[Lecture] Data Communication - Mid Summary

💻 2023년 데이터 통신 중간고사 대비 요점 정리

👀 [01] 데이터 통신의 개요

데이터 통신의 정의 및 3대 목표

• 정의 : A(Source) <--> B(Destination)
  • A와 B가 서로 상호 작용하는 것
• 3대 목표
  • 정확성 => 데이터 무결성(Data Integrity)
    • GIGO(Garbage In, Garbage Out)
  • 효율성 => 경제성(Efficiency)
  • 안전성 => 보안성(Security)

데이터 통신의 기본 구조

• Block Diagram of Shannon's Communication System 구성 및 각 단계 이해

  • 

  • 

  • 전송시스템 활용, 인터페이스, 신호 발생, 동기화, 교환 관리, 오류 감지 및 수정, 흐름 제어, 주소 지정 및 경로 배정, 회복, 메시지 형식화, 보호, 시스템 관리

회선 구성 방식의 장﹒단점 비교

• 점대점(point-to-point) 링크
  • 중앙의 컴퓨터와 터미널이 일대일로 독립적으로 연결되는 가장 단순한 회선 구성 방식
    • 각 기기들을 1:1로 매칭만 하면 되는 단순한 방식이기에 구성이 쉬움
    • 기기들의 거리가 멀 경우 전용 회선 설치 시 비용 과다
    • 여러 대의 기기가 통신을 요구할 경우 각 쌍에 대해 전용 회선을 설치하는 것은 매우 비효율적
    • $Link = N(N-1)/2$
• 다중점(multi-point) 링크
  • 2개 이상의 터미널이 하나의 통신 회선에 연결되어 정보의 송수신을 수행하는 방식
    • 비교적 소량의 데이터가 분산되어 있을 경우 매우 효과적인 방식
    • 한 곳에 데이터가 집중되어 있을 경우 효과적이지 못함
    • 통신 회선 사용료를 절감시킬 수 있음
    • 논리적으로 복잡한 구성을 갖고 있기에 고장 시 유지보수가 어려움

 

👀 [02] 데이터 전송 기술

아날로그 & 디지털 특징 및 장단점

• Analog Data : 연속적(continuous), 정현파(Sine Wave)
  • 연속적으로 변화하는 전자기파의 교류 신호
• Digital Data : 이산적(discrete), 구형파or방형파(Square Wave)
  • 전압 펄스의 연속으로 구성
• Analog Signal : 신호 변화가 연속적
  • 시간이나 주파수에 따라 그 크기와 패턴이 끊임없이 변하는 전자기파
  • 전자기적 신호의 파형이 음성에서 파동으로 설명되는 신호를 전기적 신호의 파형으로 바꿔서 상대에게 전달됨
  • 진폭(Amplitude), 위상(Phase), 주파수(Frequency) 라는 세 가지 특성 값으로 표현함
• Digital Signal : 신호 변화가 이산적
  • 신호 형태가 시간에 따라 급격하게 바뀌며 이산적으로 변하는 정보
  • 문자나 정수형 변수 등이 해당되며 비트 단위 사용
  • 이진 신호(binary signal) 가 가장 일반적인 형태
• Analog Transmission : 전송 내용에는 관계하지 않고 아날로그 신호를 전하는 것
  • 장거리 전송에 이용
  • 감쇠 현상 발생
    • 거리가 멀수록 감쇠 현상이 자주 발생
    • 증폭기(amplifier) : 감쇠 신호 증폭 => 왜곡 현상 발생
• Digital Transmission : 전송 신호의 내용에 관심을 가지고 전송하는 것
  • 제한된 거리에서만 사용 > 현재는 장거리 전송도 가능
  • 감쇠 현상 시 심각한 오류
    • 리피터(repeater) : 감쇠 신호 재생
  • 데이터 무결성 보장, 저렴한 전송 용량, 암호화 기법 사용 가능, 경제적

신호 변환 장치

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전송의 손상 원인 및 종류

• 손상의 원인
  • 신호가 전송 매체를 따라 전송될 때 신호의 크기가 감쇠되고, 모양이 일그러지며(왜곡), 잡음이 침입하기 때문
• 신호 감쇠(signal attenuation)
  • 저항이나 임피던스 등의 영향으로 전송 거리에 비례하며 점점 약해지는 현상
  • 아날로그는 amplifier, 디지털은 repeater로 해결
• 지연 왜곡(delay distortion)
  • 전달되는 신호의 전파 속도가 주파수에 따라 차이나는 것
    • 감쇠의 정도가 균일하지 않아 발생함
  • equalizer로 해결
• 잡음(noise)
  • 전송 시스템 및 전송 매체에서 발생하여 전송 신호에 추가되는 불필요한 신호
  • 통신 시스템의 성능을 떨어뜨리는 주요 원인

