솜은 코튼

[NW] 데이터링크층(유니/멀티/브로드캐스트, ARP)

솜.코 — Wed, 7 Jun 2023 17:18:58 +0900

2023.06.07 - [NW] - [NW] 데이터링크층

[NW] 데이터링크층

데이터링크층 . 인터넷은 라우터나 스위치와 같은 장치들을 연결하는 네트워크 조합이다. 패킷이 호스트에서 다른 호스트로 전달되면, 네트워크들을 통과하는 경로가 필요하다. Alice의 컴퓨터

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주소

.

링크 계층 프로토콜은 유니캐스트, 멀티캐스트, 브로드캐스트의 주소를 정의한다.

유니캐스트 주소

유니캐스팅은 일-대-일 통신을 의미한다.

유니캐스트 링크 계층 주소는 48bit(6byte)이다.

12개의 16진수로 표현하면 다음과 같다.

A3:34:45:11:92:F1

멀티캐스트 주소

멀티캐스팅은 일-대-다 통신을 의미한다.

멀티캐스트 링크 계층 주소는 48bit(6byte)이다.

12개의 16진수로 표현하면 다음과 같다.

A2:34:45:11:92:F1

브로드캐스트 주소

브로드캐스트는 일-대-전체 통신을 의미한다.

가장 일반적인 브로드캐스트 링크 계층 주소는 48bit(6byte)로 모두 1이다.

12개의 16진수로 표현하면 다음과 같다.

FF:FF:FF:FF:FF:FF

주소 변환 프로토콜

.

링크 내 다른 노드로 전송하기 위해 다음 노드의 링크 계층 주소를 알아야 한다.

이때 주소 변환 프로토콜(ARP)를 사용한다.

ARP 프로토콜은 네트워크층에서 정의한 보조 프로토콜들 중의 하나이다.

이것은 네트워크층에 속해 있다.

이 프로토콜은 IP 주소를 지정된 링크 계층 주소에 매핑시키고,

데이터링크층으로 전달한다.

호스트 또는 라우터는 네트워크에서 다른 호스트 또는 라우터의 링크 계층 주소를 찾기 위해

ARP 요청 패킷을 전송한다.

이 패킷은 전송자의 링크 계층과 IP 주소와 수신자의 IP 주소를 포함한다.

ARP 요청할 때 모든 호스트 또는 라우터에 전송해야 하므로 브로드캐스트 주소를 사용하고,

응답할 때는 발신지 노드에만 응답하면 되므로 유니캐스트 주소를 사용한다.

이때 응답 패킷은 수신자의 IP와 링크 계층 주소를 포함한다.

즉, 링크 계층 주소를 알기 위해서 모든 장비한테 원하는 IP를 전달하고

자신에게 해당되는 장비가 발신지한테 응답을 하면서 링크 계층 주소를 포함하여 보낸다.

패킷 형식

패킷 형식에서 Operation 값으로 요청인지 응답인지 알 수 있다.

통신

Alice가 Bob의 IP 주소를 알고 있다고 가정하자.

Alice는 다음 노드의 링크 계층 주소를 찾기 위해

자신의 라우팅 테이블을 참고하고

목적지 NB에서 어떤 라우터가 다음 라우터인지 찾는다.

라우팅 테이블은 N1을 제공한다.

하지만 R1의 링크 계층 주소(L1)를 알아야 하므로 ARP를 사용한다.

연계 노드도 앞의 예와 비슷하지만 캡슐화와 역캡슐화가 모두 진행된다.

Bob은 더 이상 주소 지정과 주소 매핑이 필요하지 않다.

링크로부터 전달된 신호는 프레임으로 변경되고 데이터링크층으로 전달된다.

그리고 데이터그램을 역캡슐화하고 네트워크층으로 전송된다.

여기서 발신지와 목적지 네트워크층 주소와 NA 그리고 NB가

모든 데이터 전송동안 변경되지 않는다는 것을 보았다.

그러나 4개의 라우터 R1과 R2의 네트워크층 주소는

Alice의 컴퓨터에서 Bob의 컴퓨터로 데이터그램을 전송해야 한다.

* 해당 글은 '데이터통신과 네트워킹' 책을 참고하여 작성하였습니다. 출처: 데이터통신과 네트워킹 5 (Forouzan)

[NW] 데이터링크층

솜.코 — Wed, 7 Jun 2023 16:46:45 +0900

데이터링크층

.

인터넷은 라우터나 스위치와 같은 장치들을 연결하는 네트워크 조합이다.

패킷이 호스트에서 다른 호스트로 전달되면,

네트워크들을 통과하는 경로가 필요하다.

Alice의 컴퓨터에서 Bob의 컴퓨터가 단일 네트워크를 통해 연결되어 통신한다.

발신지나 목적지는 단 하나의 데이터링크층이 포함되어 있고,

라우터에서는 2개의 데이터링크층이 포함된다.

데이터링크층에서의 통신은 노드-대-노드이다.

2개의 종단 호스트와 노드로써 라우터, 링크로써 두 노드 사이의 네트워크로 표현한다.

처음 노드는 발신지 호스트, 마지막 노드는 목적지 호스트이다.

첫 번째, 세 번째, 다섯 번째 링크는 세 가지의 LAN을 나타내고,

두 번째와 네 번째 링크는 2개의 WAN을 나타낸다.

데이터링크층은 물리층에서 서비스를 제공 받고, 네트워크층으로 서비스를 제공한다.

데이터링크층의 책임 범위는 노드-대-노드이다.

패킷이 인터넷에서 전송될 때, 호스트와 라우터와 같은 노드의 데이터링크층은

경로의 다음 노드까지 데이터그램을 전달해야 하는 책임을 갖고 있다.

