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▶ 다중화 (Multiplexing)

- 다수의 신호들을 단일 데이터 링크로 동시에 전송하게 하는 기술

- 다중화기 (Mulitplexer, MUX) : 다수의 스트림들을 하나의 스트림으로 결합하는 기기

- 다중복구기 (Demultiplexer, DEMUX) : 하나의 스트림을 다수의 스트림으로 분리하는 기기

- 채널 (Channel) : 주어진 라인(stream)들을 전송하는 단일 링크의 일부로, 하나의 링크에 여러 채널이 존재한다.

- 유형

• 주파수 분할 다중화 방식 (Frequency Division Multiplexing, FDM)
• 파장 분할 다중화 방식 (Wavelength Division Multiplexing, WDM)
• 시 분할 다중화 방식 (Time Division Multiplexing, TDM)

▶ 주파수 분할 다중화 방식 (Frequency Division Multiplexing, FDM)

- 각 송신측에서 생성된 신호들(Input lines)이 입력 신호에 맞게 다른 반송 주파수를 변조한 후, 변조된 신호들이 링크에 전송될 수 있는 하나의 복합 신호로 결합되어진다.

- 쉽게 말해, 하나의 복합 신호라는 것은 링크에서 이용 가능한 총 대역폭을 겹치지 않게 주파수 하부 대역으로 분리시켜서 각각의 개별 신호를 담아 동시에 전송하는 것을 뜻한다. 따라서 아날로그 다중화 방식이다.

- 가드 밴드 (Guard Band) : 채널간 혼선, 간섭을 막기 위한 대역으로, 지정된 채널들 사이에 이용되지 않는 좁은 주파수 대역

[ 다중화기 ]

[ 다중복구기 ]

[ 저렇게 각기 다른 채널의 대역폭(신호)을 겹치지 않게 하나로 합쳐서 단일링크에 전송 ]

- 예제1)  각각 100kHz의 대역폭을 가진 5개의 채널이 함께 전송되어진다. 이 때, 링크에서 대역폭이 겹치지 않게 10kHz의 가드밴드가 요구되어진다면, 링크의 최소 대역폭은 얼마인가?

- 예제2) 채널당 자료 전송율이 1Mbps 인 4개의 채널이 1MHz인 하나의 위성채널을 이용하여 전송된다. 적절한 구성을 표현하라.

- FDM의 아날로그 계층

[ 5개의 채널을 묶어서 Group,

10개의 Group을 묶어서 Super group

6개의 Super group을 묶어서 Master group

또 다시 이 그룹을 묶어서 Jumbo group 이라고 표현한다. ]

▶ 파장 분할 다중화 방식 (Wavelength Division Multiplexing, WDM)

- 다른 파장(다른 색)을 사용하여 여러 반송파 신호를 단일 광섬유에 적용하는 방식으로 아날로그 다중화 방식이다.

- 동축 케이블의 높은 데이터 수용력을 이용하므로 주파수가 높고 속도가 빠르다.

- 주파수 분할 다중화(FDM)이 일반적으로 주파수에 적용되는 반면, 파장 분할 다중화(WDM)은 일반적으로 빛 반송파에 적용된다. 파장과 주파수는 직접적인 반비례 관계를 통해 연관되어 있기 때문에, 파장 분할 다중화와 주파수 분할 다중화는 같은 개념을 설명한다.

▶ 시 분할 다중화 방식 (Time Division Multiplexing, TDM)

- 하나의 링크를 시간 단위(Time Slot)로 나누어 여러 채널이 링크의 대역폭을 공유하게 하는 방식으로, 디지털 다중화 방식이다.

- 유형

• 동기식 시분할 다중화 방식 (Synchronous TDM)
• 통계적 시분할 다중화 방식 (Statistical TDM)

▶ 동기식 시분할 다중화 방식 (Synchronous TDM)

- 각각의 입력 채널(신호)들에게 정확하게 동일한 타임 슬롯을 할당하는 방식이다.

- Frame : 각 채널들로부터 할당한 타임 슬롯이 모인 것, 완전한 사이클(Cycle) 또는 주기

[링크에 있는 신호들은 입력 신호보다 시간이 3분의 1로 줄었기 때문에 속도가 3배 빠르다.]

