1 2 장. 데이터 통신

2 데이터 통신망 형태  점대점 (point-to-point)  통신망 (communication network)  전화망 (PSTN: Public Switched Telephone Network)  LAN(Local Area Network)  WAN(Wide Area Network)

3 점대점 (point-to-point) 통신 형태  두 디바이스를 직접 연결  비실용적  [ 그림 2.1]  단점  전용 회선을 설치하려면 상당한 비용 소요  비실용적

4 통신망 (communication network) 접속형태  [ 그림 2.2]  전화망  [ 그림 2.3] 과 같이 모뎀과 전화망을 통하여 통신  LAN(Local Area Network)  한 건물 또는 사무실 규모의 통신 [ 그림 2.4]  WAN(Wide Area Network)  컴퓨터가 도시 또는 국가간의 통신  대표적인 예 : Internet

5 통신코드 ASCII  American Standard Code for Information Interchange  각 코드는 출력 가능한 코드와 그렇지 않은 코드로 분류  출력 가능한 코드는 문자, 숫자, 콤마, 대괄호, ? 와 같은 특수 종료문자  0A 와 0D 는 출력 불가능 코드로서 line feed 와 carriage return  [ 그림 2.5]

6 EBCDIC 코드  Extended Binary Coded Decimal Interchange Code  두 번째로 널리 쓰이는 코드  이는 IBM 메인 프레임과 주변장치에서 주로 사용  EBCDIC 는 8 비트 코드로 구성되며 256 문자를 표현  [ 그림 2.6]

7 부호화 (Encoding) 데이터나 신호를 다른 형태의 데이터나 신호로 변환하는 과정 여기서는 디지털 데이터를 전송신호로 바꾸기 위한 부호화를 의미 고려사항  부호화된 신호는 제한된 채널에서 보다 많은 양의 데이터를 전송하기 위해, 될 수 있는 한 적은 대역폭을 가져야 함.  송수신의 동기화를 쉽게 하기 위해서 부호화된 신호는 전압의 변화가 자주 일어나야 함.  장거리 전송을 위해서 부호화된 신호는 신호의 감쇠 (attenuation) 가 적은 방향으로 생성되어야 함. 부호화 방식의 분류 ( 전압 값과 비트의 대응에 따른 분류 )  단극형 (Unipolar) : 전압 값 0 과, + 또는 - 값 중 하나만을 사용  극형 (Polar) : + 전압 값에 비트 1 을 대응시키고, - 전압 값에 0 을 대응  양극형 (Bipolar) : 양극형은 전압 값 0V 와 + 전압, 그리고 - 전압을 모두 사용 ※ 교재에서 사용된 모든 그림은 극형 부호화 방식을 사용

8  NRZ(Non Return to Zero) 초창기에 많이 사용되던 방법 낮은 전압 값에 비트 0 을 높은 전압 값에 비트 1 을 대응 특징 : 이름 그대로 비트 하나를 전송하고도, 0 으로 돌아가지 않음. 직관적으로 이해하기 쉬움. 자체 신호만으로는 동기화 (synchronization) 에 어려움이 있음. 비트 1 이나 0 이 계속적으로 반복되는 경우 수신측에서 정확히 몇 개의 비트가 수신되었는지 알기 어려울 수 있음.

9  RZ(Return to Zero) 이름 그대로 매 비트를 전송할 때, 0 으로 계속 돌아가는 방식 0V 가 동기화 신호로 작용가능 각 비트 시간을 반으로 나누었을 때, 첫 번째의 절반 부분은 전송할 비트 값을 나타내는 전압 값이 되고, 두 번째의 절반 부분은 0V 로 돌아가기 때문에 NRZ 보다는 동기화에 좀 더 유리

10  맨체스터 부호화 (Manchester Encoding) IEEE 이더넷 (Ethernet) 에서 사용되는 표준 디지털 부호화 방식 특징 : 각 비트 시간을 반으로 나누었을 때 중간에서 항상 전압의 변화가 발생 비트 1 은 비트 시간 한가운데에서의 전압 변화가 +V 에서 - V 로 변하고, 비트 0 은 전압 변화가 -V 에서 +V 로 변함. 맨체스터 부호화는 NRZ 나 RZ 에 비해서 복잡하고 일반적으로 신호가 더 높은 주파수를 형성하므로 전송시에 더 큰 대역폭을 필요로 하지만, 동기화가 유리하고 약간의 오류 검출 기능을 제공함.

