chap 9 WAN Circuit switching / packet switching

9-1)

WAN에서 중요한 문제 : 시간 지연 , 비트 오버헤드

안정성 relaibility를 높이기위해 WAN에는 두 호스트사이에 둘이상의 경로가 존재한다

ex) 멀티홈 고객 ISP가 둘 이상의 공급자 ISP에 연결되어 있다.

 

stations nodes communication network 용어정리

Stations?

host, end node : 종단노드란 통신의 양 끝단에 해당하는 노드로 최초 송신 노드(최초 출발지)와 최종 수신 노드(최종 목적지)를 말한다 , computers, terminals, phones

 

Nodes?

intermediate nodes, 중간노드, 네트워크 노드, router(ps), exchange(cs)

nodes 는 content of data(application)에 관심이 없다. 

switching(L1 hardware) < forwarding(L3, software), routing(L3 , end to end path)에 관심 있다.

node는 다른 노드나 station에 연결된다

node to node links는 multiplex(하나의 전송로에 여러 개의 데이터 신호를 중복시켜 하나의 고속신호를 만들어 전송하는 방식으로, 전송로의 이용 효율을 높임)(n logical channel over one physical link)된다.

FDM(전송되어야 하는 신호들의 대역폭을 합한 것보다 링크의 대역폭이 클 때 적용할 수 있는 아날로그 기술로, 한 전송로의 대역폭을 여러 개의 작은 채널로 분할하여 여러 단말기가 동시에 이용하는 방식이다.)

예를 들면, 넓은 고속도로를 몇 개의 차선(채널)으로 나누는 것과 같이, 넓은 대역폭을 좁은 대역폭으로 나누어 사용하는 것으로 표현할 수 있다.),

TDM( TDM은 하나의 전송로 대역폭을 시간 슬롯(Time Slot)으로 나누어 채널에 할당함으로써 몇 개의 채널들이 한 전송로의 시간을 분할하여 사용한다)-> link utilization 높임

 

ex) 어떤링크에 xbps logical channel n개를 tdm으로 mux한다면 이링크의 transmission rate는?

R = n명 * xbps (단위 bps)

ex) 1time slots이 s bits크기면 frame rate는?

1 frame size = n*s 

n * x (bit /sec) / n * s (bits / frames)  = x /s frames / sec

communication network? 노드들의 connection, 2개의 swtiching 기술(cs ps)을 사용한 connection links 

 

path?

network nodes사이 connected sequence of links

e2e path: a list of links to connnect two stations

 

switching network?

장거리 전송은 일반적으로 중간 스위칭 노드(intermediate switching nodes)의 네트워크를 통해 수행됩니다 

Network is not fully connected

more than one possible path = redundant paths = no direct link btw every possible pair of nodes

 

 

Circuit switching 

= dedicated communication path between two stations (=share X)

1. circuit establishment between 2 stations (conn set up)

channel capacity 는 예약되어야함 btw each pair of nodes

each node must have available internal switching capacity to handle the requested connection (if not call blocking) 

routing(signaling) path

1) no queuing delay due to out-of-band signalling : channel capacitiy / control msg 등이 reserved, 제어 메시지를 전송하기 위한 별도의 채널이 있음 

2) 작은 transmission delay 있다.

3) propagation delay : 신호가 media 지나가기에 당연히 있다. for one hope and e2e

4) processing delay : 요구하는 delay 1.call set up 할때 routing , 2.channel allocating 하는 시간을 포함한다.

 

(수신자d가 콜수락 메세지를 송신지s까지 전달하여 콜 설정이 완료되는 이 과정 중에는 라우팅이 필요없음.)

 

2. data transfer along the found dedicated path (src와 dst 간의 direct link직접 링크와 같은 투명한 전송)

1)T trans time 은 sender station에서만 1번 일어남.  connection 은 양방향 통신(full duplex) 이니까

=데이터 전송 지연은 송신s 스테이션(호스트)에서 한 번만 발생합니다

2) 전파를 제외한 다른 지연은 발생하지 않음.

연결 중에는 고정적이고 일정한 데이터 전송 속도와 순서대로 전송이 보장됩니다.

