(Chap1) Data Communications, Data Networks, and the Internet

What is a 5-layer protocol stack used in the Internet? : 

• (L5) Application layer
• (L4) Transport layer
• (L3) Network layer
• (L2) Data link layer
• (L1) Physical layer

Development of new services and advances in technology are tightly coupled. For example,

• Netflix service -- DASH protocol at Application layer (L5)
• 5G and WiFi6E를 이용한 서비스들 -- OFDMA(Chap.10) at Data link layer (L2) 
• On-the-go streaming service -- 4G/LTE (L2)
• 그러나 이 모든 Internet 서비스들은 3계층에서는 IP (Internet Protocol)을 사용한다.

Types of network traffic : different applications may require different quality of service to the Internet.

• Loss-sensitive applications: Email, VoD streaming, Remote access(Telnet), P2P file sharing, Web document downloading : 이런 응용들은 네트워크에 no loss를 요구함
• Bandwidth and/or Latency-sensitive applications: Real-time applications like VoIP, real-time streaming, online gaming, etc : 이러한 응용들은 최대지연 (max. delay) and/or 최소대역폭(min. throughput)(전송속도)를 요구하는 응용들임. 

Requirements of IoT(Internet of Thing) services

• Low Cost in terms of device and S/W
• Low Current(power) : usually battery-operated
• High Coverage(Radio range)
• High Capacity(Connectivity) : High number of connections in a dense area

5G is not good for IoT, thus LPWA(Low-Power Wide Area) has been developed. Two types of LPWA 

• NB-IoT for cellular
• LoRA and SigFox for non-cellular

IT trends

• Higher frequency, higher data rate, smaller devices, cheaper: Tbps Ethernet / Gbps WiFi / Gbps 5G
• Network has been more intelligent : delivery --> 네트워크 장비들에게 요구하는 기능(firewall, load balancer, etc)이 늘어남.
• In the early 1990, the advent of Web service led to the popularity of the Internet and security issues.
• Mobility makes WAN traffic unpredictable and led to the advent of Cloud computing.

 

Technology trends

• Multi-cloud 

1. Public cloud : AWS, Azure, Google cloud (Storage와 application 제공 like Office 365, Dropbox..(SaaS, PaaS, IaaS)
2. Private cloud : company's data center like Naver's Gak in 춘천
3. Edge Computing: a distributed computing framework that brings enterprise applications closer to data sources such as IoT devices or local edge servers. (IBM에서 발췌한 정의임. 결과적으로 public cloud를 사용하는데 소요되는 latency를 줄이려는 목적임)

• Network as a service (NaaS) 

1. 단편적인 예로 비싼 H/W 구매, S/W 관리자 필요없이 가입하나로 network을 구축하여 서비스를 제공하는 것이 가능하게하는 기술임.
2. NFV(Network Function Virtualization) 기능으로 더 활성화 됨.

% 국내 3개 SI(System Integration) 대기업: Samsung SDS, LG CNS, SK C&C

• 고속 WAN 의 성장 배경은 ? 

1. Client-server architecture of applications
2. Telecommuting (ex. 워케이션), off-premise (cloud) environment
3. Unpredictable traffic pattern (flow and behavior of data as it moves through a network in terms of volume, direction, frequency of data)
4. Data-intensive application : 3~4kbps voice ---> 50Mbps 8K compressed video

• Convergence of applications, Convergence of communication network

1. Applications: Voice, data, image, video are combined into smart devices
2. Networks : Separate for Voice (PSTN) and Data (Internet) --> combined into ISDN 그리고 이동통신망도 4G 부터 음성과 데이터가 하나의 망으로 통합됨.
3. Layer 3에서 하나의 프로토콜, 즉 Internet Protocol (IP)을 모두 사용하면서 통합이 용이하게 됨.

% PSTN (공중 전화 교환망, Public Switched Telephone Network) :  과거로부터 사용되던 일반 공중 아날로그 전화망.
% 종합정보통신망(ISDN : Integrated Service Digital Network) : 음성,영상,데이터 등의 서비스마다 별개로 운용되던 통신망을 하나로 통합한 네트워크. 네트워크 기기 내부가 디지털화됨.

• Station, host, terminal, or end node 

1. Internet 가입자의 장비 (smart phone, PC, tablet, smart devices)로 L1 부터 L5까지 모든 프로토콜이 running 하고 있음.
2. 데이터가 생성되어 전송을 시작하거나, 수신되 사용되는 장비임
3. source host 와 destination host 가 주고 받는 L4 (ex. TCP, UDP) 혹은 L5 프로토콜(HTTP, SMTP) 정보들은 중간 network 장비 (intermediate node)에서는 볼 수 없음.

