[정보통신망] #4. 데이터 통신의 전송기술 (1)

bien·2024년 4월 8일

정보통신망

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학습목표

데이터 교환 방식의 종류와 특징을 구분하여 설명할 수 있다.
다중화의 개념과 목적에 대해 설명할 수 있다.
다중화 방식을 비교 설명할 수 있다.
동기화의 필요성과 동기화 방법에 대해 설명할 수 있다.

데이터 교환 방식

1. 회선 교환

회선 교환 방식 (Circuit switching)
- 회선 (circuit): 설정된 통신경로의 집합
  - 전화의 경우 두 사람을 연결하는 회선. 전화 통화동안에는 다른 사람은 사용할 수 없다. 전화가 끊기고 나면 다른 사람도 사용할 수 있다. 이를 연결지향형이라 부른다.
회선 교환 방식의 특징
- 연결지향형 전송 (connection-oriented transmission)
  - 연결 설정 => 데이터 전송 => 연결 해제
- 연결 설정 후 전용선처럼 회선을 사용하므로 대량의 실시간 데이터 전송에 적합

2. 패킷 교환

패킷 교환 방식 (Packet switching)
- Packet: 보통 128바이트 (만드시 128바이트인건 아님)
  - packet <- package(우편물) + bucket(양동이)
  - MTU[Maximum Transmission Unit] of TCP packet = 64KByte
    - 한 세션에서 맥시멈으로 보일 수 있는 데이터의 양 (64*2의 10승)
각 OSI 계층에서 데이터를 부르는 이름들
- 우리가 말하는 패킷교환은 네트워크 계층

❓ 패킷이라는 개념이 왜 사용되나요??

1GB의 데이터를 전송한다고 할 때, 끝부분 1KB가 전송이 안되면 처음부터 다시 보내야 함.

하나의 회선을 사용하는 동안은 다른 사람이 사용 못하도록 독점해버림.

너무 오랫동안 혼자 통신 자산을 독점하여 급한 다른 사람들이 사용 못하는 상황.

이를 해결하기 위해, 데이터를 쪼개버린다. (이 쪼개진 것이 패킷)

그리고 별도의 데이터패킷을 따로 전송하여, 위의 두 문제를 해결할 수 있다.

선로를 공평하게 공유하기 위해 데이터를 패킷으로 분할
- Packet = 데이터(payload) + 제어정보(header, tail)
- 보내려는 데이터를 n개로 쪼갰는데, 그 앞부분에 헤더라는 정보를 붙인다. 헤더는 특히 통신자와 수신자, 그리고 데이터 순서라는 중요한 정보를 포함하고 있다. 이때 페이로드는 돈내고 보내는 실제 데이터, 수하물이라고 생각할 수 있다.

패킷교환 방식은 메시지를 일정한 크기로 분할하여 전송하는 방법으로 주기억장치를 사용하여 store-and-foward(저장후 전달)하므로 전송 지연을 줄일 수 있다.
- - 네트워크에서 노드라는 컴퓨터(통신장치)를 거쳐 전달될 때, 이 노드에서 저장장치를 가지고 있어 일시적으로 노드 컴퓨터에 저장될 수 있다.앞에있는 회선교환망은 데이터가 저장될 필요가 없다. 라인만 연결되면 그 선을 통해 음성을 전달하면되고, 저장이 필요 없기 때문.
- 메시지 교환 방식은 메시지를 크기에 관계없이 전송하는 방법으로 보조기억장치를 사용하는 경우가 발생하여 전송 지연이 큼.
  - 메시지 교환 방식은 데이터를 쪼개지 않고 통채로 전송하는데, 이런 경우 데이터가 커 주기억장치에 저장할 수 없고 보조기억장치에 저장되게 된다. 따라서 이 보조기억장치의 데이터를 다시 불러와 전송해야하므로 전송지연이 커지게 된다.
각 패킷마다 헤더(header)가 붙기 때문에 오버헤드가 있음.
짦은 실시간 전송에 많이 사용되는 교환방식. (또 해당 회선을 다른 살마이 사용 가능하다)

구분
- 가상회선(virtual circuit) 패킷 교환
- 데이터그램(datagram) 패킷 교환

가상회선 방식

가상회선(논리적 경로)
- 회선 교환과 유사 (연결지향형 전송)
  - 연결지향형: "연결 설정 - 데이터 전송 - 연결해제"의 3단계가 있어야 한다.
  - 가상이지만 회선교환과 유사하게 전용선처럼 해당 라인을 사용하는 것. 가상의 circuit을 만든다음 패킷 단위로 전송한다.

데이터그램

비연결형 전송(connectionless transmission)
- 메시지를 패킷단위로 쪼갠 다음 연결엾이 보내는 것. 연결을 데이터를 보낼 회선을 만들지 않고 하나씩 중간에서 다음 노드를 결정해가며 데이터를 전송한다. 따라서 패킷 전송 순서와 수신 순서가 다를 수 있다. 대신 속도는 더 빠름.