Circuit Switiching은 end nodes들이 동일한 data rate으로 동작(데이터를 주고받는)하는 응용 (전화통신)에 적합하며, 현재 인터넷처럼 사용자들이 다양한 품질의 기기들을 가지고 다양한 속도의 access ISP에 연결된 환경엔 적합하지 않다.

 

3. circuit disconnect by the action of one of 2 stations

1) 작은 T trans time delay

2) T process delay for 채널 할당 해제 그리고 routing 필요 없음.

3) propagation delay for one hope and e2e

링크 사용률utilization 은 음성(인간 대화) 트래픽에는 좋지만 디지털 통신(컴퓨터 간)에는 적합하지 않음

 

circuit switching의 좋은 점

1. voice signals의 전송에 효율적임

no transmision delay (너무작아서 없다고 하는걸까....)

variation in delay (jitter)가 없어야 함 -> 등속도로 와야함

a constant signal transmission rate : 3kbps data rate 

 

2. 일 연결되면 transfer는 "transparent"

일단 circuit이 설립되면 direct connection 처럼 보인다

중간 노드들 사이 special logic 이 필요없다 

사용자 정보가 고정된 데이터 속도로 전송된다  no (transmission,queueing, processing) delay during data transfer 

단) 전파지연은 있다

 

 

circuit switching의 나쁜 점

channel capacity is dedicated 

데이터가 없으면 capacity가 낭비된다.

(일정한 시간 간격을 두고 되풀이하는 것: intermittent, 동영상 트래픽의 경우 variable bit rate로 인코딩 되어있으면 데이터의 패턴을 분류하기 어려움 : bursty) 한 internet traffic에 비효율적 

set up(connection) 에 시간이 걸린다 (delay) : user data가 생성되어서 네트워크에 들어가기 전에 delay가 발생 (도로로로)

 

application of circuit switching

: voice traffic = phone, prvate branch exchange (PBX)=  많은 기업체 또는 일반 대중을 위해 공중 통신 사업자나 전화 회사가 운용하는 것과 반대로, 특히 기업체나 사무실에서 사용되는 전화 교환기이다. 

History of early data communication in Korea:

POTS (PSTN) 3kbps -> pc 통신 5kbps(정봉이집) 단) one at a time(전화기나 pc 둘 중에 하나만 할 수 있음) -> 

통합서비스 디지털네트워크 ISDN 64kbps ->비동기 디지털 가입자선 ADSL 8Mbps -> VDSL 52Mbps

 

telecoms component

exchanges 교환 : end office , 가입자 도와줌, nw에서 switching centers

trunks 트렁크 : exchanges사이 branches, multiplexed(FDM TDM)

subscribers 가입자 : device that attach to network

subscriber line 가입자 회선 :subscriber와 nw사이 link, local loop와 subscriber loop

 

multiplexing : 하나의 물리적 링크를 통한 다중 논리 채널 ex) FDM, TDM used in trunks

PSTN (public circuit switching network)

subscriber (가입자)---- end office(co) 사이:  subscriber loop

end office(co) ---- digital PBX 사이:  subscriber loop 

exchanges 교환기 :end office ,  long- distance office 

Trunks : mux 기술 (fdm tdm) 나가는거를 long distance call로 본다

 

Q1) 어떤 link에  A bps logical channel n개 (= 각 사용자의 응용의 data rate이 A bps)를 sync. TDM으로 MUX 한다면 이 링크의 transmission rate, R 은?  A bps channel을 동시에 n개 사용할 수 있으므로, R = (A x n)bps

 

 

Q2) Q1에서 1 time slot 이 s-bits 크기라면 frame rate은?  (frame size= n x s) bits/frame, (nxA) bps / (nxs) bits/frame = (A / s) frames/sec

 

Q3) 한명의 사용자의 frame rate? (A bps) / (s time-slot(bit)/frame) = A/s frame/sec

 

Q4) 한명의 사용자가 초당 (A/s) frame/sec을 생성하고 있으며, frame size 는 (sxn)bits/frame 이므로 R = (A/s) frame/sec x (sxn) bits/frame = (Axn)bps

 

9-2)

회선 교환cs 기술에서, 통화 설정 call set-up 과 신호 교환 switching은 독점적인proprietary 하드웨어에서 통합되고 실행됩니다.

