1 Network 성능 요소 Bandwidth ( 혹은 throughput) — 단위시간 동안 네트워크로 전송된 비트수 — 표기법 KB = 2 3 bytes Mbps = 10 6 bits per second 一. Cf: 대역폭이 300Hz -> Hz 단위는 신호의 범위를.

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1 1 Network 성능 요소 Bandwidth ( 혹은 throughput) — 단위시간 동안 네트워크로 전송된 비트수 — 표기법 KB = 2 3 bytes Mbps = 10 6 bits per second 一. Cf: 대역폭이 300Hz -> Hz 단위는 신호의 범위를 나타낼때 소요시간 (Latency (delay)) —A 에서 B 까지 message 가 전달되는 시간 — 한쪽 방향 대 왕복 지연 시간 (round-trip time : RTT) — 구성요소 Latency = 전파시간 (Propagation) + 전송시간 (Transmit) + Queue Propagation = Distance / v Transmit = Size / Bandwidth

2 2 Bandwidth 대 Latency Relative importance —1-Byte : 1ms 대 100ms 로 1Mbps 대 100Mbps 로 각각 —25MB : 1ms 대 100ms 로 1Mbps 대 100Mbps 로 : 보낼 파일이 클땐 속도를 높이면 좋다 ◆ 짧은 정보 : 속도에 영향 안 받지만 반대는 받음

3 3 Delay x Bandwidth Amount of data “ in flight ” or “ in the pipe ” Usually relative to RTT Example: 50ms x 45Mbps = 280KB Effect of high speed network: Fig 1.21

4 4 그림 1.22 대역폭과 지연시간의 관계 : 1MB 의 파일을 1Mbps 링크 80 개를 채울 수 있으나, 1Gbps 링크 1 개에 대해서는 1/12.5 만을 차지한다 (a) 100ms ×1Mbps = 0.1Mbits 8 × M bits / 0.1 Mb = 80 개 (b) 100ms ×1Gbps = 10 8 bits

5 5 Simplified Data Communication Model

6 6 용어 Source — 전송될 data 를 생성 Transmitter —Data 를 전송할 수 있는 신호로 변환 Transmission System —Data 전송로 Receiver — 수신된 신호를 data 로 변환 Destination — data 를 수신

7 7 회선교환망 (Circuit Switching) 전용 통신망의 노드를 통해 두 스테이션이 점유 e.g. telephone network 회선교환기

8 8 패킷교환망 (Packet Switching) 한번에 하나의 packet 단위로 나눠 전송 Packet 은 source 와 destination 로 store and forward — 속도가 상이해도 가능 computer-computer 간의 통신에 사용 패킷교환기

9 9 Frame Relay Packet switching 은 전송시 error 검출 : overhead 현재의 통신 system 은 에러률이 낮아 : 신뢰성 Error 는 end system 의 상위계층에서 포착가능 높은 전송률을 위해 error control 의 overhead 없앰

10 10 Asynchronous Transfer Mode ATM frame relay 로부터 진보 종단 시스템에서 에러제어 : overhead 가 적다 packet (cell: 53Byte) 길이를 고정 수십에서 수백 Mbps to Gbps 까지 동작 packet switching 기술을 사용하여 고정된 data rate

11 11 Data 전송 : 개념 및 용어 (1) 송신기 (Transmitter) 수신기 (Receiver) 매체 (Medium) — 유선 : 유도매체 (Guided medium) e.g. twisted pair, optical fiber — 무선 : 비유도 매체 (Unguided medium) e.g. air, vacuum TX RX Medium

12 12 전송에 사용되는 용어 (1) Point-to-point — 두 device 사이간에 직접 링크를 제공 —2 device 가 link 를 공유 Multi-point — 여러 개의 device 가 동일한 전송매체를 공유 Simplex( 단방향 ) — 한 쪽 방향으로만 신호를 전송 e.g. Television Half duplex( 반 이중 방식 ) — 한순간에 한쪽 방향으로만 e.g. police radio Full duplex( 전이중 방식 ) — 동시에 양 쪽 방향으로 통신 e.g. telephone

13 13 Frequency, Spectrum 과 대역폭 (Bandwidth) 시간 영역의 개념 —Analog signal( 뒷 슬라이드 그림 ) 중단점 없이 신호가 연속적으로 변함 —Digital signal 일정시간 일정값을 유지하다 다른 일정한 상수값으로 변함 — 주기 신호 (Periodic signal) 동일한 신호 패턴이 시간축상에서 반복되는 신호 — 비주기 신호 (Aperiodic signal) 주기 신호를 만족하지 않는 신호 전송에 사용되는 용어 (2)

14 14 Analogue 와 Digital Signals

15 15

16 16 Sine Wave 에서 변할 수 있는 성분 진폭 (Peak Amplitude (A)) —Signal 의 최대 강도 —volts 주파수 (Frequency (f)) —Signal 의 변화률 —Hertz (Hz) or cycles/second —f = 1/T 위상 (Phase (  )) — 시간에 있어서의 상대적인 위치

