전자기 신호가 어떠한 매질을 통해서 전달되는지를 이야기하는 챕터입니다.
상식적인 수준에서 내용을 소개한다고 보시면 됩니다.
Transmission Media
- Transmission media : 데이터를 전송하는데 지나가는 매질을 말합니다.
- 크게 무선과 유선으로 나뉩니다.
- 전기 신호를 이용한 장거리 통신
- 19세기 모스의 전신 발명으로 시작되었습니다.
- 전보를 통한 통신은 느리고 금속 매체에 의존했습니다
- 사람의 목소리
- 전화는 1869년에 발명되었습니다
- 무선 통신
- 1895년 헤르츠가 고주파 신호를 전송할 수 있게 되면서 시작되었습니다
- 나중에 마르코니는 대서양을 통해 전신으로 메시지를 전송하는 방법을 고안했습니다.
전송 미디어의 종류
크게 유선과 무선으로 나뉘는데 유선을 Guided 라고 무선을 Unguided라고 부르기도 합니다.
- 구리선은 꼬아서 만듭니다.
- Coaxial 는 IP TV 등 안테나 등 그 때 사용됩니다.
- 위의 두개는 전자기 파를 전달합니다.
- Fiber-optic cable : 광섬유 입니다.
무선 같은 경우 Radio Wave는 현재 사용하고 있는 대역보다 더 저주파입니다.
Microwave가 적외선입니다. (초기 와이파이는 포함헀다. )
적외선의 특징 : 대체로 물질을 통과시키지 못합니다.(리모콘)
Guided Media
- twisted table → UTP 캐이블 즉 일반적으로 LAN캐이블 생각하면 됩니다.
- LAN캐이블은 회색 피복이 있는데 보통 8가닥의 구리선이 있습니다.
- 이걸 더 성능이 좋게 만드는 것을 STP라고 합니다.
- 간섭신호는 외부에서 들어오는 겁니다.
- STP가 더 비쌉니다.
- Fiber 자체는 싼데, 컴버터가 비쌉니다.
Twisted-Pair Cable
- 한가닥 구리선이 아닌 이유는 양방향을 위해서 입니다.
- 전압이란 두가닥의 선이 전위차를 말합니다.
- 그렇기에 평행하게 놓여있으면 간섭을 받는 것이 균등하게 분배되지 않기 때문에 수신측에서 구분이 어려워집니다.
- 따라서 많이 꼴 수록 성능이 좋아지고 좋아집니다.
- UTP 캐이블 같은 경우 대부분 LAN캐이블 입니다,차폐되지 않은 트위스트 페어(UTP).
가장 일반적인 트위스트 페어 케이블
- STP 같은 경우 금속 케이스는 노이즈나 누화가 침투하는 것을 방지하여 케이블의 품질을 늘리지만 부피가 커지고 비용이 많이 듭니다.
UTP 케이블 카테고리
- 7가지 카테고리로 분류
- Cat1: 비틀어지지 않음 (옛날 전화선)
- CAT2 : 토큰 링 네트워크
- Cat3,4,5: 4쌍 (4 Pair)
- Cat5: 더 많은 트위스트 → 시중에서 가장 많이 사용 Cat5e (캐이블이 짧을 수록 성능이 좋음)
- 1GBps
- Cat6: 네 쌍 사이의 physical separator (플라스틱 형태의 심)
- Cat7: 추가 케이블 쉴드
커넥터
꼬여있는 가닥을 풀어서 커넥터에 끼워주면 됩니다.
- 커넥터들도 카테고리별로 다르게 호환됩니다.
- 일반적인 LAN캐이블을 컴퓨터들 사이에 꽂아도 서로 통신이 되지 않습니다.
- 따라서 첫번째 포트는 무조건 송신선이기 때문에 송신 포트가 송신에 꽂히기 때문에 안되는 것 입니다.
- 즉 그래서 공유기 같은 게 필요합니다.
- 만약 다이렉트로 통신하고 싶다면 CROSSOVER 캐이블을 사용하면 됩니다.
실제 LAN 캐이블은 허브가 crossing을 해줍니다.
- 여기서 Gayge가 크면 클수록 두깨는 더 작아집니다.
