네트워크 토폴로지

3. 기본적인 토폴로지의 종류

토폴로지는 기본적으로 버스 토폴로지, 스타 토폴로지, 링 토폴로지, 트리 토폴로지, 메시 토폴로지(Mesh topology)로 나뉜다.^[18]

3. 1. 버스 토폴로지 (Bus Topology)

3. 1. 1. 선형 버스 (Linear Bus)

3. 1. 2. 분산 버스 (Distributed Bus)

3. 2. 스타 토폴로지 (Star Topology)

허브는 서버이고 주변 장치는 클라이언트이다. 네트워크가 별 모양 네트워크로 분류되기 위해 반드시 별 모양을 닮을 필요는 없지만, 네트워크의 모든 주변 노드는 하나의 중앙 허브에 연결되어야 한다. 네트워크를 통과하는 모든 트래픽은 중앙 허브를 통과하며, 중앙 허브는 신호 증폭기 역할을 한다.

스타형 토폴로지는 설계 및 구현이 가장 쉬운 토폴로지로 간주된다. 장점 중 하나는 노드를 추가하기가 간단하다는 것이다. 주요 단점은 허브가 단일 장애 지점이라는 것이다. 즉, 중앙 노드의 고장이 모든 주변 노드의 고장을 유발한다. 또한, 모든 주변 통신이 중앙 허브를 통해 흐르기 때문에, 집계된 중앙 대역폭은 대규모 클러스터에 대한 네트워크 병목 현상을 형성할 수 있다.

스타형 토폴로지에서는 임의의 주변 노드와 중앙 노드를 연결하는 전송선의 고장은 해당 주변 노드를 다른 모든 노드로부터 격리시키지만, 나머지 주변 노드는 영향을 받지 않는다.

중앙 노드가 ''수동적''인 경우, 송신 노드는 양방향 왕복 전송 시간과 중앙 노드에서 생성된 모든 지연으로 지연된 자체 전송의 에코 수신을 감내할 수 있어야 한다. ''능동적'' 스타 네트워크는 일반적으로 에코 관련 문제를 방지할 수 있는 수단을 가진 능동적 중앙 노드를 가지고 있다.

스위치는 네트워크에 연결된 노드의 신원을 추적할 수 있는 더 발전된 중앙 노드이다. 이러한 스위치는 정상적인 데이터 전송 중에 각 포트를 ''청취''하고, 데이터 패킷을 검사하고, 각 연결된 노드의 주소/식별자와 메모리에 보관된 조회 테이블에서 연결된 포트를 기록함으로써 네트워크 레이아웃을 ''학습''한다. 이 조회 테이블은 미래의 전송을 의도된 목적지로만 전달할 수 있도록 한다.

교환 설비(허브)에서 방사형으로 연결되는 토폴로지이다. 주로 LAN의 단말 장치 연결 지점, 공중 통신망의 가입자 수용 부분 등에서 사용된다.

버스형에 비해 허브에 연결된 각 선은 독립되어 있어 장애 내성이 높지만, 허브가 고장나면 모든 통신이 끊기므로 네트워크의 장애 내성은 허브에 의존한다. 주로 XBASE-T 등 이더넷의 물리적 구조이며, 링형(고리형)에서도 링 부분을 하나의 "허브"에 담아 스타형의 물리적 토폴로지를 가지는 네트워크도 있다.

3. 2. 1. 확장 스타 (Extended Star)

확장 스타 네트워크 토폴로지는 중앙 노드와 주변 노드 사이에 하나 이상의 리피터를 추가하여 물리적 스타 토폴로지를 확장한 것이다. 리피터는 중앙 노드와 주변 노드 간의 점대점 거리를 늘려 물리 계층의 최대 전송 거리를 확장하는 데 사용된다. 리피터를 사용하면 중앙 노드의 전송 능력만으로는 불가능한 더 먼 거리를 전송할 수 있다.^[1] 또한, 물리 계층의 기반이 되는 표준의 제한 사항을 극복할 수도 있다.^[1]

