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CSE/데이터 통신

[데이터 통신 1강] 데이터 통신의 기본 개념

by 뜨거운 개발자 2023. 10. 27.

  • 데이터 통신과 데이터 네트워크의 기본을 다루는 강의가 될 것 입니다.
  • 데이터 통신 강의는 OS와 커널 아래쪽에 있는 통신에 대해서 다룰 것이어서, Driver나 하드웨어단에서 발생하는 일을 다룹니다.
    • 상위 계층은 네트워크 통신 시간에 배울 예정.
🧑🏻‍💻
이 게시물은 앞으로 배울 데이터 통신을 배우기 전에 미리 알아두면 좋을 것들과 전체적인 개념을 다루고 가는 게시글입니다.

용어 정리 및 기본 개념

정의

🤖
데이터 통신이란 정보를 주고 받는 것.

용어

information : 정보의 가치를 의미

data : information을 전달하는데 사용. → 0과 1로 표현될 수 있는 정보이다.

telecommunication : 원거리 디바이스 간의 통신

transmission media : data를 주고받는데 사용하는 도구

데이터 통신은 data를 두 기기 사이에 transmisson media를 통해서 주고 받는 것이다.

(대표적인 LAN Cable -> wired/guided, 5G,wifi -wireless/unguided)

데이터 통신의 5가지 컴포넌트

  1. Sender(Transmitter = Tx)

    유선 : sender/destination (대표 프로토콜 ethernet)

    무선 : Transmitter/Receiver(대표 프로토콜 5G, Wifi, Bluetooth)

  1. Receiver (Rx) : 수신자.
  1. communication medium : 통신 매체
  1. Message (Data, Frame, Packet) : 우리가 통신할 때 주고 받아야 할 메시지
  1. Protocol(규약) : 어떤 식으로 소통할지 데이터를 주고 받는 약속, 통신의 약속, 절차적인 규약도 포함.

Data Representation

data representaion : 데이터를 나타내기 위한 방법

info를 나타내기 위해서 처리하는 방식에 대해서 표현한 것이다.

  1. Text
    • 채팅 등에서 사용
    • encoding이나, 어떤 언어로 통신할지 등을 정합니다.
    • ex) ASCII, Unicode
  1. Numbers : binary number로 변환
  1. Images
    • bit map file (bmp) → RGB(1 pixel : 24bit)
    • 손실 압축 → jpeg
    • 비 손실 압축 : 원래 데이터로 항상 변경 가능 → PNG
  1. Audio : recoding 이나, 소리나, 음악을 broadcasting 하는 것
  1. Video : npack4,streaming → 영상처리

Data Flow

두개의 디바이스간 통신의 종류

  1. 단방향 : simplex (방송)
  1. 양방향 : duplex
    1. half-duplex : 한번에 한명씩 (워키토키)
    1. Full-duplex: 한번에 둘 다 가능 (모든게 서로 연결)

Protocol

  • Human Protocol : 문화
  • Network Protocol : 통신 규약
    • 표준문서 Specification documantion에 적혀있다.
    • 각 field에 어떤걸 넣을지 정의해 놓은 것을 spec이라고 부릅니다.
    • format,order,action을 정의

네트워크를 구성하는 컴포넌트

네트워크가 필요한 이유

👨🏻‍💻
가까이 있다면 직접 연결하면 되지만 멀리 있다면 중간에 뭔가를 지나야 하기 때문에 네트워크가 필요한 것입니다.
  • data통신 : 디바이스간 이루어지는 모든 통신
  • network : data통신 간 이것 저것 거치는 것
  • Communication links : Fiber(광 캐이블), copper(구리선), ratdio(무선) staellite(위성)
    • 링크를 통해서 통신 하기 위해선 data rate가 잘 나와야 한다.
    • 링크 별로 data rate가 있을 수 있다.
    • Transmission rate(bandwidth) (전송 속도: 대역폭)

Bandwidth

👨🏻‍💻
대역폭(bandwidth)란 일정한 시간 내에 데이터 연결을 통과할 수 있는 정보량의 척도이다.
  • 컴퓨팅에서 사용가능 하거나 소비된 정보 크기의 bit rate와 밀접한 연관이 있다.
    • Bit rate는 일반적으로 초당 몇비트로 표현이 됩니다. (Mbps, Gbps)
  • 대역폭 (bandwidth)는 특정한 기능을 수행할 수 있는 주파수의 범위로 헤르츠 단위로 측정됩니다.
    • 통신의 자료 전송률(data rate)와 통신에 사용되는 주파수 범위에 밀접하게 연관된다.
  • bandwidth라는 용어는 통신 시스템의 자료 전송률 또는 주파수 범위 를 말합니다.
    • 즉 bandwidth는 한가지로 정의하기 힘든 개념입니다.
  • 컴퓨팅에서 대역폭은 주어진 경로를 통한 데이터 전송의 최대 속도로 불리기도 합니다.

