데이터 통신 총정리 1

jiyoon·2023년 4월 20일
데이터 통신
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CH 01 개요

데이터 통신

<기존의 통신과 디지털 통신의 차이>

기존의 통신 : 음성. 아날로그 방식 전송. 프로토콜 의미 X
데이터 통신 : 멀티미디어(영상, 음성, 문자 등). 모든 정보의 이동이 디지털 형태 전송. 프로토콜 중요


<디지털 통신의 기본 특성>

  1. 전달 : 정확한 목적지에 전달, 원하는 장치나 사용자에게 전달
  2. 정확성 : 데이터를 정확하게 전달
  3. 적시성 : 데이터를 적정 시간 내에 전달. 거의 실시간
  4. 파형 난조 : 음성이나 동영상 패킷 도착 시간이 서로 일정치 못함.
    why?
    패킷은 경로가 달라질 수 있어서, 도착 순서가 상이할 수 있다. 노드가 최적의 경로를 검색하는데, 출발지 도착지가 같은 패킷이라도 그때그때 최적의 경로가 달라질 수 있기 때문. 그래서 최종적으로 패킷들을 재정렬 해줘야 한다.

<디지털 통신의 구성 요소>

  1. 메시지(Message) : 통신 대상인 전송되는 정보(data)
  2. 송신자(Sender) : 메시지를 보내는 장치
  3. 수신자(Receiver) : 메시지를 받는 장치
  4. 전송매체(Medium) : 메시지가 송신자에서 수신자까지 메시지를 전달하는 물리적인 경로, 동축 케이블, 광케이블, 레이저 등)
  5. 프로토콜 : 데이터 통신을 제어하는 규칙들의 집합. 송/수신자는 반드시 동일한 프로토콜을 사용. TCP / IP

<데이터 표현 - color>

풀칼라 RGB에서 각 색상 채널(빨강, 초록, 파랑)은 각각 8비트를 사용하여 색상을 표현.
색상 조합은 2⁸ x 2⁸ x 2⁸ = 2²⁴ 개 = 16,777,216 개

pseudo Color는 일반적으로 16비트 색상을 사용.
2¹⁶ = 65536 개

우리 눈은 그만큼의 정밀도가 안 되어서 그냥 수도 칼라를 사용한다. 메모리 절약 -> 비용 33% 절약


<데이터 전송 방식>

  • 단방향 방식 : 한쪽 방향으로만 통신
  • 반이중 방식 : 각 지국 송/수신 가능. 동시 X.
  • 전이중 방식 : 양쪽 지국간 동시 송/수신 가능.

네트워크

: 전송매체에 연결된 노드와 링크의 집힙.

  • 노드 : 네트워크상의 다른 노드로 data를 전송/수신할 수 있는 모든 장치.
    ex) 컴퓨터, 프린터, 라우터
  • 링크 : 장치들을 서로 연결하는 통신 채널.
    ex) 케이블, Wi-Fi

<물리적인 구조 : 연결 유형>

  • 점-대-점 회선 구성
  • 다중점(멀티드롭) : 3개 이상의 특정 기기가 하나의 링크를 공유하는 방식.

<네트워크 분류>

  • LAN : 근거리 통신망. 가정이나 사무실 같은 작은 지역을 연결하는 네트워크. 스위치 또는 허브와 같은 네트워크 장치를 사용하여 연결. 컴퓨터,프린터, 서버 등의 장치 간 데이터를 공유.
  • MAN : 도시 통신망. WAN과 비슷하지만 더 작은 규모와 범위. 대학, 공공 기관 또는 ISP에 의해 운영.
  • WAN : 광역 통신망. 국가, 대륙, 전 세계를 연결하는 네트워크. 인터넷. 라우터를 사용하여 여러 개의 LAN을 연결.
  • PAN : 개인 영역 통신망. 개인의 전자 장치를 연결하는 네트워크. 블루투스, NFC, Wi-Fi Direct 등의 기술을 사용하여 스마트폰, 태플릿, 이어폰 등을 연결.
  • BAN : 신체 통신망. 스마트 워치, 센서, 구글 글래스 등 웨어러블 기기를 연결하고 데이터를 공유.

