네트워크 토폴로지와 병목 현상 (면접을 위한 CS 전공지식 노트)

네트워크 토폴로지와 병목 현상

네트워크 토폴로지와 병목 현상

네트워크 토폴로지(Topology)는 컴퓨터 네트워크에서 장치들 간의 물리적 또는 논리적 연결 방식을 

나타내는 구조를 말합니다. 

네트워크 토폴로지는 네트워크의 구성, 통신 방식, 신뢰성 등에 영향을 미치며, 

다양한 형태의 토폴로지가 있습니다.

 

병목 현상(Bottleneck)은 네트워크에서 데이터 전송 속도가 제한되는 부분을 의미합니다. 

네트워크에서 데이터는 가장 느린 속도로 흐르게 되는데, 이것이 전체 통신 속도를 결정하게 됩니다. 

병목 현상은 데이터가 더 빠른 속도로 흐르는 다른 부분들을 지나치면서 전체적인 통신 성능을 제한하게 

됩니다.

예를 들어, 네트워크의 한 구간이나 장치가 다른 부분보다 처리 속도가 낮아서 그 부분에서 발생하는 

데이터 전송 지연이 전체 네트워크의 속도를 제한하는 경우가 있습니다. 

이러한 병목 현상은 네트워크 토폴로지의 설계, 장비의 성능, 대역폭 관리 등을 통해 최소화하거나 

해결할 수 있습니다.

 

토폴로지 형태

스타 토폴로지(Star Topology): 

모든 장치가 중앙 허브 또는 스위치에 직접 연결되는 형태로, 중앙 허브에 장애가 발생하면 해당 허브에 

연결된 모든 장치가 통신 불능이 됩니다.

버스 토폴로지(Bus Topology): 

모든 장치가 하나의 중앙 통신 라인에 연결되는 형태로, 라인 하나에 문제가 생기면 해당 라인 상의 모든 

통신이 중단될 수 있습니다.

링 토폴로지(Ring Topology): 

장치들이 순환 형태로 연결되어 있는 구조로, 각 장치가 다음 장치와 직접 연결되어 있습니다. 

하나의 장치에 문제가 생기면 통신이 차단될 수 있습니다.

트리 토폴로지(Tree Topology): 

스타 토폴로지를 확장한 형태로, 중앙 허브에 연결된 각 장치가 또 다른 하위 허브를 가질 수 있습니다.

메시 토폴로지(Mesh Topology): 

모든 장치가 다른 장치들과 직접 연결되어 있는 형태로, 매우 신뢰성이 높지만 설치와 유지 관리가 

복잡합니다.

혼합 토폴로지(Hybrid Topology): 

다양한 토폴로지를 조합하여 구성한 형태로, 큰 규모의 네트워크에서 사용됩니다.

 

토폴로지의 사용

스타 토폴로지(Star Topology):
주로 기업 내부의 소규모 네트워크나 홈 네트워크에서 많이 사용됩니다.
중앙 허브 또는 스위치에 장치들이 연결되므로 설치와 관리가 비교적 간편합니다.
하나의 장치에 문제가 생겨도 다른 장치에 영향을 미치지 않습니다.

버스 토폴로지(Bus Topology):
작은 규모의 네트워크에서 주로 사용되었으나 최근에는 사용빈도가 줄어들었습니다.
비용이 낮으며 설치가 간단하지만, 하나의 케이블 문제가 전체 네트워크에 영향을 미칠 수 있습니다.

링 토폴로지(Ring Topology):
최근에는 사용 빈도가 감소한 토폴로지로, 토폴로지 내 장치가 증가할수록 복잡도가 높아집니다.
확장성이 낮고, 한 장치의 장애가 전체 네트워크에 영향을 줄 수 있습니다.

트리 토폴로지(Tree Topology):
대규모 네트워크나 기업 네트워크에서 주로 사용됩니다.
중앙 허브를 기반으로 여러 하위 허브를 연결하여 구성하므로 확장성과 관리 용이성이 높습니다.