- 게이지란 와이어의 두께를 측정하는 척도입니다
- 즉 게이지가 작아질 수록 두꺼워지고 두꺼울 수록 성능이 더 좋습니다.
- 해당 그래프는 y축이 클수록 성능이 나쁩니다.
- 구리는 많아봤자 1Mhz정도로 밖에 못합니다.
- 구리선은 긴 거리로 사용할 수 있지만, data rate를 1mbps로 만들고 구리선은 길게 가져가지 못한다는 특징이 있습니다.
사용 예시
전화 선으로, 또는 LAN에서 가장 많이 사용됐습니다.
과거에는 인터넷을 전화 선으로 하기도 했습니다.
- 그것을 DSL line이라고 합니다.
- Local loop
Coaxial Cable
- 트위스트 페어 케이블보다 높은 주파수 범위의 신호를 전달합니다.
- 철면 피복으로 둘러싸인 단선 또는 연선(일반적으로 구리)의 중앙 코어 도체, 금속호일 등의 조합으로 이뤄진 외부 도체로 둘러싸여 있습니다.
- 주로 케이블 tv에서 많이 사용
- 두개의 도체 사이에 전자기파를 형성해서 보내기 때문에 무선과 같은 형태로 보내지게 됩니다.
- 따라서 일반적인 주파수보다 더 높은 주파수에서 보낼 수 있다.
- 카테고리
tv뿐 아니라 고속 인터넷에서도 사용
- 대한민국 같은 경우 광통신을 사용해서 상당히 유리하다.( 그 이후로 동축 케이블을 딱히 큰 주목 못받음)
커넥터
하나의 라인을 2개의 라인으로 분배 가능합니다.
성능
- 높은 대역폭이 있지만 감쇄가 더 심합니다.
- 따라서 중간중간 repeater들을 설치해야 한다.
대표적 사용 예시
아날로그 TV, 아날로그 전화
- 도심에서는 거의 다 광섬유 케이블로 교체됐습니다.
Fiber-Optic Cable
- 밀도가 높은 매질일수록굴절률이 더 큰것을 이용합니다.
- 굴절률이 높을 수록 빛의 속도가 더 느려진다.
- 임계 각도를 넘어가게 되면 밀도가 높은 물질에서 갇히게 됩니다.
광섬유
전파 모드
- 멀티모드
광원에서 나오는 여러 광선이 서로 다른 경로로 코어를 통과합니다.
첫번째 그림을 보면 서로 다른 신호의 간섭이 발생해서 왜곡 되는 것을 볼 수 있습니다.
두번째 그림은 가운데 빛의 속도를 조금 느리게 하고 왜곽에서는 빠르게 가도록 굴절률을 잘 조절해주면 조금 더 왜곡을 줄이고 성능을 더 좋게 할 수 있습니다.
세번째 그림은 싱글모드인데 더 비쌉니다.
왜냐면 멀티모드는 더 큰 크기여서 조금 덜 정교해도 되는데 싱글모드는 크기가 작아서 돈이 버 많이 듭니다.
광섬유의 크기
구리는 굽혀도 괜찮지만 광섬유는 굽히면 꺠지기도 하고 성능도 낮아질 수 있씁니다.
광섬유 케이블
성능
- fiber는 감쇄가 매우 적습니다. 용량이 매우 높습니다.
- 즉 기간망에서 사용됩니다.
사용처
- 광케이블은 대역폭이 넓고 비용 효율적이기 때문에 Backbone 네트워크에서 흔히 볼 수 있습니다.
- 오늘날에는 파장 분할 다중화(WDM)을 통해 1600Gbps의 속도로 데이터를 전송 할 수 있습니다.
1.6테라 뿐 아니라 100테라 등 아주 크게 됩니다.
장점
더 높은 대역폭, 신호 감쇠 감소 , 전자기 간섭에 대한 내성 , 부식성 물질에 대한 내성 , 가벼운 무게 ,태핑에 대한 내성 강화
단점
- 설치 및 유지 관리, 가격
Unguided Media
Infraed: 이쪽 대역도 무선 통신에 사용되기도 한다. (리모콘 등..)
- 이온 층을 쓰거나, 지표면을 따라서 전파하는 경우가 존재합니다.
