데이터 통신 총정리

convergence란 distinct telephony + information technologies

 

convergence layers 

• applications : end user에게 보여지는 구간
• enterprise services : applications을 support하기 위해 서비스해주는 구간
• infrastructure : 기업에서 쓸 수 있는 communication links

convergence benefits 

• Efficiency(효율) : 리소스를 잘 사용하게 해줌
• Effectiveness(효과) : 사용자에게 flexibility 제공
• Transformation : 글로벌 수준의 서비스 제공

Transmission Lines 3가지 Capacity, Reliability, Cost

 

LAN

• 작은 영역 커버, 동일 조직 등 ex) wifi
• 내부 네트워크로 WAN보다 빠름

MAN

• 도시 정도 커버, LAN과 WAN의 중간
• data와 voice 지원
• Private or public 네트워크에 사용

WAN

• 큰 지역 커버
• 노드를 통해 데이터 전송

WAN 기술 4가지

• Circuit switching : 노드들이 물리적으로 연결된 것 그래서 빠르게 전송가능, 각 링크마다 logical한 채널있음. ex) telephone network
• Packet switching : data의 작은chunk인 패킷을 노드들끼리 전송하는 방식, 그래서 flexible함. pc의 터미널간에 사용됨
• Frame relay : 빠른 전송률과 낮은 에러를 위해 개발, packet switching할떄 발생하는 오버헤드 줄여줌
• Asynchronous Transfer Mode(ATM) : 고정된 길이의 셀을 보냄. 수요에 따라 전송률이 달라짐

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Protocol Architecture이 필요한 이유

source가 정보를 보낼때 목적지를 확인하고 경로를 활성화해야 한다. 또 목적지에서 받을 준비가 됐는지 확인을 해야함. 그 다음 파일 전송같은 경우에 목적지에서 파일을 받고 저장할 수 있는지도 알아야하고 시스템의 형태가 다르면 변환시켜줘야하는데 이 모든것을 protocol architecture가 해줘야함

 

Protocol Architecture기능

작업을 작은 하위 모듈로 분리해서 독립적으로 구현하고 모듈을 수직으로 배열하는 기능을함

 

Communication Layers

• Network access layer : 데이터교환 다룸
• Transport layer : reliable 데이터 전송 제공
• Appliaction layer : application도와줌 ex) 웹 브라우저, 이메일

Addressing

각 pc와 그 pc안에서의 app들간의 통신을 위해선 addressing이 필요함. 다 고유한 포트를 갖고 있음

 

PDU(Protocol Data Unit) : 데이터 + control 정보

 

Network Access Protocol : transport layer에서 받은 후에 네트워크에 전송하는 역할

 

TCP/IP layer : app, transport, internet, network access, physical 로 이루어짐

• physical layer : 컴퓨터와 네트워크에 물리적인 인터페이스를 관리
  • 고려사항 : 전송매체, 전송률, 신호 특징
• Network Access Layer : end system과 네트워크의 데이터 교환을 커버함
  • 고려사항 : 목적지 주소 제공, 두 end system이 같은 네트워크에 연결되어 데이터 access화 라우팅 해줘야함
• Internet Layer : 여러 네트워크들의 데이터 전송 담당
• transport Layer : reliable하게 데이터 전송 보장 주로 TCP

TCP/IP address : 각 호스트에게 고유한 IP를 주고 구분하기 위해서 포트번호 할당해야함 

TCP(Transmision Control Protocol)

• transport layer에서 자주 사용, app들이 reliable하게 연결하도록 해줌

UDP(User Data gram Protocol)

• TCP보다 빠르지만 reliable하지 못함. 순서, 중복, 보호 보장 못함

각 헤더내에서 checksum 비교

tcp는 신뢰성 보장을 위해 에러 탐지를 하면 재전송(in payload), udp는 신뢰성을 보존하지 않음. 그래서 에러가 검출돼도 재전송 안함(in head)

 

IPv6 : 그래픽과 비디오 데이터 빠르게 수용, 2^128-1, 2^32-1

 

OSI 표준화 핵심 : 프로토콜 정의, 서비스 정의, 주소지정

 

