08.08 디지털 트윈 부트캠프(OT) 26일차

네트워크

네트워크

전송매체에 의해 연결된 컴퓨터들이 상호 간에 정보를 교환하는 시스템

컴퓨터 네트워크: 송신자, 수신자, 전송매체

전송매체: 케이블, 무선

프로토콜

통신을 하는 두 개체 간에 데이터를 전송할 때 무엇을 어떻게 어떠한 방식으로 교신할 것인지를 정한 절차 또는 규약

종류: TCP, IP, UDP, HTTP

 

최초의 전기 통신: 모스 부호 -> 알렉산더 벨 : 전화 발명

전화망은 기본적으로 아날로그 신호 전송 -> 거리 멀어지면 증폭기 필요

초기에는 전화기 일대일로 연결 -> 전화기 수 증가에 따라 회선 수 증가로 비효율적

 

ARPANET : 미국 국방성 - 여러 곳에 분산된 프로젝트 자원 공유 및 전송

SNA : IBM

Ethernaet : Xerox

NSFNET : NSF가 NSFNET를 ARPANET에 연결

TCP/IP : 인터넷 프로토콜, WWW

 

OSI 모델

국제 표준화기구 ISO에서 만든 국제 표준 모델

서로 다른 두 가지 시스템이 하위 구조에 상관 없이 통신할 수 있도록 제정

7 Layer

프로토콜은 산업 표준 OSI 참조 모델에 기반을 두고 각 기능에 따라 구분

1계층: 물리 / 2계층 : 데이터 링크 / 3계층 : 네트워크 / 4계층 : 전송
5계층 : 세션 / 6계층 : 표현 / 7계층 : 응용

각 계층은 서로 간에 독립적

네트워크 장치들은 기능에 따라 필요한 몇 개의 계층만을 표준화에 따르며 통신

응용 계층에서 시작해 물리 계층 전송 

전달하는 시스템 : 7계층 -> 1계층, 전달 받는 시스템 : 1계층 -> 7계층

프로토콜 서비스에 비상호의존적

한 계층의 프로토콜이 특정 서비스 제공 시 다른 계층의 프로토콜은 동일 서비스 미제공

상/하위에서 하위계층 통신

각 계층의 바로 상/하위에 있는 계층과 통신

 

7계층 : 응용 계층

사용자에게 보이는 계층으로 네트워크 활동들에 대한 모든 기본적인 인터페이스 제공

ex) HTTP, SMTP, FTP, Telnet

 

6계층 : 표현 계층

안전하게 데이터를 사용하기 위해 인코딩, 디코딩이 이루어짐

ex) ASCII, MPEG, JPEG, MIDI

 

5계층 : 세션 계층

두 대의 컴퓨터 사이 세션이나 대화 관리 및 종료, 단방향, 양방향 여부 체크 담당

ex) NetBIOS, SAP, SDP, NWLink

 

4계층 : 전송 계층

아래 계층에 신뢰성 있는 데이터 전송, 형태, 흐름제어, 분할, 재조립, 오류 관리 포함, 복잡하지만 중요한 계층

연결, 비연결 지향적인 프로토콜 제공, 방화벽과 프록시 서버 동작

ex) TCP, UDP, SPX

 

3계층 : 네트워크 계층

가장 복잡한 계층, 물리적인 네트워크 사이 라우팅 담당

ex) IP, IPX

 

2계층 : 데이터 링크 계층

물리적인 네트워크 사이 데이터 전송 담당

주소 지정 체계, 오류 확인 제공, 브리지와 스위치가 이 계층에서 동작

ex) Ethernet, Token Ring, FDDI, AppleTalk

 

1계층 : 물리 계층

네트워크 데이터가 전송될 때 사용되는 물리적 매개체

전압, 허브 등 모든 하드웨어의 물리적·전자적 특성 정의

연결 설정 및 종료, 공유된 통신자원 제공, 아날로그 <-> 디지털 변환

 

전송 매체

모든 네트워크에서는 송신자와 수신자를 서로 연결해 주는 전송 매체 필요

각각의 전송 매체는 대역폭, 전송 지연 등과 같은 고유한 특성을 지님

대역폭 : 전송매체를 지나는 신호의 최대 주파수와 최저 주파수의 차이

높을수록 단위 시간 당 더 많은 데이터 전송 가능

꼬임선 : 플라스틱으로 덮여진 구리선 두 가닥을 나선형으로 꼬아 만든 전송 매체

동축케이블 : 중앙 전도체 & 감싸는 절연체 밖의 전도체 -> 동심원 형태의 두 개의 전도체

꼬임선보다 우수한 주파수 특성 -> 높은 대역폭 & 빠른 데이터 전송 but, 비쌈

광섬유 : 머리카락 보다 가는 유리섬유를 통해 광선 전송

전자기파의 간섭을 받지 않고 대역폭도 아주 크며, 신호 간섭이 없어 보안성 우수

위성 : 트랜스폰더가 탑재되어 두 개의 지상국 사이 신호를 전달해주는 중계소 역할

 