메시 토폴로지(Mesh Topology):
중요한 서버 간 통신이나 높은 신뢰성이 요구되는 네트워크에서 사용됩니다.
모든 장치가 다른 장치와 직접 연결되어 데이터 전송이 신속하며 중단될 가능성이 낮습니다. 

그러나 설치와 관리가 복잡합니다.

혼합 토폴로지(Hybrid Topology):
다양한 요구사항을 충족하기 위해 여러 토폴로지를 조합하여 사용하는 경우입니다.
예를 들어, 기업 네트워크에서 중앙 부분은 스타 토폴로지로, 지사나 서브넷은 링 또는 버스 토폴로지로 

구성할 수 있습니다.

버전 토폴로지(Hierarchical Topology):
대규모 네트워크에서 적용되며, 계층적으로 네트워크를 구성하여 관리의 용이성을 높이는 방식입니다.

 

각 토폴로지는 자신만의 장단점과 적합한 상황이 있으므로, 네트워크 설계 시에는 목표하는 성능, 신뢰성, 

확장성, 비용 등을 고려하여 적절한 토폴로지를 선택해야 합니다.

 

병목현상으로 인해 생기는 일

전송 속도 저하: 

병목 현상으로 인해 데이터 전송 속도가 제한되어서 데이터가 느리게 전송됩니다. 

네트워크의 다른 부분들은 빠른 속도로 데이터를 처리하지만, 병목 현상이 있는 지점에서는 데이터 전송이 

지연될 수 있습니다.

대기 및 지연: 

병목 현상이 발생한 부분에서 데이터가 대기하거나 지연되는 상황이 생깁니다. 

이로 인해 데이터가 목적지에 도달하는 데 더 많은 시간이 걸리며, 실시간 통신에서는 문제가 발생할 수 

있습니다.

성능 저하: 

네트워크의 병목 현상이 다른 장치나 서비스의 성능에도 영향을 미칠 수 있습니다. 

예를 들어, 서버와 클라이언트 사이에 병목 현상이 있다면 웹 서비스나 애플리케이션의 응답 속도가 

저하될 수 있습니다.

패킷 손실: 

병목 현상이 심각한 경우 네트워크에서 패킷 손실이 발생할 수 있습니다. 

이는 데이터가 제대로 전달되지 않아 데이터의 일부가 유실되는 상황을 말합니다.

네트워크 지연 증가: 

병목 현상이 지속되면서 네트워크 내의 트래픽이 더욱 증가하게 됩니다. 

이로 인해 병목 현상이 있는 부분에서만이 아니라 다른 부분에서도 지연이 증가할 수 있습니다.

네트워크 정체: 

병목 현상이 너무 심각하거나 오랜 기간 동안 지속될 경우, 네트워크 전체가 정체되어 통신이 거의 

불가능한 상황이 발생할 수 있습니다.

따라서 병목 현상은 네트워크 성능을 저하시키고 심각한 문제를 초래할 수 있으므로, 네트워크 관리자들은 

이를 예방하고 해결하기 위한 적절한 방법을 고려하고 구현해야 합니다.

 

병목현상 최소화 방법

대역폭 확장: 

네트워크의 병목 현상을 해결하기 위한 가장 직관적인 방법은 대역폭을 확장하는 것입니다. 

대역폭이 넓어지면 더 많은 데이터가 동시에 전송될 수 있으며, 병목 현상이 줄어들거나 사라질 수 있습니다.

로드 밸런싱: 

로드 밸런싱은 네트워크 트래픽을 여러 경로로 분산시켜 병목 현상을 완화하는 방법입니다. 

이를 위해 여러 경로나 서버를 사용하여 데이터 흐름을 분산시켜 효율적으로 관리합니다.

캐싱과 프록시 서버 사용: 

캐싱은 자주 요청되는 데이터나 리소스를 저장해 두는 것을 의미하며, 프록시 서버는 클라이언트와 실제 

서버 사이에서 중계 역할을 수행합니다. 

이러한 기술을 사용하여 데이터 접근 속도를 높이고 서버 부하를 줄일 수 있습니다.