네트워크 구성

  1. Network edge : 네트워크의 종단을 의미
    • Host를 의미합니다. (client or server)
    • Host (end system) : 연결되어 있는 수많은 디바이스
    • 네트워크 엣지와 엣지 네트워크는 다르다. (끝에 있는 네트워크)
  1. Access network : 호스트가 직접 접근하는 네트워크
    • Wired, wireless communication links (유/무선 통신 링크)
    • 대부분 KT나 SKT 같은 ISP(internet Sevice Provider) 가 엑세스 네트워크를 제공합니다.
  1. Network core
    • Interconnected routers : 상호 연결된 라우터 (TCP/IP 연결 예시)
    • 네트워크 코어란 네트워크의 네트워크들이다.
    • 네트워크 코어는 전체 네트워크 시스템의 중앙에 위치하여 데이터를 전송하는 핵심적인 역할을 한다.
    • 네트워크 코어의 구조는 'Mesh of interconnected routers' 즉, 수많은 라우터들이 그물처럼 얽혀있는 구조라고 보면 된다. (상호 연결된 라우터들의 메시)
    • 네트워크 코어에서 패킷을 교환하는 것을 Packet switching 이라 하는데, 이는 다음과 같은 특징을 가진다.

      1) 패킷(Packet)은 데이터를 보내는 단위이다.

      2) 패킷은 store-and-forward 방식으로 전송된다.

      각 패킷은 최대 링크 용량으로 전송됩니다.

      이는 라우터가 하나의 패킷을 다 받고, 그 다음에 전송하는 방법이다.

      3) 만약 라우터에 들어오는 패킷 양이 나가는 패킷 양보다 많으면, queue 형태로 쌓인다.

    • 네트워크 코어의 핵심기능
      1. Forwarding : 라우터의 input으로 들어오는 패킷을 올바른 output으로 보내는 기능 (forwarding table을 읽어서)
      1. Routing : 패킷이 어디로 갈지 판단하는 과정. 즉 forwarding table를 만드는 과정이다. 라우팅 알고리즘으로 판단한다.
  1. Network of networks

    end system은 access network가 필요하고, 이 때 ISP가 access network를 제공한다.

    이런 ISP끼리도 서로 상호 연결되어 있는데, 이를 Network of network 형태라고 말한다.

    세계 각국의 ISP 끼리 모두 직접 연결되어있으면 가장 명확하지만, 거리문제도 있고 비효율적이기 때문에 가운데 global ISP를 두고 각국의 ISP가 global ISP에 연결하는 형태로 많이 활용된다.

    ISP들도 규모에 따라 티어가 나뉘어져 있으며, 구글같은 대규모 회사의 경우 자체망을 가지고 있는 경우도 존재한다.

데이터 전송형태

데이터는 packet의 형태로 보냅니다.

  • 우리가 통신을 할 때 개인 노선이 아닌 공유노선을 사용 하므로 사용하지 않을 때는 그것을 점유하지 않습니다.
  • 공평한 통신을 위해 packet의 점유시간을 너무 오래 가지지 않도록 하는 약속이 있습니다.
  • 이러한 방식으로 통신 하는 것을 packet 방식으로 통신하는 것입니다.

라우터

라우터는 디바이스가 네트워크를 통해 동종 네트워크간이던, 소속이 다른 네트워크던 간에 서로 연결해서 데이터를 공유할 수 있도록 해줍니다.

라우터를 이용해서 이더넷과 5G도 소통을 할 수 있게 만듭니다.

라우터의 주요한 기능은 패킷이 네트워크를 이동하는 데 가장 효율적인 라우팅 경로를 결정하는 것입니다.라우팅 알고리즘 : 네비게이터와 동일한 알고리즘을 사용하고 있습니다.

Access Networks and Physical Media

Access Networks란

👨🏻‍💻
Access Networks : 우리가 접속하는 네트워크 ⇒ 최종 호스트가 직접 접속할 수 있는 네트워크
  • Residential access networks : 거주지 주변 네트워크
  • Institutional access networks (school, company) : 사내망
  • Mobile access networks (5G 같은 망)
  • Access Network의 성능척도 : data rate를 얼마만큼 지원하는가
  • Physical Media: Access Networks를 형성하기 위해서 필요한 중간 통신 미디어
    • Physical Media에 따라서 데이터 전송 속도가 달라진다.

