[데이터 통신과 네트워킹-TCP/IP프로토콜 기반] 2장 물리층

데이터 통신과 네트워킹-TCP/IP프로토콜 기반: 2장 물리층

2.1 신호 (Signals)

아날로그, 디지털 신호

 

2.1.1 아날로그 신호

• 아날로그 신호는 주기(periodic), 비주기(aperiodic)라는 두 가지 형태 중 하나가 될 수 있다. 
• 데이터 통신에서는 보통 주기 아날로그 신호를 이용한다.
• 아날로그 신호는 단순(simple) 신호와 복합(composite) 신호로 나뉜다.
• 단순 아날로그 신호인 정현파(sinewave)는 더 이상 단순 신호로 나눌 수 없다.

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정현파(sinewave)의 특성

최대 진폭(Peak Amplitude)

• 신호의 최대 진폭은 전송하는 신호의 에너지에 비례하는 가장 큰 세기의 절댓값을 나타낸다.(흔히 접압으로 측정)

주기(Period, T )와 주파수(Frequency, F )

• 주기는 신호가 한 사이클을 완성하는 데 필요한 시간(초 단위)를 나타낸다.
• 주파수란 헤르츠(Hertz, Hz)로 나타내는데, 1초 동한 생성되는 주기의 수를 말한다.
• 주기와 주파수는 같은 특성을 두 가지 방법으로 나타낸 것이다.
• 주기는 주파수의 역이고 주파수는 주기의 역이다. ( F  = 1/ T )

정현파

 

 

위상(Phase)

• 시각 0시에 대한 파형의 상대적인 위치를 기술한다.

파장(Wavelength)

• 전송 매체를 통과하는 신호의 또 다른 특징이다.
• 파장은 단순 정현파의 주기 또는 주파수를 전송 매체를 통한 전파 속도와 연관시킨다.

정현파의 시간 영역과 주파수 영역 도면

 

복합 신호(Composite Signal)

• 데이터를 통신하기 위해서는 복합신호를 보내야 한다. 
• 복합신호는 여러 개의 단순 정현파로 만들어진다.

대역폭(Bandwidth)

• 복합 신호에 포함된 주파수 범위를 대역폭이라고 한다. 
• 대역폭은 신호에서 최고 주파수와 최저 주파수의 차이이다.

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2.1.2 디지털 신호

디지털 신호: 2개의 신호 준위와 4개의 신호 준위를 갖는 신호

 

비트율(Bit Rate)

• 비트율은 1초 동안 전송된 비트의 수를 bps(bits per second)로 표현한다. 

비트 길이(Bit Length)

• 비트 길이는 한 비트가 전송 매체를 통해 차지하는 길이다. 

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2.2 전송 장애 (Signal Impairment)

신호는 완전하지 못한 전송 매체를 통해 전송된다. 이 과정에서 장애가 발생한다. 

 

2.2.1 감쇠(Attenuation)와 증폭(Amplification)

• 감쇠는 에너지 손실을 의미
• 신호가 매체를 통해 이동할 때 매체의 저항에 의해 에너지 손실 발생
• 이 손실을 줄이기 위해 증폭이 필요

감쇠와 증폭

• 데시벨(dB, decibel)은 신호의 손실된 길이나 획득한 길이를 보이기 위해 사용, 데시벨은 신호가 감쇠되면 음수, 증폭되면 양수이다.

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2.2.2 일그러짐(Distortion)

• 신호의 모양이나 형태가 변하는 것을 의미
• 서로 다른 주파수로 구성된 복합 신호에서 일그러짐이 발생할 수 있다.

잡음(Noise)

신호 손상의 원이이다. 

 

• 열 잡음(Thermal noise): 전선 내 전자의 무작위 운동으로 발생하는 추가 신호
• 유도된 잡음(Induced noise): 모터와 가전제품 등에서 발생해 전송 매체에 영향을 미치는 신호
• 혼선(Crosstalk): 한 전선이 다른 전선에 영향을 미치는 현상
• 충격 잡음(Impulse noise): 전력선, 번개 등에서 발생하는 짧고 강력한 신호

 

신호-대-잡음 비(SNR , Signal-to-Noise Ratio)

 

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2.2.3 데이터 전송률의 한계

데이터 전송률에 영향을 미치는 요소

1. 가역 대역폭
2. 사용 가능한 신호 준위
3. 채널의 품질(잡음의 정도)

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2.2.4 성능

대역폭(Bandwidth)

• 헤르츠(Hz) 단위의 대역폭은 신호에 포함되 주파수의 범위
• 비트율(bps) 단위의 대역폭은 채널을 통과시킬 수 있는 초당 비트 수 

 

처리율(Throughput)

• 어떤 지점을 데이터가 얼마나 빠르게 지나가는가를 측정하는 것

 

지연(Delay or Latency)

• 전체 메시지가 발신지에서 첫 번째 비트가 목적지에 완전히 도착하는데 걸리는 시간

지연 = 전파 시간(propagation delay) + 전송 시간(transmission delay) + 큐 시간(queuing delay) + 처리 시간(processing delay)

 

 

대역폭 - 지연 곱(Bandwidth-Delay Product)

• 링크를 채울 수 있는 비트의 수를 의미한다.

