Move Fast

▶ Transmission Media

- 유선 통신(Wired)을 위한 전송 매체

• Twisted-Pair Cable : TP 케이블
• Coaxial Cable : 동축 케이블
• Fiber-Optic Cable : 광섬유 케이블

- 무선 통신(Wireless)을 위한 전송 매체

• Radio Wave : 라디오파
• Microwave : 마이크로파
• Infrared : 적외선파

▶ Twisted-Pair Cable

- 플라스틱 단열재로 감싸진, 구리선으로 된 두 개의 컨덕터가 꼬여있는 형태이다.

- 하나의 선은 수신자에게 신호를 전송하고, 다른 하나는 Ground Reference 로써 이용되어 진다.

- 전자기적인 간섭에 의해 발생하는 잡음을 줄이기 위해 두 동선을 꼬아서 하나의 형태를 가진다. 즉, 꼬임이 클수록 외부의 영향(잡음)을 덜받는다.

- 무차폐 TP (Unshielded TP, UTP) : 통신에서 이용되어지는 가장 일반적인 TP 케이블로로, 값이 싸고 가늘다.

- 차폐 TP (Shielded TP, STP) : 잡음이나 간섭을 막음으로써 케이블의 질을 향상시킨다. 알루미늄 포일로 차폐 처리하고 비닐로 씌운 형태로, 고가이다.

▶ Coaxial Cable

- TP 케이블보다 차폐가 더 잘되어있으므로, 높은 대역폭과 강한 잡음내성이 있다.

- 장거리 통신에서 높은 속도를 가진다.

- Inner 컨덕터, Outter 컨덕터로 2가지의 컨덕터가 있으며, Outter 컨덕터 양 옆에 단열재가 있고, 전체를 플라스틱 커버가 감싼다.

▶ Fiber-Optic Cable

- 유리나 플라스틱으로 구성되어 빛이 통과가 잘되므로, 빛의 형태에서 신호가 전송된다.

- 빛이 있으면 1, 없으면 0이다.

- 반사나 굴절이 발생한다.

- 전반사가 채널로 빛을 안내하는 역할을 한다.

- Multi-Mode : 전파 모드 중 하나로, 신호가 튕기다보니 먼저 온 신호와 나중에 온 신호 사이에 시차가 발생하여, 출발지 신호와 도착지 신호에 차이가 생긴다.

• Step-Index : 많이 튕긴다.
• Graded-Index : 덜 튕긴다.

- Single-Mode : 전파 모드 중 하나로, 직진성이 높아 우수한 퀄리티의 신호가 가게 된다. 즉, 출발지 신호와 도착지 신호에 차이가 거의 없다.

- 높은 대역폭을 이용하므로 고속링크를 제공한다.

- 신호 감쇄(Attenuation)가 적다.

- 전자기적 신호의 간섭에 강하다.

- 무게가 가볍다.

- 도청에 강하다. 링크를 컷해서 신호를 빼내는 데 컷하는 순간 빛이 빠른 속도로 빠져나가게 되므로 도청이 불가능하다.

- 단점 : 빛의 전파가 단방향이며, 비용이 많이 든다.

▶ Wireless

- 무선 통신에서는 물리적 컨덕터를 이용하지 않고 전자기파를 전송한다.

- 신호는 자유 공간을 이동하는 안테나의 특성을 받는 브로드캐스트이다.

- 무선 통신에 사용되는 신호들을 수신할 수 있는 기기를 가진 누구나 이용할 수 있다. 즉, 사용에 제약이 없다.

- Radio wave < microwave < infrared < ligh wave 순으로 갈수록 고주파인데, 고주파수는 보낼 수 있는 데이터 양이 많고 직진성이 큰 반면에 체력이 약해 자연환경(물)에 취약하다.

- Radio Wave

• 3KHz ~ 1GHz 범위의 전자기파가 해당된다.
• 모든 방향으로 신호를 전달한다.
• Sky propagation(transmission)
• 라디오나 텔레비전과 같은 Multicast 통신에 이용된다.