발신지 호스트의 데이터링크층은 캡슐화를 해야 하고,

목적지 호스트의 데이터링크층은 역캡슐화해야 한다.

하지만 각 연계 노드는 캡슐화와 역캡슐화 모두 가능해야 한다.

각 링크가 서로 다른 프레임 형식을 사용하는

서로 다른 프로토콜을 사용할 수 있기 때문이다.

프로토콜이랑 약속이라고 이해하면 쉽다.

통신을 할 때 규정된 형식이 있을 것이다! 그것을 프로토콜이라 한다.

발신지 호스트의 데이터링크층으로부터 전달받은 데이터그램은 프레임에서 캡슐화된다.

프레임은 논리적으로 발신지 호스트에서 목적지 호스트까지 전송된다.

프레임은 라우터의 데이터링크층에서 역캡슐화되고 다른 프레임에서 캡슐화된다.

새로운 프레임은 논리적으로 라우터로부터 목적지 호스트로 전송된다.

흐름 제어

생산자와 소비자가 있다 가정하고

만약 생산자가 팔리지 않는 물건을 생산한다면,

물건이 창고에 쌓이게 된다.

링크의 끝단에서 전송하는 데이터링크층을 프레임 생산자,

다른 링크의 끝단에서 전송받는 데이터링크층을 소비자라 할 수 있다.

생산률이 소비율보다 높으면,

끝단에서 전송받는 프레임은 소비될 때까지 버퍼에 저장되어야 한다.

제한 없는 버퍼 크기를 가질 수 없어

버퍼가 꽉찼다면 프레임을 폐기시키거나

전송하는 것을 멈추거나 늦추게 하는 피드백을 전송할 수 있다.

이러한 흐름제어 전략을 사용하여 버퍼 문제를 해결한다.

오류 제어

데이터링크층의 프레임은 전기적 신호에서 비트 형태로 변형되어야 한다.

그리고 전송 매체를 통해 전송된다.

전기 신호는 오류에 취약하기 때문에, 프레임 또한 오류에 취약하다.

오류를 검출하고 이를 수정하거나 오류를 폐기하고,

재전송을 송신 노드에게 요청해야 한다.

링크의 두 범주

데이터링크층은 점-대-점 링크 또는 브로드캐스트 링크와 같은 링크 성능의 일부분을 사용한다.

점-대-점 링크에서 링크는 서로 연결된 2개의 단말에만 전념하면 된다.

브로드캐스트 링크에서는 링크는 몇 개의 자치의 쌍 사이에서 공유된다.

예로, 집 전화는 점-대-점 링크를 사용하며,

휴대폰은 공기는 수많은 휴대폰 사용자 사이에 공유되어 브로드캐스트 링크를 사용한다.

데이터링크층을 데이터 링크 제어(DLC)와 매체 접근 제어(MAC)로 나눌 수 있다.

링크 계층 주소지정

.

인터넷과 같은 비연결형 상호연결 네트워크에서는

IP주소를 사용해서 목적지까지 데이터그램을 전송할 수 없다.

인터넷에서 각 데이터그램이 같은 발신지 호스트로부터 같은 목적지 호스트까지

서로 다른 경로를 선택하기 때문이다.

데이터그램에서 IP 주소는 변경되지 않는다.

비연결형 상호연결 네트워크에서는

두 노드들의 링크 계층 주소를 결정하는 링크 계층 주소는

물리 주소, MAC 주소로 불린다.

이 주소는 프레임 헤더에 추가되며, 다른 링크로 이동할 때마다 변경된다.

각 프레임은 같은 발신지와 목적지 주소(N1과 N8)를 가지는 같은 데이터그램을 포함하고 있다.

하지만 프레임의 링크 계층 주소는 변경된다(L1~L8).

여기서 IP 주소에서는 발신지 주소가 앞에 오고,

링크 계층 주소에서는 목적지 주소가 앞에 온다는 것을 기억하자.

* 해당 글은 '데이터통신과 네트워킹' 책을 참고하여 작성하였습니다. 출처: 데이터통신과 네트워킹 5 (Forouzan)

[NW] 교환 (패킷 교환, 데이터그램 망, 가상 회선 망)

솜.코 — Mon, 5 Jun 2023 19:06:46 +0900

2023.06.05 - [NW] - [NW] 교환 (회선-교환망)

[NW] 교환 (회선-교환망)

교환 . 네트워크는 서로 연결된 장치들의 모임이다. 여러 자이를 보유하고 있을 때는 장치들 간에 통신이 가능하도록 연결하는 방법에 대해 고려해야 한다. 해결책으로 점-대-점 링크를 구성하

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패킷 교환

.

패킷-교환 망을 통해 메시지가 전달된다면 패킷을 고정 또는 가변 길이로 나누는 것이 필요하다.

패킷의 길이는 네트워크와 해당 프로토콜에 의해 결정된다.

패킷 교환에는 패킷에 대한 자원 할당은 없다.

이는 링크에 대한 예약된 대역폭이 없다는 것이고,

각 패킷에 대한 계획된 처리 시간이 없다는 것을 의미한다.

자원은 요청에 따라 할당되며, 할당은 먼저 오는 것을 먼저 서비스하는 것으로 한다.

처리 중에 있는 다른 패킷이 있다면 기다려야 하며, 이는 지연이 생긴다는 것이다.

즉, 패킷-교환 망에서는 예약이 없고, 자원은 요청에 따라 할당된다.

데이터그램 망

.

데이터그램 망에서는 각 패킷은 다른 패킷과 무관하게 취급된다.

이 방식의 패킷을 '데이터그램'이라 부른다.

데이터그램 교환은 보통 네트워크층에서 이루어진다.

위의 그림에서 교환기는 '라우터'라고 부른다.

4개의 패킷이 하나의 메시지에 속하지만

목적지에 도달하기 위해 각기 다른 경로를 거칠 수 있다.