3. 메시지 교환

메시지 교환(message switching)
- 데이터의 크기에 관계 없이 데이터를 그대로(통째로) 전송
- 전용선 불필요하지만 헤더(목적지 주소)가 필요
- 각 노드에서 수신 후 (보조기억장치에)잠시 저장하면서 적절한 선로를 찾아 송신함.
- 전송지연이 길어서 실시간 서비스에는 부적절함.
- 대용량 데이터 전송에 적합함.
장점
- 메시지를 분할하고 재조립하는 과정이 필요 없으므로 시간이 절약된다.
- 메시지 교환은 메시지 분할 없이 전송하므로 오버헤드가 패킷 교환보다 훨씬 적다.
단점
- 저장 후 전송(sotre-and-forward) 방식으로 전체 메시지를 보내야 하므로 중간의 모든 노드가 주기억장치는 물론 보조기억장치까지 사용하게 되어 패킷 교환에 비해 전체 메시지를 전송하는데 더 많은 시간이 소요됨.
- 전송 시에 오류가 발생하면 전체 메시지를 폐기하고 재전송해야 하므로 대역폭의 낭비가 발생함.
  🧐 왜 메시지 교환방식만 대역폭 낭비를 언급할까? 다른 방식들은 어떻길래?
  - 패킷 방식의 경우 stop-and-wait을 사용해 데이터 전송 후 ACK를 확인하고 나서 데이터를 그 다음 패킷을 전송한다. ACK가 오지 않으면 다음 데이터를 보내지 않고 이전의 데이터를 다시 전송한다.
  - sliding window: 패킷 20개(window 사이즈)를 다 보내고 기다린다. 저기서 ACK가 오면 잘 받았다고 판단, 20개부터 40개를 전송하고 기다린다. 만약 37번을 못받았다는 신호가 오면, 41~60번까지 보내려고 기다리고 있다가 37로 sliding window해 37~56까지 전송한다. 그 이후 ACK가 오면 57부터 재시작.
  이처럼 패킷 방식의 경우 특수한 에러 대처 방식들이 존재하는 반면, 메시지 교환 방식은 작은 오류에도 거대한 전체 데이터를 다시 전송해야 해 대역폭의 낭비가 언급된다.

4. 교환 방식의 비교

데이터 교환 방식에 대한 타이밍도

회선 교환 방식
- 아래의 숫자들은 노드 번호.
- 내가 요청을 넣으면 각 노드에게 연결을 가져가도 되는지 물어봐야 한다.
- 초반에 3개는 연결 설정에 사용. 이후 회선을 끊는 과정까지도 필요.
메시지 교환 방식
- 연결지향형 방식이 아니라 각 패킷마다 덜 바쁜 노드를 찾아서 전송한다.
- 어떤 면에서 데이터그램 패킷 교환과 유사 (비연결지향형 이므로)
가상회선 패킷 교환
- 연결을 수립하고 패킷을 전송한다.
- 각 패킷 사이에 stop-and-wait과 같은 과정들이 발생한다.
데이터그램 패킷 교환
- 데이터의 순서가 전도되어있을 수 있다.

데이터 교환 방식의 정리

회선 교환: 연결형 전송 방식. 대용량 데이터 전송. 메시지 분실가능성.
메시지 교환: 비연결형 전송 방식. 대용량 데이터 전송. 메시지 분실가능성 없음. 전송 시간이 김.
가상회선 패킷 교환: 연결형 전송 방식. 실시간 소용량 데이터 전송. 메시지 재구성이 불필요함.
데이터그램 패킷 교환: 비연결형 전송 방식. 실시간 소용량 데이터 전송. 메시지 재구성이 필요함.

다중화

1. 다중화 개념 및 목적

다중화(Multiplexing): 여러 단말기들이 하나의 통신 선로의 용량을 나누어 쓸 수 있도록 해주는 투명한(transparent) 방법
- transparent: 데이터에 어떠한 조작도 가하지 않음. (데이터가 바뀌지 않음)
  - 수단이 무엇이든, M으로부터 M으로 이동하는 과정에 데이터가 변환되지 않는 상황을 "투명한" 이라고 서술.
- 하나의 물리적 통신 선로를 여러 개의 논리적 채널로 나누어 공유하는 방식
목적: 전송 자원 이용의 효율성 및 통신망 구축 비용의 절감

하나의 회선을 통해 정보를 교환하는 방식은 전혀 네트워크 답지 않다. 하나의 대역폭(물리적 통신 선로)을 이용해 여러 개의 채널로 구성하는 것, 이것이 다중화의 개념이다.