대역폭 - 지연 곱의 개념

 

파형 난조(Jitter)

• 서로 다른 데이터 패킷이 서로 다른 지연 시간을 가지면 생기게 되어  수신자 쪽의 음성이나 화상처럼 시간에 민감한 응용 시스템이 껶는 문제이다.

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2.3 디지털 전송 (Digital Transmission)

 

2.3.1 디지털-대-디지털 변환(Digital-to-Digital Conversion)

• 디지털 전송에서 데이터가 디지털이면 디지털-대-디지털 변환 기술이 필요하다.
• 변환에 필요한 기술에는 회선 부호화, 블록 부호화, 스크램블링이 있다.

회선 부호화 (Line Coding)

• 디지털 데이터를 디지털 신호로 바꾸는 작업이다.
• 회선 부호화는 일련의 비트들을 디지털 신호로 바꾼다.
• 전송측에서는 디지털 데이터가 디지털 신호로 부호화(encodinf)된다
• 수신측에서는 디지털 신호를 복호화(decoding)하여 디지털 데이터를 재생하게 된다. 

 

블록 부호화(Block Coding)

• 동기화 확보와 오류 검출을 위해 여분의 비트를 포함시켜야 한다.
• m비트를 n비트의 블록으로 바꾼다.(n > m)

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2.3.2 아날로그-대-디지털 변환(Analog-to-Digital Conversion)

• 디지털 전송에서 데이터가 아날로그면아날로그-대-디지털 변환 기술이 필요하다. 

펄스 코드 변조(PCM, Pulse Code Modulation)

 

1. 아날로그 신호는 매 T초마다 샘플링된다.
2. 샘플링된 신호는 양자화되며, 이는 각 샘플이 펄스로 간주된다.
3. 양자화된 값(펄스)은 비트 스트림으로 인코딩된다.

 

PCM 부호화기의 구성요소

 

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2.4 아날로그 전송

디지털 전송은 저역통 채널에서 가능하지만, 대역통 채널이 필요한 경우 아날로그 전송만 가능하다

2.4.1 디지털-대-아날로그 변환 (Digital-to-Analog Conversion)

 

• ASK (Amplitude Shift Keying): 반송파의 진폭을 변조하여 데이터를 표현한다. BASK (Binary ASK)는 두 진폭만 사용하여 데이터를 나타내며, 대역폭은 신호 속도에 비례한다.
• FSK (Frequency Shift Keying): 반송파의 주파수를 변조하여 데이터를 표현한다. 두 개의 주파수를 사용하여 0과 1을 나타낸다.
• PSK (Phase Shift Keying): 반송파의 위상을 변조하여 데이터를 표현하며, 잡음에 덜 민감하다. BPSK(Binary PSK)는 0도와 180도의 두 위상을 사용한다.
• QAM (Quadrature Amplitude Modulation): 진폭과 위상을 동시에 변조하여 데이터를 표현하며, 현재 가장 효율적이고 일반적으로 사용되는 방식이다.

 

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2.4.2 아날로그-대-아날로그 (Analog-to-Analog Conversion)

1. 진폭 변조(AM): 반송파의 진폭을 변조 신호의 진폭에 따라 변화시키는 방식. 대역폭은 변조 신호의 두 배이며, 신호의 상하 대역이 동일한 정보를 담아 절반만 사용하기도 한다.
2. 주파수 변조(FM): 반송파의 주파수를 변조 신호의 진폭 변화에 따라 변조하는 방식. 주파수는 변조 신호에 따라 달라진다.
3. 위상 변조(PM): 반송파의 위상을 변조 신호의 진폭 변화에 따라 변조하는 방식. 주파수 변조와 유사하나, 변조 신호의 변화율에 따라 위상이 변한다.

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2.5 다중화 (Multiplexing)

 

• 다중화는 하나의 링크에서 여러 신호를 동시에 전송할 수 있게 하는 기술로, 링크의 대역폭이 기기 요구 대역폭보다 클 때 사용할 수 있다.
• 대역폭 자원을 최대한 활용하기 위해 다중화가 필요하며, 이는 특히 대역폭이 높은 광섬유, 지상파, 위성 마이크로파 등에서 유용하다.
• 다중화 시스템에서는 여러 라인이 하나의 링크의 대역폭을 공유하며, 송신 측에서 여러 신호를 결합하여 하나의 데이터 스트림으로 만들고, 수신 측에서 이를 분리하여 각 라인에 전달한다.
• 주요 다중화 방식은 다음과 같다:
  1. 주파수 분할 다중화(FDM): 아날로그 신호용
  2. 파장 분할 다중화(WDM): 아날로그 신호용
  3. 시분할 다중화(TDM): 디지털 신호용

 

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2.5.1 주파수 분할 다중화(FDM, Frequency-Division Multiplexing)

 

• 주파수 분할 다중화(FDM)는 아날로그 다중화 방식으로, 링크의 대역폭이 여러 신호의 대역폭 합보다 클 때 사용된다.
• 각 송신 장치는 서로 다른 반송파 주파수를 변조하여 신호를 생성하고, 이 변조된 신호들을 하나의 합성 신호로 결합해 전송한다.
• 채널: 각 신호가 이동하는 경로로, 신호 간 간섭을 막기 위해 가드 밴드(Guard Bands)로 분리된다.
• FDM은 디지털 신호도 아날로그 신호로 변환한 후 다중화할 수 있다.

