[데이터 통신과 네트워킹-TCP/IP프로토콜 기반] 5장 광역 통신망: WAN

데이터 통신과 네트워킹-TCP/IP프로토콜 기반: 5장 광역 통신망: WAN

5.1 전화망

5.1.1 주요 요소

전화 시스템

• 종단국(end offices)
• 직렬국(tandem offices)
• 지역국(regional office)

가입자 회선(local loop)

• 가입자의 전화와 가까운 종단국 또는 지역 센터를 연결하는 꼬임쌍선 케이블로 되어 있다.

간선(trunk)

• 전화국들 사이의 통신을 담당하는 전송 매체이다.

교환국(switching office)

• 몇 개의 가입자 회선 또는 간선을 연결하며 서로 다른 가입자들을 연결해준다.

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5.1.2 지역 접근 전송 구역(LATA, Local Access Transport Area)

• 1984년 이후 미국은 200개 이상의 LATA로 나뉘었으며, 현재 그 수는 증가함.
• LATA는 소규모 지역(작은 주) 또는 대규모 도시 지역으로 구성될 수 있음.
• LATA 경계는 주 경계를 넘을 수 있음.
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5.1.3 신호방식(Signaling)

 

초기 전화망: 회선 교환 네트워크

• 초기에는 전용 회선을 통해 음성 통화를 전송(멀티플렉싱 기술 미도입).
• 회선 설정 및 종료는 수동으로 이루어짐:
  • 가입자가 수화기를 들어(Off-hook) 운영자를 호출하면, 운영자가 두 사용자를 물리적으로 연결.
• 이러한 신호 체계를 대역-내 신호방식(In-Band) 신호라 부르며, 음성 전송과 신호 전달이 같은 회선에서 이루어짐.

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자동 신호 체계 및 발전

• 회선 자동화: 회전식 전화기가 디지털 신호를 생성하여 스위치가 자동으로 연결 수행.
• 신호 방식:
  • 대역-내 신호방식(In-Band) 신호: 음성 채널(4kHz)을 신호 전송에도 사용.
  • 대역-외 신호방식(Out-of-Band) 신호: 음성과 신호를 다른 대역폭으로 분리.

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신호방식 시스템 7(SS7, Signaling System Seven)

 

전화망 신호 프로토콜로, 인터넷 모델의 5계층 구조와 유사하나 각 계층의 명칭과 기능이 다름

• 물리 계층: MTP 레벨 1 – 물리적 연결 관리.
• 데이터 링크 계층: MTP 레벨 2 – 패킷화, 오류 검사 등 수행.
• 네트워크 계층: MTP 레벨 3 – 데이터그램 기반 라우팅.
• 전송 계층: SCCP – 특수 서비스(예: 800 번호 처리).
• 상위 계층:
  • TUP: 음성 통화 설정.
  • TCAP: 원격 호출 및 애플리케이션 간 절차 호출.
  • ISUP: ISDN 서비스 제공.

SS7

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5.1.4 전화망에서 제공되는 서비스

 

1. 아날로그 서비스

초기 전화 서비스로 시작하여 현재까지 제공되고 있음.

• 아날로그 교환 서비스(Analog Switched Services):
  
  • 지역 통화는 주로 월정액 기반, 일부 지역은 통화량에 따라 요금 부과.
  • 특수 서비스:
    1. 800 서비스: 발신자는 무료, 수신자가 요금 부담(기업 고객 유치를 위해 사용).
    2. 광역 전화 서비스(WATS, Wide Area Telephone Service): 조직이 발신 통화 요금 부담, 주로 저렴한 요금 제공.
    3. 900 서비스: 발신자가 높은 요금을 부담(수신자에게 추가 요금 지불 포함).
• 아날로그 전용선 서비스(Analog Leased Services):
  • 고객이 두 지점을 영구적으로 연결하는 전용 회선 임대.
  • 스위치가 항상 닫혀 있어 다이얼링 없이 사용 가능.

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2. 디지털 서비스

아날로그보다 잡음 및 간섭에 덜 민감하며, 데이터 전송에 적합.

• 교환식/56 서비스(Switched/56 Service):
  • 아날로그 교환선의 디지털 버전으로 최대 56kbps 데이터 전송 가능.
  • 양측이 서비스에 가입해야 통신 가능(모뎀이 아닌 디지털 서비스 유닛(DSU) 필요).
• 디지털 데이터 서비스(Digital Data Service, DDS):
  • 아날로그 전용선의 디지털 버전으로 최대 64kbps 데이터 전송 가능.

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5.1.5 전화 서비스

 

1. 전통 전화선 대역폭

• 전통 전화선은 300~3300Hz 대역폭(3000Hz)을 지원.
• 데이터 전송 시 정확성을 위해 600~3000Hz(2400Hz) 대역폭만 사용.
• 일부 전화선은 더 높은 대역폭을 지원하지만, 모뎀 설계는 기존 전화선 기반.

전화 회선 대역폭

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2. 모뎀(Modem)의 역할

• 모뎀 정의:
  • 변조기(Modulator)/ 복조기(Demodulator)의 약자.
  • 변조기: 이진 데이터를 대역 통과 아날로그 신호로 변환.
  • 복조: 아날로그 신호를 이진 데이터로 복구.
• 작동 원리:
  • 왼쪽 컴퓨터 → 모뎀(모듈레이터) → 아날로그 신호 → 전화선 → 오른쪽 모뎀(디모듈레이터) → 오른쪽 컴퓨터.
  • 양방향 통신 가능.