리피터 대신 허브나 스위치를 사용한 물리적 확장 스타 토폴로지는 하이브리드 네트워크 토폴로지의 한 유형이며, 물리적 계층적 스타 토폴로지라고도 한다. 다만, 일부 문헌에서는 두 토폴로지를 구분하지 않기도 한다.^[1]

물리적 계층적 스타 토폴로지는 계층 스타 토폴로지라고도 불린다.^[1] 이 토폴로지는 스타 네트워크가 연결되는 방식에서 트리 토폴로지와 다르다.^[1] 계층 스타 토폴로지는 중앙 노드를 사용하는 반면, 트리 토폴로지는 중앙 버스를 사용하므로 스타-버스 네트워크라고도 할 수 있다.^[1]

3. 2. 2. 분산 스타 (Distributed Star)

분산 스타 토폴로지는 물리적 스타 토폴로지를 기반으로 하는 개별 네트워크로 구성되며, 중앙 또는 최상위 연결 지점 없이 선형 방식으로 연결된다. 예를 들어 둘 이상의 '스택된' 허브와 관련 스타 연결 노드 또는 '스포크'가 있다.

3. 3. 링 토폴로지 (Ring Topology)

링 토폴로지는 닫힌 루프 형태의 데이지 체인이다. 데이터는 링을 따라 한 방향으로 이동한다. 한 노드가 다른 노드에 데이터를 보낼 때, 데이터는 목적지에 도달할 때까지 링의 각 중간 노드를 통과한다. 중간 노드는 신호를 강하게 유지하기 위해 데이터를 반복(재전송)한다.^[5] 모든 노드는 피어(peer)이며, 클라이언트와 서버의 계층적 관계는 없다. 만약 한 노드가 데이터를 재전송할 수 없으면, 해당 노드는 버스에서 앞뒤 노드 간의 통신을 차단한다.

'''장점:'''

• 네트워크 부하가 증가할 때, 버스 토폴로지보다 성능이 좋다.
• 워크스테이션 간의 연결을 제어하기 위한 네트워크 서버가 필요하지 않다.

'''단점:'''

• 집계된 네트워크 대역폭은 두 노드 간의 가장 약한 연결에 의해 병목 현상이 발생한다.

환형으로 교환 설비를 연결한 토폴로지이며, 대표적인 예로는 토큰 링이 있다.

하나의 구간에 장애가 발생했을 경우, 역방향 연결로 전송할 수 있는 네트워크도 있다. 단, 두 곳에서 단절이 발생했을 경우, 더 이상 통신이 불가능해지므로, 네트워크 토폴로지 단독으로는 장애 내성이 높지 않다. 신호 전송을 한 방향으로 제한하고, 다중화한 네트워크도 있다.

3. 4. 메시 토폴로지 (Mesh Topology)

메시 토폴로지(Mesh topology)는 각 노드가 다른 여러 노드와 점대점(Point-to-Point) 방식으로 연결된 형태이다. 리드의 법칙에 따르면, 망의 가치는 연결된 노드 수의 제곱에 비례하여 증가한다.

메시 토폴로지는 완전 메시형(Fully connected mesh topology)과 부분 메시형(Partially connected mesh topology)으로 나뉜다. 각 노드는 하나 이상의 다른 노드와 포인트 투 포인트 방식으로 연결되어 있으므로, 노드마다 통신 비용이 다르다. 높은 안정성과 가용성을 제공하지만, 설치 및 관리 비용이 높다는 단점이 있다.

3. 4. 1. 완전 연결형 (Fully Connected Mesh Topology)

완전 연결 네트워크는 모든 노드가 서로 연결된 네트워크이다. (그래프 이론에서는 이를 완전 그래프라고 부른다.) 가장 단순한 완전 연결 네트워크는 노드 2개로 구성된 네트워크이다. 완전 연결 네트워크는 패킷 교환이나 브로드캐스팅을 사용할 필요가 없다. 그러나 연결 수는 노드 수에 따라 제곱으로 증가한다.