 

주파수 분할 다중화(FDM)

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2.5.2 시분할 다중화 (TDM, Time-division multiplexing)

 

• 시분할 다중화(TDM)는 디지털 다중화 방식으로, 여러 연결이 링크의 높은 대역폭을 시간 단위로 나누어 공유한다.
• 각 연결은 주어진 시간 슬롯을 차지하며, FDM처럼 주파수를 나누는 대신 시간을 나누어 사용한다.
• TDM은 디지털 다중화 방식으로, 여러 출처의 디지털 데이터를 하나의 시간 공유 링크로 결합할 수 있다. 아날로그 데이터도 샘플링을 통해 디지털화한 후 TDM으로 다중화할 수 있다.
• TDM에서는 데이터가 고정된 경로로 전송되며, 스위칭을 사용하지 않는다.

 

시분할 다중화(TDM)

 

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2.6 전송 매체 (Transmission Media)

 

• 전송 매체는 정보를 출처에서 목적지로 전달할 수 있는 모든 것으로 정의되며, 물리 계층 아래에 위치하여 물리 계층에 의해 직접 제어된다.
• 데이터 통신에서는 전송 매체로 자유 공간, 금속 케이블, 광섬유 케이블이 사용되며, 전달되는 정보는 데이터가 신호로 변환된 형태이다.
• 전송 매체의 유형은 크게 두 가지로 나눌 수 있다:
  1. 유도 매체 (Guided Media): 금속 케이블이나 광섬유와 같은 물리적 경로를 통해 신호를 전달.
  2. 비유도 매체 (Unguided Media): 자유 공간을 통해 무선으로 신호를 전달.

전송 매체와 물리층

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2.6.1 유도 매체 (Guided Media)

유도 매체는 신호가 특정 경로를 따라 전송되는 매체이다.

• 꼬임쌍선 케이블(Twisted-Pair Cable): 두 개의 구리선이 서로 꼬여 있어, 하나는 신호를 전달하고 다른 하나는 접지 역할을 한다. 주요 응용 분야는 전화선과 DSL(디지털 가입자 회선)이다.

꼬임쌍선 케이블

• 동축 케이블(Coaxial Cable): 중앙의 도체가 절연체로 감싸져 있고, 외부 금속 재질로 다시 감싸져 있어 높은 주파수 신호를 운반한다. 케이블 TV와 디지털 전화 네트워크에 사용되며, 주로 광섬유 케이블로 대체되고 있다.

동축 케이블

• 광섬유 케이블(Fiber-Optic Cable): 유리 또는 플라스틱으로 된 광섬유를 사용하여 빛의 형태로 신호를 전달한다. 빛의 굴절 원리를 이용해 신호를 전달하며, 감쇠가 매우 적고 백본 네트워크에 널리 사용된다. 케이블 TV와 일부 LAN에서도 사용된다.

광섬유

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2.6.2 비유도 매체: 무선 (Unguided Media: Wireless)

비유도 매체는 물리적 도선을 사용하지 않고 전자기 신호를 전송한다.

무선 통신(wireless communication)이라고 한다.

 

1. 라디오파 (Radio Waves):
   • 주파수 범위: 3 kHz ~ 1 GHz
   • 라디오파는 전방향성(omnidirectional)으로, 송수신 안테나가 정렬되지 않아도 신호를 받을 수 있음.
   • 장거리 전송이 가능하며, 벽을 통과할 수 있어 실내에서도 수신 가능.
   • 데이터 전송 속도가 낮은 특징이 있음.
2. 마이크로파 (Microwaves):
   • 주파수 범위: 1 GHz ~ 300 GHz
   • **일방향성(unidirectional)**으로, 송수신 안테나가 정렬되어야 신호를 전달함.
   • 시선 직선(line of sight) 방식으로 전파되며, 장애물에 의해 차단될 수 있음. 따라서 중계기가 필요.
   • 벽을 통과하지 않음.
   • 고속 데이터 전송이 가능하며, 셀룰러 전화, 위성 네트워크, 무선 LAN 등에 사용됨.
3. 적외선 (Infrared):
   • 주파수 범위: 300 GHz ~ 400 THz
   • 단거리 통신에 적합하며, 벽을 통과하지 않음.
   • 방해를 줄여주지만, 실내에서만 사용 가능하고, 햇빛의 적외선으로 인해 외부에서는 사용할 수 없음.

 

 

 

 

 

자료 출처: Data communications and networking with tcp/ip protocol suite