- Microwave

• 1GHz ~ 300GHz 범위의 전자기파이며, Unicast 대역이다.
• 단방향 통신이다.
• Line-of-sight propagation
• 셀룰러 데이터, 위성 통신, 무선 LAN과 같은 Unicast 통신에 이용되어진다.

- Infrared

• 300GHz ~ 400THz 범위의 전자기파이다.
• Lin-of-sight propagation
• 단거리 통신에 이용되어진다. (고주파일수록 체력이 약하여 멀리 나가지 못함)

▶ 아날로그 정보를 디지털 정보로 변환하기

- 무한한 값의 아날로그 정보를 최소한의 정보 손실과 함께 디지털 신호를 나타내기 위해 아날로그 정보를 축소할 필요가 있다.

- Modem : Modulator + demodulator의 역할을 하는 변복조기

- Codec : Coder + Decoder 의 역할을 함

- PCM, DM 등

▶ Pulse Code Modulation(PCM)

- 펄스 부호 변조(이하 PCM)는 신호 레벨을 균일한 주기로 표본화한 다음 아날로그 정보를 디지털 (이진) 코드로 양자화 처리한다.

- 펄스 부호 : 전송될 파형의 특별한 값이나 의미를 갖는 부분만 표본화하는 펄스(신호) 집단

- PCM Encoder

- Sampling (PAM : Pulse Amplitude Modulation)

• 아날로그 신호는 매 T초 간격(주기)로 표본화되어진다.
• Sampling Rate or Sampling Frequency
• 샘플링 간격(T초)과 반비례 관계이다.
• Nyquist 이론에 의해, ( : 기존의 신호에서 가장 높은 주파수, 단위 : Samples/sec )

• Sample이 적을수록 binary value(데이터)가 적은 것이기 때문에 적은 샘플량으로 정보의 손실을 줄이는 것이 가장 좋다.

[매 T초당 샘플링한다.]

[샘플링한 것을 바이너리 값으로 변환하기 위해 정수화시킨다.]

- Quantization

• 원래의 아날로그 신호에서 최고 전압과 최저 전압 사이의 진폭을 가진다고 하면, 각각의 높이를 Level 범위로 나눈 뒤, 가까운 중간 값으로 변환하여 정규화 시킨다.
• 이렇게 정규화된 값들은 0~(L-1) 사이의 숫자를 사용하여 이진 코드로 변환(비트화)된다.
• 레벨이 작을수록 정규화 에러(오차)가 증가한다. 반대로 레벨이 다양할수록 정밀하게 변환이 가능하다.

- Encoding

• 각 샘플이 비트 코드의 글자로 변환된다.
• 각 샘플당 비트수 : 

(bit/sec = sample/sec * bit/sample)

• 는 Sample Frequency 이다.

- PCM decoder

- PCM Bandwidth

(N : bps,  : 아날로그 신호의 가장 높은 주파수)

• 요구되는 최소 대역폭

▶ Delta Modulation (DM)

- 델타 변조(DM)은 아날로그 신호를 일련의 구간으로 나누어 각 구간의 근사치를 구한 뒤, 원본 신호값과의 차이를 구한다. 차이로부터 오차의 증가 및 감소를 결정하고 증가와 감소 상태에서의 변화를 전송한다.

- 즉, 이전의 샘플과의 변화를 찾아내어 비트값을 부여하는 방식으로, 올라가면 1, 내려가면 0으로 표시한다.

- 샘플당 비트수가 1개면 되니 Data rate이 작으나 오차가 크다.

[상 Modulator, 하 Demodulator ]

▶ 전송 방식 - 병렬 전송(Parallel Transmission)

- 다수의 비트를 각 클럭(clock) 신호에 함께 전송한다.

- 단거리 용으로 제한되어지고, 라인수가 많이 요구되므로 고가의 비용이 든다.

▶ 전송 방식 - 직렬 전송(Serial Transmission)

- 하나의 클럭 신호에 하나의 비트를 전송한다.

- 하나의 비트를 뒤따라 다른 비트가 전송된다.

- 오로지 하나의 채널만 필요하다.