11  차등 맨체스터 부호화 (Differential Manchester Encoding) 맨체스터 부호화를 약간 변형한 형태 비트 시간의 중앙에서 전압의 변화가 일어나는 것은 맨체스터 부호화와 동일하나 비트 0 과 1 에 대한 신호의 대응 방법은 맨체스터 부호화와 다름. 다음에 오는 비트가 0 일때는 비트와 비트 사이의 경계에서 전압 변화가 발생하나, 뒤에 오는 비트가 1 이면 비트간의 경계에서 전압 변화가 일어나지 않음. 따라서 하나의 비트시간만으로 비트값이 0 인지 1 인지를 구분할 수 없고 연속적인 신호가 있을 때에만 비트값을 알아낼 수 있음. IEEE 토큰 패싱 링 (token passing ring) 방식에서 사용되는 표준 디지털 부호화 방식

12 전송 모드 직렬과 병렬 전송 (Serial and Parallel Transfer)  병렬 전송  병렬전송은 일련의 비트들이 각 비트를 위해 여러 라인을 사용하여 동시에 전송  이러한 병렬 전송은 두 장치들간의 거리가 짧은 경우에 일반적으로 사용  예를 들어 PC 에서 프린터로 전송하는 것은 대표적인 병렬 전송  가장 보편적인 예는 컴퓨터와 주변 장치들간의 연결  병렬 전송은 긴 거리일 경우 장점을 상실

13  직렬전송  직렬 전송은 단지 하나의 라인을 사용하여 하나씩 모든 비트를 보냄  긴 거리일 경우 병렬 전송에 비해 적은 비용이 들고 신뢰성 증가  그러나 비트를 하나씩 보내게 되므로 병렬전송보다 더 느리다.  [ 그림 2.7]

14 직렬 전송과 병렬 전송

15 동기식과 비동기식 전송  비동기식 전송  [ 그림 2.8]  비동기식 전송은 비트들을 작은 블록으로 나누어 독립적으로 보내며 각 블록의 시작에서 재동기화를 하는 방법  수신자는 블록이 언제 도착할지를 알지 못한다.  예 : 터미널과 컴퓨터사이, 컴퓨터와 라인프린터  높은 오버헤드를 가지고 있음

16  동기식 전송  동기식 전송은 통신을 좀더 효율적으로 하기 위한 수단  동기식 전송은 일반적으로 비동기식 전송에 비해서 더 빠름  문자나 비트들의 블록이 시작 또는 정지 비트 없이 전송  많은 문자들은 개별적으로 보내는 것 대신에 함께 그룹화 되어 전체적으로 전송 ( 데이터 프레임 또는 프레임이라고 함 )  데이터 프레임의 정확한 구성은 프로토콜에 따라 다름 – 구성 방식  비트 지향 방식 : 비트 단위로 구성  문자 지향 방식 : 문자 단위로 구성  [ 그림 2.9]

17 프레임 시작과 끝의 구분 – 문자 지향 방식  특정한 제어 문자 사용. 필요시 문자 스터핑 방식 이용 – 비트 지향 방식  특정한 비트 패턴 사용. 필요시 비트 스터핑 방식 이용.  예 : HDLC 프레임 구조

18  문자 - 지향 (character-oriented) 전송인 경우  프레임의 처음 부분은 수신기에 프레임이 도착하고 있다는 것을 알려주는 SYN 문자를 가짐  제어 (control) 필드  프레임이 만들어진 시작 주소  프레임이 도착할 목적지 주소  데이터 바이트들의 크기  순서를 나타내는 숫자  데이터 필드는 실제로 보내지는 정보  프레임의 마지막 부분은 프레임의 끝을 나타내는 정보 (ETX)

19  비트 - 지향 (bit-oriented) 전송인 경우  데이터 블록은 비트들의 연속으로 간주되며 데이터는 물론 제어정보도 8 비트 문자 단위로 고려할 필요가 없음  문자 - 지향 전송처럼 특정 비트 패턴이 블록의 시작을 가리키며 이 특정 패턴은 8 비트 길이이며 프래그 (flag) 라고 함  같은 프래그가 프레임의 맨 끝에서 사용