2. 다중화 종류

시분할 다중화 (TDM: Time Division Multiplexing)

주파수 분할 다중화 (FDM: Frequency Division Multiplexing)

파장 분할 다중화 (WDN: Wavelength Division Multiplexing)

시분할 다중화 방식

Time Division Multiplexing(TDM)
복수의 데이터를 각각 일정한 시간(time slot)으로 분할하여 전송함으로써 하나의 통신선로를 복수의 채널로 공유하는 방식(디지털 채널 구성).
- - 일정한 시간(약 20분의 1초 정도)를 특정 노드의 데이터를 전송해주고, 그 다음 다른 애를 또 일정한 시간동안 다루는 방식.
- 주파수 분할 다중화(FDM): 복수의 아날로그 채널로 공유.
구분
- 비트 다중화, 문자 다중화 (tiem slot의 정보량에 따라 구분)
- 비동기식 시분할 다중화 (Asynchronous TDM; ATDM)
  - 시간 분할시 더 많은 양의 데이터를 보내는 회선에 더 많은 시간(time slot)을 할당하는 것.
- 통계적 시분할 다중화 (Statical TDM, STDM or STATDM)
  - 통계적으로 특정 요소가 더 많이 다룰때 그 회선에 시간을 더 많이 할당. 일종의 비동기식 시분할 다중화.
4개의 단말기가 시분할 다중화 방식으로 고속의 통신 선로를 통하여 컴퓨터에 연결하는 그림

주파수 분할 다중화 방식

Frequency Division Multiplexing(FDM)
- 여러개의 낮은 속도의 데이터를 서로 다른 반송파 주파수에 각각 변조하여 통신 선로에 보내는 방식
  - 반송파: 데이터를 실어나르는 주파수
  - 데이터 전송 주체마다 다른 주파수를 할당 (예: 낮은 주파수 A, 높은 주파수 B)
- 예: 라디오 방송(AM, FM)

엄청난 대역폭의 채널이 있고, 각각의 주파수에 맞춰 변조했다가 수신측에서 다시 복조한다.

비교: TDM과 FDM
- 시간을 분할하여 할당하는것
- 주파수를 분할해 할당. 계속 같은 측 데이터가 전송되긴 한다.

파장 분할 다중화 방식

Wavelength Division Multipexing(WDM)
광섬유의 고속 데이터 전송률을 이용하기 위해 설계됨.
신호가 빛이라는 점 이외에는 주파수 분할 다중화와 동일한 개념.

동기화

1. 동기화 정의 및 필요성

동기와 오동기

표본화 펄스가 약간 뒤로 당겨지거나 미뤄지면 수신된 신호를 잘못 인식할 수 있다. 이러한 경우를 오동기라고 한다.

동기화(Synchronization)
- 정의: 송수신자가 서로 동일한 속도로 데이터를 송신하고 수신하도록 해주는 데이터 통신 기능
- 서로 다른 시점에 데이터를 송수신하여 발생되는 오류 문제를 해결
- 송신자와 수신자 사이에 데이터를 송수신하는 시점을 일치시킴
- 표본화 펄스의 정확한 위치를 송수신자 사이에 맞추는 기술
동기화의 필요성
- 작은 회로망 내부
  - 발진된 하나의 주파수로 회로 전체의 소지자들이 동기화되기 용이함
- 정보 통신망
  - 원격의 송신기와 수신기 사이의 동기가 어려움. (거리가 먼 두 네트워크 간의 통신이므로 동기화가 필요하다.)
  - 동기화 기술이 필요함.

2. 동기화 방법

비트 동기

문자 동기

프로세스 동기

비트 동기화 방법

두 지국이 독립된 각자의 클록을 가지고 있는 경우
- 제어지국의 동기정보를 이용하여 종속지국의 클록 속도를 수정함.
  - 한명이 야, 이거 맞춰 하고 알려줌.
한 지국만 클록을 가지고 있는 경우
- 송신하는 데이터 앞에 동기를 맞출 수 있도록 동기 신호를 함께 송신함.
- 이 동기 신호를 이용하여 종속지국은 표본화 위치를 결정함.
  - 한쪽에서 보낼때 "이제 시작함"이란 표기를 붙여서 보내줌.
두 지국이 모두 클록을 가지고 있으나, 종속지국에서는 초기 및 비트 동안만 클록을 사용하는 경우
- 클록을 동기시키고 난 뒤 종속지국은 자기의 클록을 사용함.

프로세스 동기

process: a series of events to produce a result
- 결과물을 만들어내기 위한 이벤트들의 순서들.
두개의 비동기 프로세스
- 프로세스 A와 B는 관계없이 두개의 프로세스.
- 그러나 A3가 끝나고나서 A4, B2가 함께 실행되어야 하는 경우가 있을 수 있음.
- 이런 프로세스의 이벤트 사이에 타이밍을 맞추는 것을 프로세스 동기화라고 한다.