- ground propagation, radio waves travel through the lowest portion of the atmosphere
- 주로 무전기 등에서 사용
- sky propagation, higher-frequency radio waves radiate upward into the ionosphere (the layer of
- 고주파 전파는 전리층(입자가 이온으로 존재하는 대기층)으로 위로 방사되어 지구로 다시 반사됩니다
- line-of-sight propagation, very high-frequency signals are transmitted in straight lines directly from
- 가시선 전파에서는 초고주파 신호가 안테나에서 안테나로 직접 직선으로 전송됩니다.
대부분의 경우 저희는 line-of-sight를 사용합니다.
→ 쉽게 볼 수 있는 것이 위성 통신 입니다.
기본적으로 이동 대역의 전자기파는 틈새를 통해서 들어오게 된다.
Radio Waves
- 일반적으로 3kHz에서 1GHz 사이의 주파수를 가진 전자기파를 radio waves라고 합니다.
- 전방향성(Omnidirtectional)
- sky mode에서 전파되는 wave는 더 멀리 이동할 수 있습니다.
- 저주파 및 중주파로 벽 관통 가능(can penetrate wall)
- 무지향성 안테나( Omnidirectional Antenna) → 모든 방향으로 신호를 보냄
- 애플리케이션 : 전파는 라디오(AM, FM), 텔레비전, 페이징 시스템과 같은 멀티캐스트 통신에 사용가능
Microwaves
- 1~300GHz 사이의 주파수를 가진 전자파를 마이크로파라고 합니다.
- 주파수가 높을 수록 감쇄량이 더 높습니다.
- 따라서 이것은 단방향으로 전파시킵니다. (Unidirectional)
- 마이크로파 전파는 가시선입니다.
- Repeaters가 필요합니다.
- 벽 투과 불가합니다.
가장 많이 사용되는 것이 휴대폰 cellular telephones, satellite networks and wireless LANs에서 사용됩니다.
- 안테나는 방향을 모을 수 있습니다.
- 멀티플 안테나로 MIMO를 구현
Infrared(적외선)
- 굉장히 넓은 주파수
- 따라서 멀리서는 사용하기 어려워서 리모콘에서 사용합니다.
Switching & Performances
회로 대 패킷 스위칭, 지연/패킷 손실/처리량에 대해서 배웁니다.
스위칭 소개
- 선택적으로 무언갈 하는 것을 말하는데 각각의 layer마다 switching이 다 있다라고 말합니다.
- 2계층에서 스위칭은 AP가 선택하는 것을 말하기도 합니다.
- 일대일 커뮤니케이션을 할 수 있도록 maping해주는 것 입니다.
- 전용으로 사용하도록 해주면 서킷 스위칭이 되는 것이고
- 그때그때 다른 사용자가 공통으로 사용하도록 조율하는 것을 패킷 스위칭이라고 합니다.
리뷰
- 인터넷은 스위치가 최소 2개의 링크를 연결하는 스위치형 네트워크이다.
- 분류는 2개가 됩니다.
- Circuit-switched networks
- Packet-switched networks
Circuit-switched networks
- 공용자원을 전용으로 사용하는 것
- 필요한 사용자에게 일정 시간동안 전용으로 할당해주는 방식입니다.
- 내가 말을 해도, 또는 하지 않아도 자원을 할당 받고 사용중입니다.
dedicatied, 또는 not sharing의 개념입니다.
- 서킷 스위칭은 TDM방식을 쓴다고 볼 수 있습니다.
- 설정 단계(연결 설정)
- 데이터 전송 단계
- 해체 단계(연결 종료)
다음과 같이 설정 즉 전화를 거는 단계에서는 delay를 느낄 수는 있다.
효율성
- 서킷 스위칭은 효율성이 떨어집니다.
- 컴퓨터 네트워크에서 서킷 스위칭이 맞지 않고 전화에서 맞다는 네트워크라는 것을 알 수 있습니다.
Delay
- 효율성은 낮지만 이러한 유형의 네트워크에서는 지연이 최소화됩니다
- 각 스위치에서 대기 시간 없습니다.
packet switching
중간에 거치는 라우터에 버퍼를 가지고 있는데 그곳에 쌓아서 스캐줄링해줍니다.
