다중화(multiplexing)기법과 교환기술

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1 다중화(multiplexing)기법과 교환기술
3장 다중화 기법과 교환기술 다중화(multiplexing)기법과 교환기술

2 학습목표 1 1 2 2 3 3 데이터 전송을 원활하게 수행하기 위해서 사용되는 핵심기술인 다중화 기법에 대한 이해
교환기술의 개념과 널리 사용되고 있는 대표적인 교환기법에 대한 학습 3 3 다중화와 교환기술에 따른 전송이론을 기반으로 하여 네트워크 시스템의 성능을 분석 2

3 목차 1 다중화(Multiplexing)기법 1 2 교환(Switching)기술 2 3 3 3

4 Section 01 다중화(Multiplexing) 기법
다중화의 개념 데이터 링크와 링크 공유 데이터 통신 시스템에서 디바이스 간의 데이터 전송은 데이터링크를 통해 이루어짐. 다중화 기법(multiplexing)은 데이터링크의 공유에 관한 총괄적인 표현 링크 공유의 의미 다중화기(MUX, multiplexer)를 통한 링크 공유 다중화기란? n개의 입력 디바이스가 동시에 하나의 데이터링크를 상호 공유하도록 해주는 특별한 장치. 역다중화기: 다중화기의 역과정을 수행.

5 다중화 기법과 분류 다중화 기법(multiplexing)이란?
데이터링크의 효율성을 극대화하기 위하여 다수의 디바이스가 단일 데이터링크를 공유하여 전송하는 효율적인 데이터 전송 기법 구현방법에 따른 다중화 기법의 분류 주파수분할 다중화(FDM, frequency division multiplexing) 시분할 다중화(TDM, time division multiplexing) 통계적 시분할 다중화(Statistical TDM)

6 주파수분할 다중화 방식(1) 주파수분할 다중화 방식이란? 변조란?
데이터링크(채널)의 주파수 대역폭을 몇 개의 작은 주파수 대역으로 나누어서 각각을 부채널(sub channel)로 재구성한 다음, 각 부채널을 여러 개의 디바이스에 할당함으로써 각 디바이스로부터 나오는 신호를 동시에 전송하는 방식 일정한 대역폭을 가진 데이터링크의 대역폭을 나누어서 만든 부채널상의 신호는 서로 다른 주파수 대역으로 변조(modulation)하여 전송 변조란? 신호의 진폭 주파수 위상 등 그 특성을 변화시켜 전송링크에 적합한 파형(waveform)이 되도록 변환하는 과정

7 주파수분할 다중화 방식(2) 수신측은 적절한 filter를 통해 각 부채널의 신호를 구분한 다음, 각 부채널별로 복조(demodulation)하여 본래의 신호로 재구성. 복조란? 변조된 신호를 원래의 신호로 되돌리는 과정, 즉 역변환 과정 주파수분할 다중화의 개념도--> [그림 3-2] (a) 채널의 주파수 대역폭을 6개의 부채널로 나누어 사용

8 주파수분할 다중화 방식(3) 장점 단점 주파수분할 다중화 방식의 사용 예 비교적 간단한 구조로 구현되므로 비용이 저렴
별도의 변조기 혹은 복조기를 필요로 하지 않음 (주파수 분할 다중화 자체가 주파수 편이 변복조기의 역할을 수행하기 때문) 단점 대역폭 낭비로 인한 채널의 이용률이 저하 주파수분할 다중화 방식의 사용 예 TV 방송, 케이블 TV 등 TV 방송 신호 : 6 MHz의 주파수 대역이 필요 (영상신호, 컬러정보 신호, 음성신호의 전송)

9 시분할 다중화 기법(TDM) 시분할 다중화 방식이란?
채널(channel)에 할당된 데이터 전송 허용시간을 일정한 시간 슬롯(time slot)으로 나누고, 채널도 다시 부채널(sub channel)로 나누어, 각 시간 슬롯을 부채널에 순차적으로 할당하여 사용하는 방식 개념도 : [그림3-2] (b) 시분할 다중화 기법을 사용하는 각 부채널은 주기적으로 돌아오는 시간 슬롯을 이용하여 자신의 데이터를 전송. 변조란? 신호의 진폭 주파수 위상 등 그 특성을 변화시켜 전송링크에 적합한 파형(waveform)이 되도록 변환하는 과정 비동기식(통계적) 시분할 다중화 방식과 구분하여 동기식 시분할 다중화 방식이라 함.

