[Lecture] Data Communication - Day 5~6

🖥 Data Communication - Day 5~6

👉🏻 [Chapter 03] 데이터 통신 기술

3.1 통신 방식

• 단방향(simplex) 통신 : 송신 측과 수신 측이 미리 고정되어 있는 통신 방식
  • 데이터가 한쪽 방향 으로만 전달되는 통신
  • 호출기(pager), 라디오, TV 방송
• 양방향(duplex) 통신 : 채널을 통하여 접속된 두 대의 단말기 사이에서 데이터의 송신과 수신이 모두 가능한 방식
  • 반이중(half duplex) 통신 : 통신 채널에 접속된 두 대의 단말기 중 어느 한쪽이 데이터를 송신하는 경우에 상대편은 수신만이 가능한 통신
    • 모뎀을 이용한 데이터 통신, 휴대용 무전기
  • 전이중(full duplex) 통신 : 접속된 두 대의 단말기들 간 동시에 데이터를 송수신하는 통신
    • 전화기

3.2 통신망 구조

• 통신망(communication network) : 인간의 의사 또는 기계나 장치에서 발생되는 데이터 정보 등의 정보 전달 체계라고 정의함
  • 전기 통신망(telecommunication network), 통신망, 네트워크 : 전달 수단으로서 전기적 방법을 사용하는 것
• 통신망 형태
  • 여러 기기 간 통신 시, 두 기기를 점대점 방식으로 직접 연결하는 것은 매우 비효율적이고 비현실적임
  • 이러한 문제를 해결하기 위해 통신망에 연결하는 개념이 탄생함
  • 통신망은 스테이션 사이에 교환되는 정보의 내용에는 관여하지 않으며, 오로지 정보 이동만을 목적으로 함
• 통신망의 구성 요소
  • 리피터(Repeater) : 원 신호가 감쇠없이 수신 측에 전달되도록 하는 장치
    • 물리 계층(1계층)의 접속 장치
    • 디지털 전송의 신호 재생기
      • 세그먼트 간의 접속에 사용
      • 전송거리 연장
      • 배선의 자유도를 높이기 위해 사용
  • 허브(Hub) : 각 컴퓨터들의 중앙 연결 지점을 제공하는 네트워크 장비
    • 중앙 분배 장치
    • 단순한 하니의 스테이션에서 수신한 신호를 정확히 재생하여 다른 쪽으로 내보내는 장치
    • 덤 허브(dumb hub)
      • 네트워크에 있는 컴퓨터 간의 중계 목적을 위한 장비
      • 네트워크의 전체 대역폭을 스테이션이 분할하여 쓰는 방식
        • 연결 스테이션 증가 시 네트워크에 심각한 속도 저하가 발생함
    • 스위칭 허브(switching hub)
      • 스위칭 기능을 갖고 있는 허브
      • 스테이션들을 각각 점대점으로 접속시킴
      • 전이중 방식 통신 가능
      • CSMA/CD 방식의 네트워크에서도 충돌이 발생하지 않음
        • 덤 허브보다 우수한 전송 속도를 가짐
    • 스테커블 허브(stackable hub)
      • 허브와 허브 사이를 연결하는 장비
      • 스테커블 허브끼리는 캐스케이드(cascade) 케이블 사용
      • 허브와 허브를 일반 허브로 연결 시 전송 속도 저하가 발생할 수 있지만 스테커블 허브를 사용하면 발생하지 않음
    • 브리지(Bridge) : LAN을 결합하기 위한 장비
      • 데이터 링크 계층(2계층)의 네트워킹 장비
      • 리피터와 달리 전체 프레임을 수신할 때까지 전송하지 않음
      • 프레임의 내용을 변경하지 않는다는 점은 리피터와 동일함
      • 망의 트래픽 분산(제어), 필터링 기능 탑재
    • 라우터(Router) : IP 할당 경로를 설정해주는 장치
      • 네트워크 계층(3계층)에서 동작하는 장비
      • 이기종 LAN 간의 연결
      • LAN을 WAN에 연결
      • 효율적인 경로를 선택하는 라우팅 기능
      • 오류 패킷에 대한 폐기
      • 정적 라우팅(static routing) : 수동 라우팅 테이블 관리
      • 동적 라우팅(dynamic routing) : 라우팅 정보의 교환을 통해 자동으로 라우팅 테이블 관리
    • 게이트웨이(Gateway) : 서로 다른 네트워크들을 연결시켜주는 장비
      • OSI 7 Layer(1~7계층) 담당
        • 응용 계층까지를 인식하여 동작하는 기기를 총칭하여 게이트웨이라고 함
    • 통신 프로토콜
      • OSI 7 Layer, TCP/IP