• Network device, or intermediate node 

1. 네트워크(인터넷) 서비스를 제공하는 업자들이 소유하고 있는 장비로 L1계층 장비인 amplifier, repeater, hub, connector, /  L2 장비 Bridge, Ethernet switch(L2-switch), Wi-Fi AP(Access Point) / L3 장비 router, exchange 가 있음.
2. 데이터를 생성/사용하지 않고 처리(switching/forwarding/routing)만 함. % 데이터 생성/사용은 L5 프로토콜들이 L4의 도움으로 하는 행동임. 
3. 이 장비들은 L4, L5 계층에 해당하는 프로토콜을 운영하지 않으므로, source/destination host의 L4/L5 프로토콜이 주고 받는 데이터/행동 을 알지도 못하고 관심도 없음.

%(end-to-end) path : a sequence of routers from source host to destination host

% switching / forwarding / routing

• switching은 1계층(hardware) 동작 (즉, input port와 output port가 이미 결정된 후 일어나는 사건)
• forwarding&routing은 2계층 혹은 3계층 프로토콜(software)이 하는 기능임. 
• forwarding은 input port로 들어온 데이터의 주소를 key로 table lookup을 실행하여 output port를 찾고 해당 output port로 데이터를 전송하는 행동.
• routing은 forwarding을 하기 위해 네트워크 장비들 간 상호 협력하여  destination host 까지 path를 결정하는 nationwide job 에 해당함. 이 결과물로 생성된 table이forwarding 할 때 사용됨.

• Transmission system 

1. a system that transmits a signal from one place (transmitter or TX) to another place (receiver or RX)
2. transmission media (광케이블/이더넷케이블/무선신호) 와 network device (intermediate node)로 구성됨.

• Interface or NIC (Network Interface Card)

1. L1, L2 계층을 포함하며, 인터넷 통신을 위해서 end node들은 반드시 하나 이상의 NIC이 필요함. (예: ethernet card and wifi card)
2. Intermediate nodes(L2-switch, bridge, Wi-Fi AP, router, exchange)는 두 개 이상의 인터페이스를 포함하여 데이터를 forwarding함.

• Synchronization or Timing

1. TX(transmitter or TX)가 전송한 신호 그대로 수신하기 위한 L1,L2 계층의 프로토콜이 필요함.
2. 즉, 신호를 받는 (receiver or RX) 측에서 신호를 전송한 측(TX)에서 의도한 그대로 신호를 수신하기 위해 전송의 시작과 끝 그리고 각 신호(sine 곡선 형인 아날로그 신호이던, square 형의 디지털 신호이던 상관없이)의 주기(1 bit의 길이)를 맞추는 작업.(6장에서 자세히 다룸) 

• Data Exchange Management

1. Reliable (no loss & in-order을 의미함) communication 을 특정 계층 (주로 L2와 L4) 프로토콜이 데이터 전달 전에 상호 준비하는 과정이 있으면 그런 프로토콜은 connection-oriented protocol이라고 함. 없으면 connectionless protocol
2. 예로 L4 프로토콜인 TCP, L2 프로토콜인 HDLC 들이 connection-oriented protocol이며, 이러한 프로토콜들은 (1)connection setup, (2) data transfer, (3) disconnection의 3단계로 동작함.

• Error detection and Correction (6,7장)

1. Error detection: 수신한 정보가 송신자가 보낸 그대로인지 (즉, bit flip이 없는지) 확인하는 작업.
2. 인터넷 프로토콜들 중 에러를 감지한 프로토콜의 동작은 크게 세가지 임 just dropping / dropping&reporting / dropping&re-receiving. 
3. Error correction: 발견한 error를 제거하여 원 데이터로 복원하는 기술.

 

• Recovery

1. Source station 과 destination station 사이에 상당한 량의 통신 중 예상치 못한 failure 발생시, 문제를 복구 한 이 후 통신 상태를 처음이 아닌 문제 발생 전 상태로 돌아갈 수 있게 하는 기능.
2. 이를 위해 상태관리를 하는 프로토콜 (stateful & connection-oriented protocol)이 필요하나, 데이터 유지 관리의 overhead가 크기 때문에 인터넷에서 사용되는 프로토콜 대부분은 stateless protocol (대표적으로 IP, HTTP)임.

