Due to the shortcomings of the budget, laboratory resources, and instructors, current computer network courses can not fulfill both the requirements of the computer industry and the research community. Even though computer network is one of the rapidly changing areas, its curriculum could not keep abreast with this change and thus is limited to teach students the theoretical networking concepts. In this paper, we propose Kaist Educational Networking System (KENS), which is an instructional network simulator consisting of a minimal set of operating system components, socket API, the transport layer, network layer and datalink layer. Reading configuration files, KENS generates a group of virtual nodes forming a virtual network. Students are challenged to implement the transport and network layer, as well as the application program running on top of the KENS kernel. By testing and debugging the programs in the virtual network, they can easily see how the different layers in the network stack are interacting each other and what kind of challenges are bringing up. Since KENS is simple and running as a user level process, students can easily delve into learning and implementing various layers without the burden of hacking OS kernel and KENS itself. In addition, KENS allows a lot of students to share one laboratory machine, so that the department does not have to spend their budget to buy expensive simulators or communication hardware. We believe that KENS is an excellent low-cost alternative method supporting the broad context of networking-related courses.
컴퓨터 네트워크 분야는 발전 속도가 가장 빠른 분야 중의 하나이지만, 대학에서의 현재 컴퓨터 네트워크 과목은 발전 속도에 맞추어 새롭고 실용적인 지식을 공급하지 못하고, 여전히 이론적이고 피상적인 지식의 전달에만 초점이 맞추어져 있는 실정이다. 이에 컴퓨터 네트워크 과목을 이수하였음에도 네트워크 관련 시스템 프로그래밍은 전혀 하지 못하는 학생들이 증가하고 있어, 이들을 재교육하는 데에 많은 시간과 자원이 소모되고 있다. 하지만, 예산, 수업 시간, 그리고 교수 인력의 부족으로 현재 대학교 컴퓨터 네트워크 과목은 산업계와 학회의 양쪽의 요구를 모두 맞추어 주지 못하고 있는 실정이다.
이러한 문제를 해소하고자하는 많은 노력이 이루어져 왔다. 가장 보편적으로 쓰이는 방법 중의 하나는 네트워크 시뮬레이터를 이용하는 방법이다. 하지만, 상업용 네트워크 시뮬레이터는 대게 그 가격이 비싸서, 수강생들이 모두 실습 할수 있게 하려면 많은 예산이 사용되
야 한다. 또한 네트워크 프로토콜을 구현하려면 시뮬레이터 고유의 함수를 갖다 써야 하고, 시뮬레이터를 직접 작동시켜 보려면 많은 시간을 들여서 배워야 하는 단점이 있다. 한편, 전통적으로 컴퓨터 네트워크 과목에서 부과되는 프로그래밍 숙제는 소켓이나 간단한 유틸리티를 사용하게 하는 데 그쳐, 네트워크에 대해서 체계적이고 실용적인 이해를 하기에는 부족하다.
본 논문에서는 유저레벨에서 동작하는 컴퓨터 네트워크 교육용 소프트웨어(이하 KENS)를 제안한다. 이 소프트웨어는 네트워크 교육용 소프트웨어로써, 데이터링크 레이어, 네트워크 레이어, 트랜스포트 레이어로 이루어진 완전한 네트워크 스택과 고유의 소켓 API 그리고 응용 프로그램과 네트워크 스택 사이에서의 함수 호출을 중재하고 처리해 줄 운영체제 모듈로 이루어져 있다. 따라서, 하나의 KENS 노드는 네트워킹 능력을 갖춘 한 대의 컴퓨터를 시뮬레이션할 수 있다. KENS가 제공하는 전용 소켓 API를 링크하여 응용 프로그램을 작성하면, KENS가 구성하는 가상 네트워크를 통하여 다른 KENS 노드들과 통신을 할 수 있다. KENS 노드는 유저 레벨에서 동작하는 독립된 프로세스로서 다른 KENS노드와 전용 소켓 API와는 실제 버클리 소켓을 사용하여 통신하게 설계되어 있다.
우리는 학생들이 TCP/IP 레이어 동작을 충분히 이해하는 것이 가장 중요한 교육 목표라고 믿는다. TCP/IP는 약 30여년간 쓰여왔지만 아직도 인터넷의 핵심 프로토콜로 사용되고 있다. 따라서, TCP/IP는 새로운 네트워킹 개념을 이해하기 위한 가장 근본적이면서도 효과적인 지식이 될 것이다. 이러한 심도있는 이해는 단순히 교과서를 통하여 얻은 지식으로는 습득할 수 없고, 오직 직접 구현해 보고 그 동작을 실험해봐야 습득 가능한 것이라고 생각한다. 학생들은 KENS안에서 동작하는 TCP/IP 레이어를 직접 구현하여 각각의 레이어가 어떻게 동작하는지, 각각의 레이어에 맞는 기능을 구현하는데 어떠한 문제가 있는지를 직접 체험하고 해결해야 한다. 또한, KENS는 노드 마다 설정 파일을 두게 하여 가상의 IP와 MAC 주소를 입력 받는데, 이에 따라 사용자가 원하는 위상(topology)을 가진 네트워크를 구성한다. 따라서, 학생들은 네트워크를 설계하고 그 네트워크 상에서 네트워크 응용 프로그램을 실행해봄으로써 여러 계층에 있는 프로토콜들이 분산된 환경에서 인터넷 중간 노드들과 어떻게 상호 작용을 하는지 알 수 있다.
기존의 네트워크 시뮬레이터나 프로그래밍 과제에 비해서 KENS가 갖는 특징은 다음과 같다.
● 사용이 간편하다. KENS는 네트워크 스택을 제외한 부분은 최소한의 기능만을 구현하였고, 이들 간의 인터페이스를 정해 놓았다. 그리고 네트워크 스택의 데이터 흐름이나 함수 호출의 흐름을 기존의 운영 체제의 네트워크 스택과 거의 유사하게 구현하였다. 따라서 사용자는 KENS 자체를 배우는 부담없이 바로 TCP/IP를 구현하는 데 전념할 수 있다.
● 전용 컴퓨터가 필요하지 않다. 보통 유저 레벨에서 구현한 네트워크 스택들은 커널 레벨의 함수를 직접 호출하도록 구현하였기 때문에 루트 권한이 있어야 사용할 수 있어, 한 사람의 사용자가 한 컴퓨터에서만 실습해 볼 수 있었다. 하지만 KENS는 완전히 유저 레벨에서 동작하기 때문에 한대의 컴퓨터를 이용하여 여러 명이 실습할 수 있어 매우 경제적이다.
● 설치와 디버깅이 쉽다. 수업 일자가 턱없이 부족한 컴퓨터 네트워크 과목에서는 설치와 디버깅에 걸리는 시간은 최소화해야 바람직하다. KENS는 autoconfig 유틸리티를 사용하여 패키징 되었기 때문에, 설치가 3 - 4 번의 명령어 입력으로 가능하다. 또한 KENS는 유저 레벨에서 동작하기 때문에 사용자가 익숙한 디버깅 환경을 그대로 이용할 수 있다.
