[데이터 통신 7강] Transmission Media, Switching& Performances

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

1. 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.

  

1. 설정 단계(연결 설정)

2. 데이터 전송 단계

3. 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 data 에 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/비디오 앱에 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 address와 dest address 태그를 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-network 보다 delay가 더 크다.
  • 그리고 모두 동일한 switch를 통과하는 것이 아니라서 delay가 매우 크다.

손실과 지연 (loss and delay)

• 버퍼가 꽉 찬 경우 패킷의 손실이 발생한다. (packet loss)

• delay: packets queueing,

delay

1. propagation(전파)delay : 유한한 빛의 속도나 전송을 하는데 필요한 delay

   dprop(propagation delay)= d(물리적 링크의 길이)/s(전파 속도)

   예시 : 고속도로를 달려서 다음 톨게이트까지 도달하는데 걸리는 시간

2. transmission(전송) delay : link의 data rate에 따라서 달라질 수 있는 delay

   dtrans = L(패킷의 길이(비트) / R (링크의 대역폭) (bps)

   100mbit 데이터가 있고 용량이 1mbps라면 얼마의 시간이 걸리는지 : 10초

   예시 : 톨게이트를 지나가는 시간

3. process delay

   패킷이 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.

4. queueing delay

   congestion(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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