 

Flow control vs. Congestion control

• Flow control 

1. A sender (source host) adjusts its sending rate to avoid an overflow of receiver's buffer 
2. 정보를 송신하는 측에서 수신노드 (destination node)의 처리 속도 보다 빨리 보내는 것을 막기 위해 "송신노드 (source node)" 가 "송신속도 (sending rate)"을 조정하는 작업.
   
3. 2계층의 HDLC (하나의 링크로 연결된 두 노드사이에서), 4계층의 TCP (통신의 양 끝 단 사이에서)가 flow control을 하는 프로토콜 임.

• Congestion control

1. Congestion이란 특정 시간에 특정 라우터의 output buffer로 트래픽이 몰려 end user의 전송속도를 떨어트리는 현상을 말함.
2. 이는 데이터 전송 전에 경로(path) 상에 전송에 필요한 자원을 확보하지 않고 전송을 시작하기 때문에 발생하는 현상임.
3. A sender (source host) adjusts its sending rate to avoid an overflow of router's output buffer
4. 패킷 스위칭 네트워크 장비인 라우터는 버퍼를 사용한다. 만일 어느 특정 시간에 특정 링크로 나가려는 트래픽(패킷)들이 증가하여 버퍼 대기시간이 증가하면 네트워크 서비스의 지연이 증가하고 더 심해지면 버퍼가 꽉차 저장할 수 없는 상태(loss)가 발생하게 된다. 이 처럼 라우터의 outgoing link의 buffer가 심하게 혼잡해지는 현상을 막기 위해 source host에서 (TCP 프로토콜이) 전송 속도를 조정하는 작업임.

• Two technologies for increasing link utilization

1. Multiplexing 
2. Compression : ex) voice compression for TDMA (2G 폰)

Multiplexing vs. Multiple Access (or Media Access Control) : what are their similarities and differences?

• Multiplexing 

1. L1 technology (H/W)
2. used in point-to-point link topology (between router and router or between exchange and exchange), i.e., WAN
3. does NOT consider users
4. ex) TDM, FDM, OFDM, ...

• Multiple access or Media Access Control (MAC)

1. L2 technology (S/W)
2. used in multipoint-to-point topology, i.e. LAN
3. Does consider users (사용자를 구별하기 위한 address 작업과 동시에 접속하여 발생하는 collision 해결이 이슈임.)
4. FDMA, TDMA, CDMA, OFDMA for Cellular 
5. CSMA, CSMA/CD (Ethernet), CSMA/CA (Wi-Fi) for non-cellular

 

Two WAN technologies

• Circuit Switching (CS)

1. Fixed number of users can be used at the same time.
2. All user devices use fixed data rate application. (ex: 아날로그 음성통신 전화기 3kbps)
3. Connection set-up before starting data delivery: route (end-to-end path) and resource (link BW) are reserved (and fixed) between source and destination --> In-order delivery and guaranteed service
4. Connection (route and resource(link BW)) set-up delay occurs before staring data delivery. --> During data delivery (communication between src and dst hosts), No buffering required in the network due to resource reservation --> NO (queueing and processing) delay
5. Synchronous TDM at layer 1 : pre-assigned time slots --> No addressing needed --> No bit overhead BUT its link BW may be wasted when some input (users) are idle
6. Number of users are fixed 
7. Example : PSTN for voice communication

• Packet Switching (PS)

1. Target application generates intermittent & bursty traffics. And end station plays various data rate applications.
2. No connection (e2e path and resource) set-up btw src and dst before communication starts between them: No delay before sending data
3. One large message is broken into multiple small packets --> Each packet is "independently" delivered during communication (Routers do not know which packets belong to what application: stateless IP.) 
4. --> Routing needed at each router during data transfer --> out-of-delivery, but higher flexibility than CS.
5. --> During communication btw src and dst,  (processing, queueing and transmission) delays occur and also loss may occur
6. Statistical TDM (or Asynchronous TDM) at layer 1 : dynamically assigned time slots --> addressing each data required --> Bit overhead BUT it is good for delivering intermittent and bursty traffic and thus one user can use full link rate.
7. Example : Internet

• LAN vs. WAN

1. WAN is more complicated in terms of traffic pattern, management and topology than LAN
2. WAN has more errors/congestion than LAN.
3. WAN is more unpredictable than LAN.
4. Less link bandwidth is available in WAN than LAN.
5. Accessing on-premise server in LAN is faster than accessing cloud in WAN.
6. WAN requires higher costs than LAN.
7. 그러나 WAN에 사용되는 링크 자체의 capacity는 LAN에 사용되는 링크 용량 보다 크다. (예: 해저케이블은 Tera bits per sec.(Tbps), 학교는 Mbps or Gbps) 

