[CS] Switching

스위칭이란?

스위칭은 스위치라는 특정 장치를 사용하여 네트워크에서 한 장치에서 다른 장치로, 또는 한 네트워크에서 다른 네트워크로 데이터 패킷을 전송하는 프로세스이다.
스위칭은 OSI 모델의 데이터 링크 계층에서 발생한다. 즉, 물리 계층에서 데이터 패킷이 생성된 후 스위칭은 데이터 통신에서 바로 다음 프로세스이다.

스위칭 유형

스위칭에는 세 가지 유형이 있다.

• 메시지 스위칭
• 회로 스위칭
• 패킷 스위칭
  • 데이터그램 패킷 스위칭
  • 가상 회로 패킷 스위칭

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메시지 스위칭

메시지 스위칭은 메시지를 단일 단위로 전송하여 중간 노드로 라우팅하여 저장하고 전달하는 스위칭이다. 메시지 스위칭 방식은 송신자와 수신자 사이에 전용 경로를 제공하지 않는다. 메시지 스위치에서 최종 사용자는 공유할 전체 데이터를 포함하는 메시지를 보내고 수신하여 통신한다. 메시지는 가장 작은 개별 단위이다. 또한 송신자와 수신자는 직접 연결되지 않는다. 여러 중간 노드가 데이터를 전송하고 메시지가 목적지에 도달하도록 한다. 따라서 메시지 스위칭된 데이터 네트워크는 hop-by-hop 시스템이라고 불린다.

• 저장 및 전달: 중간 노드는 전체 메시지를 다음 노드로 전송할 책임이 있다. 따라서 각 노드에는 저장 용량이 있어야 합니다. 메시지는 다음 홉과 이를 연결하는 링크가 모두 사용 가능한 경우에만 전달되고, 그렇지 않으면 무기한 저장된다. 저장 및 전달 스위치는 충분한 리소스가 사용 가능하고 다음 홉이 데이터를 수락하는 경우에만 메시지를 전달한다. 이를 저장 및 전달 속성이라고 한다.
• 메시지 전달: 이는 전체 정보를 단일 메시지로 래핑하여 소스에서 대상 노드로 전송하는 것을 의미한다. 각 메시지에는 소스와 대상을 포함하여 메시지 라우팅 정보가 포함된 헤더가 있어야 한다.
  메시지 스위칭 네트워크는 전송 링크(채널), 저장 및 전달 스위치 노드, 최종 스테이션으로 구성된다.

메시지 스위칭의 장점

• 메시지 스위칭은 통신 채널을 사용할 수 없는 메시지도 저장할 수 있으므로 네트워크의 트래픽 혼잡을 줄이는 데 도움이 된다.
• 메시지 스위칭에서는 데이터 채널이 네트워크 장치에서 공유된다.
• 메시지에 우선순위를 지정하여 트래픽 관리를 효율적으로 만든다.
• 메시지는 저장 및 전달 방식을 통해 전달되므로 우선순위를 포함할 수 있다.
• 무한한 메시지 길이가 허용된다.
• 회로 교환과 달리 소스 장치와 대상 장치를 실제로 연결할 필요가 없다.

메시지 스위칭의 단점

• 메시지 스위칭은 메시지를 저장하면 지연이 발생하므로 실시간 애플리케이션에는 사용할 수 없다.
• 메시지 스위칭에서는 메시지를 저장해야 하며, 이를 위해 네트워크의 모든 중간 장치는 대용량의 저장 용량이 필요하다.
• 시스템이 너무 복잡하기 때문에 사람들은 메시지가 올바르게 전달되었는지 여부를 알지 못하는 경우가 많다. 이는 사회적 관계에 문제를 일으킬 수 있다.
• 메시지 전환 유형은 장치 간에 전용 경로를 생성하지 않는다. 송신자와 수신자 간에 직접적인 관계가 없기 때문에 신뢰할 수 있는 통신이 아니다.