17 17 다양한 Sine Waves s(t) = A sin(2  ft +  )

18 18

19 19 Wavelength( 파장 ) : 한 주기 동안 신호가 간 거리 (m) 신호 전파 속도를 v — = vT — f = v —c = 3 ×10 8 m/s( 빛의 속도 )

20 20 전자파의 파장 10 5 ㅡ 10 4 ㅡ 10 3 ㅡ 10 2 ㅡ 10 1 ㅡ 10 0 10 -1 10 -2 10 -3 10 -4 10 -5 10 -6 10 -7 10 -8 10 -9 10 - 10 10 -11 10 -12 10 -13 10 -14 10 -15 초장 파 장파중파단파초단 파 극초단파극초단파 센티파센티파 밀리파밀리파 서브빌리파서브빌리파 원적외선원적외선 적외선적외선 근적외선근적외선 가시광선가시광선 자외선자외선 X선X선 감마선감마선 VLFLFMFHFVHFUH F SH F EH F 마이크로파 Kmmmmumnm 0A0A VHF : =10 m : f = v : c = 3 ×10 8 m/s( 빛의 속도 ) f = c/ = 3 ×10 8 m/s / 10m = 30MHz

21 21 Frequency 영역 개념 전자적인 신호는 많은 주파수로 구성 ( 다음 슬라이드 참조 ) Signal 들은 기본파 (f) 와 고조파 (3f, 5f, 7f 등의 주파수 ) 들의 합으로 표시 어떠한 signal 도 각기 주파수가 다른 sine wave 들의 합 : Fourier analysis

22 22 주파수 성분의 추가 (T=1/f) Fig. 3.4

23 23 S(f) 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 0 1f 3f4f f Digital 신호의 스펙트럼 (Spectrum)

24 24 Spectrum 과 Bandwidth Spectrum( 앞 슬라이드 ) — 신호가 포함하고 있는 주파수 범위 (x 축 : 주파수, y 축 : 진폭으로 표시 ) — 신호 속에 어떤 주파수 성분이 있는지 알 수 있다 절대 대역폭 (Absolute bandwidth) —Spectrum 의 폭 유효 대역폭 (Effective bandwidth) — 일반적으로 말하는 대역폭 — 신호의 energy 의 대부분이 집중되어 있는 대역 DC 성분 — 주파수가 0 인 신호

25 25 방형파의 주파수 성분

26 26  Case1 : (a) f = 10 6 Hz = 1 MHz 라면 신호 대역폭 : (5 × 10 6 )-10 6 = 4 MHz 기본 주파수 주기 T=1/10 6 = 1 µs : 만약 파형을 1 과 0 의 비트열로 간주하면 : 데이터 전송률 =2 ×10 6 = 2Mbps 한 비트는 0.5 µs 마다 발생 하므로 : 4 MHz 대역폭으로 2Mbps 데이터 전송률  Case2 : (b) f = 10 6 Hz = 1 MHz 라면 신호 대역폭 : (7 × 10 6 )-10 6 = 6 MHz 기본 주파수 주기 T=1/10 6 = 1 µs : 만약 파형을 1 과 0 의 비트열로 간주하면 : 데이터 전송률 =2 ×10 6 = 2Mbps 한 비트는 0.5 µs 마다 발생 하므로 : 6 MHz 대역폭으로 2Mbps 데이터 전송률

27 27 2000bps 데이터 전송률 Digital 신호에서 대역폭의 효과 디지털 신호에서 대역폭의 효과

28 28 데이터 전송률 (Data Rate) 과 대역폭의 관계 전송시스템 ( 송수신기, 매체 ) 에서는 제한된 대역의 주파수만을 수용 이것은 매체상에서 전송되는 데이터률을 제한 전송률이 같을 때 대역폭이 넓으면 원신호에근접 그림 참조 ( 디지털 신호의 데이터 전송률이 Wbps 일때 2WHz 대역폭을 가진 매체로 전송하면 양호한 신호 수신 ) Data Rate = f(Bandwidth, SNR)  Data Rate 가 높을 수록 대역폭은 더 커져야 함

29 29 Analog 및 Digital Data 전송 Data : 어떤 의미를 전달하는 Entity Signal : data 의 전기적 혹은 전자기적 표현 Transmission : 신호가 전송매체를 통해 물리적으로 전파되는 것

30 30 Analog data 와 Digital data Analog — 어떤 주기 동안 연속적이 값을 갖는 신호 —e.g. sound, video Digital — 이산치 값 —e.g. text, integers

31 31 음성과 음악에 대한 음향 Spectrum (Analog)

32 32 Analog 신호와 Digital 신호 Analog — 다양한 매체를 통해 전파될 수 있는 연속적으로 변화하는 전자기파 wire, fiber optic, space — 음성 주파수 : 100Hz to 7kHz —Telephone bandwidth : 300Hz to 3400Hz —Video bandwidth : 4MHz( 흑백 ) —AM : 535 - 1600 KHz —FM : 80 – 108 MHz Digital — 이산적인 값

