1. 개요
데이터 : 데이터를 만들어 사용하는 사용자 간에 합의된 임의의 형태로 표현된 정보
데이터 통신 : 전선과 같은 특정 형태의 전송매체를 통해 두 장치 간에 데이터를 교환하는 것
데이터 통신의 기본 특성 4가지
전달 : 시스템은 정확히 목적지에 데이터를 전달해야 한다.
정확성 : 시스템은 데이터를 정확하게 전달해야 한다.
적시성 : 시스템은 시간 내에 데이터를 전송해야 한다.(지연x = real-time 전송)
파형난조(jitter) : 패킷 도착시간이 조금씩 다른 것을 말한다.
데이터통신 시스템의 5 요소
메시지 : 통신의 대상이 되는 정보, 즉 데이터.
송신자 : 데이터 메시지를 보내는 장치.
수신자 : 메시지를 수신하는 장치.
전송매체 : 메시지가 전송자로부터 수신자에게까지 이동하는 물리적인 경로.
프로토콜 : 데이터 통신을 통제하는 규칙의 집합. 통신하고 있는 장치들 사이의 상호합의.
데이터 흐름 방향 3가지
단방향(simplex) : 한쪽 방향으로만 통신이 일어남. 자판과 모니터의 관계. 한쪽은 전송만 할 수 있고 한쪽은 수신만 할 수 있음.
반이중(half-duplex) : 송신과 수신이 가능하지만 동시에 할 수는 없다. 워키토키.
전이중(full-duplex) : 양쪽 기지국이 동시에 송신과 수신을 할 수 있다.전화 네트워크. 두 개의 전송 통로를 사용하거나 채널의 전송용량을 반으로 나누어 서로 반대 방향으로 흐르게 하는 두 가지 방법.
네트워크 : 전송매체 링크로 서로 연결된 장치(노드).
Device : host, end system, connecting device such as router.
네트워크 평가기준 3가지
성능 : 전달시간, 응답시간으로 측정. 처리량(throughput), 지연, jitter, loss. Depend on factors including number of users, type of transmission medium, hardware, software.
신뢰성 : 고장의 빈도수와 고장이 나서 링크를 복구하는데 소요하는 시간, 재난 발생 시 네트워크의 견고성.
보안 : 시스템은 불법적인 접근이나 바이러스로부터 데이터를 보호해야 한다.
연결 유형 2가지
점대점(point to point) : 두 장치 간의 전용 링크를 제공한다. 채널의 전체 용량은 두 기기 간의 전송을 위해서 쓰인다. 리모콘-텔레비전.
다중점(multipoint) : 3개 이상의 특정 기기가 하나의 링크를 공유하는 방식.
물리적 접속형태 4가지 (physical topology)
그물형(mesh) : 모든 장치는 점대점 링크를 갖는다. n개의 장치를 연결하기 위해서는 n(n-1)/2개의 물리적인 채널이 필요. 모든 장치는 n-1개의 입출력 포트를 갖고 있어야 한다. 각 연결회선이 원하는 자료의 전송을 보장해주기 때문에 통신량 문제를 없애준다. 안정성이 높다. 비밀유지와 보안이 높다. 결함이 발생한 정확한 위치를 파악하고 원인과 해결책을 쉽게 찾을 수 있다. 케이블의 양과 io포트 수가 많다. 설치와 재구성이 어렵다. 텔레비전의 지역국들 사이의 네트워크.
스타형 : 허브라 불리는 중앙제어장치와 전용 점대점 링크를 갖는다. 제어장치가 교환역할을 한다. 그물형보다 비용이 적게 든다. 1개의 io포트만 필요하다. 설치와 재구성도 쉽다. 링크가 끊어져 작동하지 않으면 오직 해당 링크만 영향을 받으므로 안정성이 높다. 허브가 망가지면 전체 시스템이 고장난다. 지역네트워크(LAN)에서 사용된다.