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회로 스위칭

회로 스위칭은 통신 전에 소스와 대상 간에 연결이 설정되는 스위칭 유형이다. 이 연결은 데이터가 완전히 전송될 때까지 네트워크의 전체 대역폭을 수신한다. 그러나 회로 스위칭은 전용 리소스가 필요하기 때문에 비효율적이고 비용이 많이 들 수 있으므로 트래픽이 많거나 대규모 네트워크에 적합하지 않다.
회로 스위칭 네트워크 대역폭은 여러 조각으로 나뉘고 연결 중 비트 지연은 일정하다. 송신자와 수신자 사이에 설정된 전용 경로/회로는 보장된 데이터 속도를 제공한다. 회로가 설정되면 지연 없이 데이터를 전송할 수 있다.
전화 시스템 네트워크는 회로 스위칭의 한 예이다. FDM(주파수 분할 다중화)과 TDM(시분할 다중화)은 여러 신호를 단일 캐리어로 다중화하는 두 가지 방법이다.

• FDM: 여러 데이터 신호가 공유 통신 매체를 통해 동시 전송되도록 결합될 때 사용된다. 이는 총 대역폭을 일련의 겹치지 않는 주파수 하위 대역으로 분할하는 기술로, 각 하위 대역은 다른 신호를 전달한다. 여러 개의 독립적인 신호를 공유하기 위해 무선 스펙트럼 및 광섬유에서 실용적으로 사용된다.
• TDM: 전송 라인의 각 끝에 동기화된 스위치를 사용하여 공통 신호 경로를 통해 독립적인 신호를 송수신하는 방법이다. TDM은 장거리 통신 링크에 사용되며 최종 사용자로부터 많은 데이터 트래픽 부하를 견뎌낸다. TDM은 디지털 회로 스위치라고도 한다.

회로 스위칭의 단계

• 회로 설정: 소스와 목적지 사이의 전용 회로는 여러 개의 중개 교환 센터를 통해 구성된다. 송신자와 수신자가 회로를 통해 신호를 통신할 때 통신 신호를 요청하고 수신할 수 있다.
• 데이터 전송: 회로가 전송되면 소스와 목적지 간에 데이터를 전송할 수 있다. 두 당사자 간의 링크는 통신하는 한 유지된다.
• 회로 단절: 회로 단절은 사용자 중 한 명이 단절을 시작할 때 발생한다. 단절이 발생하면 송신자와 수신자 간의 모든 중간 연결이 종료된다.

회로 스위칭의 장점

• 컴퓨터 간에 보장된 데이터 속도를 제공하는 전용 전송 채널이 설정된다.
• 회로 스위칭에서는 전용 전송 경로가 있으므로 데이터 흐름에 지연이 없다.
• 신뢰성: 회로 스위칭은 전용 통신 경로가 통신의 전체 기간 동안 예약되어 있기 때문에 높은 수준의 신뢰성을 제공한다. 이를 통해 데이터가 손실이나 손상 없이 전송된다.
• 서비스 품질: 회로 스위칭은 보장된 서비스 품질을 제공한다. 즉, 네트워크가 음성 및 비디오와 같은 특정 유형의 트래픽을 이메일 및 웹 브라우징과 같은 다른 유형의 트래픽보다 우선시할 수 있음을 의미한다.
• 보안: 회로 교환은 전용 통신 경로가 두 통신 당사자에게만 접근 가능하기 때문에 패킷 교환에 비해 더 높은 수준의 보안을 제공한다. 이는 무단 액세스 및 데이터 침해를 방지하는 데 도움이 될 수 있다
• 관리 용이성: 회로 스위치은 통신 경로가 미리 설정되고 특정 통신에 전용되므로 관리하기가 비교적 쉽다. 이는 네트워크 관리를 단순화하고 오류 위험을 줄이는 데 도움이 될 수 있다.
• 호환성: 회로 스위칭은 광범위한 장치 및 프로토콜과 호환되므로 다양한 유형의 네트워크 및 애플리케이션과 함께 사용할 수 있다. 이는 다양한 산업 및 사용 사례에 다재다능한 기술을 제공한다.

