4. 점대점(Point-To-Point) 링크 - 하드웨어 구성요소

하드웨어 구성요소

데이터 링크 계층

• OSI 7계층의 1, 2계층은 무엇을 담당하는가?
• → 하나의 링크로 연결된 노드 사이의 비트묶음 (프레임) 교환
• 하나의 링크로 연결된 두 노드
  • 점대점 연결 네트워크 : 가장 간단한 네트워크
  • 일반적 네트워크 구성의 기본 block
• 노드란? 노드의 실체는?
• 링크란? 링크의 실체는?
• 점대점 연결에서의 통신의 실체
  • 비트 교환 : 신호 인코딩 / 디지털 전송
  • 비트 묶음 교환 : 프레이밍 (frame)
  • 오류 검출 / 복구

하드웨어 구성 요소 : 노드(Nodes)

• 단말/호스트, 스위치/라우터
• 범용 (프로그래밍할 수 있는) 컴퓨터로 구성된다고 가정한다. (PC 등)
  • 모든 노드는 컴퓨터 구조를 갖는다.
• 때때로 특수한 목적의 하드웨어로 대체되기도 한다.
• 유한 메모리 (제한된 버퍼 공간을 의미) → overflow가 날 수 있다.
  • 메모리와 I/O bus가 연결되어 있다. 패킷 송/수신마다 2번씩 일한다.
  • I/O bus가 병목의 원인이다.
• 네트워크 어댑터 (or NIC : Network Interface Card or 랜카드)를 통해서 네트워크에 연결
  • 모뎀의 역할을 하고, 링크와 만나는 접촉지점이다.
• 프로세서는 빠르고, 메모리가 느리다.

링크 (Link)

• 데이터 (신호) 전달을 위한 물리적 매체
  • Ex. 공기, 케이블, 물 …
  • 신호를 전달할 수 있다면 무엇이든지 가능하다.
  • wired (물질로 싸여 있는 것) vs wireless (물질로 싸여있지 않은 것)
• 전송 모드
  • Simplex : 단방향
  • 반이중 (Half-duplex) : 동시사용 X, 교대로 사용한다. (Ex. 무전기)
  • 전이중 (Full-duplex) : 완전 양방향. 주파수를 나누어 구현.
• 링크는 논리적 통로이다.
  • 하나의 케이블에 여러 링크가 존재할 수 있다.
  • 내부 링크는 simplex, 외부는 full-duplex일 수도 있다.
  • 당분간 링크는 하나의 케이블이라고 가정한다.

모듈레이션 : 데이터의 신호화

• 데이터를 링크, 즉, 물리적 매체를 통해서 전달하기 위해서
• 인코딩/모듈레이션 (Modulation) : 데이터 → 신호
• 디코딩 (Demodulation) : 신호 → 데이터
• 모뎀
  • Modulation + Demodulation
• 신호의 종류 : 전자기파 스펙트럼
  • 주파구 (Hz), 파장 (wave length)
    • 신호에서는 주파수로 부르고, 빛에서는 파장이라고 부른다.
    • 0, 1로 매핑 필요 → 주파수/세기 로 0, 1을 표현할 수 있다.
    • 공중에서는 고주파로 잘 보내기 어렵다.

전자기 스펙트럼과 매체 특성

• 저주파일수록 전송 특성이 좋다. (장애물을 잘 통과한다.)
• 저주파는 고속의 데이터 전송에 한계가 있다
• 통신의 발전으로 저주파→ 고주파로 넘어가는 중이다

사용 가능한 유선 링크의 종류 (링크의 실체)

• 자신이 직접 선을 설치하는 경우
  • 길이는 최장 연결 가능 길이이다.
  • 길이가 길어지면 안정성이 떨어진다
  • 구리 포함율이 높으면 저항이 작아서 잘 전달된다
  • Category 5 twisted pair (UTP) : 10-100Mbps. 100m
    • LAN 케이블
    • 요즘에는 주로 수십미터 이내에서 사용한다.
    • 중계기를 사용하면 케이블 끼리 연결해서 거리를 늘릴 수 있다
  • 50-ohm coax (ThinNet): 10-100Mbps. 200m
    • 동축케이블
    • 거의 사용 X
  • 75-ohm coax (ThinNet): 10-100Mbps. 500m
    • 굵은 동축 케이블
    • 거의 사용 X
  • Multimode fiber: 100Mbps. 2km
    • 짧은 거리로만 사용가능
    • 광케이블
  • Single-mode fiber: 100-2400Mbps. 40km
    • 중계기는 고장날 확률이 존재하므로, 긴 거리는 single-mode fiber를 사용한다.
• 전화회사로부터 선을 임대하는 경우
  • MUX 배수 관계로 일정하게 늘어난다.

광케이블: Optical Fiber

• Index of reflection = speed in Vacuum(튕기지 않고 빠르게 가는 속도) / Speed in medium modes
  • 좋은 케이블은 코어가 작은 것 (원거리 용으로 사용가능하기 때문)
  • 코어가 크면 튕김 정도가 커져서 원거리 용으로 좋지 않다
  • 빛이 튕기면서 전달되는데, 수신받는 쪽에서는 송신때보다 빛이 퍼져서 도착한다. 이는 core의 크기, 광케이블 길이에 빛 퍼짐이 영향을 받는다.
  • 고주파에서는 약간의 빛 퍼짐에도 영향을 받게 된다 (정보가 촘촘히 들어오기 때문에 빛퍼짐이 생기면 정보가 서로 겹치게 된다)
• Multimode
  • 코어가 크다
  • 만들기 쉽다
• Single Mode
  • 코어가 작다
  • 원거리에 적합하다

가입자 선로 (Last-Mile Links)