- 비동기 전송 방식 (Asynchronous Transmission)

• 데이터를 일정한 크기로 정하여 순서대로 전송하는 방식이다.
• 클럭을 맞추기 위해 각 바이트의 처음과 끝에 시간(Timing) 정보를 추가하는데, Start bit의 값은 0이고 Stop bit 값은 1이다.
• 시간 정보는 중요하지 않으며, 느리다.

- 동기 전송 방식 (Synchronous Transmission)

• 각 비트 스트림이 모여서 바이트 스트림이 되고 이것을 우리는 프레임(Frame)이라고 부른다.
• 여기서 프레임은 데이터 링크 계층의 데이터 단위인 프레임과는 다르다.
• 비동기식과는 다르게 Start/Stop bit가 없으나 앞과 뒤에 수신측이 알아볼 수 있는 특수한 패턴의 비트 스트림을 추가한다.
• 시간 정보는 매우 중요하고, 빠르며, 프레임 사이의 간격에 1비트의 실수도 없어야 한다.
• 단, 데이터 바이트 배열(프레임)에서 앞, 뒤의 특수 패턴(비트열)과 똑같은 것이 중간에 있게 되면, 수신 측에서 혼란이 올 수 있으므로 같은 패턴을 깨기 위해 중간에 0을 삽입한다.

- 등시성 전송 방식 (Isochronous Transmission)

• 전체 비트 스트림이 동기화되어진다.
• 데이터가 고정된 속도로 도착한다.
• 실시간 오디오나 비디오와 같은 멀티미디어에 사용된다.

이 때까지 설명해왔듯이 링크로 데이터를 전송하기 위해서는 비트로 구성된 데이터(정보)들을 신호로 바꾸어서 보내야 한다.

▶ 변환 제도

- Digital-to-Digital Conversion : 디지털 정보를 디지털 신호로 변환하기

- Analog-to-Digital Conversion : 아날로그 정보를 디지털 신호로 변환하기

- Digital-to-Analog Conversion : 디지털 정보를 아날로그 신호로 변환하기

- Analog-to-Analog Conversion : 아날로그 정보를 아날로그 신호로 변환하기

▶ 디지털 정보를 디지털 신호로 변환하기 (Digital-to-Digital)

- 변환 기술로는 Line Coding, Block Coding, Scrambling이 있다.

- 라인 코딩은 항상 필요로 한다.

▶ Line Coding의 특성

- 디지털 데이터를 디지털 신호로 변환하는 기술로, 중간에 Encoder라는 장비가 사용된다.

- Data Element(데이터 요소) : 정보를 표현할 수 있는 가장 작은 단위, 비트(Bit)

- Signal Element(신호 요소) : 디지털 신호의 가장 짧은 단위이며, 하나읫 신호가 데이터 요소들을 옮길 수 있다.

- Ratio r : 하나의 신호가 보낼 수 있는 데이터 양, 신호당 비트

- r(신호당 비트)가 클수록 데이터 처리량이 많다.

- Data Rate(bit rate) : 1초 안에 보내지는 데이터 요소의 개수, 초당 비트수(bps)

- Signal Rate(baud rate) : 1초안에 보내지는 신호 요소의 개수, 초당 신호수(baud)

- Signal Rate을 줄이고 Data Rate을 증가시키는 것이 목표이다. Signal Rate이 많으면 대역폭이 더 많이 요구되므로 제한된 대역폭을 가진 링크에서는 시그널이 활용되기 어려워지기 때문이다.

- (S : signal rate, N : data rate, c : the case factor, r : ratio)

Signal Rate : S = c * N * (1/r)

Data Rate : N = s*r*(1/c)

- Bandwidth(대역폭)

• 주파수의 범위(Frequency Spectrum) = 최고 주파수 - 최저 주파수
• 디지털 신호는 무한한 대역폭을 필요로 하지만 실제 전송매체가 가질 수 있는 대역폭은 제한적이다.(유효 대역폭)
• 대역폭은 Signal Rate과 비례한다.