회로 스위칭의 단점

• 제한된 확정성: 회로 스위칭은 각 노드 쌍 사이에 전용 통신 경로가 필요하기 때문에 많은 노드가 있는 대규모 네트워크에 적합하지 않다.
• 장애에 대한 취약성: 회로 스위칭은 전용 통신 경로에 의존하므로 네트워크가 케이블 절단이나 스위치 장애와 같은 장애에 취약해질 수 있다. 장애가 발생하면 통신 경로를 다시 설정해야 하며, 이로 인해 지연이나 데이터 손실이 발생할 수 있다.
• 제한된 유연성: 회로 스위칭은 통신 장치 간에 전용 회로가 필요하기 때문에 유연하지 않다. 통신이 완료될 때까지 회로를 다른 용도로 사용할 수 없으므로 네트워크의 유연성이 제한된다.
• 자원 낭비: 회로 교환은 데이터가 전송되지 않더라도 통신 기간 동안 대역폭과 네트워크 자원을 예약한다. 이는 자원 낭비와 네트워크의 비효율적 사용을 초래한다.
• 고비용: 회로 스위칭은 전용 통신 경로가 필요하기 때문에 비용이 많이 드는 기술로, 설정 및 유지 관리 비용이 많이 들 수 있다. 이로 인해 소규모 네트워크 및 애플리케이션에는 적합하지 않다.
• 실패에 취약: 회로 스위칭은 전용 통신 경로에 의존하기 때문에 실패에 취약하다. 경로가 실패하면 전체 통신이 중단된다. 이는 패킷 스위칭과 같은 다른 네트워킹 기술보다 신뢰성이 떨어진다.
• 트래픽이 많은 경우 적합❌: 회로 스위칭은 데이터가 불규칙한 간격으로 간헐적으로 전송되는 트래픽이 많은 경우 적합하지 않다. 이는 각 통신에 대해 전용 회로를 설정해야 하기 때문에 지연과 리소스의 비효율적인 사용이 발생할 수 있기 때문이다.
• 지연 및 대기 시간: 회로 스위칭에는 전용 통신 경로의 설정이 필요하며, 이로 인해 경로 설정 및 데이터 전송에 지연 및 대기 시간이 발생할 수 있다. 이는 음성 및 비디오와 같은 애플리케이션의 실시간 성능에 영향을 미칠 수 있다.
• 높은 비용: 회로 스위칭에는 리소스 예약이 필요하므로, 특히 대규모 네트워크에서 높은 비용이 발생할 수 있다. 이로 인해 일부 애플리케이션에서는 회로 스위칭이 덜 실용적일 수 있다.
• 우선순위❌: 회로 스위칭은 특정 유형의 트래픽을 다른 트래픽보다 우선순위를 지정하는 체계를 제공하지 않는다.

회로 스위칭에서 사용되는 공식

Transmission rate = Link Rate or Bit rate / the number of slots = R/h bps
Transmission time = size of file / transmission rate
                  = x / (R/h)
                  = (x*h)/R second

Total time to send packet to destination = Transmission time + circuit setup time

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패킷 스위칭

패킷 스위칭은 메시지를 더 작은 패킷으로 나누어 다른 네트워크 경로를 통해 독립적으로 전송하고 목적지에서 다시 조립한다. 데이터 프레임은 특정 시간에 네트워크에서 사용 가능한 리소스에 따라 목적지로 전송된다. 그리고 목적지에 대한 추가 정보와 네트워크 구성 요소를 통한 적절한 전송에 필요한 기타 정보가 포함된다. 패킷 스위칭은 효율적인 리소스 활용을 제공하고 현대 인터넷 통신의 기반을 형성한다.

패킷 스위칭 정보는 송신자와 수신자 사이에 데이터 패킷 형태로 전송된다. 이러한 패킷은 송신자에서 수신자로 하나씩 전달된다. 각 패킷은 헤더와 결합한다. 그런 다음 이러한 패킷은 원래 메시지로 다시 조립된다. 이렇게 하면 데이터 패킷에 액세스하는 데 필요한 시간이 줄어들어 성능이 향상된다. 이로 인해 네트워크의 전반적인 성능이 향상된다.

데이터그램 패킷 스위칭

데이터그램 패킷 스위칭에서 각 데이터 프레임은 개별 엔터티로 취급되므로 별도로 처리된다. 데이터 전송이 발생하기 전에 연결이 설정되지 않는다. 이 접근 방식은 데이터 전송에 유연성을 제공하지만 데이터 프레임 손실이나 데이터 프레임의 늦은 전달을 초래할 수 있다.

가상 회로 패킷 스위칭

가상 회로 패킷 스위칭에서 소스와 목적지 간의 논리적 연결은 데이터를 전송하기 전에 이루어진다. 이러한 논리적 연결을 가상회로라고 한다. 각 데이터 프레임은 이러한 논리적 경로를 따르며 데이터 손실 가능성을 낮추어 데이터를 전송하는 안정적인 방법을 제공한다.