• 집(사용자)와 인터넷 공급자 사이를 마지막으로 연결하는 링크
• 사용자가 선택해서 사용하는 링크라서 중요하다
• 과거는 모뎀을 통한 음성 전화 링크를 사용했다
• xDSL (Digital Subscriber Loop): 음성과 data를 FDM 방식으로 동시에. 기존 가입자에 digital을 추가해서 서비스하는 것.
  • 저주파는 그대로 사용하고, data에는 고주파를 할당해서 주파수를 다르게 한다.
  • ADSL
    • upload, download 대역폭을 비대칭으로 쪼개서 서비스 한다.
  • VDSL
    • Subscriber와 neighborhood optimal network unit사이에 구리선을 사용한다. 이렇게 하면 길이가 줄어들어서 속도가 빨라진다
    • neighborhood optimal network unit와 central office는 광케이블로 연결한다
• Cable Modem
  • 6M - 100M: Asymmetric
  • shared bandwidth

Digital subscriber line (DSL)

• 링크가 길어지면 음성인 저주파는 잘 갈 수 있다
• 고주파는 링크가 길어지는 경우 잘 못 간다

무선 링크 (Wireless Links): 일반

• 장점
  • 고정된 링크가 없다
  • 이동성을 지원한다
  • 즉시 사용 가능하다 (설치 안 해도 된다)
• 단점
  • 공중으로 퍼져나간다 (통제 불가)
  • 고주파 vs 저주파
  • 인접한 링크 사이에 간섭이 일어날 수 있다
    • 전파 사용에 규제가 필요 → 라이센스 제도
  • multipath problem
    • 광케이블 문제와 똑같다. (신호가 퍼지게 되는 문제)
    • 이동 중에 많이 발생한다.
    • TDM에서 multipath 문제가 잦다

이동통신 (Cellular Networks)

• 기지국 ↔ 단말기
  • 셀: 하나의 기지국이 관할하는 지역. 기지국은 신호를 전방향으로 보낸다
  • 핸드오프 (hand-off) 문제 (기지국이 바뀌는 것)
    • 같은 통신을 쓰면 같은 기지국을 쓰고, 신호가 겹치는 문제가 발생한다 (MUX 문제)
• 기술 발전
  • AMPS → PCS(GSM/CDMA) → W-CDMA → 4세대 이동통신 → 5G
    • AMPS : 주파수 분할 (FDM 사용)
    • PCS : TDM 사용
    • 4세대 이동통신 : all packet switching 기술. 단순 MUX 기술X. 모두 패킷 스위칭 사용
    • 5G : 높은 주파수를 사용해서 기지국이 멀면 사용하기 어렵다.
• 셀 사이에 빈공간이 존재하면 신호가 끊기므로 셀 끼리 겹쳐야 한다.
• 초창기에는 기지국을 적게 세워도 되어서 셀 크기가 커야 좋았지만 겹치는 부분에서 같은 주파수를 쓰게 되면 간섭이 생기게 된다
• space division을 사용하면 주파수를 재사용할 수 있다.
• 요즘은 이동 기지국도 존재한다.

고정 무선통신 (Wireless Fixed links)

• 무선 고속 전용 링크
  • 나라 사이 국경에는 유선 링크를 깔기 힘드므로 무선링크를 사용한다. (해저 통신을 쓸 수도 있지만 비용이 많이 든다.)
  • 간섭을 피하기 위해 라이센스 있는 주파수를 사용한다.
  • 단점 : 일기에 영향을 받고, 안개나 바람 등에 취약하다. (수증기 있으면 신호가 산란됨)
  • → 유선만큼 안정적이지는 않다.
• 무선 가입자망 (무선의 장점인 즉시 활용을 이용하는 예시)
  • 땅이 넓은 국가 같은 경우에 큰 효과
  • 멀리 떨어진 한 두 집을 위해 유선으로 링크를 까는 것은 돈이 매우 많이 든다.
  • 이럴 대 고속은 아니더라도 무선 가입자 망을 사용해서 무선으로 연결한다.
  • space division으로 주파수를 재사용 가능하다

위성 통신 (Satellite system)

• 고궤도 (정지위성)
  • cell이 지역적으로 고정된다. 지구를 똑같은 궤도로 돈다.
  • 커버 할 수 있는 구역이 가장 넓다.
  • 단방향 수신은 가능하지만 통신은 어렵다. (휴대용 기기가 고궤도까지 신호를 보내기 어렵기 때문)
• 중궤도
  • cell이 이동하고 고장이 잦다.
  • GPS
  • 양방향은 어렵다.
• 저궤도
  • 양방향 가능
  • cell이 이동하고 고장이 잦다.
  • 셀의 크기가 상대적으로 작아 지구를 커버하려면 위성을 많이 띄워야 한다.
  • 지상과의 거리가 짧아 상대적으로 작은 안테나 사용 가능
• 위성의 일은 단순해야 한다. 위성은 반사만 하고, 지상의 hub가 위성대신 switching을 해준다. 대신 통신을 여러 번 해야 한다는 단점이 존재한다.

단거리 무선통신 (Short Range)

• Public (license-free) band 이용
  • 900MHz : 리모콘, 무전기
  • 2.5GHz: ISM, 전자레인지, wifi, bluetooth
  • 5GHz
• 적외선 통신 (리모콘, 프린터)
• 무선 LAN(Local Area Network) - iEEE 802.11 : 802.11b → 11Mbps
• PAN
  • Bluetooth (Personal Area Network) : 저전력. 1Mbps, 2Mbps 정도 (휴대용이라)
  • ZigBee / IEEE 802.15.4 : 매우 저전력. 전등 정도에 사용되는 무선통신

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