<라우터와 라우팅>

  • 라우터(router) : 네트워크에서 데이터 패킷을 전송하는 장치. 여러 네트워크 간에 통신을 가능하게 함. 데이터 패킷의 출발지와 목적지를 확인한 후, 최적의 경로를 결정하여 패킷을 전달.
  • 라우팅(routing) : 이 과정

프로토콜과 표준

<프로토콜>

: 네트워크에서 통신을 위한 규칙과 절차의 집합

  • 무엇을 ? 구문 : 데이터의 구조와 형식.
    어떻게 인코딩하고, 어떤 비트 패턴을 사용할지 등

  • 어떻게? 의미 : 데이터의 실질적인 내용과 그 의미.
    특정 명령이나 메시지가 어떤 동작을 수행하거나 어떤 정보를 전달하는지를 정의.

  • 언제? 타이밍 : 데이터 전송의 순서와 시간을 관리.
    언제 데이터를 전송할지, 얼마동안 기다려야할지, 어떤 속도로 데이터를 전송할지 등.
    1010 으로 보냈는데 (10)(10)으로 읽으면 안 됨.

<국제 전기통신연합-전기통신표준영역 : ITU-T>

: 통신에 대한 국제 표준 개발

  • 국제 표준화 기구 : ISO
    OSI 모델 만듬.

CH 02 네트워크 모델

계층화된 임무

  • 계층 구조 : 각 임무들이 계층구조에서 주어진 순서대로 수행

  • 서비스 : 각 계층은 바로 아래 계층의 서비스 이용

  • 쪼개 보내는 것의 장•단점

    • 장점
      1. 유지보수가 좋음. (에러가 일어나도 쪼금만 버려도 됨)
      2. 에러 발생 확률 자체도 줄어든다.
    • 단점
      1. 전송이 끝나면 순서를 다시 재정립해야함 (헤더)
      2. 헤더를 위한 추가적인 데이터가 추가 됨.

<계층 구조를 쓰는 이유>

  1. 모듈화 : 각 계층은 자신의 역할을 수행하고 다른 계층들에 영향을 미치지 않음. 개발과 유지 보수 용이, 상호작용 축소 -> 전체 시스템의 안정성 향상
  2. 표준화 : 각 계층은 자신의 역할과 책임이 명확. 서로 다른 기업이나 조직에서도 같은 규격을 사용하여 통신이 가능케.
  3. 문제 해결 : 전체 시스템에서 발생한 문제를 특정 계층에 국한시켜서 해결.

OSI 모델 - 7계층

  • 계층간 인터페이스 : 자신의 바로 위 계층에 제공되는 정보와 서비스

물리 : 비트 스트림
데이터 링크 : 프레임
네트워크 : 패킷
전송 : 세그먼트. ----- -- 찐 중요
세션 : 메시지
표현 :
응용 :

각 계층의 주요 기능 요약


<Peer-to-peer 대등-대-대등 프로세스>

  • 해당 계층에서 통신하는 각 시스템의 프로세스
  • 시스템간의 통신은 적절한 프로토콜을 사용하는 해당 계층의 대등-대-대등 프로세스

<OSI 모델을 이용한 데이터 전송>


TCP/IP 프로토콜

<주소 지정>

: TCP/IP 프로토콜을 사용하는 인터넷에서 4가지 주소를 이용한다.

물리 주소는 홉을 거칠 때마다 변하지만, 논리주소는 항상 그대로 유지된다.
논리주소인 ipconfig 계속 변함.
포트 주소 : ftp 등. 2의 16승. 1000번 이하는 예약되어 있음.
특수 주소 : 응용계층에서 쓰는 것들. 이메일 주소


CH 03 데이터와 신호

아날로그와 디지털

모든 아날로그 데이터가 전송되기 위해서는 디지털 신호로 변환되어야 한다.

연속적인 시간 정보를 표본화(sampling)
아날로그 -> 디지털로 변경하기 위해선 표본화가 필요 -> 근사값 저장 -> 근사값은 적당히 반올리한 값이라서 참값과 근사값 사이에 loss값이 생긴다.


<디지털을 사용하는 이유>

  • 오리지널은 점점 감쇠한다.
  • 품질이 향상된다.

<주기와 주파수와 위상>

  • 주기 : 하나의 사이클을 완성하는데 필요한 시간(초 단위)

  • 주파수 : 주기의 역수(1/t), 1초 동안 생성되는 신호 주기의 수. 시간에 대한 신호의 변화율.