- 예제1) 위의 그림 속 각 입력 신호가 1kbps의 속도를 가진다. 만약 시간(time slot)당 1bit가 다중화된다면,

Q1) 하나의 입력신호에서 시간 슬롯은 얼마인가?

Q2) 링크의 하나의 시간 슬롯(output time slot)은 얼마인가?

Q3) 하나의 프레임 주기는 얼마인가?

- Data Rate Management ( 자료 전송율 관리) : 정확하게 동일한 시간 슬롯을 부여하기 위함.

• 다치 다중화 (Multilevel Multiplexing) : 입력 라인(채널)에서 소수의 라인 속도가 다수의 라인보다 작을 경우 같은 속도로 맞추기 위해 소수의 자료 전송율을 합치는 방식이다.

• 다중 슬롯 다중화 (Multiple-Slot Allocation) : 소수의 라인 속도가 다수의 라인 속도보다 클 경우, 다수의 라인 속도에 맞추기 위해 해당 자료전송율을 분할하는 방식이다.

• 비트 채우기 (Pulse Stuffing) : 여러 입력 라인의 속도가 배수로 나누어 떨어지지 않아서 위의 두가지 방식을 사용할 수 없을 경우에 사용하는 방식이다. 다수의 입력 라인의 속도에 비해 조금 낮은 하나의 입력라인이 있다면 dummy bits를 추가하여 가장 높은 자료전송율에 맞춘다.

- 프레임 동기화 (Frame Synchronizing) : 프레임의 시작점에 싱크 비트를 추가하여 다중화기 및 다중복구기를 동기화시킨다.

- 디지털 신호 서비스 (Digital Signal Service) : 잡음이 진폭에 영향을 주기 때문에 음성을 디지털 정보로 변환하는 것이다. 이를 위해 전화망 사업자들이 디지털 계층이나 디지털 신호의 계층을 통해 TDM을 구현한다.

- 초당 샘플링 수 = 초당 프레임 수

- 샘플링당 샘플 수 = 프레임당 타임슬롯 수

[ 1개의 오디오 채널 - 펄스 부호 변조(PCM) 방식 ]

- 설명 : 1개의 오디오 채널을 예시로 들면, 사람의 음성은 0~4kHz의 범위의 대역폭을 가지며, 이므로 최소 1초에 8000번의 Sampling을 한다는 의미이다. 위의 경우 샘플링당 1바이트(8비트)이므로

따라서 위의 맨 왼쪽 그림에서 64kbps값이 나온 것이다. 각 채널이 64kbp인 24개의 채널이 TDM 방식으로 그룹화되어 모이면 두 번째 1,544 Mbps가 된다. 이 때, 초당 샘플링이 8000개 되므로, 프레임 수는 8000개이다. 각 프레임당 1비트씩 프레이밍 비트가 추가되면 전체적으로 1bit * 8000 = 8000비트가 오버헤드 된다. 따라서 64kbps * 24(channel) + 8kbps = 1,544 Mbps가 나오는 것이다. 참고로 1바이트씩 샘플링 했으므로 타임슬롯당 1바이트이다.

- T Lines : DS를 구현하기 위해 이용된다.

▶ 통계적 시분할 다중화 방식 (Statistical TDM)

- 기존의 시분할 다중화 방식에서는 해당 시간에 데이터가 전송되지 않더라도 채널이 할당되기 때문에 링크의 비효율적인 사용이 있었다. 즉, 링크의 수용력(Capacity)를 낭비할 수 있기 때문에 해결 하고자 통계적 시분할 다중화 방식을 사용한다.

- 타임 슬롯들이 동적으로 할당되어 진다.

- 프레임당 타임 슬롯 수 < 입력 라인의 수 (기존에는 같았다.)

- 링크의 수용력 < 입력 채널의 수용력의 합 (위의 것보다 더 정화한 표현이다.)

- 다중화기가 라운드 로빈 방식으로 각각의 입력 라인을 확인한다.

- 각각의 타임슬롯은 데이터를 목적지 주소로 잘 옮겨야 한다.

- 싱크 비트가 없다.