Softswitch : voip인터넷망위에서음성전달기

pstn(Circuit switched network)을 internet(Packet switched network)에 연결하기 위한 software switch (VOIP)

두 소프트웨어가 분리되어 범용 컴퓨터에서 실행됩니다.

seperation btw h/w and s/w : SDN software defined network  --> virtualization, easy to upgrade , flexibility

Softswitching 기술을 사용하여 VoIP(Voice over IP)와 같은 스마트폰 소프트웨어를 개발할 수 있습니다.

less cost than cs

Design motivation of P.S. : Inefficiency of C.S. (특별히 Internet traffic pattern (Intermittent & bursty) 인 경우)

seperate call processing function from the physical-switching function

Media gateway controller(MGC) : call processing logic

Media gateway(MG) : physical switching function (진짜 음성 지남)

 

why packet?

1) efficient error recovery 2) e2e latency(delay) can be reduced due to pipelining 3) high link efficiency

 

 

Packet Switching 기술

resources가 특정call에 dedicated 되어있다. : cs특징임!!

Longer message is broken up into  a series of packets

message length:  MTU(max transmission unit)     

hosts  (L4 TCP / L3 IPv4 at a station) 또는 IPv4 router (L3 IPv4 at a router)에서 발생한다.

(TCP/IP 인터넷 스택에서 5계층의 응용 메시지를 break down하는 계층 : L4 TCP / L3 IPv4 at a station, L3 IPv4 at a router

each packet : Ip payload : user data(윗계층에서 내려온 부분 메시지) 와 Ip header : control info (addressing for routing) 포함한다.

packets are sent one at a time to the network -> store and forward 처리

No user data are destined to routers. 

internet(DPS), culmination of ps and cs(VCPS)

 

1. Datagram packet switching (DPS) : external virtual circuit , address: destination IP address 32bit version4 (L3)

logical communication link between two hosts(stations) like TCP session

it is possible to employ an external VC service with a datagram-style NW.

 

 

2. Virtual Circuit packet switching (VCPS) : internal virtual circuit, address: (L2)

pre-planned end-to-end route between intermediate nodes like ATM ,FR.

vc identifier (VCID) = (VPI,VCI)

software path - not necessarily reserver resources.

data is fowarded at switches based on in VCID

 

CS 특징과 비슷:

VC is established before starting data delivery, in order delivery,

 

DPS 와 VCPS 비슷한 점

Basic operation of Packet Switching (DPS & VCPS) is Store-and-Forward.

must have buffer space to temporarily store packets

queueing delay occurs at output buffers of router/ switches.

packet may be delayed or lost due to buffering at routers.

1. Store the entire frame(packet) in an input buffer of a router
2. Look up the Forwarding Information Bases (FIB) table and find the output port by searching for a match to the destination IP address in the packet header(DPS) or  VCID in the L2-header (VCPS). (A. Processing delay)
3. Switch the packet (from input buffer) to the output buffer of the output port (B. Queuing delay) 
4. Transmit the packet (C. Transmission delay)
5. delivered to the next node (router/exchange or destination station) (D. Propagation delay)

DPS operation : out of order data delievery

1. sender 한 메시지를 여러 개의 작은 패킷으로 분할한 후,

2. 각 패킷은 각 중간 노드(라우터)에서 개별적으로 라우팅됩니다. : Out-of-order delivery 

3. 각 패킷이 목적지 station까지 도달하는 중간 경로는 상황(topology change, network congestion)에 따라 달라질 수 있다. 이는 라우터들이 (OSPF) dynamic routing (상황에 따라 경로를 수정하는 알고리즘)을 하기 때문임. --> Higher flexibility than VCPS

4. 어느 프로토콜이 Out-of-order delivery를 수정하여 순서에 맞게 message 원본을 만들 것인가?