  • 위상 : 첫 사이클의 상태

  • 주기와 주파수는 반비례 관계이다.

  • 짧은 기간 내의 변화는 높은 주파수.
    긴 기간에 걸친 변화는 낮은 주파수

  • 주파수 0 : 신호가 변화 X
    주파수 무한대 : 신호가 순간적으로 변화


<주기와 주파수 단위>!!!!!

  • 예제1) 200ps의 주파수는?
  • 예제2)
  • 예제3) 25ns -> 1/25*10-9 => 40MHz

<위상>

  • 진폭과 주파수는 같지만 위상이 서로 다른 정현파

  • 예제1)


<Filter 저역/고역/대역 통과 필터>

  • 로우 패스 : 잡음 제거
  • 하이 패스 : 흐릿 -> 선명하게
  • !!밴드 패스 : 특정한 밴드만 통과시켜서 내가 듣고 싶은 것만 들음. 여러 신호가 섞여서 같이 왔을 때, 각각의 특정한 신호를 뽑아서 쓸 때 사용한다.

<파장>!!

  • 주파수를 알면 파장을 알 수 있다.
    전파속도는 무시 = 1

<진폭 파장 위상이면 완벽히 아날로그 구현가능하다.>

why? 파장을 알면 주파수를 알 수 있다.


<스펙트럼과 대역폭>


전송장애

  • 감쇠(attenuation) : 에너지 손실. 증폭기(리피터)를 이용하여 신호를 다시 증폭시킬 수 있음.

    • 데시벨 : 신호가 감쇠하면 음수, 증폭되면 양수

  • 일그러짐(distortion) : 신호의 모양이나 형태가 변하는 것. 반대되는 신호나 다른 주파수 신호로 만든다.

  • 잡음(noise) : 열 잡음, 유도된 잡음, 혼선, 충격잡음 등


<데이터 전송률의 한계>


<무잡음 채널 : 나이퀴스트 표본화 이론> !!!!!

신호에서 가장 높은 주파수 성분의 2배 이상의 속도로 샘플링하면, 원래의 아날로그 신호를 완벽하게 복원할 수 있다
에일리어싱은 원래의 신호와 다른 주파수 성분을 가진 신호가 생성되어 원본 신호를 정확하게 복원할 수 없게 만드는 현상

  • 4k 인데 표본화가 6k로 하면 둘이 겹쳐서 안 됨. 필터를 씌워서 복원가능하다.

  • 예제 1)
  • 예제 2)
  • 예제 3)

<비트율과 비트 길이>

  • 비트율 : bps. 1초 동안 전송된 비트의 수

  • 비트 길이 : 전파 속도 * 비트 지속 시간. 한 비트가 전송매체를 통해 차지하는 길이.

  • 예제1)


CH 04 디지털 전송

디지털-대-디지털 변환

동기를 정확하게 맞추는 것이 중요하다.
연속된 1이 있는 경우, 시스템이 데이터를 정확하게 해석하는 것이 어려울 수 있다. 이 문제를 해결하기 위해 다양한 디지털-대-디지털 변환 기법이 사용된다.

양극화(Polarization)은 이러한 변환 기법 중 하나로, 양극(NRZ, Non-Return-to-Zero)과 음극(RZ, Return-to-Zero)의 두 가지 상태를 사용하여 데이터를 전송한다.

변환 과정에서도 다양한 인코딩 방식이 사용된다. 예를 들어, 맨체스터 인코딩이 있다.

<회선 부호화>

  • 데이터 전송률 : 비트율. 1초당 전송된 데이터 요소의 갯수

  • 신호 전송률 : 보오.=펄스율, 변조율, 보오율. 1초당 전송된 신호 요소의 갯수

  • 비트율과 보오율의 관계 : S = N * (1 / r) baud
    신호 요소 = 비트율 * (1/데이터 요소) baud

    • 예제 1)
    • 예제 2)

<기준선 흔들림, 직류 성분, 자기 동기화>

<회선 부호화 방식>

<단극형>

<극형>

<극형. 영비복귀 : NRZ>

NRZ-L과 NRZ-I은 모두 N/2 보오의 평균 신호율을 갖는다.