:$c=\; \backslash frac\{n(n-1)\}\{2\}.\backslash ,$

이러한 특징 때문에 대규모 네트워크에서는 비실용적이다. 이 유형의 토폴로지는 네트워크의 다른 노드에 영향을 주거나, 다른 노드에 영향을 미쳐 문제를 발생시키지 않는다.

하나의 노드에 장애가 발생해도 다른 노드와의 통신에는 영향을 미치지 않고 자유롭게 연결할 수 있으므로, 장애 내성은 네트워크 중 가장 높다.^[1] 반면, 설치 비용이 많이 들고 관리도 복잡해진다.^[1]

3. 4. 2. 부분 연결형 (Partially Connected Mesh Topology)

부분 연결 네트워크에서 특정 노드는 다른 하나의 노드에만 연결되지만, 일부 노드는 둘 이상의 다른 노드에 점대점 링크로 연결된다. 이를 통해 네트워크의 모든 노드 간 연결에 필요한 비용과 복잡성 없이, 물리적으로 완전하게 연결된 메시 토폴로지의 중복성을 활용할 수 있다. 각 노드는 하나 이상의 다른 노드와 포인트 투 포인트 방식으로 연결되므로, 노드마다 통신 비용이 다르다.^[1]

3. 5. 트리 토폴로지 (Tree Topology)

하나의 뿌리(루트 노드)에서 가지가 뻗어나가는 형태의 토폴로지이다.

트리형 토폴로지(계층적 토폴로지)는 계층 구조로 배열된 스타 네트워크의 모음으로 볼 수 있다. 이 트리 구조는 다른 하나의 노드에만 전송하고 수신해야 하며 리피터 또는 재생기 역할을 할 필요가 없는 개별 주변 노드(예: 잎)를 가지고 있다. 스타 네트워크와 달리 중앙 노드의 기능은 분산될 수 있다.

기존 스타 네트워크와 마찬가지로, 개별 노드는 노드로의 전송 경로의 단일 지점 고장으로 인해 네트워크로부터 격리될 수 있다. 잎을 연결하는 링크가 고장나면 해당 잎이 격리되고, 비 잎 노드에 대한 연결이 고장나면 네트워크 전체 섹션이 나머지 부분과 격리된다.

USB와 같이 1대다 통신이 주가 되는 네트워크에서 사용된다.^[1]

3. 6. 하이브리드 토폴로지 (Hybrid Topology)

하이브리드 토폴로지는 하이브리드 네트워크라고도 한다.^[19] 하이브리드 네트워크는 둘 이상의 토폴로지를 결합한 것으로, 결과 네트워크는 표준 토폴로지(예: 버스, 스타, 링 등) 중 하나의 형태를 가지지 않는다. 예를 들어, 트리 네트워크 (또는 ''스타-버스 네트워크'')는 스타 네트워크가 버스 네트워크를 통해 상호 연결된 하이브리드 토폴로지이다.^[20][21] 그러나 다른 트리 네트워크에 연결된 트리 네트워크는 여전히 토폴로지적으로 트리 네트워크이며, 별개의 네트워크 유형은 아니다. 하이브리드 토폴로지는 서로 다른 두 가지 기본 네트워크 토폴로지가 연결될 때 항상 생성된다.

''스타-링'' 네트워크는 중앙 집중식 허브로 다중 스테이션 접근 장치(MAU)를 사용하여 연결된 두 개 이상의 링 네트워크로 구성된다.

''스노우플레이크'' 토폴로지는 코어에서는 메시 형태를 띠지만, 가장자리에서는 트리 형태를 띤다.^[22]

다른 두 가지 하이브리드 네트워크 유형에는 ''하이브리드 메쉬''와 ''계층적 스타''가 있다.^[20]

기본적인 네트워크 토폴로지는 각각 장점과 단점이 있으므로, 대규모 네트워크나 높은 신뢰성이 요구되는 네트워크의 경우, 실제로는 여러 네트워크 구성을 다층적 또는 복합적으로 조합하여 운용된다.