버스형 : 다중점 형태. 하나의 긴 케이블이 네트워크 상의 모든 장치를 연결하는 중추네트워크 역할을 한다. 탭과 유도선에 의해 버스에 연결된다. 유도선은 주케이블과 장치를 연결하는 선이며, 탭은 주케이블의 연결장치나 전선의 금속심에 연결하기 위해 케이블의 피복에 구멍을 낸 것. 신호가 멀리 이동할수록 약해지므로 버스가 수용할 수 있는 탭의 수와 탭 간의 거리가 제한된다. 설치하기 쉽다. 가장 적은 양의 케이블을 사용한다. 재구성이나 결함분리가 어렵다. 탭에서 일어나는 신호의 반사가 신호의 질을 저하시킬 수 있다. 버스 케이블의 결함이나 파손은 모든 전송을 중단하게 한다.
링형 : 자신의 양쪽에 있는 장치와 전용으로 점대점 회선구성을 이룬다. 한 방향으로만 링을 따라 목적지에 도달할 때 까지 전송된다. Repeater : 중계기, 다른 기기가 보낸 신호를 받으면 중계기는 이를 재생하여 전달한다. 설치와 재구성이 쉽다. 결함 발생의 사실과 발생 위치를 쉽게 확인 할 수 있으므로 결함분리가 간단해진다. 링의 결함은 전체 네트워크를 사용할 수 없게 된다. 이중 링을 사용하거나 결함 지점을 단절시킬 수 있는 스위치를 사용하여 해결할 수 있다.
근거리통신망(LAN) : 개인 전용이며 크기 제한이 있다. 개인 컴퓨터나 워크스테이션 간의 자원 공유를 목적으로 설계되었다. 버스, 링, 스타형을 사용한다.
광역통신망(WAN) : 국가, 대륙 또는 전세계를 포괄하는 광대한 영역의 데이터, 음성, 영상 및 비디오 정보의 장거리 전송을 제공. 교환형 WAN은 다른 LAN이나 WAN에 연결되는 라우터들을 연결하고 있다. 점대점 WAN은 LAN을 인터넷 서비스 제공자(ISP)에 연결하도록 전화회사나 케이블회사로부터 전세낸 회선이다.
교환형 WAN : X.25, Frame relay, ATM(비동기 전송 모드)
INTERNETWORK : 두 개 이상의 네트워크들이 연결되어 있는 네트워크.
인터넷 : ARPA(국방성) -> ARPANET(계산기협회, 대학들) -> TCP/IP
프로토콜 : 네트워크 통신은 서로 다른 시스템에 있는 개체(entity)간에 일어난다. 개체들은 프로토콜에 합의해야 한다.
Entity : 정보를 주거나 받을 수 있는 어떤 것.
프로토콜의 3가지 요소
구문(syntax) : 데이터 구조나 형식. 데이터가 어떤 순서로 표시되는지를 의미.
의미(semantics) : 비트에서 각 부분의 뜻.
타이밍 : 언제 데이터를 전송해야 할 것인가. 얼마나 빨리 전송할 것인가.
2. 네트워크 모델
Protocol layering
- enable us to divide a complex task into several smaller and simpler tasks.
- Modularity : independent layers, a layer is defined as a module with inputs and outputs.
- A layer receives a set of services from the lower layer and gives the services to the upper layer.
TCP/IP protocol suite
- A hierarchical protocol made up of interactive modules
- Layered architecture
Communication through an internet
Logical connection between layers
Identical objects in TCP/IP protocol suite
Description of each layer
물리층(physical layer) : 물리적 매체를 통해 비트 흐름을 전송하기 위해 필요한 기능들을 조정. 인터페이스의 기계적, 전기적 규격, 그리고 전송매체를 다룬다. 물리적인 장치와 인터페이스가 전송을 위해 필요한 기능과 처리절차를 규정한다.
물리층은 프레임 내부의 개별 비트를 링크를 통해 전달한다.
두 장치는 transmission media 로 연결되어있다. Transmission medium은 전기적 또는 광학적 신호를 전달한다.
데이터 속도 규정, 송신자와 수신자는 같은 클록을 사용, 전송모드 결정.