- 동시에 많이 보낼 것을 대비하여 다중화기에 큐가 있다.

[ 첫 번째 그림은 동기식 시분할 다중화방식인데, 프레임당 슬롯수가 최대 5개이다.

    두 번째 그림은 통계적 시분할 다중화방식인데, 프레임당 슬롯수가 최대 3개이다. ]

- 대역 확산 방식 (Spread Spectrum, SS)

• 초기에는 군사용으로 사용한 전자파를 이용하여 무선통신에서 적에게 도청되지 않고, 적의 방해전파에도 강한 통신방식을 구현하기 위함이었다. 현재는 이동통신환경(무선통신)에서 자주 쓰이고 있으며, 외부의 전자파 잡음에 강하도록 특정 신호의 주파수 대역(spectrum)을 넓히는 기술을 뜻한다.
• Spreading code를 이용하여 대역폭을 확산시킨다.
• 대역폭의 효율성이 뛰어나며, 노이즈에 강하고, 보안성을 갖추고 있다.

- 주파수 도약 방식 (Frequency Hopping Spread Spectrum, FHSS)

• 출발지 신호(입력 신호)에 의해 변조된 N개의 다른 반송 주파수를 이용하는 방식으로, 유효한 통신 대역폭(링크)을 N개의 주파수 슬롯으로 분할하여 전송할 때가 되면 일부 유효 슬롯을 통해 정보를 전송한다.

• 처리 과정

1. 랜덤 패턴 생성기에서 매 주파수에 머무는 시간마다 k-bit 패턴을 생성한다.
2. 주파수 테이블이 시간 별로 사용될 주파수를 찾기 위해 그 패턴을 이용한다.
3. 그리고 해당 주파수를 주파수 신시사이저(Synthesizer)로 넘긴다.
4. 주파수 신시사이저가 해당 주파수의 반송파를 생성한다. 그리고 입력신호에 맞게 반송파가 변조된다.

[전체적인 과정]

[ 세부적인 모습 ]

[ 주파수 테이블에 따른 k-bit 패턴 ]

[ 사용자들끼리 주파수가 겹치지 않도록 다른 패턴으로 링크가 공유되어진다. ]

[ FDM vs FHSS 가 대역폭을 공유하는 모습 ]

- 직접 확산 방식 (Direct Sequence Spread Spectrum, DSSS)

• 입력 신호에 주파수가 높은 디지털 신호(확산 코드)를 곱(XOR)하여 대역폭을 확산시키는 방식이다.
• FHSS보다 전력 효율이나 대역폭 효율면에서 훨씬 좋으며, 이동통신의 CDMA와 같은 의미로 받아들여진다.
• 처리과정

1. 전송될 각각의 이진 데이터 신호(비트)를 칩 코드(Chip)라고 하는 다른 이진 코드로 변조하여 사용주파수 전역으로 확산시켜서 전송한다.
2. 수신측에서는 칩이 다시 원래의 비트 단위로 변환되어 데이터가 복원된다. 칩이 크면 클수록 원래의 데이터로 복원될 가능성이 커진다.

▶ 용어 설명

- Packet(패킷) : 네트워크 계층에서 사용하는 데이터의 형식화된 단위

- Host(호스트) : 인터넷에 연결된 컴퓨터

- Queue(큐) : FIFO(First-In-First-Out) 방식의 데이터 저장용 버퍼 (출구와 입구가 다름)

- Router(라우터) : 서로 다른 네트워크 간의 정보를 주고받기 위해 사용하는 네트워크 통신 장치

- Network(통신망) : 통신 시스템들을 통신 회선으로 연결하여 데이터(정보)를 주고받게 하는 시스템

▶ Packet-Switching (패킷 교환 방식)

- Store-and-Forward 방식 : 다음 링크로 전송되기 전에 라우터의 큐(저장용 버퍼)에 패킷을 쌓아놓고 한 번에 전송(Forwarding)하는 방식.

- 단, 큐는 패킷을 수용할 수 있는 범위가 정해져 있기 때문에 패킷의 양이 큐의 범위를 넘어설 경우 해당 패킷은 손실(Loss)되며, 이를 오버플로우(Overflow)가 발생했다고 한다.