• Internet (WAN)

1. 90년대 WWW 등장으로 활성화 됨.
2. 초기 국제 트래픽은 위성통신을 사용, 느리고 비싸서 해저케이블(submarine cable)로 대체됨 (현재 우리나라는 3개의 해저케이블(부산/태안/거제)로 국제 트래픽이 나감 ).
3. 서로 다른 소유주의 네트워크들이 연결(Internetworking)되어있음.
4. 각기 다른 소유주의 네트워크 운영의 독립성 보장. (Independence of each network)
5. 네트워크들을 연결하기 위한 필수조건 최소화 (minimal requirement of internetworking)
6. 3 ways of internetworking : IXP, Peering, PoP

• How to connect networks

1. Multiple ISPs can be connected to each other via IXP(Internet eXchange Point, the 3rd-party company).
2. Two ISPs can be directly connected by peering.
3. A customer ISP is connected to a provider ISP via PoP(Point of Presence) which is a set of network devices of a provider ISP.

• Multi-homed ISP : 두 개 이상의 provider ISP (PoP, IXP or Peering)와 연결되어 reliability가 높은 ISP.

• What are CO and CPE?
• Can you list up names of ISPs?
• "헬로 모바일은 KT,SKT,LGU+ 망을 모두 사용하여 통신 품질을 높인다" 이 문장에서 헬로 모바일은 ISP 이고 ,KT,SKT,LGU+는 헬로모바일에 네트워크 장비를 제공하는 NSP 임.

 

• Standardization agencies (표준화 기구와 표준화 기술)

1. IEEE : 2계층 MAC(media access control) 프로토콜들; Ethernet(IEEE 802.3 CSMA/CD), Wi-Fi(IEEE802.11 CSMA/CA)
2. IETF: 3,4,5 계층 프로토콜들; IP / TCP, UDP 등 / HTTP, SMTP, DNS, 등  
3. ANSI : ASCII (a standard data-encoding format for electronic communication between computers)
4. ITU : Signalling protocol (ATM/FR/X.25) % ITU-R 이동통신 주파수를 논의하는 국제모임

 

1. 인터넷 5계층 구조 (TCP/IP Protocol Stack)

 

계층	이름	주요 역할 및 관련 프로토콜
L5	Application	사용자 인터페이스 제공 (HTTP, DNS, Netflix DASH)
L4	Transport	프로세스 간 통신 제어 및 신뢰성 담당 (TCP, UDP)
L3	Network	호스트 간 경로 결정 및 주소 지정 (IP)
L2	Data Link	인접 노드 간 데이터 전송 (Ethernet, Wi-Fi, 5G/LTE)
L1	Physical	신호를 전기/광학 신호로 변환하여 매체로 전송

• 중요 포인트: 모든 서비스는 L2나 L5에서 다양한 기술을 쓰더라도, 3계층에서는 반드시 IP를 사용하여 통합된다. 

---

2. 응용 프로그램의 요구사항과 네트워크 품질 (QoS)

애플리케이션의 성격에 따라 네트워크에 요구하는 조건이 다르다. 

• 손실 민감형 (Loss-sensitive): 데이터 누락이 없어야 함. (예: 이메일, 파일 공유, 웹 문서)
• 지연/대역폭 민감형 (Latency/Bandwidth-sensitive): 실시간성이 중요하며 최소 속도와 최대 지연 시간이 보장되어야 함. (예: 인터넷 전화, 온라인 게임, 실시간 스트리밍)

---

3. IoT 서비스와 LPWA 기술

IoT 기기는 일반 스마트폰과 달리 저비용, 저전력, 넓은 커버리지, 고수용량이 핵심. 5G는 속도는 빠르지만 비용과 전력 문제로 IoT에 부적합할 수 있어 LPWA(저전력 광역 네트워크) 가 개발되었다.

• NB-IoT: 기존 이동통신망(Cellular) 기반.
• LoRa / SigFox: 독자적인 망(Non-cellular) 기반.

