회선 교환 vs 패킷 교환: 데이터 전달 방식의 두 철학

지난 글에서 RTT와 지터로 네트워크 지연을 정량화하는 방법을 살펴봤다. 그렇다면 애초에 데이터는 네트워크를 통해 어떻게 전달되는 걸까? 전화망과 인터넷이 같은 물리 선로를 쓰면서도 동작 방식이 전혀 다른 이유가 여기에 있다. 핵심은 **회선 교환(Circuit Switching)**과 **패킷 교환(Packet Switching)**의 근본적인 차이에 있다.

회선 교환: 전용 경로 예약

회선 교환은 통신 전에 출발지와 목적지 사이에 전용 회선을 설정하는 방식이다. 전통적인 PSTN(공중전화망)이 대표적이다.

회선 교환과 패킷 교환 비교

동작은 세 단계로 구분된다.

회선 설정(Circuit Establishment): 교환기를 통해 A → B 사이의 전용 경로 예약. 셋업 시간이 필요하다.
데이터 전송: 예약된 회선을 독점 사용. 고정 대역폭 보장, 일정한 지연.
회선 해제(Circuit Teardown): 통화 종료 후 자원 반환.

전통 전화 연결 흐름:
사용자 A ──[교환기1]──[교환기2]──[교환기3]── 사용자 B
          ←────── 전용 64kbps 채널 예약 ──────→
          (통화 중 미사용 구간도 채널 점유)

장점: 지연이 일정하고 예측 가능하다. 품질이 보장된다 (QoS 보장).
단점: 침묵 구간에도 채널을 점유하므로 자원 낭비가 크다. 전화 통화의 약 50%는 침묵이다.

패킷 교환: 공유 자원과 Store-and-Forward

인터넷의 근간인 패킷 교환은 데이터를 **패킷(Packet)**이라는 단위로 분할해 전송한다. 각 패킷은 독립적으로 라우팅되며, 목적지에서 재조립된다.

Store-and-Forward 패킷 전달

Store-and-Forward 방식

라우터는 패킷을 전부 수신한 뒤 다음 홉으로 전송한다. 이 방식이 Store-and-Forward다. 패킷 크기가 L 비트이고 링크 속도가 R bps일 때, 한 링크의 전송 지연은 L/R이다.

def store_and_forward_delay(
    packet_size_bits: int,
    link_rate_bps: int,
    num_hops: int,
    propagation_delay_per_hop_ms: float,
) -> float:
    """Store-and-Forward 총 지연 계산"""
    # 각 홉마다 전송 지연 발생 (패킷 재전송)
    transmission_delay_ms = (packet_size_bits / link_rate_bps) * 1000 * num_hops
    total_propagation_ms = propagation_delay_per_hop_ms * num_hops
    return transmission_delay_ms + total_propagation_ms

# 예시: 1500 bytes 패킷, 100Mbps 링크, 3홉, 홉당 전파 지연 5ms
delay = store_and_forward_delay(
    packet_size_bits=1500 * 8,   # 12000 bits
    link_rate_bps=100_000_000,   # 100 Mbps
    num_hops=3,
    propagation_delay_per_hop_ms=5,
)
print(f"총 지연: {delay:.3f} ms")
# → 총 지연: 15.360 ms  (전송 0.12ms × 3 + 전파 5ms × 3)

통계적 다중화 (Statistical Multiplexing)

패킷 교환의 핵심 강점은 여러 사용자가 링크를 동적으로 공유한다는 점이다. A, B, C가 동시에 전송할 때 각각의 패킷이 큐에서 순서를 기다리며 전송된다. 사용하지 않는 사용자는 대역폭을 소비하지 않으므로 자원 효율이 극대화된다.

회선 교환 (100 Mbps, 4 사용자):
각 사용자: 25 Mbps 고정 할당
→ A가 침묵해도 25 Mbps 낭비

패킷 교환 (100 Mbps, 4 사용자):
A, B만 전송 중 → 각 50 Mbps 동적 할당
→ C, D가 쉬는 대역폭을 A, B가 활용

지연 계산 비교

100명이 동시에 사용하는 시나리오를 가정해 보자. 각 사용자는 필요할 때만 1Mbps를 사용하고, 동시 사용 확률은 10%다.

import math
from scipy.stats import binom

def calc_congestion_prob(
    total_users: int,
    link_capacity_mbps: int,
    per_user_mbps: int,
    active_prob: float,
) -> float:
    """패킷 교환에서 혼잡 발생 확률"""
    max_simultaneous = link_capacity_mbps // per_user_mbps
    # P(동시 활성 사용자 > max_simultaneous)
    prob = 1 - binom.cdf(max_simultaneous, total_users, active_prob)
    return prob

# 회선 교환: 1Mbps × 100명 = 100Mbps 필요
# 패킷 교환: 10% 확률이면 평균 10명 동시 사용 → 10Mbps로도 충분?
prob_congestion = calc_congestion_prob(
    total_users=100,
    link_capacity_mbps=35,   # 35Mbps 링크
    per_user_mbps=1,
    active_prob=0.10,
)
print(f"혼잡 확률: {prob_congestion:.4%}")
# → 혼잡 확률: 0.0004%  (사실상 0)
# 35Mbps로 100Mbps급 서비스 가능 = 3배 효율!

패킷 교환의 단점: 큐 지연과 패킷 손실

패킷 교환은 트래픽이 폭증하면 라우터 버퍼가 넘쳐 패킷을 폐기한다. 이를 패킷 손실(Packet Loss)이라 하며, TCP는 재전송으로 대응하지만 추가 지연이 생긴다.

링크 버퍼 모델:
입력 트래픽 > 출력 링크 용량 → 큐 증가
큐 > 버퍼 크기 → 패킷 드롭 (Tail Drop)

개선책:
- RED (Random Early Detection): 큐가 차기 전 미리 일부 폐기 → TCP 조기 반응
- QoS (Quality of Service): 트래픽 우선순위 부여 → VoIP를 웹보다 우선

두 방식의 현재

항목	회선 교환	패킷 교환
대표 기술	PSTN, ISDN	인터넷, LTE/5G
자원 할당	정적 예약	동적 공유
지연 특성	일정 (예측 가능)	가변적
패킷 손실	없음	발생 가능
비용 효율	낮음	높음
적합 서비스	음성 통화	데이터, 인터넷

오늘날 VoIP는 패킷 교환 위에서 동작하면서도 QoS로 음성 품질을 보장하는 하이브리드 접근을 사용한다. PSTN 자체도 백본에서는 패킷 교환으로 전환됐다.

정리

회선 교환은 자원을 독점 예약해 품질을 보장하지만 낭비가 크다. 패킷 교환은 자원을 공유해 효율을 극대화하지만 혼잡 시 지연과 손실이 생긴다. 인터넷은 패킷 교환을 선택하고, QoS와 혼잡 제어 알고리즘으로 품질 문제를 보완해 왔다.

지난 글: RTT와 지터: 네트워크 지연의 두 얼굴

다음 글: 신호와 인코딩: 데이터를 전파로 바꾸는 법

읽어주셔서 감사합니다. 😊