Primitives type

REQUEST : 사용자가 서비스 요청

INDICATION : 제공자가 사용자에게 정보 전달

RESPONSE : 사용자가 제공자의 INDICATION응답

CONFIRM : 제공자가 사용자의 REQUEST 확인

 

Elastic traffic : 인터넷 변화에 따라 적응하는 트래픽

Inelastic traffic : 변화에 적응하지 못하는 트래픽

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Data transmission은 전송매체의 특징과 신호의 퀄리티에 의존함

즉 data transmission은 transmitter와 receiver가 전송매체를 통하여 발생함

 

transmission terminology

• Direct link : 다른기기가 못 끼어듦. 그래서 퀄리티 좋음. 근데 물리적 제한있음
• Point-to-point : direct link인데 1:1만 가능, 보안 좋고 효율 좋으니 확장 못함
• Multi-point : 두 개 이상의 기기들이 링크로 모임 : 비용효율적임, 그런데 트래픽 관리 필요

• Simplex : 신호가 한 방향으로만 감 ex)tv
• Half duplex : 두 구간에서 전송한다. 그러나 한 번에 한번만 가능 ex)무전기
• Full duplex : 동시에 전송가능 좋긴한데 동시에 흐름을 제어할 프로토콜 있어야함 ex) 전화기

time domain 개념

• analog signal : 연속적, 부드러움, 외부잡음에 취약
• digital signal : 불연속,급작스러음, 감쇠문제로 거리제한
• periodic signal : 신호 패턴 반복. 시간T = 1/f
• aperiodic signal : 신호 패턴 반복안됨

Sine Wave

• amplitude(진폭) : 진폭이 세면 강한 signal
• frequency(주파수, 진동수) : 주파수가 많으면 신호반복이 많음. 그래서 데이터 더 많이 실음, 감쇠와 왜곡에 취약함 시간T = 1/f
• phase(위상) : 신호 하나의 주기 내에서의 상대적 위치

s(t) = Asin(2 π ft + Φ )

 

Wavelength(파장, λ )

• 한 주기를 완료할 때의 거리 
• λ = vT(속도 x 시간) or λf = v
• v=c이면 c = 3*108ms -1

Frequency Domain 개념

하나의 signal은 많은 frequency로 구성, 각 주파수는 sine wave임

 

Spectrum and Bandwidth(대역폭(사용가능한 주파수))

• spectrum : frequency의 범위
• absolute bandwidth : spectrum의 폭
• effective bandwidth : 그냥 bandwidth, 좁은 frequency의 band에는 에너지 많음
• dc component : 0Hz

Data Rate and Bandwidth(밀접한 관계)

• 모든 전송장치는 제한된 frequency가 있음
• 제한된 frequency때문에 전송속도가 제한됨
• square wave는 무한한 bandwidth이 필요하지만 불가능
• 대부분의 에너지는 첫 번째 성분에 있음. 그래서 일부를 제한해도 됨
• 하지만 bandwidth를 제한하면 왜곡이 발생함

digital signal : 저렴, 노이즈 간섭에 덜 취약함 그러나 감쇠에 취약함

 

Transmission Impairments

송신, 수신신호가 다르면 발생함

analog : 신호 품질 저하

digital : bit error

 

Atteunation

신호 세기는 거리에 따라 약해짐

수신된 신호세기는 강해야 하고 노이즈보다 높아야함, 세기가 약해지면 amplifier와 repeater를 사용하자.이걸로 감쇠를 해결하자.

 

Delay Distortion

신호가 guided medium을 통해 전달될때 주파수에 따라 속도가 달라져서 발생하는 현상.

주파수 성분이 서로 다르게 도착해서 주파수들간의 위상차이가 발생.

digital 데이터에서 비트일부가 다른곳으로 넘어가서 intersymbol interference(기호간 간섭)일어날 수 있음

 

Nosie

송신기와 수신기 사이의 원치않은 신호로 성능을 제한하는 주요 원인임

• Thermal noise(열 잡음) : 열 진동으로 발생하고 bandwidth에 골고루 있음 
• Intermodulation noise(상호 변조 잡음) : 전송 매체의 비 선형때문에 발생. 서로 다른 주파수들의 합과 차이로 새롭게 생기는 잡음
• Impulse noise(전자 간섭) : 외부 전자기 때문에 발생. 주로 짧은시간에 발생하지만 amplitude가 높음. 아날로그는 괜찮지만 디지털은 오류발생
• Crosstalk(누화) : 한 회선의 신호가 다른 회선으로 가는거. 장비간의 신호가 엉켜서 원치않는 신호가 오는거

Nyquist Bandwidth(잡음 없음)

bandwidth 가 B라면 최대 전송속도는 2B임

binary신호는 2B bps만큼 보내려면 B Hz의 bandwidth가 필요

M(신호레벨)이 증가하면 속도도 빨라짐

그러나 신호레벨이 높으면 수신기에 부담이가서 M을 제한해서 노이즈와 장애를 방지하자.