- 패킷의 헤더에는 출발지(Source)와 목적지(Destination)의 정보(포트 번호, IP주소)가 있어 이 정보들을 통해 라우팅 알고리즘을 이용하여 경로를 설정한다.

- 라우팅 알고리즘(Routing Algorithms) : 라우팅 프로토콜이 포함하고 있는 알고리즘으로, routing table에는 패킷의 헤더로부터 읽어낸 목적지 IP주소가 있다. 이 정보를 기반으로 라우터가 패킷을 어떤 목적지로 보낼지 결정한다. 즉, 중간의 라우터(router)들이 표지판 역할을 하며 최종목적지까지 패킷들을 안내한다.

- 이 때, 패킷의 헤더에는 라우터를 지날 때마다 목적지 IP주소가 쌓이게 되므로 오버헤드가 점차 커지게 된다.

- 전송지연(Transmission-Delay) : L-bit 길이의 패킷을 속도가 R bps인 링크로 보낼 때, 큐에서 링크로 전달되는 시간은 L/R 초이다.

- 큐잉 지연(Queueing-Delay) : 라우터마다 큐가 각각 존재하기 때문에 다음 라우터로 이동되기 전에 패킷은 대기하게 된다. 즉, 패킷이 큐에 머무는 시간이다.

• 링크의 전송 속도(bps) < 큐에 패킷이 도착하는 속도 => 오버플로우 발생
• 전송 지연 시간 > 큐잉 지연 시간 => 오버플로우 발생

- 네트워크 상황에 따라 지나친 혼전 가능성이 있으며, 이를 위한 해결책으로 TCP(전송 제어 프로토콜)가 있다.

- source에서 router, router에서 router, router에서 destination 즉, 어떤 노드에서 다음 노드까지를 1hop이라고 표현한다.

- 이 방식은 주로 대용량 전송(Bursty Traffic)일 때 이용하며, 데이터가 한꺼번에 전송되므로 데이터가 활동하는 시간이 짧다고도 표현한다. 이러한 패킷 교환 방식은 컴퓨터 통신에서 쓰이는 방식이다.

▶ Circuit-Switching (회선 교환 방식)

[ 보라색 선이 전용 회선이다. ]

- 하나의 전용 회선을 할당받아 데이터를 주고받는 방식

- 패킷마다 각각의 전용 회선을 할당해야 하므로 통신을 위해 미리 연결(Set-up)절차를 거쳐야 한다. 셋업 절차는 송신측에서 수신측까지의 경로에 맞는 대역폭(Bandwidth)을 미리 할당받는 과정이다.

- 전용 회선은 패킷이 전송되지 않더라도 다른 패킷(데이터)이 끼어들 수 없으므로 속도와 성능이 항상 일정하다.

- 주로 실시간이 중요한 전화망에 사용된다.

- 회선을 할당하는 방식에는 주파수 분할 다중화(FDM)과 시 분할 다중화(TDM) 방식이 있다.

▶ Packet-Switching VS Circuit-Switching

- 패킷 교환 방식은 네트워크의 상황에 따라 대기시간이 다르므로 패킷의 순서가 보장되지 않는다. 그러나 회선 교환 방식은 정해진 경로를 따라 일정한 속도를 가지기 때문에 데이터의 전송 순서가 어긋나지 않는다.

- 패킷 교환 방식은 하나의 라우터가 잘못되어도 전송을 우회할 수 있기 때문에 오류에 강하다. 그러나 회선 교환 방식은 둘 사이에 오류가 생길 경우 데이터 전송이 실패하게 된다.

- 패킷 교환 방식은 라우터에 저장해놓는 시간(큐잉 지연)과 전파지연의 시간이 소비되어 전체 전송 시간이 지연된다. 그러나 회선 교환 방식은 미리 연결하는 시간을 제외하고 전파지연의 시간만 소비되므로 전체적으로 빠른 전송속도를 가지게 된다.

- 회선 교환 방식은 패킷 교환 방식에 비해 같은 네트워크 용량이라도 이용자 수가 제한되어 있다. 이는 전용 회선을 할당하기 때문이다.