네트워크 전송 방식

방향성, 동시성에 따른 분류

단방향 전송

한 방향으로만 전송 가능 : 한 쪽은 송신만 다른 쪽은 수신만

반이중 전송

두 단말이 양방향 통신은 가능하나 동시 전송은 불가능 -> 양단말에서 동시 전송 시 충돌 발생

전이중 전송 : 전화

동시에 양방향 데이터 전송 가능

 

아날로그 vs 디지털

아날로그 전송

아날로그 데이터 : 시간에 따라 크기가 연속적으로 변하는 정보

거리가 멀어질수록 감쇄현상 발생

디지털 전송

디지털 데이터 : 불연속적인 값을 가지며 임의의 값의 정수 배를 다루는 데이터

0과 1을 디지털 신호 전송 및 거리 제한을 해결하기 위해 리피터 사용

 

직병렬 전송

직렬 전송

통신 회선을 통해 한 번에 한 비트씩 순서대로 전송 -> 전송속도 느리지만 비용 저렴

원거리 전송에 사용, RS-232C, RS-423 등의 인터페이스에 사용

병렬 전송

여러 개의 전송로를 통하여 동시에 여러 비트 전송 -> 전송속도 빠르지만 비용 비쌈

단말 장치들 간의 연결보단 컴퓨터와 주변기기 간의 연결에 많이 사용

 

동기 비동기

동기 전송

전송 효율을 높히기 위해 송신측과 수신측이 서로 약속되어 있는 일정한 데이터 형식에 따라 전송하는 방식

송신자는 송신하는 데이터 블록의 전후에 특정한 제어정보를 삽입해 전송

데이터 전송 도중 오류 발생 시 동일한 데이터를 재전송하여 오류 복구

비동기 전송

데이터를 송신 장치에서 수신 장치로 전송할 때 서로 간에 타이밍을 맞추지 않고 문자 단위로 전송

데이터 신호는 시작 / 데이터 / 정지 비트로 구분접속 장치들의 구조가 간단하므로 전송 비용 저렴

데이터가 길어지면 시스템 클럭 차이의 누적으로 오류 발생 가능성 높음

 

네트워크 위상(Topology)

네트워크에 연결되는 여러 노드들과 링크들이 실제로 또는 논리적으로 배치되어 있는 모양

노드 : 컴퓨터 네트워크에 연결되어 있는 주소를 가진 통신장치 (호스트)

ex) 컴퓨터, 라우터, 프린터 등

종류 : 버스형, 스타형, 링형, 트리형, 메시형

 

버스형

하나의 통신 회선인 버스에 모든 네트워크 노드들이 일렬로 연결되어 있는 형태

구조 간단, 케이블에 소요되는 비용도 최소

한 노드에서 데이터를 전송하는 데 이미 다른 노드에서 데이터를 전송 중이면 충돌 발생

 

스타형

다른 노드들이 이 허브에 점대점 링크에 의해 연결통신망의 처리 능력과 신뢰성은 허브에 의해 좌우

지능형 허브는 네트워크의 통신양을 조절하거나 충돌을 방지하는 역할

중앙 집중적인 구조로 고장 발견과 유지보수가 쉽고 전송 제어 간단

 

링형

네트워크의 노드들이 둥근 원 형태로 연결하나의 노드에서 전송한 데이터는 원을 따라 한 방향으로 전송

수신한 목적지가 아닌 노드에서는 매번 신호를 재생해 다음 노드로 전송 -> 재생 과정  :전송 도중 오류를 줄일 수 있음

장애 발생 시 장애가 발생한 호스트를 쉽게 찾을 수 있음

노드 수 증가해도 네트워크 성능에는 큰 영향 없음

종류: 단방향 링, 이중 링

 

SPoF Single Point of Failure 한 곳의 장애 때문에 전체에 장애 발생

SNMP Simple Network Management Protocol -> MIB

 

트리형

트리 구조로 노드들이 연결

트리의 최상위 노드에 허브 위치, 하위 노드 제어

트래픽이 중앙 집중되어 병목현상 발생, 중앙 고장 시 전체 네트워크 장애 발생

 