 (최소 대역폭)

 (최대 bps)

- 신호 레벨이 L인 신호는 레벨당  비트를 옮긴다. 

- Baseline Wandering(기준선 변동)

• Baseline : 수신된 신호 파워의 평균
• 연속된 0이나 1의 비트값을 가진 데이터에 의해 기준선이 움직이는 현상으로, 전압이 오르락내리락한다.

- DC(Direct-Current) Component (직류 성분)

• 전압 레벨(진폭)이 일시적으로 변하지 않을 때 일어날 수 있는 0인 주파수
• 주파수와 전압의 관계 : 신호에서 주파수란 “1초당 나타나는 반복적인 패턴의 개수”이며, 일반적으로 “단위시간(1초)당 전압의 변화횟수“이다. 즉, 패턴이 3개이면 전압이 3번 변했음을 의미한다. 주파수가 0이란 뜻은 반복되는 패턴이 0개(전압의 변화횟수가 0)이며 변화가 없는 전압을 의미한다. 변화가 없는 전압(주파수 0)은 직류가 된다. 전압(진폭)의 평균값이 0에서 커질수록 전압의 변화가 적다.
• 진폭(Amplitude)의 평균값이 0보다 클 경우 DC성분이 있다고 표현한다.
• 낮은 주파수를 통과시킬 수 없도록 만들어진 시스템이 있어서 DC 성분이 없도록 Encoding 해야 한다.

- Self-Synchronization (자기 동기화)

• 송신측이 보낸 데이터와 수신측이 받은 데이터에서 비트 간격이 일치하는 것을 의미한다.
• 자기 동기화 디지털 신호는 전송되는 데이터에 시간정보를 포함한다.
• 수신측에서 정보를 올바르게 못 받는 경우를 대비하여 처음, 중간, 끝에 Transition을 넣어 고의로 숫자를 바꿔줌.

- 내제된 오류를 검출하고 잡음과 간섭에 강인하다.

- 복잡하다.

[Line Coding Summary]

▶ Unipolar Scheme

- Uni 는 하나라는 뜻이고 Polar는 극성(+, -)이라는 뜻이다. 즉 하나의 극성을 가진다는 의미로 받아들이면 될 것이다. 전압 레벨이 양의 값과 0만 가지는 것을 암시한다.

- NRZ(Non-Return-to-Zero)

• 하나의 신호에서 전압 레벨(진폭)이 변하지 않는다.
• 비트 값 1 : +Volt, 0: 0Volt 로 표현한다.
• 진폭이 0 밑으로 떨어지지 않으므로 DC 성분이 있다.
• 매우 고가이다.
• 표준 Power가 Polar의 NRZ 보다 2배나 더 요구된다. 즉, Polar Scheme보다 안좋다.

▶ Polar Scheme

- Polar는 극성(+,-)이라는 뜻이므로, 전압 레벨이 양과 음으로만 표현되는 것을 나타낸다.

[ 상 NRZ-L, 하 NRZ-I ]

- NRZ(Non-Return-to-Zero)

• 두 개의 전압 레벨을 가진다. 비트값이 0일 때 +Volt, 1일 때 -Volt이다.
• 그래프 상에서 전압이 시간축의 양 쪽에 있다.
• NRZ-L(NRZ-Level) : 전압 레벨이 비트값을 결정한다.
• NRZ-I(NRZ-Inverse) : 전압 레벨의 변화(비트 시작의 transition의 유무)가 비트값을 결정한다. 변화가 있으면 1, 없으면 0이다. 즉, 연속된 1이면 변화가 있으므로 self-sync가 있는 것이고, 연속된 0이면 변화가 없으므로 self-sync가 없는 것이다. NRZ-L에 비해 상대적으로 DC가 덜하다. 단, 연속된 0일 때 기준선 변동(Baseline Wandering) 문제가 발생한다.
• 문제점 : 기준선 변동, 동기화, DC성분이 있다.