패킷 스위칭의 장점

• 여러 사용자가 동일한 통신 회선을 동시에 공유할 수 있으므로 네트워크 리소스를 효율적으로 사용할 수 있다. 이를 통해 사용 가능한 대역폭을 더 잘 활용하고 비용을 절감할 수 있다.
• 동적 라우팅을 통해 안정성이 향상되어 한 경로가 혼잡하거나 실패할 경우 데이터가 대체 경로를 찾을 수 있다. 이를 통해 네트워크 복원력이 향상되고 부분적인 네트워크 장애 시에도 데이터 전달이 보장된다.
• 다양한 유형의 데이터와 트래픽 패턴을 처리하는 데 있어 유연성이 있다. 패킷 스위칭은 다양한 데이터 유형과 다양한 부하를 쉽게 수용할 수 있어 다양한 네트워크 요구사항에 적응할 수 있다.

패킷 스위칭의 단점

• 패킷 손실 또는 순서가 맞지 않는 전달의 가능성으로 오류 검사 및 시퀀싱을 위한 추가 프로토콜이 필요하다. 이로 인해 네트워크 관리의 복잡성이 증가하고 잠재적인 데이터 무결성 문제가 발생할 수 있다.
• 다양한 라우팅 경로와 네트워크 조건으로 인한 가변적인 지연 시간은 실시간 애플리케이션에 영향을 미칠 수 있다. 이러한 예측 불가능성은 음성 또는 비디오 통신과 같은 시간에 민감한 서비스에 문제가 될 수 있다.
• 패킷 헤더와 라우팅 정보의 오버헤드로 인해 효과적인 데이터 전송 속도가 감소한다. 각 패킷은 라웉이 및 리어셈블리를 위한 추가 정보를 전달하며, 이는 사용 가능한 대역폭의 일부를 소모한다.

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메시지 스위칭과 패킷 스위칭의 차이점

메시지 스위칭	패킷 스위칭
완전한 메시지가 네트워크를 통해 전달된다.	메시지는 패킷이라고 알려진 더 작은 단위로 나뉜다.
여기에서 사용되는 컴퓨터 언어는 ASCII, baudot, morse.	패킷 스위칭에서는 Binary 방식이 사용된다.
메시지 스위칭에는 블록 크기에 제한이 없다.	패킷 스위칭은 블록 크기에 엄격한 상한을 둔다.
메시지는 네트워크의 한 위치에만 존재한다.	메시지의 일부, 즉 패킷은 네트워크의 여러 곳에 존재한다.
예: Hop-by-Hop Telex forwarding과 UUCP(UNIX-to-UNIX Copy Protocol)	예: 프레임 지연, IP와 X.25
물리적 링크는 동적으로 할당된다.	가상 링크는 동시에 만들어진다.
패킷이 디스크에 저장되면 성능이 향상되어 액세스 시간이 단축된다.	패킷은 주 메모리에 저장된다.

회로 스위칭과 패킷 스위칭의 차이점

회로 스위칭	패킷 스위칭
회로 스위칭에서 각 데이터 단위는 소스에서 제공한 전체 경로 주소를 알고 있다.	패킷 스위칭에서 각 데이터 단위는 최종 목적지 주소만 알고 있으며 중간 경로는 라우터에 의해 결정된다.
회로 스위칭에서 데이터는 소스 시스템에서만 처리된다.	패킷 스위칭에서 데이터는 소스 시스템을 포함한 모든 중간 노드에서 처리된다.
회로 스위칭에서 데이터 단위 간의 지연은 균일하다.	패킷 스위칭에서 데이터 단위 간의 지연은 일정하지 않다.
회로 스위칭이 더 안정적이다.	패킷 스위칭은 신뢰성이 낮다.
회로 스위칭에서는 자원 낭비가 더 많다.	회로 스위칭에 비해 자원 낭비가 적다.
회로 스위칭은 양자 트래픽을 처리하는 데 편리하지 않다.	패킷 스위칭은 양방향 트래픽을 처리하는 데 적합하다.
소스와 목적지 사이 물리적 경로가 있다.	소스와 목지 사이 물리적 경로가 없다.

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참고

• https://www.geeksforgeeks.org/what-is-switching/
• https://www.geeksforgeeks.org/message-switching-techniques/
• https://www.geeksforgeeks.org/circuit-switching-in-computer-network/
• https://www.geeksforgeeks.org/difference-between-message-and-packet-switching/