4. 전송 매체

장치를 연결하여 컴퓨터 네트워크를 형성하는 데 사용되는 전송 매체는 흔히 ''물리적 매체''라고 불리며, 전기 케이블(이더넷, HomePNA, 전력선 통신, G.hn), 광섬유(광섬유 통신), 전파(무선 네트워킹) 등이 있다.^[1] 이러한 전송 매체들은 OSI 모형에서 물리 계층과 데이터 링크 계층인 1계층과 2계층에서 정의된다.

근거리 통신망(LAN) 기술에 널리 사용되는 전송 매체는 이더넷이라고 통칭한다. IEEE 802.3은 이더넷을 통해 네트워크 장치 간 통신을 가능하게 하는 매체 및 프로토콜 표준을 정의한다. 이더넷은 구리 및 광섬유 케이블을 통해 데이터를 전송하며, 무선 LAN 표준(예: IEEE 802.11)은 전파를 사용한다. 이 외 다른 표준은 적외선 신호를 전송 매체로 사용한다. 전력선 통신은 건물의 전력 케이블을 사용하여 데이터를 전송한다.

4. 1. 유선 기술 (Wired Technologies)

• '''동축 케이블'''은 케이블 텔레비전 시스템, 사무실 건물 및 기타 작업장에서 근거리 통신망(LAN)에 널리 사용된다.
• '''연선'''은 모든 통신에 가장 널리 사용되는 매체이다.
• '''광섬유'''는 유리 섬유로, 데이터를 나타내는 빛의 펄스를 전달한다.

4. 1. 1. 동축 케이블 (Coaxial Cable)

4. 1. 2. 연선 (Twisted Pair)

4. 1. 3. 광섬유 (Optical Fiber)

4. 2. 무선 기술 (Wireless Technologies)

• 지상 마이크로파: 기가헤르츠 대역에서 작동하며, 통신은 가시선으로 제한된다.
• 통신 위성: 마이크로파를 통해 통신하며, 음성, 데이터 및 TV 신호를 송수신한다.
• 셀룰러 및 PCS 시스템: 다양한 무선 통신 기술을 사용하며, 서비스 지역을 여러 셀로 분할한다.
• 와이파이: IEEE 802.11 표준에 기반한 개방형 무선 전파 기술로, 확산 스펙트럼 기술을 사용하여 제한된 영역 내에서 여러 장치 간 통신을 지원한다.
• 자유 공간 광 통신: 가시광선 또는 비가시광선을 사용하며, 통신 장치는 가시선 전파 범위 내에 위치해야 한다.

4. 2. 1. 지상 마이크로파 (Terrestrial Microwave)

4. 2. 2. 통신 위성 (Communication Satellite)

4. 2. 3. 셀룰러 (Cellular)

4. 2. 4. 와이파이 (Wi-Fi)

5. 네트워크 노드

네트워크 노드는 전송 매체의 연결 지점으로, 전기, 광 또는 라디오 신호를 주고받는 장치이다. 노드는 컴퓨터와 연결될 수도 있지만, 마이크로컨트롤러만 있거나 프로그래밍 가능한 장치가 전혀 없을 수도 있다. 가장 단순한 직렬 배열에서 하나의 RS-232 송신기는 한 쌍의 전선으로 하나의 수신기에 연결되어 두 개의 노드를 형성하는 점대점 토폴로지를 구성할 수 있다.

일부 프로토콜은 단일 노드가 전송 또는 수신만 허용하는 반면(예: ARINC 429), 다른 프로토콜은 단일 채널에서 송수신이 모두 가능한 노드를 허용한다(예: CAN은 단일 버스에 여러 송수신기를 연결할 수 있음).

컴퓨터 네트워크에서 물리적 네트워크 토폴로지를 넘어 네트워크 문제점을 해결하며, 특정 물리적 네트워크 토폴로지에서 단일 노드로 표현될 수 있는 시스템 구성 요소는 다음과 같다.