[RZ]

- RZ(Return-to-Zero)

• 세 개의 전압 레벨 : +Volt, -Volt, 0Volt
• 신호가 중간에 0으로 간다. 비트 사이에서는 변화가 없다. 오로지 비트 중간에만.
• 송신과 수신간의 self-sync가 가능하다.
• 비트당 신호가 2배로 요구되므로 필요로하는 대역폭이 증가하게 된다. 복잡성을 띈다.
• 진폭(전압)의 평균값이 0보다 크므로 연속된 0, 1에서 DC가 발생한다.

[ 3번째 Biphase ]

- Biphase 

• 두 개의 전압 레벨을 가진다.
• 각 비트의 중간에 Transition이 있다. 
• 끊어 읽기 좋으므로 자기 동기화(self-sync)가 된다.

• Mancheter (RZ+NRZ-L) : 비트의 시작점에서 전압레벨이 비트 값을 결정한다. ( 0: + → - , 1: - → + ) 비트 시작점이 high에서 low인  + → - 로 변하면 비트값은 0이고, 반대로 - → + 로 변하면 비트값은 1인 것이다. 또한 연속된 0, 1이 나와도 평균 내면 무조건 0이 나오는 구조이므로 DC성분이 없다.
• Differential Manchester (RZ+NRZ-I) : 비트의 시작점에서 Transition이 비트값을 결정한다. 즉, Transition이 있으면 0, 없으면 1이다.
• +, - Volt만 사용하므로 하드웨어적으로 구현하기 쉽다. 기준선 변동 및 DC성분은 없으나, 신호당 비트가 2개씩 증가하므로 필요한 대역폭이 NRZ보다 2배로 넓다.

▶ Bipolar Scheme

- Bipolar는 양극성이라는 뜻으로 하나의 비트값에서 전압레벨이 교대로 나타나는 것을 의미한다.

- 세 개의 전압을 사용 : +Volt, -Volt, 0Volt

- 장거리 통신에 이용되어진다.

- DC 성분이 없다.

- AMI (Alternate Mark Inversion)

• 처음 나오는 1은 high(+Volt), 그 다음은 low(-Volt)를 표시하며, 0은 0Volt로 표시한다.
• 규칙적으로 1을 바꾸기(self-sync O) 때문에 진폭의 평균값이 0에 가까워진다.
• 그러나 연속된 0에서 싱크가 안 맞으므로 끊어 읽기가 어려워진다. (self-sync X)

- Pseudotemary (AMI와 반대)

• 처음 나오는 0은 high(+Volt), 그 다음은 low(-Volt)를 표시하며, 1은 0Volt로 표시한다.
• 연속된 0에서 싱크가 맞고, 연속된 1에서 싱크가 안 맞으므로 self-sync X

- 싱크가 안 맞는 부분을 해결하기 위해 Scrambling을 사용한다.

▶ Block Coding

- 싱크를 맞추고 내제된 오류를 검출하고자 불필요한 중복을 추가하는 방식이다.

[ mB/nB Encoding ]

- mB/nB Encoding (n>m) : m 비트의 데이터를 n 비트의 데이터로 변환하는 것.

- 데이터 정보를 m 비트의 단위로 나눈 뒤, 각 비트의 순서에 맞게 n 비트로 변환시킨다. 마지막으로 n 비트 단위로 결합되어진다.

- Signal rate이 증가하고, DC 성분이 생긴다. 비트수가 증가하기 때문에 오버헤드가 발생한다.

- 4B/5B가 일반적으로 사용된다.

[ 전송순서는 11101 ... 01001 ... 11110 으로 그대로 간다.]

- 동기화 문제(싱크)가 해결된다.

- 비트수를 늘리면서 최대 0의 개수를 3개(5B기준)로 줄인다. 그러면 연속된 0의 개수가 줄어들게 되고 오류가 최소화 된다. 실제로 0의 개수가 많을수록 기기가 버티기 어렵다.

- 비트수가 늘어나면 기존의 데이터를 표현하는 개수가 늘어나개 되므로 “나머지 패턴”이 발생한다. 나머지 패턴은 일종의 내제된 오류(Built-in-Error)로 본다.