이 방식은 전송된 데이터 패킷들이 패킷들 사이 간격도 일정하지 않고

순서대로 목적지에 도착하지 않게 될 수도 있게 만든다.

또한 패킷은 자원이 부족한 상황이 되어 잃어버릴 수도 있다.

프로토콜에서는 데이터그램 순서를 재정돈하거나 잃어버린 패킷을 다시 요청하는 것은

상위 계층의 책임이다.

데이터그램 망은 '비연결형 망'이라고 불린다.

즉, 연결 상태에 대한 정보를 유지하지 않는다는 것이다.

설정 단계나 해제 단계도 없어

각 교환기는 목적지 주소에 기반을 두는 경로 표를 가지고 있다.

경로 표는 동적으로 변하며 주기적으로 수정되며,

목적지 주소와 출력 포트가 기록된다.

데이터그램 망의 각 패킷은 다른 정보를 포함하여 목적지 주소를 헤더에 담고 있다.

이 주소는 가상 회선 교환 망의 주소와 달리 패킷이 전달되는 동안 일정하게 남아 있다.

데이터그램 망은 전송할 패킷이 있을 때만 자원을 할당하기 때문에

회선 교환 망보다 효율은 좋다.

데이터그램 망은 설정과 해제 단계가 없지만 각 패킷은 전송되기 전에

교환기에서 대기해야 할지도 모르기 때문에

가상 회선망보다 지연이 길 수 있다.

총 지연 시간은 3개의 전송시간, 3개의 전파 지연(직선 경사), 2개의 대기 시간의 합이다.

가상-회선 망

.

가상-회선 망은 회선 교환 망과 데이터그램 망을 섞은 것 같은 것이다.

회선 교환 망처럼 데이터 전송 단계, 설정 및 해제 단계가 있으며,

자원이 설정 단계에서 할당될 수도 있고 필요에 따라 할당될 수도 있다.

데이터그램 망처럼 데이터는 패킷에 담겨져 전송되며 각 패킷은 헤더에 주소를 담는다.

그러나 헤더의 주소는 최종 종단 대 종단 주소가 아니라 지역 주소이다.

회선 교환처럼 연결이 설정되고 나면 모든 패킷은 같은 경로로 전송된다.

가상 회선 망은 데이터 링크층에서 구현되는데

회선 교환 망은 물리층에서 구현되고 데이터그램 망은 네트워크층에서 구현된다.

가상 회선 망에서는 전역 주소와 지역(가상-회별 식별자)의 주소가 있다.

가상 회선 망에서 전역 주소는 가상회선 식별자를 생성할 때만 사용되며,

데이터 전송에 실제로 사용되는 식별자는 가상회선 식별자(VCI)이다.

VCI는 교환기에서만 사용하는 작은 숫자이며,

2개의 교환기 사이에서 교환되는 프레임에 사용된다.

교환기에 프레임이 도달할 때 프레임은 VCI를 가지고 있으며,

교환기를 프레임이 떠날 때는 다른 VCI를 갖게 된다.

회선 교환 망처럼 설정, 데이터 전송, 해제 단계를 거쳐야 하며,

설정 단계에서 전역 주소를 사용하여 연결 표를 만든다.

해제 단계에서는 교환기들에게 표에서 삭제하도록 통보한다.

데이터 전송 단계

위의 그림에서 VCI가 14이고 1번 포트를 통해 들어온다.

프레임이 도달하면 교환기는 표로부터 해당 내용을 찾아

프레임의 VCI를 66로 바꾸어 3번 포트로 내 보낸다.

데이터 전송 단계는 발신지로부터 마지막 프레임이 목적지로 전송될 때까지 유효하다.

이 과정에서 발신지와 목적지 사이에 실제회선이 아닌 가상회선이 생성된다.

설정 단계

설정 단계에서는 교환기는 가상회선에 대한 내용을 생성한다.

A가 B까지 가상회선을 설정한다면 설정 요청과 응답의 단계가 필요하다.

설정 요청

발신지로부터 목적지로 설정 요청 프레임이 전송된다.

확인응답

확인응답 프레임이라고 부르는 특별 프레임이 교환기의 표 내용을 완성한다.

해제 단계

모든 프레임을 B에게 보낸 후에 발신지 A가 해제 요구라고 불리는 특별 프레임을 보낸다.

목적지 B는 해제 확인 프레임으로 응답한다.

모든 교환기들은 해당 항목을 표에서 지운다.

가상-회선 망에서 자원 예약은 설정 단계에서 행해지거나

데이터 전송 단계에서 요구될 수 있따.

발신지는 실제로 예약하기 전에 자원 가용도를 확인할 수 있다.

가상 회선 망에서 총 지연 시간은 두 대의 라우터를 지나므로

3개의 전송 시간, 3개의 전파 지연, 데이터 전송 시간, 설정 시간, 해제 시간의 총 합이다.

* 해당 글은 '데이터통신과 네트워킹' 책을 참고하여 작성하였습니다. 출처: 데이터통신과 네트워킹 5 (Forouzan)

[NW] 교환 (회선-교환망)

솜.코 — Mon, 5 Jun 2023 18:20:29 +0900

교환

.

네트워크는 서로 연결된 장치들의 모임이다.

여러 자이를 보유하고 있을 때는 장치들 간에 통신이 가능하도록

연결하는 방법에 대해 고려해야 한다.

해결책으로 점-대-점 링크를 구성하는 그물형 접속형태나,

하나의 중앙장치를 두고 이것과 다른 장치들 간에

점-대-점 링크를 구성하는 스타형 접속형태를 이용할 수 있다.

하지만 큰 네트워크에 적용될 때는 실용적이지 못하다.

더 나은 해결책으로 '교환'을 이용하는 방법이 있다.