비동기 & 동기 전송 방식

• 비동기 전송 : ATM, start-stop 방식, even parity
  • 긴 데이터 비트열을 연속적으로 전송하는 대신 한 번에 한 문자씩 전송함으로써, 수신기가 각 새로운 문자의 시작점에서 재동기를 이루도록 하는 것
  • 시작 비트 - 데이터 비트 - 정지 비트 - 패리티 비트
• 동기 전송
  • 송수신기가 동일한 클록을 사용하여 데이터를 송수신하는 방법
  • 프레임 : free-amble - 데이터 블록 - post-amble

네트워크 토폴로지 종류 및 장단점

• star : 중앙에 컴퓨터나 교환기가 있고, 그 주위에 터미널을 분산시켜 연결시킨 형태
  • 고장 발견 및 수리 쉬움, 노드 증설 및 이전 용이
  • 중앙 제어 노드 문제 발생 시 네트워크 전체 통신 불능, 잠재적 병목 현상
• tree : 확장된 성형, 중앙에 컴퓨터가 있고 일정 지역 터미널까지는 하나의 통신 회선으로 연결시키며, 그 이웃하는 터미널은 일정 지역에 설치된 터미널로부터 다시 연결되는 구성 형태
  • 제어 간단, 관리 및 확장 용이
  • 병목 현상 발생, 중앙 지점 고장의 대체 방법 없을 시 네트워크 전체 마비
• mesh : 중앙의 제어 노드에 대한 중계 없이 각 노드 간에 점대점 방식으로 직접 연결하는 그물 모양의 통신망
  • 고장 발견 쉬움, 한 노드 고장 시 네트워크 성능에 영향을 미치지 않음
  • 선로 구축 비용 과다, 선로 설치 및 설정 과정 어려움
• ring : 컴퓨터와 터미널의 연결은 서로 이웃하는 것끼리만 연결시킨 형태로서 양방향 데이터 전송 가능
  • 병목 현상 드묾, 분산 제어와 검사, 회복 등이 용이
  • 노드 확장 및 구조 변경 어려움, 네트워크 상 어떤 노드라도 문제 발생 시 네트워크 전체 통신 불능
• bus: client/server

  • 

Manchester encoding 방법

• Manchester : 비트 중간에서 신호의 반전 발생
  • 정해진 패턴(0:H->L, 1:L->H)이 존재함
  • 1은 음 전압에서 시작해서 비트 중간에 양 전압으로 바꿔 표현, 0은 양 전압에서 시작해서 비트 중간에 음 전압으로 바꿔 표현
• Differential Manchester : 비트 중간에서 신호의 반전 발생
  • 정해진 패턴이 없음
  • 0인 경우 이전 패턴 유지, 1인 경우에는 패털이 반대로 바뀜

ASK/PSK/FSK/QAM 설명 및 장단점

• Amplitude-Shift Keying : 0, 1을 표현하기 위해 반송파의 진폭을 변화시킴
  • 회로 구성 간단, 가격 저렴
  • 잡음이나 신호의 변화에 약함
• Phase-Shift Keying : 0, 1을 표현하기 위해 반송파의 위상을 변화시킴
  • 잡음 영향 없음, 대역폭 제한 없음
  • 회로 구성 복잡
• Frequency-Shift Keying : 0, 1을 표현하기 위해 반송파의 주파수를 변화시킴
  • 잡음에 강함, 회로 구성 비교적 간단
  • 광대역 필요
• Quadrature Amplitude Modulation) : ASK+PSK
  • 주파수 효율 높음, 전송률 높음, 구현 용이
  • 잡음 등 오류에 민감하며 취약

PCM 기법 및 양자화 잡음 제거

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  • 샘플링 => 아날로그 신호 표본화
  • 양자화 => 표본값 정수화
  • 부호화 => 정수값을 2진표현으로
• 양자화 잡음 제거 : 양자화 레벨 세밀화

  • 

동기식/비동기식 TDM

• Synchronous TDM
  • 고정 타임 슬롯 배정 : 낭비 심함, 비경제적
  • 프레임 구조를 가지며, 하나의 프레임은 일정한 수의 타임 슬롯으로 구성됨
• Statistical TDM
  • 동작 타임 슬롯 배정 : 경제적, 구조 복잡, 시간 지연 가능성
  • 전송할 데이터가 있는 채널만 차례로 타임 슬롯을 이용하여 데이터와 함께 주소 정보를 헤더로 붙여 전송

 