• 네트워크 인터페이스 컨트롤러(NIC)
• 리피터
• 허브
• 브리지
• 스위치
• 라우터
• 모뎀
• 게이트웨이
• 방화벽

5. 1. 네트워크 인터페이스 컨트롤러 (NIC)

5. 2. 리피터와 허브 (Repeaters and Hubs)

5. 3. 브리지 (Bridges)

• 로컬 브리지: LAN을 직접 연결한다.^[1]
• 원격 브리지: LAN 간의 광역 네트워크(WAN) 링크를 생성하는 데 사용될 수 있다.^[1] 연결 링크가 최종 네트워크보다 느린 경우, 원격 브리지는 라우터로 대체되었다.^[1]
• 무선 브리지: LAN을 연결하거나 원격 장치를 LAN에 연결하는 데 사용될 수 있다.^[1]

5. 4. 스위치 (Switches)

5. 5. 라우터 (Routers)

5. 6. 모뎀 (Modems)

5. 7. 방화벽 (Firewalls)

6. 토폴로지 매니저

토폴로지 매니저는 네트워크의 토폴로지 정보를 유지하고 네트워크 내의 경로를 계산하는 역할을 담당하며, 이는 현대 네트워킹의 기반이 되고 있다.^[23]

참조

_[1] 서적 Network+ Study Guide, Fourth Edition Sybex, Inc.
_[2] 웹사이트 mesh topology http://www.atis.org/[...] Alliance for Telecommunications Industry Solutions 2008-10-10
_[3] 간행물 Towards Network X-ities From a Topological Point of View: Evolvability and Scalability http://www.cs.unm.ed[...]
_[4] 서적 Network Topology in Command and Control https://books.google[...] IGI Global
_[5] 문서 Networking Complete Inc, S.
_[6] citation What Are Network Topologies? http://www.webopedia[...] 2011-05-05
_[7] 간행물 Algorithms for the Logical Topology Design in WDM All-Optical Networks https://www.research[...] 2000
_[8] 문서 Cable Serial Male To Female 25L 4' DB25 M-DB25 28 AWG 300V Gray https://www.jameco.c[...] Jameco Electronics
_[9] 문서 Ten ways to bulletproof RS-485 Interfaces http://www.ti.com/li[...] Texas Instruments
_[10] 문서 CANopen DR-303 V1.0 Cabling and Connector Pin Assignment https://www.phoenixc[...] CAN in Automation
_[11] 문서 Cable 50-Pin SCSI Ribbon type # PCL-10152-3E Advantech Co., Ltd.
_[12] 문서 The Disadvantages of Wired Technology http://smallbusiness[...] Demand Media
_[13] 웹사이트 Bergen Linux User Group's CPIP Implementation http://www.blug.linu[...] Blug.linux.no 2014-03-01
_[14] citation Interplanetary Internet http://www.ipnsig.or[...] Third Annual International Symposium on Advanced Radio Technologies 2000-09
_[15] 문서 RS232 Repeater http://www.usconvert[...] U.S. Converters
_[16] 웹사이트 Define switch. http://www.webopedia[...] 1996-09
_[17] 웹사이트 What bridge devices and bridging do for computer networks http://compnetworkin[...]
_[18] 서적 Network Design Basics for Cabling Professionals McGraw-Hill Professional 2002
_[19] 웹사이트 What is Hybrid Topology ? Advantages and Disadvantages http://www.orosk.com[...] 2018-01-26
_[20] 서적 Networking Bible Wiley Publishing 2009
_[21] 서적 Understanding Computer Science (for Advanced Level): The Study Guide https://books.google[...] Nelson Thornes 2016-03-26
_[22] citation An Analysis of Scaling Issues in MPLS-TE Core Networks RFC 5439 https://datatracker.[...] 2009-02
_[23] 서적 Foundations of Modern Networking: SDN, NFV, QoE, IoT, and Cloud Addison-Wesley Professional