교환망은 '교환기'라 불리는 상호 연결된 노드의 열들로 구성된다.

교환기란 교환기에 연결된 둘 이상의 장치 사이의 임시적인 연결을

만들 수 있는 하드웨어적이거나 소프트웨어적인 장치이다.

교환 망에서 이 노드들 중 몇몇은 통신장치에 연결되고

나머지는 경로를 지정하기 위해서만 사용된다.

종단 시스템은 각각 A,B,C,D 등으로 표시되어 있으며,

교환기는 Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ 등으로 나타내져 있다.

각 교환기는 다중 링크로 연결되어 있다.

교환 방법

.

교환방법으로 회선 교환, 패킷 교환, 메시지 교환이 있다.

패킷 교환망은 가상 회선망과 데이터그램 망으로 분류된다.

교환과 TCP/IP 계층

.

물리층에서 교환

물리층에서는 회선 교환만 있을 수 있다.

신호들을 하나의 경로 또는 또 다른 경로로 전달하는 것을 허용한다.

데이터 링크층에서 교환

데이터 링크층에서는 패킷 교환만 가질 수 있다.

패킷 교환은 보통 가상 회선 접근방법을 이용한다.

네트워크층에서 교환

네트워크층에서는 패킷 교환을 가질 수 있다.

가상회선 접근 방식과 데이터그램 접근방식을 사용할 수 있다.

응용층에서 교환

응용층에서는 메시지 교환만 가질 수 있다.

회선-교환 망

.

회선-교환 망은 각 링크가 n개 채널로 나뉜 물리 링크로 연결된 교환기의 집합이다.

각 링크는 FDM 또는 TDM을 사용하여 n개의 채널로 나뉘어 있다.

단말 장치 A가 다른 단말 장치 M에게 통신하려고 하면,

A는 M은 물론 모든 교환기로부터 연결 요청을 승인받아야 한다.

이 단계는 '설정 단계'이다.

이 단계에서 각 링크에 대해 회로(채널)가 전용으로 할당되고

이 회로 또는 채널이 조합되어 전용 통로가 규정된다.

전용통로를 설정하기 위해 회로가 연결된 다음에

'데이터 전송 단계'가 시작된다.

모든 데이터가 전송 완료된 뒤에는 회로는 해제된다.

회로 교환에서는 설정 단계에서 자원 할당이 필요하며,

해제 단계에 들기 전까지는 계속해서 전체 데이터 전송 기간 동안

전용으로 할당되어야 한다.

세 단계

.

회선 교환 망에서 통신은 연결 설정, 데이터 전송, 연결 해제의 세 단계를 필요로 한다.

설정 단계

통신하기 전에 전용회선(채널)이 마련되어야 한다.

예로 A가 M에 연결되기 위해서 A는 교환기 I에게 M의 주소를 주면서 연결 요청한다.

연결 설정의 다음 단계로 M으로부터의 응답이 반대방향으로 A에게 전해져야 한다.

A가 이 응답을 받은 이후에 연결이 설정된다.

데이터 전송 단계

전용 회선으로 구성된 연결을 설정한 이후에 데이터를 주고받을 수 있다.

해제 단계

당사자 중 하나가 연결을 끊기 원하면 자원을 해제하기 위해 교환기로 신호를 보낸다.

회선 교환 망은 연결 도중 전체 시간 내내 자원이 전적으로 할당되기 때문에 비효율적이다.

할당된 자원은 다른 연결에는 사용할 수 없다.

위와 같은 이유로 회선 교환 망의 효율은 낮지만

연결 내내 자원이 전적으로 할당되어 지연은 최소한이다.

위의 그림에서 회선 교환 망의 대기 시간은 없다.

전체 지연은 연결 설정에 소요되는 시간, 데이터 전송 시간, 해제 시간이다.

첫 번째 회색 상자의 경사는 요청이 전파되는데 걸리는 지연이고,

첫 번째 회색 상자의 높이는 요청 신호 전송 시간이다.

두 번째 회색 상자의 경사는 목적지로부터의 응답이 전파되는 시간이고

두 번째 회색 상자의 높이는 응답이 전송되는데 걸리는 시간이다.

색칠한 상자의 경사는 데이터 전송의 전파 지연 시간이고,

색칠한 상자의 높이는 데이터 전송 시간이다.

이 둘의 합이 데이터 전송 지연 시간이다.

세 번째 상자는 회로를 해제하는 데 걸리는 시간이다.

* 해당 글은 '데이터통신과 네트워킹' 책을 참고하여 작성하였습니다. 출처: 데이터통신과 네트워킹 5 (Forouzan)

[NW] 시분할 다중화 (다단계 다중화, 복수 슬롯 할당, 펄스 채워넣기)

솜.코 — Mon, 5 Jun 2023 16:08:37 +0900

데이터 전송률 관리

.

TDM의 다른 문제는 입력 측의 데이터 전송률이 다른 경우에 대한 처리이다.

데이터 전송율이 동일하지 않다면 '다단계 다중화', '복수 슬롯 할당', '펄스 채워넣기'의

세 가지 전략을 조합하여 해결할 수 있다.

다단계 다중화

.

다단계 다중화는 어느 입력의 데이터율이 다른 것들에 비해

정수 배만큼 빠를 때 사용되는 기술이다.

처음 2개의 입력을 먼저 다중화하여 다른 3개의 입력과 같은 속도로 만들 수 있다.

복수 슬롯 할당

.

복수 슬롯 할당 경우에는 단일 입력 회선에 1개보다 많은 슬롯을 할당하는 것이 효율적이다.

위의 그림은 50kbps의 입력 회선에는 2개의 슬롯을 할당하고 있다.

다중화 풀기를 끼워 넣어 하나의 입력 회선으로부터 2개의 출력 회선으로 만든다.