데이터링크층(data link layer) : 물리층을 신뢰성 있는 링크로 변환시켜주고 노드-대-노드 전달을 책임진다. 상위계층에서 느끼기에 오류 없는 물리층처럼 보이도록 한다.
데이터링크층은 한 노드로부터 다른 노드로 프레임을 전송하는 책임을 진다.
네트워크층으로부터 받은 비트 스트림을 프레임이라는 데이터 단위로 나눈다.
물리 주소를 프레임의 헤더에 추가한다.
흐름제어, 오류제어, 접근제어 역할을 한다.
네트워크층(network layer) : 패킷을 발신지로부터 여러 네트워크(링크)를 통해 목적지까지 전달하는 책임을 갖는다. 데이터링크층은 두 시스템 간에 패킷 전달을 제공하는 데 반해 네트워크층은 각 패킷의 발신지로부터 최종 목적지까지 전송을 제공한다.
두 시스템이 같은 링크에 연결되어 있을 경우에는 네트워크층을 필요로 하지 않는다.
발신지와 목적지 시스템을 구분하기 위해 상위계층에서 받은 패킷에 발신지와 목적지의 논리주소를 헤더에 추가한다.
발신지와 목적지의 연결 생성을 책임진다.
IP : 비연결형 데이터그램 프로토콜. 데이터그램은 개별적으로 전송되므로 순서 보장 X, 오류 검사 X.
ARP : IP주소를 물리주소로 변환.
RARP : 물리 주소를 IP주소로 변환.
ICMP : 송신자에게 데이터그램의 문제점을 알려주기 위해 호스트와 게이트웨이가 사용하는 메커니즘. 질의와 오류보고 메시지를 보냄.
IGMP : 그룹 수신자들에게 메시지를 동시에 전송하기 위해 사용
전송층(transport layer) : 전체 메시지의 프로세스 대 프로세스 전달을 책임진다. 오류제어와 흐름제어를 발신지 대 목적지 수준에서 감독하면서 전체 메시지가 완전하게 바른 순서로 도착하는 것을 보장한다.
전송층 헤더는 서비스지점 또는 포트주소라는 주소 유형을 포함해야 한다. (서비스지점 주소지정) 전체 메시지를 해당 컴퓨터의 정확한 프로세스에 전달한다.
메시지를 전송할 수 있는 세그먼트 단위로 나누며, 이 때 각 세그먼트는 순서번호를 갖는다. 메시지가 목적지에 정확하게 도착하게 되면 전송층이 재조립할 수 있도록 하거나, 손실된 패킷을 발견하고 대체할 수 있도록 한다.
비연결 전송층은 각 세그먼트를 독립된 패킷으로 다루고, 목적지 시스템의 전송층에 전달한다.
연결지향 전송층은 패킷을 전달하기 전에 먼저 목적지 시스템과의 연결을 설정한다.
전송층의 흐름 제어와 오류제어는 단일 링크가 아닌 종단 대 종단에 대해 수행된다. 오류 교정은 재전송을 통해 이루어진다.
TCP : 응용에 대한 모든 전송층 서비스를 제공. 신뢰성 있는 스트림 전송 포트 대 포트 프로토콜. 연결지향. 데이터를 나누어 세그먼트에 넣으면서 순서번호를 포함. 오류는 재전송을 통해 해결.
UDP : 비연결지향. 포트주소, 검사합 오류 제어 및 상위층으로부터 받은 데이터의 길이 정보만을 추가한 프로세스 대 프로세스 프로토콜이다. 간단하고 오버헤드가 작다.
SCTP : UDP와 TCP를 합친 멀티미디어 통신. 연결지향. 신뢰성. FULL-DUPLEX.
Encapsulation and decapsulation
OSI 7 LAYER
Peer to peer processes
An exchange using OSI model
OSI VS TCP/IP
세션층 : 대화 제어와 동기화의 책임을 진다.
표현층 : 변환, 압축 및 암호화를 담당한다.
응용층은 사용자에게 서비스를 제공하는 책임을 진다.