공식 : 전송속도 bps  = 2B⋅log2​(M)

 

Shannon Capacity 공식 (채널에서 가능한 최대 전송속도 구하는 공식)

SNR=10⋅log10​(signal/noise)

최대 채널 용량 bps = B⋅log2​(1+SNR)

SNR이 높고 bandwidth가 넓으면 빠른 전송가능함. 그러나 noise와 수신기의 한계로 이론보다 낮음

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bandwidth가 높으면 전송속도도 높음

interfernece : 중복된 frequency대역에서 왜곡이나 신호가 소멸될 수 있음

수신기가 많을수록 감쇠가 많음

 

Frequency가 낮으면 stay long time, easy to develope(handle) 높으면 그 반대

 

Guided transmission media 3개

Twisted pair : 절연된 구리선 두개가 꼬인형태로 guided medium에서  비싸지 않고 가장 많이 사용된다. 일반적으로 전화기전선에 사용

• Unshielded Twisted Pair(UTP) :  electromagnetic shield(전자기 차폐)가 없는 thermoplastic jacket으로 구성되어있음.일반 전화선으로 사용되고, 외부 전자기 간섭(EMI)에 취약함. 저렴하고 설치가 쉬움
• Shielded Twisted Pair(STP) : metal braid나 sheathing(금속 차폐)이 있어서 외부 간섭을 줄여준다. 더 높은 전송 속도를 지원하지만 UTP보다 비쌈. 비싸지만 성능 좋음

Near-End Crosstalk(근단 누화, NEXT) : 한 쌍의 전선에서 보낸 신호가 다른 쌍의 전선으로 섞여 가는것 near-end는 신호가 전송되는 바로 그 지점에서 섞이는걸 의미함. NEXT 손실이 크면 좋다는 뜻은 신호간섭이 적을 수록 품질이 좋다는걸 의미함

Coaxial Cable(동축) : 내부, 외부 도체, 절연체, 외부 피복으로 구성됨. 더 많은 장비를 shared line에 연결가능. TV뿐만아니라 장거리 통신에도 사용

• twisted pair보다 frequency 특징이 좋음. 그래서 더 높은 bandwidth에서 안정적으로 전송 가능
• attenuation과 noise에 성능이 제한된다. 그래서 analog는 amplifer(몇 키로마다)를 digital은 repeater(1키로마다)를 사용해서 성능을 유지해야한다.

Optical Fiber(광섬유) : 빛을 통해 데이터를 전송하는 flexible한 매체. 

• LED(Light Emitting Diode) : 싸고, 넓은 온도 범위에서 작동됨. 수명 김
• ILD(Injection Laser Diode) : 효율좋음, 더 빠른 속도 가능

특징

• 플라스탁이나 유리로 만들 수 있고 속도가 빨라 장거리 통신에 좋음
• 다른 케이블보다 작고 가벼워서 flexible함
• 신호 감쇠가 적고 전자기 간섭도 차단해서 보성 좋음
• repeater 간격이 길어서 싸고 오류 확률도 낮음

 

Wireless transmission Frequencies

1~40GHz(마이크로파 대역) : 높은 directional 빔 사용가능, p2p전송에 적합, 우성통신에서도 사용

30MHz~1GHz(라디오 대역) : omnidirectional(전방향)전송 가능, 한곳에서 모든 방향으로 보냄.radio range라고 부름

3x10^11~2x10^14HZ(적외선 대역) : 적외선 스펙트럼에 해당, 좁은 범위 내의 point-to-point or mulit point가능

 

 

Wireless transmission 5개

Antennas : 전자기 에너지를 방출하거나 수집하는 전기 전도체

transmission antenna : 송신기는 전기에너지를 만들고 안테나에게 보냄, 안테나는 전기에너지를 전자기 에너지로 변환해서 주변에 방출 

reception antenna : 전자기 에너지가 안테나에 도달하면 전기 에너지로 변환, 전기에너지는 수신기로 전달

양방향 통신에서는 안테나 하나로 송신수신 모두 가능

 

Radiation Pattern

안테나는 모든 방향으로 방출됨. 근데 모든 방향의 성능은 동일하지 않음. 