  • 예제1)

<영복귀 : RZ>

<양위상 : 멘체스터와 차분 맨체스터>

  • 멘체스터 부호화 : 동기화를 달성하는 동시에 해당 비트를 표현하기 위해 각 비트 간격 중간에서 신호를 반전.
    동기화 측면에서 좋음. 데이터가 2배 더 들음. 가격이 2배

  • 차분 멘체스터 부호화 : 비트 간격 중간에서의 반전은 동기화를 위해 사용. 비트 간격 시작점에서의 전이 여부로 비트를 식별. (비트의 전이는 0, 무변화는 1)

  • 맨체스터와 차분 맨체스터의 대역폭은 NRZ의 두배이다.

<양극형 부호화 : AMI, 가산진수>

  • 양,음,양의 세 가지 준위 사용.
  • AMI : 0은 0. 1은 반대로 감
    가삼진수 : 1은 1->0, 0은 = + or -

<블록 부호화 : B8ZS, HDB3>

  • v는 앞이랑 똑같이 가고 B는 반대로 간다고 보면 됨.
  • 1은 + / - 전환됨.
    앞의 4개 숫자 중 1의 개수가 홀수냐 짝수냐에 따라 000V or B00v로 대치

전송 방식

<비동기식 전송>


CH 05 아날로그 전송

<ASK, FSK, PSK, QAM>!!!!!

  • ASK : 감쇠가 되서 데이터 오류가 많이 남. 잘 안 씀. 1이 0으로 감쇠 ㅠㅠ

  • FSK : 주파수가 줄어든들 정보가 달라지진 않음. good

  • PSK : 위상 360도. 아날로그 신호의 각도를 변경.

  • QAM : ASK+FSK. 32개를 만든다. 진폭4 * 위상8로 만듬.

<비트율, 보오율>

<성운그림>!!!!!


CH 06 대역폭 활용 : 다중화와 확산

다중화

파장분할과 주파수분할과 같음. 고속도로 예시들었던 것과 같음

시분할

  • 동기식 : 1초/2초씩
  • 비동기식 : 용량 차이가 많을 때. 주소를 붙임 -> 오버헤드 -> 복잡
    but, 채널을 효율적으로 쓸 수 있다.

<주파수 분할 다중화>

<시분할 다중화>

<대역 확산 방식>

해킹을 하더라도 못 건들겠군. 대역 확산 방식(SS)에서 서로 다른 소스로부터 오는 신호를 보다 큰 대역폭에 맞추기 위해 조합 하지만, 목적은 엿듣기와 도청을 막기 위한 것이다. 이 목적을 달성하기 위해 확산 대역 기술에 여분의 정보를 추가한다.


CH 07 전송 매체

유도 매체 : 선로 안으로만 흐름. 유선 통신
비유도 매체 : 무선 통신.

유도 매체

<꼬임쌍선>

<동축 케이블>

<광섬유 케이블>

<단일모드와 다중 모드의 차이점>

<광케이블의 장-단점> !!!!!

<비유도 매체>

  • 라디오파는 라디오 및 텔레비전, 호출기 등과 같은 멀티캐스트(일-대-다)에 사용.3KHz ~ 1GHz. 전방향 전파. 벽을 통과. 같은 주파수를 사용하여 전송하는 안테나에 방해 받음

  • 마이크로파는 휴대전화, 위성 통신, 무선 LAN과 같은 유니캐스트(일-대-일)통신에 사용. 1~300 GHz의 주파수를 갖는 전자기파. 단방향 전파. 가시선 전파. 벽을 통과 못함

  • 적외선 등


CH 08 교환

메시지 교환망 : 제일 크니깐 제일 딜레이가 크다.

데이터 그램망 : 노드에 저장을 하고, 노드에서 라우팅을 한다. 경로를 설정한다.

가상-회선망 : 회선 교환 + 데이터그램 망. 회선교환과 똑같을 수 있지만, 경우에 따라 채널을 공동으로 쓰니깐 순서를 똑같이 가더라도 시간이 오래 걸릴 수 있음. 가상 회선 교환에서 같은 발신지와 목적지에 속한 모든 패킷은 동일한 경로를 거치지만 한정된 자원에 대해 서로 다른 지연으로 목적지에 도착할 수 있다

회선 교환망 : 전혀 딜레이가 없음. 가장 빠름.

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