10 시분할 다중화 기법의 동작과 장단점 시분할 다중화 기법의 적용 예 :DS-1 전송 형식 (24개의 채널을 시분할 다중화) 장점
간단한 구조로 되어 있어 저렴한 비용 데이터 전송률 조절 가능 단점 시간 슬롯의 낭비

11 통계적 시분할 다중화 기법 통계적 시분할 다중화 기법(STDM, Statistical TDM)이란? 장점 단점
동기식 시분할 다중화의 단점을 보완한 기술로서, 동적으로 대역폭을 각각의 부채널에 할당. 동기식 시분할 다중화기법은 시간 슬롯을 각 부채널에 무조건 할당하는 반면, 통계적 시분할 기법은 시간 슬롯을 데이터 전송을 하고자 하는 부채널에만 전송기회 허용 장점 대역폭의 낭비를 최소화 (동적 할당기법을 사용) 단점 회로가 복잡해지고 비용이 증가

12 동기식 TDM과 통계적 TDM의 비교 4개의 데이터 소스와 4개의 시간 간격(t0, t1, t2, t3, t4)에서 출력된 데이터

13 Section 02 교환(Switching)기술
데이터 전송을 원하는 10개의 디바이스가 있고, 각 디바이스가 서로 데이터 전송을 하기 위해서는 디바이스 상호간의 연결(connection)이 필요 10개의 모든 디바이스를 각각 연결하려면? --> 45개의 점대점(point-to-point) 연결이 필요. 계산 : (10×9)/2=45개 --> 메시(mesh)형 연결 10개의 디바이스 사이의 거리가 수백 km 떨어져 있는 경우 --> 45개의 점대점(point-to- point) 연결은 현실적이지 못함. 디바이스 수가 증가할수록 요구되는 연결의 수가 급격히 증가 --> 비현실적인 방법 좋은 해결책은 없는가? 교환기술이 해결책 제공 교환기술은 다수의 디바이스 상호간에 최적의 연결성을 제공해주는 기술 교환기술은 각 디바이스를 데이터통신 네트워크(network)에 연결하는 방법

14 교환기술과 디바이스간 상호 연결 스테이션: 컴퓨터는 물론, 전화, 터미널 등 데이터 통신이 가능한 모든 디바이스를 포함
스테이션: 컴퓨터는 물론, 전화, 터미널 등 데이터 통신이 가능한 모든 디바이스를 포함 각 스테이션은 데이터 통신 네트워크를 구성하는 노드(node)에 연결 네트워크 노드: 라우터, 브릿지 등과 같은 디바이스에 대한 총칭으로, 전송측으로부터 목적지까지 데이터의 이동에만 관여. [그림 3-5] 데이터통신 네트워크를 통한 디바이스 상호간의 연결

15 데이터통신 네트워크의 분류 방송 네트워크의 구분 교환 네트워크의 구분 데이터통신 네트워크의 분류 (전송기술과 구조에 따른)
데이터통신 네트워크의 분류 (전송기술과 구조에 따른) 교환 데이터 통신 네트워크(switched data communication network) 방송 데이터 통신 네트워크(broadcast data communication network) 방송 네트워크의 구분 패킷 라디오 네트워크 인공위성 네트워크 지역(local) 네트워크 교환 네트워크의 구분 회선교환 네트워크 메시지 교환 네트워크 패킷교환 네트워크

16 교환 네트워크 교환 데이터통신 네트워크의 개념도([그림 3-6])
교환 네트워크는 6개의 노드로 구성되고 각 노드는 다수의 데이터링크로 연결 스테이션 A에서 스테이션 E로 데이터를 전송하는 경우 스테이션 A에서 출발한 데이터는 먼저 노드 1에 보내짐  노드 1에서는 몇가지의 데이터링크의 조합 가능 [그림 3-6] 교환 네트워크의 개념도