메시형

중앙에 제어하는 노드 없이 모든 노드들이 상호 간에 점대점으로 직접 연결되어 있는 그물 모양의 형태

전송 중간에 다른 장치의 중계 필요 없음 -> 효율 좋음

복잡하고 비용이 높아 신뢰성이 중요한 네트워크에서 사용

 

모뎀

디지털 신호 <-> 아날로그 신호초기에는 전화망을 사용해 컴퓨터 통신에 이용전화망은 음성과 같은 아날로그를 전송 => 아날로그 -> 디지털변조: 디지털 -> 아날로그복조: 아날로그 -> 디지털

 

네트워크 인터페이스 카드 & 허브

네트워크 인터페이스 카드(NIC)

모뎀이 아날로그 신호를 전송하는 전화선을 연결하는 것과는 달리 신호를 직접 전송

허브

여러 곳으로부터 들어온 데이터를 그대로 다른 여러 곳으로 데이터를 보내는 역할

더미 허브

들어온 데이터를 네트워크에 있는 다른 컴퓨터로 전달호스트 증가 시 속도 저하

스위칭 허브

목적지 주소로 스위칭, 점대점 접속 -> 효율 ↑

 

네트워크 장치

리피터

네트워크의 전송 거리를 연장하기 위해 사용되는 장치

리피터는 전송 도중 약해진 신호를 다시 생성해 전송

브리지

두 개 이상의 LAN을 서로 연결해 하나의 네트워크로 만들어 주는 기기

네트워크에 흐르는 프레임의 주소를 보고 같은 LAN에 포함되어 있는 주소의 프레임은 받아들이고,

연결되어 있는 다른 LAN으로 보내야 할 것들은 브리지를 통해 해당하는 LAN으로 보냄

전체 네트워크의 트래픽을 줄여 줌

 

라우터

LAN, MAN, WAN과 같은 네트워크를 서로 연결해 주는 장비

패킷의 논리주소(IP주소)에 따라 패킷 라우팅

네트워크의 연결 기능을 라우터가 담당

routing: 라우터는 라우터로 수신되는 패킷의 목적지 인터넷 주소를 보고 다음 경로 결정

두 개 이상의 네트워크 사이에서 패킷 전달 역할

 

게이트웨이

다른 네트워크로 들어가는 입구 역할을 하거나 나가는 출구 역할을 하는 네트워크의 연결점

프로토콜 변환기 역할 : 서로 다른 프로토콜의 두 개의 네트워크를 서로 연결

 

네트워크 교환 방식

회선 교환 방식

송신자와 수신자 결정 시 여러 회선 중 적당한 경로 설정

회선: 설정된 경로의 집합

회선이 설정되어 해제되기 전까지 데이터를 전송하지 않을 때도 다른 컴퓨터들이 이 회선을 이용할 수 없다.

-> 이용률 ↓

한 번 설정되어 전송 시작 시 다시 경로를 찾을 필요 x -> 대량의 데이터 고속 전송

ex) 전화망

 

패킷 교환 방식

고정된 경로가 미리 설정되지 않고 전송은 패킷 단위로 독립적

각 패킷들은 네트워크의 트래픽 상태에 따라 다른 전송 경로 -> 고정된 경로 설정 x

동일한 경로 다른 목적지의 여러 패킷들이 공유 -> 효율적

ex) 인터넷

 

네트워크 활용

IP 주소

인터넷으로 연결된 모든 컴퓨터 및 네트워크 장치들은 유일한 IP 주소를 가져야 한다.

인터넷에 연결된 다른 컴퓨터들은 동일한 IP 주소를 가져서는 안된다.

네 자리 수로 구성 ex) 127.0.0.0 => 8*4 = 32bit

네 자리 수 중 앞의 두 자리 or 세 자리 = 네트워크의 주소

 

서브넷

하나의 네트워크 안의 작은 네트워크 단위

147.46.10.X, 147.46.11.X, ... 여러 개의 작은 네트워크

서브넷 마스크

패킷이 네트어ㅜ크 안으로 들어올 때 1로 되어있는 부분만 보고 라우팅 시 자신의 서브넷으로 돌아옴

 

기본 게이트웨이와 DNS 서버

IP 설정 시 주요 정보인 기본 게이트웨이와 DNS 서버 설정기본 게이트웨이내 컴퓨터의 패킷이 외부 네트워크로 나가거나 외부 네트워크의 패킷이 내 네트워크나 서브넷으로 들어올 때 꼭 거쳐야 하는 연결점DNS 서버도메인 네임을 IP 주소로 변환시켜 주는 서버