3. Introduction to physical layer
Analog data : information that is continuous, have infinitely many levels of intensity over a period of time, ex)human voice
Digital data : information that has discrete states, have only a limited number of defined values, ex) data stored in computer
To be transmitted, data must be transformed to electromagnetic signals.
Periodical signal : complete a pattern within a measurable time frame, called a period, and repeat that pattern over subsequent identical periods. Cycle : completion of one full pattern.
Nonperiodic signal : change without exhibiting a pattern or cycle that repeats over time.
In data communications, we commonly use periodic analog signals and nonperiodic digital signals.
Sine wave : the most fundamental form of a periodic analog signal
Peak amplitude(최대진폭) : the absolute value of highest intensity, volts
Frequency(주파수) : the number of periods in 1s, Hz
Phase(위상) : the position of waveform relative to time 0, degrees or radians
Wavelength(파장) : = propagation speed * period = propagation speed / frequency. distance a simple signal can travel in one period. Depend on frequency and medium, often used to describe the transmission of light in an optical fiber.
Time and frequency domain
시간영역도면은 시간을 고려한 신호진폭의 변화를 보여준다. 위상은 시간영역도표에서 명백하게 측정되지 않는다.
진폭과 주파수 간의 관계를 보여주기 위해서 주파수영역도면을 사용한다. 하지만 이는 진폭의 변화는 보여주지 못한다.
Composite signal(복합신호)
Made of many simple sine waves.
Fourier analysis : composite signal is a sum of a set of sine waves of different frequencies, phases, and amplitude.
Periodic composite signal : decomposed into a series of simple sine waves with discrete frequencies.
Nonperiodic composite signal : decomposed into a combination of an infinite number of simple sine waves with continuous frequencies.
Frequency spectrum : description of a signal using the frequency domain and containing all its components.
Bandwidth : difference between the highest and the lowest frequencies contained in a composite signal. Width of the frequency spectrum. 복합 신호의 대역폭은 신호에 포함된 최고 주파수와 최저 주파수의 차이다.
Digital signal
Bit rate : number of bits sent in 1s : bps(bits per second)
Bit length : distance on bit occupies on transmission medium, bit length = propagation speed * bit duration
Digital signal is a composite analog signal with an infinite bandwidth.
디지털 신호는 급작스러운 변화로 인해 실제로는 무한대의 주파수를 갖는 복합 신호이다. 디지털 신호의 대역폭은 무한대이다. 시간 영역에서의 디지털 신호는 수직선과 수평선으로 구성되어 있다. 시간 영역에서의 수직선은 무한대의 주파수를 의미하며 수평선은 주파수 0을 의미한다. 주파수 0에서 무한대의 주파수로 가는 것은 영역 내에 그 사이의 모든 주파수를 포함한다는 것을 의미한다.
디지털 신호가 주기적이면, 분해 된 신호는 무한대의 대역폭과 이산 주파수들로 구성된 주파수 영역으로 나타난다. 각 대역폭은 무한이지만 주기 신호는 이산 주파수를 비주기 신호는 연속 주파수를 갖는다.
Baseband transmission(기저대역 전송)
디지털 신호는 무한 대역폭을 갖는 복합 아날로그 신호이다.
Send a digital signal over without changing it to analog signal
Low-pass channel : channel with a bandwidth starting from zero
Bit rate and bandwidth are proportional to each other
Broadband transmission(using modulation)
Send a digital signal with changing it to analog signal
Bandpass channel : channel with a bandwidth not starting from zero.
Modulation of a digital signal for transmission on bandpass channel.
디지털 신호의 모양을 유지하는 기저대역 디지털 통신은 무한대 또는 매우 넓은 대역폭을 갖는 저대역 통과 매체를 사용할 때만 가능하다.
Transmission impairment
Imperfect transmission media : make signal at the beginning and end of medium different.
Impairment causes
Attenuation(감쇠)
Loss of energy as signal propagates
Decibel(dB) : relative strengths of two signals or one signal at two different points
Distortion(일그러짐)
Changes in form or shape of signal. Caused by the fact that different fourier components travel at different speeds.