[ Line Coding 기법에 추가로 4B/5B 기법이 사용됨 ]

▶ Scrambling

- 싱크를 맞추기 위해 긴 연속된 0을 다른 전압레벨로 변환시키는 방식이다.

- +Volt 다음에 -Volt가 나타나는 것이 정상이나, +Volt 다음 +Volt가 나오게 만드는데 이와 같이 없을법한 패턴을 생성하여 연속된 0을 최대 3개까지만 허용한다.

- B8ZS (Bipolar with 8-Zero Substitution)

• AMI + Scrambling : 없을법한 패턴을 생성하여 AMI의 연속된 0을 깨주는 방식
• 8개의 연속된 0들이 000VB0VB의 패턴으로 대체되어진다.

▶ Transmission Impairment

- 완벽하지 않은 전송 매체에 의해 처음과 끝의 신호가 서로 달라진다.

- 감쇠, 왜곡, 잡음이 원인이다.

▶ 감쇠(Attenuation)

- 신호가 전송될 때 전송매체에 의해 에너지가 흡수됨으로써 에너지의 손실이 발생하는 현상

- Decibel(dB) : 두 신호 간의 혹은 다른 두 지점에서 하나의 신호가 가지는 상대적 세기

- 즉, 데시벨(dB)는 전력의 감쇠나 이득을 나타내는 단위이다.

- 전력의 변화량 (P1:처음 신호의 세기, P2:나중 신호의 세기)

- 감쇠된 신호를 복구하기 위해 증폭기(Amplification)이 사용된다.

▶ 왜곡(Distortion)

- 신호 모양(형태)의 변형

- 복합신호를 이루는 각각의 신호들이 다른 속도를 가짐으로써 발생한다. 즉, 주파수에 따라 전파 속도에 차이가 생긴 것이다.

- 전파 속도의 차이는 위상 차이를 일으키게 되며, 그 차이가 클수록 왜곡률이 증가한다. 따라서 신호가 약해진다.

▶ 잡음(Noise)

- 전송 매체 외에 원하지 않는 에너지가 합쳐지는 현상

- 열잡음(Thermal Noise) : 유선에서 전자의 예측하지 못한 움직임에 의해 발생한다.

- 유도 잡음(Induced Noise) : 모터나 가전제품과 같은 전자제품간의 간섭에 의해 발생한다.

- 누화(Crosstalk) : 하나의 선이 다른 선에 영향을 미치게 되어 발생한다.

- 충격 잡음(Impulse Noise) : 전력 라인이나 다른 원인에 의해 스파크가 발생하는 것이다.

- 신호 대 잡음비(Signal-to-Noise, SNR) : 잡음으로부터의 신호의 깨끗함을 나타내는 단위이다.

• SNR = (average signal power) / (average noise power) = S/N
• 

- SNR이 클수록 변형이 적다.

▶ Data Rate Limit

- 자료 전송율(Data Rate)을 결정하는 요인

• 이용 가능한 대역폭과 비례
• 신호의 레벨 개수와 비례
• 채널의 퀄리티(잡음의 정도)와 반비례

- 이론적으로 자료 전송율을 계산하는 식

• 잡음이 없는 채널에 대한 Nyquist 식 : 이론적으로 최대   ( L : 신호 레벨 값)

• 잡음이 있는 채널에 대한 Shannon 식 : 이론적으로 가장 높은 

▶ Latency(Delay)

- 전체 지연 시간 : 전파지연 + 전송지연 + 큐잉지연 + 처리지연(굉장히 작은편)

- 전파지연 = 송수신간의 거리 / 신호의 전파 속도(m/s)

- 전송지연 = 메시지 크기(bits) / 자료전송율(bps)

- 큐잉지연 : 각 노드에 먼저 들어온 패킷이 처리 완료될 때까지 일시적으로 대기하는 시간

(패킷이 큐의 범위를 초과하면 손실될 수 있다.)

- 처리지연 : 데이터의 오류 등을 처리하는데 걸린 시간

▶ Bandwidth-Delay Product

- 대역폭 지연곱 : 일정시간동안 링크의 최대 데이터 처리량

- Bandwidth * Delay