---

4. 클라우드 및 최신 기술 트렌드

• Edge Computing: 데이터를 중앙 클라우드가 아닌 데이터 발생지 근처에서 처리하여 응답 지연(Latency)을 단축 
• NaaS (Network as a Service): 비싼 장비 구매 없이 구독만으로 네트워크를 구축하는 기술로, NFV(네트워크 기능 가상화) 를 통해 활성화 
• 통합(Convergence): 과거 음성(PSTN)과 데이터(Internet)가 분리되었으나, 이제는 스마트 기기와 IP망을 통해 하나로 통합. 

---

5. 네트워크 장비와 동작 원리

• End Node (Host): PC, 스마트폰 등 데이터의 생성과 소비가 일어나는 곳으로 L1~L5 모든 프로토콜이 동작 
• Intermediate Node (Network Device): 라우터, 스위치 등 경로를 배정하고 전달만 하는 장비로, 보통 L1~L3까지만 운영하며 사용자 데이터(L4, L5)의 내용은 알 수 없다. 

[주요 동작 개념]

• Forwarding vs. Routing: Routing은 목적지까지의 경로를 찾는 '전국적인 작업'이며, Forwarding은 찾아진 경로(Table)에 따라 실제 데이터를 다음 포트로 밀어내는 '국소적인 행동' 이다. 
• Flow Control vs. Congestion Control: Flow Control은 수신자의 버퍼가 넘치지 않게 조절하는 것이고, Congestion Control은 네트워크(라우터)의 혼잡을 막기 위해 송신 속도를 조절하는 것이다. 

---

6. 통신 방식 비교: 회선 교환(CS) vs 패킷 교환(PS)

구분	회선 교환 (Circuit Switching)	패킷 교환 (Packet Switching)
특징	전용 경로 예약, 고정 속도	데이터를 '패킷'으로 나누어 전송
장점	지연 없음, 순서 보장	자원 효율성 높음, 유연함
단점	연결 설정 지연, 유휴 자원 낭비	지연 및 패킷 손실 가능성
사례	일반 전화망 (PSTN)	인터넷

---

7. 표준화 기구

• IEEE: 2계층 MAC 관련 (Ethernet 802.3, Wi-Fi 802.11).
• IETF: 3, 4, 5계층 프로토콜 (IP, TCP, HTTP 등).
• ITU: 이동통신 주파수 및 통신 신호 규준 논의.

---

추가 설명이 필요한 부분에 대한 보충

1. 고속 WAN의 성장 배경: 클라우드 환경(Off-premise)으로의 변화와 화상회의/재택근무(Telecommuting) 증가, 그리고 8K 영상과 같은 데이터 집약적 응용 프로그램의 등장이 고성능 광역 네트워크를 요구하게 되었다. 
2. Stateless vs Stateful: 인터넷의 핵심인 IP와 HTTP는 Stateless(상태 유지 안 함) 방식. 이는 장비가 이전 통신 내용을 기억하지 않아도 되어 처리 효율이 높지만, 오류 복구 시에는 정보 관리가 복잡할 수 있다. 

 

구분	Multiplexing (Mux)	Multiple Access (MA)
계층	1계층 (Physical)	2계층 (Data Link)
대상	신호(Signal) 중심 - 사용자 구분X	사용자(User) 중심 - 사용자 구분함
토폴로지	Point-to-point (라우터 간 WAN 연결)	Multipoint-to-point (LAN, 무선 공유기)
핵심 이슈	효율적인 신호의 결합과 분리	주소 지정(Addressing) 및 충돌(Collision) 해결
주요 기술	TDM, FDM, WDM, OFDM	FDMA, TDMA, CDMA, OFDMA, CSMA

 

• Multiplexing (Mux): "하나의 큰 고속도로 터널"
  • 서울에서 부산으로 가는 여러 차선의 차들을 하나의 거대한 터널(전용선) 안에 밀어 넣는 것 
  • 이때 터널 입구에서는 차들이 어디서 왔는지 일일이 묻지 않고, 정해진 칸(Time slot이나 Frequency)에 맞춰 순서대로 보낼 뿐이다. 
  • 목적은 "비싼 전용선(터널) 하나를 최대한 꽉 채워 쓰자" 는 것 
• Multiple Access (MA): "복잡한 사거리 교차로"
  • 여러 방향에서 온 수많은 차(사용자)들이 하나의 교차로(공유 매체)를 통과하려는 상황 
  • 이때는 신호등(MAC 프로토콜)이 필요하다. 각 차를 구별(Addressing)해야 하고, 차들이 서로 부딪히지 않게(Collision 해결) 순서를 정해주어야 한다. 
  • 목적은 "수많은 사용자가 동시에 접속해도 안 싸우고 잘 통과하게 하자" 는 것.