👀 [03] 데이터 통신 기술

통신 방식 설명 및 응용 분야

• simplex : 송신 측과 수신 측이 미리 고정되어 데이터가 한쪽 방향으로만 전달되는 통신
  • 호출기, 라디오, TV 방송
• duplex : 통신 채널에 접속된 두 대의 단말기 중 어느 한쪽이 데이터를 송신하는 경우에 상대편은 수신만이 가능한 통신
  • 모뎀을 이용한 데이터 통신, 휴대용 무전기
• full duplex : 접속된 두 대의 단말기들 간 동시에 데이터를 송수신하는 통신
  • 전화기

통신망 구축 장비

• repeater : 원 신호가 감쇠없이 수신 측에 전달되도록 하는 장치
• bridge : LAN을 결합하기 위한 장비
• router : IP 할당 경로를 설정해주는 장치
• gateway : 서로 다른 네트워크들을 연결시켜주는 장비

교환 방식의 종류

• 회선 교환 방식
  • 송신 스테이션과 수신 스테이션 간에 데이터를 전송하기 전에 먼저 교환기를 통해 물리적으로 연결이 이루어져야 하는 방식
  • 회선 사용률이 비효율적
  • 다양한 전송 속도를 갖는 네트워크에서는 통신에 많은 제약이 따름
  • 오류 제어 기능이 제공될 수 없음
• 메시지 교환 방식
  • 가변 길이의 메시지 단위로 축적 후 전달 방식에 의해 교환되는 방식
  • 전송로를 효과적으로 이용
  • 한 개의 메시지를 동시에 운영 상태에 보관할 필요가 없음
  • 축적 기능으로 혼란을 피할 수 있음
  • 작동되지 않는 단말기로 가는 메시지는 교환기가 보관하거나 다른 단말기로 전송 가능
  • 속도와 코드가 다른 단말기 사이의 메시지 교환 가능
  • 우선 순위가 높은 메시지 먼저 전송 가능
  • 메시지의 정보를 통해 분실을 막을 수 있음
• 패킷 교환의 데이터그램 방식
  • 비연결형 서비스이며 메시지 단위가 아닌 패킷 단위로 분할하여 전송함
  • 독립적으로 취급되는 각 패킷을 데이터그램이라고 함
    • 모든 패킷의 헤더에는 목적지의 완전한 주소를 가져야 함
  • 몇 개의 패킷으로 된 짧은 메시지 전송 시 매우 빠름
  • 네트워크 상황에 따라 적절한 경로로 전송함
  • 신뢰성이 높음
• 패킷 교환의 가상 회선 방식
  • 논리적 연결형 서비스이며 패킷 전송 전 논리적인 연결 설정이 필요함
  • 각 패킷들은 식별을 위해 주어지는 VCI를 헤더에 가져야 함
  • 순서대로 도착이 보장됨
  • 패킷 손상 시 복구 가능
  • 경로가 미리 결정되기에 데이터 패킷 처리 속도가 빠름
• 교환 방식 그림

  • 

 

👀 [04] 데이터 제어 기술

데이터 전송 제어 절차 3대 기능

• 오류 제어 : 전송 중 발생하는 데이터 프레임의 오류를 검출하고 이를 복구하는 것
  • 자동 재전송 요청(ARQ; Automatic Repeat reQuest) 기법
    • 정지-대기 ARQ : 정확한 수신 여부 매 번 확인 후 전송
      • 구현이 간단함
      • 시간이 오래 걸릴수록 링크 사용 면에서 비효율적
    • Go-back-N ARQ : 연속적으로 전송하다가 NAK 수신 시 오류가 발생한 프레임 이후 모든 데이터를 재전송
      • 낭비 문제
    • 선택적 재전송 ARQ : NAK 수신 시 오류 발생 프레임만 재전송
      • 구현이 복잡함
• 흐름 제어 : 수신 스테이션의 버퍼가 넘치지 않도록 송신 스테이션의 데이터 전송을 제어하는 것
  • X-ON/X-OFF : 전송 중지, 전송 재개 요청 방식
    • 가장 간단히 데이터 흐름 제어 가능
  • 슬라이딩 윈도우 : 미리 약속한 윈도우 크기만큼 데이터 프레임을 연속적으로 전송
    • 윈도우의 사이즈가 크면 전송 속도가 느려지지만 전송량이 커짐
• 링크 제어 : 전송 회선을 통하여 신뢰성 있는 데이터의 교환을 제공하는 것
  • 점대점 회선 제어 절차 : 반드시 거쳐야 함
    • 물리적 회선 설정 단계 -> 데이터 전송 단계 -> 회선 해제 단계
  • 다중점 회선 제어 절차
    • 폴링 단계(Poll) : Secondary -> Primary
    • 셀렉션 단계(Select) : Primary -> Secondary
    • 빠른 Select : 4단계 절차를 2단계로 줄임
      • 효율적이지만 상대방의 상태 확인이 미흡함