이론적으로 모든방향에 동일하게 방출하는 안테나는 isotropic antenna

 

Terrestrial Microwave(지상 마이크로파) : parabolic(포물선) antenna를 사용해서 narrow beam 신호를 보내는 장거리 통신 방식, 안테나는 고층에 설치하고 장거리 통신을 위해 microwave relay tower를 사용함. 이방식은 point-to-point방식이다.

• coaxial cable이나 optical fiber의 대안으로 사용되기도함. repeater가 많이없어도 장거리 통신가능함. frequency높으면 빠르게 전송가능. 그런데 line-of-sight(가시선 : 송신기와 수신기 사이에 장애물 없어야됨)가 필요함. 주요 손실요인은 거리,비 그리고 간섭

 

Satellite Microwave(위성 마이크로파) : microwave relau station을 연결하는데 사용, 한 frequency band에서 신호를 받으면 amplify하거나 repeat해서 다른 frequency band로 보냄(이 frequency band를 transponder channels이라함), 이것을 통해서 먼 거리 기지국의 데이터 전송을 하는 역할을함. frequency band가 달라서 간섭을 최소화함. ex) GPS, 국제전화 등 장거리 통신

 

Broadcast Radio : broadcast radio는 omnidirectional이고 microwave는 directional임. 그런데 line of sight에 제한됨

 

Infrared(적외선) 

송수신기가 line-of-sight내에 있어야함.그래서 벽을 통과못함, licensing가 불필요하기에 주파수 할당 제한없음

 

Refraction(굴절)

매체에서 매체로 이동할때 속도가 변함. 이때 매체들의 밀도차이가 굴절을 발생시킴

 

line-of-sight-transmission(아래 요인으로 저하될 수 있음)

거리가 멀어지면 손실, 대기의 물질이 강도 약화시킴, 경로가 많으면 간섭, 굴절되서 벗어남

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Digital Data → Digital Signal

discrete(불연속)한 데이터의 구성으로 binary data는 bit로 인코딩하여 전송됨

 

인코딩 방식

• signal spectrum : transmission bandwidth의 중간에 전력을 집중시키는 것이 좋은 신호 설계임
• Clocking : 송/수신기 모두 외부 시간이나 동기화 매커니즘으로 동기화해야함
• error detection : 신호 수준보다 높은 계층에서 오류를 검출함
• (시험)Signal interference and noise immunity : 몇몇 코드는 잡음이 있는 환경에서 더 좋은 성능을 보임
• cost and complexity : 솓고가 높아질수록 비용 증가

NRZ-L(Non-return to Zero-Level)

0은 양의 전압 1은 음의 전압

digital signal을 보내는 가장쉬운 방법으로 0과 1을 다른 전압 레벨로 표현함. 이 방식은 신호가 전환될때 절때 0v로 가지 않아 이진데이터에 따라 전압이 고정된 상태로 유지됨. 그래서 설계가 간단하고 bandwidth를 효율적으로 사용 가능

이 방식은 clocking없어도 쉽게 전송가능한 장점이 있지만 장시간 동일한 값이 나오면 동기화를 잃을 수 있다.