Sender의 TCP가 쪼갰으면 receiver의  TCP가 re-ordering을 하는 것이 맞습니다. 그래야 end-to-end로 packet 재정비가 가능합니다.  (2계층의 ARQ에서도 re-ordering을 하나 이는 one-hop 간격의 두 노드에서 일어나므로 end-to-end의 패킷 정렬은 할 수 없음.)

 

VCPS operation : end to end path found in virtual circuilt packet switching before data transfer

1. 중간 네트워크 노드에서 라우팅(두 호스트 간에 하나의 라우팅 결정만) --> 순서대로 전달

2. 데이터 전송 중 L2_header에 포함된 경로의 각 링크에 VCID를 할당함으로써

3. C.S.와 달리 링크 대역폭 가용성을 고려하지 않고 패킷은 전송 중에 버퍼링(지연 또는 손실)되지만

데이터그램 P.S.와 같은 호스트에서는 다양한 데이터 속도를 허용할 수 있습니다.

4. E2e 경로는 정체 또는 네트워크 토폴로지 변경(링크/포트/라우터 장애)으로 인해 데이터 전송 중에 변경되지 않습니다. 순서대로 전달이 가능하지만 DPS보다 유연성이 떨어집니다.

5. 사용 가능한 VCID가 더 이상 없거나 네트워크 정체로 인해 통화 요청/승인 메시지가 삭제될 수 있기 때문에 통화 차단Call blocking 이 발생할 수 있습니다.

 

9-3)

VCPS

Frame Relay: 더 적은 개수의 헤더가 붙음  48bit header

break one message into multiple frames

variable frame size (4482 bytes)

high data rate and low error rates

2Mbps

Large frame, variable size

-> less overhead per data (better link utilization)

s/w oriented

 

ATM: 5byte=40bit header

cell relay

fixed length packets

little overhead for error control

data rate from 10Mbps to Gbps

allow 다양한 virtual channels with the data rate on each channel dynamically set on demand

higher speed communication (Lower delay)

h/w oriented

 

 

FR & ATM 공통점

2계층 기술

ps

one message -> multiple chuncks , support dynamic bw usage and efficient error recovery

No resource guaranteed -> delayed or dropped at router

cs

connection oriented protocol : fixed route -> inorder delivery

 

 

Communication Switching Techniques

circuit switching	DPS	VCPS
busy signal if called party busy	sender may be notified if packet not delivered	sender notified of connection denial
overload may block claa set-up, no delay for established call	overload increases packet delay	overload may block cal set-up, increase packet delay
electormechanical or computerized switching nodes	small switching nodes	small switching nodes
user responsible for message loss protection	network may be responsible for individual packets	network may be responsible for packet sequences
보통 no speed or code conversion	speed and code conversion	speed and code conversion
fixed bw	dynamic use of bw	dynamic use of bw
dedicated transmission path	no dedicated path	no dedicated path
continuous한 data의 transmission	transmission of packets	Transmission of packets
fast enough for interactive	fast enough for interactive	fast enough for interactive
messages are not stored	packets may be stored until delivered	packets stored until delivered
path는 전체 coversation을 위해 설립됨	Route는 각 packet을 위해 설립됨	Route는 전체 conversation을 위해 설립
call set-up delay, negligible무시할만한 trans delay	packet trans delay	call set up delay, packet trans delay

 

DPS	VCPS
full destination address(routing) for forwarding packets	짧은 connection identifiers to foward packets
connection setupdelay가 없다	connection set-up delay before delivery(1routing)
data를 바로 보낼 수 있다, no need to establish a connection first	모든 packet들이 똑같은 route를 따르기에 in-order delivery
a few packets을 보내는데 좋다	packets are fowarded more quickly due to no routing decision for each packet at each node
more flexible and reliable , incoming datagram can be routed away from the congestion	good when two stations exchange data over an extended period of time
네트워크에서 한 특정 노드가 실패, 다음 패킷이 대안적 route를 찾음	QOS실행이 쉽다
QOS더하는것이 어려움, traffic엔지니어링이 어려움, packet이 많음.	switches know about the connection so they can

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

• Which features of FR and ATM belong to C.S. or P.S.?
• Can you tell why ATM is a packet switching technology, not a circuit switching?
• What are the differences between FR and ATM?