3.3 교환망 방식

• 교환망(switching network) : 교환기의 중계와 전송 기능을 이용하여 데이터를 목적지까지 전달하는 통신망
  • N개의 장치 연결 시 각 장치마다 한 개의 I/O포트 만으로 연결 가능한 통신망
  • 데이터를 송신 측에서 수신 측으로 전송 시 한 링크에서 다른 링크로 교환하는 방식
• 회선 교환(circuit switching) 방식 : 송신 스테이션과 수신 스테이션 간에 데이터를 전송하기 전에 먼저 교환기를 통해 물리적으로 연결이 이루어져야 함
  • 회선 교환 제어 절차 : 호 설정 -> 전송 -> 해제
  • 전화 시스템이 대표적인 예시임
  • 음성이나 동영상과 같이 연속적이면서 실시간 전송이 요구되는 미디어의 전송에 적합함
  • 오류 없이 정보 전달이 요구되는 데이터 서비스를 위해서는 부적합함
  • 회선 교환 방식의 특징
    • 회선 사용률이 비효율적
    • 다양한 전송 속도를 갖는 네트워크에서는 통신에 많은 제약이 따름
    • 오류 제어 기능이 제공될 수 없음
• 메시지 교환(message switching) 방식 : 회선 교환이 갖는 비효율적인 회선 이용을 개선시킨 데이터 통신을 위한 교환 방식
  • 메시지 교환이란, 가변 길이의 메시지 단위로 축적 후 전달(store and forward) 방식에 의해 데이터를 교환하는 방식
    • 축적 후 전달 : 도착하는 메시지를 일단 저장한 후, 다음 노드로 가는 링크가 비어 있으면 전송해 나가는 방식
  • 회선 교환과 달리 두 스테이션 간에 데이터 전송 시 전용 통신로를 확보해 둘 필요가 없음 => 회선 사용률이 높음
  • 메시지의 전달 지연이 비교적 길고 가변적이기에 실시간 통신이나 대화형 데이터 통신보다는 전송 지연이 별 문제가 되지 않는 전자 우편이나 파일 전송 등에 적합함
  • 기다리는 대기 지연(queueing delay) 으로 인해 실시간 처리에 적합하지 않음
  • 빠른 응답 시간(response time) 이 요구되는 응용에는 적합하지 않음
  • 메시지 교환이 회선 교환에 비해 지니고 있는 장점
    • 전송로 효과적으로 이용
    • 한 개의 메시지를 동시에 운영 상태에 보관할 필요가 없음
    • 축적 기능을 이용해 혼란을 피할 수 있음
    • 작동되지 않는 단말기로 가는 메시지는 교환기가 보관하거나 다른 단말기로 전송될 수 있음
    • 속도와 코드 변환을 수행할 수 있기에 코드와 속도가 다른 단말기 사이의 메시지 교환이 가능
    • 우선 순위가 높은 메시지를 먼저 전송할 수 있음
    • 메시지 분실을 막기 위해 메시지 번호, 전송 날짜, 시간 등을 메시지에 추가하여 전송할 수 있음
• 패킷 교환(packet switching) 방식 : 회선 교환과 메시지 교환의 단점을 최소화시키고 장점을 살린 방식
  • 메시지 교환과 비슷하지만 네트워크를 지나는 데이터의 단위 길이가 패킷 교환에서는 제한되는 점이 다름
    • 메시지 길이가 제한되어 있기에 일정 길이를 초과하는 메시지는 몇 개의 형태로 분할된 후에 전송됨
      • 분할된 일정 길이의 형태를 프레임(frame), 블록(block), 패킷(packet) 이라고 함
  • 네트워크에서 주로 사용
  • 데이터그램(datagram) 방식
    • 비연결형 서비스
    • 메시지 교환과 마찬가지로 전송하기 전 미리 경로를 설정할 필요가 없음
    • 독립적으로 취급되는 각 패킷을 데이터그램 이라고 칭함
    • 각 패킷마다 독립적으로 경로 배정을 통해 전달되기에 모든 패킷의 헤더에는 목적지의 완전한 주소를 갖고 있어야 함
    • 장점
      • 호 설정 과정이 불필요하기에 몇 개의 패킷으로 된 짧은 메시지를 전송할 경우 데이터그램 방식이 훨씬 빠름
      • 네트워크 혼잡 상황에 따라 적절한 경로를 찾아 전달하기에 융통성이 큼
      • 한 노드가 고장날 시 우회 경로로 패킷 전달이 가능하기에 신뢰성이 높음
  • 가상 회선(virtual circuit) 방식
    • 논리적 연결형 서비스
    • 패킷 전송 전 논리적인 연결 설정이 필요함
      • 논리적 연결은 회선 연결과 유사하게 경로가 고정되므로 가상 회선이라 칭함
    • 각 링크에서 식별을 위해 주어지는 번호(가상 회선 번호 VCI; Virtual Circuit Identifier)가 있음
      • 가상 회선 설정 후 전송되는 각 패킷은 가상 회선을 식별하기 위한 VCI만을 헤더에 가지면 됨
    • 장점
      • 순서대로 도착이 보장됨
      • 패킷의 손상 시 복구 가능
      • 오류 제어는 적절한 순서로 도착함은 물론이고 모든 패킷이 손실 없이 도착함을 보장함
      • 연결 설정 시 경로가 미리 결정되기에 데이터 패킷의 처리 속도가 그만큼 빠름
    • 교환 가상 회선(SVC; Switched Virtual Circuit) : 경로 배정이 가변적임(variable)
    • 영구 가상 회선(PVC; Permanent Virtual Circuit) : 경로 배정이 고정적임(fixed)
• 적합한 교환 방식
  • 연속적인 전송이 요구되는 실시간 통신은 회선 교환이 가장 적합함
  • 일반적인 데이터 통신에서는 전송 링크를 효율적으로 사용 가능한 메시지 교환이나 축적 후 전달이 적합함
  • 대화형 데이터 통신에서는 응답 시간이 빠른 패킷 교환이 적합함
  • 메시지 교환은 응답 시간이 별 문제가 되지 않는 가변 길이의 전자 우편이나 파일 전송 등에 적합함
  • 간헐적으로 발생하는 짧은 메시지 전송의 경우는 데이터그램 패킷 교환이 유리함
  • 가상 회선은 데이터그램에 비해 긴 메시지 전송에 유리함