 

NRZI(Non-return to Zero Inverted) 

01001100011

0이면 전환안됨 1이면 신호가 전환됨

NRZI는 Differential enconding(차동 인코딩)방식이다. 이 방식은 현재비트와 이전비트의 차이에 따라 결정되는 특징이 있다. NRZ-L과 비슷하게 비트 간격동안 전압을 일정하게 유지하지만 데이터를 전압의 전환 여부로 인코딩하는 차이가 있음

전압 자체보다 전환의 유무를 감지하는 것이 신뢰성이 높다. NRZI도 이방식이여서 잡음에 강함. NRZ-L은 신호선이 잘못연결되면 0과 1이 뒤바뀌지만 NRZI 방식은 전환만 감지하기에 극성(polar)이 바뀌더라도 해석가능(극성 혼동 방지 가능), 또한 전환 여부 따라 인코딩하기에 1이 연속이여도 동기화 문제가 발생하지 않음.(0이 연속이면 동기화 문제 발생함) 

 

NRZ방식 둘다 연속된 비트(NRZ-L은 0이나 1, NRZI는 0)만 나올 경우 dc component가 발생할 수 있음

 

Multi level Binary

• Bipolar-AMI

01001100011

0이면 전압이 없음, 1이면 양의 전압이나 음의 전압이 나옴. 1이 나올때마다 전압이 바뀜

이 방식은 1이 연속해서 나오더라도 동기화 문제가 발생하지 않음, 또한 dc component가 없음. 양의 전압과 음의 전압이 번갈아 나오고 0일 경우에는 전압 자체가 0이니 dc coponent가 발생하지 않음. 그리고 상대적으로 적은 bandwidth로 데이터 전송 가능하고 전압이 교대로 나타나는 규칙때문에 오류가 발생하더라도 쉽게 감지할 수 있음.

 

• Pseudoternary

01001100011

1이면 전압이 없음, 0이면 양의 전압이나 음의 전압이 나옴. 0이 나올때마다 전압이 바뀜

Bipolar-AMI방식과 숫자만 바뀌면 된다. 

 

Multi level Binary 방식의 문제점

Bipolar-AMI는 0일떄, Pseudoternary는 1이 연속으로 나오면 동기화 문제가 발생할 수 있음. NRZ 방식보다 효율성이 떨어짐. multi level binary는 세가지 신호 레벨을 사용하기 때문에 log₂(3) = 1.58비트만을 담을 수 있지만 실제로는 1비트밖에 못담기 때문이다. 그래서 동일한 비트 오류율을 유지하기 위해서는 3dB더 많은 신호 전력 필요함. 또한 수신기가 3개의 레벨을 신경써야해서 부담이 증가함.

 

Biphase

• Manchester Encoding

01001100011

0이면 신호가 높은곳에서 낮은거로, 1이면 낮은거에서 높은거로 바뀜

비트 주기의 중간지점마다 신호가 항상 전환되는 방식. 그래서 동기화 문제를 해결할 수 있음. 또한 비트가 언제 시작되고 끝나는지 알 수 있어서 데이터의 값도 알 수 있음

 

• Differential Manchester Encoding

01001100011

0이면 시작지점에서 전환, 1이면 시작지점에서 전환안함

중간전환은 데이터 인코딩과는 무관(데이터 정보 포함x)하고 오직 동기화 작업으로만 사용한다. Differential(차등) 인코딩은 신호자체보다 변화의 유무에 초점을 맞추기에 신호가 잡음에 더 강하게 동작하여 극성 혼동이 발생하더라도 데이터를 정확히 인식 가능.

 

잡음에 더 강한 이유는, 신호 자체보다 신호 변화에 초점을 맞추기 때문. 잡음이 있는 환경에서 이런 변화 기반의 코딩 방식은 데이터 전송 중 발생할 수 있는 오류를 줄이고, 신뢰성을 높이는 데 기여함

 

Biphase 인코딩의 장단점

• 장점 : Biphase 방식은 비트 중간에서 항상 신호가 전환되기에 동기화가능, 또한 신호가 장기간 동안 고정된값으로 유지되는일이 없기에 dc component가 없음. 그리고 신호전환이 필수이기에 비트오류가 발새하면 쉽게 감지
• 단점 : 다른 인코딩 방식에 비해 신호전환이 많고, biphase방식은 NRZ와 다르게 최대 변조 속도가 2배로 빠르기에 더 자주 신호 변화가 요구됨 즉, 더 많은 대역폭이 필요함. 