17 회선교환방식 대표적인 회선교환(circuit switching) 방식은 전화 네트워크 시스템
전송이 이루어지기 전에 먼저 데이터 통신을 위한 전용 전송로(dedicated transmission path)를 설정. (장점)회선을 할당받아 사용하기 때문에 안정적이고 실시간 데이터 서비스가 가능. (단점) 효율성이 떨어짐. (연결이 설정된 후에는 회선은 다른 사용자가 사용할 수 없음) [그림 3-7] 회선교환방식

18 회선교환방식의 동작 단계 1. 회선 설정(Circuit Establishment) : 데이터가 전송되기 전에 스테이션 사이에 회선 설정 단계 2. 데이터 전송(Data Transfer) : 단계 1에서 설정된 <노드 1-노드 3-노드 4- 노드 6-노드 5>으로 구성된 전송로를 따라서 스테이션 A에서 스테이션 E로 데이터 전송이 이루어짐. 단계 3. 회선해제 (Circuit Termination): 데이터 전송이 완료되면 두 스테이션 중 하나의 스테이션의 동작으로 연결 해제. 회선교환방식은 전화(음성), 센서, 원격측정 등과 같은 비교적 연속적인 데이터 흐름을 갖는 경우에 널리 사용되는 기술

19 메시지 교환방식 전용 전송로의 설정이 불필요 메시지에 목적지 주소를 첨부하여 전송
메시지는 노드에서 노드로 네트워크를 통해 이동 각 노드에서 메시지를 수신하게 되면 수신된 메시지를 잠시 저장한 다음, 그 다음 노드로 보냄. ---> 축적 후 전달(store and forward) 방식

20 메시지 교환방식의 특성 회선교환방식보다 적은 비용으로 네트워크 설계가 가능 (전송로의 효율적이용)
상대 스테이션이 다른 스테이션과 데이터 교환 중이거나 고장 등의 이유로 메시지를 수신할 수 없는 상태일 때에도 메시지 전송 가능 데이터 전송량이 폭주하는 경우에 교환네트워크의 혼란 상태를 피할 수 있음(축적기능) 동일한 내용의 메시지를 동시에 다수의 스테이션에 보낼 수 있음 필요에 따라 우선순위 전송이 가능 메시지의 분실을 방지하기 위해 번호를 부여하거나 전송 날짜, 시간 등을 추가하여 전송가능 코드와 속도가 서로 다른 단말기끼리도 메시지 교환이 가능

21 패킷교환방식 패킷교환(packet switching) 방식은 메시지 교환방식과 회선교환방식의 장점을 결합하고 단점을 최소화한 방식 패킷 형태로 만들어진 데이터를 패킷교환기가 목적지 주소에 따라 적절한 경로(route)를 선택하여 전송하도록 하는 교환방식 노드가 교환기(switch)의 역할을 수행하는 점에서는 메시지교환의 경우와 비슷하나 메시지교환의 경우처럼 노드가 메시지를 축적하지는 않음 ---> 빠른 응답시간이 요구되는 응용에 사용 가능 메시지 교환의 경우와 유사하게 속도와 코드가 서로 다른 디바이스 사이에서도 데이터 교환이 가능 경로변경 방식에 따라 교환기 통신 회선 등의 장애가 발생할 경우에도 대체 경로를 선택할 수 있어 네트워크의 신뢰성 향상

22 패킷교환 방식의 구분 패킷교환방식의 구분 (패킷 스트림(stream)을 처리하는 방법에 따라) 데이터그램 패킷교환방식
데이터그램(datagram) 가상회선방식(virtual circuit) 데이터그램 패킷교환방식 패킷 스트림을 독립적으로 처리하는 방식으로 연결설정 단계가 불필요하고, 혼잡을 피해 경로구성이 가능하기 때문에 융통성이 개선. 가상회선 패킷교환방식 논리적 연결설정(logical connection)을 하는 방식으로 에러제어, 흐름제어가 가능하여 신뢰성이 높아짐.