20 동기 전송과 비동기 전송의 비교 – 비동기 전송 저속 전송 오버헤드 많음 비용이 적음 – 동기 전송 고속 전송 오버헤드 적음 비용이 많음

21 전이중, 반이중, 단방향 전송 전이중 (Full duplex)  양쪽의 교신자가 동시에 신호의 전송 가능 – 전화 반이중 (Half duplex) – 양쪽 방향에서 보내고 받을 수 있지만 그것은 교대로 전송 – 무전기 단방향 (Simplex) – 단 한 방향으로만 신호 전송이 가능한 형태 – 일반 TV 방송

22 교환 방식  N 개의 통신 장비를 직접 연결한다고 할 때 N(N-1)/2 개의 연결선이 필요  해결방안으로 각각의 장비들은 통신망에 연결  통신망를 효과적으로 운영하기 위해 교환 기술 (Switching Technology) 을 사용  네트워크 내에서 교환기의 역할을 수행하는 장치를 노드 (node)  상호간의 통신을 원하는 장비들을 스테이션 (Station)  예 : 컴퓨터, 전화기, 터미널 등의 통신 장비  [ 그림 2.10]

23 교환 기술  회선 교환 (Circuit Switching)  메시지 교환 (Message Switching)  패킷 교환 (Packet Switching)

24 회선 교환  공중 전화 망에서 사용  데이터 전송 과정  회선 설립 과정  데이터 전송 과정  회선 해제 과정  단점 : 연결을 설정하여 해제를 하기까지 채널의 대역폭을 독점  장점 : 신뢰성 있는 데이터 전송, 일정한 데이터 전송률로 전송  [ 그림 2.11] 의 (a)

25 메시지 교환  [ 그림 2.11] 의 (b)  회선 교환이 전화에 비교된다면 메시지 교환은 편지에 비교  데이터를 메시지 (Message) 라는 논리적인 단위로 나눔  받아들인 메시지를 저장한 후 경로 상의 또 다른 노드로 전송 (Store-and-Forward)

26  장점  한 개의 메시지를 복사하여 여러 목적지로 보낼 수 있다  메시지의 우선 순위를 정해 필요한 메시지를 먼저 전송 시킬 수 있다.  또한 메시지를 단위로 오류 제어가 가능  단점  메시지가 노드에 잠시 저장되기 때문에 그만큼의 지연이 발생  실시간을 요하는 통신에서는 사용할 수가 없다.

27 패킷 교환  회선 교환과 메시지 교환의 장점을 취하면서 만들어진 교환 방식  [ 그림 2.11] 의 ©  패킷이라는 단위로 교환을 수행  패킷은 정해진 형식에 맞추어진 데이터 단위  패킷은 보통 128 ~ 4096 바이트 크기  패킷 교환 방식에서는 하나의 물리적인 회선을 여러 개의 논리적인 채널 (virtual circuit) 로 공유할 수 있는 경제성을 가짐

28 패킷 교환의 두 가지 방식 가상 회선 (Virtual Circuit) – 과정 연결 설정, 데이타 전송, 연결 해제 – 특징 – 논리적인 가상 회선을 설정 – 하나의 연결내에 모든 패킷이 동일한 경로 – 많은 양의 데이타를 안정적으로 전송할 때 유리 데이타그램 (Datagram) – 과정 데이타 전송 ( 연결 설정 및 해제 과정이 없음 ) – 특징 모든 패킷이 각기 다른 경로를 갖을 수 있음 ( 재정열 ) 적은 양의 데이타를 신속하게 보낼 때 유리

29 데이타그램 방식의 예 * 컴퓨터 네트워크 ( 안순신, 김은기 저 참조 )

30 가상 회선 방식의 예 * 컴퓨터 네트워크 ( 안순신, 김은기 저 참조 )

31  데이터그램 전송방법의 경우의 라우팅 데이블 : [ 그림 2.12]  가상회선 전송방법의 라우팅 테이블 : [ 그림 2.13]  노드 C 의 가상회선 번호변경 : [ 그림 2.14]

32 The Network Core mesh of interconnected routers the fundamental question: how is data transferred through net? circuit switching: dedicated circuit per call: telephone net packet-switching: data sent thru net in discrete “ chunks ”

