회선 스위칭

요약

전화를 걸면 통화가 끝날 때까지 두 사람 사이의 길이 통째로 예약되는 것처럼, 통신을 시작하기 전에 목적지까지 가는 길의 용량을 미리 잡아 두는 방식이다. 잡아 둔 뒤에는 다른 사람과 부딪히지 않고 멈춤 없이 보낼 수 있어 단순하다. 대신 쉬는 동안에도 그 용량은 남이 쓸 수 없다. 그래서 잠깐 몰아서 보내고 오래 쉬는 컴퓨터 통신에는 낭비가 크다.

예시로 보기

A가 D에게 전화한다고 하자. 교환기 I, II, III이 차례로 A–I–II–III–D 경로를 이어 준다. 통화가 끝날 때까지 이 경로는 A와 D 전용이다. 전화기 A, D를 호스트로, 교환기를 스위치로 옮겨 시간 순서로 그리면 다음과 같다.

sequenceDiagram
  participant A
  participant I as 스위치 I
  participant II as 스위치 II
  participant III as 스위치 III
  participant D
  Note over A,D: ① 연결 설정 — 경로의 각 링크에서 용량을 예약
  A->>I: 설정 요청 (목적지 D)
  I->>II: 설정 요청
  II->>III: 설정 요청
  III->>D: 설정 요청
  D-->>A: 수락 (회선 확보)
  Note over A,D: ② 전송 — 비트스트림을 멈춤·간섭 없이 흘려보냄
  A->>D: 연속 비트스트림
  Note over A,D: ③ 해제 — 예약한 용량 반납
  A->>D: 해제

네트워크 말로 하면, 이 경로가 지나는 링크마다 일정한 전송률 \(r\)을 통화가 끝날 때까지 이 통화에만 떼어 준 것이다. 목소리든 데이터든 상관없이 몇 비트를 얼마 동안 보내는지만 따진다.

“선로를 한 열차에 통째로 비워 준다”는 비유는 부정확하다. 실제 회선은 링크 전체가 아니라 링크 용량의 일부를 잡는 경우가 많다. 예를 들어 시분할 다중화의 시간 칸 하나나 주파수 분할 다중화의 주파수 대역 하나를 잡는다¹.

정확히 말하면

정의

회선 스위칭은 두 호스트 사이의 경로를 정한 뒤, 연결이 이어지는 동안 경로 위 모든 링크에서 전송률 \(r\)(bps)을 이 연결에만 떼어 준다.

어느 순간이든, 한 링크가 그 순간 이어져 있는 연결들에 떼어 준 전송률을 다 더해도 그 링크의 전송률을 넘을 수 없다.
그래서 떼어 주면 이 합이 넘게 되는 새 연결은 거절한다.

기호로 쓰면. 경로를 \(h_1 = v_0, v_1, \dots, v_k = h_2\)(호스트 \(h_1\)에서 노드들을 차례로 거쳐 \(h_2\)까지), 연결 기간을 \([t_s, t_e]\)(시작 시각 \(t_s\)부터 끝 시각 \(t_e\)까지)라 하자. 각 링크 \((v_{i-1}, v_i)\)에서 전송률 \(r\)을 이 기간 동안 이 연결에만 배정한다. 링크 \((v_{i-1}, v_i)\)의 전송률을 \(R_i\)라 하면, 어느 순간이든 그 링크에 배정된 연결들의 \(r\)의 합은 \(R_i\)를 넘지 않는다.

보장하는 것과 보장하지 않는 것은 다음과 같다.

보장한다	보장하지 않는다
연결 중에는 전송률 \(r\)을 늘 쓸 수 있다. 다른 연결과 경쟁하지 않는다	연결 설정의 성공. 경로의 어느 링크든 남은 용량이 없으면 거절된다(전화의 “통화 중”)
경로가 고정되어 데이터가 보낸 순서대로, 일정한 지연으로 도착한다	쉬는 시간의 용량 재사용. 아무것도 보내지 않아도 \(r\)은 묶여 있다

통화 중에 경로의 스위치나 링크가 고장 나면 회선이 끊겨 다시 설정해야 한다.