 

실습

터미널을 열고~

ipconfig : 현재 네트워크의 연결 상태들을 나열

ipconfig /all : 모두 나열

nslookup : 알파벳으로 된 도메인 네임을 IP 주소로 변환

ex) nslookup www.naver.com

tracert : 주어진 목적지까지의 경로

ex) tracert www.naver.com

잘 모르겠는 명령어는 앞에 man을 입력하면 도움말을 제공한다.

ex) man ipconfig

 

in wsl

sudo apt install net-tools

ifconfig : ipconfig와 동일 기능

 

사물인터넷 네트워크

IPv6

IPv4 프로토콜의 한계점으로 인해 제정

IPv4 : 2³², IPv6 : 2**128

 

특징

IP 주소 확장 : 128비트 주소 길이

호스트 주소 자동 설정

패킷 크기 확장

효율적인 라우팅

플로우 레이블링인증 및 보안기능이동성

 

IPv6 주소 종류

유니캐스트애니캐스트멀티캐스트

 

유무선 통신

유선 통신

LAN

좁은 지역에 설치되어 있는 컴퓨터, 프린터, 기타 네트워크 장비들을 연결하여 구성한 네트워크

이더넷, ATM, FDDI, 무선랜 등 다양한 네트워크 사용

 

특징

전송지연 시간 적고 좋은 품질의 통신회선 사용 및 관리

컴퓨터, 프린터 등과 같은 장치들을 쉽게 연결해 사용 할 수 있고 확장도 용이

 

표준

이더넷, 고속 이더넷, 기가비트 이더넷, FDDI

 

MAN

LAN보다 좀 더 넓은 범위의 네트워크로 LAN이 확장되거나 연결되어 하나의 마을이나 도시를 연결한다.

SMDS 제공

 

WAN

하나의 국가나 국가와 국가 간 연결하는 네트워크로 아주 넓은 범위의 네트워크

먼 거리를 연결할 수 있으나 저속이다.

 

무선 통신

IEEE

전기전자 공학 전문가들의 국제조직으로 전기전자 공학에 대한 표준 정의

 

블루투스

근거리에서 미디어 파일을 교환할 때 사용하는 무선 기술

저전력 블루투스(BLE)

특징

Ad-hoc : 사전에 주소를 할당해주지 않아도 임의로 주변 기기들과 네트워크 형성

주파수 호핑 : 1MHz의 채널을 79개 설정, 1초간 1600회 채널 바꾸는 주파수 호핑 방법

전파 간섭 최소 : 스펙트럼 확산 방식을 사용해 전파 송신, 전파 간섭을 적게 받음

소형/저전력 : 소형·전력소모가 작아 배터리 용량이 크지 않은 휴대용 기기에 적합

 

※ Beacon : 주기적으로 신호를 보내는 장치 -> 전기소모 ↑ -> 블루투스를 적용시키려 노력

 

Zigbee

소형/저전력/저비용/근거리 통신 지향 IEEE 802.15.4 표준 기술을 기반으로 상위 계층을 포괄해 정의된 표준 기술

Z-Wave

홈 오토메이션의 모니터링과 컨트롤을 위한 저전력 통신 기술

같은 네트워크에 있으면 다른 베더의 제품과도 호환성이 뛰어나고 투과성이 좋아 벽이 있어도 30m 정도 거리에서 통신 가능

IrDA

Infrared Data Association

빛을 사용해 주파수 사용 허가가 필요 없으며 넓은 대역폭과 높은 전송속도, 뛰어난 보안성을 가졌다.

오히려 안개나 대기 중의 먼지에 의해 사용이 제한된다.

 

LPWA

Low Power Wide Area

저전력으로 소량의 데이터를 멀리 보내는데 사용되는 기술

저전력 소모 설계, 저가 단말기 공급, 낮은 구축 비용, 안정적 커버리지 제공, 대규모의 단말 접속 구현을 핵심 요구사항으로 충족해야 함

면허 대역(NB-IoT, Weightless) : KT, LG 등 유명 통신사들이 사용

비면허 대역(LoRa, Sigfox, Ingenu 등 다수 존재) : 우리도 사용 가능~!

 

사용 영역

LPWA는 통신 빈도가 적고 on/Off 및 숫자/좌표 전송 등의 소용량 data 서비스를 저가로 제공하기 위해 적합한 network

지원 가능한 주요 기능 : Metering, Tracking, Monitoring & Control