33 Circuit Switching End-end resources reserved for “ call ” link bandwidth, switch capacity dedicated resources: no sharing circuit-like (guaranteed) performance call setup required

34 Circuit Switching network resources (e.g., bandwidth) divided into “ pieces ” pieces allocated to calls resource piece idle if not used by owning call (no sharing) dividing link bandwidth into “ pieces ” frequency division time division

35 Packet Switching each end-end data stream divided into packets user A, B packets share network resources each packet uses full link bandwidth resources used as needed, resource contention: aggregate resource demand can exceed amount available congestion: packets queue, wait for link use store and forward: packets move one hop at a time transmit over link wait turn at next link Bandwidth division into “ pieces ” Dedicated allocation Resource reservation

36 Packet Switching A B C 10 Mbs Ethernet 1.5 Mbs 45 Mbs D E statistical multiplexing queue of packets waiting for output link

37 Packet Switching Packet-switching: store and forward behavior Message size: 7.5Mbits Packet size: 1.5Kbits Link trans. Rate:1.5Mbps Assume: no congestion, no propagation delay

38 Packet switching versus circuit switching Great for bursty data resource sharing no call setup Excessive congestion: packet delay and loss protocols needed for reliable data transfer, congestion control Q: How to provide circuit-like behavior? bandwidth guarantees needed for audio/video apps still an unsolved problem Is packet switching a “ slam dunk winner? ”

39 Packet-switched networks: routing Goal: move packets among routers from source to destination datagram network: destination address determines next hop routes may change during session analogy: driving, asking directions virtual circuit network: each packet carries tag (virtual circuit ID), tag determines next hop fixed path determined at call setup time, remains fixed thru call routers maintain per-call state

40 Delay in packet-switched networks packets experience delay on end-to-end path four sources of delay at each hop nodal processing: check bit errors determine output link queueing time waiting at output link for transmission depends on congestion level of router A B propagation transmission nodal processing queueing

41 Delay in packet-switched networks Transmission delay: R=link bandwidth (bps) L=packet length (bits) time to send bits into link = L/R Propagation delay: d = length of physical link s = propagation speed in medium (~2x10 8 m/sec) propagation delay = d/s A B propagation transmission nodal processing queueing Note: s and R are very different quantitites!

42 에러 검출, 교정 (Detection, Correction) 기법 순방향 에러 정정 (FEC : Forward Error Correction)  여분의 에러 정정 코드 ( 많은 양의 추가 정보 ) 를 포함시켜 전송  전파 지연이 큰 원거리 전송에서 사용

43 자동반복요청 (ARQ : Automatic Repeat Request) 방식  에러가 있는지 없는지를 검출할 수 있을 정도의 적은 비트의 에러 검출 코드를 포함시켜 전송  정정은 재전송으로 해결  고 신뢰성을 확보하기 위해 사용

44 패리티 검사 (parity check)  패리티 비트를 프레임의 각 단에 끝에 첨가  패리티 비트값은 단어의 1 의 개수가 짝수 (even parity) 이거나 홀수 (odd parity) 가 되도록 선정  예 : 송신기가 ASCII 코드 G( ) 를 홀수 패리티를 사용해 전송한다면, 을 전송  두 개 혹은 임의의 짝수개의 비트가 바뀌면 에러를 검출해 내지 못함

45 에러 검출 코드 : 순환 중복 검사 (CRC) * 컴퓨터 네트워크 ( 안순신, 김은기 저 참조 ) 방법 –G(x): 송수신측간에 합의된 생성 다항식 –M(x): 전송할 데이타 –R(x): M(x)/G(x) 의 나머지 (FCS)  모듈로 2 연산사용 : exclusive-OR 연산

46 순환 중복 검사의 예 ( 송신측 )

47 순환 중복 검사의 예 ( 수신측 )

48 오류정정 코드 (Hamming Code) 방법 1 bit 오류를 정정 n bit 의 데이터와 k 개의 패리티 비트 사용 2**K -1 >= n + k 관계가 성립되어야 함 수신측은 syndrome 를 계산, syndrome 이 표현하는 십진수가 오류발생 위치

49 Hamming Code 의 예 ( 송신측 )

50 Hamming Code 의 예 ( 수신측 )