연 = 3T + 3τ + setup delay + teardown delay

Setup 시 1회 지연 발생
Teardown 시 1회 지연 발생
각 패킷의 대기 시간(Wait Time)은 없음

3절. 교환기 구조

회선 교환기 구조

회선 교환, 패킷 교환 시 교환기 사용

종류
공간 분할(Space Division) 교환기
시 분할(Time Division) 교환기
공간 분할 교환기 + 시 분할 교환기 결합

회선 교환기 유형

공간 분할(Space Division) 교환

회선에서 경로는 다른 것들과 공간적으로 분리

크로스바(Crossbar) 교환

각 교차점 상의 전기 마이크로 스위치(Transistor : 트랜지스터) 존재
n 입력과 m 출력 연결을 위해 n × m 개의 교차점 요구
낮은 효율(25% 사용)

다단계(Multistage) 교환기

장치는 교환기에 연결되고 이 교환기는 차례로 다른 교환기에 계층적 연결
가운데 스테이지에 있는 교환기가 처음과 마지막 교환기보다 적은 수의 스위치 보유
한 쌍의 장비를 연결하는 여러 가지 경우의 수 존재

블로킹(Blocking)

다단계 교환기에서 Heavy Traffic일 경우 발생
Single Stage에서는 발생 X
첫 번째 Stage에서 5개의 입력 중 2개만 사용 가능
- 즉, Stage 사용률이 증가할 수록 블로킹(Blocking) 확률 증가
실제로는 line 간 교환 수가 통계적 분석(Statistical Analysis)에 의해 Blocking이 발생하지 않을 정도로 조절

3단계 교환기

전체 교차점 개수 : $2kN + k(\frac{N}{n})^2$
단일 교환기에서 필요한 ($N^2$)보다 훨씬 적은 수
Clos 조건
- $n = (\frac{N}{2})^{\frac{1}{2}}$
- $k > 2n - 1$
- 교차점(CrossPoints) $>= 4N (2N)^{\frac{1}{2}} - 1 $

시 분할(Time Division) 교환

TDM과 TSI를 통해 확립
- TDM(Time-Division Multiplexing)
- TSI(Time-Slot Interchange) : 요구되는 연결 기반 틈새 번호 변경

시간-분할 다중화

시간 간격 교환 유무에 따른 시분할 다중화

시간 틈새 상호 교환(TSI : Time-Slot Interchange)

각 location RAM 크기는 Single Time Slot Size와 동일
Location 수는 Input 수와 동일
- 일반적으로 I/O 수는 동일
Time-Slot은 받아들인 순서로 memory를 채우고 control unit의 결정 순서대로 전송

공간 분할 + 시분할 교환 결헙

12 × 12 I/O를 3개의 그룹으로 나눠 사용
- Time-Division : 지연을 1/3으로 줄임
- Space-Division : 연결성 증가

패킷 교환기 구성 요소

입력 포트(Input Port)

패킷 교환 물리 및 데이터 링크 기능
수신된 신호로부터 비트 형성
프레임으로부터 디캡슐화
- 헤더 및 트레일러 정보 제거
오류 감지 및 수정
스위칭 패브랙(Switching Fabric)으로 데이터를 전달하기 전 일시적으로 데이터를 저장하는 버퍼(큐 : Queue) 존재

출력 포트(Output Port)

순서만 반대일 뿐 입력 포트와 같은 기능
출력 패킷들이 큐에 저장
프레임에서 패킷 캡슐화
물리 계층 기능
- 프레임의 데이터를 신호로 변환 후 전송

경로 지정 처리기(Routing Processor)

네트워크(3계층 : Network Layer) 층 기능 수행
다음 hop으로 갈 주소를 목적지 주소를 통해 탐색
- 표 보기(table lookup)

교환 회로(Switching Fabric)

입력 큐의 패킷을 출력 큐에 옮기는 작업
Switch에서 가장 어려운 작업
스위치 예시
- 크로스바 교환기
- 반얀 교환기(Banyan switch)
- 뱃처-반얀 교환기(Batcher-Banyan Switch)

반얀 교환기(Banyan Switch)

n input, n output인 경우
- $log_2n$ stage와 각 stage에서 n/2개의 microswitch 존재
- 첫 번째 stage에서 최상위 bit로 라우팅
- 다음 stage에서 다음 상위 bit로 라우팅

반얀 교환기 경로 탐색 예시

뱃처-반얀 교환기(Batcher-Banyan Switch)

Banyan switch의 단점
- 두 개의 packet이 충돌하는 경우 존재
Batcher switch에서 미리 목적지 port에 따라 정렬 진행
- 충돌 방지
트랩 모듈
- 동일한 destination을 가진 packet이 동시에 banyan switch로 못가도록 방지

Communication, DataCommunication

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