Noise(잡음)
Unwanted energy from sources other than transmitter
Thermal noise : caused by random motion of electrons in a wire
Induced noise : caused by sources such as motors and applications
Crosstalk : effect of one wire on the other
Impulse noise : spikes on the power line or other causes.
SNR(Signal to noise ratio) (신호대잡음비)
Data rate limit
Data rate determining factors : bandwidth available, levels of signals, quality of channel(level of noise)
Theoretical formulas for data rate calculation : nyquist for a noiseless channel, Shannon for a noisy channel.
Noiseless channel : nyquist bit rate
Theoretical maximum bit rate : 이론적인 최대 전송률
Signal level을 늘리면 시스템의 신뢰도를 떨어뜨릴 수 있다.
Noisy channel : Shannon capacity
Theoretical highest data rate for a noisy channel
샤논 용량은 상한값을 알려주고 나이키스트 공식은 몇 개의 신호 준위가 필요한 지를 알려준다.
Performance
Bandwidth : in hertz – range of frequencies in a composite signal, in bps – speed of bit transmission in a channel or link
Throughput(transmission delay) : measurement of how fast data can pass through an entity, throughput = information size / transmission speed
Latency(delay) : propagation delay + transmission time + queing time + processing time.
Propagation delay : Time required for a bit to travel from one point of the transmission medium to another
Propagation delay = distance / (propagation speed)
Transmission time : time required for transmission of a message
Transmission time = (message size) / bandwidth
Queuing time
Time needed for each intermediate or end device to hold the message before it can be processed
Change with load imposed on the network
4. Digital transmission
Digital to digital conversion : representation of digital data by digital signals. Line coding은 항상 필요하며 block coding, scrambling은 필요할 수도 아닐 수도 있다.
line coding : convert digital data to digital signals.
Data element : the smalles entity that can represent a piece of information, bit
Signal element : the shortest unit (timewise) of a digital signal, a signal element carries data elements
Ratio r : # of data elements carried by each signal element
Data rate(bit rate) : number of data elements (bits) sent in 1s, bps
Signal rate(pulse rate, modulation rate, baud rate) : number of signal elements sent in 1s, baud
Goal : increase data rate while decreasing signal rate
Bandwidth : range of frequencies, digital signal requires infinite bandwidth, effective bandwidth is finite, bandwidth is proportional to signal rate
Baseline wandering
Baseline : average of the received signal power. Incoming signal power is evaluated against baseline to determine the value of data element
Baseline wandering : a drift of baseline which can be caused by a long string of 0s and 1s
DC(Direct Current) component : frequencies around 0 which can occur when the voltage level is constant for a while. A system that cannot pass low frequencies needs an encoding scheme with no DC component
Self-synchronization : a self-synchronization digital signal includes timing information in the data being transmitted. Can be achieved by introducing transitions at the beginning, middle, or end of the pulse.
Characteristics of line coding
Built-in-error detection
Immunity to noise and interference
Complexity
NRZ(Non-return-to-zero) : 1(positive voltage), 0(zero voltage), very costly. Normalized power(power needed to send 1 bit per unit line resistance) is double that for polar NRZ.
Two voltage levels
NRZ-L(level) : voltage level determines the bit value
NRZ-I(inverse) : change of voltage level determines the bit value
Problem : baseline wandering, synchronization, DC component
RZ(Return to zero) : three voltage level : +, -, 0. Signal goes to 0 in the middle.
Problem : bandwidth, complex
Biphase : two voltage levels, bit synchronization, no baseline wandering, no DC component.
Manchester : transition at the middle of each bit. Voltage level at the beginning of a bit determines the bit value.
Differential Manchester : transition at the middle of each bit. Transition at the beginning of a bit determines the bit value.
Problem : doubled bandwidth.
Bipolar scheme : bipolar or multilevel binary. Three voltage levels : +, -, 0.
AMI&Pseudoternary : AMI(alternate 1 inversion), Pseudoternary(가삼진수, alternate 0 inversion), no DC component, used for long-distance communication.
Problem : synchronization
Block coding