- 양쪽 끝 사이의 통신은 패킷이라는 데이터 블록으로 이루어집니다.
- 지속적인 통신이 아니라 사용 중일 때 개별 데이터 패킷을 교환합니다.
- 스위치: 저장과 전달 모두 가능
- 패킷은 나중에 저장하고 전송할 수 있는 독립적인 엔티티입니다.
- 패킷 스위치 네트워크의 라우터
- 패킷을 저장하고 전달할 수 있는 대기열
- 서킷 스위치 네트워크보다 효율적이지만 패킷 전송에 약간의 지연이 발생할 수 있습니다
이 대기열을 queue라고 부릅니다.
- 패킷 스위칭을 통해 더 많은 사용자가 네트워크를 사용할 수 있습니다
예시
- 1 Mb/s link
- each user
- 100 kb/s when “active”
- Active 10% of time
- Circuit switching 의 경우
- 10명의 유저만 사용가능.
- Packet Switching의 경우
- 35명의 유저 가능하다. 10명이 동시에 사용할 가능성은 0.0004보다 낮다.
패킷 스위칭의 장점/단점
장점
bursty data에 적합하다.- 리소스 공유
- 통화 설정이 필요없는 간편함(no
call setup)
단점
- 과도한 혼잡 가능성 : 패킷 지연 및 손실 (Excessive congestion possible) → 이것들을 해결하는 것이 TCP입니다.
- 안정적인 데이터 전송, 혼잡 제어(congestion control)에 필요한 프로토콜
- 즉 트레픽이 계속해서 발생하는 오디오나, 동영상은
circuit swithing이 더 좋습니다.
- circuit-like behavior을 제공하는 방법은 무엇인가요?
오디오/비디오앱에 필요한 대역폭 보장 (Bandwidth guarantees needed for audio/video apps)
- 아직 해결되지 않은 문제
예약된 리소스(회로 스위칭)와 온디맨드 할당(패킷 스위칭)의 인간적 비유
Network Core
망을 항상 공유합니다. (망이 다 광섬유로 구성되어있어서 용량이 매우 크다.)
따라서 거의 항상 패킷 스위칭으로 진행합니다.
- 상호 연결된 라우터 메시
- 패킷 전환: 호스트가 애플리케이션 계층 메시지를 패킷으로 분리합니다.
- 소스에서 목적지로 가는 경로의 링크를 통해 한 라우터에서 다음 라우터로 패킷을 전달합니다.
- 각 패킷은 최대 링크 용량으로 전송됩니다.
데이터그램 네트워크(패킷 스위칭)
인터넷 망에 대해서 (IP 패킷이야기)
- 데이터그램 네트워크에서 각 패킷은 다른 모든 패킷과 독립적으로 처리됩니다.
- 데이터그램 네트워크의 스위치는 전통적으로
라우터라고 불립니다.
- 4개의
스위치(라우터)가 있는 데이터그램 네트워크
- 패킷마다 지나는 경로가 다르기 때문에 도착하는 순서가 보장되지 않아서 순서를 붙혀서 보내야만 합니다.
데이터그램 네트워크
- 목적지에 도달하기 위해 다양한 경로로 이동
- 리소스 부족으로 인해 패킷이 손실되거나 삭제될 수도 있습니다.
- 대부분의 프로토콜에서 데이터그램을 재주문하거나 분실된 데이터그램을 요청하는 것은 상위 계층 프로토콜의 책임입니다.
- connectionless networks라고 부릅니다.
- 스위치(패킷 스위치)는 연결 상태에 대한 정보를 보관하지 않습니다.
- 설정 또는 해체 단계가 없습니다
- 각 패킷은 소스나 목적지에 관계없이 스위치에서 동일하게 처리됩니다.
라우팅 태이블
- 결국 길을 찾아가려면 라우터들을 거치는데 라우터들을 각각 라우팅 태이블을 가지고 있습니다.
- 패킷의 헤더에 다
src address와dest address태그를 붙혀서 보냅니다.- 최종 목적지가 적혀있는데, 어디를 거쳐서 가는지는 알 수가 없습니다.
- 거쳐가는 것은 태이블의 규칙을 보고 거쳐갑니다.