펄스 채우기

.

종종 발신지의 비트율이 다른 것의 정수 배가 되지 않을 수 있다.

그러므로 위의 두 기법을 사용할 수 없다.

한 가지 해결책은 가장 높은 데이터율의 입력 회선을 주 데이터율로 하고

그보다 낮은 데이터율의 입력 회선에는 공 비트를 끼워 넣어 데이터율을 높인다.

이 기술은 펄스 채우기, 비트 패딩, 비트 채우기라고 부른다.

프레임 동기화

.

TDM을 구현하는 것은 FDM을 구현하는 것처럼 쉽지 않다.

특정 채널의 비트를 잘못된 채널이 받을 수 있어

1개 또는 그 이상의 비트를 각 프레임의 앞에 끼워 넣는다.

이 비트들을 '프레임 구성 비트'라고 한다.

다중화 푸는 장치가 들어오는 채널에 보조를 맞추어

시간슬롯을 정확하게 분리해낼 수 있도록 프레임마다 일정 패턴을 따라서 만들어진다.

이 보조 맞추기 정보는 대부분 프레임당 1비트로 만드는데

위의 그림처럼 0과 1을 반복하여 섞어 쓴다.

* 해당 글은 '데이터통신과 네트워킹' 책을 참고하여 작성하였습니다. 출처: 데이터통신과 네트워킹 5 (Forouzan)

[NW] 다중화 (시분할 다중화)

솜.코 — Sun, 4 Jun 2023 21:28:56 +0900

2023.06.04 - [NW] - [NW] 다중화 (주파수 분할 다중화)

[NW] 다중화 (주파수 분할 다중화)

다중화 . 링크는 제한된 대역폭을 가지며, 대역폭을 효율적으로 사용하는 것은 중요하다. 따라서 몇 개의 저대역 채널을 묶어서 하나의 더 큰 대역의 채널을 만들 필요가 있다. 대역폭을 활용하

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시분할 다중화

.

시분할 다중화(TDM, time-division multiplexing)는 링크의 높은 대역폭을

여러 연결이 공유할 수 있도록 하는 디지털 과정이다.

FDM에서 대역의 일부를 공유하는 대신에 시간을 공유하는 것이다.

FDM처럼 같은 링크가 사용되지만, 링크는 주파수가 아닌 시간별로 구획되었다.

그림에서 1,2,3,4번 신호에 순차적으로 링크를 차지하고 있다.

이는 발신지 1로부터 오는 메시지는 목적지가 1,2,3,4 중 무엇이 되었든

그 중 하나로만 항상 전달된다는 것을 의미한다.

또한 서로 다른 발신지로부터의 디지털 데이터가 하나의 시간 공유 링크로 합쳐진다.

TDM은 여러 개의 저속 채널을 하나의 고속 채널로 조합한 디지털 다중화 기술이다.

TDM은 동기 방식과 통계 방식으로 나눌 수 있다.

동기 TDM

.

동기 TDM에서는 각 입력 연결은 데이터가 없어도 해당 출력 창구를 갖는다.

시간슬롯(또는 틈새)과 프레임

각 연결의 데이터 흐름은 단위별로 나뉘어 있고,

링크는 각 연결로부터 한 단위씩 합해서 하나의 프레임을 만든다.

한 단위의 크기는 1비트가 될 수도 있고,

1바이트 또는 하나의 데이터 블록이 될 수도 있다.

각각의 입력 단위는 하나의 출력 단위가 되어

하나의 출력 시간슬롯을 갖는다.

출력 시간슬롯 기간은 입력 시간슬롯 기간보다 n 시간만큼 짧다.

입력 시간슬롯이 T인 경우, 출력 시간슬롯은 T/n이고, n은 입력 수 이다.

즉, 출력 연결의 단위는 짧은 기간을 가져 더 빠르게 전송되는 것이다.

TDM에서는 링크의 전송률은 n배 빠르고, 단위 기간은 n배 짧다.

끼워넣기

TDM은 하나의 다중화기 쪽에서, 다른 하나의 다중화를 푸는 장치 쪽에서

매우 빠르게 도는 스위치로 표시할 수 있다.

다중화기 쪽에서는 스위치가 연결 앞에서 열리게 되며,

그 연결이 경로에 한 단위를 전송할 기회를 얻는다.

이 과정을 '끼워넣기'라고 한다.

빈 슬롯

동기 TDM은 발신지가 전송할 데이터가 없으면 출력에서의 해당 슬롯은 비게 되어

효율적이지 못하다.

위의 그림에서 입력 회선 중 하나가 전송할 데이터가 전혀 없으며 남은 입력 회선 하나는

비연속적인 데이터를 갖는 경우이다.

출력 프레임의 어떤 프레임도 다 차지 못했다.

이와 같이 빈 슬롯을 제거하여 효율을 높일 수 있는 방법이

통계적 TDM이다.

통계적 TDM

.

동기 TDM에서는 각 입력 회선은 출력 프레임에 예약된 슬롯을 가지고 있다.

통계적 TDM에서는 대역폭 효율을 높이기 위해 슬롯은 동적으로 할당된다.

입력 회선이 전송할 만한 충분한 데이터가 있는 경우에만

출력 프레임의 슬롯을 할당받는다.

통계적 다중화에서는 각 프레임의 슬롯 수는 입력 회선의 수보다 적다.

동기 TDM은 입력과 출력 사이에 미리 지정된 관계로 인해 주소가 필요 없는데

통계적 TDM의 경우에는 미리 할당되거나 예약된 슬롯이 없기 때문에

주소를 각 슬롯에 넣어주어야 한다.

통계적 TDM에서 슬롯은 데이터 및 주소를 같이 실어나르므로

주소에 대한 데이터의 상대적 비율이 전송을 효율적으로 할 만큼 커야 한다.