예제

회선이 링크 용량의 일부만 잡는다는 점을 숫자로 확인한다. 모든 링크가 1.536 Mbps이고 시간 칸 24개로 나뉜다. 회선 설정에 0.5초가 걸린다. 640,000비트 파일을 보내는 데 걸리는 시간은? (전파 지연은 무시)¹

회선 하나의 전송률: 회선 하나가 칸 하나를 쓰므로 \(1{,}536{,}000 / 24 = 64{,}000\) bps.
전송 시간: \(640{,}000 / 64{,}000 = 10\)초.
설정 시간 더하기: \(10 + 0.5 = 10.5\)초.

쉬는 시간의 낭비도 수치로 보인다. 1 Mbps 링크에서 사용자마다 100 kbps 회선을 잡으면 사용자는 10명까지다. 사용자들이 시간의 10%만 실제로 보내도 여전히 10명까지다. 예약한 용량의 90%는 대부분의 시간에 비어 있다. 이 낭비를 줄이는 방법이 통계적 다중화다.

검증: 10.5초, 10명, 카드 C3의 12.75초 — 06_circuit-switching_verify.py

활용

전화 네트워크가 이 방식이다. 일정한 전송률로 오래 이어지는 통신에 맞다. 설정 시간이 긴 통신 시간에 묻힌다.
몰렸다 끊겼다 하는 컴퓨터 통신(버스티 트래픽)에는 맞지 않는다. 안 쓰는 시간에 망이 낭비된다.

연결

선수: 스위칭 네트워크, 전송 속도와 대역폭
짝이 되는 개념: 패킷 스위칭 → 회선 스위칭과 패킷 스위칭 비교
링크 용량을 미리 떼어 놓는 구조는 시분할 다중화의 고정 할당과 같다.
설정·전송·해제 구간을 시간 흐름 그림으로 계산하는 방법: 소요시간 분석

자주 하는 오해

“회선을 잡으면 전선 한 가닥을 통째로 차지한다”

틀렸다. “회선”이라는 이름과 “점대점 연결처럼 전용 회선을 확보한다”는 설명이 물리적인 선을 떠올리게 한다. 실제로 잡는 것은 각 링크의 용량 일부다. 정확히는 “전용 회선(용량)을 확보한다”고 말해야 한다. 링크 하나를 시간 칸이나 주파수 대역으로 나누면 여러 회선이 동시에 지나갈 수 있다. 위 예제에서 1.536 Mbps 링크 하나에 64 kbps 회선 24개가 함께 지나간다.

확인 문제

C1 회선 스위칭의 특징 세 가지를 쓰라.

답: ① 스위치가 사전에 output link에 전용 회선(용량)을 확보한다. ② 비트스트림을 중단·간섭 없이 송수신한다(흘려보냄). ③ 기본적으로 point-to-point 연결이다.

C2 회선 스위칭이 컴퓨터 통신에 비효율적인 이유를 트래픽의 성질과 연결해 설명하라.

답: 컴퓨터 트래픽은 버스티하다. 잠깐 몰려서 보내고 오래 쉰다. 회선 스위칭은 용량을 미리 전용으로 잡아 두므로, 쉬는 동안에도 그 용량을 다른 사용자가 쓸 수 없어 낭비된다.
흔한 오답: “회선 설정이 느려서”. 설정 시간도 비용이지만 핵심은 쉬는 시간의 낭비다.

C3 링크 3.072 Mbps, 시간 칸 48개, 회선 설정 0.25초일 때 800,000비트 파일의 전송 시간은? (전파 지연 무시)

답: 회선 전송률 \(3{,}072{,}000 / 48 = 64{,}000\) bps. 전송 \(800{,}000 / 64{,}000 = 12.5\)초. 합계 12.75초.
흔한 오답: 링크 전체 전송률로 나눠 약 0.26초에 0.25초를 더한 0.51초. 회선은 칸 하나만 쓴다.

시간 칸이나 주파수 대역으로 회선을 구현한다는 설명과 예제 수치는 Kurose & Ross, Computer Networking: A Top-Down Approach, 1.3절의 예제와 같다. ↩ ↩²