변조/복조

 

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3. 56K 모뎀

• 전통 모뎀: 데이터 속도 33.6kbps(Shannon 용량 제한).
• 56K 모뎀: 최대 56kbps 다운로드, 33.6kbps 업로드 지원.
  • 비대칭 통신:
    • 다운로드 속도: 높은 SNR(신호 대 잡음비)로 56kbps 가능.
    • 업로드 속도: 샘플링과 노이즈로 인해 33.6kbps로 제한.
  • 원리:
    • 전화선은 초당 8000회 샘플링, 샘플당 8비트 중 1비트는 제어용으로 사용.
    • 8000 × 7 = 56,000bps(56kbps).

인터넷 접속을 제공하는 전화 서비스망

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5.2 케이블망

• 초기 목적: TV 수신 불량 지역에 방송 신호 제공.
• 현대적 활용: 인터넷 접속 제공 및 데이터 전송 지원.

5.2.1 전통적인 케이블망

 

 

전통적인 케이블 TV망

 

• 전파 중계소(Head End): 방송국 신호 수신 후 동축 케이블로 전송
• 증폭기(amplifier): 신호 감쇠 방지를 위해 설치(최대 35개 사용)
• 특징: 신호는 단방향(Head End → 사용자)
• 제한점: 감쇠와 다수 증폭기로 인해 통신은 일방향으로 제한.

 

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5.2.2 하이브리드 광-동축(HFC) 케이블망

• 광섬유: Head End → Fiber Node로 신호 전송.
• 동축 케이블: Fiber Node → 사용자 연결.
• 장점:
  1. 증폭기 사용 최소화(최대 8개 이하).
  2. 양방향 통신 지원.

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5.2.3 데이터 전송을 위한 케이블 TV

• 대역폭 할당:
  • 비디오: 54~550 MHz (80+ 채널).
  • 다운스트림 데이터: 550~750 MHz.
  • 업스트림 데이터: 5~42 MHz (최대 12 Mbps 이론속도).
• 공유 방식:
  • 업스트림: 6-MHz 채널(총 6개)을 타임쉐어링으로 여러 구독자가 공유.
  • 다운스트림: 멀티캐스팅 방식으로 데이터를 그룹에 전송.

 

CATV에서 동축 케이블 대역 분할

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5.3 셀 방식 이동전화

• 셀룰러 전화는 이동 단말기(Mobile Station, MS) 간 또는 MS와 고정 단말기(Land Unit) 간 통신을 제공.
• 서비스 제공자는 사용자를 추적하고, 채널을 할당하며, 이동 시 기지국 간 채널 전환을 처리해야 함.

케이블 모뎀 전송 시스템(CMTS)

 

 

 

• 셀(Cell):
  • 셀룰러 서비스 지역은 소규모 지역(셀)로 분할.
  • 각 셀에는 안테나와 기지국(Base Station, BS) 설치.
• 기지국(Base Station, BS):
  • 셀 내 통신 관리.
  • 태양광 또는 교류 전원(AC)으로 작동.
• 모바일 교환 센터(Mobile Switching Center, MSC):
  • 여러 BS를 제어하고 중앙 전화 교환국과 연결.
  • 통화 연결.
  • 통화 정보 기록 및 청구 관리.

 

셀 방식 시스템

 

셀 크기 및 설계

• 가변 크기:
  • 셀의 크기는 지역 인구 밀도에 따라 조정 가능.
  • 고밀도 지역: 더 많은 작은 셀 필요.
  • 저밀도 지역: 큰 셀 사용 가능.
• 간섭 방지:
  • 인접 셀 간 신호 간섭 방지를 위해 셀 크기를 최적화.
  • 송신 전력은 낮게 유지해 간섭 최소화.

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5.3.1 동작

 

• 주파수 재사용 원칙
  • 인접 셀에서는 동일한 주파수를 사용할 수 없으나, 주파수 자원이 제한적이기 때문에 재사용이 필요.
  • N개의 셀이 고유한 주파수를 사용하는 패턴(N: 재사용 계수)으로 구성됨.
  • 재사용 계수가 클수록 동일 주파수를 사용하는 셀 간 간격이 더 멀어짐.
• 전송
  • 사용자가 전화번호 입력 후 송신 버튼을 누르면, 모바일 기기가 강한 신호의 설정 채널을 찾아 데이터를 전송.
  • 기지국 → MSC → 전화 교환기 → 상대방 연결.
  • 연결 후 사용하지 않는 음성 채널을 할당, 통신 시작.
• 수신
  • 전화 교환기가 MSC로 수신 번호 전송 → MSC가 페이징으로 모바일 기기 위치 탐색.
  • 기기 발견 시 호출 신호 송출 및 응답 시 음성 채널 할당.
• 핸드오프(Handoff)
  • 통화 중 사용자가 다른 셀로 이동 시 신호 약화 문제를 해결하기 위해 채널 전환.
  • 신호세기가 약해지면 MSC는 통신을 더 좋게하는 새로운 셀을 찾는다.
  • 강한(Hard) 핸드오프: 기존 기지국 연결 종료 후 새로운 기지국과 연결.
  • 약한(Soft) 핸드오프: 새로운 기지국과 연결 유지하며 기존 연결 해제(중단 없는 전환).
• 로밍(Roaming)
  • 사용자가 서비스 제공 범위를 벗어나도 인접 서비스 제공자와의 계약을 통해 통신 가능.
  • 추가 요금은 계약 조건에 따라 조정.