예로 1비트를 전송하기 위해 3비트 주소를 사용하는 것은 비효율적이다.

* 해당 글은 '데이터통신과 네트워킹' 책을 참고하여 작성하였습니다. 출처: 데이터통신과 네트워킹 5 (Forouzan)

[NW] 다중화 (주파수 분할 다중화)

솜.코 — Sun, 4 Jun 2023 20:27:32 +0900

다중화

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링크는 제한된 대역폭을 가지며, 대역폭을 효율적으로 사용하는 것은 중요하다.

따라서 몇 개의 저대역 채널을 묶어서 하나의 더 큰 대역의 채널을 만들 필요가 있다.

대역폭을 활용하는 방법은 다중화와 확장이 있다.

다중화에서 목표는 효율성이며, 여러 개의 채널을 모아 하나의 채널을 만드는 것이다.

두 장치를 연결하는 매체의 대역폭이 두 장치가 필요로 하는 대역폭보다 클 경우,

언제든지 링크를 공유할 수 있다.

이처럼 다중화는 단일 링크를 통하여 여러 개의 신호를 동시에 전송할 수 있도록 한다.

다중화된 시스템에서는 n 개의 장치가 단일 링크의 대역폭을 공유한다.

왼편에 있는 4개의 장치는 전송할 데이터 스트림을 다중화기로 보내고,

다중화기는 스트림들을 1개의 스트림으로 조합한다. (다-대-일)

송신단은 이 스트림을 다중복구기(DEMUX, demultiplexer)로 보내고,

다중복구기는 이 스트림을 각 요소별로 분리하여 해당 선로로 보낸다. (일-대-다)

링크는 물리적 경로를, 채널은 주어진 한 쌍의 장치들 사이의 전송을 위한 하나의 경로이다.

하나의 경로에는 여러 개의 채널이 있을 수 있다.

신호는 주파수 분할 다중화(FDM), 시분할 다중화(TDM), 파장 분할 다중화(WDM)

세 가지 기법을 사용하여 다중화한다.

앞의 두 가지는 아날로그 신호, 세 번째 것은 디지털 신호를 위한 것이다.

주파수 분할 다중화

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주파수 분할 다중화(FDM, frequency-division multiplexing)는 전송되어야 하는 신호들의 대역폭을 합한 것보다

링크의 대역폭이 클 때 적용할 수 있는 아날로그 기술이다.

FDM은 아날로그 신호를 조합하는 아날로그 다중화 기술이다.

다중화 과정

각 소스는 유사한 주파수 범위의 신호를 만든다.

이 유사한 신호들은 다중화기 내부에서 다른 반송 주파수로 변조된다(f1, f2, f3).

그 결과 만들어진 변조 신호들은 하나의 복합 신호로 결합되어

이 신호를 수용하기에 충분한 대역폭을 가진 매체 링크를 통해 전송된다.

다중화 복구 과정

다중 복구기는 다중화된 신호를 구성 요소의 신호들로 분리해내기 위해 일련의 필터들을 사용한다.

각 개별적인 신호를 넘겨받은 복조기는 반송파로부터 신호만 불리하여 수신 장치로 보낸다.

음성 채널이 4kHz의 대역폭을 차지하고, 주파수 20kHz에서부터 32kHz에 걸친 대역폭을

사용하는 링크를 통해 3개의 음성 채널을 합해서 보낸다고 하자.

각각 100kHz의 대역폭을 갖는 5개의 채널을 함께 다중화해서 보낸다.

만일 서로 간의 간섭을 피하기 위해 채널 사이에 10kHz의 보호 대역이 필요하다면

최소 5 X 100 + 4 X 10 = 540kHz의 대역폭이 필요하다.

채널들은 신호가 겹치지 않게 하기 위해 사용하지 않는 대역폭만큼 서로 떨어져야 한다.

이 대역폭을 '보호 대역'이라 한다.

4개의 디지털 데이터 채널이 1MHz의 채널을 사용하여 각각 1Mbps의 전송속도로 전송한다면

아래와 같이 설계할 수 있다.

1MHz를 4개의 채널로 나누면 각각 250kHz 대역폭을 갖을 수 있다.

아날로그 반송파 구조

낮은 대역폭의 회선들을 높은 대역폭의 회선들로 다중해 왔는데

같은 방법으로 많은 교환회선 또는 전용회선들이 적은 수의 더 큰 채널로 합쳐질 수 있다.

위의 아날로그 계층구조에서는 12개의 음성채널이

1개의 더 높은 대역폭을 갖는 회선으로 다중화되어 그룹을 형성한다.

계층 시스템 중 하나는 그룹, 상위그룹, 주 그룹, 초대형 그룹으로 구성된다.

* 해당 글은 '데이터통신과 네트워킹' 책을 참고하여 작성하였습니다. 출처: 데이터통신과 네트워킹 5 (Forouzan)

[NW] 디지털 전송 (디지털 변환, 표본 채집률, 부호화)

솜.코 — Sun, 4 Jun 2023 19:24:28 +0900

디지털 전송

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데이터 전송률

1초당 전송된 데이터 요소의 개수로 정의하며 단위는 초당 비트 수(bps)이다.

신호 전송률

1초당 전송된 신호 요소의 개수이며 단위는 보(baud)다.

데이터 전송률은 비트율이라고도 하며,

신호율은 펄스율, 변조율, 보율이라고도 한다.

데이터 통신은 신호 전송률을 낮추면서 데이터 전송률을 높여야 한다.

데이터율을 높인다는 것은 전송 속도를 높이는 것이고,

신호율을 낮춘다는 것은 대역폭 요구량을 줄인다는 것이다.

아날로그 - 대 - 디지털 변환

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아날로그를 디지털 신호로 바꾸는 기법 중 펄스 코드 변조와 델타 변조가 있다.