네트워크 장비 업그레이드: 

라우터, 스위치, 네트워크 케이블 등의 장비를 업그레이드하여 더 높은 처리 능력을 가진 장비로 교체할 수 

있습니다.

데이터 압축 및 최적화: 

데이터를 압축하거나 최적화하여 전송하는 양을 줄여서 네트워크 병목 현상을 완화할 수 있습니다.

품질 관리(QoS) 설정: 

네트워크에서 중요한 데이터나 서비스에 우선순위를 부여하는 QoS(Quality of Service) 설정을 통해 병목 

현상이 발생할 때 중요한 트래픽에 우선순위를 주어 전송 성능을 개선할 수 있습니다.

네트워크 세분화: 

네트워크를 세분화하여 서브넷(Subnet)을 만들거나 가상 LAN(VLAN)을 구성하여 특정 영역의 트래픽을 

격리시키는 방법으로 네트워크 부하를 분산시킬 수 있습니다.

네트워크 감시와 분석:

네트워크 감시 도구를 사용하여 병목 현상이 발생하는 지점을 식별하고, 네트워크 데이터 분석을 통해

병목 현상의 원인을 파악하여 대응할 수 있습니다.

이러한 방법들은 병목 현상을 해결하거나 최소화하기 위해 사용되며, 실제 상황에 따라 여러 방법을 

조합하여 사용하는 경우도 있습니다.

 

 

토폴로지와 병목현상 자세히 알기!!

예제: 사무실 내 네트워크

상황: 회사의 사무실 내에 있는 컴퓨터들이 토폴로지와 병목 현상을 경험하고 있는 상황입니다.

네트워크 토폴로지: 스타 토폴로지
해성이가 일하는 회사의 사무실 내에는 여러 대의 컴퓨터가 있습니다.
각 컴퓨터는 스위치에 연결되어 있으며, 이 스위치가 중앙 허브 역할을 합니다.
모든 컴퓨터들은 스위치를 통해 연결되어 있어, 서로 데이터를 주고받을 수 있습니다.

병목 현상:
해성이와 동료들은 사무실에서 파일을 서로 주고받아야 합니다.
그런데 모든 컴퓨터가 같은 스위치에 연결되어 있고, 이 스위치의 대역폭이 제한적입니다.
해성이와 동료들이 동시에 많은 데이터를 보내려고 하면, 스위치의 대역폭이 초과되어 데이터 전송 속도가 

느려집니다.
이로 인해 파일 전송이 지연되고, 해성이와 동료들은 데이터를 주고받는 데 더 많은 시간이 걸리게 됩니다.

해결책:
병목 현상을 해결하기 위해서는 스위치의 대역폭을 늘리거나, 더 빠른 스위치로 교체하여 데이터 

전송 속도를 향상시킬 수 있습니다.
또한, 필요한 경우 네트워크를 분할하거나 로드 밸런싱을 적용하여 네트워크 부하를 분산시키는 방안도 

고려할 수 있습니다.
이 예제를 통해 스타 토폴로지에서의 병목 현상이 어떻게 발생하며, 어떤 상황에서 발생하며, 

어떻게 해결할 수 있는지를 이해할 수 있을 것입니다.

 

 

*바쁜 사람을 위한 깜찍한 정리

토폴로지는 컴퓨터 네트워크에서 장치들 간 물리적 또는 논리적 연결 방식을 나타낸 구조를 말하고 병목 현상은 네트워크에서 데이터 전송 속도가 제한되는 부분을 의미합니다. 현대에는 중앙에 허브, 스위치를 설치하고 모든 장치가 해당 허브, 스위치 등에 연결되어 사용되는 스타 토폴로지 형태를 많이 사용하고 있습니다. 예로는 농구경기를 하고 있는데 해당 농구공 하나로 10명의 선수가 같이 연결되어 사용하는 것을 스타 토폴로지라고 부르며 병목 현상에는 공이 밖으로 나가거나 갑자기 구멍이 나서 바람이 빠져 다음 공이 들어올 때까지의 걸리는 시간 지연 데이터(공)를 의미합니다.