- 라우팅 태이블이 구성되는 방법은 다익스트라 또는 벨만포드 등의 알고리즘으로 구성됩니다.
- 데이터그램 네트워크의 스위치는 대상 주소를 기반으로 하는 라우팅 테이블을 사용합니다.
- 동적이며 주기적으로 업데이트됩니다.
- 대상 주소와 해당 전달 출력 포트가 표에 기록되어 있습니다.
circuit switched network에서 각 항목은 설정 단계가 완료되면 생성되고 해체 단계가 끝나면 삭제됩니다
그림은 인접한 라우터의 주소를 적는 방식이 아니라 인접한 라우터의 포트 번호를 적어놓는 식으로 구성하기도 합니다.
- destination address
- 데이터그램 네트워크의 모든 패킷에는 dest 최종 목적지 주소가 포함된 헤더가 있습니다.
- 데이터그램 네트워크에서 패킷 헤더의 목적지 주소는 패킷의 전체 여정동안 동일하게 유지됩니다.
- 효율성
- 데이터그램 네트워크의 효율성이 회로 전환 네트워크보다 우수합니다
- 지연
- 데이터그램 네트워크가
virtual-circuit-network보다 delay가 더 크다.
- 그리고 모두 동일한 switch를 통과하는 것이 아니라서 delay가 매우 크다.
- 데이터그램 네트워크가
손실과 지연 (loss and delay)
- 버퍼가 꽉 찬 경우 패킷의 손실이 발생한다. (packet loss)
- delay: packets queueing,
delay
-
propagation(전파)delay: 유한한 빛의 속도나 전송을 하는데 필요한 delaydprop(propagation delay)=d(물리적 링크의 길이)/s(전파 속도)예시 : 고속도로를 달려서 다음 톨게이트까지 도달하는데 걸리는 시간
transmission(전송) delay: link의 data rate에 따라서 달라질 수 있는 delaydtrans=L(패킷의 길이(비트)/R (링크의 대역폭) (bps)100mbit 데이터가 있고 용량이 1mbps라면 얼마의 시간이 걸리는지 : 10초
예시 : 톨게이트를 지나가는 시간
process delay패킷이 들어올 때 패킷 포멧을 바꿔야 합니다. 이는 한쪽은 wife포멧이고 한쪽은 ethernet 포맷일 때 유선랜 format을 무선 format으로 변경해야 하기 때문입니다.
요즘은 application level에서 transmission이 되는 경우도 있습니다.
일반적으로 굉장히 짧다.
queueing delaycongestion(복잡도) 정도에 따라서 달라질 수 있다.
input rate 가 output rate모다 큰 경우 packet loss가 발생할 수 있습니다.
packet loss가 발생하면 계속 빠르게 보내면 계속 발생할 수 있으니까 조금 천천히 보내는걸 TCP에서 관리합니다.
Throughput
- Throughput: 발신자/수신자 간에 비트가 전송되는 데이터 전송률(data rate)(비트/시간 단위)
- Instantaneous: 특정 시점의 데이터 속도
- Average: data rate over longer period of time 즉 가장 긴 data rate가 평균이 되는 것입니다.
- 가장 데이터 rate가 낮을 것으로 end to end data rate가 결정이 되는 것 입니다.
- 따라서 가장 낮은 데이터 rate가 있는 곳에서 전체 데이터 rate가 결정됩니다.
스위칭 및 TCP/IP 레이어
- 물리적 계층에서의 스위칭 (어떤 frequency사용)
- circuit switching 전용
- 신호가 한 경로 또는 다른 경로로 이동하도록 허용
- 데이터 링크 레이어에서의 스위칭 (누구한테 할당하느냐)
- 패킷 스위칭
- 패킷이라는 용어는 프레임 또는 셀을 의미합니다.
- 네트워크 레이어에서의 스위칭 (어떤 포트를 쓰는지)
- 패킷 스위칭
- 가상 회로 접근 방식 또는 데이터그램 접근 방식을 사용할 수 있습니다.
- 현재 인터넷은 데이터그램 방식을 사용합니다
- 애플리케이션 레이어에서의 스위칭(이메일 주소가 무엇인지)
- 메시지 전환만
- 이메일을 사용한 통신은 일종의 메시지 교환 통신입니다.
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