👉🏻 [Chapter 04] 데이터 제어 기술

• 데이터 제어 기술은 데이터 링크 계층 에서 발생함
  • 회선 제어(Line discipline, 흐름 제어(Flow control), 오류 제어(Error control)
• 전송 제어(데이터 전송 제어 방식)
  • 정보 통신을 위한 물리적 구성 요소들을 이용하여 전송 링크 상에서 발생할 수 있는 제어 절차
• 물리 계층의 고려 사항
  • 회선 구성(Line configuration), 데이터 전송 모드(Data transmission mode), 접속 형태(Topology), 신호 방식(= 신호 형태, Signals), 부호화(Encoding), 인터페이스(Interface), 전송 매체(Medium)
• 데이터 링크 계층의 고려 사항
  • node-to-node 전달(Delivery), 주소 지정(Addressing), 접근 제어(Access control), 흐름 제어(Flow control), 오류 처리(Error handling), 동기화(Synchronization)

4.1 전송 오류 검출 기법

• 순방향 오류 수정(forward error correction) : 오류 검출, 유추
  • 전진 오류 제어 기법
  • 수신한 비트열에서 유추할 수 있는 방식
  • 잘 사용하지 않음
  • 오류 검출 및 수정할 수 있는 오류 수정 코드(error correction code) 사용
• 역방향 오류 수정(backward error correction) : 재전송
  • 후진 오류 제어 기법
  • 수신 측이 오류 검출 시에 재전송을 요구하는 방식
  • 오류 발생 유무를 검출만 할 수 있는 오류 검출 코드(error detection code) 사용
• 패리티 검사(parity check) => 짝수/홀수 패리티
  • 가장 간단한 비트 오류 검출 방식
  • 각 문자를 구성하는 비트의 1의 수가 짝수나 홀수가 되도록 패리티 비트를 부착하는 방식
  • 일반적으로 짝수 패리티(even parity) 는 비동기식 통신에 사용되고, 홀수 패리티(odd parity) 는 동기식 전송에 사용됨
  • 한 비트나 임의의 홀수 개 비트가 전송 중 바뀌면 수신기는 오류 검출 가능
  • 두 개 혹은 임의의 짝수 개의 비트가 바뀌면 오류 검출 불가능
  • 비효율적임(비경제적)
• 블록 합 검사(block sum check) => 수평/수직 패리티
  • 패리티 검사의 단점을 프레임의 모든 문자로부터 계산되는 잉여 패리티 비트를 사용함으로써 극복한 방식
  • 일정한 수의 문자 블록에 대하여 각 문자 단위로 수평으로 패리티를 계산하여 하나의 비트를 부착하며, 문자 블록의 각 비트 단위로 수직으로 패리티를 검사하여 하나의 비트를 부착함
  • 2차원 패리티 계산에 의해 문자 블록의 맨 끝에 부착되는 패리티 비트들의 집합을 블록 검사 문자(block check character) 라고 함
  • 문자 단위의 수평 패리티 계산은 홀수 패리티에 사용하고, 블록 단위의 수직 패리티 계산은 짝수 패리티를 사용함
  • 인접한 비트의 오류가 발생할 경우 오류 검출이 불가능함
• 순환 중복 검사(CRC; Cyclic Redundancy Check)
  • 데이터 통신에서 널리 사용되는 방식
  • 프레임 단위로 오류 검출을 위한 코드를 계산하여 프레임 끝에 부착하는데 이를 FCS(Frame Check Sequence) 혹은 CRC digit 라고 칭함
    • 데이터 통신에서는 16비트 혹은 32비트의 FCS가 널리 사용되고 있음