33 33 Digital 신호의 장점과 단점 가격이 저렴 잡음에 강하다 감쇠가 크다 : 높은 주파수 성분들이 매체상에서 짤림

34 34 Digital 신호의 감쇠 (Attenuation)

35 35 음성 가청 주파수 : 20Hz-20kHz — 음성 스펙트럼 100Hz-7kHz 음성 신호의 표준 스펙트럼 —300-3400Hz( 음성재생에 무리없는 수준 ) 전송용량을 최대로 줄여 저렴한 전화기사용

36 36 흑백 TV : 최대 4.2MHz 주파수를 가짐 HDTV : 1920 × 1080 × 30 frame × 24bit = 1.5Gbps TV 방송국에서는 압축을 통해 20 내지 40Mbps 로 전송

37 37 Data 와 Signal Data 는 analog 와 digital 두가지가 있고 신호는 두 가지의 data 를 4 가지 신호 형태로변환 digital data 에서 analog signal 로 표현 —Modem : ADSL analog data 에서 digital signal 로 표현 —MP3 : CODEC

38 38 Analog Signals Carrying Analog and Digital Data

39 39 Digital Signals Carrying Analog and Digital Data

40 40 Analog 전송 거리에 비례해서 감쇠가 발생 증폭기 (amplifier) 를 사용해 신호를 증폭 Noise 도 함께 증폭

41 41 Digital 전송 Digital Signal 감쇠나 잡음등의 이유로 거리를 제한 장거리 전송에는 Repeater 사용 —Repeater 는 신호만 수신 —bit pattern 을 추출 후 복귀 재전송 — 감쇠를 극복 —Noise 는 증폭되지 않음

42 42 Digital 전송의 장점 높은 품질을 유지 : high quality 디지털 기술 — 저렴한 LSI/VLSI 생산 Data 보존성 — 낮은 품질 매체로 먼거리 전송 전송용량의 활용으로 높은 이용률 — 위성이나 광섬유등과 같은 높은 대역폭의 전송링크 구축 — 큰 용량을 효율적으로 활용하기 위한 multiplexing 이 가능 Security 과 Privacy — 데이터의 무결성을 유지하면서 전송 : 암호화가 가능하기때문 —Encryption 통합 (Integration) —Analog 와 digital data 모두가 디지털처럼 취급

43 43 전송 손상 수신 Signal 가 송신 signal 와 다르게 전송 —Analog – 잡음에 의한 signal 의 질 저하 —Digital - bit errors 손상 원인 — 감쇠 (Attenuation) 와 감쇠 왜곡 (attenuation distortion) — 지연왜곡 (Delay distortion) — 잡음 (Noise) : 열 잡음, 상호변조, 누화, 충격

44 44 지연왜곡 (Delay Distortion) 유도 전송 매체에서 발생하는 문제 신호전달이 주파수에 따라 그 속도를 달리함으로써 유발 – 수신되는 신호를 구성하는 주파수의 가변적 속도에 기인하는 왜곡현상

45 45 Noise (1) 전송과정에서 추가된 불필요한 신호 열 잡음 (White noise) — 온도에 따른 전자의 운동량의 변화에 기인 — 온도에 대한 함수로 표현 N= KTB K: Boltzmann’s Constant, T: 절대온도 B: Bandwidth 상호변조 (Intermodulation) 잡음 — 원 주파수들의 합이나 차가 혼합되어 생성되는신호 —f1 과 f2 가 혼합된 주파수가 잡음 f1+f2, f1-f2

46 46 Noise (2) 누화 (Crosstalk) — 다른 사람의 대화가 들리는 현상 충격 (Impulse) 잡음 — 짧은 순간 동안 비연속적, 불규칙적인 진폭세기잡음 e.g. 번개등과 같은 외부적 충격 음성전송의 경우 o.o1 초 동안 발생한 충격 — 56Kbps 의 digital data 전송 경우 : 약 560 비트에러발생

47 47 채널 용량 (Channel Capacity) : 전송 매체상에서 전송 가능한 전송률 데이터 전송률 (Data rate) — 데이터가 통신될 수 있는 율로서 단위는 bps Bandwidth — 단위 : Hertz — 송신기와 전송매체의 성질에 의해 제한되는 전송 신호 대역폭

48 48 Nyquist Bandwidth 백색잡음만 고려한 계산 신호 전송률이 2B 라면 B 이하의 주파수를 가진 신호는 그 전송률로 충분히 전송된다 대역폭이 B 일때 전송될 수 있는 가장 높은 신호율은 2B 2 진수로 전송할 때 B Hz 에 지원되는 전송률은 2B bps C= 2B log 2 M

49 49 Shannon 의 용량 계산 공식 신호대 잡음비 (S/N) 까지 고려 전송률이 높아지면 잡음에 의한 위험성도 증가 SNR dB = 10 log 10 (signal/noise=SNR) 채널 용량 C=B log 2 (1+SNR) C 는 에러 없는 용량으로 간주했다