펄스 코드 변조

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가장 널리 사용되는 기법이 펄스 코드 변조(PCM, Pulse code modulation)이다.

PCM 부호화기는 아래 세 과정을 갖는다.

1	아날로그 신호를 채집한다.
2	채집된 신호를 계수화한다.
3	계수화된 값을 비트 스트림으로 부호화한다.

채집

PCM의 첫 단계는 채집(sampling, 샘플링)이다.

아날로그 신호가 매 Ts초마다 채집된다. 여기서 Ts는 채집 기간 또는 채집 주기이다.

채집 주기의 역은 채집률 또는 채집 주파수라고 하며 fs로 표시한다.

여기서 fs는 이상적, 자연적, 꼭지치기인 세 가지 채집 방법이 있다.

이상적 채집은 아날로그 신호로부터 펄스를 채집한다.

이상적이지만 구현이 쉽지 않다.

자연적 채집은 고속 교환기가 채집이 일어나는 짧은 시간 동안만 잠시 켜지게 된다.

그 결과로 아날로그 신호의 모양을 유지하는 일련의 채집량이 생긴다.

가장 흔한 채집 방법은 채집 후 유지라고 불리는데,

이는 전기 회로를 사용하여 꼭지치기 채집량을 만들어낸다.

채집 과정은 때로 펄스 진폭 변조(PAM, Pulse amplitude modulation)라고도 불린다.

이 결과로 생긴 것은 여전히 정수 값이 아닌 값을 갖는 아날로그 신호이다.

표본 채집률

나이퀴스트 정리에 따르면, 원래의 아날로그 신호를 재생하기 위한 한 가지 필요조건은

채집률은 원래 신호가 갖는 최대 주파수의 최소한 두 배가 되어야 한다는 것이다.

신호가 대역 제한적이어야만 신호를 채집할 수 있다.

즉, 무한 대역폭을 갖는 신호는 채집할 수 없다.

채집률은 대역폭이 아니라 가장 높은 주파수보다 최소한 두 배가 되어야 한다.

아날로그 신호가 저대역-통과 신호라면 대역폭과 최고 주파수는 같다.

아날로그 신호가 띠대역 통과 신호라면 대역폭 값은 최대 주파수 값보다 낮다.

부호화

PCM의 마지막 단계는 '부호화'이다.

각 표본이 계수화되고 표본당 비트 수가 정해진 이후에는 각 표본이 nb비트의 부호로 바뀌는 것이다.

계수화 준위 개수가 L이면 비트 수는 nb = log₂L이다.

비트율은 다음 식으로부터 구할 수 있다.

* 해당 글은 '데이터통신과 네트워킹' 책을 참고하여 작성하였습니다. 출처: 데이터통신과 네트워킹 5 (Forouzan)

[NW] 대역폭, 처리율, 지연, 대역폭-지연 곱

솜.코 — Sun, 4 Jun 2023 17:27:07 +0900

대역폭

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대역폭은 두 가지 다른 값을 측정할 수 있다.

하나는 Hz를 단위로 하는 대역폭이고, 하나는 초당 비트 수이다.

헤르츠 단위의 대역폭

복합 신호에 포함된 주파수 영역 또는 채널이 통과시킬 수 있는 주파수 영역이다.

비트율 단위의 대역폭

대역폭은 채널이나 링크 또는 네트워크가 통과시킬 수 있는

초당 비트 수를 일컬을 때가 있다.

예로 고속 이더넷의 최대 100Mbps의 대역폭을 갖는다고 말할 수 있다.

이는 네트워크가 100Mbps로 전송할 수 있다는 것이다.

헤르츠 단위의 대역폭이 늘어나면 비트율 단위의 대역폭도 늘어난다.

처리율

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처리율은 어떤 지점을 데이터가 얼마나 빠르게 지나가는가를 측정하는 것이다.

대역폭과 동일해 보이나 다르다.

어느 링크가 B bps의 대역폭을 가질 수 있으나

이 링크를 사용하여 항상 B 보다 작은 T bps의 처리량만 가능한 것이다.

즉, 대역폭은 링크의 잠재 성능 측정치이며,

처리량은 얼마나 빠르게 데이터를 전송할 수 있는지 실제 전송 속도인 것이다.

어느 지점에서 다른 지점으로 매분 1000대의 차량을 통과 시키도록 설계된 고속도로에서

도로에 정체가 생긴다면 이 숫자가 매분 100대로 떨어질 수 있는 것이다.

매분 1000대가 대역폭이지만 처리량은 매분 100대인 것이다.

만약 대역폭 10Mbps의 네트워크가 오직 매분 평균 10000비트로 되어 있는

12000개의 프레임만을 통과시킨다면

네트워크의 처리율은 (12000 X 10000) / 60 = 2 Mbps 이다.

즉, 처리율은 대역폭의 5분의 1에 그친다.

지연

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지연은 발신지로부터 첫 번째 비트가 목적지를 향해 떠난 후에

온전히 전체 메시지가 모두 목적지에 도착할 때까지 소요된 시간이다.

지연은 전파 시간, 전송 시간, 큐 시간, 처리 시간의 네 가지 요소로 구성된다.

지연 = 전파 시간 + 전송 시간 + 큐 시간 + 처리 시간

전파 시간

전파 시간은 비트가 발신지로부터 목적지까지 이동하는데 소요되는 시간이다.

전파 시간 = 거리 / 전파 속도

전송 시간

첫 번째 비트가 떠난 후 마지막 비트가 도착한 시간이다.

전송 시간은 메시지의 크기와 채널의 대역폭에 좌우된다.

전송 시간 = 메시지 크기 / 대역폭

큐 시간

도중 또는 종단 장치들이 메시지를 처리하기 전까지 메시지를 가지고 있는 시간이다.