1Mbps 짜리 링크에 각각의 사용자가 100kbps로 데이터를 전송한다면 패킷 교환 방식의 경우 10명 이상의 유저가 동시에 링크를 사용할 확률이 낮기 때문에 더 많은 이용자가 링크를 공유할 수 있다. 그러나 회선 교환 방식의 경우 각각의 사용자에게 전용 회선이 할당되기 때문에 최대 10명까지 이용자를 수용할 수 있다.

▶ Multiplexing (다중화)

- 여러 개의 데이터 신호(저수준의 채널)들을 합쳐서 고속신호(고수준의 채널)로 만들어서 하나의 링크로 전송하는 방식이다.

- 하나의 링크를 다중화시켜 여러 사용자가 동시에 링크를 사용하게 되므로 링크의 효율성이 높아진다.

- 이 때 사용하는 장치를 다중화기(Multiplexer)라고 한다. 만약 다중화기를 사용하지 않으면 단말기(사용자)마다 모뎀(변복조기)이 필요하므로 비용이 많이 들게 되어 비효율적이게 된다.

▶ 주파수 분할 다중화(Frequency Division Multiplexing, FDM)

- 링크의 대역폭(Bandwidth)을 주파수를 기준으로 분할하여 여러 개의 작은 채널을 할당하는 방식으로 한 전송로를 여러 단말기(사용자)가 이용한다.

- 링크의 대역폭이 전송할 신호들의 대역폭보다 클 경우에만 사용가능한 아날로그 기술이다.

- 간단한 구조로 모뎀(변복조기)이 필요 없어 비용이 저렴하다.

- 송신측 과정 : 각 단말기(Sender)가 비슷한 주파수 영역의 신호를 만들면 다중화기 내부에서 각 주파수를 각각의 다른 반송주파수(Carrier Frequency)로 변조(Modulate)한다. 만들어진 반송주파수들이 모여서 하나의 복합신호(Composite Signal)가 되면 수용 가능한 대역폭을 가진 전송 매체(전송로)를 통해 신호가 전송된다.

<Multiplexer - 다중화기>

- 수신측 과정 : 위의 과정에서 만들어진 복합신호는 다중 복구기(Demultiplexer) 내부에서 필터(Filter)를 통해 각각의 반송주파수로 분리되고, 제각각 복조기(Demodulator)를 통해 반송주파수에서 해당 주파수 영역의 신호로 복조(Demodulate)되어 해당 신호만 수신측으로 보내진다.

▶ 시 분할 다중화(Time Division Multiplexing, TDM)

- 링크의 대역폭을 시간 슬롯(Time Slot)으로 나누어 각각 채널을 할당하는 방식으로 다수의 채널이 하나의 링크의 시간을 분할하여 사용하는 방식이다.

- 링크의 높은 대역폭을 여러 채널이 공유할 수 있게하는 디지털 기술이다.

- 단, 어떤 채널이 사용되지 않을 경우(데이터를 전송하지 않는 경우)에도 시간이 할당되어 있기 때문에 시간 슬롯이 낭비 될 때가 있다. 이를 위한 해결책으로 비동기식 시분할 다중화기법(ATDM)이 있다.

- 송신측 과정 : 다중화기(Multiplexer)와 다중 복구기(Demultiplexer)는 각각 스위치의 역할을 한다. 서로 동시에 시스템이 동작되도록 설정(동기화)되어 같은 속도지만 서로 반대방향으로 돈다. 다중화기의 경우 스위치가 채널 앞에서 열리게 되며 그 채널은 링크에 보낼 수 있는 신호를 열린 순간 전송하게 된다. 이 과정을 끼워 넣기(Interleaving)이라고 한다.

- 수신측 과정 : 다중 복구기의 경우 스위치가 채널 앞에서 열릴 때, 그 채널은 링크에서 전송된 신호를 수신측으로 전송하게 된다.

▶ Multiplexing Summary

- 두 기술 모두 하나의 링크를 나누어 사용하는 점에서 같지만, FDM은 주파수 대역별로

나누어 채널을 할당하는 것이고, TDM은 시간별로 나누어 채널을 할당한다는 점에서 차이가 있다.