23 연결호출 설정중단; 연결설정 후에는 패킷전송지연 증가
교환방식의 특성 비교 방식  특성 회선교환 메시지 교환 가상회선 패킷교환 데이터그램 패킷교환 전용전송로 유 무 전송단위 연속적인 데이터 메시지 패킷 메시지의 저장 여부 저장하지 않음 저장, 필요시 검색 일시적 저장, 검색기능 없음 이용에 적합한 전송 형태 길이가 긴 연속적 전송 저속 메시지 전송 순간적인 대량 데이터의 고속전송 전송 경로의 형태 동일한 전송경로 메시지마다 경로설정 전체 패킷전송을 위해 경로설정 각 패킷마다 경로설정 지연 시간 영향 연결호출 설정지연, 전송지연은 무시 메시지 전송지연 연결호출 설정지연, 패킷전송지연 패킷전송지연 과부하시 연결호출 설정중단 메시지 전송지연 증가 연결호출 설정중단; 연결설정 후에는 패킷전송지연 증가 패킷전송지연 증가 코드 및 속도변환 전송데이터와 수신데이터의 순서일치 일치 불일치 대역폭 고정 동적사용 가능 회선 에러발생시 다른 회선 재설정 여러 경로 중 선택 오버헤드 연결설정 후 불필요 메시지마다 필요 각 패킷마다 필요 응용분야 실시간 대화형 실시간 대화형 부적합

24 요약(1) 다중화 기법이란 데이터링크의 효율성을 극대화하기 위하여 다수의 디바이스가 단일 데이터링크를 공유하여 전송하는 효율적인 데이터 전송 기법으로 정의됨. 다중화기법의 종류 ▷주파수 분할 다중화: 데이터링크(채널)의 주파수 대역폭을 몇 개의 작은 주파수 대역으로 나누어서 각각을 부채널(sub channel)로 재구성한 다음, 각 부채널을 여러 개의 디바이스에 할당함으로써 각 디바이스로부터 나오는 신호를 동시에 전송하는 방식 ▷ 시분할 다중화: 채널(channel)에 할당된 데이터 전송 허용시간을 일정한 시간 슬롯(time slot)으로 나누고, 채널도 다시 부채널(sub channel)로 나누어, 각 시간 슬롯을 부채널에 순차적으로 할당하여 사용하는 방식 ▷ 통계적 시분할 다중화: 시분할 다중화의 단점을 보완한 기술로, 동적으로 대역폭을 각각의 채널에 할당하는 방식 데이터 통신 네트워크는 데이터를 전송하는 데 사용되는 기술과 구조에 따라 교환 데이터 통신 네트워크(switched data communication network)와 방송 데이터 통신 네트워크(broadcast data communication network)로 구분된다.

25 요약(2) 교환 네트워크는 다시 회선교환 네트워크, 메시지 교환 네트워크, 패킷교환 네트워크 등으로 구분되며, 방송 네트워크는 패킷 라디오 네트워크, 인공위성 네트워크, 지역(local) 네트워크 등으로 구분된다. 회선교환방식은 전송이 이루어지기 전에 먼저 데이터 통신을 위한 전용 전송로(dedicated transmission path)를 설정하는 방식으로, 회선 설정, 데이터 전송, 회선해제 등 3단계로 이루어진다. 메시지 교환방식은 메시지(message)라고 하는 데이터의 논리적 단위를 교환하는 방식으로, 두 스테이션 사이에 전용 전송로를 설정할 필요가 없으며, 메시지에 목적지 주소를 첨부하여 전송한다. 패킷교환방식은 메시지 교환방식과 회선교환방식의 장점을 결합하고 단점을 최소화한 방식이다. 패킷교환방식은 패킷 스트림(stream)을 처리하는 방법에 따라 데이터그램(datagram) 방식과 가상회선방식(virtual circuit)으로 구분된다.

26 다중화(multiplexing)기법과 교환기술 3장 끝