Scrambling

연속된 constant(일정)한 전압이 발생하는 신호들을 다른 신호로 대체하는 방법으로 동기화 문제와 dc component방지가능함. 또한 원래 데이터 속도를 유지시켜주고 오류 감지 기능제공

3개의 filling sequences(대체 신호)가 필요

1. 동기화를 유지할 충분한 신호 전환
2. 수신기가 신호를 인식하고 원래 데이터로 복원가능해야함
3. 기존 데이터의 sequence와 동일한 길이여야하고  느려지면 안됨

B8ZS(Bipolar with 8-Zeros Substitution)

Bipolar-AMI는 1이면 양수 혹은 음수 전압이고 0이면 전압이 없는거였다. 그런데 8개의 연속된 0이 나올경우에 이것을 유지하면 동기화문제가 발생할 수 있어서 이것을 방지하기위한 방식임

• 앞이 양의 전압이면 00000000 → 0000+-0-+
• 앞이 음의 전압이면 00000000 → 0000-+0+-

 

HDB3(High-Density Bipolar of order 3)

Bipolar-AMI의 동기화 문제를 해결하기 위한 기법으로 4개의 연속된 0을 다르게 대체함. dc component 방지, 동기화문제 해결

• 앞이 양의 전압이고 1이 홀수개면 0000 → 000+
• 앞이 양의 전압이고 1이 짝수개면 0000 → -00-
• 앞이 음의 전압이고 V이후 1이 홀수개면 0000 → 000-
• 앞이 음의 전압이고 V이후 1이 짝수개면 0000 → +00+

 

 

Digital Data → Analog Signal

주로 공공전화 시스템에 초점, 디지털 신호는 전화시스템과 적합하지 않아서 변화가 필요, 둘 간의 전송을 위해선 모뎀이 필요함.

 

ASK(Amplitude Shift Keying)

0이면 진폭 0 1이면 진폭 크게

sudden gain changes(갑작스러운 이득 변화)에 취약함. 그래서 데이터 전송문제가 생김, 진폭만을 사용하기에 성능이 낮고 비효율적임 

 

BFSK(Binary Frequency Shift Keying)

0과 1일때 서로 다른 주파수를 사용

주파수를 다르게 하는 방식. ASK보다 잡음에 강해서 오류에 덜 민감. 고주파수 무선 통신이나 동축 LAN에서 사용

 

MFSK(Multiple FSK)

여러개의 주파수를 사용해 한번에 여러비트를 표현하는 방식. 주파수를 여러개 사용하기에 많은 정보를 한번에 보낼 수 있음(적은 주파수로도 많이 보낼수있음). 그래서 bandwidth를 효율적으로 사용가능, 그러나 noise가 생기면 오류가 발생하기 쉬움

 

PSK(Phase Shift Keying) : 신호의 위상을 바꿔서 표현하는 방식

• Binary PSK : 두개의 서로 다른 위상을 사용해서 0과 1을 표현 (0도,180도)

• Differential PSK : 0이면 이전신호와 같은 위상, 1이면 이전 신호와 반대 위상으로 전송하는 방식. 이전 신호와 비교하여 위상을 바꾸는것이 차별점임. 그래서 위상 오차에 강하고 노이즈에 강함

 

 

Performance of Digital to Analog Modulation Schemes

Bandwidth

• ASK/PSK는 bit rate에 bandwith가 비례함. 비트 수가 증가하면 대역폭도 많이 필요
• MPSK는 여러 레벨을 사용하는 PSK라서 bandwidth 효율성 개선해줌

Noise있는 환경

• PSK, QPSK는 ASK와 FSK에 비해 더 나은 성능을 제공. 잡음에서 오류발생률이 낮음. 신호의 위상을 변화시켜서 전송하기 때문에 noise에 강함
• MFSK와 MPSK : bandwidth와 오류 성능 사이의 균형을 맞춰야한다. 많은 정보를 보내면 여러개의 주파수와 위상을 사용해야하는데, 그러면 잡음에 취약 해질 수 있음

즉, PSK와 QPSK는 잡음에 강하고 효율적, MFSK와 MPSK도 효율적이지만 trade-off존재

 

QAM(Quadrature Amplitude Modulation)

다른 전송방식보다 효율이 좋음. 하지만 그만큼 복잡하고 잡음에 민감

 

Analog Data → Digital Signal

Codec을 사용해서 전송함.

 

PCM(Pulse Code Modulation)

analog sample을 통해 변조하는 방식, 이를 digital로 변환하려면 샘플에 binary code필수

 

DM(Delta Modulation)

analog를 계단식으로 근사해서 digital로 변환하는 방식