라우터와 같은 도중의 장치는 메시지를 큐에 받아 주고

한 번에 하나씩 처리하여 메시지가 많으면 기다려야 한다.

대역폭-지연 곱

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대역폭과 지연은 링크의 두 가지 성능 지표이다.

두 요소의 곱이 대역폭-지연 곱이다.

대역폭 1bps의 링크가 있다고 하고 링크의 지연 시간이 5초라고 가정하자.

위의 그림에서 이 곱인 1 X 5는 링크를 채울 수 있는 최대의 비트 개수이다.

링크에는 5개보다 많은 비트가 존재할 수 없다.

다음은 대역폭이 5bps인 링크를 가정하자.

위의 그림은 최대 5 X 5 = 25개의 비트가 회선에 있을 수 있다.

그 이유는 매초 5개의 비트가 회선에 있게 되며

각 비트 시간은 0.2초이기 때문이다.

위 두 가지 경우에서 보듯 대역폭과 지연의 곱은 링크를 채울 수 있는 비트의 수다.

링크의 최대 용량을 이용하기 위해서는 대역폭과 지연의 곱의 2배 크기로

데이터를 덩어리로 모아 보내야 하는데

이는 전이중(양방향) 채널을 가득 채워 보낼 때 최대 용량을 사용하는 것이기 때문이다.

즉, 2 X 대역폭 X 지연은 링크를 가득 채울 수 있는 양이다.

* 해당 글은 '데이터통신과 네트워킹' 책을 참고하여 작성하였습니다. 출처: 데이터통신과 네트워킹 5 (Forouzan)

[NW] 디지털 신호 (비트율, 전송장애, 데이터 전송률)

솜.코 — Sun, 4 Jun 2023 16:59:41 +0900

디지털 신호

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디지털 신호에서 데이터는 1은 양전압으로, 0은 제로 전압으로 부호화될 수 있다.

디지털 신호는 2개보다 더 많은 준위를 가질 수 있다.

위의 그림에서 a에서는 준위마다 1비트를

그림 b에서는 준위마다 2비트를 보낸다.

일반적으로 신호가 L개의 준위를 가지면 각 준위는 log₂L개의 비트를 보낸다.

비트율

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대부분의 디지털 신호는 비주기적이어서 주기나 주파수를 사용할 수 없다.

주파수 대신 비트율을 사용하는데

'비트율'은 시간당 비트 간격의 개수이다.

즉, 1초 동안 전송된 비트의 수를 의미하고, 일반적으로 bps라고 표현된다.

만약 텍스트 자료를 매초당 100페이지를 다운로드 받아야 한다면

채널당 필요 대역폭을 구한다면

각 페이지는 줄당 80개의 문자로 된 24개 줄로 되어 있고,

각 문자당 8비트를 필요로 한다고 가정한다면

비트율은 100 X 24 X 80 X 8 = 1536Mbps이다.

비트 길이

하나의 사이클이 차지하는 거리인 파장과 비슷하게 디지털 신호에서는

한 비트가 전송 매체를 통해 차지하는 길인 비트 길이를 정의한다.

비트 길이 = 전파 속도(Propagation Speed) X 비트 시간(Bit Duration)

디지털 신호는 무한대 대역폭을 갖는 복합 아날로그 신호이다.

전송장애

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신호가 매체를 통해 전송될 대 장애가 발생한다.

이것은 신호가 매체의 시작과 끝에서 같지 않음을 의미한다.

보통 감쇠, 일그러짐, 잡음이라는 세 종류의 장애가 발생한다.

감쇠

감쇠는 신호가 매체를 통해 이동할 때 매체의 저항을 이겨내기 위해서는 약간의 에너지가 손실된다.

이러한 손실을 줄이기 위해 신호를 증폭시키는 증폭기가 사용된다.

데시벨

신호의 손실된 세기나 획득한 세기를 보이기 위해 데시벨이라는 개념을 사용한다.

데시벨은 2개의 다른 점에서 두 신호 또는 하나의 상대적 세기를 측정한다.

신호가 감쇠되면 음수이고, 증폭되면 양수이다.

일그러짐

일그러짐은 신호의 모양이나 형태가 변하는 것을 의미한다.

일그러짐은 복합 신호를 발생시키거나 다른 주파수의 신호를 만든다.

잡음

잡음은 열 잡음, 유도된 잡음, 혼선 그리고 충격 잡음과 같은

여러 형태의 잡음은 신호를 변화시킨다.

신호-대-잡음 비 (SNR)

비트율의 한계를 알기 위해서는 잡음의 전력에 대한 신호 전력의 비를 알아야 한다.

SNR은 실제로 원하지 않는 것(잡음)에 대한 원하는 것(신호)의 비이다.

높은 SNR은 신호가 잡음에 의해 덜 망가진다는 것을 의미한다.

만약 신호의 전력이 10mW이고 잡음의 전력이 1µW이면

SNR 값과 SNR(db)의 값은 아래와 같다.

SNR = (10000µW) / (1µW) = 10000

SNR(db) = 10log10⁴ = 40

데이터 전송률

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데이터 전송률을 계산할 수 있는 두 가지 이론적 수식은 아래와 같다.

무잡음 채널 : 나이퀴스트 비트율

잡음이 없는 채널의 경우에는 나이퀴스트 비트율이

이론적인 최대 전송률을 정의한다.

잡음이 있는 채널 : 섀넌 용량

실제에서는 무잡음 채널은 없다.

잡음이 있는 채널의 경우에는 섀년 용량이

최대 전송률을 정의한다.

* 해당 글은 '데이터통신과 네트워킹' 책을 참고하여 작성하였습니다. 출처: 데이터통신과 네트워킹 5 (Forouzan)