Access Networks의 종류

1. HomeNetwork

  • 주로 집에서 사용하는 home Network는 Wifi Ap를 통해서 거의 연결이 된다.
  • 유무선 공유기로 통합.
  • HomeNetwork도 결국 아파트의 Gateway를 가기 위해서 Ethernet 통신을 하게 됩니다.

2. Enterprise Access Networks

  • 사내망 : 주로 이더넷을 통해서 연결을 진행함.
  • 무선, 유선 다 사용
  • 이더넷은 간단하게 말하면 LAN캐이블로 통신하는 것을 말한다고 일단 이해하고 넘어갑시다.
  • Ethernet의 transmission rates : 10 Mbps, 100Mbps, 1Gbps, 10Gbps
  • 인터넷 망은 대부분 유선망인데, 인터넷은 이더넷 케이블이 아니라 LAN Cable Fiber(광섬유 케이블) 입니다.
  • 우리나라 같이 인터넷이 발달 된 지역은 Fiber로 주로 연결이 되어있습니다.
    • 외국은 전화선을 이용하기도 합니다.
    • Fiber가 지원이 되도록 Ethernet Protocol이 정의가 되어있다. (Fiber는 프로토콜의 연결하는 매체중의 하나일 뿐이다.)

Wireless Access Networks

  • 무선 접속망에서는 Wifi ap(access potint)에 접속을 진행합니다.
  • 5G에서 AP역활을 하는 것을 Base station(기지국)이라고 부릅니다.
    • 사실 base station용어의 표준은 (3G→ NB LTE → ENB, 5G → GNB) 이다. (NB 는 Node B)
    • 하지만 Base station 이라는 용어로 통한다.
  • telco 란 기존에 전화망을 가지고 있던 사업자 (대한민국에서는 kt)
    • telco가 주로 유무선 통합망을 가지고 있습니다.
    • 여담 : sk 는 원래 무선회사, kt는 원래 유선 회사였다. 요즘은 다 유무선 통합망을 가지고 있다.
  • cellular : 흔히 무선망을 이야기 한다.
    • 여담 : 원래 기지국을 설계할 때 육각형 모양으로 설계해서 하나의 공간을 cell이라고 부르다가 오늘날의 cell phone이 되게 된 것이다.
  1. Wireless LANs : within building

    ex) WiFi

  1. Wide-area wireless access : Provided by telco (cellular) operator

    ex )4G(LTE-Adv), 5G, 5G-Adv, 6G

Physical Media (Medium) (복수/단수)

Access Network간 연결을 할 때 사용하는 것이라고 이해.

Access Network에 연결되기 위해서는 통신매체가 필요한데 그것들의 종류 중 Bit가 있습니다.

  • 송신기와 수신기 사이에 0과 1을 보냅니다.

physical link를 통해서 보낸다.

Guided media : 유선을 의미

  • Twisted pair (TP/UTP)(100Mbps)
    • 구리선에 피복이 있고 그걸 2개로 꼰 것을 부릅니다.
    • Unshielded twisted pair(UTP) 이건 쉴드가 없기 때문에 값이 쌉니다.
    • 다만 외부의 영향을 많이 받습니다.
    • 전류 작동방식이어서 속도가 느리다.
    • 선이 두가닥인 이유는 양방향 통신을 하고 싶어서 그래서 전화선은 보통 한가닥이다.
  • Coaxial cable (1Gbps)

    동적 케이블 : 케이블 TV

    이건 무선과 비슷하게 작동합니다.(전자기파를 통해서 보냄) → 따라서 속도가 빠릅니다.

  • Fiber optic cable(1Tbps)

    광케이블은 상당히 쌉니다.

    다만 비싼 이유는 전자기 디바이스는 광 신호를 이해할 수 없기 때문에 광신호를 전자기 신호로 바꾸는 게 비싸서 광케이블이 비싼겁니다.

    따라서 망을 설치할 때는 광케이블로 하고 end system에서 Gate way로 오는 것까지는 LAN으로 하고 GateWay에서 광신호를 전자기 신호로 변경하는 작업을 합니다.

  • unguided media: 무선을 의미
    • Radio : 다양한 대역이 존재 → 대역별 가격이 다름
    • 무선은 기본적으로 제약이 없기 때문에 간섭만 잘 관리해주면 양방향 통신에 문제가 없다.
    • Propagation environment effects : Reflection(반사), Obstruction by objects(물체에 의한 방해), Interference(간섭)
  • Radio link type :
    • 개인 영역 네트워크 PAN(bluetooth),
    • 근거리 통신망 LAN(wifi)
    • 광역 네트워크 WAN(cellular)
    • 위성 Satellite(starlink)


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